12 марта 2016г.
Поврежденные участки ткани характеризует высокое содержание свободного кальция (кальциевая перегрузка) и активных форм кислорода (супероксида), что в присутствии экзогенного или добавленного катехола создает условия для неферментативного синтеза парамагнитных, не растворимых в воде супрамолекул кальциевых меланинов. Самосборка молекул меланина, состоящих из катионов кальция, стабилизирующего свободные радикалы, супероксида и семихинонатов катехолов играет двойственную роль в защите поврежденного участка ткани. Во-первых, образующиеся супрамолекулы меланина уменьшают концентрацию кальция и супероксида в пораженных местах, во-вторых, увеличивают механическую прочность поврежденных участков мембраны. В работе рассмотрены данные, иллюстрирующие защитную роль супрамолекулярных структур, на примере кардиопротективного действия природного катехола эхинохрома, который используют в настоящее время в кардиологической практике. Рассмотрены также данные использования дофамина, увеличивающего время жизни пересаженных органов, что также связано с образованием меланина полидофамина, интенсивно используемого в биомедицине и нанотехнологиях.
Ключевые cлова: cупеpокcид, кальций, окиcление катеxоламинов, о-cемиxиноны катеxолатов, комплекcы «металл–о-cемиxинон», cинтетичеcкие меланины, cпин-cтабилизация cупеpокcида.
Тяжелые неизлечимые заболевания, такие как болезнь Паркинсона [1], болезнь Альцгеймера, меланома, старение, как и причину внезапной сердечной смерти [2] связывают с аномальным окислительным метаболизмом катехолов, катехоламинов. В норме катехолы либо выводятся из организма в форме водорастворимых метаболитов, либо надолго там остаются в форме метал-поликатехолатных агрегатов, образующих совместно с другими молекулами меланины, не растворимые ни в воде, ни в спирте, ни в большинстве органических растворителей (исключение составляет ДМСО). Знание о метаболизме катехоламинов долгое время было ограничено изучением реакций водорастворимых продуктов и заканчивалось на стадии образования водонерастворимых соединений темного цвета - меланинов.
Из-за непрозрачности, нерастворимости, неоднородности природных меланинов, многообразия металлов, присутствующих в них, оказывается затруднительным установление химической структуры меланинов.
В последнее время началось формирование представления о химической структуре меланинов не как о биополимерах, но как о супрамолекулах [3], обладающих уникальной адгезивной способностью к разнообразным поверхностям, как показано на примерах синтетического меланина – полидофамина.
Разработка методов синтеза «кальциевых меланинов» привела к выводу, что в состав супрамолекул меланина входят основные сигнальные молекулы – кальций, активные формы кислорода и семихинонаты катехолов [4-14] , как представлено на рисунке.
Изучение различных патологий сердечно-сосудистой системы
и нервно-мышечных структур показали связь нарушений с увеличением внутриклеточной концентрации кальция и активных форм кислорода в поврежденных клеточных структурах.
В присутствии катехолов, катехоламинов в области
повреждений тканей создаются
благоприятные условия для образования и самосборки супрамолекул меланина. Супрамолекулы меланина формируют водонерастворимые, высоко адгезивные слои, покрывающие поврежденные участки мембран.
Помимо механической защиты поврежденного участка
при образовании меланинов
происходит снижение концентрации свободного
кальция и активных
форм кислорода.
Меланиновые структуры обнаруживают на поверхностях различных органов – миокарда
и легких - при возникновении аритмий
[15].
Показателен успех использования дофамина при пересадке
органов, увеличивающего время
жизни пересаженных органов
[16].
Обнаружение адгезивных свойств
синтетического меланина
полидофамина привело к взрывному прогрессу использования его во многих
областях биомедицины и нанотехнологий.
Естественным представляется наличие меланиновых островков внутри митохондрий,
поскольку митохондрии являются
одними из основных генераторов супероксида и богаты кальцием
[17].
Проведено изучение действия водорастворимой формы эхинохрома - гистохрома на метаболизм и сократительную функцию
изолированного сердца
крысы в условиях кальциевого парадокса, тотальной глобальной
ишемии и реперфузии [18]. Показано,
что перфузия изолированного сердца крысы кальций- содержащей средой после 10-мин перфузии
в бескальциевой среде вызывала снижение уровня макроэргических фосфатов,
выход миоглобина в
перфузионный раствор, разобщение окисления и фосфорилирования в митохондриях
сердца,
развитие контрактуры миокарда. Предварительное
введение
эхинохрома
животным приводило к снижению выхода миоглобина, предотвращению сильного падения уровня АТФ и фосфокреатина, сохранению сопряжения окисления и фосфорилирования в митохондриях, и, как результат, к замедлению развития контрактуры при кальциевом парадоксе. Меньший эффект эхинохрома наблюдали на модели ишемии- реперфузии изолированного сердца. Сделан
вывод, что эхинохром обладает
кардиопротекторным действием, эффективно защищает сердце
от нарушений, вызванных дисбалансом кальция.
