CC BY
35
УДК 577.152.193+632.3
Вестник СПбГУ. Сер. 3,2004, вып. 3
О. Ю. Янковский, В. Н. Кокряков
УГЛЕВОДЫ КАК МИШЕНЬ ПЕРОКСИДАЗЫ ЛЕЙКОЦИТОВ (к механизмам, окислительной деструкции биополимеров)
Как известно, пероксидаза лейкоцитов - миелопероксидаза (МПО) - один из ведущих компонентов антимикробной системы фагоцитов. Кроме того, этот фермент способен повреждать собственные ткани организма в очаге воспаления [1}.
В настоящее время при изучении молекулярных механизмов биоцидного действия МПО внимание исследователей сосредоточено главным образом на окислительной деструкции белково-пептидных субстанций [4]. Накапливаются также данные об окислительной модификации при участии МПО липидных субстанций и нуклеиновых кислот. Однако что касается углеводов, то среди основных биополимеров живых систем эти молекулы в качестве объектов МПО-зависимой окислительной деструкции остаются практически не изученными. Между тем эта важнейшая группа биополимеров на всех уровнях организации живых систем по сложности и разнообразию своих функций не уступает белкам [3].
Тем не менее информацию о механизмах окислительной модификации углеводов, аналогичных тем, которые осуществляет МПО, можно почерпнуть в литературе, не связанной с проблемами медико-биологических наук. Как известно, деструктивное действие МПО в отношении молекул-мишеней опосредовано каталитическим продуктом этого фермента -хлорноватистой кислотой. С другой стороны, соли хлорноватистой кислоты - гипохлори-ты - в настоящее время являются важнейшими реагентами, применяемыми в производствах целлюлозно-бумажной и текстильной промышленностях при отбелке и облагораживании целлюлозы (см.: [2, 5-7]). Причем действующим реагентом-окислителем целлюлозы выступает именно НОС1, которая является в 80-300 раз более мощным окислителем, чем гипо-хлорит-ион. Этот оксидант, как очень слабый электролит (рКа = 7,53), образуется в результате реакции гидролиза гипохлорит-ионов:
ОСГ + НОН ОН" + НОС!. (1)
Химизм процесса окисления целлюлозы хлорноватистой кислотой хорошо изучен во многом благодаря тому, что этот полимер построен из остатков моносахаридов одного типа - остатков глюкопиранозы (глюкозы), соединенных гликозидной связью в р-конфигура-ции (¡3-1-> 4).
Высокая чувствительность целлюлозы к хлорноватистой кислоте и к действию других окислителей обусловлена наличием в каждом элементарном звене макромолекулы трех гидроксильных групп. Положение и свойства этих групп определяют многообразие направлений реакций окисления и получаемых в результате продуктов.
Поскольку остаток глюкопиранозы - наиболее распространенного в живой природе моносахарида - выступает элементом структуры и многих других полисахаридов и углевод-содержащих субстанций (гликопротеиды, гликолипиды и др.), есть основание полагать, что данные, касающиеся окисления целлюлозы, могут быть справедливы и для них.
Прежде чем перейти к рассмотрению механизма окисления глюкопиранозы хлорноватистой кислотой (продуктом МПО-катапиза), остановимся на общих аспектах окислительной деструкции этого звена ^полисахаридов. Причем, поскольку НОС1 является по преимуществу двухэлектронным окислителем, мы и ограничимся только этим типом реакций. Механизмы реакций свободно-радикального окисления углеводов оббуждены нами ранее [4].
© О. Ю. Янковский, В. Н. Кокряков, 2004
Маршруты реакций двухэлектронного окисления остатков глюкопиранозы.
1. Воздействие окислителя на ОН-группу первого углеродного атома может, произойти только у конечного звена цепи линейного или разветвленного полисахарида. Однако оно может существенно проявляться, когда окисление сопряжено с гидролитическим расщеплением полимера (под действием гликозидаз). В таком случае это ведет к образованию карбонильной группировки и в конечном счете к карбоксильной группе и расщеплению пирано-вого кольца:
он
он
атомов сопровождается разрывом пиранового кольца и образованием альдегидных групп. Дальнейшее окисление последних ведет к возникновению карбоксильных группировок (одной или двух):
3. Окисление гидроксильных групп у второго и третьего углеродных атомов может осуществляться и без разрыва пиранового кольца, что в таком случае является причиной образования одной или двух кетонных групп с участием этих же атомов:
4. Окисление гидроксила у шестого углеродного атома ведет к его превращению в альдегидную группу, при дальнейшем окислении - в карбоксильную. В последнем случае возможна реакция дегидратации с образованием лактонного кольца-«кислородного мостика» между третьим и шестым углеродными атомами:
5. Окисление с открытием пиранового кольца между первым и пятым углеродными атомами и окисление по первому углеродному атому осуществляется в ходе следующих превращений:
н н
6. Окисление с разрывом углеродной связи между первым й вторым углеродным атомами с образованием группы углекислого эфира при первом углеродном атоме и альдегида при втором атоме с возможным окислением последнего до карбоксильной группы: он он
н
6
-о
7. Окисление, сопровождающееся присоединением кислорода к «кислородному мостику», между элементарными звеньями макромолекулы ведет к образованию перекисных группировок, дальнейшее превращение которых (по типу цепных свободно-радикальных процессов перекисного окисления) подробно рассмотрено нами ранее [4].
