БИОХИМИЯ, 2020, том 85, вып. 8, с. 1066–1079

УДК 577.151

Цинк как переключатель липоамиддегидрогеназы из сердца свиньи – предстационарная и стационарная кинетика диафоразной реакции*

© 2020 И.Г. Газарян 1,2,3,4, В.А. Щедрина 3, Н.Л. Клячко 3,5, A.A. Захарянц 4,6, С.В. Казаков 2, А.М. Браун 1**

1 Кафедра клеточной биологии и анатомии, Нью-Йоркский медицинский колледж, 10605 Нью-Йорк, США; электронная почта: abraham_brown@nymc.edu

2 Кафедра химии и физических наук, Дайсон колледж искусств и наук, Пейс университет, 10570 Нью-Йорк, США

3 Московский государственный университет имени М.В. Ломоносова, кафедра химической энзимологии, 119899 Москва, Россия

4 Институт биохимии имени А.Н. Баха, ФНИЦ «Основы биотехнологии» РАН, 119071 Москва, Россия

5 Тамбовский госудаственный университет имени Г.Р. Державина, 392000 Тамбов, Россия

6 Институт биоорганической химии имени академиков М.М. Шемякина и Ю.А. Овчинникова РАН, 117997 Москва, Россия

Поступила в редакцию 27.05.2020
После доработки 11.06.2020
Принята к публикации 14.06.2020

DOI: 10.31857/S0320972520080060

КЛЮЧЕВЫЕ СЛОВА: убихинон, 2,6-дихлофенолиндофенол, дурохинон, феррицианид, ферментативная кинетика, дигидролипоил-дегидрогеназа.

Аннотация

Повышение внутриклеточного уровня Zn2+ вследствие ишемии способствует смерти клетки, компроментируя функцию митохондрий. Zn2+ является дифференциальным регулятором митохондриальной липоамид-дегидрогеназы (LADH) в области физиологических концентраций (Ka = 0,1 мкM свободного цинка), ингибируя липоамид-дегидрогеназную и активируя NADH-дегидрогеназную активности. Данный эффект вызван координацией Zn2+ цистеинами активного центра LADH. Описан детальный кинетический механизм диафоразной (NADH-дегидрогеназной) реакции, катализируемой LADH из сердца свиньи, с использованием 2,6-дихлорфенолиндофенола (DCPIP) в качестве модельного акцептора электронов. Анаэробные эксперименты методом остановленной струи продемонстрировали, что двухэлектронно-восстановленная форма LADH в 15–25 раз менее активна по отношению к DCPIP, чем четырехэлектронная или Zn2+-связанная восстановленные формы LADH (константы скорости равны (6,5 ± 1,5)×103 M–1с–1, (9 ± 2)×104 M–1с–1 и (1,6 ± 0,5)×105 M–1с–1 соответственно). Стационарная кинетика для различных субстратов диафоразы показала, что Zn2+ ускоряет реакцию исключительно для двухэлектронных (дурохинон, DCPIP), но не одноэлектронных акцепторов (бензохинон, убихинон, феррицианид), что косвенно указывает на низкую электрон-донорную способность двухэлектронно-восстановленной формы LADH, доминирующей при низких уровнях NADH, по сравнению с четырехэлектронной или Zn2+-связанной формами восстановленного фермента. Полученные данные позволяют предположить, что связывание цинка тиолами активного центра превращает фермент из одноэлектронного в двухэлектронный донор. Такой переключатель, активируемый цинком, потенциально может изменить соотношение продуктов оксидазной активности LADH – супероксида и H2O2.

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», BM20-134, 20.07.2020.

** Адресат для корреспонденции.

Финансирование

Работа была выполнена при финансовой поддержке РФФИ (проекты 20-04-00921, 17-54-33027 и 18-29-09154).

Благодарности

Авторы глубоко признательны миссис Джилл Эшби и проф. Роджеру Н. Ф. Торнли (Великобритания) за неоценимую помощь в проведении анаэробных экспериментов методом остановленной струи.

Конфликт интересов

Авторы заявляют об отсутствии конфликта интересов.

Соблюдение этических норм

В данной работе не было исследований, в которых были использованы в качестве объектов люди или животные.

