БИОХИМИЯ, 2022, том 87, вып. 11, с. 1739–1760

УДК 577.3

Позитивное (регуляторное) и негативное (цитотоксическое) действие динитрозильных комплексов железа на живые организмы

Обзор

© 2022 А.Ф. Ванинvanin.dnic@gmail.com

ФИЦ химической физики имени Н.Н. Семёнова РАН, 119991 Москва, Россия

Поступила в редакцию 11.05.2022
После доработки 05.07.2022
Принята к публикации 05.07.2022

DOI: 10.31857/S0320972522110173

КЛЮЧЕВЫЕ СЛОВА: оксид азота, катионы нитрозония, динитрозильные комплексы железа, тиолы.

Аннотация

Предложенный нами механизм образования динитрозильных комплексов железа (ДНКЖ), основополагающей стадией которого является диспропорционирование двух молекул NO, связанных с ионом Fe2+, с последующей реализацией резонансной структуры железо-динитрозильного фрагмента ДНКЖ [Fe2+(NO)(NO+)], позволяет говорить об экспериментально подтверждаемой способности этих комплексов выступать в качестве доноров как нейтральных молекул NO, так и катионов нитрозония (NO+). Приводимый в обзоре анализ биологической активности ДНКЖ с тиол-содержащими лигандами показывает, что высвобождаемые из этих комплексов молекулы NO и катионы нитрозония преимущественно оказывают на живые организмы соответственно позитивное (регуляторное) или негативное (цитотоксическое) действие. Для усиления селективного высвобождения из ДНКЖ катионов нитрозония с одновременным включением высвобождающихся из этих комплексов молекул NO и ионов железа в биологически неактивные мононитрозильные комплексы железа с производными дитиокарбамата предлагается использовать эти производные для обеспечения распада ДНКЖ непосредственно в живых организмах.

Текст статьи

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

captcha

Благодарности

Выражаю благодарность моему сотруднику – Николаю Ткачеву за помощь в компьютерном оформлении рисунков.

Конфликт интересов

Автор заявляет об отсутствии конфликта интересов.

Соблюдение этических норм

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

Список литературы

1. Ванин А. Ф. (2015) Динитрозильные комплексы железа с тиолсодержащими лигандами: физико-химия, биология, медицина, Институт компьютерных исследований, Ижевск/Москва, Россия.

2. Lu, T.-T., Wang, Y.-M., Hung, C.-H., Chiou, S.-J., and Liaw, W.-F. (2018) Bioinorganic chemistry of the natural [Fe(NO)2] motiv: evolution of a functional model for NO-related biomedical application and revolutionary development of a translational model, Inorg. Chem., 57, 12425-12443, doi: 10.1021/acs.inorgchem.8b01818.

3. Vanin, A. F. (2019) Dinitrosyl Iron Complexes as a “Working Form” of Nitric Oxide in Living Organisms, Cambridge Scholar Publishing, Cambridge, UK.

4. Lehnert, N., Kim, E., Dong, H. T., Harland, J. B., Hunt, A. P., et al. (2021) The biologically relevant coordination chemistry of iron and nitric oxide: electronic structure and reactivity, Chem. Rev., 121, 14682-14905, doi: 10.1021/acs.chemrev.1c00253.

5. Vanin, A. F. (2021) Physico-chemistry of dinitrosyl iron complexes as a determinant of their biological activity, Int. J. Mol. Sci., 22, 10356, doi: 10.3390/ijms221910356.

6. Налбандян Р. М., Ванин, А. Ф., Блюменфельд Л. А. (1964) Свободные радикалы нового типа в дрожжевых клетках, Тезисы докладов на конференции «Свободно-радикальные процессы в биологических системах», с. 18.

7. Ванин А. Ф., Налбандян Р. М. (1965) Свободные радикалы нового типа в дрожжевых клетеках, Биофизика, 10, 167-168.

8. Mallard, J. R., and Kent, M. (1964) Difference observed between electron spin resonance signals from surviving tumour tissues and from their corresponding normal tissue, Nature, 204, 1192, doi: 10.1038/2041192a0.

