Молекулярный кислород —

Кобзев Г.И.

Оренбургский государственный университет

МЕХАНИЗМЫ АКТИВАЦИИ МОЛЕКУЛЯРНОГО КИСЛОРОДА В ФЕРМЕНТАТИВНЫХ ОКИСЛИТЕЛЬНО-ВОССТАНОВИТЕЛЬНЫХ РЕАКЦИЯХ

На основе модельной ферментативной реакции неэмпирическими и полуэмпирическими методами квантовой химии, проведен анализ электронных и спиновых характеристик предпоследней фазы каталитического цикла окисления субстратов кислородом с образованием пероксида водорода. Показано, что оптимальная структура активного центра фермента — глюкозооксидазы, определяется обменно-корреляционным потенциалом, а активация молекулярного кислорода может обеспечиваться не только переносом электрона на кислород, но и межмолекулярной миграцией спиновой плотности от кислорода на фермент и кофермент.

Механизм действия глюкозооксидазы (ГО) рассмотрен недавно в работах [1-5] с использованием в качестве модели FAD люмифлавина. Активный центр глюкозооксидазы моделировался соответствующим флавопротеидом, белковая часть фермента моделировалась ближайшей молекулой белкового остатка — протони-рованным гистидином (His516 ), как это следовало из рентгеноструктурных данных для глюкозооксидазы. В пространстве белкового «кармана», между протонированным гистидином и флавиннуклеотидом, располагалась молекула кислорода (рис. 1).

Расчет электронных характеристик предложенной модели приводит к спонтанному переносу электрона от молекулы ФАДН2 к молекуле кислорода в активном центре глюкозоокси-дазы [2]. Минаев Б.Ф. подчеркивал [3], что в подобном случае, может возникнуть только триплетная радикальная пара 3[FADH2 *…02-*] с параллельными спинами участников, поскольку ее образование происходит в области активного центра («внутри клетки») и спины не могут самопроизвольно переориентироваться. Однако, по мнению автора, дальнейшее протекание ферментативной реакции требует синг-летного состояния комплекса 1[FADH2 *.02‘],

что равносильно перевороту спина в супероксид-ионе, а это в свою очередь объясняется большой величиной СОВ в О2-. Таким образом, активация кислорода связана с эффектами СОВ и медленным лимитирующим процессом в ферментативных реакциях окисления является не перенос электрона, а спин-орбитальное взаимодействие [4].

За этой медленной стадией следуют известные процессы, приводящие либо к образованию радикалов НО 2 и, в дальнейшем к Н202, либо к окислению белков кислородом.

В рассмотренном примере, молекула 02 в активном центре глюкозооксидазы, после присоединения электрона от молекулы РАБН2 превращается в супероксид-ион О-* и тем самым активируется [1]. Однако, активация молекулы 02 представляет собой весьма сложный процесс, который не может быть описан только одним механизмом. В научной литературе понятие «активация молекулярного кислорода» представляет собой весьма неоднозначный термин. Одни исследователи подразумевают под активной формой кислорода супероксид ион О 2-, или молекулярный ион О — -, другие возбужденный син-глетный кислород а1 А Ь1!^, третьи — кислород с удлиненной связью О-О в основном триплет-ном состоянии X3! — или в спин-заг-

Р’ §

рязнении, возникающим вследствие | —N4 обменного смешивания ионных или

других спиновых состояний в меж-‘о-о, молекулярных системах, содержа-

щих кислород. Важно отметить, что каждый тип активации молекулярного кислорода определяется свойствами окружения кислорода и представляет собой интегральный процесс. Взаимное влияние молекулы кислорода и сближающегося с ним партнера под воздействием обменно-корреляционного потенциала и спиновой взаимополяризуемости,

а б в

Рисунок 1. Модель активного центра глюкозооксидазы:

(а) исходная модель каталитического цикла;

(б) радикальная пара; (в) предпоследняя фаза каталитического цикла с образованием пероксида водорода

может приводить к индуцированию зарядовой и спиновой плотности на атомах, вызывая селективное смешивание ОА. Это порождает множество механизмов частичной активации кислорода по разному типу. Один из них — снятие спинового запрета вследствие спиновой поляризации, что может приводить к перераспределению спиновой плотности на атомах кислорода в молекуле О2, а также к просачиванию спиновой плотности с О2 на фермент и кофермент в некоторых стационарных точках, соответствующих строго определенному взаимному расположению фрагментов.

Уменьшение спиновой плотности на кислороде за счет расфазировки спина, удаляет его от триплетного состояния и приближает к специфическому промежуточному интермедиату со спиновыми характеристиками формально близкими синглетному кислороду (когда спиновая плотность на каждом атоме кислорода взаимно скомпенсирована или становится равной нулю) (рис. 2). Этот процесс также можно назвать активацией [6], то есть снятием спинового запрета, но не за счет механизма, способствующего активации кислорода при «заимствовании» интенсивности перехода а-Х из индуцированного межмолекулярным взаимодействием перехода Ь-а [7, 8], а за счет специфического обменного внутримолекулярного и межмолекуляр-ного взаимодействия [9, 10]. Хотя вероятность образования а(1 А§) вследствие возрастания величины момента М(Ь-а) в этом случае остается.

Для обоснования предложенного механизма активации кислорода, проявляющегося при изменении взаимного расположения межмолекуляр-ных систем содержащих кислород, проведен компьютерный эксперимент для модельного тройного комплекса 3[Люмифлавин … О2 … №8516 ]. На рисунке 3 изображена предпоследняя фаза каталитического цикла ферментативной реакции с образованием пероксида водорода [6].