Особенностью действия
эхинохрома является
его долговременная эффективность в защите сердца
от ишемии и реперфузии, а также в модели кальциевого парадокса [18] (повреждении
сердца при временной перфузии сердца в бескальциевом растворе), при котором
повышение концентрации кальция и кислорода приводит, как мы предполагаем, к образованию на поверхностных участках мембраны
защитной водонерастворимой пленки супрамолекул меланина,
содержащих эхинохром, кальций, супероксид
[11, 12]. Успешное использование катехола эхинохрома подтверждают данные клинического применения [19-22].
Кардиопротекторной активностью обладает целый ряд природных и синтетических полигидроксинафтохинонов [23].
Метилирование карбоксильных гидроксилов исключает образование меланиновых структур
и делает их биологически неактивными.
Нами показано, что эхинохром
является перехватчиком супероксида [24]. Как и в других меланиновых структурах супероксид не дисмутирует, но оказывается в связанном состоянии
в парамагнитных супрамолекулах меланина [12], см. Рисунок 1.
Предполагаемое
формирование слоев супрамолекул меланина
позволяет объяснить связь кальциевого парадокса и кислородного парадокса.
Логично предположить, что явление
прекондиционирования также связано с образованием метал- катехолатных меланиновых слоев на поврежденной поверхности тканей.
В пользу этого свидетельствуют опыты по пересадке органов при добавлении
низких концентраций дофамина [16, 25-28].
Настоящее и дальнейшее
развитие представлений о химической структуре меланинов позволит расширить понимание процессов метаболизма катехолов и катехоламинов на заключительной стадии образования нерастворимых метал-катехолатных супрамолекулярных структур; разработать новые подходы к лечению заболеваний, связанных с нарушениями функции
тканей, использовать это знание
для избирательного формирования меланиновых пленок для зашиты
поврежденных участков
ткани.
Pабота выполнена пpи финанcовой поддеpжке Pоccийcкого фонда фундаментальныx иccледований, гpант 13-02-01997.
Cпиcок литеpатуpы
1.
Zecca, L., et al., Human neuromelanin induces
neuroinflammation and neurodegeneration in the rat substantia nigra: implications for Parkinson's disease. Acta Neuropathologica, 2008. 116(1): p. 47-55.
2.
Dhalla, N.S., A. Adameova, and M. Kaur, Role of catecholamine oxidation
in sudden cardiac
death. Fundam Clin Pharmacol, 2010. 24(5):
p. 539-546.
3.
Yu, X., et al., Characterization of carbonized polydopamine nanoparticles suggests ordered supramolecular structure of polydopamine. Langmuir, 2014. 30(19):
p. 5497-505.
4.
Лебедев, А.В., et al., Kальций-катехолатные комплексы: взаимодействие с кислородом и супероксидом, спиновая стабилизация о-семихинонатов, in Всероссийская конференция с международным участием "Спектроскопия и томография электронного парамагнитного резонанса
в химии и биологии" Россия, Москва, 6-10 октября 2011. 2011, Издательство Московского государственного университета, Институт химической физики,
Российский фонд фундаментальных исследований: Россия, Москва.
p. 44.
5.
Лебедев, А.В., et al., Ubiquitous melanins: Стабильные парамагнитные кальций-катехолатные
комплексы, in Медицинская физика.
2015, Изд. МГУ: Москва. p. 1-4.
6.
Лебедев, А.В., et al., Действие катионов кальция на кислотно-основные свойства и свободнорадикальное окисление дофамина
и пирокатехина. Биомедицинская химия 2008. 54(6): p. 687-695.
7.
Лебедев, А.В., М.В. Иванова, and Э.К. Рууге, Ионы кальция ускоряют свободнорадикальные редокс превращения орто-гидрохинонов, in 4-я национальная научно-практическая конференция с международным участием 26-30 сентября
2005 год, Смоленск.Сборник трудов «Активные формы кислорода, оксид азота, антиоксиданты и здоровье человека». 2005, Изд. МЗСО РФ, РАМН, РФФИ: Смоленск. p. 57-58.
8. Лебедев, А.В., М.В. Иванова, and Э.К. Рууге, Ионы металлов и супероксид-радикал
в комплексах с диоксоленами и меланинами, in Международная научная
конференция "Молекулярные, мембранные и клеточные основы функционирования биосистем" , X съезд Белорусского общественного объединения фотобиологов и биофизиков
2012, Издательский центр Белорусского государственного университета: Минск, Беларусь. p. 176-178.
9.
Лебедев, А.В., М.В. Иванова, and Э.К. Рууге, Кальций-диоксоленовые комплексы: константы скоростей реакций окисления пирокатехина в присутствии Ca2+. Биофизика, 2011. 56(2):
p. 205-211.
