CC BY
17УДК 541.49:547.269.1
К.Ю. Лавров1, A.B. Еремин2, О.С. Федорова3, М.А. Степанова4, В.Г. Антонов5, A.H. Беляев6,
С.А. Симанова7
В последние годы в биохимической литературе появилось понятие окислительно-восстановительной (редокс) регуляции процесса внутриклеточной сигнализации, которая базируется на посттрансляционной окислительной модификации белков, особенно серосодержащих, которые связаны с поддержанием, так называемого «тиол-дисульфидного статуса» [1]. Такой окислительный процесс в живом организме катализируется металлсодержащими ферментами [1-3].
Современные представления о процессах каталитического окисления тиолов тесно связаны с образованием промежуточных координационных соединений со связью M-S [4, 5]. В свою очередь, на процессы формирования такой связи влияет лабильность координационных соединений, зависящая не только от природы атома комплексообразователя, но и от природы внутри-сферных лигандов [б]. Принимая во внимание, что наиболее значимые для живых организмов каталитические процессы протекают в водной среде, особую роль следует отвести процессам гидролиза, приводящим к формированию аквогидроксокомплек-сов, обладающих высокой склонностью к полимеризации.
В живых организмах поддержание «тиол-дисульфидного статуса» обусловлено двумя типами параллельно протекающих гомогенно-каталитических окислительно-восстановительных процессов с участием тиоаминокислот:
2R-SH - 2ё + Ox ^ R-S-S-R + 2Н+ + Р1 R-S-S-R + 2e + 2H+ + Red^ 2R-SH +Р2 где Ox и Red - эндогенные окислитель и восстановитель, соответственно, Р1 - продукт восстановления окислителя Ox, а Р2 -продукт окисления восстановителя Red.
Естественным эндогенным окислителем в живом организме является пероксид водорода [1]. Пероксиду водорода отводится роль вторичного посредника в трансдукции разнообразных сигналов [2, 7-10]. Мишенями пероксида водорода являются, прежде всего, тиоловые - SH-группы белковых молекул, принадлежащие к боковым цепям остатков цистеина [11], важнейшим из которых, как считается в литературе, является глутатион (у-глута-мил-цистеин-глицин):
КООРДИНАЦИОННЫЕ СОЕДИНЕНИЯ РОДИЯ В ПРОЦЕССАХ КАТАЛИТИЧЕСКОГО ОКИСЛЕНИЯ ГЛУТАТИОНА ПЕРОКСИДОМ ВОДОРОДА
Санкт-петербургский государственный технологический институт (технический университет) 190013, Санкт-Петербург, Московский пр., 26
Исследован процесс гомогенного каталитического окисления глутатиона пероксидом водорода при использовании в качестве катализатора ультрамалого количества (10 М) ц-оксоацетатов родия(Ш) с целью получения окисленной формы/ глутатиона, содержащей -Б-Б- группу.
Ключевые слова: оксокарбоксилатный комплекс родия, каталитическое окисление, глутатион, пероксид водорода
СООН Н О
H,N
СООН
Известно, что тиоловые группы достаточно легко окисляются и в обычных условиях. Однако такой процесс протекает крайне медленно для того, что бы быпъ сигнальным [1], поэтому в организме эти процессы катализируются металлсодержащими ферментами [12,13].
Представление об ускоряющем действии переходных металлов на окисление тиолов является достаточно привычным. При промотировании процесса окисления тиолов эквимоляр-ными и избыточными количествами соединений ^элементов [4] возможными продуктами окисления тиолов могут быть: дисульфиды ^-Б-Б^), сульфеновые ^ОН), сульфиновые (RS02H) и сульфоновые кислоты (RSОзН). Причем, для поддержания «тиол-дисульфидного статуса» наиболее значимым является мягкое, селективное окисление тиоаминокислот с получением только дисульфиднык сшивок (-Б-Б-), образование которых крайне редко встречается при промотированном катализе. Процессы каталитического окисления тиоаминокислот с использованием ультрамалых количеств ^элементов оказались практически не исследованными, несмотря на хорошо известный факт, что физиологически допустимые концентрации многих биометаллов, входящих в состав металлоферментов, крайне низки.
