CC BY
74
ЕСТЕСТВЕННЫЕ НАУКИ
УДК [547.979.733:612.111] 547.1' 13
Е. М. Лагутина, Д. А. Храмов, М. Н. Коляда*, Н. Т. Берберова*
Астраханский государственный технический университет Южный научный центр РАН Ростов-на-Дону
ВЛИЯНИЕ ТРИМЕТИЛОЛОВОХЛОРИДА НА РАЗЛОЖЕНИЕ ПЕРОКСИДА ВОДОРОДА В ПРИСУТСТВИИ ГЕМИНА
Введение
Самым токсичным из метильных производных олова является триметилоловохлорид (ТМОХ), который имеет не только антропогенное происхождение - он может образовываться в окружающей среде в результате многочисленных реакций биохимического метилирования [1]. Согласно последним исследованиям, определенный вклад в токсичность соединений триалкил-олова вносит развитие неконтролируемого окислительного стресса, когда нарушается баланс прооксиданты - антиоксиданты [2-6]. Как известно, главную роль в образовании таких реакционноспособных частиц, как активные формы кислорода (АФК), играют гемсодержащие белки, в состав небелковой части которых входит комплекс железа с протопорфирином IX - химическим предшественником всех природных порфиринов. Этот же комплекс входит в состав ферментов-антиоксидантов - каталазы, пероксидазы, которые предотвращают разрушительное действие АФК. Каталитически активной группой, входящей в состав активного центра этих высокомолекулярных антиоксидантов, является гемин, содержащий трехвалентное железо. Лиганд-связывающая и электронтранспортная активность гемпротеидов определяется электронной и атомной структурой именно небелковой части. В связи с этим представляется важным исследовать влияние триметилоловохлорида на гемин - железо(Ш) протопорфирин IX.
Постановка задачи
Для рассмотрения механизма токсического действия оловоорганических соединений на природные железопорфирины исследовали влияние одного из самых токсичных органических производных олова - триметилоловохлорида (СИ3)38иС1 на скорость реакции разложения перекиси водорода в присутствии гемина (железо(Ш) протопорфирин IX) - простетической группы гемпротеидов в модельной системе.
Экспериментальная часть
Рассматриваемая модельная система включает в себя железо(Ш) протопорфирин IX -макроциклическое комплексное соединение, относящееся к классу металлопорфиринов. В гомогенной системе было изучено влияние добавок токсиканта на каталитическую активность геми-на в реакции разложения пероксида водорода. Для сравнения в сопоставимых условиях изучено влияние добавок ТМОХ на кинетику разложения Н2О2 без катализатора, а также в присутствии нитрата железа(Ш).
Процесс проводился при постоянном перемешивании при температуре 343 К и атмосферном давлении в системе ДМСО-КОН-Н2О для гемина, в системе КОН-Н2О - для нитрата железа (III). При проведении реакции водный раствор пероксида водорода (30 %) добавляли в готовый раствор КОН и гемина в ДМСО. Концентрации Н2О2, КОН и гемина варьировали в пределах 2,6-4, 0,020-0,025 и (1-3,5)-10" моль/л соответственно. Концентрацию токсиканта варьиро-
Работа выполнена при поддержке программы ОНЗ РАН «Развитие технологий мониторинга, экосистемное моделирование и прогнозирование при изучении природных ресурсов в условиях аридного климата», программы ОБН РАН «Биологические ресурсы России: Фундаментальные основы рационального использования», РФФИ (грант № 07-03-96602- р_поволжье_а).
вали в пределах (2,6-7,55)-10-4 М. Порядок внесения реактивов в случае добавки токсиканта таков: КОН, гемин, ТМОХ, Н2О2.
Скорость реакции определяли волюмометрически, измеряя объем выделившегося кислорода через 30 сек в течение 3 минут. Соотношение реагентов в рабочем растворе: Уно = 3,4 мл,
УКОн = 1,1 мл, УдМСО = 6,5 мл. Для изучения скорости разложения перекиси водорода в присутствии гемина применяли лабораторную установку, которая состоит из уравнительного сосуда, бюретки, наполненной водой, и реакционной колбы с исследуемой смесью. Реакционную колбу помещали в стакан с водой и контактным термометром, настроенным на заданную температуру. Внешний стакан помещали на магнитную мешалку и при постоянном перемешивании фиксировали объем выделившегося кислорода в зависимости от времени протекания реакции.
Результаты исследования и их обсуждение
В настоящей работе исследовалась каталазная активность гемина, который является каталитическим центром одного из антиоксидантных ферментов - каталазы (Н2О2 : Н2О2 - оксидоредук-таза, КФ 1.11.1.6), ускоряющей реакцию разложения пероксида водорода на кислород и воду.
2Н2О2 = 2Н2О + О2Т
Пероксид водорода занимает важное место в естественном круговороте кислорода - как в клетке, так и в окружающей среде [7]. Именно пероксид водорода служит молекулярным носителем АФК - предшественником свободных радикалов, участвует в процессах пероксидазно-го окисления различных доноров водорода.