Список литературы

1. Koh, J.-Y., Suh, S. W., Gwag, B. J., He, Y. Y., Hsu, C. Y., and Choi, D. W. (1996) The role of zinc in selectiveneuronal death after transient global cerebral ischemia, Science, 272, 1013-1016, doi: 10.1126/science.272.5264.1013.

2. Choi, D. W., and Koh, J. Y. (1998) Zinc and brain injury, Ann. Rev. Neurosci., 21, 347-375, doi: 10.1146/annurev.neuro.21.1.347.

3. Sensi, S. L., Paoletti, P., Bush, A. I., and Sekler, I. (2009) Zinc in the physiology and pathology of the CNS, Nat. Rev. Neurosci., 10, 780-791, doi: 10.1038/nrn2734.

4. Shuttleworth, C. W., and Weiss, J. H. (2011) Zinc: new clues to diverse roles in brain ischemia, Trends Pharmacol. Sci., 32, 480-486, doi: 10.1016/j.tips.2011.04.001.

5. Skulachev, V. P., Christyakov, V. V., Jasaitis, A. A., and Smirnova, E. G. (1967) Inhibition of the respiratory chain by zinc ions, Biochem. Biophys. Res. Commun., 26, 1-6, doi: 10.1016/0006-291x(67)90242-2.

6. Sensi, S. L., Yin, H. Z., Carriedo, S. G., Rao, S. S., and Weiss, J. H. (1999) Preferential Zn2+ influx through Ca2+-permeable AMPA/kainate channels triggers prolonged mitochondrial superoxide production, Proc. Natl Acad. Sci. USA, 96, 2414-2419, doi: 10.1073/pnas.96.5.2414.

7. Dong, W., Qi, Z., Liang, J., Shi, W., Zhao, Y., Luo, Y., Ji, X., and Liu, K. J. (2015) Reduction of zinc accumulation in mitochondria contributes to decreased cerebral ischemic injury by normobaric hyperoxia treatment in an experimental stroke model, Exp. Neurol., 272, 181-189, doi: 10.1016/j.expneurol.2015.04.005.

8. Gazaryan, I. G., Krasinskaya, I. P., Kristal, B. S., and Brown, A. M. (2007) Zinc irreversibly damages major enzymes of energy production and antioxidant defense prior to mitochondrial permeability transition, J Biol. Chem., 282, 24373-24380, doi: 10.1074/jbc.M611376200.

9. Ji, S. G., Medvedeva, Yu. V., and Weiss, J. H. (2020) Zn2+ entry through the mitochondrial calcium uniporter is a critical contributor to mitochondrial dysfunction and neurodegeneration, Exp. Neurol., 325, 113161, doi: 10.1016/j.expneurol.2019.113161.

10. Brown, A. M., Kristal, B. S., Effron, M. S., Shestopalov, A. I., Ullucci, P. A., Sheu, K.-F. R., Blass, J. P., and Cooper, A. J. L. (2000) Zn2+ inhibits alpha-ketoglutarate-stimulated mitochondrial respiration and the isolated alpha-ketoglutarate dehydrogenase complex, J. Biol. Chem., 275, 13441-13447, doi: 10.1074/jbc.275.18.13441.

11. Casola, L., Brumby, P. E., and Massey, V. (1966) The reversible conversion of lipoyl dehydrogenase to an artifactual enzyme by oxidation of sulfhydryl groups, J. Biol. Chem., 241, 4977-4984.

12. Veeger, C., and Massey, V. (1962) Inhibition of lipoyl dehydrogenase by trace metals, Biochim. Biophys. Acta, 64, 83-100, doi: 10.1016/0006-3002(60)90108-6.

13. Casola, L., and Massey, V. (1966) Differential effects of mercurial on the lipoyl reducatase and diaphorase activities of lipoyl dehydrogenase, J. Biol. Chem., 241, 4985-4993.

14. Nakamura, M., and Yamazaki, I. (1972) One-electron transfer reactions in biochemical systems. VI. Changes in electron transfer mechanism of lipoamide dehydrogenase by modification of sulfhydryl groups, Biochim. Biophys. Acta, 267, 249-257, doi: 10.1016/0005-2728(72)90113-2.

