БИОХИМИЯ, 2019, том 84, вып. 6, с. 836–848

УДК 577.21

Индуцированное миелопероксидазой окисление альбумина и церулоплазмина: роль тирозина*

© 2019 И.И. Власова 1,2 **, А.В. Соколов 1,3,4, В.А. Костевич 1,3, Е.В. Михальчик 1, В.Б. Васильев 3,4

1 ФНКЦ физико-химической медицины ФМБА России, 119435 Москва, Россия; электронная почта: iivlasova08@gmail.com

2 Первый МГМУ им. Сеченова, Институт регенеративной медицины, 119998 Москва, Россия

3 ФГБНУ «Институт экспериментальной медицины», 197376 Санкт-Петербург, Россия

4 Санкт-Петербургский государственный университет, 199034 Санкт-Петербург, Россия

Поступила в редакцию 22.02.2019
После доработки 14.03.2019
Принята к публикации 14.03.2019

DOI: 10.1134/S0320972519060095

КЛЮЧЕВЫЕ СЛОВА: хлорноватистая кислота, феноксильные радикалы, окисление белков, флуоресценция триптофанов, агрегация белков.

Аннотация

Миелопероксидаза нейтрофилов (МПО) играет важную роль в защите организма от инфекций. Продукты МПО — гипогалоидные кислоты и феноксильные радикалы — являются сильными окислителями, которые могут повреждать не только чужеродные организмы, но и ткани хозяина, в том числе белки плазмы крови. В данной работе было проведено сравнение МПО-индуцированного окисления двух белков плазмы, обладающих антиоксидантными свойствами, — сывороточного альбумина человека (ЧСА) и церулоплазмина (ЦП). Инкубация обоих белков с гипохлоритом (NaOCl) или с каталитически активной МПО (MПO + H2O2), которая в присутствии ионов хлора синтезирует хлорноватистую кислоту (HOCl), приводила к тушению флуоресценции триптофанов белков. Изменения структуры ЧСА и ЦП были различные: высокая антиоксидантная емкость альбумина способствует нейтрализации окислителей, генерируемых МПО, без образования агрегатов белка, тогда как окисление ЦП приводит к образованию крупных агрегатов, формируемых за счет прочных ковалентных связей между ароматическими аминокислотными остатками. Тирозин присутствует в плазме крови в свободной форме или в составе аминокислотных последовательностей белков. Количество аминокислотных остатков тирозина в белке не является определяющим фактором для образования агрегатов. В случае окисления белков HOCl как экзогенной, так и продуцируемой МПО, образование агрегатов только в случае ЦП обусловлено в первую очередь высоким содержанием триптофанов в его полипептидной цепи. МПО-зависимое окисление свободной аминокислоты тирозина приводит к образованию тирозильных радикалов, которые не окисляли остатки ароматических аминокислот в белках благодаря высокой скорости рекомбинации с образованием дитирозинов. Показано, что cвободный тирозин может модулировать МПО-индуцированное окисление белков благодаря своей способности влиять на синтез HOCl в активном центре МПО.

Текст статьи

Пожалуйста, введите код, чтобы получить PDF файл с полным текстом статьи:

captcha

Сноски

* Первоначально английский вариант рукописи опубликован на сайте «Biochemistry» (Moscow) http://protein.bio.msu.ru/biokhimiya, в рубрике «Papers in Press», BM 19-048, 13.05.2019.

** Адресат для корреспонденции.

Финансирование

Исследование выполнено при финансовой поддержке Российского фонда фундаментальных исследований в рамках научного проекта 16-14-00873 и программы 5-100.

Конфликт интересов

Авторы заявляют об отсутствии конфликта интересов.

Соблюдение этических норм

Настоящая статья не содержит описания каких-либо исследований с использованием людей или животных в качестве объектов.

