Метаболизм и функции глутатиона.

Трипептид глутатион (GSH, γ-L-глутамил-L-цистеинил-глицин) является наиболее распространенным тиолом, присутствующим в клетках млекопитающих, достигая концентраций 12 мМ [4]. Глутатион синтезируется in vivo путем последовательного действия двух ферментов (Рисунок 1). γ-глутамилцистеин (γ-ГлиЦис) синтетаза в качестве субстрата используют глутамат и цистеин с образованием дипептида γ-ГлиЦис, который в последствий соединяется с глицином в ходе реакции, катализируемой глутатионсинтетазой с образованием глутатиона. АТФ является косубстратом для обоих ферментов. Баланс между клеточным синтезом и потреблением глутатиона регулируется по типу отрицательных обратных влияний глутатиона на γ-ГлиЦис синтетазу [9].

Глутатион обладает важными функциями антиоксиданта, является транспортной и депонирующей формой цистеина, кофактором реакций детоксификации ксенобиотиков, а также реакций изомеризации [4, 9]. Помимо этого глутатион определяет тиоловый редокс потенциал клеток, благодаря поддержанию сульфгидрильных групп цитозольных белков в восстановленной форме. Последние результаты позволяют предположить, что глутатион также играет роль в регуляции апоптоза [10].

Система глутатиона чрезвычайно важна для защиты клеток от АФК. Глутатион напрямую взаимодействует с радикалами с неферментативных реакциях и является донором электронов при восстановлении перекисей, катализируемом ГПО. Продуктом окисления глутатиона является глутатион дисульфид (GSSG). Глутатион восстанавливается из окисленного глутатиона в ходе реакции, катализируемой флавоферментом глутатион редуктазой (GR).

В ходе цикла реакций, опосредованных ГПО и ГР, происходит восстановление глутатиона (Рисунок 2). Напротив, глутатион потребляется в ходе образования глутатион-S-конъюгатов посредством глутатион-S-трансфераз [11] или же в ходе это выделения из клеток [12, 13]. Оба процесса снижают содержание общего глутатиона в клетках. Таким образом, для поддержания постоянства концентрации внутриклеточного глутатиона, потребляемый глутатион должен замещаться путем ресинтеза составляющих его аминокислот. Внеклеточный глутатион и его конъюгаты являются субстратом для эктофермента ГГТ. Этот фермент катализирует перенос остатка γ-глутамата с глутатиона или конъюгат на акцепторную молекулу (Рисунок 1). Продуктами являются соединения γ-глутамила и дипептид (ЦисГли) или же продукты его конъюгации [14]. Пептидазы гидролизуют ЦисГли на цистеин и глицин. Эти аминокислоты в последствии могут вновь служить в качестве субстратов для внутриклеточного синтеза глутатиона (Рисунок 1).

Метаболизм глутатиона в астроцитах и нейронах

Рассмотрены имеющиеся данные относительно содержания глутатиона в различных отделах мозга и локализации глутатиона и ферментов, участвующих в его метаболизме [4, 15]. По видимому астроциты содержат большие уровни глутатиона чем нейроны в культуре [4, 15]. В последние годы, метаболизм глутатиона в клетках мозга изучался преимущественно в первичных культурах, состоящих из одного типа клеток мозга. Из экспериментов, проведенных на подобных культурах получена полная информация о метаболизме глутатиона в астроцитах и нейронах. Напротив, мало известно о метаболизме глутатиона в олигодендроглиях и глиальных клетках [15].