Изучение окислительной модификации целлюлозы с использованием различных окислителей показало, что во всех случаях этот процесс низко специфичен и окисление осуществляется одновременно по нескольким маршрутам. Это же справедливо и в отношении окисления остатков глю-копиранозы хлорноватистой кислотой.
Окисление остатков глюкопиранозы хлорноватистой кислотой. При окислении остатков глюкопиранозы хлорноватистой кислотой в нейтральной или кислой среде одновременно протекают две основные реакции. Другие маршруты окислительной модификации этих остатков нами не рассматриваются, поскольку осуществляются лишь в щелочных условиях (при заметном участии гипохлорит-ионов) и не имеют физиологического значения.
Итак, это окисление первичных ОН-групп у шестого углеродного атома до альдегидных и лишь в незначительной степени до карбоксильных. В последнем случае возможна реакция дегидратации, что приведет к образованию лактонного кольца:
НОС1
V
Результатом второй реакции является образование а-Ьксикетона и в незначительной степени - дальнейшее окисление с разрывом пиранового кольца и образование углекислого эфира. В качестве примера изображен остаток с гликозидной связью в а-конфигурации:
НОС1
НОСГ
НОС1
Таким образом, в результате взаимодействия НОС1 (как продукта катализа МПО) с остатками глюкозы в составе полисахаридов имеет место окислительная модификация таких остатков преимущественно без разрыва гликозидных связей. В структуре модифицированных остатков имеются группировки, способные вступать в самопроизвольные химические реакции с нативными молекулами в организме. В первую очередь это касается ¡альдегидных групп, образующих с белками (и другими носителями NH2- и SH-групп) коньюгаты по типу шиффовых оснований и полумеркапталей:
R-CHO + H2N-R'^R-CH=N-R+Н20, (2)
R-CHO + HS-R R-HC(OH)-S-R. (3)
Аналогично химически активным продуктам свободно-радикального окисления углеводов другими оксидантами лейкоцитов [2], продукты взаимодействия НОС! с этим классом биополимеров также способны выполнять как позитивную, так и негативную роль: с одной стороны, выступая в качестве компонентов микробных клеток, - усиливать микроби-цидный эффект лейкоцитов в отношении их объекта фагоцитоза; с другой - являясь структурными элементами тканей в очагах воспаления, осуществлять экспансию деструктивных процессов в участках образования таких модификаций.
Summary
Yankovsky О. Yu., Kokryakov V. N. Carbohydrates as a target of leucocyte peroxidase.
The interest to the function of "myeloperoxidase, the most powerful bactericidal agent of leucocyte, has increased considerably during the last years. The review is concerned with molecular mechanisms of oxidative destruction of bio-polymers by the enzyme. Great attention is devoted to the carbohydrate depolymerization by HOC1 (the main product of myeloperoxidase catalysis).
Литература
I. КокряковВ. H. Биология антибиотиков животного происхождения. СПб., 1999. 2. Никитин Н. И. Химия древ'есины и целлюлозы. М.; Л., 1962. С. 159-173. 3. Степаненко Б. И. Химия и биохимия углеводов (полисахариды). М., 1978. 4. Янковский О. Ю. Токсичность кислорода и биологические системы. СПб.. 2000. 5. Blum L. The production of bleached kraft pulp. 1996 (Paper Task Force report): http://www.edf.org/pubs/Reports/ptf/index.html. 6. Reeve D. W. Introduction to the Principles and Practice of Pulp Bleaching // Pulp Bleaching; Principles and Practice / Ed. by C. W. Dence, D. W. Reeve.Sect. 1, Ch. 1. Atlanta. 1996a. P. 2-24. 7. Reeve D. W. Chlorine Dioxide in Bleaching Stages // Pulp Bleaching: Principles and Practice / Ed. by C. W. Dence, D. W. Reeve. Sect. 4. Ch. 8. Atlanta, 1996b. P. 379-394.
Статья поступила в редакцию 18 марта 2004 г.
