Биологические науки/Биохимия и биофизика
Д.б.н. проф. Муравлева Л.Е., д.м.н., проф.
Молотов-Лучанский В.Б., к.м.н. Клюев
Д.А., Колесникова Е.А.
Карагандинский государственный медицинский университет
Современные представления о
метаболической роли аденозина. Сообщение 1.
В последнее время появилось много научных исследований, посвященных изучению роли аденозина в норме и при различных патологических состояниях.
Аденозин образуется как внутриклеточно, так и экстрацеллюлярно при участии ряда ферментных систем. В клетках аденозин образуется в результате дефосфорилирования АМФ при участии 5’ – нуклеотидазы и при гидролизе S- аденозилгомоцистеина при участии S- аденозилгомоцистеингидролазы. Внутриклеточный аденозин участвует в различных метаболических реакциях, либо превращается в инозин, гипоксантин, ксантин и мочевую кислоту [1].
Внеклеточный аденозин
образуется при гидролизе АТФ, АМФ и
сАМФ, высвобождающихся в кровоток из
клеток сосудистого эндотелия, гладкой мускулатуры и циркулирующих клеток
крови как экзоцитозом, так и вследствие лизиса клеток [9]
Катаболизм внеклеточных АТФ и АДФ происходит при участии эктоферментов эктонуклеозидтрифосфат дифосфогидролазы 1 (ectonucleoside triphosphate diphosphohydrolase 1) или CD39 и экто-5′ - нуклеотидазы (ecto-5′-nucleotidase) или CD73. CD39 гидролизует АТФ и АДФ до АМФ; СД73 участвует в дефосфорилировании АМФ до аденозина [10].
CD39
экспрессирована на эндотелии, эпителии или воспалительных клетках и быстро
катализирует образование АМФ из АТФ или АДФ
[11-13]
CD73 заякорена посредством гликозилфосфатидилинозитола (GPI) на мембранах эндотелиальных и
эпителиальных клеток и быстро превращает АМФ в аденозин [14,15].
В работе Colgan S.P. et.al. показано, что CD73 обладает широким спектром биологической активности. Эти исследователи приводят экспериментальные свидетельства роли CD73 как своего рода метаболического контрольного пункта для активации аденозин-опосредованного транспорта ионов. Также в обзоре приведены сведения об участии CD73 в контроле тканевой барьерной функции, в том числе в процессе трансмиграции лейкоцитов и, особенно, полиморфноядерных нейтрофилов через сосудистый эндотелий [16].
G. Yegutkin et al. представили экспериментальные доказательства наличия в крови комплекса растворимых ферментов, нуклеотид пирофосфатаза, аденилаткиназа и нуклеотиддифосфаткиназа, участвующих в метаболизме пуринов. Изучаются взаимоотношения между сетью растворимых ферментов и эктонуклеаз [17].
По
мнению других исследователей, в плазме крови человека присутствуют и другие
пурин-катаболизирующие ферменты: аденозиндезаминаза, щелочная фосфатаза и 5′-нуклеотидаза [18,19]
В нормальных условиях существует механизм быстрого захвата внеклеточного аденозина клетками. В цитозоле клеток он либо используется для образования АМФ или превращается аденозиндезаминазой в инозин. В результате в здоровых тканях поддерживается низкий уровень аденозина [20].
Аденозин – это сигнальная молекула, действующая по паракринному и
аутокринному путям. [21]. Внутриклеточные
эффекты аденозина опосредованы 4 подтипами
рецепторов, ассоциированных с G-белками (A1, A2A, A2B, и A3). Эти подтипы
рецепторов аденозина имеют 7
трансмембранных доменов, различаются по степени экспрессии на клетках разного
типа, а также по виду G-белков (семейство
Gi и семейство Gs подобных G белков).