В настоящей работе нами была исследована способность ультрамалого количества терхъядерных оксоацетатов родия №(цз-0)(ц-02ССНз)б(Н20)з]С104, №(мз-0)(м-02ССНз)б(р-р1с)з]С104и ^з(мз-0)(р-02ССРз)б(Н20)з]02ССРзвы1ступать в ка-
1 ассистент каф. неорганической химии СПбГТИ(ТУ), тел. (812)31б-б4-91, e-mail: [email protected]
2 кандидат химических наук, старший преподаватель той же кафедры, тел. (812)31б-б4-91, e-mail: [email protected]
3
кандидат химических наук, старший научный сотрудник Института мозга человека РАН, e-mail:[email protected]
4 студентка 5 курса кафедры молекулярной биотехнологии СПбГТИ(ТУ)
доктор медицинских наук, профессор Военно-медицинской Академии им. С.М.Кирова, e-mail: [email protected]
6 доктор химических наук, профессор каф. неорганической химии СПбГТИ(ТУ), тел. (812)31б-б4-91, e-mail: [email protected]
7 доктор химических наук, профессор каф. неорганической химии СПбГТИ(ТУ), тел. (812)31б-б4-91, e-mail: [email protected]
честве катализаторов реакции окисления тиольной группы глутатиона пероксидом водорода с образованием дисульфида глутатиона. Контроль за увеличением концентрации дисуль-фидной формы глутатиона осуществляли с помощью метода высокоэффективной жидкостной хроматографии (ВЭЖХ). Для оценки эффективности каталитического действия исследуемых соединений процесс окисления глутатиона проводили в сопоставлении с используемым в настоящее время в фармакологической промышленности цис-[Р1(ЫН3)2С12] [14-16], характеризующимся довольно высокой цито- и нефротоксичностью для организмов млекопитающих [17].
Экспериментальная часть
Инструментальные методы и методики исследования:
Рентгеноструктурный анализ (РСА) выполняли на четырехкружном автоматическом дифрактометре Enraf-Nonius CAD4 при 295 К (МоК,-излучение, Л = 0.71073 А, графитовый монохроматор).
ИК-спектры образцов регистрировали на спектрофотометре Shimadzu FTIR-8400S в области 4000-400 см"1 (таблетки с КВг).
Рентгенофотоэлектронные спектры (РФЭС) записывали на электронном спектрометре Perkin-Elmer PHI 5400 при возбуждении рентгеновским излучением алюминия. Обработку спектров (количественный анализ и разложение на отдельные линии) проводили по стандартным программам. Спектры нормировали по энергии C1s, принятой равной 285.0 эВ.
Конечную концентрацию катализатора в исследуемых системах определяли с помощью зеемановского атомно-абсорб-ционного спектрометра с электротермической атомизацией МГА-915 с графитовой кюветой Массмана с пирографитовым покрытием (НПФ АП «Люмэкс»).
За протеканием реакции окисления следили с помощью ВЭЖХ на хроматографе Gilson (Франция), колонка: Lichrosper 100-rp-18 (Taiwan), размер: 4.6х250 мм, УФ детектор (Л=220 нм), элюент - трифторуксусная кислота (0.1%), ацетонитрил (2%), скорость подачи: 1.50 - 2.50 мл/мин, объем анализируемого образца 10 мкл.
Для исследования каталитической активности комплексов родия в процессах гомогенного каталитического окисления GSH использовали модельную систему, содержащую: 2 мг/мл глутатиона ("Sigma") (1.3'Ю-4 моль); стехиомет-рическое количество гидроксида натрия (2.6'Ю-4 моль); пе-роксид водород (1.3'Ю-4 моль). Суммарный объем раствора доводили ацетатным буфером (рН 6.0) до 20 мл. В полученные растворы вводили 1.3'10-7 моль катализатора, таким образом, чтобы соотношение GSH/d-элемент составляло 1000:1. Реакцию проводили в аэробных условиях. Растворы термоста-тировали при 25±1 оС. Отсчет времени начинали с момента внесения в реакционную систему аликвоты раствора окислителя - пероксида водорода.
