БИОХИМИЯ, 2020, том 85, вып. 6, с. 783–795

УДК 577.117; 541.515; 678.048

Оммохромы сложного глаза насекомых: физико-химические свойства и антиоксидантная активность*

© 2020 А.Е. Донцов 1, Н.Л. Сакина 1, М.А. Яковлева 1, А.И. Бастраков 2, И.Г. Бастракова 3, А.А. Загоринский 4, Н.А. Ушакова 2, Т.Б. Фельдман 1,5, М.А. Островский 1,5**

ФГБУН Институт биохимической физики им. Н.М. Эмануэля РАН, 119334 Москва, Россия; электронная почта: ostrovsky3535@mail.ru

ФГБУН Институт проблем экологии и эволюции им. А.Н. Северцова РАН, 119071 Москва, Россия

ФБУ ВНИИ лесоводства и механизации лесного хозяйства, 141200 Пушкино, Московская обл., Россия

ФБУ Рослесозащита, 141202 Пушкино, Московская обл., Россия

Московский государственный университет имени М.В. Ломоносова, 119991 Москва, Россия

Поступила в редакцию 01.04.2020
После доработки 05.05.2020
Принята к публикации 08.05.2020

DOI: 10.31857/S0320972520060044

КЛЮЧЕВЫЕ СЛОВА: оммохромы, насекомые, ЭПР спектрометрия, флуоресценция, антиоксидантная активность.

Аннотация

Цель работы – скрининг и сравнительное исследование антиоксидантных свойств оммохромов сложного глаза насекомых. Оммохромы были выделены в препаративных количествах из насекомых пяти различных семейств: Stratiomyidae, Sphingidae, Blaberidae, Acrididae и Tenebrionidae. Количественный выход оммохромов в зависимости от вида насекомого составил 0,9–5,4% сухого веса пигмента от влажного веса исходного сырья. Методом высокоэффективной жидкостной хроматографии был проведен качественный анализ всех изолированных оммохромов. Показано, что эти пигменты представляют собой смесь нескольких оммохромов омматинового типа. Оммохромы, выделенные из всех перечисленных видов животных, проявляют выраженную флуоресценцию с максимумами эмиссии в области 435–450 нм и 520–535 нм, причем интенсивность эмиссионного максимума значительно возрастает при окислении оммохромов пероксидом водорода. Установлено, что оммохромы имеют стабильный сигнал ЭПР, представляющий собой синглетную линию с величиной g = 2,0045–2,0048, шириной 1,20–1,27 мТ и высокой концентрацией парамагнитных центров (> 1017 спин/г сухого веса). Все исследованные оммохромы проявляют высокую антирадикальную активность, измеряемую по степени тушения хемилюминесценции в модельной системе окисления, содержащей люминол, гемоглобин и пероксид водорода. Оммохромы проявляли высокую ингибирующую активность в отношении пероксидации наружных сегментов фоторецепторных клеток, индуцированную видимым светом в присутствии в качестве сенсибилизатора липофусциновых гранул из клеток ретинального пигментного эпителия глаза человека, а также в отношении железо-аскорбат-индуцированной пероксидации липидов. Полученные результаты важны как для понимания биологической функции оммохромов у беспозвоночных, так и для выявления тех видов беспозвоночных, оммохромы которых можно было бы наиболее эффективно использовать как фармакологические препараты, главным образом, для предотвращения и лечения патологий, связанных с развитием окислительного стресса.

Сноски

* Первоначально английский вариант рукописи опубликован на сайте «Biochemistry» (Moscow) http://protein.bio.msu.ru/ biokhimiya, в рубрике «Papers in Press», BM20-084, 29.05.2020.

** Адресат для корреспонденции.

Финансирование

Работа выполнена при финансовой поддержке РФФИ (грант № 19-04-00411).

Конфликт интересов

Авторы заявляют об отсутствии конфликта интересов.

Соблюдение этических норм

Содержание и эксперименты с животными были выполнены в соответствии с Правилами лабораторной практики Российской Федерации (приказ МЗ РФ № 708н от 23-08.2010).

Список литературы

1. Butenandt, A., and Schafer, W. (1962) Recent Progress in the Chemistry of Natural and Synthetic Coloring Matters and Related Fields (Gore, T. S., Joshi, B. S., Sunthankar, S. V., and Tilak, B. D., eds.) Academic Press, NY, USA, pp. 13-34, doi: 10.1177/004051756303300710.

2. Figon, F., and Casas, J. (2019) Ommochromes in invertebrates: biochemistry and cell biology, Biol. Rev. Camb. Philos. Soc., 94, 156-183, doi: 10.1111/brv.12441.

