Циклооксигеназы: ферменты синтеза простаноидов¶

Циклооксигеназы (ЦОГ, COX; КФ 1.14.99.1) — семейство ферментов класса оксидоредуктаз, катализирующих ключевую стадию превращения арахидоновой кислоты и других полиненасыщенных жирных кислот в простагландины, простациклин и тромбоксаны — группу биологически активных веществ, объединяемых термином «простаноиды». Циклооксигеназы относятся к мембраносвязанным гемсодержащим белкам, локализованным преимущественно в мембранах эндоплазматического ретикулума и ядерной оболочки. Ферменты играют центральную роль в регуляции воспаления, боли, тонуса сосудов, агрегации тромбоцитов и ряда других физиологических процессов, а также являются основной мишенью действия нестероидных противовоспалительных препаратов (НПВП).

¶История открытия

Существование фермента, превращающего арахидоновую кислоту в простагландины, было предсказано в 1960-х годах. В 1971 году британский фармаколог Джон Вейн показал, что аспирин и индометацин подавляют этот процесс, а в 1976 году была описана сама циклооксигеназная активность. В 1988–1991 годах был клонирован ген первой изоформы, а в начале 1990-х обнаружена вторая изоформа, индуцируемая воспалительными стимулами. За исследования простаноидов и их роли в физиологии и патологии Вейн, Суне Бергстрём и Бенгт Самуэльсон получили Нобелевскую премию по физиологии или медицине в 1982 году.

¶Изоформы

У млекопитающих, включая человека, известны три основные изоформы циклооксигеназы.

ЦОГ-1 экспрессируется постоянно и обеспечивает так называемые «домашние» функции. ЦОГ-2 в норме присутствует в небольшом количестве, но её синтез резко возрастает под действием провоспалительных цитокинов, факторов роста и эндотоксинов. Существование функционально самостоятельной ЦОГ-3 у человека остаётся предметом дискуссий.

¶Механизм действия

Фермент катализирует две последовательные реакции. Первая — циклооксигеназная — присоединяет две молекулы кислорода к арахидоновой кислоте с образованием нестабильного промежуточного продукта PGG₂. Вторая — пероксидазная — восстанавливает PGG₂ до PGH₂, общего предшественника всех простаноидов. Далее PGH₂ под действием тканеспецифичных ферментов превращается в простагландины (PGE₂, PGD₂, PGF₂α), простациклин (PGI₂) или тромбоксан A₂.

Активный центр фермента содержит остаток арахидоновой кислоты, связанный с гемом. Ацетилсалициловая кислота необратимо ацетилирует сериновый остаток в активном центре ЦОГ-1, что приводит к необратимому ингибированию; в тромбоцитах, лишённых ядра, синтез нового фермента невозможен, поэтому эффект аспирина сохраняется на протяжении всей жизни клетки (7–10 суток). Другие НПВП, например ибупрофен, действуют обратимо и конкурентно.

¶Роль в организме

Продукты циклооксигеназного пути выполняют разнообразные функции:

• Воспаление. PGE₂ и PGI₂ расширяют сосуды, повышают проницаемость капилляров, вызывают боль и лихорадку.
• Желудочно-кишечный тракт. PGE₂ и PGI₂ подавляют секрецию соляной кислоты и стимулируют выработку слизи и бикарбонатов, защищая слизистую оболочку.
• Гемостаз. Тромбоксан A₂, образуемый ЦОГ-1 в тромбоцитах, стимулирует их агрегацию и сужает сосуды; PGI₂ эндотелия действует противоположно.
• Почки. Простагландины регулируют почечный кровоток, клубочковую фильтрацию и выведение натрия.
• Центральная нервная система. ЦОГ-2 участвует в механизмах боли, лихорадки и, по некоторым данным, в процессах памяти и нейродегенерации.

¶Клиническое значение

Циклооксигеназы — главная мишень НПВП, к которым относятся аспирин, ибупрофен, диклофенак, напроксен, нимесулид и другие. Селективные ингибиторы ЦОГ-2 (целекоксиб, эторикоксиб) были разработаны для снижения риска желудочно-кишечных осложнений, однако их применение связано с повышенным риском сердечно-сосудистых событий, что привело к ограничению использования некоторых препаратов этой группы.

Нарушения регуляции ЦОГ-2 обнаруживаются при ряде патологий: ревматоидном артрите, остеоартрите, некоторых видах рака (колоректальном, молочной железы), болезни Альцгеймера. Повышенная экспрессия ЦОГ-2 в опухолях связывается с усилением ангиогенеза и подавлением апоптоза, что делает фермент объектом исследований в онкологии.

¶Ингибиторы и их классификация

Ингибиторы циклооксигеназ подразделяют на несколько групп:

• Неселективные — подавляют обе изоформы (аспирин, ибупрофен, диклофенак).
• Селективные в отношении ЦОГ-2 — коксибы.
• Преимущественно селективные — нимесулид, мелоксикам.
• Необратимые — аспирин; обратимые — большинство остальных НПВП.

Побочные эффекты неселективных препаратов связаны главным образом с угнетением ЦОГ-1: язвообразование в желудке, кровотечения, нарушение функции почек. Селективные ингибиторы ЦОГ-2 в меньшей степени повреждают слизистую, но влияют на баланс простациклина и тромбоксана.

¶Методы исследования

Активность циклооксигеназ изучают с помощью ферментативных тестов, иммуноферментного анализа, вестерн-блоттинга и полимеразной цепной реакции. В экспериментальной практике применяют селективные ингибиторы (например, SC-560 для ЦОГ-1 и целекоксиб для ЦОГ-2), а также нокаутные линии животных. Современные подходы включают криоэлектронную микроскопию и рентгеноструктурный анализ для изучения пространственной структуры фермента и разработки новых лекарственных средств.

¶Эволюция и распространение

Циклооксигеназы обнаружены у большинства позвоночных, а также у некоторых беспозвоночных. У растений и грибов существуют ферменты, катализирующие сходные реакции окисления жирных кислот, однако их структурное родство с животными ЦОГ ограничено. Считается, что разделение генов ЦОГ-1 и ЦОГ-2 произошло на ранних этапах эволюции позвоночных.