Синтез координационных соединений
[КЬз(цз-0)(ц-02ССНз)б(Н20)з](С104)-4Н20 (I). Через раствор, содержащий 1г трифторацетата родия(11) Rh2(^-02C-CF3)4-n(H20) в 300 мл ледяной уксусной кислоты пропускали смесь воздуха с озоном при температуре 90-100 ОС 2-3 часа. При этом цвет раствора изменялся от сине-зеленого до красно-коричневого. Раствор упаривали на водяной бане досуха. Светло-коричневое соединение растворяли в минимальном количестве воды и к раствору добавляли 5 мл 60%-й хлорной кислоты. Раствор выдерживали несколько недель до образования кристаллического осадка, который отфильтровывали и сушили в вакуум-эксикаторе. Выделенные кристаллы имеют темно-коричневый цвет. Соединение хорошо растворимо в воде, этаноле, метаноле и ацетоне. Найдено, %: Rh 34.5, C
15.3, Н 4.2, CI 4.3. RhsCizHszOsoCI Вычислено, %: Rh 34.13, С 15.93, Н 3.57, CI 3.92.
ИК спектр (КВг), vmax, см"1: 467, 525, 617, 698, 764, 955, 1044, 1350, 1422 (vs(COO)), 1514, 1535, 1604 (vas(COO)), 2936, 3445.
Значение энергии связи Rh3d5/2 310.0 эВ, что соответствует родию(Ш).
[Rh3(H3-0)(H-02CCH3)6(p-p¡c)3]CI04 Навеску I массой 0.25 г (0.316 ммоль) растворяли в 20 мл метанола. К раствору добавляли 0.1 мл (1.24 ммоль) р-пиколин и 40 мг (0.328 ммоль) NaCIO4. Раствор упаривали на воздухе при 20°C до образования игольчатых красно-коричневых кристаллов. Соединение хорошо растворимо в хлороформе и дихлорметане, хуже в метаноле, этаноле и ацетоне. Выход 65-70%. Найдено, %: C 34.09, Н 3.89, N 4.01, Rh 29.43. C30H39CINsO17Rh3. Вычислено, %: С 34.06, Н 3.72, N 3.97, Rh 29.21.
ИК спектр (КВг), vmax, см"1: 623, 698, 742, 799, 1045, 1096, 1190,1349,1422 (vs(COO)), 1483, 1615 (VaS(COO)), 2927, 3458.
Значение энергии связи Rh3d5/2 310.0 эВ.
[Rh3(p3-0)(p-02CCF3)6(H20)3]02CCF3 К влажному све-жеосажденному гидроксиду родия(Ш), полученному из 1г RhCI3"4H2O, добавляли 50 мл водного раствора трифторуксус-ной кислоты (1:1). Смесь кипятили до полного растворения осадка. Образовавшийся светло коричневый раствор упаривали досуха на водяной бане. Сухой остаток растворяли в воде и упаривали досуха. Процедуру повторяли два раза (до полного удаления избытка кислоты). Полученное соединение коричневого цвета хорошо растворимо в воде, этаноле, метаноле, ацетоне и дихлорметане. Выход 75-80%. Найдено, %: C 14.34, Н 0.64, Rh 26.36. CMH6F21O18Rh3. Вычислено, %: C 14.36, Н 0.51, Rh 26.39.
ИК спектр (КВг), vmax, см"1: 735, 789, 847, 1150, 1201, 1434 (vs(COO)), 1646 (vaS(COO)), 3423
Значение энергии связи Rh3d5/2: 310.9 эВ.