Основной эффект аденозин - рецепторного взаимодействия – активация или угнетение аденилатциклазы с соответствующим увеличением или снижением синтеза вторичного мессенджера – цАМФ. В последнее время расширены представления о механизмах трансдукции внутриклеточных сигналов посредством рецепторов аденозина. Так, результатом активация рецептора A1, является угнетение активности аденилатциклазы. Jacobson KA и Gao ZG. показано, что этот рецептор способен менять активность протеинкиназы С, фосфатидилинозитол-3фосфаткиназы и MAP – киназы и блокировать некоторые кальциевые каналы [22]. A2A рецепторы помимо системы аденилатциклаза – цАМФ активируют транскрипционные факторы CREB [23].
В физиологических условиях концентрация аденозина ниже 1 μM, поэтому он способен активировать рецепторы A1, A2A, A3. В условиях патологии активируется A2B рецептор [24]. Аденозин накапливается во внеклеточной среде в ответ на метаболический стресс и клеточное повреждение. Также уровень аденозина увеличивается в условиях гипоксии, ишемии, воспалении [25].
В условиях воспаления, метаболического
дистресса и инфекции большое количество
аденина высвобождается во внеклеточную среду нейтрофилами, эндотелиальными клеткам и активированными
макрофагами. АДФ, который высвобождается тромбоцитами, после дефосфорилирования
также вносит существенный вклад в увеличение уровня внеклеточного аденозина [26,27,28].
Быстрое высвобождение аденозина в ответ на повреждение имеет важное значение в модуляции гомеостаза. Внеклеточный аденозин рассматривается как наиболее важная и информативная молекула тревоги, которая посредством паракринного и аутокринного механизма сообщает о повреждении клеток окружающим тканям. Внеклеточный аденозин вызывает каскад тканевых ответов, которые рассматриваются как защитные, направленные на поддержание гемостаза. При гипоксии активность ферментов CD39 и CD73 резко возрастает, соответственно увеличивается внеклеточное образование аденозина [29].
Аденозин оказывает различные клеточные эффекты. Так,
получены данные, демонстрирующие способность аденозина влиять на пролиферацию и
дифференциацию макрофагов. Высокие концентрации экзогенного аденозина
препятствуют развитие моноцитов в макрофаги и останавливают развитие моноцитов
на стадии с высокими дополнительными функциями, которые по фенотипу похожи на
подобны дендритным клеткам. Аденозин также влияет на созревание моноцитов
путем ускорения образования
многоядерных гигантских клеток. Эти данные достаточно подробно обсуждены в
статье [30]. Обращает на себя внимание, что такие
различные эффекты аденозина зависят от типа рецептора, с которым он
взаимодействует. Аденозин влияет на созревание моноцитов через A1, тогда
как активация A2 рецептора предотвращает
образование гигантских клеток. В тоже время, внутриклеточные механизмы,
определяющие эффекты аденозина,
остаются неизвестными.
Накапливаются сведения о влиянии аденозина на образование цитокинов. В настоящее время проводятся исследования, конкретизирующие типы рецепторов аденозина, вовлеченные в этот процесс [31].
Аденозин способен модулировать функции нейтрофилов. Аденозин через A2A рецепторы ингибирует адгезию нейтрофилов к эндотелию уменьшая экспрессию молекул адгезии на нейтрофилах. Есть сведения о регуляции аденозином образования активных форм кислорода. Показан неоднозначный эффект аденозина (стимулирующий и подавляющий) на процесс фагоцитоза. Характер эффекта зависит от типа клеток и типа рецепторов. Аденозин обладает свойствами потенциального ингибитора респираторного взрыва моноцитов – макрофагов [32]
Аденозин
способен снижать экспрессию тканевого фактора. Тканевой фактор – это
трансмембранный гликопротеин, запускающий коагуляционный каскад; также
принимает участие в ангиогенезе.
Появились данные, демонстрирующие способность аденозина через активацию A3 рецепторов
тормозить экспрессию тканевого фактора на моноцитах [33].
Аденозин
влияет на продукцию васкулярного эндотелиального фактора роста, который
является потенциальным индуктором ангиогенеза и проницаемости сосудов.