9. Ванин А. Ф., Блюменфельд Л. А., Четвериков А. Г. (1967) Исследование методом ЭПР комплексов негеминового железа в клетках и тканях, Биофизика, 12, 829-858.

10. Vithaythil, A. J., Ternberg, J. L., and Commoner, B. (1965) Changes in electron spin resonance signals of rat liver during chemical carcinogenesis, Nature, 207, 1246-1249, doi: 10.1038/2071246a0.

11. Lancaster, J.R., and Hibbs, J. B. (1990) EPR demonstration of iron-nitrosyl complex formation by cytotoxic activated macrophages, Proc. Natl. Acad. Sci. USA, 87, 1223-1227, doi: 10.1073/pnas.87.3.1223.

12. Ванин А. Ф. (1967) Идентификация комплексов двухвалентного железа с цистеином в биологических системах, Биохимия, 32, 226-232.

13. McDonald, C. C., Philips, W. D., and Mower, H. F. (1965) An electron spin resonance study of some complexes with iron, nitric oxide and anionic ligands, J. Am. Chem. Soc., 87, 3319-3326, doi: 10.1021/ja01093a007.

14. Четвериков А. Г., Рууге Э. К., Бурбаев Д. Ш., Ванин А. Ф. (1969) Изменение формы сигнала ЭПР с gср.=2,03 в биологических системах в зависимости от условий регистрации, Биофизика, 14, 932-935.

15. Vanin, A. F., Sanina, N. A., Serezhenkov, V. A., Burbaev, D. Sh., Lozinsky, V. I., et al. (2007) Dinitrosyl-iron complexes with thiol-containing ligands: spatial and electronic structures, Nitric Oxide Biol. Chem., 16, 82-93, doi: 10.1016/j.niox.2006.07.005.

16. Vanin, A. F., Poltorakov, A. P., Mikoyan, V. D., Kubrina, L. N., and Burbaev, D. Sh. (2011) Polynuclear water-soluble dinitrosyl iron complexes with cysteine or glutathione ligands: electron paramagnetic resonance and optical studies, Nitric Oxide Biol. Chem., 23, 136-149, doi: 10.1016/j.niox.2010.05.285.

17. Enemark, J. Y., and Feltham, R. D. (1974) Principles of structure, bonding, and reactivity for metal nitrosyl, Coord. Chem. Rev., 13, 339-406, doi: 10.1016/S0010-8545(00)80259-3.

18. Vanin, A. F., Malenkova, I. V., and Serezhenkov, V. A. (1997) Iron catalyzes both decomposition and synthesis of S-nitrosothiols: Optical and electron paramagnetic resonance studies, Nitric Oxide Biol. Chem., 1, 191-203, doi: 10.1006/niox.1997.0122.

19. Vanin, A. F., and Burbaev, D. Sh. (2011) Electronic and spatial structures of water-soluble dinitrosyl iron complexes with thiol-containing ligands underlying their activity to act as bnitric oxide and nitrosonium ion donors, Biophys. J., 2011, 878236, doi: 10.1155/2011/878236.

20. Vanin, A. F. (2019) What is the mechanism of nitric oxide transformation into nitrosonium ions ensuring S-nitrosating processes in living organisms, Cell Biochem. Biophys., 77, 279-292, doi: 10.1007/s12013-019-00886-1.

21. Ванин А. Ф. (2020) Свободно-радикальная природа молекул оксида азота как фактор, определяющий их превращения в живых организмах в катионы нитрозония, Биофизика, 65, 421-438, doi: 10.31857/S0006302920030011.

22. Vanin, A. F. (2020) How is nitric oxide (NO) converted into nitrosonium cations (NO+) in living organisms? (Based on the results of optical and EPR analysis of dinitrosyl iron complexes with thiol-containing ligands, Appl. Magn. Reson., 51, 851-876, doi: 10.1007/s00723-020-01270-6.