Каталазную активность гемина, нитрата железа(Ш), а также влияние токсиканта на кинетику исследуемой реакции определяли по скорости каталитического разложения Н2О2 (Шнабл = = АУ/Ат) на начальных участках кинетических кривых (рис. 1).
Время, сек
Рис. 1. Кинетические кривые реакции разложения перекиси водорода:
1 - в присутствии гемина; 2 - без гемина;
КОН = 0,2 -10-2моль/л, Н2О2 = 3 моль/л, гемин = 1 -10-5 моль/л
В табл. 1 приведены экспериментальные значения скорости разложения Н2О2 (Ш) без катализатора и при различных концентрациях гемина и нитрата железа(Ш).
Таблица 1
Скорость разложения Н2О2 (№) при различных концентрациях гемина* и нитрата железа(111)**
Концентрация гемина, Ге^О3)3 105 М Скорость разложения Н2О2, млО2/мин, гемин Скорость разложения Н2О2, млО2/мин, Ге^Оз)з
Без катализатора 2,25 2,25
1,00 5,00 2,67
1,30 5,68 2,80
2,33 5,90 3,65
2,60 6,40 3,80
3,50 6,87 4,91
*Т = 343 К, КОН = 0,2 -10-2моль/л, гемин = 1-10-5 моль/л, ДМСО. **Т = 343 К, КОН = 0,2 -10-2моль/л, Ге(К03)3 = 1-10-5 моль/л, Н2О.
Согласно литературным данным, свободный порфирин не катализирует реакцию разложения пероксида водорода [8]. В присутствии гемина скорость исследуемой реакции в данных условиях возросла более чем в 2 раза. С повышением концентрации гемина скорость реакции разложения Н2О2 увеличивается.
Данная реакция имеет первый порядок по исследуемым катализаторам - наблюдается удовлетворительная линейная корреляция в координатах уравнения 1-го порядка. Известно, что реакция разложения перекиси водорода до Н2О и О2 при введении с систему ионов трехвалентного железа является классическим примером ион-радикальной цепной реакции в водном растворе. Разложение же перекиси водорода ферментом - каталазой не является цепным процессом. Согласно литературным данным [9], в ходе взаимодействия железопорфирина с Н2О2 образуется оксоферрилгем, являющийся столь же сильным окислителем, как О№:
порфирин-Ре(Ш) + Н202 ^ •порфирин-Ре(ГУ) = О + Н20
Таким образом, гемопротеиды, наряду с ионами свободного железа и их низкомолекулярными комплексами, играют важнейшую роль в развитии окислительного стресса в организме человека и животных.
Порядки реакции разложения пероксида водорода гемином по Н2О2, близкие к 1, определяли оптимизацией линейных зависимостей от логарифма концентрации пероксида водорода при условии постоянства концентраций остальных участников реакции (рис. 2).
1д С Н 2О2
Рис. 2. Зависимость логарифма скорости разложения Н2О2 от логарифма его концентрации: Н2О2 = 2,6-4 моль/л; КОН = 0,2 •10-2моль/л
Экспериментальные данные по изучению зависимости скорости каталитической реакции разложения Н2О2 (Ж) при различных концентрациях триметилоловохлорида представлены в табл. 2.
Таблица 2
Скорость разложения Н2О2 (^) гемином*, нитратом железа(ІІІ)** при различных концентрациях триметилоловохлорида
Концентрация ТМОХ 104 М Скорость разложения Н2О2, млО2/мин, гемин Скорость разложения Н2О2, млО2/мин, Ге^Оз)з
Без токсиканта 5,00 2,67
2,60 4,50 2,00
4,27 4,20 1,98
5,03 3,90 1,50
5,96 3,60 1,00
7,55 3,00 0,90
*Т = 343К, КОН = 0,2 -10"2моль/л; гемин = 1 • 10-5 моль/л, ДМСО. ** Т= 343К, КОН = 0,2 •10-2моль/л; Ге(К03)3 = 110-5 моль/л, Н2О.
В случае добавки токсиканта сохраняется первый порядок как по субстрату данной реакции, так и по используемым катализаторам.
Установлено, что с повышением концентрации триметилоловохлорида скорость реакции разложения Н2О2 исследуемыми катализаторами снижается. Наибольший эффект снижения скорости данной реакции наблюдается при использовании в качестве катализатора гемина.
Ранее нами спектрофотометрическим методом установлено отсутствие взаимодействия триметилоловохлорида с Н2О2 [10]. Действительно, в данной работе показано, что скорость разложения Н2О2 в присутствии данного токсиканта без добавки гемина практически совпадает со скоростью разложения Н2О2 без добавок.
Возможность взаимодействия гемина с триметилоловохлоридом исследовали спектрофотометрическим методом в ДМСО. Необходимо учитывать, что в ДМСО, который относится к числу полярных растворителей с сильно выраженными донорными свойствами, ион Ре(Ш) гемина координирует две молекулы растворителя [11], возможна также координация этого растворителя с триметилоловохлоридом.