Содержание глутатиона в культуре астроцитов может изменяться под действием большого количества веществ [15]. К примеру, уровень глутатиона снижается сразу же после того, как синтез глутатиона ингибируется бутионином сульфоксимином, или если клетки инкубируются с такими реактивами, как диметил малеат или этакриновая кислота, которые реагируют с тиоловыми группами глутатиона. Напротив, уровень глутатиона повышается после введения предшественников глутатиона [15]. Снижение уровня глутатиона в результате аминокислотной депривации, а также последующее введение предположительных предшественников глутатиона, позволило установить, что культурой астроцитов для синтеза глутатиона может использоваться большое количество экзогенно поступающих аминокислот, серу-содержащих соединений и пептидов [16]. Наилучшим экзогенным предшественником цистеина, необходимого для синтеза глутатиона в астроглиальных клетках, является аминокислота цистин [17]. Эта кислота транспортируется натрий-независимым путем через клеточную мембрану астроцита в обмен на глутамат, посредством транспортной системы Х^-_с [18].

Астроглиальные культуры выделяют глутатион [19-20], использующийся в качестве субстрата для эктофермента ГГТ. В течение 1 часа астроглии выделяют около 10% их нутриклеточного содержания глутатиона [21]. Подобным образом, глутатион ресинтезируется для компенсации его выделения и поддержания постоянной внутриклеточной концентрации. Подобное выделение глутатиона астроглиями количественно является наиболее важным процессом, ЗАТРАГИВАЮЩИМ внутриклеточный глутатион. Уровень подобного выхода зависит от внутриклеточной концентрации глутатиона и подчиняется предположительно кинетике Михаэлиса-Ментена [20]. Внеклеточный глутатион служит субстратом астроглиального эктофермента ГГТ [21]. Дипептид ЦисГли, являющийся продуктом ГГТ-опосредованной реакции, повторно используется астроглией для синтеза глутатиона. В этих клетках экспрессируется транспортер пептидов РерТ2, ответственный за поглощение ЦисГли [22]. После внутриклеточного гидролиза ЦисГли, образующиеся цистеин и глицин служат в качестве субстратов для астроглиального синтеза глутатиона [23].

Уровни глутатиона, установленные для культуральных нейронов значительно варьируют, что было связано с техникой подготовки образцов, различиях в образцах или условиях культивирования [15]. Что касается условий культивирования, то содержание цистеина или предшественников цистеина в среде частично определяет уровень глутатиона в нейронах, так как нейроны не способны использовать большую часть цистина, находящегося в среде, и полагаются на доступность цистеина для синтеза глутатиона [24, 25]. В отличии от цистеина, наличие предшественника глутамата – глутамина, или же глицина, не определяет синтез глутатиона в нейронах [26]. Помимо цистеина нейроны головного мозга могут использовать доноры цистеина ЦисГли, γ-ГлуЦис и N-ацетилцистеин в качестве прекурсоров глутатиона [26, 27]. Прочие соединения и воздействия, изменяющие уровень глутатиона в культуре нейронов, недавно были обобщены [15].

Среди экзогенных предшественников нейронального глутатиона, возможно, наиболее важным является дипептид ЦисГли, так как он образуется из внеклеточного глутатиона в ходе ГГТ реакции. В микромолярных концентрациях ЦисГли эффективно потребляется нейронами [26]. Концентрация ЦисГли, приводящая к полумаксимальным уровням глутатиона в нейронах ниже [26], чем в астроглиальных клетках [23], что указывает на большую эффективность нейронов в использовании этого дипептида по сравнению с астроглиями. На данный момент, механизм, по которому нейроны потребляют ЦисГли еще недостаточно изучен. Возможно этот пептид поступает в нейроны с помощью транспортера пептидов, как это было описано для астроглиальных клеток [23]. В такой же степени возможно, что дипептид гидролизуется нейрональной эктопептидазой с образованием аминокислот, которые в последствии поглощаются в качестве прекурсоров для синтеза глутатиона. Данные, полученные недавно в нашей лаборатории, указывают на участие нейрональной эктопептидазы в утилизации ЦисГли нейронами (R. Dringen, неопубликованные результаты). Цистеин и глицин, высвобождаемые в ходе гидролиза ЦисГли служат предшественниками нейронального глутатиона [26]. Эти аминокислоты поступают в клетки мозга натрий-зависимым транспортным путем [18, 28, 29].