Расчеты электрических и спиновых характеристик комплекса осуществлялись неэмпирическими методами в базисе 8Т0-30 и методом функционала плотности (ОБТ) с обмен-

но-корреляционным потенциалом В3-ЬУР, а также полуэмпирическими методами в приближении РМ3, €N00 в рамках неограниченного Хар-три-Фока. Анализ позволил сравнить значения обменно-корреляционного потенциала в отдельных стационарных точках при различном взаимном расположении фрагментов вокруг кислорода. За координату реакции было принято расстояние между атомом водорода связи № -Н в лю-мифлавине и атомом кислорода (О2) в дальнейшем именуемое Я1. Стационарные точки выбраны в интервале [1.5ч5]Е с шагом 0.5 (рис. 3).

Для каждой стационарной точки фиксированного расстояния ^ проведено компьютерное моделирование реакции взаимодействия Лю-мифлавин О2. За координату реакции принято расстояние от атома водорода связи Н -№5 гистидина и вторым атомом молекулярного кислорода, не связанным с люмифлавином, которое в дальнейшем именуется как ^ (рис. 3).

На первом этапе были проведены следующие предварительные расчеты:

— оптимизация люмифлавина методом молекулярной механики Мм , а также методами МШ00/3 и РМ3. На основе расчетов была выбрана геометрия окисленного и восстановленного люмифлавина, полученного методом РМ3

[11]. Длины связей, порядки связей, заряды на атомах хорошо согласуются с результатами расчетов работы [2], но не совпадают с результатами, полученными методом Хюккеля и приведенными в справочнике по биохимии [12];

— оптимизация двойного комплекса 3[Лю-мифлавин … О2] методом РМ3, где для каждого Я1 [О-Н№] сканировалось значение угла а1 меж-

‘ ОТО 510.021

о.оіЧгогз

Рисунок 2. Спиновая плотность на атомах в тройном комплексе 3[Люмифлавин … 02 … Нм516 ] для одной из стационарных точек. Спиновая плотность на атомах кислорода распарена (0.46; -0.48) и формально соответствует синглетному молекулярному кислороду.

ду связями (014-013) и (H4- N1), которое изменялось в интервале [30 ч 180°]. Геометрия двойного комплекса для каждого фиксированного R1 и найденным для него значением угла а1 соответствовала минимальной энергии выбранной стационарной точки в комплексе 3[Люмифлавин … 02] и, в дальнейшем, использовалась для определения стационарных точек в тройном комплексе 3[Люмифлавин. 02.His516 ];

При расчете характеристик тройного комплекса были найдены стационарные точки, каждая из которых определялась полученными на предварительном этапе R1i a1i и R2i a2i, где R2i и a2i выявлены в результате оптимизации геометрии тройного комплекса, методом Мм (рис. 3).

Например, для стационарной точки R1=5 Е, а1=120° оптимизировалось R2 и а2, при этом в результате расчета угол a1 несколько изменялся. П осле этого тройной комплекс 3[Люмифлавин . 02. His516 ] изучался различными неэмпирическими и полуэмпирическими методами в стационарной точке (R1 = 5 Е, a1=120°, R2, а2).

Затем выбирали значение R1 =4 Е и соответствующее ему значение угла а1=180°, проводили оптимизацию тройного комплекса, получая новые значения R2′, а2′ и так далее.

1. Расчет электронных и спиновых характеристик тройного комплекса 3[Люмифлавин … 02 … ИІ8516 ] методом РМ3 без учета КВ

Результаты проведенных расчетов приведены в таблице 1.

Для стационарной точки Я1 =4 Е; И2 = 1.23 Е триплетный комплекс соответствует синглет-ному кислороду, р(012)=0; р(013)=0. Два спина, обуславливающие триплетное состояние комплекса, локализованы на люмифлавине (один на атоме азота (К1) хиноидной группы -р(№)=0.93, а второй на атоме кислорода р

(012)=0.983 рис. 1, табл. 9). Спиновая плотность триплетного люмифлавина в комплексе частично совпадает с распределением спиновой плотности в триплетном состоянии изолированного люмифлавина, рассчитанной методом РМ3, где спиновая плотность локализована также на хиноидной группе.

Для значений Я1=3.5 Е; И2 = 1.23 Е один из спинов делокализован по атомам молекулярного кислорода р(014)=0.4; р(013)=0.6, второй спин локализован на атомах азота в молекуле лю-мифлавина р(№°)=0.106; р(№)=0.564, остальная часть спина размазана по атомам изоаллокса-зинового ядра. При этом наблюдается спиновой индуктивный эффект в ароматическом кольце люмифлавина, когда на соседних двух атомах локализована значительная спиновая плотность, но разного знака. Суммарная спиновая плотность в ароматическом кольце при этом близка к нулю. Подобный спиновый эффект отмечается на атомах триплетного люмифлавина.

Я1=3 Е; И2 = 1.03 Е. Данная стационарная точка, согласно расчетам РМ3, характеризуется специфическим распариванием спиновой плотности между фрагментами межмоле-кулярного комплекса без изменения полного спина системы. Например, на атомах молекулярного кислорода делокализована избыточная спиновая плотность бета электрона р(014)=-0.21;

р(013)=-0.74 в то время как на атомах люмифлавина делокализова-на избыточная спиновая плотность альфа электрона равная единице, большая часть которой сосредоточена на атоме азота р(№)=0.56. Спин- поляризация и спин- индук-

Рисунок 3. Взаимное расположение фрагментов в комплексе 3[Люмифлавин … 02 … Нк516 ] с указанием порядковых номеров и межмолекулярного расстояния Я2.