3. Riou, M., and Christides, J.-P. (2010) Cryptic color change in a crab spider (Misumena vatia): Identification and quantification of precursors and ommochrome pigments by HPLC, J. Chem. Ecol., 36, 412-423, doi: 10.1007/s10886-010-9765-7.

4. Stavenga, D. G., Leertouwer, H. L., and Wilts, B. D. (2014) Coloration principles of nymphaline butterflies – thin films, melanin, ommochromes and wing scale stacking, J. Exp. Biol., 217, 2171-2180, doi: 10.1242/jeb.098673.

5. Panettieri, S., Gjinaj, E., John, G., and Lohman, D. J. (2018) Different ommochrome pigment mixtures enable sexually dimorphic Batesian mimicry in disjunct populations of the common palmfly butterfly, Elymnias hypermnestra, PLoS One, 13, e0202465, doi: 10.1371/journal.pone.0202465.

6. Dontsov, A. E., Fedorovich, I. B., Lindström, M., and Ostrovsky, M. A. (1999) Comparative study of spectral and antioxidant properties of pigments from the eyes of two Mysis relicta (Crustacea, Mysidacea) populations, with different light damage resistance, J. Compar. Physiol. B, 169, 157-164, doi: 10.1007/s003600050206.

7. Грибакин Ф. Г. (1981) Механизмы фоторецепции насекомых, Наука, Л., с. 214.

8. Островский М. А., Зак П. П., Донцов А. Е. (2018) Меланосомы глаза позвоночных и оммохромы глаза беспозвоночных как экранирующие клеточные органеллы, Известия РАН Сер. Биол., 6, 658-668, doi: 10.1134/S0002332918060103.

9. Ostrovsky, M. A., Sakina, N. L., and Dontsov, A. E. (1987) An antioxidative role of ocular screening pigments, Vis. Res., 27, 893-899, doi: 10.1016/0042-6989(87)90005-8.

10. Insausti, T. C., LeGall, M., and Lazzari, C. R. (2013) Oxidative stress, photodamage and the role of screening pigments in insect eyes, J. Exp. Biol., 216, 3200-3207, doi: 10.1242/jeb.082818.

11. Островский М. А., Донцов А. Е. (2019) Меланосомы глаза позвоночных и оммохромы глаза беспозвоночных как антиоксидантные клеточные органеллы, Известия РАН Сер. Биол., 1, 95-108, doi: 10.1134/S0002332919010089.

12. Ushakova, N., Dontsov, A., Sakina, N., Bastrakov, A., and Ostrovsky, M. (2019) Antioxidative properties of melanins and ommochromes from black soldier fly Hermetia illucens, Biomolecule, 9, 408, doi: 10.3390/biom9090408.

13. Stowe, S. (1983) Phagocytosis of rhabdomeral membrane by crab photoreceptors, Cell Tissue Res., 234, 463-467, doi: 10.1007/BF00213782.

14. Фельдман Т. Б., Донцов А. Е., Яковлева М. А., Федорович И. Б., Линдстрем М., Доннер К., Островский М. А. (2008) Сравнение систем антиоксидантной защиты в глазах двух популяций креветок Mysis relicta (Crustacea: Mysidacea), отличающихся по их устойчивости к фотоповреждению, Сенсорные системы, 22, 309-316.

15. Romero, Y., and Martinez, A. (2015) Antiradical capacity of ommochromes, J. Mol. Model., 21, 220, doi: 10.1007/s00894-015-2773-3.

16. Zhuravlev, A. V., Zakharov, G. A., Shchegolev, B. F., and Savvateeva-Popova, E. V. (2016) Antioxidant properties of kynurenines: density functional theory calculations, PLoS Comput. Biol., 12, e1005213, doi: 10.1371/journal.pcbi.1005213.

17. Farmer, L. A., Haidasz, E. A., Griesser, M., and Pratt, D. A. (2017) Phenoxazine: a privileged scaffold for radical-trapping antioxidants, J. Org. Chem., 82, 10523-10536, doi: 10.1021/acs.joc.7b02025.

18. Егоров С. Ю., Красновский А. А., Донцов А. Е., Островский М. А. (1987) Тушение синглетного молекулярного кислорода экранирующими пигментами – меланинами и оммохромами, Биофизика, 32, 685-687.

19. Егоров С. Ю., Бабижаев М. А., Красновский А. А., Шведова А. А. (1987) Фотосенсибилизированная генерация синглетного молекулярного кислорода эндогенными фотосенсибилизаторами хрусталика глаза человека, Биофизика, 32, 169-171.

20. Снытникова О. А., Шерин П. С., Копылова Л. В., Центалович Ю. П. (2007) Кинетика и механизм реакции фотовозбужденного кинуренина с молекулами биологических соединений, Известия РАН. Сер. Хим., 4, 704-710, doi: 10.1007/s11172-007-0109-x.

