Супероксиддисмутаза та каталаза крові: активність ферментів в умовах оксидативного стресу

Размещено на http://www.allbest.ru/

СУПЕРОКСИДДИСМУТАЗА ТА КАТАЛАЗА КРОВІ: АКТИВНІСТЬ ФЕРМЕНТІВ В УМОВАХ ОКСИДАТИВНОГО СТРЕСУ

К.Л. Шамелашвілі, І.В. Леус, Т.І. Сергієнко,

М.В. Горіла, Н.І. Штеменко

Вступ

Як відомо, каталаза (КФ 1.11.1.6) це гемопро- теїн, який каталізує реакцію розкладання перекису водню на воду і молекулярний кисень:

Н2О2+Н2О2=О2+2Н2О.

Біологічна роль цього ферменту полягає в деградації перекису водню, що утворюється в клітинах в результаті дисмутації супероксиду і забезпеченні ефективного захисту клітинних структур від руйнування під дією перекису водню. Каталаза є високоефективним ферментом, що не вимагає енергії для активації [1, 2]. Молекула каталази складається з 4-х субодиниць кожна з яких містить гем, що входить до складу активного центру. До активного центру йде вузький канал, який запобігає проникненню більш великих молекул ніж Н2О2. Каталаза переважно локалізована в пероксисомах, позаклітинно вона існує в незначних концентраціях [2-5]. У людини найбільша кількість каталази знаходиться в печінці, в еритроцитах та легенях [6].

Супероксиддисмутаза (СОД) (КФ 1.15.1.1) належить до групи антиоксидантних ферментів. Разом з каталазою та іншими антиоксидантними ферментами вона захищає живі організми від високотоксичних кисневих радикалів, що постійно утворюються. Су- пероксиддисмутаза каталізує процес дисмутації супероксиду у кисень та перекис водню. Цей фермент відіграє важливу роль в антиоксидантному захисті майже всіх клітин, що знаходяться у контакті з киснем.

Постановка проблеми

У наших роботах було показано що, активність супероксиддисмутази (СОД) зменшується при розвитку карциноми Герена, в той час як інтенсивність процесів перекисного окиснення ліпідів (ПОЛ) зростає [7, 8]. Вперше встановлена залежність між структурою дикарбоксилатів диренію та їхньою здатністю до активації еритроцитарної супероксиддисмутази у моделі пухлинного росту. Зокрема, введення цис-дикарбоксилатів збільшувало активність супероксиддисмутази із збільшенням довжини алкільного радикалу, а введення транс-дикарбоксилатів змінювало активність супероксиддисмутази (на 30-70 %), у порівнянні з даними групи щурів- пухлиноносіїв [7]. Закономірно, виникла потреба у вивченні активності інших ферментів антиоксидат- ного захисту за умов канцерогенезу та його лікування сполуками ренію та цис-платином.

Метою роботи було узагальнити результати наших досліджень стосовно активності каталази та супероксиддисмутази у моделі пухлинного росту та визначити вплив сполук ренію цис- та трансконфігурації на активність ензиму.

Літературний огляд

При різних патологіях відбувається порушення окисно-відновного гомеостазу. Збільшується кількість вільних радикалів і перекису водню. Перекис водню впливає на такі клітинні мішені, як ліпіди, білки, нуклеїнові кислоти, викликає їх деградацію та ініціює розвиток окисного стресу [6]. Фермент каталаза, як основна ланка захисту організму від перекису водню при різних патологіях, по-різному проявляє свою активність. При деяких випадках активність ка- талази збільшується, наприклад у випадку шизофренії [18], кардіоміопатії [10] та печінкової недостатності [11] 1,5-2 рази порівняно з контрольною групою. В інших випадках (розвиток новоутворень, цукровий діабет) активність ферменту зменшується у 2 рази порівняно з контролем [12, 13].

