Глава 3. Характеристика гипогалогенитов и путей их образования

Гипогалогениты относятся к активированным кислородным метаболитам и представляют собой активные формы галогенов.

В организме человека гипогалогениты образуются в ферментативной реакции перекиси водорода с ионами галогенов, которая катализируется миелопероксидазой (МПО), эозинпероксидазой (ЭПО), лактопероксидазой (ЛПО), которые различаются по структуре и субстратной специфичности:

_{МПО, ЭПО}

Н₂О₂ + х^- + Н⁺ → НОХ + Н₂О, где х^- - Cl^-, I^-, Br^-, SCN^-

^ЛПО

Миелопероксидаза – основной пероксидазосомный белок нейтрофилов, моноцитов и тканевых макрофагов, играющий ключевую роль в защитных и воспалительных реакциях организма. Наибольшее содержание МПО отмечено в нейтрофилах, где на долю фермента приходится более 30 % от общего содержания белка.

МПО – катионный, гликозилированный белок, является гемопротеином с молекулярной массой 144 кДа. МПО состоит из двух тяжелых (b) и двух легких (α) субъединиц; b-субъединицы соединены дисульфидной связью и содержат 2 молекулы протопорфирина IX с ионом Fe³⁺ в центре. Гемы соединены а апопротеинами двумя сложноэфирными связями и одной сульфоновой связью. Такой тройной тип связи гема является уникальным по сравнению с другими гемовыми белками. Ген, кодирующий МПО, расположен в 17 хромосоме. МПО катализирует двухэлектронное окисление хлорида с образованием гипохлорита:

Н₂О₂ + Cl^- + H⁺ → HOCl + H₂O

Рис. 12. Структура миелопероксидазы

В результате каталитического цикла железо гема претерпевает последовательное окисление и восстановление. Нативная МПО (феррифермент МПО-Fe³⁺) реагирует с перекисью водорода и образует соединение I (МПО-Fe⁴⁺=O), которое содержит два окислительных эквивалента по сравнению с ферриформой (реакция 1 на схеме). Соединение I нестойкое, обладает высокой реакционной способностью и катализирует двухэлектронное окисление галогенидов до гипогалоидных кислот с образованием нативной ферриформы фермента (реакция 2 на схеме).

Рис. 13. Схема превращений МПО

Реакции 1 и 2 (схема) представляют собой цикл хлорирования.

В присутствии одноэлектронных доноров водорода (АН-фенолы, анилины, b-дикетоны, нитрит и др.) соединение I может восстанавливаться в соединение II (МПО- Fe^4+-OН), которое не участвует в образовании НОCl (реакция 3 на схеме). Соединение II, как и соединение I, катализирует окисление АН, превращаясь при этом в нативный фермент (реакция 4 на схеме). Реакции 1, 3 и 4 (схема) представляют собой классический пероксидазный цикл. Относительная концентрация Cl^- и АН определяет механизм реакции, по которой будет функционировать фермент (хлорирование или пероксидация).

МПО образует целый ряд окислителей при переходе в соединения I и II, а некоторые реакции НОCl ведут к дальнейшей генерации АФК:

НОCl + H₂O₂ → ¹О₂ + Cl^- + H⁺ + H₂O

НОCL + О₂ ^. → ОН^. + Cl^- + O₂

НОCl + Fe²⁺ → Fe³⁺ + ОН^. + Cl^-

HOCl + NO₂^. → NO₂Cl + OH^.

В 1952 году Чанс установил кофакторную роль NO₂^., затем была показана такая же роль NO:

Оксид азота влияет на МПО двумя путями:

- при низкой [H₂O₂] NO^. усиливыает активность МПО и образование НОCl, т.е. стимулирует бактерицидную функцию фермента;

- при высокой [H₂O₂] активирующий эффект минимален, так как создается неактивный комплекс NO^. с ферри-МПО. Лигандирование оксида азота с гемом препятствует доступу H₂O₂ к каталитическому центру МПО.

При реакции оксида азота с соединениями I и МПО образуется катион нитрозония NO⁺, который не стабилен и быстро переходит в продукт его гидратации NO₂^- . NO₂^- является кофактором МПО, он образует комплекс с ферментом и меняет реакционный профиль HOCl за счет образования нитрохлорида NO₂Cl. При этом маркером действия HOCl является 3-хлортирозин.

Система МПО существует не только как источник антимикробной HOCl, но и как катализатор бактерицидных реакций нитрования микробных и других патогенных белков.

Биологическая роль МПО:

- окисление SH- и тиоэфирных групп белков;

- хлорирование аминогрупп и образование хлораминов, обладающих высоким цитотоксическим потенциалом;

- МПО, обладая катионными свойствами легко присоединяется к мембранам, что облегчает взаимодействие МПО-продуктов с ненасыщенными фосфолипидами и способствует индукции ПОЛ;

- одноэлектронное окисление различных субстратов соединением I МПО может приводить к образованию тирозильных радикалов, которые могут индуцировать ПОЛ;

- МПО участвует в нитровании белков;

- МПО снижает NO-зависимое расслабление сосудов и активность гуанилатциклазы путем регуляции концентрации NO^.;

- МПО модулирует протекание воспалительного ответа в нейтрофилах;

- МПО принимает участие в таких патологических процессах, как атеросклероз, рак, множественный склероз, болезнь Альцгеймера, бронхиальная астма.