Высказано мнение, что аденозин участвует в ангиогенезе путем ускорения
продукции васкулярного эндотелиального фактора роста [34].
Особое
внимание уделяется исследованию
различных аспектов участия
аденозина в биохимических и
физиологических процессах в клетках
почек. Анализ существующих фактических данных и их интерпретация будет
представлен в сообщении 2.
Литература
1.Borowiec A., Lechward K., Tkacz-Stachowska K., Składanowski A.
Adenosine as a metabolic regulator of tissue function: production of adenosine
by cytoplasmic 5’-nucleotidases // Acta Biochimica Polonica – 2006.- Vol. 53 No. 2.- P. 269–278
2. The equilibrative nucleoside transporter family, SLC29 / Baldwin SA, Beal PR, Yao SY, King AE, Cass CE, Young JD //Pflugers Arch. 2004
447(5):735-43
3. Gray JH, Owen RP, Giacomini KM. The concentrative nucleoside transporter family, SLC28 //Pflugers Arch.
2004.- 2003.- 447(5):728-34
4.Molecular cloning and functional expression of cDNAs encoding a human
Na+-nucleoside cotransporter (hCNT1) / Ritzel M.W., Yao S.Y., Huang M.Y. Am J
Physiol. 1997.- 272(2 Pt 1): C707-14;
5. Na(+)-dependent purine nucleoside
transporter from human kidney: cloning and functional characterization / Wang J, Su SF, Dresser MJ et. al. // Am J Physiol. 1997.- 273(6 Pt
2):F1058-65
6. Molecular
identification and characterization of novel human and mouse concentrative
Na+-nucleoside cotransporter proteins (hCNT3 and mCNT3) broadly selective for
purine and pyrimidine nucleosides (system cib) /Ritzel M.W. Ng A.M. Yao S.Y. et al. //J Biol Chem. 2001 26;276(4):2914-27
7.Kong W, Engel K, Wang J. Mammalian nucleoside transporters // Curr. Drug. Metab. 2004 - 5(1).- P.63-84
8Mangravite LM,
Badagnani I, Giacomini KM. Nucleoside transporters in the disposition and
targeting of nucleoside analogs in the kidney // Eur. J. Pharmacol. – 2004.- 486(23).- P. 239
9. Kunapuli, S. P., Daniel, J.
L. P2 receptor subtypes in the
cardiovascular system //Biochem. J.- 1998.- 336.- 513 –523
10. Yegutkin GG. Nucleotide- and nucleoside-converting ectoenzymes:
important modulators of purinergic signalling cascade. Biochim. Biophys. Acta.
2008;1783:673–694
11.Beneficial effects of CD39/ecto-nucleoside triphosphate
diphosphohydrolase-1 in murine intestinal ischemia-reperfusion injury
/Guckelberger O, Sun XF, Sevigny J et.al. //
Thromb Haemost.- 2004.- 91: 576–586;
12.Colgan SP, Eltzschig HK, Eckle T, Thompson LF. Physiological roles of
5'-ectonucleotidase (CD73) // Purinergic Signalling.- 2006.- 2: 351–360;
13. Regulated catalysis of extra-cellular nucleotides by vascular
CD39/ENTPD1 is required for liver regeneration / Beldi G, Wu Y, Sun X et al.// Gastroenterologyю- 2008. - 135: 1751–1760
14.Cardioprotection by ecto-5'-nucleotidase (CD73) and A2B adenosine
receptors /Eckle T, Krahn T, Grenz A et.al. // Circulation- 2007- 115:
1581–1590;
15.Protective role of ecto-5'-nucleotidase (CD73) in renal ischemia
/Grenz A, Zhang H, Eckle T. et.al. //J Am Soc Nephrol.- 2007.- 18:
833–845
16. Colgan S.P., Eltzschig H. K. Eckle T., Thompson L. F.
Physiological roles for ecto-5’-nucleotidase (CD73) // Purinergic Signal. 2006
- 2(2): 351–360.
