Я уже несколько раз упоминал две небольшие серосодержащие молекулы — глутатион и тиоредоксин. Оба соединения отдают электроны, что позволяет либо регенерировать антиоксиданты, такие как витамин С, либо напрямую обезвредить пероксид водорода и органические пероксиды. Это совсем не рядовые игроки, а контролеры, стоящие на страже между генами и питанием, между здоровьем и болезнью. Пришло время познакомиться с ними поближе, поскольку именно они отвечают за два последних механизма антиоксидантной защиты из списка, который я привел в начале главы: механизм репарации и стрессовые реакции. Серу считают главным противовесом кислорода как внутри отдельных клеток, так и в более обширных экосистемах.
Я прошу прощения за единственный в книге параграф «чистой» биохимии и за слабую попытку возразить генетику Стиву Джонсу, который считает, что популяризировать биохимию невозможно. Эта тема несложная, но очень важная для понимания роли серы в молекулярных процессах в больной клетке. Я приведу единственный пример. Существует огромное множество других механизмов, которые сопрягаются с данным механизмом и либо ослабляют, либо усиливают сигнал. Тем не менее атомы серы играют очень важную роль в системе проведения сигнала и поэтому активно изучаются.
Сера в связи с водородом (-SH) входит в состав лишь одной из 20 основных аминокислот — ничем не примечательной маленькой молекулы цистеина, состоящей из 14 атомов. Единственная SH-группа цистеина называется тиогруппой (а также тиоловой, или сульфгидрильной, группой). Тиолы — очень нежные, легко окисляющиеся соединения. Я представляю их в виде одуванчиков, тихонько покачивающих желтыми серными головками. Окисление тиолов может привести к одному из двух результатов. Во-первых, при удалении атома водорода (протона и электрона) два соседних серных обрубка могут связываться друг с другом, образуя так называемую дисульфидную связь (дисульфидный мостик). В присутствии кислорода дисульфидные мостики более устойчивы, чем неокисленные тиолы, и очень важны для стабилизации трехмерной структуры внеклеточных белков. Во-вторых, тиолы могут подвергаться так называемому S-нитрозилированию, открытому в конце 1990-х гг. благодаря работам Джонатана Стемлера — последнего из биохимиков Университета Дьюка, сформировавших биохимию свободнорадикальных процессов. Стемлер и его коллеги считают, что окислительный стресс усиливает выработку еще одного свободного радикала — оксида азота (NO+). Сам по себе этот радикал не очень активен, но в синергизме с другими радикалами окисляет тиолы. В таком случае продуктом реакции оказывается не дисульфидная связь, а тоже вполне устойчивый S-нитрозотиол (-SNO). Образование дисульфидных мостиков или S-нитрозотиолов приводит к обратимой модификации структуры белка. Присоединение атомов водорода из глутатиона или тиоредоксина позволяет вернуть исходные тиоловые группы.
Структура белков напрямую связана с их активностью, поэтому тиогруппы определяют не только структуру белков, но и их активность. Другими словами, окислительное состояние тиолов может служить молекулярным переключателем активности белков, содержащих тиогруппы. Список белков с чувствительными тиогруппами продолжает расти, и к их числу относятся некоторые важнейшие транскрипционные факторы (белки, связывающиеся с ДНК и стимулирующие транскрипцию генов для синтеза новых белков). Способность этих факторов проникать в ядро клетки и связываться с ДНК зависит от состояния тиогрупп.
Внутри здоровой клетки содержится множество тихонько покачивающихся тиогрупп. Они находятся в неокисленном состоянии под присмотром глутатиона и тиоредоксина. Любая окисленная «по ошибке» тиогруппа тут же возвращается в исходное состояние. Глутатион и тиоредоксин образуются за счет энергии клеточного дыхания, как мы видели в главе 9 при обсуждении витамина С. В норме на это отводится небольшая часть клеточных ресурсов. Однако в условиях окислительного стресса ситуация резко изменяется.
Что происходит в клетке при окислительном стрессе? Источником стресса может быть избыток кислорода, инфекция или болезнь. Но результат один и тот же — повсюду разбегаются свободные радикалы. В работу сразу включаются антиоксиданты, такие как витамин С, обрывающие цепные реакции. Они регенерируются при участии глутатиона, но потери неизбежны. При исчерпании запаса антиоксидантов свободные радикалы производят еще более значительные разрушения. Начинают окисляться тиоловые группы белков. Некоторые восстанавливаются глутатионом и тиоредоксином, но равновесие сдвигается. Это зона вооруженного конфликта. Защитники не могут каждую ночь восстанавливать разбомбленные мосты. Уже в половине клеточных белков тиогруппы окислены, и активность этих белков выключена в ожидании конца войны. Другие белки включены. На защиту последнего бастиона, ядра, встает ополчение — транскрипционные факторы. Они связываются с ДНК в ядре и стимулируют синтез новых белков. Но каких белков? Выбор далеко не случайный. Клетке нужно принять серьезное решение: продолжить борьбу или покончить с собой (этот процесс называется апоптозом) во имя процветания всего организма. Решение зависит от вероятности успеха, в частности от количества и состояния транскрипционных факторов в ядре. Афоризм Ницше действует и на молекулярном уровне: что нас не убивает, делает нас сильнее.
Если клетка решает продолжить борьбу, а не умереть непобежденной, она применяет набор защитных мер, который одинаков у всех живых организмов — от Е. coli до человека. На настоящий момент защитная система Е. coli изучена лучше других — отчасти по той причине, что бактериальные гены организованы в функциональные кластеры, называемые оперонами. Гены в таких кластерах легче идентифицировать. Окисление тиогрупп приводит к активации двух основных транскрипционных факторов Е. соli. Один из них представляет собой содержащий тиогруппу белок под непонятным названием OxyR, другой — белок SoxRS с серой в составе железосерного кластера. В окисленном состоянии эти два фактора контролируют транскрипцию десятка генов, продукты которых усиливают антиоксидантную защиту клетки.
Список человеческих транскрипционных факторов, активность которых контролируется путем окисления тиогрупп, постоянно растет и включает в себя NFκ(каппа)В, Nrf-2, АР-1 и Р53. Для нашего рассказа самыми важными являются NFκB и Nrf-2. NFκB руководит реакцией на стресс путем активации генов нескольких «агрессивных» воспалительных молекул и нескольких защитных антиоксидантов. Nrf-2 играет исключительно защитную роль, в частности отключает гены воспалительных молекул. Таким образом, оба фактора усиливают клетку, но за счет противоположных действий. Они — как два генерала в военном штабе: один выступает за тотальную войну, другой занимает миротворческую позицию. Результат зависит от того, насколько каждому из них удастся убедить остальных членов штаба. В случае транскрипционных факторов это определяется количеством активированных белков. Если в ядро попадает 1000 белков, активированных NFκB, и только 100 белков, активированных Nrf-2, клетка начнет войну, запуская воспалительную реакцию против захватчиков и усиливая собственную защиту. Если побеждает Nrf-2, клетка выстраивает баррикады и ждет нападения. В любом случае дополнительная защита обеспечивает немедленное преимущество, но также позволяет оказывать сопротивление в будущем, вне зависимости от характера нападения. Предупрежден — значит, вооружен.