Список литературы

1. Arnhold, J. (2004) Free radicals – friends or foes? Properties, functions, and secretion of human myeloperoxidase, Biochemistry (Moscow), 69, 4–9, doi: 10.1023/B:BIRY.0000016344.59411.ee.

2. Davies, M.J., Hawkins, C.L., Pattison, D.I., and Rees, M.D. (2008) Mammalian heme peroxidases: from molecular mechanisms to health implications, Antioxid. Redox Signal., 10, 1199–1234, doi: 10.1089/ars.2007.1927.

3. Arnhold, J., Furtmuller, P.G., and Obinger, C. (2003) Redox properties of myeloperoxidase, Redox Rep., 8, 179–186, doi: 10.1179/135100003225002664.

4. Furtmuller, P.G., Burner, U., Jantschko, W., Regelsberger, G., and Obinger, C. (2000) Two-electron reduction and one-electron oxidation of organic hydroperoxides by human myeloperoxidase, FEBS Lett., 484, 139–143, doi: 10.1016/S0014-5793(00)02143-8.

5. Kirchner, T., Flemmig, J., Furtmuller, P.G., Obinger, C., and Arnhold, J. (2010) (–)-Epicatechin enhances the chlorinating activity of human myeloperoxidase, Arch. Biochem. Biophys., 495, 21–27, doi: 10.1016/j.abb.2009.12.013.

6. Flemmig, J., Remmler, J., Rohring, F., and Arnhold, J. (2014) (–)-Epicatechin regenerates the chlorinating activity of myeloperoxidase in vitro and in neutrophil granulocytes, J. Inorg. Biochem., 130, 84–91, doi: 10.1016/j.jinorgbio.2013.10.002.

7. Vlasova, I.I., Sokolov, A.V., and Arnhold, J. (2012) The free amino acid tyrosine enhances the chlorinating activity of human myeloperoxidase, J. Inorg. Biochem., 106, 76–83, doi: 10.1016/j.jinorgbio.2011.09.018.

8. Tzikas, S., Schlak, D., Sopova, K., Gatsiou, A., Stakos, D., Stamatelopoulos, K., Stellos, K., and Laske, C. (2014) Increased myeloperoxidase plasma levels in patients with Alzheimer’s disease, J. Alzheimer’s Dis., 39, 557–564, doi: 10.3233/JAD-131469.

9. Baldus, S., Heeschen, C., Meinertz, T., Zeiher, A.M., Eiserich, J.P., Munzel, T., Simoons, M.L., and Hamm, C.W. (2003) Myeloperoxidase serum levels predict risk in patients with acute coronary syndromes, Circulation, 108, 1440–1445, doi: 10.1161/01.CIR.0000090690.67322.51.

10. Vlasova, I.I., Arnhold, J., Osipov, A.N., and Panasenko, O.M. (2006) pH-Dependent regulation of myeloperoxidase activity, Biochemistry (Moscow), 71, 667-677, doi: 10.1134/S0006297906060113.

11. Furtmuller, P.G., Zederbauer, M., Jantschko, W., Helm, J., Bogner, M., Jakopitsch, C., and Obinger, C. (2006) Active site structure and catalytic mechanisms of human peroxidases, Arch. Biochem. Biophys., 445, 199–213, doi: 10.1016/j.abb.2005.09.017.

12. Ramos, D.R., Garcia, M.V., Canle L.M., Santaballa, J.A., Furtmuller, P.G., and Obinger, C. (2008) Myeloperoxidase-catalyzed chlorination: the quest for the active species, J. Inorg. Biochem., 102, 1300–1311, doi: 10.1016/j.jinorgbio.2008.01.003.

13. Zhang, R., Brennan, M.L., Shen, Z., MacPherson, J.C., Schmitt, D., Molenda, C.E., and Hazen, S.L. (2002) Myeloperoxidase functions as a major enzymatic catalyst for initiation of lipid peroxidation at sites of inflammation, J. Biol. Chem., 277, 46116–46122, doi: 10.1074/jbc.M209124200.

