Активные формы галогенов, галогенирующий стресс, его биомаркеры. Роль в развитии заболеваний человека

АКТИВНЫЕ ФОРМЫ ГАЛОГЕНОВ, ГАЛОГЕНИРУЮЩИЙ СТРЕСС, ЕГО БИОМАРКЕРЫ. РОЛЬ В РАЗВИТИИ ЗАБОЛЕВАНИЙ ЧЕЛОВЕКА

О.М. Панасенко1, А.В. Соколов1,2

1ФГБУ Федеральный научно-клинический центр физико-химической медицины

ФМБА, Москва

2

ФГБНУ «Институт экспериментальной медицины», Санкт-Петербург

Abstract

Endogenous mechanisms of generation of reactive halogen species (RHS) in the body as well as of RHS-induced damage to biologically important molecules (proteins, lipids, nucleic acids, etc.) are discussed. An imbalance between RHS production and the ability of the body to eliminate or neutralize RHS, which leads to cell and tissue damage, is termed halogenative stress. The finding of halogenative stress biomarkers in diseases associated with inflammation confirms RHS involvement in the onset and progression of these diseases.

Key words: reactive halogen species, halogenative stress, myeloperoxidase, biomarkers, inflammation

Обсуждаются эндогенные механизмы образования в организме человека активных форм галогенов (АФГ), а также повреждения ими биологически важных молекул (белков, липидов, нуклеиновых кислот и др.). Дисбаланс между образованием АФГ и способностью организма удалять или нейтрализовать их, приводящий к повреждению клеток и тканей, определен как галогенирующий стресс. Обнаружение при заболеваниях, ассоциированных с воспалением, биомаркеров галогенирующего стресса свидетельствует о его причастности к их возникновению и развитию.

Ключевые слова: активные формы галогенов, галогенирующий стресс, миелопероксидаза, биомаркеры, воспаление

Миелопероксидаза (МПО) - фермент, принадлежащий к семейству гемсодержащих пероксидаз млекопитающих (донор: Н2О2-оксидоредуктаза, КФ 1.11.1.7), локализуется, главным образом, в азурофильных гранулах нейтрофилов (2-5% клеточного белка или 2-4 мкг в 106 кл.), откуда в результате активации клеток и их дегрануляции частично (до 20%) секретируется во внеклеточное пространство в очагах воспаления. Молекула МПО представляет собой гликозилированный гомодимер молекулярной массы ~145 кДа, который состоит из двух идентичных протомеров, соединенных дисульфидной связью и включающих тяжелую а-субъединицу (59 кДа) и легкую Р-субъединицу (13,5 кДа).

Помимо пероксидазной активности, ферменты группы пероксидаз млекопитающих обладает способностью катализировать окисление галогенидов (Hal": Cl", Br", I") с образованием гипогалоидных кислот (HOHal) по реакции:

Hal" + H2O2 +H+ ^ HOHal + H2O, которая описывает цикл галогенирования МПО [1].

В результате функционирования этого цикла в физиологических условиях образуются, так называемые первичные активные формы галогенов (АФГ) [1, 2], главным образом - HOCl и HOBr, которые способны вступать в реакции присоединения, замещения, окислительно-восстановительные и др. с функциональными группами биологически важных молекул: белков, нуклеиновых кислот, липидов, углеводов, витаминов, антиоксидантов. Образующиеся галогенсодержащие продукты (вторичные АФГ), как правило, сохраняют повышенную реакционность и могут вступать во вторичные реакции [2]. Благодаря своей реакционной способности, АФГ обладают выраженными противопатогенными свойствами и составляют основу МПО-зависимой антимикробной системы лейкоцитов. Очевидно, что от активности самого фермента и направленности действия продуктов МПО-катализа существенным образом зависят не только эффективность клеточного ответа в отношении патогена, но и повреждающее действие со стороны АФГ в отношении собственных клеток и тканей организма-хозяина.

Установлено, что АФГ оказывают существенное воздействие на макромолекулы, субклеточные структуры, клетки и ткани организма. В частности, HOCl и HOBr вызывают фрагментацию и/или агрегацию белка, что, как правило, приводит к инактивации ферментов; инициируют пероксидацию липидов; галогенируют и фрагментируют нуклеиновые кислоты, инициируя мутагенез; реагируют с углеводами, вызывая деструкцию гликокаликса и компонентов внеклеточного матрикса; разрушают витамины и другие низкомолекулярные биологически важные молекулы [1, 2].