21. Tsentalovich, Y. P., Snytnikova, O. A., Sherin, P. S., and Forbes, M. D. (2005) Photochemistry of kynurenine, a tryptophan metabolite: properties of the triplet state, J. Phys. Chem. A, 109, 3565-3568, doi: 10.1021/jp045142k.

22. Донцов А. Е., Ушакова Н. А., Садыкова В. С., Бастраков А. И. (2020) Оммохромы Hermetia illucens: получение, исследование антиоксидантных характеристик и антимикробной активности, Прикл. Биохим. Микробиол., 56, 90-95, doi: 10.31857/S0555109920010043.

23. Смирнов Л. Д., Кузнецов Ю. В., Проскуряков С. Я., Скворцов В. Г., Носко Т. Н., Донцов А. Е. (2011) Антирадикальная и NO-ингибирующая активность β-гидрокси(этокси) производных азотистых гетероциклов, Биофизика, 56, 316-321, doi: 10.1134/S000635091102028X.

24. Донцов А. Е., Сакина Н. Л., Островский М. А. (2017) Потеря меланина клетками РПЭ глаза связана с его окислительной деструкцией в составе меланолипофусциновых гранул, Биохимия, 82, 8, 1188-1198, doi: 10.1134/S0006297917080065.

25. Mc Dowell, J. H. (1993) Preparing rod outer segment membranes, regenerating rhodopsin, and determining rhodopsin concentration, in: Methods in Neurosciences (Hargrave, P. A., ed) Acad. Press, New York, 15, pp. 123-130, doi: 10.1016/B978-0-12-185279-5.50013-3.

26. Li, J., Berntsen, B. T., and James, A. A. (1999) Oxidation of 3-hydroxykynurenine to produce xanthommatin for eye pigmentation: a major branch pathway of tryptophan catabolism during pupal development in the yellow fever mosquito, Aedes aegypti, Bioch. Mol. Biol., 29, 329–338, doi: 10.1016/s0965-1748(99)00007-7.

27. Теселкин Ю. О., Бабенкова И. В., Любицкий О. Б., Клебанов Г. И., Владимиров Ю. А. (1997) Измерение антиоксидантной активности плазмы крови в системе гемоглобин – пероксид водорода – люминол, Вопросы Мед. Химии, 43, 87-92.

28. Ottolenghi, A. (1959) Interaction of ascorbic acid and mitochondrial lipids, Arch. Biochem. Biophys., 7, 355–363, https://doi.org/10.1016/0003-9861(59)90414-X.

29. Figon, F., Munsch, T., Croix, C., Viaud-Massuard, M.-C., Lanoue, F., and Casas, J. (2019) Biological identification and localization of uncyclized xanthommatin, a key intermediate in ommochrome biosynthesis: an in vitroin vivo study, bioRxiv Preprint, doi: 10.1101/666529.

30. Martel, R. R., and Law, J. H. (1991) Purification and properties of an ommochrome-binding protein from the hemolymph of the tobacco hornworm, Manduca sexta, J. Biol. Chem., 266, 21392-21398.

31. Bolton, J. R. (1972) Experimental aspects of biological electron spin resonance studies, in Biological Application of Electron Spin Resonance (Swartz, H. M., Bolton, J. R., and Borg, D. C., eds.), Wiley (Interscience), NY, USA, 1972, p. 11.

32. Lhoste, J.-M., Haug, A., and Ptak, M. (1966) Electron paramagnetic resonance studies of photoselected triplet molecules. I. Phenoxazine, J. Chem. Phys., 44, 648-654, doi: 10.1063/1.1726739.

33. Bolognese, A., Bonomo, R. P., Chillemi, R., and Sciuto, S. (1990) Oxidation of 3-hydroxykynurenine. An EPR investigation, J. Heterocyclic Chem., 27, 2207-2208, doi: 10.1002/jhet.5570270762.

34. Ephrussi, B., and Herold, J. L. (1944) Studies of eye pigments of drosophila. I. Methods of extraction and quantitative estimation of the pigment components, Genetics, 39, 148-175.

35. Донцов А. Е., Коромыслова А. Д., Кузнецов Ю. В., Сакина Н. Л., Островский М. А. (2014) Антирадикальная и фотопротекторная активность оксибиола – нового водорастворимого антиоксиданта гетероароматического ряда, Известия РАН. Сер. Хим., 5, 1159-1163, doi: 10.1007/s11172-014-0565-z.

36. Becker, E. (1942) On the properties, distribution and the genetic developmental physiological significance of the pigments of the ommatin and ommin group (ommochromes) in arthropods, Mol. Gener. Genet., 80, 157-204, doi: 10.1007/BF01741981.