Таблица 1. Спиновые плотности триплетного комплекса 3[Люмифлавин … 02 … Н1в516 ] с зарядом 1, рассчитанные методом РМ3 в рамках неограниченного Хартри — Фока

Символ и номер атома Спиновые плотности

R1=1,5 R2=1,06 R!=2 R2=1,02 Ri=2,5 R2=1,08 R1=3 R2=1,03 R1=3,5 R2=1,23 R1=4 R2=1,23

N1 0,083 0,002 0,067 0,070 0,063 0,931

C2 -0,012 -0,001 -0,010 -0,010 -0,008 0,008

N3 -0,014 -0,001 -0,013 -0,012 -0,012 0,002

Л C4 -0,021 -0,007 -0,016 -0,013 -0,011 0,016

ю C4a 0,121 0,058 0,067 0,062 0,046 0,001

м N5 0,543 0,011 0,558 0,559 0,564 0

и C5a -0,230 -0,015 -0,197 -0,184 -0,151 0

ф C6 0,288 0,016 0,258 0,238 0,198 0

л C7 -0,274 -0,016 -0,247 -0,227 -0,189 0

а C8 0,331 0,017 0,317 0,298 0,267 0

в C9 -0,312 -0,016 -0,294 -0,275 -0,240 0

и C9a 0,308 0,017 0,294 0,278 0,521 0

н N10 0,096 0 0,108 0,107 0,106 0,001

C10a 0,013 -0,065 0,042 0,047 0,056 0,053

O11 0,026 -0,001 0,022 0,023 0,020 0

O12 0,037 0,010 0,030 0,027 0,025 0,983

о2 O13 0,566 0,999 0,696 -0,738 0,604 0

O14 0,447 0,779 0,204 -0,205 0,400 0

N15 -0,094 0,187 -0,036 0,300 -0,103 0

C16 0,085 -0,107 0,094 -0,229 0,094 0

His 516 C17 -0,120 0,108 -0,125 0,775 -0,128 0

N18 -0,014 -0,102 -0,010 0,136 -0,016 0

C19 0,152 0,186 0,200 1,002 0,173 0

тивный эффект в ароматическом кольце лю-мифлавина сохраняются.

Кроме того, избыточная спиновая плотность бета-электрона, равная минус два, дело-кализована по атомам His 516 пятичленного цикла р(С17) = 0.78; р(С19) = 1.00 (табл. 1). При этом наблюдается незначительная спиновая поляризация на остальных атомах пятичленного цикла гистидина р(С16) = — 0.23; p(N15) = 0.3; p(N18) = 0.14.

Точка R1= 2.5 Е; R = 1.08 Е характеризуется схемой распаривания, в которой один спин альфа делокализован по атомам молекулярного кислорода р(014) = 0.204; р(013) = 0.696, а второй спин альфа делокализован по атомам изо-аллоксазинового ядра. Наибольшая плотность наблюдается на атомах азота р(№0) = 0.108; р(№) = 0.558. При этом спин-поляризация и спин-индуктивный эффект в ароматическом кольце люмифлавина и в пятичленном цикле гистидина сохраняется, как и для других точек межмолекулярного расстояния R.

Стационарная точка — R1= 2 Е; R = 1.02 Е характеризуется спиновым состоянием молекулярного кислорода, близким к триплетному -р(014) = 0.779; р(013)=0.999, и достаточно высоким значением энергии из всех проанализированных ранее, при этом в присутствии триплетного молекулярного кислорода индуцируется

незначительная спиновая плотность на атомах ароматического кольца люмифлавина и пятичленного цикла His 516 , которая вследствие спин-индуктивного эффекта взаимно компенсируется.

В стационарной точке R1= 1.5 Е; R = 1.06 Е наблюдается специфическое спиновое состояние. Один из спинов альфа делокализован на атомах молекулярного кислорода р(014) = 0.447; р(013) = 0.556. Второй спин альфа делокализован по атомам люмифлавина. Наибольшая спиновая плотность, как и для других рассмотренных точек, наблюдается на атоме азота р(№) = 0.543.

Спиновой индуктивный эффект в ароматическом кольце люмифлавина и пятичленном цикле His 516 сохраняется при изменении расстояния R1 (Люмифлавин — кислород). Исходя из анализа таблицы 1 следует, что в тройном комплексе возникают различные схемы спаривания спиновой плотности на фрагментах, каждая из которых характеризуется определенным значением энергии.

2. Расчет электронных и спиновых характеристик в тройном комплексе методом ab initio в базисе STO-3G

Электронные и спиновые характеристики комплекса 3[Люмифлавин … 02 … His516 ] для разных межмолекулярных расстояний R1, R2

представлены в таблицах 2 и 3. Каждая стационарная точка, так же как и в расчетах PM3, характеризуется специфической схемой распаривания спиновой плотности на фрагментах.

Стационарная точка R1=4 E; ^ = 1.23 E характеризуется спиновой плотностью на атомах молекулярного кислорода, равной нулю, что соответствует синглетному кислороду. Спиновая плотность, обуславливающая триплетное состояние тройного комплекса, делокализована на атомах шестичленного цикла люмифлавина p(№) = G.276; p(C2) = G.599; p(N3) = G.336; p(012) = 0.671.

Комплекс в стационарной точке R1= 3.5 E; R = 1.23 E характеризуется следующим распределением спиновой плотности: p(014) = G.GS5; p(013)=0.913, то есть на молекулярном кислороде локализован один спин альфа, а второй альфа-спин делокализован по атомам молекулы люмиф-лавина. При этом наибольшая спиновая плотность наблюдается на атоме азота p(N5) = G.541 (p(N5) = G.564 PM3, R1 = 3.5 E). Индуктивный спиновый эффект в ароматическом ядре люмифла-вина и пятичленном цикле гистидина сохраняется, как и в расчетах методом PM3. 0днако абсолютные значения компенсирующихся спиновых плотностей на соседних атомах больше, чем значения, полученные методом PM3.