FAB масс-спектр комплекса [Rhs^-OXia^CCFs^^O^] (O2CCF3), m/z (отнесение): 1056 ([Rhs(^s-O)(^-O2C-CFsM^O)^); 1039 ([Rhsüis-OXi^CCFsM^O^r); 1021 ([Rhsüis-OXi^CCFsM^O)]*); 1003 ([Rhs(|3-O)(|-O2CCF3)6]+)
Результаты и их обсуждения
Исследование кристаллов I методом РСА показало, что комплексный катион [Rhni3(|3-O)(|j-O2CCH3)6(H2O)3]+ представляет собой почти правильный треугольник из атомов родия, в центре которого находится |3-атом кислорода. Атомы родия попарно связаны ацетатными мостиковыми лигандами; в транс-положении к |3-атому кислорода расположены молекулы воды, дополняющие октаэдрическую конфигурацию атомов родия (рисунок 1).
Рис. 1. Молекулярная структура трехъядерного катиона [IТ, представленная в формате термоэллипсоидов с уровнем вероятности 50%
В кристаллической ячейке I содержатся восемь катионов №(Мз-0)(м-02ССНз)б(Н20)з]+, восемь С104--ионов и 32 молекулы воды. Особенностью соединения I является наличие разветвленной системы водородных связей между координированными и сольватными молекулами воды, атомами кислорода ацетатных и перхлоратных групп, что обеспечивает образование бесконечного трехмерного каркаса, супрамолекулярной системы. В соединении I следует особо отметить необычное участие в межмолекулярных водородных связях атомов кислорода мостиковых ацетатных групп с апикальными молекулами воды (рисунок 2).
С - \ С - \ С
(ЛО// О/Л = 2.797 Л
Рис.2. Межмолекулярные водородные связи между комплексны/ми катионами ^Ьз(^з-0)(н-02ССНз)б(Н20)зГ в соединении I, приводя-шие к образованию непрерывной (ю) цепи вдоль кристаллографической оси Ь (вид вдоль направления [101])
Для трехъядерного цз-оксоацетатного комплекса ро-дия(111) можно предположить, что первоначально в водном растворе происходит его гидролиз:
^|11Пз(Цз-0Хц-02ССНз)б(Н20)з]+ + Н20
4!
№1Пз(цз-0)(ц-02ССНз)б(Н20)2(0Н)] + Нз0+
Процесс гидролиза, по всей видимости, является стадией, которую можно отнести к активации цз-оксоацетата родия(Ш), как катализатора. Гидролизованный комплекс, образующийся в ходе такого процесса, может вступать в следующие последовательные процессы:
№1Пз(Цз-0)(ц-02ССНз)б(Н20)2(0Н)] + RSH
4! (1)
да|1шз(цз-0)(ц-02ССНз)б(Н20)2^Б)]} + Н20
4! (2)
№1^111П2(Цз-0)(ц-02ССНз)б(Н20)з] + / R-S-S-R 4! (3)
^|11^|1П12(Цз-0)(Ц-02ССНз)б(Н20)з] + / Н202 4! (4)
^|11Пз(цз-0Хц-02ССНз)б(Н20)2(0Н)]
Уравнения (1) и (4) представляют ступени, в ходе которых катализатор ^|шз(цз-0)(ц-02ССНз)б(Н20)2(0Н)] расходуется и вновь регенерируется. Реакция (1) является основной ступенью, по которой возможно образование промежуточного нестойкого комплекса родия(Ш).
В общем виде для ^|шз(цз-0)(ц-02ССНз)б(Н20)з]+ возможный каталитический цикл может быть представлен в виде схемы, показанной на рисунке 3.
Рис. 3. Возможный каталитический цикл окисления тиолов пероксидом водорода в водной среде для[ЯН113(ц3-0)(ц-02ССН3)б(Н20)3]+
Замена карбоксилатных мостиковых лигандов на три-фторацетат-ион может способствовать уменьшению устойчивости промежуточного комплекса В (рисунок 3), в силу п-акцепторных мостиковых трифторкарбоксилатных лигандов [18]. Замена апикальных молекул воды на р-пико-лин приводит только к разрушению супрамолекуярной системы. Во всех случаях механизм каталитического окисления тиолов, по-видимому, остается неизменным.