Как известно, молекула ДМСО содержит два электронодонорных центра (атом кислорода и атом серы), но в координации к иону металла участвует лишь один из них. В противном случае образовался бы трехчленный цикл, который, как известно, неустойчив [12]. При взаимодействии с ионами оловоорганических соединений ДМСО, по-видимому, проявляет свойства жесткого основания и координируется к оловоорганическому катиону посредством атома кислорода.
Спектр гемина характеризуется интенсивной полосой поглощения при 260, 410 нм, а также максимумами в видимой области спектра: при 490 и 620 нм (рис. 4).
235 335 435 535 635
Длина волны, нм
Рис. 3. Спектры поглощения гемина в ДМСО: 1 - концентрация гемина 2,4 • 10-5М;
2 - гемин и триметилоловохлорид (концентрация (СЫ3)38иС1 2,4 • 10-5М);
3 - триметилоловохлорид в ДМСО
При добавлении хлорида триметилолова происходит уменьшение максимумов при 490 и 620 нм с одновременным образованием новых полос при 255, 355, 380, 605 нм. Изменения спектра гемина при добавлении ТМОХ, вероятно, указывают на взаимодействие данного токсиканта с гемином.
Заключение
Полученные экспериментальные данные свидетельствуют о снижении эффективности катализа гемином реакции разложения пероксида водорода в щелочной среде в присутствии добавки триметилоловохлорида. Таким образом, влияние данного токсиканта на гемпротеиды
ферментативного звена антиоксидантной защиты может быть связано с их действием на небелковую часть этих важных белков.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Craig P. J. The Biological Alckylation of Heavy Elements // Royal. Soc. Chem. - London, 1988. - P. 294.
2. Ali S. F., Lebel C. P., Bondy S. C. Reactive Oxygen Species Formation as a Biomarker of Methylmercury and Trimethylin Neurotoxicity // Neurotoxicology. - 1992. - Vol. 13, N 3. - P. 637-648.
3. Organic derivatives of mercury and tin as promoters of membrane lipid peroxidation / E. Milaeva, V. Petrosyan, N. Berberova et al. // Bioinorg. Chem. - 2004. - Vol. 2. - P. 10.
4. Ganther H. E. Modification of methylmercury toxicity and metabolism by selenium, and vitamin E: possible mechanisms. Environm. // Health Perspect. - 1978. - Vol. 25. - P. 71.
5. Mizuhashi S., Ikegaya Y., Matsuki N. Cytotoxicity of tributyltin in rat hippocampal slice cultures // Neuroscience Research. - 2000. - Vol. 38. - P. 35-42.
6. Sheng H., Enghild J. J., Bowler R. Effects of metalloporphyrin catalytic antioxidants in experimental brain ischemia // Free Radical Biology & Medicine. - 2002. - Vol. 33, N 7. - P. 947-961.
7. Скурлатов Ю. И., Штамм Е. В., Пурмаль А. П. Роль пероксида водорода в природной водной среде // Успехи химии. - 1991. - Т. 60. - С. 2373-2411.
8. Клюева М. Е. Координационная химия и реакционная способность смешанных ацидопорфириновых комплексов марганца в растворах: Автореф. дис. ... д-ра хим. наук. - Иваново, 2006. - 38 с.
9. Mechanisms of nitric oxide protection against tert-butyl hydroperoxide-induced cytotoxicity in NOS-transduced human erythroleukemia cells / J. C. Yalowich, N. V. Gorbunov, A. V. Kozlov et al. // Biochemistry. - 1999. - Vol. 38. - P. 1069-10698.
9. Влияние соединений ртути и олова на ферменты антиоксидантной защиты гемолизата эритроцитов крови / М. Н. Коляда, В. П. Осипова, Н. Т. Лимонова и др. // Вестн. Астрахан. гос. техн. ун-та. -2006. - № 6 (35). - С. 62-68.
10. Комплексообразование железо(Ш) протопорфирин IX с имидазолом в модельных системах / Т. Н. Кропачева, В. И. Корнев, А. В. Килин, А. В. Тимофеев // Вестн. Удмурт. гос. ун-та. - 2003. - С. 95-106.
11. Кукушкин Ю. Н. Диметилсульфоксид - важнейший апротонный растворитель // Соросовский образовательный журнал. - 1997. - № 9. - С. 54-59.
Получено 15.12.2006
THE INFLUENCE OF TRIMETHYLTIN CHLORIDE ON HYDROGEN PEROXIDE DECOMPOSITION IN THE PRESENCE OF HEMIN
E. M. Lagutina, D. A. Khramov, M. N. Kolyada, N. T. Berberova
The influence of the most toxic of methyl derivatives of tin - thrimethyltin chloride (CH3)3SnCl - on hemin catalase activity, was studied. Hemin is a catalytic centre of important hemproteids. It is established that the addition of this toxicant decreases the efficiency of hemin catalysis of hydrogen peroxide decomposition reaction in the alkaline media. Thereby, the toxic action of thrimethyltin chloride on hemproteids of antioxidative protection of fermentative section can be caused by their action on unprotein part of these important proteins, and it promotes the development of antioxidative stress in a living organism.