14. Vlasova, I.I., Feng, W.-H., Goff, J.P., Giorgianni, A., Do, D., Gollin, S.M., Lewis, D.W., Kagan, V.E., and Yalowich, J.C. (2011) Myeloperoxidase-dependent oxidation of etoposide in human myeloid progenitor CD34+ cells, Mol. Pharmacol., 79, 479–487, doi: 10.1124/mol.110.068718.

15. Jantschko, W., Furtmuller, P.G., Zederbauer, M., Neugschwandtner, K., Lehner, I., Jakopitsch, C., Arnhold, J., and Obinger, C. (2005) Exploitation of the unusual thermodynamic properties of human myeloperoxidase in inhibitor design, Biochem. Pharmacol., 69, 1149–1157, doi: 10.1016/j.bcp.2005.02.006.

16. Pattison, D.I., and Davies, M.J. (2006) Reactions of myeloperoxidase-derived oxidants with biological substrates: gaining chemical insight into human inflammatory diseases, Curr. Med. Chem., 13, 3271–3290, doi: 10.2174/092986706778773095.

17. Senthilmohan, R., and Kettle, A.J. (2006) Bromination and chlorination reactions of myeloperoxidase at physiological concentrations of bromide and chloride, Arch. Biochem. Biophys., 445, 235–244, doi: 10.1016/j.abb.2005.07.005.

18. Brennan, M.L., and Hazen, S.L. (2003) Amino acid and protein oxidation in cardiovascular disease, Amino Acids, 25, 365–374, doi: 10.1007/s00726-003-0023-y.

19. Shao, B., Tang, C., Sinha, A., Mayer, P.S., Davenport, G.D., Brot, N., Oda, M.N., Zhao, X.Q., and Heinecke, J.W. (2014) Humans with atherosclerosis have impaired ABCA1 cholesterol efflux and enhanced high-density lipoprotein oxidation by myeloperoxidase, Circ. Res., 114, 1733–1742, doi: 10.1161/circresaha.114.303454.

20. Arnhold, J., Hammerschmidt, S., Wagner, M., Mueller, S., Arnold, K., and Grimm, E. (1990) On the action of hypochlorite on human serum albumin, Biomed. Biochim. Acta, 49, 991–997.

21. Colombo, G., Clerici, M., Altomare, A., Rusconi, F., Giustarini, D., Portinaro, N., Garavaglia, M.L., Rossi, R., Dalle-Donne, I., and Milzani, A. (2017) Thiol oxidation and di-tyrosine formation in human plasma proteins induced by inflammatory concentrations of hypochlorous acid, J. Proteomics, 152, 22–32, doi: 10.1016/j.jprot.2016.10.008.

22. Colombo, G., Reggiani, F., Cucchiari, D., Portinaro, N.M., Giustarini, D., Rossi, R., Garavaglia, M.L., Saino, N., Milzani, A., Badalamenti, S., and Dalle-Donne, I. (2017) Plasma protein-bound di-tyrosines as biomarkers of oxidative stress in end stage renal disease patients on maintenance haemodialysis, BBA Clin., 7, 55–63, doi: 10.1016/j.bbacli.2016.12.004.

23. Meotti, F.C., Jameson, G.N.L., Turner, R., Harwood, D.T., Stockwell, S., Rees, M.D., Thomas, S.R., and Kettle, A.J. (2011) Urate as a physiological substrate for myeloperoxidase: Implications for hyperuricemia and inflammation, J. Biol. Chem., 286, 12901–12911 doi: 10.1074/jbc.M110.172460.

24. Salavej, P., Spalteholz, H., and Arnhold, J. (2006) Modification of amino acid residues in human serum albumin by myeloperoxidase, Free Radic. Biol. Med., 40, 516–525, doi: 10.1016/j.freeradbiomed.2005.09.007.