Сравнительная характеристика каталитической активности трехъядерных комплексов родия приведена на рисунке 4.
10
-е-•е-
6-
1
<-1 Соединение
Рис. 4 Гистограмма сравнения каталитической эффективности соединений родия в процессе окисления глутатиона пероксидом водорода относительно ци-Р^ЫНЬСЬ]: 1 - [Я!3(^3-0)(^-02С-СР3)б(Н20)3]02ССР3 2 - №3&3-0Х1--02ССН3)б(1Р-рС)3]СЮ4 3 -
[ЯЬ3(^3-0)(^-02ССН3)б(Н20)3]02ССН3
По результатам ВЭЖХ единственным продуктом окисления глутатиона является его окисленная форма, содержащая дисульфидную группу, т.е. процесс окисления, в данных условиях, является селективным. Каталитическая активность всех исследованных соединений, как видно из рисунка 4, превышает активность цис-[Р:(Ы1Н3)2С12], используемого в настоящее время в фармакологической промышленности.
Литература
1. Быстрова М.Ф, Буданова Е.Н. / Биол.мембраны. 2007. Т. 24. № 2. С. 115-125.
2. Октябрьский О.Н, Смирнова Г.В. / Биохимия. 2007. Т. 72. Вып. 2. С. 158-174.
3. Смирнова Г.В, Октябрьский О.Н. / Биохимия. 2005. Т. 70. Вып. 11. С. 1459-1473.
4. Проблемы современной бионеорганической химии // Сборник статей. Новосибирск: Наука, 1986. 312 с.
5. McAullffe C.A, Murray S.G / Inorg.Chim.Acta. Reviews. 1972. V. 6. P. 103-121.
6. Кукушкин Ю.Н. Химия координационных соединений. // М.: ВШ, 1985. 455 с.
7. FedoroffN. / Annal.Bot. 2006. V. 98. P. 289-300.
8. Rhee S.G, Kang S.W, Jeong W, Chang T-S, Yang K.-S, Woo H.A. / Curr.Opin. In Cell Biol. 2005. V. 17. P. 183-189.
9. Claiborne A, Yeh J.I, Mallet T.C, Luba J, Crane E.J, Charrier V, Parsonage D. / Biochem. 1999. V. 38. P. 15407-15416.
10. Reth M. / Nat.Immunol. 2002. V. 3. № 12. P. 1129-1134.
11. Торчинский Ю.М. Сульфгидрильные и дисуль-фидные группы белков. // М.: Наука. 1971. 178 с.
12. S.J. Lippard, J.M. Berg. Principles of Bioinorganic Chemistry. University Science Book 1994. 411 р.
13. Bertini, H.B. Gray, E.I. Stiefe, J.S. Valentine. Biological Inorganic Chemistry, University Science Books, 2007. 766 р.
14. Корсунская И.М, Новозинская З.М, Захарова А.Б, Константинов Е.М.// Российский журнал кожных и венерических болезней. 2008. №1. С.44-47.
15. Корсунская И. М, Дворянкова Е. В, Олейник С. С, Пирузян Е. В, Верхогляд И. В, Шашкова Т. В, Птинцев А. Ю, Константинов Е. М, Андрюшкова Ю. А. / Российский журнал кожных и венерических болезней. 2007. N 1. С. 36-39
16. Монихас Г.М, Филатова Е.И, Былинская Е.Н, Антонов В. Г, Константинов Е.М, Андрюшкова Ю.А.//Российский онкологический журнал. 2008. №1. С.23-28.
17. Альберт А. Избирательная токсичность. Физико-химические основы терапии. В 2-х томах. М.: Медицина. 1989.
18. Панина Н.С, Беляев А.Н, Симанова С.А. // Ж. Общей Химии. 2002. Т. 72. Вып 1. С. 98-103
Рекомендовано к публикации кафедрой неорганической химии СПбГТИ(ТУ)