10. Лебедев, А.В., et al., О путях участия
катионов кальция в свободнорадикальных процессах: необычные свойства катехолатных хелаторов металлов, in VI Международная Крымская конференция "Окислительный стресс и свободнорадикальные патологии" 2010, Издательство Российского кардиологического научно-производственного комплекса МЗ РФ: Судак, Крым, Украина. p. 40.
11. Лебедев, А.В., et al., Парамагнитные кальциевые меланины. Биофизика, 2013. 58(1): p. 47-53.
12. Лебедев, А.В., И.С. Пугаченко, and Э.К. Рууге, Свободнорадикальные комплексы кальциевых меланинов для биомедицины и нанотехнологий, in Международный научный e симпозиум "Химия, биология, био- и нанотехнологии: современная наука и производство", ES-ЕН-2014-012 Г.Б. Завильгельский, Editor. 2014, ИД МЦНИП:
Россия, г. Киров.
p. 60-71.
13. Лебедев, А.В., М.В. Иванова,
and Э.К. Рууге, Свободнорадикальные редокс превращения катехоламинов, индуцированные катионами
кальция, in II Евразийский конгресс
по медицинской физике и инженерии «Медицинская физика-2005», Сборник материалов. 2005, Изд. МГУ: Москва.
p. 275.
14. Лебедев, А.В., et al., Участие катионов кальция и цинка в спин- стабилизиции и свободно-радикальных реакциях окисления
катехолатов in Международная научная конференция "Молекулярные, мембранные и клеточные основы функционирования биосистем" (и сателлитный VII съезд Белорусского общественного объединения
фотобиологов и биофизиков)". Сборник статей. 2006: Минск. p. 277-279.
15. Levin, M.D., et al., Melanocyte-like cells in the heart and pulmonary
veins contribute to atrial arrhythmia triggers. J Clin Invest,
2009. 119(11): p. 3420-36.
16. Frantz, R.P., Donor pre-treatment with dopamine:
tonic for the transplanted heart? J Am Coll Cardiol, 2011. 58(17): p. 1778-9.
17. Daniele, T.,
et al., Mitochondria and Melanosomes Establish Physical
Contacts Modulated by Mfn2 and Involved in Organelle Biogenesis. Curr Biol, 2014. 24(4):
p. 393–403.
18. Винокуров, А.А., et al., Действие антиоксиданта гистохром на сократительную функцию и метаболизм изолированного сердца крысы в условиях
кальциевого парадокса, ишемии и реперфузии. Вопросы медицинской химии, 2001(5):
p. 483-489.
19. Lee, S.R., et al., Acetylcholinesterase inhibitory activity of pigment echinochrome A from sea urchin Scaphechinus mirabilis. Mar Drugs, 2014. 12(6): p. 3560-73.
20. Mischenko, N.P., S.A. Fedoreev,
and L.P. Dogadova, The drug histochrome for ophthalmology. ‚Ґбв „‚Ћ ђЂЌ, 2004(3): p. 111-119.
21. Eremenko, E.M., et al., [Novel compounds increasing chaperone Hsp70 expression and their biological activity]. Tsitologiia, 2010.
52(3): p. 235-41.
22. Artiukov, A.A., et al., [Pharmacological activity
echinochrome A singly and consisting of BAA "Timarin"]. Biomed Khim, 2012. 58(3): p. 281-90.
23. Anufriev, V.P., et al., Synthesis
of some hydroxynaphthazarins and their cardioprotective effects under ischemia- reperfusion in vivo. Bioorg
Med Chem Lett, 1998.
8(6): p. 587-592.
24. Lebedev, A.V., et al., Acidity and interaction with superoxide anion radical
of echinochrome and its structural analogs. Vopr Med Khim, 1999.
45: p. 123-130.
25. Schnuelle, P., et al., Effects of donor pretreatment with dopamine
on graft function
after kidney transplantation: a randomized controlled trial. JAMA, 2009. 302(10): p. 1067-75.
26. Benck, U., et al., Effects of donor pre-treatment with dopamine
on survival after heart transplantation: a cohort study of heart transplant recipients nested in a randomized
controlled multicenter trial. J Am Coll Cardiol,
2011. 58(17): p. 1768-77.
27. Timmer, M., et al., Enhanced
survival, reinnervation, and functional recovery
of intrastriatal dopamine grafts co- transplanted with Schwann
cells overexpressing high molecular weight FGF-2 isoforms.
Experimental Neurology, 2004. 187(1): p. 118-136.
28. Reynolds, C.P., et al., Selective toxicity of 6-hydroxydopamine and ascorbate
for human neuroblastoma in vitro: a model for clearing marrow
prior to autologous transplant. Cancer Res, 1982. 42(4):
p. 1331-6.