25. Carr, A.C., McCall, M.R., and Frei, B. (2000) Oxidation of LDL by myeloperoxidase and reactive nitrogen species: reaction pathways and antioxidant protection, Arterioscler. Thromb. Vasc. Biol., 20, 1716–1723, doi: 0.1161/01.ATV.20.7.1716.

26. Dobretsov, G.E., Syrejshchikova, T.I., Smolina, N.V., and Uzbekov M.V. (2015) CAPIDAN, a fluorescent reporter for detection of albumin drug-binding site changes, in Human serum albumin (HSA) (Stokes, T., ed.), Nova Science Publisher Inc., 129–171.

27. Colombo, G., Clerici, M., Giustarini, D., Rossi, R., Milzani, A., and Dalle-Donne, I. (2012) Redox albuminomics: oxidized albumin in human diseases, Antioxid. Redox Signal., 17, 1515–1527, doi: 10.1089/ars.2012.4702.

28. Созарукова М.М., Проскурнина Е.В., Владимиров Ю.А. (2016) Сывороточный альбумин как источник и мишень свободных радикалов в патологии 56–61, Бюллетень РГМУ, 1, 56–60.

29. Torres, M.J., Turell, L., Botti, H., Antmann, L., and Carballal, S. (2012) Modulation of the reactivity of the thiol of human serum albumin and its sulfenic derivative by fatty acids, Arch. Biochem. Biophys., 521, 102–110, doi: 10.1016/j.abb.2012.03.011.

30. Tiruppathi, C., Naqvi, T., Wu, Y., Vogel, S.M., Minshall, R.D., and Malik, A.B. (2004) Albumin mediates the transcytosis of myeloperoxidase by means of caveolae in endothelial cells, Proc. Natl. Acad. Sci., 101, 7699–7704, doi: 10.1073/pnas.0401712101.

31. Atanasiu, R.L., Stea, D., Mateescu, M.A, Vergely, C., Dalloz, F., Briot, F., Maupoil, V., Nadeau, R., and Rochette, L. (1998) Direct evidence of caeruloplasmin antioxidant properties, Mol. Cell. Biochem., 189, 127–135, doi: 10.1023/A:1006945713860.

32. Barinov, N.A., Vlasova, I.I., Sokolov, A.V., Kostevich, V.A., Dubrovin, E.V., and Klinov, D.V. (2018) High-resolution atomic force microscopy visualization of metalloproteins and their complexes, Biochim. Biophys. Acta, 1862, 2862–2868, doi: 10.1016/j.bbagen.2018.09.008.

33. Sokolov, A., Ageeva, K., Pulina, M., Cherkalina, O., Samygina, V., Vlasova, I.I., Panasenko, O., Zakharova, E., and Vasilyev, V. (2008) Ceruloplasmin and myeloperoxidase in complex affect the enzymatic properties of each other, Free Radic. Res., 42, 989–998, doi: 10.1080/10715760802566574.

34. Griffin, S.V., Chapman, P.T., Lianos, E.A., and Lockwood, C.M. (1999) The inhibition of myeloperoxidase by ceruloplasmin can be reversed by anti-myeloperoxidase antibodies, Kidney Int., 55, 917–925, doi: 10.1046/j.1523-1755.1999.055003917.x.

35. Park, Y.S., Suzuki, K., Mumby, S., Taniguchi, N., and Gutteridge, J.M. (2000) Antioxidant binding of caeruloplasmin to myeloperoxidase: myeloperoxidase is inhibited, but oxidase, peroxidase and immunoreactive properties of caeruloplasmin remain intact, Free Radic. Res., 33, 261–265, doi: https://doi.org/10.1080/10715760000301421.

36. Chapman, A.L.P., Mocatta, T.J., Shiva, S., Seidel, A., Chen, B., Khalilova, I., Paumann-Page, M.E., Jameson, G.N.L., Winterbourn, C.C., and Kettle, A.J. (2013) Ceruloplasmin is an endogenous inhibitor of myeloperoxidase, J. Biol. Chem., 288, 6465–6477, doi: 10.1074/jbc.M112.418970.