23. Truzzi, D. R., Medeiros, N. M., Augusto, O., and Ford, P. C. (2021) Dinitrosyl iron complexes (DNICs). From spontaneous assembly to biological roles, Inorg. Chem., 60, 15835-15845, doi: 10.1021/acs.inorgchem.1c00823.

24. Borodulin, R. R., Kubrina, L. N., Mikoyan, V. D., Poltorakov, A. P., Shvydkiy, O. V., Burbaev, D. Sh., Serezhenkov, V. A., et al. (2013) Dinitrosyl iron complexes with glutathione as NO and NO+ donors, Nitric Oxide Biol. Chem., 29, 4-16, doi: 10.1016/j.niox.2012.11.001.

25. Vanin, A. F., Tronov, V. A., and Borodulin, R. R. (2021) Nitrosonium cation as a cytotoxiс component of dinitrosyl iron complexes with thiol-containing ligands (based on the experimental work on MCF-7 hyman breast cancer cell culture), Cell Biochem. Biophys., 79, 93-102, doi: 10.1007/s12013-020-00962-x.

26. Williams, D. L. H. (2007) Nitrosation Reactions and the Chemistry of Nitric Oxide, Elsevier, Amsterdam, the Netherlands.

27. Бородкин Г. И., Шубин В. Г. (2017) Нитрозоний-катион в химических и биохимических реакциях: достижения и перспективы, Успехи химии, 86, 18-46, doi: 10.1070/RCR4662.

28. Khan, S., Kayahara, M., Joashi, U., Mazarakis, N. D., Sarraf, C., et al. (1997) Differential induction of apoptosis in Swiss 3T3 cells by nitric oxide and the nitrosonium cation, J. Cell Sci., 110, 2315-2322, doi: 10.1242/jcs.110.18.2315.

29. Cui, X., Joannou, C. L., Huges, M. N., and Cammack, R. (1992) The bactericidal effects of transition metal complexes containing NO+ group on the food-spoilage bacterium Clostridium sporogenes, FEMS Microbiol. Lett., 98, 67-70, doi: 10.1016/0378-1097(92)90133-9.

30. Ванин А. Ф., Телегина Д. И., Микоян В. Д., Ткачев Н. А., Васильева С. В. (2022) Цитостатическое действие динитрозильных комплексов железа с глутатионом на клетки Escherichia coli определяется катионами нитрозония, высвобождающимися из этих комплексов, Биофизика, 67, 938-946, doi: 10.31857/S0006302922050106.

31. Polukkody, R., Chupik, R. B., Montalvo, S. K., Khan, S., Bhuvanesh, N., et al. (2017) Toward biocompatible dinitrosyl iron complex: sugar-appended thiolates, Chem. Commun., 53, 1180-1183, doi: 10.1039/C6CC08659D.

32. Гизатуллин А. Р., Акентиева Н. П., Санина Н. А., Шматко Н. Ю., Горячев Н. С. и др. (2018) Влияние динитрозильных комплексов железа (доноров NO) на метаболические процессы в фибробластах лёгких человека, Докл. Росс. Акад. Наук, 483, 454-458, doi: 10.31857/S086956520003286-7.

33. Pestol, D. C., Chupik, R. B., Khan, S., Elsabahy, M., Wooley, K. L., et al. (2019) Towards the optimization of dinitrosyl iron complexes as NO delivery agents to smooth muscle cells, J. Am. Chem. Soc., 16, 3178-3187, doi: 10.1021/acs.molpharmaceut.9b00389.

34. Akentieva, N. P., Sanina, N. A., Gizatullin, A. R., Shkondina, N. I., Prikhodenko, T. R., et al. (2019) Cytoprotective effects of dinitrosyl iron complexes on viability of hyman fibroblasts and cardiomyocytes, Front. Pharmacol., 10, 1277, doi: 10.3389/fphar.2019.01277.

35. Kleschyov, A. L., Strand, S., Schmitt, S., Gottfried, D., Skatchkov, M., et al. (2006) Dinitrosyl-iron triggers apoptosis in Jurkat cells despite overexpression of Bcl-2, Free Radic Biol. Med., 40, 1340-1348, doi: 10.1016/j.freeradbiomed.2005.12.001.