Спиновая плотность на атомах молекулярного кислорода в стационарной точке R1 = 3E; ^ = 1.G3 E составляет p(014) = G.314; p(013) = 1.623. Данное спиновое состояние соответствует перераспределению спиновой плотности между атомами триплетного молекулярного кислорода. Спиновый индуктивный эффект в остальных фрагментах сохраняется.

Стационарная точка R1= 2.5 E; ^ = 1.G8 E соответствует практически классическому триплетному молекулярному кислороду p(014) = G.9G6; p(013) = 1.086. На отдельных атомах люмифлавина, как и для точек R1=3E; 3,5E, наблюдается спин-поляризация p(C4a) = G.45S; p(C1Ga) = -0.482; p(C4) = -G.439; p(012) = 0.496. Спиновый индуктивный эффект в ароматическом кольце сохраняется.

0дин из спинов альфа для стационарной точки R1= 2 E; R = 1.G2 E локализован на 013 молекулярного кислорода p(013) = G.97, а второй спин на атоме кислорода 012 карбонильной группы С4 = 012 люмифлавина p(012) = 1.047.

Согласно расчетам PM3 в точке R1= 1.5 E; R = 1 .G6 E на углеродном атоме С4а, который совместно с атомом азота N5 образует циклическое шиффово основание, локализована от-

рицательная зарядовая плотность q (С4а) = -0.401, а на атомах углерода С10а; С2; и С4 люмифлавина сосредоточены заряды q(C1(k) = 0.042е; q (С2) = 0.208; q (С4) = 0.307 (в расчетах аЬ initio в базисе STO -3G эти заряды равны 0.172; 0.402; 0.264 соответственно), что согласуется с предположением Гамильтона [14] о том, что более обычным пунктом присоединения нуклеофилов является углеродный атом С4а, а другие электрофильные центры молекулы, такие как 2-, 4-, 10а, — углеродные атомы люмифлавина являются нереакционноспособными.

Это косвенно доказывает правильность проведенных квантово-химических расчетов.

Спиновая плотность в тройном триплетном комплексе в данной стационарной точке лить незначительно отличается от классического триплетного молекулярного кислорода р(014) = 0.902; р(013) = 1.047. Остальные спиновые характеристики качественно эквивалентны характеристикам при R1= 2.5 Е.

Кривая поверхности потенциальной энергии (ППЭ) аЬ initio расчетов (рис. 4) качественно совпадает с кривой ППЭ расчетов РМ3 (рис. 5), что еще раз подтверждает достоверность полученных результатов для одних и тех же стационарных точек как неэмпирическим методом, так и полуэмпирическим.

АЬ initio расчеты с учетом обменно-корреляционной энергии, рассчитанной по методу Moller-Plessita (МР2), показывают, что в стационарной точке R1=2.5,R1=1.08E полная электронная энергия комплекса достигает минимума и соответствует -970182.38 ккал/моль, обменно-корреляционная энергия также минимальна и составляет -1034.15 ккал/моль, а в точке R1= 3 Е, R = 1.06 Е энергия МР2 равна минус 1034.96 ккал/моль. Оба значения практически совпадают и являются минимальными по сравнению с энергией МР2 для других стационарных точек, при этом в обеих точках кислород формально триплетный, однако в точке R1 = 3 Е на атомах кислорода наблюдается перераспределение спиновой плотности р(014) = 0.314; р(013) = 1.623.

Полученные значения указывают на то, что в стационарных точках спиновая плотность на атомах молекулярного кислорода может отличаться от единицы, то есть молекула кислорода активирована и запрет по спину для реакции взаимодействия с кислородом в комплексе частично снят за счет перераспределения спиновой плотности во фрагментах, причиной возникновения которой является индуцирование

Таблица 2. Сравнительные электронные характеристики энергий триплетного комплекса 3[Люмифлавин … 02 … His516 ], рассчитанные в рамках неограниченного Хартри — Фока методами РМ3

и аЬ initio с учетом энергии корреляции MP2

Методы Межмолекулярные расстояния

Ri=1,5 R2=1,06 R1=2 R2=1,02 R1=2,5 R2=1,08 R1=3 R2=1,03 R1=3,5 R2=1,23 R1=4 R2=1,23

РМ3 Еполн, -126985,95 -126908,56 -126986,42 -126944,95 -126999,06 286219,91

ДИ 0 109,87 187,26 109,40 150,87 102,76 413315,75

Ab initio Еполн, -968584,5 -968456,06 -970182,38 -968566,69 -968606,56 -626173,38

MP2 -1003,02 -1026,09 -1034,15 -1034,96 -982,17 -141,66

Е у •‘-‘полная ^ MP2 -969587,52 -969482,15 -971216,53 -969601,65 -969588,73 -626315,04

Таблица 3. Распределение спиновой плотности в триплетном комплексе 3[Люмифлавин … 02 … His516 ] с зарядом 1, рассчитанное ab initio методом в базисе STO-3G

Спиновые плотности

атома R1=1,5 R2=1,06 R1=2 R2=1,02 R1=2,5 R2=1,08 R1=3 R2=1,03 R1=3,5 R2=1,23 R1=4 R2=1,23