37. Segelmark, M., Persson, B., Hellmark, T., and Wieslander, J. (1997) Binding and inhibition of myeloperoxidase (MPO): a major function of ceruloplasmin? Clin. Exp. Immunol., 108, 167–174, doi: 10.1046/j.1365-2249.1997.d01-992.x.

38. Sokolov, A.V., Pulina, M.O., Ageeva, K.V., Ayrapetov, M.I., Berlov, M.N., Volgin, G.N., Markov, A.G., Yablonsky, P.K., Kolodkin, N.I., Zakharova, E.T., and Vasilyev, V.B. (2007) Interaction of ceruloplasmin, lactoferrin, and myeloperoxidase, Biochemistry (Moscow), 72, 409–415, doi: 10.1134/S0006297907040074.

39. Sokolov, A.V., Kostevich, V.A., Romanico, D.N., Zakharova, E.T., and Vasilyev, V.B. (2012) Two-stage method for purification of ceruloplasmin based on its interaction with neomycin, Biochemistry (Moscow), 77, 631–638, doi: 10.1134/S0006297912060107.

40. Marquez, L.A., and Dunford, H.B. (1995) Kinetics of oxidation of tyrosine and dityrosine by myeloperoxidase compounds I and II, J. Biol. Chem., 270, 30434–30440, doi: 10.1074/jbc.270.51.30434.

41. Pfeiffer, S., Schmidt, K., and Mayer, B. (2000) Dityrosine formation outcompetes tyrosine nitration at low steady-state concentrations of peroxynitrite: implications for tyrosine modification by nitric oxide/superoxide in vivo, J. Biol. Chem., 275, 6346–6352, doi: 10.1074/jbc.275.9.6346.

42. Sokolov, A.V., Kostevich, V.A., Varfolomeeva, E.Y., Grigorieva, D.V., Gorudko, I.V., Kozlov, S.O., Kudryavtsev, I.V., Mikhalchik, E.V., Filatov, M.V., Cherenkevich, S.N., Panasenko, O.M., Arnhold, J., and Vasilyev, V.B. (2018) Capacity of ceruloplasmin to scavenge products of the respiratory burst of neutrophils is not altered by the products of reactions catalyzed by myeloperoxidase, Biochem. Cell Biol., 96, 457–467, doi: 10.1139/bcb-2017-0277.

43. Panasenko, O.M., Chekanov, A.V., Vlasova, I.I., Sokolov, A.V., Ageeva, K.V., Pulina, M.O., Cherkalina, O.S., and Vasil’ev, V.B. (2008) Influence of ceruloplasmin and lactoferrin on the chlorination activity of leukocyte myeloperoxidase assayed by chemiluminescence, Biophysics, 53, 268–272, doi: 10.1134/S0006350908040052.

44. Green, P.S., Mendez, A.J., Jacob, J.S., Crowley, J.R., Growdon, W., Hyman, B.T., and Heinecke, J.W. (2004) Neuronal expression of myeloperoxidase is increased in Alzheimer’s disease, J. Neurochem., 90, 724–733, doi: 10.1111/j.1471-4159.2004.02527.x.

45. Malle, E., Buch, T., and Grone, H.-J. (2003) Myeloperoxidase in kidney disease, Kidney Int., 64, 1956–67, doi: 10.1046/j.1523-1755.2003.00336.x.

46. Aouffen, M., Paquin, J., Furtos, A., Waldron, K.C., and Mateescu, M.-A. (2004) Oxidative aggregation of ceruloplasmin induced by hydrogen peroxide is prevented by pyruvate, Free Radic. Res., 38, 19–26, doi: 10.1080/10715760310001624079.

