1. На главную
  2. Электронные версии
  3. Биологические мембраны: Журнал мембранной и клеточной биологии
  4. T. 39, № 3, 2022

Биологические мембраны: Журнал мембранной и клеточной биологии, 2022, T. 39, № 3, стр. 224-234

Использование хинолизидиновых производных кумарина при изучении механизмов действия комплекса цитохрома c с кардиолипином

Л. А. Ромодин a, c, *, Н. П. Лысенко a, Т. Н. Пашовкин a, b

a Московская государственная академия ветеринарной медицины и биотехнологии – МВА имени К.И. Скрябина
109472 Москва, Россия

b Институт биофизики клетки РАН, ФИЦ ПНЦБИ РАН
142290 Пущино, Московская обл., Россия

c Государственный научный центр Российской Федерации – Федеральный медицинский биофизический центр имени А.И. Бурназяна Федерального медико-биологического агентства России
Москва, Россия

* E-mail: rla2904@mail.ru

Поступила в редакцию 13.04.2021
После доработки 01.07.2021
Принята к публикации 02.07.2021

Аннотация

Комплекс цитохрома c с кардиолипином играет ключевую роль при запуске апоптоза по митохондриальному пути за счет липопероксидазной и квазилипоксигеназной активностей цитохрома c. В результате образования этого комплекса изменяется конформация цитохрома c, который приобретает свойства ферментов-пероксидаз, способных запустить реакции перекисного окисления липидов. Функции комплекса цитохрома c с кардиолипином принято изучать с помощью метода регистрации усиленной (активированной) хемилюминесценции. Усилитель, или активатор, хемилюминесценции увеличивает интенсивность свечения за счет миграции энергии электронного возбуждения с возбужденных продуктов липидной пероксидации на молекулы активатора с последующим ее высвечиванием с бо́льшим квантовым выходом. При проведении исследований целесообразно использовать активаторы, усиливающие свечение без химической реакции с компонентами исследуемой системы и сохраняющие свою концентрацию неизменной в течение времени реакции. В конце прошлого века на системе Fe2+-индуцированной липидной пероксидации показали, что таковыми являются хинолизидиновые производные кумарина. При этом представления о неизменности их концентрации без дополнительных исследований переносились и на системы, в которых перекисное окисление липидов запускается ферментом-пероксидазой. Однако в настоящей работе методом спектрофотометрии на примере реакции, катализируемой комплексом цитохрома c с кардиолипином, было установлено, что хинолизидиновые производные кумарина: кумарин-314 (хинолизидин[5,6,7-gh]3-этоксикарбонилкумарин) и кумарин-334 (хинолизидин[5,6,7-gh]3-ацетилкумарин), являются непосредственными участниками ферментативной липопероксидазной реакции. На основании сравнения изменения концентрации производных кумарина в присутствии и отсутствие фосфатидной кислоты нами установлено, что производные кумарина преимущественно являются субстратами второй реакции пероксидазного каталитического цикла: восстановления ферриформы пероксидазы с двумя окисленными эквивалентами (компаунда 1) до ферриформы пероксидазы с одним окисленным эквивалентом (компаунда 2). Также мы показали, что при катализе квазилипоксигеназной реакции (в случае отсутствия H2O2 в системе) пероксидаза проходит через каталитический цикл по механизму одноэлектронного окисления с последующим восстановлением, при этом отсутствует стадия ферриформы пероксидазы с двумя окисленными эквивалентами (компаунда 1). Были определены константы скорости реакции первого порядка разрушения производных кумарина в ходе ферментативной липопероксидазной реакции, и на их основе выведены функции для вычисления поправочных коэффициентов, учитывающих разрушение кумариновых производных, для корректировки хемилюминограмм, полученных при изучении комплекса цитохрома c с кардиолипином.

Ключевые слова: апоптоз, комплекс цитохрома c с кардиолипином, хемилюминесценция, спектрофотометрия, перекисное окисление липидов, производные кумарина

Список литературы

  1. Kerr J.F., Wyllie A.H., Currie A.R. 1972. Apoptosis: A basic biological phenomenon with wide-ranging implications in tissue kinetics. Br. J. Cancer. 26 (4), 239–257. https://doi.org/10.1038/bjc.1972.33

  2. Skulachev V.P. 1996. Why are mitochondria involved in apoptosis? Permeability transition pores and apoptosis as selective mechanisms to eliminate superoxide-producing mitochondria and cell. FEBS Lett. 397 (1), 7–10.