Таблиця 1

Показники ПОЛ-АОС у вагітних з прееклампсією

Примітка: * різниця достовірна в порівнянні з контролем, р<0,05; # - різниця достовірна в порівнянні з І групою, р<0,05

Зміни активності каталази та супероксид- дисмутази за умов канцерогенезу та його корекції

У роботі досліджувалися кластерні сполуки диренію (ІІІ) з органічними лігандами, синтезовані в Українському державному хіміко-технологічному університеті на кафедрі неорганічної хімії в ліпосом- них (lip, розміром 1-5 мкм), наноліпосомних (nl, розміром 50-150 нм) формах, у вигляді наночасток, які виготовлялися за методами, що наведені в [14, 15]. За просторовою структурою та складом досліджувані сполуки належать до двох структурних типів (рис. 1).

а)

б

Рис. 1 Типи досліджуваних комплексних сполук ренію з органічними лігандами: а - цис-дикарбоксилати: б - транс-дикарбоксилати

У роботі використано щурів популяції Wistar з масою тіла 100-120 г, яких утримували в стандартних умовах віварію. Експерименти на тваринах здійснювали відповідно до правил «Європейської конвенції захисту хребетних тварин, використаних в експериментальних та інших наукових цілях». Пухлинний ріст моделювали шляхом трансплантації здоровим щурам 20 %-ї суспензії клітин карциноми Герена (Т8) у фізіологічному розчині (0,9 %-й NaCl) [16].

Донорами ракових клітин були пухлиноносії, отримані з Інституту експериментальної патології, онкології і радіобіології ім. Р. Є. Кавецького НАН України безпосередньо перед трансплантацією. Тварин було поділено на групи (по 10 щурів у кожній): інтактні тварини (Control); щури, яким трансплантували карциному Герена (Т8); щури-пухлиноносії, яким вводили цис-платин (cisPt): одноразове введення розчину cisPt у дозі 8 мг/кг [17]; щури-пухлиноносії, яким вводили сполуки ренію у ліпосомній або наноліпосомній формі за схемою антиоксидантної терапії в дозі 7 мкмоль/кг з інтервалом в 1 добу протягом 21 доби (T8+[Re cis],lip; T8+[Re cis],nl; T8+[Re trans],nl) [18]; щури-пухлиноносії, яким вводили систему Re- Pt: одноразове введення розчину cisPt у дозі 8 мг/кг на 9 добу та сполуки ренію у ліпосомній або наноліпосомній формі, починаючи з 3-ї доби після трансплантації ракових клітин з інтервалом в 1 добу протягом 21 доби, у дозі 7 мкмоль/кг з кінцевим молярним співвідношенням введених сполук ренію і платини 4:1 (cisPt+Re) за схемою антиоксидантної терапії (T8+[Re cis]+cisPt,lip; T8+[Re cis]+cisPt,nl; T8+[Re trans] +cisPt,nl) [19].

На 21-й день після трансплантації пухлини проводили декапітацію щурів під ефірним наркозом зважували залишкову видалену пухлину та досліджували активність CОД та каталази в еритроцитах крові [20, 21]. Результати обробляли статистично з використанням t-критерію Стьюдента. Зміни показників вважалися вірогідними при P<0,05.

Апробація результатів дослідження

Окрім вивчення активності ферментів антиоксидантної системи при розвитку новоутворень, нами були проведенні дослідження цих ензимів і при інших патологіях. Наприклад, при прееклам - псії різного ступеня важкості у вагітних жінок [22]. В результаті було з'ясовано, що одночасно при розвитку оксидативного стресу відбувалася інтенсифікація процесів ПОЛ та дезактивація ферментів АОС (табл. 1).

Активність СОД узгоджено знижувалася зі зростанням вмісту ТБК-активних продуктів. На від міну від СОД, активність каталази змінювалася не так поступово та не проявляла залежності від вмісту ТБК-активних сполук. У вагітних І групи зазначалося підвищення активності каталази на 65,3 % порівняно зі здоровими вагітними, що може свідчити про активацію системи антиоксидантного захисту, оскільки у цієї групи пацієнтів рівень ТБК-активних продуктів не відрізнявся від параметрів здорових вагітних. В II групі відбувалося зменшення активності каталази, це може свідчити про виснаження системи антиоксидантного захисту, що побічно підтверджується змінами активності СОД і вмісту ТБК-активних продуктів у цій групі, в порівнянні з контролем. Таким чином, можна зробити висновок, що на відміну від СОД, активність каталази не завжди залежала від інтенсивності ПОЛ. До того ж при малих концентраціях ТБК- активних продуктів та дезактивації СОД активність каталази могла посилюватися.