N1 0,029 -0,011 -0,035 -0,018 0,093 0,276

C2 0,098 0,047 -0,128 0,024 -0,460 0,599

N3 -0,026 0,081 -0,051 -0,023 0,101 0,336

Л C4 -0,632 -0,157 -0,439 -0,291 -0,532 0,095

Ю C4a 0,707 0,105 0,458 0,372 0,1888 0,001

м N5 -0,008 -0,003 0,005 0,004 0,541 0

и C5a -0,472 0,126 -0,457 -0,610 -0,658 0

ф C6 0,518 -0,132 0,497 0,663 0,746 0

л C7 -0,513 0,132 -0,493 -0,660 -0,729 0

а C8 0,516 -0,133 0,495 0,667 0,752 0

в C9 -0,519 0,133 -0,499 -0,673 -0,761 0

и C9a 0,498 -0,130 0,482 0,645 0,712 0

н N10 0,025 0,011 -0,002 -0,016 0,034 0

C10a -0,715 -0,072 -0,482 -0,391 0,053 0,001

O11 -0,117 -0,043 0,151 -0,028 0,093 0,053

O12 0,659 1,047 0,496 0,332 0,519 0,671

о2 O13 1,047 0,970 1,086 1,623 0,085 0

O14 0,902 -0,010 0,906 0,314 0,913 0

N15 0,518 -0,740 0,319 -0,339 -0,739 0

His 516 C16 -0,346 0,689 -0,239 0,272 0,687 0

C17 0,504 -00,763 0,354 -0,413 -0,748 0

N18 -0,086 -0,001 0,059 -0,055 -0,027 0

C19 -0,728 0,940 -0,483 0,669 0,906 0

обменно-корреляционного потенциала во фрагментах молекулярным кислородом.

Таким образом, в тройном кислородном комплексе, содержащем триплетный кислород, так же, как и в двойных кислородных комплексах [Люмифлавин…02] и [02…Н18516 ], фрагменты, окружающие кислород, под влиянием обменно-корреляционного потенциала всей системы координируются относительно кислорода и друг друга так, что в конечном итоге обменно-корреляционный потенциал всей системы в стационарной точке с минимальным значением полной электронной энергии принимает также минимальную величину (т. е. обменное взаимодействие максимально, см. табл. 3),

а спиновая плотность на атомах молекулярного кислорода отличается от единицы, что облегчает протекание химической реакции с активированным кислородом.

Заключение

Анализ результатов расчетов электронных и спиновых характеристик для специально сформированных стационарных точек в тройном комплексе 3[Люмифлавин…О2…НІ8516 ] различными квантово-химическими методами позволяет заключить:

— присутствие триплетного кислорода вызывает индуцирование взаимокомпенсирован-ной спиновой плотности на атомах люмифла-

0.5

1.5

2.5

3.5

R1,A

4 4.5

-200000 —

-400000 —

-600000 —

-800000

-1000000

-1200000 J

E, ккал/моль

Рисунок 4. Полная энергия для точек с различными схемами спаривания спиновой плотности в триплетном комплексе 3[Люмифлавин — 02 — His516 ], рассчитанная аЬ initio методом

Рисунок 5. Полная энергия для точек с различными схемами спаривания спиновой плотности в триплетном комплексе 3[Люмифлавин — 02 — Шв516 ], рассчитанная методом РМ3

вина и белкового остатка, при этом возникают различные схемы распаривания без изменения полного спина системы. Каждая схема распаривания характеризуется своей энергией, а спиновые плотности на атомах кислорода в основном не отвечают триплетному кислороду;

— при различном расположении фрагментов относительно кислорода спиновая плотность на атомах самих фрагментов и на атомах 02 может изменяться без изменения полного спина системы, что приводит к частичному снятию спинового запрета в молекулярном кислороде при его спонтанной ориентации в активном ферментативном центре глюкозооксидазы;

— расчеты аЬ initio в базисе STO 3G показывают, что в стационарной точке с минимальным значением полной электронной энергии наблюдается максимальное обменное взаимодействие внутри систем. Это проявляется в индуцировании спиновой плотности и ее спин-поляризации на атомах ароматического кольца люмифлавина и атомах гистидина. При этом

спиновая плотность на атомах молекулярного кислорода отличается от единицы, что облегчает протекание ферментативной реакции с активированным кислородом;

— суммарная спиновая плотность на лю-мифлавине и гистидине отлична от нуля и различается для каждой стационарной точки, то есть при сближении синглетного кислорода с люмифлавином и His516 происходит миграция спиновой плотности с люмифлавина на гистидин и обратно;

— расчеты всех уровней подтверждают ранее предложенный механизм гидрирования FAD Г амильтона, основанный на присоединении гидрид-иона Н? в положении N5. При этом протон должен присоединяться в положении N Заряды на атомах N N1 в молекуле FAD равны в окисленной форме q(N5) = 0.12, для q(N1) = -0.24; в восстановленной форме qN5 = 0.174, qN1 = 0.114 соответственно, что косвенно подтверждает правильность качественных выводов.

Список использованной литературы:

1. Prabhakar R., Siegbahn P., Minaev B.F. A theoretical study of the dioxygen activation by glucose oxidase // Biochem. Biophys. Acta. Bioenergetics. — 2003. — V. 1647. — P. 173-178.

2. Минаев Б.Ф., Минаева B.A., Лещенко В.Н. Модели электронного строения флавопротеидов и механизм действия оксидаз.

3. Минаев Б.Ф. Ферментативный спин-катализ. Активация 02 флавопротеидами и металл-оксигеназами // Вестник ЧИТИ, 2001.№3. С. 12-16.

