7. Н2о2-сенсоры легких и кровеносных сосудов

Высшие организмы обладают глубокоэшелонированной системой защиты от кислородной опасности. Одна из первых линий обороны состоит в снижении [O₂] в органах, тканях и клетках до уровня, все еще насыщающего цитохромоксидазу, но недостаточного для образования АФК со сколько-нибудь заметной скоростью.

Стратегия организма состоит в том, что скорость подачи кислорода в ткани будучи высокой в состоянии работы, резко понижается в период отдыха. Но для организма опасен не сам кислород, а образующиеся из него АФК, уровень которых может отслеживаться с помощью специальных сенсоров. Установлено, что млекопитающие имеют два Н₂О₂-сенсора, один из которых находится в нейроэпителиальных тельцах легкого и отвечает за сужение дыхательных путей при повышении уровня Н₂О₂, а другой выполняет ту же функцию в каротидном синусе кровеносных сосудов. Оба сенсора сходны по строению и локализованы в плазматической мембране клеток (рис.9).

Рис. 10. Строение Н₂О₂-сенсора в плазматической мембране клеток нейроэпителиальных телец легкого и клеток каротидного синуса

В процессе участвуют две независимые белковые системы, локализованные в плазматической мембране: НАДФН-оксидаза и К+-канал, активируемый перекисью водорода. Фермент окисляет внутриклеточный НАДФН, перенося электроны через мембрану на ее внешнюю сторону с помощью ФАД и двугемового цитохрома b. Там происходит восстановление О₂ до О₂^. . Две молекулы О₂^. дисмутируют и образуют О₂ и Н₂О₂, которая атакует снаружи К⁺-канал, являющийся вторым компонентом сенсора. В результате канал стабилизируется в открытой конформации.

Если концентрация кислорода падает, тормозится НАДФН-оксидазная реакция, снижается уровень Н₂О₂, К⁺-канал закрывается, что ведет к снижению мембранного потенциала на плазматической мембране, возбуждению клетки и выделению ею серотонина, который в нейроэпителиальных клетках легких служит медиатором расширения дыхательных путей. Это состояние характерно для периода работы, когда цитохромоксидаза в клетках организма потребляет большое количество кислорода:

Переход от отдыха к работе → потребление кислорода в тканях → [O₂]  → [H₂O₂] → K⁺-канал →  на клеточной мембране → расширение дыхательных путей.

С переходом к состоянию покоя поглощение кислорода в тканях падает, его концентрация в крови растет, что ведет к уменьшению перехода кислорода из легких в кровь. В результате [O₂] в нейроэпителиальных клетках легких возрастает, [H₂O₂] увеличивается, а К+-канал открывается и серотонин перестает выделяться. В результате уменьшается поступление кислорода в организм из-за сужения дыхательных путей.

Подобные события происходят также в клетках каротидного синуса, но здесь вместо серотонина выделяются катехоламины, что вызывает расширение кровеносных сосудов. Главная роль рассматриваемых сенсорных систем состоит в защите от кислородной опасности. При этом измеряется уровень Н₂О₂, а не кислорода, что позволяет организму более эффективно выполнять защитную функцию. При таком устройстве сенсора сигнал на сужение дыхательных путей и сосудов возникает из-за повышения [H₂O₂] независимо от причины, вызвавшей это повышение.

Например, спазмы дыхательных путей при воспалении легких могут быть следствием повышенной продукции О₂^. и H₂O₂ НАДФН-оксидазой лейкоцитов в очагах воспаления, что ошибочно принимается организмом как сигнал кислородной опасности. Подобная ситуация может возникнуть в результате активации ксантиноксидазы в легких при вирусной инфекции. Так, по данным Моеды и сотр. (1998), инфицирование мышей вирусом гриппа вызывает 2-3-кратное повышение активности ксантиноксидазы, образующей О₂^. и H₂O₂.