36. Wu, S.-C., Lu, C.-Y., Chen, Y.-L., Lo, F.-C., Wang, T.-Y., et al. (2016) Water-soluble dinitrosyl iron complexe (DNIC): a nitric oxide vechicle triggering cancer cell death via apoptosis, Inorg. Chem., 55, 9383-9392, doi: 10.1021/acs.inorgchem.6b01562.

37. Wu, C.-R., Huang, Y.-D., Hong, Y.-H., Liu, Y.-H., Narwane, M., et al. (2021) Endogenous conjugation of biomimetic dinitrosyl iron complexes with protein vehicles for oral delivery of nitric oxide to brain activation of hyppocampal neurogenesis, JACS Au, 1, 998-1013, doi: 10.1021/jacsau.1c00160.

38. Vedernikov, Yu. P., Mordvintcev, P. I., Malenkova, I. V., and Vanin, A. F. (1992) Similarity between the vasorelaxing activity of dinitrosyl iron complexes and endothelium-derived relaxing factor, Eur. J. Pharmacol., 211, 313-317, doi: 10.1016/0014-2999(92)90386-i.

39. Mülsch, A., Mordvintcev, P., Vanin, A. F., and Busse, R. (1991) The potent vasodilating and guanylyl cyclase activating dinitrosyl-iron(II) complex is stored in a protein-bound form in vascular tissue and its release by thiols, FEBS Lett., 294, 252-256, doi: 10.1016/0014-5793(91)81441-a.

40. Flitney, F. W., Megson, L. I., Flitney, D. E., and Butler, A. R. (1992) Iron-sulfur cluster nitrosyls: a novel class of nitric oxide generator: mechanism of vasodilator action on rat isolated tail artery, Brit. J. Pharmacol., 107, 842-847, doi: 10.1111/j.1476-5381.1992.tb14534.x.

41. Vanin, A. F., Mokh, V. P., Serezhenkov, V. A., and Chazov, E. I. (2007) Vasorelaxing activity of stable powder preparation of dinitrosyl iron complexes with cysteine or glutathione, Nitric Oxide Biol. Chem., 16, 322-330, doi: 10.1016/j.niox.2006.12.003.

42. Kleschyov, A. L., Mordvintcev, P. I., and Vanin, A. F. (1985) Role of nitric oxide and iron in hypotensive action of nitrosyl iron complexes with various anionic ligands, Studia Biofizika, 105, 930-102.

43. Мордвинцев П. И., Путинцев М. Д., Галаган М. Е., Орановская О. В., Медведев О. С. и др. (1988) Гипотензивная активность у наркотизированных животных динитрозильных комплексов железа с белками, Бюлл. Всесоюз. Кардиолог. Центра, 1, 46-51.

44. Галаган М. Е., Орановская Е. В., Мордвинцев П. И., Медведев О. С., Ванин А. Ф. (1988) Гипотензивный эффект динитрозильных комплексов железа на бодрствующих животных, Бюлл. Всесоюз. Кардиолог. Центра, 2, 75-79.

45. Lakomkin, V. L., Vanin, A. F., Timoshin, A. A., Kapelko, V. I., and Chazov, E. I. (2007) Long-lasting hypotensive action of dinitrosyl-iron complexes with thiol-containing ligands in conscious normotensive and hypertensive rats, Nitric Oxide Biol. Chem., 16, 413-418, doi: 10.1016/j.niox.2007.03.002.

46. Chazov, E. I., Rodnenkov, O. V., Zorin, A. V., Lakomkin, V. L., Gramovich, V. V., et al. (2012) Hypotensive effect of Oxacom® containing a dinitrosyl iron complex with glutathione: animal studies and clinical trials on healthty volunteers, Nitric Oxide Biol. Chem., 26, 148-156, doi: 10.1016/j.niox.2012.01.008.