4. Минаев Б.Ф. Механизмы активации молекулярного кислорода ферментами // Вестник ЧИТИ, 2001. №4. С. 123

5. Klinman J.P. Life as aerobes: are there simple rules for activation of dioxygen by enzymes // J. Biol. Inorg. Chem., 2001. 6, P. 1-13.

6. Кутовая O.B., Кобзев Г.И.. Поляризация спиновой плотности на FAD и His516 при активации кислорода в каталитическом цикле // Матер. Междун. конф. студ. и аспир. по фунд. наукам «Ломоносов-2004». Секция «Химия», т. 2. М., 2004. С. 128Т.

7. Minaev B.F., Lunell S., Kobzev G.I. The influence of intermolecular interaction On the forbidden near-IR transitions in molecular Oxygen // J. of Mol. Struct.(Theochem) 284. 1993 с. 1-9.

8. Minaev B.F., Kobzev G.I. Response calculations of electronic and vibrational transitions in molecular oxygen induced by interaction with noble gases // J. Spectrochimica Acta Part A 00 (2003) p.1-24

9. Кобзев Г.И. Зависимость моментов переходов (a-X) и (b-a) в кислороде от структуры и числа молекул в среде и их взаимной ориентации. // Труды VII Менделеевского съезда по общей и прикладной химии. Казань, 19-24 сентября 2003 г. Т. 1. С. 140.

10. Кобзев Г.И. Зависимость электродипольных моментов переходов М(а-Х) И Мф-a) в 02 от взаимного расположения молекул С2Н4 и N2 в тройном комплексе столкновений С2Н4 — 02 — N2 // Труды региональной школы-семинара квантово-химические расчеты: структура и реакционная способность органических и неорганических молекул. Иваново, 12-15 апреля 2003 г. С. 8-12.

11. Stewart J.J.P. The PM3 Quantum Chemistry Program // J. Comp. Chem. — 1989. — №10. — P. 209.

12. Справочник по биохимии М.: Мир, 1971 г. — 1001 с.

13. Мецлер. Биохимия. Т. 2, с. 134. М.: Мир, 1980. — 560 с.

14. Терней А. Современная органическая химия. Т. 2. — М.: Мир, 1981. — 651 с.

>1

1ЕТОЧНЫЕ МЕХАНИЗМЫ ИНОГО КИСЛОРОДА

А. Мартусевич, младший научный сотрудник отделения экспериментальной медицины;

С.П. Перетягин, д.м.н., профессор, руководитель отделения экспериментальной медицины;

А.К. Мартусевич, к.м.н., старший научный сотрудник отделения экспериментальной медицины

Нижегородский НИИ травматологии и ортопедии Минздравсоцразвития России, Н. Новгород, 603155,

Верхне-Волжская набережная, 18

Рассмотрена малоизученная форма активированного кислорода — синглетный кислород. Проанализированы физико-химические свойства (электронная конфигурация молекулы, реакционная способность, особенности). Указаны ферментативные и неферментативные пути генерации синглетного кислорода в организме. Подробно раскрыты биологические эффекты соединения как регулятора клеточной деятельности, в том числе определяющего механизм инициации апоптоза. Описана взаимосвязь генерации синглетного кислорода и фотодинамического эффекта. Систематизированы данные о молекулярных и клеточных механизмах действия синглетного кислорода на биологические системы. Показано, что синглетный кислород за счет собственной высокой реакционной способности может выступать как повреждающий агент в отношении структурных белков, ферментов и нуклеиновых кислот, приводя к формированию различной патологии (сахарный диабет, кардиоваскулярные заболевания, катаракта и др.). На клеточном уровне «мишенью» эффекта синглетного кислорода являются мембраны клеток, в которых под влиянием соединения происходит окислительная деградация фосфолипидов. Рассмотрена роль синглетного кислорода как центральной молекулы, обеспечивающей эффект фотодинамичес-кой терапии за счет регулирования «ансамбля» активных форм кислорода. Подчеркивается, что рациональное использование свойств синглетного кислорода как активной формы является основой фотодинамической терапии, находящей применение, в частности, при патологии онкологического и профиля.

Ключевые слова: активные формы кислорода, синглетный кислород, перекисное окисление липидов, фотодинамическая терапия.

English

Molecular and cell mechanisms of singlet oxygen effect on biosystems

А.А. Martusevich, Junior Research Worker, the Experimental Medicine Department;

s.P. Peretyagin, D.Med.Sc., Professor, Head of the Experimental Medicine Department;

M. Martusevich, PhD, Senior Research Worker, the Experimental Medicine Department

Nizhny Novgorod Research Institute of Traumatology and Orthopedics, Ministry of Health and Social Development of Russia,

Verkhne-Volzhskaya naberezhnaya St., 18, Nizhny Novgorod, Russian Federation, 603155

There has been considered a poorly studied form of activated oxygen — singlet oxygen. Its physicochemical properties (electron configuration of a molecule, reactive capacity, features) are analyzed, and enzymic and nonenzymic ways of singlet oxygen generation in body are specified. There are shown in detail biological effects of the compound as a regulator of cell activity including that determining the mechanism of apoptosis initiation. The relation of singlet oxygen and photodynamic effect is described. There is organized the data on molecular and cell mechanisms of singlet oxygen effect of biological systems. Singlet oxygen due to its high reactivity is shown to have damage effect on structural proteins, enzymes and nucleic acids resulting in different pathologies (diabetes mellitus, cardiovascular diseases, cataract, etc.). On cell level, “the target” of singlet oxygen effect is cell membranes where phospholipid oxidative degradation is initiated by singlet

Для контактов: Мартусевич Анастасия Анатольевна, тел. моб. 7 920-020-72-15.

oxygen. There is considered the role of singlet oxygen as a central molecule providing the effect of photodynamic therapy due to the regulation of “the ensemble” of active oxygen forms. The rational use of the properties of singlet oxygen as its active form is emphasized to be the base of photodynamic therapy. The latter is used in particular, in oncological and cardiosurgical pathologies.