  3. Kalpage H.A., Bazylianska V., Recanati M.A., Fite A., Liu J., Wan J., Mantena N., Malek M.H., Podgorski I., Heath E.I., Vaishnav A., Edwards B.F., Grossman L.I., Sanderson T.H., Lee I., Huttemann M. 2019. Tissue-specific regulation of cytochrome c by post-translational modifications: Respiration, the mitochondrial membrane potential, ROS, and apoptosis. FASEB J. 33 (2), 1540–1553. https://doi.org/10.1096/fj.201801417R

  4. Cain K., Bratton S.B., Langlais C., Walker G., Brown D.G., Sun X.M., Cohen G.M. 2000. Apaf-1 oligomerizes into biologically active approximately 700-kDa and inactive approximately 1.4-MDa apoptosome complexes. J. Biol. Chem. 275 (9), 6067–6070.

  5. Shakeri R., Kheirollahi A., Davoodi J. 2017. Apaf-1: Regulation and function in cell death. Biochimie. 135, 111–125. https://doi.org/10.1016/j.biochi.2017.02.001

  6. McComb S., Chan P.K., Guinot A., Hartmannsdottir H., Jenni S., Dobay M.P., Bourquin J.P., Bornhauser B.C. 2019. Efficient apoptosis requires feedback amplification of upstream apoptotic signals by effector caspase-3 or -7. Sci. Adv. 5 (7), eaau9433. https://doi.org/10.1126/sciadv.aau9433

  7. Susin S.A., Daugas E., Ravagnan L., Samejima K., Zamzami N., Loeffler M., Costantini P., Ferri K.F., Irinopoulou T., Prevost M.C., Brothers G., Mak T.W., Penninger J., Earnshaw W.C., Kroemer G. 2000. Two distinct pathways leading to nuclear apoptosis. J. Exp. Med. 192 (4), 571–580.

  8. Bemani P., Mohammadi M., Hakakian A. 2018. Anti-ROR1 scFv-EndoG as a novel anti-cancer therapeutic drug. Asian Pac. J. Cancer Prev. 19 (1), 97–102. https://doi.org/10.22034/APJCP.2018.19.1.97

  9. Li S., Wang T., Zhai L., Ge K., Zhao J., Cong W., Guo Y. 2018. Picroside II exerts a neuroprotective effect by inhibiting mPTP permeability and EndoG release after cerebral ischemia/reperfusion injury in rats. J. Mol. Neurosci. 64 (1), 144–155. https://doi.org/10.1007/s12031-017-1012-z

  10. Kagan V.E., Tyurin V.A., Jiang J., Tyurina Y.Y., Ritov V.B., Amoscato A.A., Osipov A.N., Belikova N.A., Kapralov A.A., Kini V.V., Vlasova I.I., Zhao Q., Zou M., Di P., Svistunenko D.A., Kurnikov I.V., Borisenko G.G. 2005. Cytochrome c acts as a cardiolipin oxygenase required for release of proapoptotic factors. Nature Chem. Biol. 1, 223–232.

  11. Kobayashi H., Nagao S., Hirota S. 2016. Characterization of the cytochrome c membrane-binding site using cardiolipin-containing bicelles with NMR. Angew. Chem. Int. Ed. Engl. 55 (45), 14019–14022. https://doi.org/10.1002/anie.201607419

  12. Li M., Mandal A., Tyurin V.A., DeLucia M., Ahn J., Kagan V.E., P.C.A. van der Wel. 2019. Surface-binding to cardiolipin nanodomains triggers cytochrome c pro-apoptotic peroxidase activity via localized dynamics. Structure. 27 (5), 806–815. https://doi.org/10.1016/j.str.2019.02.007

  13. Владимиров Ю.А., Проскурнина Е.В., Алексеев А.В. 2013. Молекулярные механизмы апоптоза. Структура комплекса цитохрома c с кардиолипином. Биохимия. 78 (10), 1391–1404.

  14. Furtmuller P.G., Jantschko W., Zederbauer M., Jakopitsch C., Arnhold J., Obinger C. 2004. Kinetics of interconversion of redox intermediates of lactoperoxidase, eosinophil peroxidase and myeloperoxidase. Jpn. J. Infect. Dis. 57 (5), 830–831.

  15. Rodriguez-Lopez J.N., Lowe D.J., Hernandez-Ruiz J., Hiner A.N., Garcia-Canovas F., Thorneley R.N. 2001. Mechanism of reaction of hydrogen peroxide with horseradish peroxidase: Identification of intermediates in the catalytic cycle. J. Amer. Chem. Soc. 123 (48), 11 838–11 847.