На образование HOCl расходуется 28 % кислорода, потребляемого активированными нейтрофилами. МПО хорошо растворима в липидной фазе мембран, и при высвобождении в процессе дегрануляции она локализуется на границе раздела фаз, участвует в создании бактерицидного потенциала слизистых поверхностей тела человека и хрусталика глаза.

Эозинпероксидаза состоит из двух субъединиц - b (50 кДа) и α (10-15 кДа), простетическая группа фермента – протопорфирин IX. ЭПО локализована в эозинофилах и тканях. Основными продуктами ЭПО являются HOBr и HOI. Окислительный метаболизм и пероксидазная активность у эозинофилов выше, чем у нейтрофилов, что определяет их более высокий деструктивный потенциал. При бронхиальной астме, сопровождающейся эозинофилией периферической крови, возникающей как защитная реакция на действие патогенов, возможно повреждение собственных тканей организма – эндотелия бронхиального дерева. Одна из основных функций эозинофилов – создание микробизидного потенциала кожи, слизистых поверхностей легких, кишечника, где они накапливаются в соединительной ткани и выступают в качестве своеобразных одноклеточных желез, секретирующих ЭПО-содержащие гранулы.

Биологическая роль гипогалогенитов:

- гипогалогениты – мощные токсины, чрезвычайно реакционноспособные, которые галогенируют или окисляют биологические молекулы. Наиболее чувствительны к действию НОХ сульфгидрильные и тиоэфирные группы белков. Поэтому соединения, содержащие данные группы (глутатион, альбумин, 2-нитро-5-бензойная кислота) существенно снижают цитотоксическое действие гипогалогенитов. Альбумин является основным сывороточным ингибитором гипогалогенитов;

- HOCl при взаимодействии с биологическими аминами может образовывать хлорамины. Одни из них (таурин) мало активны, тогда как другие (хлорамин NH₄Cl) обладают значительно большим деструктивным потенциалом, чем HOCl. Таурин не только защищает фагоциты от аутодеструкции HOCl, но и является сигнальной молекулой активированных нейтрофилов. Хлорамин индуцирует образование хлортирозина;

- HOCl способен окислять железосерные центры и гемовые группы ферментов;

-гипогалогениты могут как индуцировать, так и ингибировать процессы ПОЛ. Индукция ПОЛ может происходить различными путями:

а) высвобождение Fe²⁺ в реакциях HOCl с оксигемоглобином;

б) образование реакционных АКМ, которые эффективно запускают ПОЛ, в реакции Осипова:

НОCl + Fe²⁺ → Fe³⁺ + ОН^. + Cl^-

В реакции НОCl с супероксидом:

НОCL + О₂ ^. → ОН^. + Cl^- + O₂;

В реакции НОCl с перекисью водорода:

Н₂О₂ + ОCl^- → Cl ^- + H₂O + ¹O₂;

При низких рН возможно разложение гипогалогенитов с образованием синглетного кислорода:

2НОCL → 2Н⁺ + 2Cl^- + ¹O₂;

Таким образом, цитотоксический, мутагенный и бактерицидный эффекты гипогалогенитов в определенной степени опосредованы образованием ОН-радикалов и синглетного кислорода.

- НОCl эффективно проникают в поверхностный фосфолипидный слой циркулирующих в крови липопротеинов низкой плотности, вызывая их окисление и захват макрофагами;

- способность гипогалогенитов прямо разрушать клетки-мишени незначительна, их деструктивное действие связано с нарушением транспортных функций мембранных белков, инактивацией АТФ-синтетазы, усилением активности протеиназ через инактивацию их ингибиторов;

- гипогалогениты ингибируют клеточное деление, синтез нуклеиновых кислот и белков деления у E.coli;

- продукты МПО-реакции могут участвовать в развитии воспаления;

- МПО может проявлять антиоксидантное действие, ингибируя токсические производные NO-радикала. МПО взаимодействует с пероксинитритом с образованием NO₂^-/ NO₃^- при низких рН среды, что особенно важно при воспалении:

МПО + ONOOH → [МПО-I- NO₂^-] → МПО-II + NO₂^-

2NO₂^- → N₂O₄

N₂O₄ + H₂O → NO₃^- + NO₂^- + 2H⁺

Повышенный уровень МПО в сыворотке и гранулоцитах крови выявляется при хронических воспалительных процессах.

Контрольные вопросы

1. Что такое гипогалогениты и как они образуются?

2. Каково строение и как функционирует миелопероксидаза?

3. Каково строение и биологическая роль эозинпероксидазы?

4. Охарактеризуйте физиологические и патологические эффекты гипогалогенитов в живых организмах?