47. Timoshin, A. A., Lakomkin, V. L., Abramov, A. A., Ruuge, E. K., Kapelko, V. I., et al. (1915) The hypotensive effect of the nitric oxide donor Oxacom at different routs of its administration to experimental animals, Eur. J. Pharmacol., 765, 525-532, doi: 10.1016/j.ejphar.2015.09.011.

48. Галаган М. Е., Киладзе С. В., Ванин А. Ф. (1997) Реакция динитрозильных комплексов негемового железа с диэтилдитиокарбаматом в крови анестезированных крыс: её специфическое проявление на физико-химическом и физиологическом уровнях, Биофизика, 42, 687-692.

49. Shekhter, A. B., Rudenko, T. G., Serezhenkov, V. A., and Vanin, A. F. (2007) Dinityrosyl iron complexes with cysteine or glutathione accelerate skin wound healing, Nitric Oxide Biol. Chem., 52, 534-538.

50. Shekhter, A. B., Rudenko, T. G., Istranov, L. P., Guller, A. E., Borodulin, R. R., et al. (2015) Dinitrosyl iron complexes with glutathione incorporated into a collagen matrix as a base for the design of drugs accelerating wound healing, Eur. J. Pharm. Sci., 78, 8-18, doi: 10.1016/j.ejps.2015.06.002.

51. Мордвинцев П. И., Руднева В. Г., Ванин А. Ф., Шимкевич Л. Л., Ходоров Б. И. (1986) Ингибирующее действие низкомолекулярных динитрозильных комплексов железа на агрегацию тромбоцитов, Биохимия, 51, 1851-1857.

52. Архипова М. М., Микоян В. Д., Ванин А. Ф. (2008) Влияние экзогенных доноров оксида азота и ингибиторов его ферментативного синтеза на ишемию вены конъюнктивы глаз кролика при её экспериментальном тромбозе, Биофизика, 53, 315-325.

53. Шамова Е. Б., Бичан О. Д., Дрозд Е. С., Горудко И. В., Чижик С. А. и др. (2011) Регуляция функциональных и механических свойств тромбоцитов и эритроцитов донорами оксида азота, Биофизика, 56, 265-271.

54. Andreev-Andriyevsky, A. A., Mikoyan, V. D., Serezhenkov, V. A., and Vanin, A. F. (2011) Penile erectile activity of dinitrosyl iron complexes with thiol-containing ligands, Nitric Oxide Biol. Chem., 24, 217-223, doi: 10.1016/j.niox.2011.04.008.

55. Shumaev, K. B., Gubkin, A. A., Serezhenkov, V. A., Lobysheva, I. I., Kosmachevskaya, O. V., et al. (2008) Interaction of reactive oxygen and nitrogen species with albumin- and methemoglobin-bound dinitrosyl-iron complexes, Nitric Oxide Biol. Chem., 18, 37-46, doi: 10.1016/j.niox.2007.09.085.

56. Giliano, N. Ya., Konevega, L. V., Noskin, L. A., Serezhenkov, V. A., Poltorakov, A. P., et al. (2011) Dinityrosyl iron complexes with thiol-containing ligands and apoptosis: studies with HeLa cell culture, Nitric Oxide Biol. Chem., 24, 151-159, doi: 10.1016/j.niox.2011.02.005.

57. Stuehr, D. J., Gross, S. S., Sakuma, I., Levi, R., and Nathan, C. F. (1989) Activated murine macrophages secrete a metabolite of arginine with the bioactivity of endothelium-derived relaxing factor and the chemical reactivity of nitric oxide, J. Exp. Med., 169, 1011-1020, doi: 10.1084/jem.169.3.1011.

58. Lancaster, J. R., and Hibbs, J. B. (1990) EPR demonstration of iron-nitrosyl complerx formation be cytotoxic activated macrophages, Proc. Natl. Acad. Sci. USA, 87, 1223-1227, doi: 10.1073/pnas.87.3.1223.

59. Stadler, J., Bergonia, H. A., DiSilvio, M., Sweetland, M. A., Billiar, T. R., et al. (1993) Nonheme nitrosyl-iron complwx formation in rat hepatocyte: detection by EPR spectroscopy, Arch. Biochem. Biophys., 302, 4-11, doi: 10.1006/abbi.1993.1173.