47. Samygina, V.R., Sokolov, A.V., Bourenkov, G., Petoukhov, M.V., Pulina, M.O., Zakharova, E.T., Vasilyev, V.B., Bartunik, H., and Svergun, D.I. (2013) Ceruloplasmin: macromolecular assemblies with iron-containing acute phase proteins, PLoS One, 8, e67145, doi: 10.1371/journal.pone.0067145.

48. Kapralov, A., Vlasova, I.I., Feng, W., Maeda, A., Walson, K., Tyurin, V.A., Huang, Z., Aneja, R.K., Carcillo, J., Bayir, H., and Kagan, V.E. (2009) Peroxidase activity of hemoglobin–haptoglobin complexes. Covalent aggreation and oxidative stress in plasma and macrophages, J. Biol. Chem., 284, 30395–30407, doi: 10.1074/jbc.M109.045567.

49. Anraku, M., Yamasaki, K., Maruyama, T., Kragh-Hansen, U., and Otagiri, M. (2001) Effect of oxidative stress on the structure and function of human serum albumin, Pharm. Res., 18, 632–639, doi: 10.1023/A:1011029226072.

50. Hawkins, C.L., Pattison, D.I., and Davies, M.J. (2003) Hypochlorite-induced oxidation of amino acids, peptides and proteins, Amino Acids, 25, 259–274, doi: 10.1007/s00726-003-0016-x.

51. Potsch, S., Lendzian, F., Ingemarson, R., Hornberg, A., Thelander, L., Lubitz, W., Lassmann, G., and Graslund, A. (1999) The iron-oxygen reconstitution reaction in protein R2-Tyr-177 mutants of mouse ribonucleotide reductase: EPR and electron nuclear double resonance studies on a new transient tryptophan radical, J. Biol. Chem., 274, 17696–17704, doi: 10.1074/jbc.274.25.17696.

52. Carvalho, L.C., Estevao, M.S., Ferreira, L.M., Fernandes, E., and Marques, M.M.B. (2010) A new insight on the hypochlorous acid scavenging mechanism of tryptamine and tryptophan derivatives, Bioorg. Med. Chem. Lett., 20, 6475–6478, doi: 10.1016/j.bmcl.2010.09.067.

53. Polimova, A.M., Vladimirova, G.A., Proskurnina, E.V., and Vladimirov, Y.A. (2011) Aromatic amino acid oxidation products as antioxidants, Biophysics, 56, 585–589, doi: 10.1134/S000635091104021X.

54. Carroll, L., Pattison, D.I., Davies, J.B., Anderson, R.F., Lopez-Alarcon, C., and Davies, M.J. (2018) Superoxide radicals react with peptide-derived tryptophan radicals with very high rate constants to give hydroperoxides as major products, Free Radic. Biol. Med., 118, 126–136, doi: 10.1016/j.freeradbiomed.2018.02.033.

55. Ogasawara, Y., Namai, T., Togawa, T., and Ishii, K. (2006) Formation of albumin dimers induced by exposure to peroxides in human plasma: a possible biomarker for oxidative stress, Biochem. Biophys. Res. Commun., 340, 353–358, doi: 10.1016/j.bbrc.2005.11.183.

56. Annibal, A., Colombo, G., Milzani, A., Dalle-Donne, I., Fedorova, M., and Hoffmann, R. (2016) Identification of dityrosine cross-linked sites in oxidized human serum albumin, J. Chromatogr. B Anal. Technol. Biomed. Life Sci., 1019, 147–155, doi: 10.1016/j.jchromb.2015.12.022.

57. Colombo, G., Clerici, M., Giustarini, D., Portinaro, N., Badalamenti, S., Rossi, R., Milzani, A., and Dalle-Donne, I. (2015) A central role for intermolecular dityrosine cross-linking of fibrinogen in high molecular weight advanced oxidation protein product (AOPP) formation, Biochim. Biophys. Acta, 1850, 1–12, doi: 10.1016/j.bbagen.2014.09.024.