Метаболизм L-аргинина в макрофагах
Судьба аминокислоты L-аргинина внутри фагоцитов напрямую зависит от микроокружения и действующих на клетку сигнальных молекул. Выделяют два независимых пути её ферментативного расщепления, которые приводят к совершенно разным биологическим эффектам.
- Путь индуцибельной NO-синтазы (iNOS). Активируется под влиянием провоспалительных цитокинов IFNγ и TNFα. Фермент расщепляет L-аргинин с образованием цитруллина и оксида азота (NO). Именно этот процесс обеспечивает мощный бактерицидный эффект, а также вызывает локальное расширение сосудов (вазодилатацию).
- Путь аргиназы. Запускается под влиянием интерлейкинов IL-4 и IL-13. В этом случае аргинин превращается в L-орнитин. Из орнитина в дальнейшем синтезируется пролин (необходим для образования коллагена) и полиамины (стимулируют клеточную пролиферацию).
Активация iNOS и действие оксида азота
Для того чтобы фермент iNOS начал активно вырабатывать оксид азота, требуется сочетанное (синергичное) действие цитокинов IFNγ и TNFα. Дополнительным фактором индукции выступает тетрагидроптерин, чья активность также повышается в присутствии TNFα.
Сам по себе оксид азота (синтезирующийся в цитозоле) обладает микробицидной и противоопухолевой активностью, однако его производные наносят патогенам гораздо больший урон. Главным оружием макрофагов становится пероксинитрит ($OONO^-$). Он формируется при встрече молекулы NO с супероксидным радикалом.
Механизм действия пероксинитрита заключается в окислении сульфгидрильных (-SH) групп микробных белков и других молекул, что моментально лишает их функциональности. Этот инструмент наиболее эффективен против сложных внутриклеточных патогенов: микобактерий туберкулеза, простейших, грибов и вирусов. Конечными продуктами этих реакций становятся анионы и радикалы нитрита, а также нитратанионы.
Взаимодействие кислородного и азотистого путей
У фагоцитов существуют альтернативные механизмы защиты, основанные на генерации токсичных радикалов. Бактерицидные системы работают максимально эффективно, когда азотистый и кислородный каскады объединяются.
- Кислородный путь: Фермент НАДФ·Н-оксидаза восстанавливает кислород до супероксиданиона ($O_2^{\bullet-}$), который затем по каскаду переходит в перекись водорода и гидроксильный радикал.
- Азотистый путь: Фермент NO-синтаза генерирует радикал оксида азота ($NO^{\bullet}$).
Настоящий удар по микробу происходит при их контакте. Супероксиданион и оксид азота сливаются, образуя пероксинитрит. В дальнейшем он переходит в пероксинитритовую кислоту, которая спонтанно распадается на два крайне агрессивных компонента: диоксид азота ($NO_2^{\bullet}$) и гидроксильный радикал ($OH^{\bullet}$).
В ходе эволюции микроорганизмы научились защищаться от этой комбинированной атаки. Главным щитом бактерий против радикалов кислорода и азотсодержащих соединений выступает фермент бактериальная супероксиддисмутаза.
Закисление внутренней среды фаголизосомы
Успешное переваривание бактерий невозможно без закисления содержимого гранул — это обязательное условие для их слияния с фагосомами. Процесс идет ступенчато: в ранних эндосомах среда слабокислая (pH 6,0–6,5), в поздних опускается до 5,5–6,0, а в зрелых фаголизосомах достигает 4,5–5,0. Такое падение pH напрямую оказывает бактериостатическое и бактерицидное действие.
Главный инструмент закисления — белковый комплекс V-АТФаза. Он активно перекачивает протоны водорода из цитозоля внутрь везикулы. В исходных фагосомах этого фермента нет, он доставляется туда только при слиянии с лизосомами. У нейтрофилов V-АТФаза присутствует во всех гранулах, кроме специфических (поэтому в них реакция среды нейтральная).
Интересно, что в фаголизосомах нейтрофилов уровень pH немного выше, чем в макрофагах. Это обусловлено двумя причинами. Во-первых, мощная НАДФ·Н-оксидаза нейтрофилов активно потребляет свободные протоны для синтеза перекиси водорода. Во-вторых, образующиеся активные формы кислорода частично подавляют активность самой V-АТФазы.
Чтобы запомнить развилки метаболизма L-аргинина: путь Аргиназы — «строит» (дает пролин для коллагена и пролиферацию), а путь NO-синтазы — «разрушает» (обеспечивает бактерицидность).
Вопросы с занятий и экзамена
Где именно внутри клетки синтезируется оксид азота?
Синтез NO протекает в цитозоле моноцитов и макрофагов, то есть снаружи от фагосом. Внутрь он проникает благодаря своей способности легко преодолевать мембраны.
Какое вещество обладает самым сильным бактерицидным эффектом?
Наибольшую микробицидную активность проявляет пероксинитрит. Он образуется при взаимодействии оксида азота с супероксидным радикалом.
Почему в фаголизосомах нейтрофилов среда менее кислая, чем у макрофагов?
Это связано с тем, что активная НАДФ·Н-оксидаза расходует протоны на создание перекиси водорода, снижая их свободную концентрацию. Кроме того, активные формы кислорода ослабляют работу протонных помп (V-АТФазы).
Что ещё разобрать по теме
- Детальный механизм работы НАДФ·Н-оксидазы и кислородного пути.
- Биохимическая роль полиаминов и пролина в процессах регенерации.
- Механизмы действия бактериальной супероксиддисмутазы.
- Структурная организация протонной помпы V-АТФазы.
Разберите тему целиком в курсе «Иммунология»
Здесь — выжимка. В курсе — всё, что спрашивают на занятии и экзамене.
- Полная методичка по теме «Азотистый путь формирования бактерицидных веществ» и ещё 723 страниц предмета
- Задания и тесты после каждой темы — как на коллоквиуме
- AI-тьютор ответит на вопрос по теме в любое время
- 23 видеоуроков по предмету
Другие темы раздела «Врождённый иммунитет»
Материал подготовлен преподавателями Школы Сеченова по учебной программе медицинских вузов. Носит образовательный характер.