17. Yegutkin G. G.,
Samburski S. S., Jalkanen S. Soluble purine-converting enzymes circulate in human blood and regulate
extracellular ATP level via counteracting pyrophosphatase and phosphotransfer
reactions // The
FASEB Journal- 2003.- 17:1328-1330
18. Rutsch, F., Vaingankar, S., Johnson, K., et al. PC-1
nucleoside triphosphate pyrophosphohydrolase deficiency in idiopathic
infantile arterial calcification. Am. J. Pathol. – 2001
– 158. 543 –554;
19.Stefan C., Jansen S., Bollen M. Modulation
of purinergic signaling by NPP-type ectophosphodiesterases // Purinergic Signalling -2006 - 2: 361–370
20.Hasko G, Cronstein BN. Adenosine:
an endogenous regulator of innate immunity. Trends Immunol. 2004;25:33–39;
Fredholm BB, Chern Y, Franco R, Sitkovsky M. Aspects of the general biology of
adenosine A2A signaling. Prog. Neurobiol. 2007;83:263–276
21.Görlach A. Control of
Adenosine Transport by Hypoxia // Circulation Research. – 2005. – 97.- P.1-3
22. Jacobson KA, Gao ZG. Adenosine
receptors as therapeutic targets. Nature Rev. Drug Discov. 2006;5:247–264
23. Nemeth ZH, et al. Adenosine
stimulates CREB activation in macrophages via a p38 MAPK-mediated mechanism.
Biochem. Biophys. Res. Commun. 2003;312:883–888
24. Fredholm BB. Adenosine, an
endogenous distress signal, modulates tissue damage and repair. Cell Death
Differ. 2007.-14.-P. 1315–1323
25. Fredholm BB. Adenosine, an
endogenous distress signal, modulates tissue damage and repair. Cell Death
Differ. 2007;14:1315–1323
26.Thrombosis and inflammation as multicellular
processes: significance of cell-cell interactions / Marcus, A. J., Safier, L.
B., Broekman, M. J. et al. // Thromb Haemost – 1995.- 74.- 213−217;
27.Endogenous adenosine produced during hypoxia
attenuates neutrophil accumulation: coordination by extracellular nucleotide
metabolism /Eltzschig, H. K., Thompson, L. F., Karhausen, et al. // Blood.
- 2004.- 104.- 3986−3992
28.Eltzschig HK, Macmanus CF, Colgan
SP. Neutrophils as sources of extracellular nucleotides: functional
consequences at the vascular interface // Trends Cardiovasc Med – 2008.- 18.- P. 103–107
29. Hasko G, Pacher P, Deitch E.A.,
Vizi E.S. Shaping of monocyte and macrophage function by adenosine
receptors // Pharmacology &
Therapeutics.- 2007.- 113 264–275
30. Sitkovsky,M. V., Lukashev, D.,
Apasov, S. et al. (2004). Physiological control of immune response and
inflammatory tissue damage by hypoxia-inducible factors and adenosine A2A
receptors // Annu Rev Immunol. 2004.-
22.- P. 657−682
31. Eckle T., Koeppen M,.
Eltzschig H.K Role of Extracellular Adenosine in Acute Lung
Injury // Physiology -2009.- 24: No. 5.- P. 298-306
32.Broussas M., Cornillet-Lefebvre, P. Potron, G., Nguyen, P. Adenosine
inhibits tissue factor expression by LPS-stimulated human monocytes:
involvement of the A3 adenosine receptor // Thromb Haemost.- 2002.-88.-
P.123−130;
33.Zhou, H., Wolberg, A. S., Roubey, R. A. (2004). Characterization of
monocyte tissue factor activity induced by IgG antiphospholipid antibodies and
inhibition by dilazep // Blood.- 2004.- 104. P. 2353−2358
34. Adair, T. H
Growth regulation of the vascular system: an emerging role for adenosine // Am
J Physiol Regul Integr Comp Physiol.- 2005.- 289.-P283−P296