Експериментально встановлено, що при розвитку карциноми Герена активність СОД в еритроцитах щурів підвищувалась на 41 % у порівнянні з контрольними результатами. Виявленно підвищення активності СОД в еритроцитах за введення сполук ренію в ліпосомній формі в 3,5 рази порівняно з контрольною групою. При введенні цисплатину активність СОД підвищувалася в 2 рази в порівнянні з групою Т8. Активність ферменту в групі T8+[Re cis]+cisPt,lip також підвищувалася в 2 рази, та наближалася до значень цис-платинової групи (рис. 2, 3).

Рис. 2 Активність СОД в еритроцитах здорових щурів та тварин з карциномою Герена під впливом сполук ренію в ліпосомній формі, од./млн еритроцитів

Введення цис-дикарбоксилатів диренію в ліпосомній формі значно не впливало на активність каталази в крові щурів-пухлиноносіїв.

При застосуванні щурам-пухлиноносіям cisPt спостерігали збільшення активності каталази на 15,4 % у порівнянні з групою Т8. При дослідженні впливу Re-Pt системи в ліпосомній формі виявленно зниження активності каталази в порівнянні з групою Т8+ cisPt. Введення системи реній-платина також призводило до зниження активності ферменту, у порівнянні з групою Т8, на 30,8 %.

Застосування наноліпосомних форм сполук Ренію з цисконфігурацією призводило до підвищення активності СОД в 2-2,5 рази порівняно з групою Т8. Аналогічно в ліпосомній формі нижчі показники активності ферменту виявлено при використанні системи реній-платина (рис. 4).

На відміну від звичайних ліпосом, наноліпосомні форми сполук Ренію значно впливали на активність КАТ (рис. 4).

Рис. 4 Активність СОД та каталази в еритроцитах щурів з карциномою Герена під впливом сполук ренію в наноліпосомній формі цис-концігурації, U\g Hb *х10³

Рис. 3 Активність каталази в еритроцитах здорових щурів та тварин з карциномою Герена під впливом сполук ренію в ліпосомній формі, кат/л

Рис. 5 Активність СОД та каталази в еритроцитах щурів з карциномою Герена під впливом сполук ренію в наноліпосомній формі транс-концігурації, U\g Hb *х103

Використання сполук ренію з транс- конфігурацією май же так само впливало на активність СОД, як і з цис- конфігурацією. Тобто при окремому введенні активність СОД більша (2,5 рази), ніж при введенні системи Re-Pt (1,3 рази), порівняно з групою Т8 (рис. 5).

Висновки

Введення T8+[Re cis], nl за схемою антиоксидантної терапії викликало зростання активності ферменту каталази в 3,5 рази у порівнянні з групою Т8. При використанні системи реній-платина активність цього ферменту зростала лише у 2 рази, у співставленні з групою щурів-пухлиноносіїв. Таким чином, встановлено, що сполуки ренію цисконфігурації призводили до підвищення активності ферментів АОС порівняно з контрольною групою та групою Т8. До того ж окреме введення сполук ренію більш активувало ферменти, ніж введення системи реній- платина.

Стосовно активності фермента каталази, транссполуки впливали на її активність протилежним чином. А саме, в групі Т8+р.е trans]+ cisPt, nl активність ензиму була більша, ніж в групі Т8+р.е trans], nl та перевищувала значення у групи щурів пухлиноносіїв в 4,8 та 1,4 рази відповідно. Таким чином, можна припустити, що активність каталази залежить не тільки від сполук, що використовюються, а і від їх просторової будови та форми введення. Тобто, встановлено, що циста транс-ізомери комплексних сполук ренію чинили різноспрямовану дію на активність супероксиддисмутази та каталази. Цисдикарбоксилати диренію узгоджено підвищували активність СОД та каталази. В той час як при дії транс-дикарбоксилатів, там де збільшувалася активність СОД, зменшувалася активність каталази.

