Глутаредоксины или тиолтрансферазы – строение, внутриклеточная локализация, антиоксидантные функции.

Глутаредоксины (Grx, КФ 1.20.4.1) – GSH-зависимые оксидоредуктазы с низкой молекулярной массой (9-14 kДa), относящиеся по своей структуре к суперсемейству тиоредоксинов и играющие важную роль в клеточных редокс-зависимых процессах. Grx обнаружены практически во всех таксономических группах, включая прокариоты, растения и эукариоты (от дрожжей до человека). В отличие от Trx у различных видов Grx имеют высокую степень гомологии аминокислотной последовательности, особенно в области активного центра. В Grx-зависимой системе перенос электронов происходит от НАДФН-зависимой глутатионредуктазы на окисленный глутатион с образованием GSH, который, в свою очередь, восстанавливает окисленный глутаредоксин. Субстратами для Grx являются дисульфиды и смешанные дисульфиды. Восстановление дисульфидов, катализируемое Grx, может идти двумя путями – монотиольным и дитиольным с участием, соответственно, одного или двух остатков Cys в активном центре. Структура дитиольных Grx имеет три характерные особенности: (1) участок аминокислотной последовательности СХХС (обычно Cys–Pro–Tyr–Cys) с двумя функционально активными тиолами в активном центре; (2) наличие определенной, поверхностно расположенной гидрофобной области и (3) участок связывания с GSH. При дитиольном механизме N-концевой остаток Cys в активном центре, осуществляя нуклеофильное взаимодействие, инициирует образование смешанного дисульфида между глутаредоксином и субстратом – белком, несущим дисульфидную связь. Второй свободный С-концевой остаток Cys депротонируется и взаимодействует с N-концевым атомом S с образованием окисленного фермента Grx-S2 и восстановленного субстрата. Окисленная форма фермента восстанавливается при взаимодействии с GSH, образуя смешанный дисульфид (между GSH и N-концевым остатком Cys в активном центре), который, в свою очередь, восстанавливается второй молекулой GSH. По дитиольному механизму Grx восстанавливает как низкомолекулярные дисульфиды, так и дисульфиды белков. По монотиольному механизму (рис. 3Б), получившему название «деглутатионилирование», происходит восстановление смешанных дисульфидов белков или глутатионилированных белков, при этом Grx использует только N-концевой остаток Cys. В этой реакции благодаря высокой аффинности к GSH фермент специфически взаимодействует с остатком GSH смешанного дисульфида – белком-S-SG с образованием интермедиата Grx-S-SG, который восстанавливается с помощью GSH. Образующийся GSSG восстанавливается до GSH глутатионредуктазой. Так как для восстановления глутатионилированных белков требуется узнавание только GS-остатков, а не субстрата в целом, монотиольный механизм, приводящий к деглутатионилированию, является, по-видимому, наиболее общей функцией Grx. В отличие от Grx для Trx характерна крайне низкая активность или полное ее отсутствие по отношению к смешанным дисульфидам. Глутаредоксины функционально сопряжены с глутатионредуктазой и с соотношением GSH/GSSG. Соотношение GSH/GSSG является индикатором клеточного редокс-статуса и важной детерминантой редокс-потенциала, который коррелирует с биологическим статусом клетки, достигая, например, при пролиферации – 240 mV, при диф- ференцировке – 200 mV, а при апоптозе – 170 mV.

У млекопитающих и человека обнаружены три изоформы Grx: цитозольная Grx1 с аминокислотной последовательностью в актив- ном центре Cys-Pro-Tyr-Cys и две митохондриальные – Grx2 и Grx5, активный центр которых содержит аминокислотные последователь- ности Cys-Ser-Tyr-Cys и Cys-Gly-Phe-Ser, соответственно.

Grx1 и Grx2 являются дитиольными изоформами и содержат по два остатка Cys в активном центре, тогда как в изоформе Grx5 имеется лишь один остаток Cys. Изоформы Grx3 и Grx4 обнаружены только у низших эукариот. Grx1 – белок с молекулярной массой 12 kДa, локализован в основном в цитозоле (хотя обнаружен и в ядре), был открыт как GSH-зависимый донор для рибонуклеозидредуктазы. По сравнению с Trx, который, как правило, превышает по содержанию (10 мкМ) его уровень в клетке (1 мкМ), Grx1 имеет в 10 раз ниже значение Kм для рибонуклеозидредуктазы.

Осуществляя восстановление дисульфидов по дитиольному типу, изоформа Grx1 играет важную роль в дисульфид-тиольном обмене, посредством которого она, в частности, участвует в клеточной дифференцировке, регуляции активности транскрипционных факторов и процесса апоптоза. Изоформа Grx2 (14 kДa) обнаружена в двух сплайсинговых формах – Grx2α и Grx2β, локализованных, соответственно, в митохондриях и в ядре. Эффективность Grx2 (kcat/KM) в катализе процесса деглутатионилирования смешанных дисульфидов белков в 1,5–3 раза выше, чем у Grx1. Катализируя обратимое S-глутатионилирование митохондриального комплекса I, функциональная активность которого сопровождается образованием O2 •–, Grx2 регулирует уровень АФК в митохондриях. Кроме того, Grx2 катализирует обратимое глутатионилирование белков внутренней мембраны митохондрий в зависимости от изменения соотношения GSH/GSSG. Окисленная форма Grx2 восстанавливается как GSH, так и TrxR2, причем последняя восстанавливает не только дисульфид, образованный остатками Cys в активном центре Grx2, но и смешанный дисульфид Grx2 с GSH (являющийся интермедиатом в реакции деглутатионилирования, катализируемой Grx2), а также ряд низкомолекулярных дисульфидов [271, 274], в том числе GSSG, дисульфид KoА, KoA–S–SG, Cys–S–SG и дегидроаскорбиновую кислоту [271]. Восстановление окисленной формы Grx2 за счет TrxR2 может происходить в условиях окислительного стресса, когда существенно повышается уровень GSSG и затруднено восстановление функционально активных SH-групп в активном центре Grx2 посредством восстановленного глутатиона.

Grx5 человека содержит N-концевой участок аминокислотной последовательности, обеспечивающий его транслокацию в митохондрии.

Следует отметить, что глутаредоксин, как и тиоредоксин, играет важную роль в процессах формирования лекарственной резистент- ности опухолевых клеток к препаратам с прооксидантным эффектом, усиливая систему антиоксидантной защиты.