  16. Nelson M.J., Seitz S.P. 1994. The structure and function of lipoxygenase. Curr. Opin. Struct. Biol. 4 (6), 878–884. https://doi.org/10.1016/0959-440x(94)90270-4

  17. Chen G., Guo G., Zhou X., Chen H. 2020. Potential mechanism of ferroptosis in pancreatic cancer. Oncol. Lett. 19 (1), 579–587. https://doi.org/10.3892/ol.2019.11159

  18. Dixon S.J., Lemberg K.M., Lamprecht M.R., Skouta R., Zaitsev E.M., Gleason C.E., Patel D.N., Bauer A.J., Cantley A.M., Yang W.S., Morrison B., Stockwell B.R. 2012. Ferroptosis: an iron-dependent form of nonapoptotic cell death. Cell. 149 (5), 1060–1072. https://doi.org/10.1016/j.cell.2012.03.042

  19. Zhang X., Xing X., Liu H., Feng J., Tian M., Chang S., Liu P., Zhang H. 2020. Ionizing radiation induces ferroptosis in granulocyte-macrophage hematopoietic progenitor cells of murine bone marrow. Int. J. Radiat. Biol. 96 (5), 584–595. https://doi.org/10.1080/09553002.2020.1708993

  20. Дёмин Е.М., Проскурнина Е.В., Владимиров Ю.А. 2008. Антиоксидантное действие дигидрокверцетина и рутина в пероксидазных реакциях, катализируемых цитохромом с. Вестник Московского университета. Сер. 2. Химия. 49 (5), 354–360.

  21. Russell G.A. 1957. Deuterium-isotope effects in the autoxidation of aralkyl hydrocarbons. Mechanism of the interaction of peroxy radicals. J. Amer. Chem. Soc. 79 (14), 3871–3877. https://doi.org/10.1021/ja01571a068

  22. Belyakov V.A., Vassil’ev R.F. 1970.Chemiluminescence in hydrocarbon oxidation in solution. A quantitative study of the excitation and emission steps. Photochem. Photobiol. 11 (3), 179–192. https://doi.org/10.1111/j.1751-1097.1970.tb05986.x

  23. Cilento G., Adam W. 1995. From free radicals to electronically excited species. Free Radic. Biol. Med. 19 (1), 103–114. https://doi.org/10.1016/0891-5849(95)00002-f

  24. Владимиров Ю.А., Шерстнёв М.П., Азимбаев Т.К. 1995. Активированная кумарином хемилюминесценция липопротеидов низкой плотности в присутствии ионов двухвалентного железа. Биофизика. 40 (2), 323–327.

  25. Vladimirov Yu.A., Sharov V.S., Driomina E.S., Reznitchenko A.V., Gashev S.B. 1995. Coumarin derivatives enhance the chemiluminescence accompanying lipid peroxidation. Free Radic. Biol. Med. 18 (4), 739–745.

  26. Sharov V.S., Briviba K., Sies H. 1996. Assessment of the C-525 laser dye as a chemiluminescence sensitizer for lipid peroxidation in biological membranes: A comparison with chlorophyll-a. Free Radic. Biol. Med. 21 (6), 833–843.

  27. Ромодин Л.А., Трифонова М.Ф., Лысенко Н.П., Бекузарова С.А. 2020. Способ определения химического участия активатора хемилюминесценции в липопероксидазной реакции. Патент РФ № 2 720 807. Заявл. 04.06.2019, опубл. 13.05.2020.

  28. Ромодин Л.А., Владимиров Ю.А., Лысенко Н.П. 2019. Качественная оценка взаимодействия между различными компонентами реакционной смеси, используемой для изучения липопероксидазной активности комплекса цитохрома c с кардиолипином. Матер. XI Межд. научно-практической конф. “Трансформация опыта менеджмента агробизнеса Европейского Союза в Казахстан и страны Центральной Азии”, “Дулатовские чтения – 2019”, с. 61–68.

  29. Владимиров Ю.А., Проскурнина Е.В. 2009. Свободные радикалы и клеточная хемилюминесценция. Усп. биол. химии. 49, 341–388.

  30. Владимиров Г.К. 2018. Структура и пероксидазная функция комплекса цитохрома c с кардиолипином в водной среде и в неполярном окружении. Дис. … канд. биол. наук. М.: РНИМУ им. П.И. Пирогова МЗ РФ. 2018. 125 с.

  31. Журавлёв А.И. 2009. Квантовая биофизика животных и человека: Учебное пособие. 3-е издание. М.: МГАВМиБ. 474 с.

  32. Журавлёв А.И., Зубкова С.М. 2014. Антиоксиданты. Свободнорадикальная патология, старение. 2-е издание. М.: Белые альвы. 304 с.

  33. Ромодин Л.А., Владимиров Ю.А., Шангин С.В., Владимиров Г.К., Лысенко Н.П., Демихов Е.И. 2020. Изохинолизиновые производные кумарина в качестве активаторов хемилюминесценции в реакциях липидной пероксидации. Биофизика. 65 (4), 680–690. https://doi.org/10.31857/S0006302920040080

Дополнительные материалы отсутствуют.

Инструменты

следующая статья выпуска предыдущая статья выпуска содержание выпуска

Биологические мембраны: Журнал мембранной и клеточной биологии

Архивы выпусков Информация о журнале Отправить рукопись в журнал