Література

1. Чеснокова, Н. П. Молекулярно-клеточные механизмы индукции свободнорадикального окисления в условиях патологии [Текст] / Н. П. Чеснокова, Е. В. По- нукалина, М. Н. Бизенкова //Современные проблемы науки и образования. 2006. № 6. С. 21-26.

2. Vetrano, A. M. Characterization of the Oxidase Activity in Mammalian Catalase [Text] / A. M. Vetrano, D. E. Heck, T. M. Mariano, V. Mishin, D. L. Laskin, J. D. Las- kin // The Journal of Biological Chemistry. 2005. Vol. 280, Issue 42. P. 35372-35381. doi: 10.1074/jbc.m503991200.

3. Мирошниченко, О. С. Биогенез, физиологическая роль и свойства каталазы [Текст] / О. С. Мирошниченко // Биополимеры и клетка. 1992.- Т. 8, № 6. С. 3-26.

4. Подколзин, А. А. Система антиоксидантной защиты организма и старение [Текст] / А. А. Подколзин, А. Г. Мегреладзе и др. // Профилактика старения. - 2000. Вып. 3. C. 288.

5. Jakopitsch, Ch. Redox Intermediates in the Catalase Cycle of Catalase-Peroxidases from Synechocystis PCC 6803, Burkholderia pseudomallei, and Mycobacterium tuberculosis [Text] / Ch. Jakopitsch, J. Vlasits, B. Wiseman, P. C. Loewen, Obinger // Biochemistry. 2007. Vol. 46, Issue 5. P. 1183-1193. doi: 10.1021 /bi062266+.

6. Venkat, R. D. Role of antioxidants in prophylaxis and therapy: A pharmaceutical perspective [Text] / R. D. Venkat, D. Ankola, V. K. Bhardwaj, D. K. Sahana, M. N. V. Ravi Kumar // Journal of Controlled Release. 2006. Vol. 113, Issue 13. P. 189-207. doi: 10.1016/j.jconrel.2006.04.015.

7. Леус, І. В. Антиоксидантна і протипухлинна активність дикарбоксилатів диренію у тварин із карциномою Герена [Текст] / І. В. Леус, К. Л. Шамелашвілі та ін. // Укр. біохім. журнал. 2012. Т. 84, № 3. С. 72-81.

8. Шамелашвили, К. Л. Стан коагуляційного гемостазу при канцерогенезі та застосуванні системи реній- платина у наноформах [Текст] / К. Л. Шамелашвили, С. С. Семенов, О.О.Чугуз и др. // Вісник ДНУ, Біологія. Медицина. 2011. Вип. 2, Т. 2, - С. 110-116.

9. Rukmini, M. S. Superoxide dismutase and catalase activities and their correlation with malondialdehyde in schizophrenic patients [Text] / M. S. Rukmini, B. D'Souza, V. D'So // Indian Journal of Clinical Biochemistry. 2004. Vol. 19, Issue 2. P. 114-118. doi: 10.1007/bf02894268.

10. Коношенко, С. В. Характеристика отдельных биохимических показателей эритроцитов человека при кардиомиопатии» [Текст] / С. В. Коношенко, Илиас Шу- шуа, В. А. Ивашов // Серия «Биология, химия». 2010. Т. 23 (62), № 1. С. 48-51.

11. Соловьев, Н. А. Экспериментально-клиническое исследование действия мексидола при некоторых патологиях. Выяснение возможной локализации и механизма действия [Текст] / Н. А. Соловьев, В. В. Яснецов // Бюллетень экспериментальной биологии и медицины. 2006. Прил. 1 - С. 230-241.

12. Пашкевич, И. В. Динамика показателей пере- кисного окисления липидов в сыворотке крови под влиянием производных 3-оксипиридина при индуцированных и перевиваемых неоплазиях [Текст] / И. В. Пашкевич, Е. О. Букаева и др. // СТМ. 2011 - Т. 3. С. 110-112.