60. Watts, R. N., Hawkins, C., Ponka, P., and Richardson, D. R. (2006) Nitrogen monoxide (NO) – mediated iron release from cells is linked with NO-induced glutathione efflux via multidrug resistance-associated proteins, Proc. Natl. Acad. Sci. USA, 103, 7670-7675, doi: 10.1073/pnas.0602515103.

61. Vanin, A. F., Men’shikov, G. B., Moroz, I. A., Mordvintcev, P. I., Serezhenkov, V. A., et al. (1992) The source of non-heme iron that binds nitric oxide in cultivated macrophages, Biochim. Biophys. Acta, 1135, 275-279, doi: 10.1016/0167-4889(92)90231-y.

62. Tangeras, A., Flatmark, T., and Bakstrom, D. (1980) Mitochondrial iron not bound in heme and iron-sulfur centers, Biochim. Biophys. Acta, 589, 162-175, doi: 10.1016/0005-2728(80)90035-3.

63. Voevodskaya, N. V., Serezhenkov, V. A., Cooper, C. E., Kubrina, L. N., and Vanin, A. F. (2002) Exogenous ferrous iron is required for the nitric oxide-catalyzed destruction of the iron-sulphur center in adrenodoxin, Biochem. J., 368, 633-639, doi: 10.1042/BJ20020788.

64. Crack, J. C., Smith, L. J., Stapleton, M. R., Peck, J., Watmough, N. J., et al. (2011) Mechanistic insight the nirosylation of [4Fe-4S] cluster of WhiB-like proteins, J. Am. Chem. Soc., 133, 1112-1121, doi: 10.1021/ja109581t.

65. Tucker, N. P., Hicks, M. G., Clarke, T. A., Crack, J. C., Chandra, G., et al. (2008) The transcriptional repressor protein NsrR senses nitric oxide directly via a [2Fe-2S] cluster, PLoS One, 11, e3623, doi: 10.1371/journal.pone.0003623.

66. Kudhair, B. K., Hounslow, A. M., Rolfe, M. D., Crack, J. C., Hunt, D. M., et al. (2017) Structure of a WbI protein and implications for NO sensing by M. tuberculosis, Nature, 8, 2280, doi: 10.1038/s41467-017-02418-y.

67. Ванин А. Ф. (2020) Динитрозильные комплексы железа с тиол-содержащими лигандами как доноры катионов нитрозония могут подавлять вирусные инфекции (гипотеза), Биофизика, 65, 818-823, doi: 10.31857/S0006302920040250.

68. Шиповалов А. В., Ванин А. Ф., Пьянков О. В., Багрянская Е. Г., Микоян В. Д., и др. (2022) Противовирусная активность катионов нитрозония в отношении SARS-CoV-2 на модели сирийского хомячка, Биофизика, 67, 969-981, doi: 10.31857/S0006302922050167.

69. Burgova, E. N., Tkachev, N. A., Paklina, O. V., Mikoyan, V. D., Adamyan, L. V., et al. (2014) The effect of dinitrosyl iron complexes with glutathione and S-nitrosoglutathione on the development of experimental endometriosis in rats, Eur. J. Pharmacol., 741, 37-44, doi: 10.1016/j.ejphar.2014.07.017.

70. Vanin, A. F., Burgova, E. N., and Adamyan, L. V. (2015) Dinitrosyl iron complexes with glutathione suppress surgically induced experimental endometriosis in rats, Austin J. Reprod. Med. Infertil., 2, 1019-1032, doi: 10.26420/austinjreprodmedinfertil.2015.1019.

71. Burgova, E. N., Khristidis, Y. I., Kurkov, A. V., Mikoyan, V. D., Shekhter, A. B., et al. (2019) The inhibiting effect of dinitrosyl iron complexes with thiol-containing ligands on the growth of endometrioid tumours in rats with experimental endometriosis, Cell Biochem. Biophys., 77, 69-77, doi: 10.1007/s12013-019-00865-6.