Key words: active oxygen, singlet oxygen, lipid peroxidation, photodynamic therapy.

Многие физиологические процессы организма человека в норме и при патологии протекают с участием свободных радикалов, образующихся в результате окислительно-восстановительных реакций [1-5]. Перекисное окисление липидов (ПОЛ) является важным фактором обновления состава мембран, модификации их функций и перехода клетки из одного функционального состояния в другое [1, 2, 6-13]. Повреждающему эффекту свободных радикалов и активированных форм кислорода (АФК) противостоит система противоокислительной защиты, главным действующим звеном которой являются антиоксиданты — соединения, способные тормозить окислительные процессы, уменьшать интенсивность свободнорадикального окисления, нейтрализовать свободные радикалы путем обмена собственного (в большинстве случаев) атома водорода на кислород свободных радикалов [1, 3, 5, 13-16]. АФК представляют собой ионы кислорода, свободные радикалы и перекиси как неорганического, так и органического происхождения (рис. 1). Это, как правило, небольшие молекулы с исключительной реактивностью благодаря наличию неспаренного электрона на внешнем электронном уровне [3, 17, 18]. Они постоянно образуются в живой клетке, являясь продуктами физиологического метаболизма кислорода или результатом действия ионизирующего излучения [4, 10, 19-23].

Одной из форм АФК является синглетный кислород (СК), который впервые был получен в 1924 г. Первый аппарат синглетно-кислородной терапии VALKION (Ро1^а1к АВ, Швеция) появился на рынках медицинской аппаратуры в 1996 г. как альтернативный метод стимуляции антиоксидантной защиты, основанный на синглетно-триплетном дипольном переходе. Физико-химическая концепция синглетно-кисло-родной терапии базируется на фотохимической сенсибилизации воздуха и воды с созданием в активационной камере медицинского аппарата СК — высокореактивного вещества с очень коротким периодом полураспада [19,

21, 24-27]. Вследствие трансформации СК образуются вторичные долгоживущие физиологически активные синглетно-кислородные факторы, вызывающие цепь биохимических и биофизических реакций внутри клеток [11, 17, 25, 28-32].

В 1998 г. научно-методический центр «Мединтех» (Украина) выполнил разработку, а с 2000 г. приступил к серийному производству аппаратов для синглетно-кислородной терапии

[3]. В качестве источника излучения для образования СК в аппарате используется генератор жесткого ультрафиолетового излучения. Для увеличения эффективности образования СК в аппаратах применен принцип двойной магнитной обработки пароводяной смеси. На первом этапе пароводяная смесь проходит турбовихревое омагничивание. На втором этапе выполняется ее активация жестким ультрафиолетовым излучением в магнитном поле. Предложенный принцип обработки пароводяной смеси способствует возникновению спиновой поляризации электронных облаков, энергетической устойчивости и увеличению эффективности терапевтического действия синглет-но-кислородной смеси.

Оказалось также, что обработка пароводяной смеси жестким ультрафиолетовым и квазилазерным излучением в магнитном поле ведет к образованию не только СК, но и оксида азота (N0) [3, 10, 21, 33]. Известно, что оксид азота является универсальным регулятором физиологических и метаболических процессов как в отдельной клетке, так и в целом организме [15, 34]. Этому мессенджеру, продуцирующемуся в организме эндотелием сосудов, придается особое значение в регуляции тонуса сосудов, воспаления и иммунного ответа [34-36]. Установлено, что данное соединение обладает сосудорасширяющим, иммуномодулирующим и противовоспалительным действием, а также оказывает антиатерогенный эффект [32, 34, 36, 37].

Физико-химические свойства синглетного кислорода

Синглетный кислород — общее название для двух метастабильных состояний молекулярного кислорода с

Рис. 1. Классификация биорадикалов [3]

Рис. 2. Диаграмма молекулярных орбиталей для синглетного кислорода [3]

более высокой энергией, чем в основном, триплетном, состоянии (рис. 2).

Энергетическая разница между самой низкой энергией 02 в синглетном состоянии и наименьшей энергией триплетного состояния составляет около 11 400 К или 0,98 эВ и соответствует переходу в близком к ИК диапазоне (около 1270 нм) [2, 3, 38, 39]. В изолированной молекуле переход запрещен по правилам отбора, поэтому прямое возбуждение кислорода в основном состоянии светом для образования СК крайне маловероятно, хотя и возможно. Как следствие, СК в газовой фазе — экстремально долгоживущий (период полураспада состояния при нормальных условиях — 72 мин) [25, 29, 30, 33, 40, 41]. Взаимодействие с растворителями уменьшает время жизни до микросекунд или даже до наносекунд. Химия СК отличается от химии кислорода в основном состоянии. СК способен принимать участие в реакциях Дильса-Альдера. Он может быть сгенерирован в фотовозбуждаемых процессах переноса энергии от окрашенных молекул, таких как метиловый синий или порфирины, при спонтанном разложении триоксида водорода в воде или в реакции пероксида водорода с гипохлоритом [3, 39, 42]. Прямое определение СК возможно по его очень слабой фосфоресценции при 1270 нм, которая не видима глазом. Однако при высоких концентрациях СК может наблюдаться флюоресценция так называемых димолей синглетного кислорода (одновременная эмиссия двух молекул СК при столкновениях) как красное свечение при 634 нм [30, 39, 42].