15. Thorpe, C., and Williams, C. H., Jr. (1975) Modification of pig heart lipoamide dehydrogenase by cupric ions, Biochemistry, 14, 2419-2424, doi: 10.1021/bi00682a023.

16. Lowe, C. R. (1977) Immobilised lipoamide dehydrogenase. 2. Properties of the enzyme immobilised to agarose through spacer molecules of various lengths, Eur. J. Biochem., 76, 401-409, doi: 10.1111/j.1432-1033.1977.tb11608.x.

17. Gutierrez Correa, J., and Stoppani, A. O. M. (1993) Inactivation of lipoamide dehydrogenase by cobalt(II) and iron(II) Fenton systems: effect of metal chelators, thiol compounds and adenine nucleotides, Free Radic. Res. Commun., 19, 303-314, doi: 10.3109/10715769309056519.

18. Olsson, J. M., Xia, L., Eriksson, L. C., and Bjornstedt, M. (1999) Ubiquinone is reduced by lipoamide dehydrogenase and this reaction is potently stimulated by zinc, FEBS Lett., 448, 190-192, doi: 10.1016/s0014-5793(99)00363-4.

19. Xia, L., Bjornstedt, M., Nordman, T., Eriksson, L. C., and Olsson, J. M. (2001) Reduction of ubiquinone by lipoamide dehydrogenase. An antioxidant regenerating pathway, Eur. J. Biochem., 268, 1486-1490, doi: 10.1046/j.1432-1327.2001.02013.x.

20. Hopkins, N., and Williams, C. H., Jr. (1995) Characterization of lipoamide dehydrogenase from Escherichia coli lacking the redox active disulfide: C44S and C49S, Biochemistry, 34, 11757-11765, doi: 10.1021/bi00037a013.

21. Gazaryan, I. G., Krasnikov, B. F., Ashby, G. A., Thorneley, R. N., Kristal, B. S., and Brown, A. M. (2002) Zinc is a potent inhibitor of thiol oxidoreductase activity and stimulates reactive oxygen species production by lipoamide dehydrogenase, J. Biol. Chem., 277, 10064-10072, doi: 10.1074/jbc.M108264200.

22. Popov, V. O., Gazarian, I. G., Egorov, A. M., and Berezin, I. V. (1985) NAD-dependent hydrogenase from the hydrogen-oxidizing bacterium Alcaligenes eutrophus Z-1. Kinetic studies of the NADH-dehydrogenase activity, Biochim. Biophys. Acta, 827, 466-471.

23. Maeda-Yorita, K., Russell, G. C., Guest, J. R., Massey, V., and Williams, C. H., Jr. (1991) Properties of lipoamide dehydrogenase altered by site-directed mutagenesis at a key residue (I184Y) in the pyridine nucleotide binding domain, Biochemistry, 30, 11788-11795, doi: 10.1021/bi00115a008.

24. Van Berkel, W. J. H., Regelink, A. G., Beintema, J. J., and de Kok, A. (1991) The conformational stability of the redox states of lipoamide dehydrogenase from Azotobacter vinelandii, Eur. J. Biochem., 202, 1049-1055, doi: 10.1111/j.1432-1033.1991.tb16469.x.

25. Tsai, C. S. (1980) Kinetic studies of multifunctional reactions catalysed by lipoamide dehydrogenase, Int. J. Biochem., 11, 407-413, doi: 10.1016/0020-711x(80)90311-0.

26. Vienozinskis, J., Butkus, A., Cenas, N., and Kulys, J. (1990) The mechanism of the quinone reductase reaction of pig heart lipoamide dehydrogenase, Biochem. J., 269, 101-105, doi: 10.1042/bj2690101.

27. Williams, C. H., Arscott, L. D., Muller, S., Lennon, B. W., Ludwig, M. L., Wang, P. F., Veine, D. M., Becker, K., and Schirmer, R. H. (2000) Thioredoxin reductase two modes of catalysis have evolved, Eur. J. Biochem., 267, 6110-6117, doi: 10.1046/j.1432-1327.2000.01702.x.

28. Lennon, B. W., and Williams, C. H., Jr. (1996) Enzyme-monitored turnover of Escherichia coli thioredoxin reductase: insights for catalysis, Biochemistry, 35, 4704-4712, doi: 10.1021/bi952521i.