АФГ модифицируют физико-химические свойства липопротеинов крови человека. Установлено, что МПО связывается с поверхностью апоВ-100-содержащих липопротеинов низкой и очень низкой плотности (ЛНП и ЛОНП). Связывание происходит на сайтах апоВ-100, поскольку антитела против апоВ-100 вытесняют липопротеины из комплексов МПО-ЛНП и МПО-ЛОНП [3]. HOCl образующаяся при функционировании МПО на поверхности ЛНП способна проникать в их липидную фазу, вызывая деструкцию липидов и белков по молекулярному и/или свободнорадикальному механизмам. Это приводит к разрушению аминокислотных остатков; деградации липидорастворимых антиоксидантов; снижает резистентность липидной фазы к пероксидации; увеличивает содержание продуктов окисления липидов; уменьшает подвижность и увеличивает полярность ацильных цепей липидной фазы. Такая МПО-индуцированная модификация ЛНП нарушает их холестерин-транспортную функцию. Они активнее захватываются субэндотелиальными клетками, что приводит к накоплению внутриклеточного холестерина и превращению клеток в так называемые пенистые клетки, дающие начало развитию атеросклероза [3, 4].

HOQ и HOBr проявляют выраженный цитотоксический эффект, обусловленный образованием в плазматической мембране гидрофильных групп, в частности, хлор-, бромгидринов и хлор-, бромаминов в реакции с ненасыщенными жирнокислотными цепями и амино-группами, соответственно, что приводит к дестабилизации мембраны и лизису клеток. Теперь уже известно, что подобные МПО-зависимые реакции с участием галогенсодержащих реагентов, протекающие в живом организме, могут приводить к повреждению тканей и органов и тем самым провоцировать развитие ряда провоспалительных социально-значимых заболеваний: сердечно-сосудистых, нейродегенеративных, онкологических, респираторных и др. Учитывая вышеизложенное, было бы вполне справедливо галогенсодержащие реакционные соединения выделить в отдельную группу АФГ, как это было сделано ранее в случае с активными формами кислорода и азота, а дисбаланс между образованием АФГ и способностью организма удалять или нейтрализовать их, приводящий к повреждениям клеток и тканей, называть галогенирующим стрессом [1, 2].

Галогенирующий стресс не может существовать сам по себе, он тесным образом связан с проявлениями хорошо описанных в научной литературе окислительного, нитрующего и карбонильного стрессов, развитие которых обусловлено появлением в организме критических концентраций активных форм кислорода, азота и карбонилов, соответственно [2]. Тем не менее, существование галогенирующего стресса в организме человека реально подтверждается обнаружением многочисленных биомаркеров (3-хлор- и 3-бромтирозин; хлоргидрины липидов; а-хлоральдегиды; белок, модифицированный HOQ или HOBr) в очагах воспаления, сопровождающего такие заболевания, как атеросклероз, острый респираторный синдром, муковисцидоз, астма, васкулиты, почечная недостаточность и др. [1].

Заключение

Таким образом, в организме человека в результате функционирования ферментов группы пероксидаз млекопитающих, к которым относится и МПО, синтезируются АФГ, вступающие в реакции с биологически важными молекулами (белками, липидами, нуклеиновыми кислотами и др.). Дисбаланс между образованием АФГ и способностью организма удалять или нейтрализовать их вызывает галогенирующий стресс, который провоцирует развитие заболеваний человека, ассоциированных с воспалением. Следует отметить, что профилактика галогенирующего стресса, его предотвращение и борьба с ним требуют разработки новых чувствительных методов определения низких концентраций как самих пероксидаз, так и их биомаркеров. Перспективным представляется развитие исследований, направленных на регуляцию активности ферментативных систем, ответственных за образование АФГ в организме, с целью управления биохимическими и патофизиологическими процессами в очагах воспаления.

Работа поддержана Российским научным фондом (грант № 17-75-30064).

Список литературы

1. Панасенко О.М., Горудко И.В., Соколов А.В. Хлорноватистая кислота как предшественник свободных радикалов в живых системах // Успехи биологической химии. 2013. Т. 53. С. 195-244.

2. Панасенко О.М., Сергиенко В.И. Галогенирующий стресс и его биомаркеры // Вестник Российской АМН. 2010. №1. С. 27-39.

3. Sokolov A.V., Ageeva K.V., Cherkalina O.S., Pulina M.O., Zakharova E.T., Prozorovskii V.N., Aksenov D.V., Vasilyev V.B., Panasenko O.M. Identification and properties of complexes formed by myeloperoxidase with lipoproteins and ceruloplasmin // Chem. Phys. Lipids. 2010. V.163. P.347-355.

4. Sokolov A.V., Kostevich V.A., Runova O.L., Gorudko I.V., Vasilyev V.B., Cherenkevich S.N., Panasenko O.M. Proatherogenic modification of LDL by surface-bound myeloperoxidase // Chem. Phys. Lipids. 2014. V. 180. P. 72-80.