13. Скворцова, Е. А. Влияние липоевой кислоты и токоферола на показатели окислительного стресса в тканях тонкого кишечника крыс с аллоксановым диабетом [Текст] / Е. А. Скворцова, И. В. Вольхина и др. // Биология. Науки о Земле. 2014. Вып. 1. С. 166-169.

14. Егорова, Д. Е. Вопр. химии и хим. технологии [Текст] / Д. Е. Егорова, А. В. Штеменко. 2010. № 1. С. 103-110.

15. Скорик, О. Д. Інтенсивність оксидативного стресу та склад вільних амінокислот крові при гальмуванні росту карциноми Герена сполуками ренію [Текст]: автореф. дис.... канд. біол. наук / О. Д. Скорик. Київ, 2009. 20 с.

16. Тимофеевский, А. Д. Модели и методы экспериментальной онкологии [Текст] / А. Д. Тимофеевский. Москва: Медгиз, 1960. 245 c.

17. Taylor, S. K. [Text] / S. K. Taylor // Med. Hypotheses. 2003. Vol. 60, № 1. Р. 89-93.

18. Мєє^п, F. Z. Catalase [Text] / F. Z. Мєє^п, M. E. Evstigneeva, E. E. Ustinova // Pat. Physiol. Exp. The- rap. 1983. Vol. 5. P. 25-29.

19. Shtemenko, N. [Text] / N. Shtemenko, P. Collery, A. Shtemenko // Anticancer Res. 2007. Vol. 27. P. 2487-2492.

20. Королюк, М. А. Метод определения активности каталазы [Текст] / М. А. Королюк, Л. И. Иванова и др. // Лаб. Дело. 1988. № 1. С. 16-18.

21. Костюк, В. А. Простой и чувствительный метод определения супероксиддисмутазы, основанный на реакции окисления кверцитина [Текст] / В. А. Костюк, А. И. Потапович и др. // Вопросы мед. химии. 1990. Т. 36, № 2. С. 88-91.

22. Шамелашвили, К. Л. Корреляция показателей системы гемостаза с маркерами перекисного окисления липидов у беременных с преэклампсией [Текст] / К. Л. Шамелашвили, Т. А. Лоскутова, Н. И. Штеменко // Вісник Харківського національного університету імені В. Н. Каразіна. Серія: біологія. 2013. Вип. 17, № 1056. С. 196-201.

23. Zamocky, M. Evolution of Catalases from Bacteria to Humans [Text] / M. Zamocky, P. G. Furtmuller, Ch. Obin- ger // Antioxidants & Redox Signaling. 2008. Vol. 10, Issue 9. P. 1527-1548. doi: 10.1089/ars.2008.2046.

Анотація

Активність каталази та супероксиддисмутази залежала не лише від сполук ренію, що використовувалися, а і від їх просторової будови та форми введення. Встановлено, що цис- та трансізомери комплексних сполук ренію чинили різноспрямовану дію на активність супероксиддисмутази та каталази. Цис-икарбоксилати диренію узгоджено підвищували активність супероксиддисмутази та каталази. В той час як при дії транс-дикарбоксилатів, там де збільшувалася активність супероксиддисмутази, зменшувалася активність каталази

Ключові слова: каталаза, супероксиддисмутаза, оксидативний стрес, канцерогенез, сполуки ренію, лі- посоми, наноліпосоми, наночастки

Annotation

The activity of catalase and superoxide dismutase depends not only on the used compounds of rhenium, and also on their dimensional structure and form of applying. It is established that the cis- and trans-isomers of complex compounds of rhenium did countervailing effect on superoxide dismutase and catalase activities. Cis-isomers of Rhenium dycarboxylats agreed increased activity of superoxide dismutase and catalase. While under the action of trans-isomers, where increased activity of superoxide dismutase, catalase activity decreased Keywords: Catalase, Superoxidedismutase, oxidative stress, carcinogenesis Rhenium compounds, liposomes, nanoUposomes, nanoparticles