29. Lennon, B. W., Williams, C. H., Jr., and Ludwig, M. L. (2000) Twists in catalysis: alternating conformations of Escherichia coli thioredoxin reductase, Science, 289, 1190-1194, doi: 10.1126/science.289.5482.1190.

30. Williams, C. H., Jr. (1995) Mechanism and structure of thioredoxin reductase from Escherichia coli, FASEB J., 9, 1267-1276, doi: 10.1096/fasebj.9.13.7557016.

31. Dooijewaard, G., and Slater, E. C. (1976) Steady-state kinetics of high molecular weight (type-I) NADH dehydrogenase, Biochim. Biophys. Acta, 440, 1-15, doi: 10.1016/0005-2728(76)90109-2.

32. Bando, Y., and Aki, K. (1991). Mechanisms of generation of oxygen radicals and reductive mobilization of ferritin iron by lipoamide dehydrogenase, J. Biochem., 109, 450-454, doi: 10.1093/oxfordjournals.jbchem.a123402.

33. Gaballa, A., and Helmann, J. D. (2002) A Peroxide-induced zinc uptake system plays an important role in protection against oxidative stress in Bacillus subtilis, Mol. Microbiol., 45, 997-1005, doi: 10.1046/j.1365-2958.2002.03068.x.

34. Nordman, T., Xia, L., Björkhem-Bergman, L., Damdimopoulos, A., Nalvarte, I., Arnér, E. S., Spyrou, G., Eriksson, L. C., Björnstedt, M., and Olsson, J. M. (2003) Regeneration of the antioxidant ubiquinol by lipoamide dehydrogenase, thioredoxin reductase and glutathione reductase, Biofactors, 18, 45-50, doi: 10.1002/biof.5520180206.

35. Galasso, S. L., and Dyck, R. H. (2007) The role of zinc in cerebral ischemia, Mol. Med., 13, 380-387, doi: 10.2119/2007-00044.Galasso.

36. Levenson, C. W. (2005) Zinc supplementation: neuroprotective or neurotoxic? Nutr. Rev., 63, 122-125, doi: 10.1111/j.1753-4887.2005.tb00130.x.

37. Ischia, J., Bolton, D. M., and Patel, O. (2019) Why is it worth testing the ability of zinc to protect against ischaemia reperfusion injury for human application, Metallomics, 11, 1330-1343, doi: 10.1039/c9mt00079h.

38. Aquilani, R., Baiardi, P., Scocchi, M., Iadarola, P., Verri, M., Sessarego, P., Boschi, F., Pasini, E., Pastoris, O., and Viglio, S. (2009) Normalization of zinc intake enhances neurological retrieval of patients suffering from ischemic strokes, Nutr. Neurosci., 12, 219-225, doi: 10.1179/147683009X423445.

39. Kitamura, Y., Iida, Y., Abe, J., Ueda, M., Mifune, M., Kasuya, F., Ohta, M., Igarashi, K., Saito, Y., and Saji, H. (2006) Protective effect of zinc against ischemic neuronal injury in a middle cerebral artery occlusion model, J. Pharmacol. Sci., 100, 142-148, doi: 10.1254/jphs.fp0050805.

40. Osipyants, A. I., Smirnova, N. A., Khristichenko, A. Yu., Nikulin, S. V., Zakhariants, A. A., Tishkov, V. I., Gazaryan, I. G., and Poloznikov, A. A. (2018) Metal ions as activators of hypoxia inducible factor, Moscow University Chem. Bull., 73, 13-18.

41. Maret, W. (2015) Analyzing free zinc(II) ion concentrations in cell biology with fluorescent chelating molecules, Metallomics, 7, 202-211, doi: 10.1039/c4mt00230j.

42. McCranor, B. J., Bozym, R. A., Vitolo, M. I., Fierke, C. A., Bambrick, L., Polster, B. M., Fiskum, G., and Thompson, R. B. (2012) Quantitative imaging of mitochondrial and cytosolic free zinc levels in an in vitro model of ischemia/reperfusion, J. Bioenerg. Biomembr., 44, 253-263, doi: 10.1007/s10863-012-9427-2.