Биологические эффекты синглетного кислорода

В биологии млекопитающих СК рассматривают как одну из особых АФК [3, 19, 30]. В частности, это соединение связывают с окислением холестерина и развитием сердечно-сосудистых заболеваний [28, 33, 43-45]. Антиоксиданты на основе полифенолов могут снижать концентрацию АФК и предотвращать данные эффекты. Предполагается, что молекулы СК могут оказаться важнейшими регуляторами клеточной жизнедеятельности, определяющими механизм инициации апоптоза [9, 10, 19, 31, 46]. У большинства живых клеток в темноте основным источником генерации СК служит спонтанная дисмутация супероксидных анионов. Вероятно, любая биологическая система, в которой образуется супероксидный анион-радикал, может быть активным источником СК [2, 3]. Однако последний возникает и в темновых ферментативных реакциях

в отсутствие супероксидного аниона-радикала. Фото-динамический эффект обнаружен у всех живых организмов. У прокариот в результате фотодинамического действия индуцируются повреждения многих типов: утрата способности формировать колонии, повреждение ДНК, белков, клеточной мембраны [19, 28, 31, 33, 38, 47-50]. Причина указанных нарушений — фотоокисление некоторых аминокислот (метионина, гистидина, триптофана и др.), нуклеозидов, липидов, полисахаридов и других клеточных компонентов [2, 25, 28, 33]. Перехватчиками СК являются различные биологически активные соединения: липиды, аминокислоты, нуклеотиды, токоферолы и др. [5, 11, 13, 51-55].

То парадоксальное обстоятельство, что СК — высокоактивная электрофильная частица — оказывает антиоксидантное действие, можно объяснить инактивацией НАДФН-оксидазы. Следует отметить, что указанный эффект наблюдается лишь в узком диапазоне доз, тогда как высокие дозы цитотоксичны [3, 9, 16, 32].

Известно, что видимый и ультрафиолетовый свет малой интенсивности вызывает в клетках определенные фотобиологические процессы [19, 22, 29, 39, 56]. Существует определенная связь между действием СК и фотодинамической терапией (ФДТ), предлагаемой для лечения артериосклероза, рестеноза после ангиопластики, а также злокачественных новообразований [4, 25]. При ФДТ происходит образование СК, что отчасти обусловливает ее деструктивное влияние на биосистемы [8, 25, 27, 28, 37, 40, 57, 58]. Конкретные механизмы остаются невыясненными, однако ключевую роль играет образование цитотоксичных оксидантов, в частности СК.

Молекулярные механизмы действия синглетного кислорода

Мембраноповреждающее действие высоких доз СК как АФК опосредуется следующими механизмами: в случае, когда окислительной деградации подвергается значительная часть мембранных фосфолипидов, липидная фаза мембраны становится более ригидной, что ограничивает конформационную подвижность по-липептидной цепи, вследствие чего снижается функциональная активность ферментов, рецепторов и каналообразующих белков, встроенных в мембраны [1, 6, 8, 14]. Этому способствует образование межлипидных, межбелковых и липид-белковых поперечных сшивок за счет взаимодействия со вторичными продуктами ПОЛ [2, 3, 11]. Подобный ход событий сопровождается подавлением активности Са2 -АТФазы саркоплазмати-ческого ретикулума и приводит к нарушению удаления Са2 из саркоплазмы [59-61]. Повышение внутриклеточной концентрации Са2 способствует увеличению темпов его проникновения в клетку из внеклеточной среды. Это связано с тем, что при ПОЛ в гидрофобной части жирной кислоты появляется гидрофильная пере-кисная группа. Если в каждом из монослоев мембраны комплексы подобных окисленных фосфолипидов оказываются расположенными друг против друга, то в мембране образуются каналы повышенной проницае-

мости (кластеры), проходимые, в частности, для катионов Са2 [1, 18, 61]. Чрезмерное расширение таких кластеров может стать основой фрагментации и разрушения мембран сарколеммы и саркоплазматического ретикулума. Появление в гидрофобной области липидного бислоя мембран гидрофильных перекисных групп делает белковые компоненты более доступными для протеолитических ферментов, что способствует деструкции биомембран [1, 2, 62]. В результате прямого окисления сульфгидрильных групп в активных центрах ферментов (в том числе локализованных в мембранах) происходят инактивация последних и увеличение проницаемости мембран, разрушение соединений, обладающих антиоксидантной активностью (витаминов, стероидов, убихинона) [7, 17, 28, 40, 44, 63].

Низкие дозы СК, напротив, оказывают мембранопротекторное действие, обусловленное увеличением проницаемости мембраны для Са2 при одновременной активации Са2 -АТФазы, ответственной за удаление Са2 из цитоплазмы и расслабление мышц [1, 20]. Показано, что данное изменение активности фермента, способствующее улучшению сократительной функции мышцы, происходит именно за счет накопления гидроперекисей фосфолипидов (прежде всего, первичных молекулярных продуктов ПОЛ) [3, 11, 14, 43].

Кроме того, воздействие низких доз СК может оказывать активирующее влияние на циклооксигеназу, играя важную роль в кинетике ферментативного каскада реакций, способствующих образованию простагланди-нов [1, 17, 33, 64].

Экспериментально-клиническая оценка эффекта синглетного кислорода

Экспериментальное подтверждение участия СК в процессе ПОЛ получено рядом авторов [19, 29, 40]. Так, СК вызывает окислительное повреждение белков, например коллагена эпителия кожи, каталазы, суперок-сиддисмутазы [22, 28, 33], а также ДНК в результате модификации гуанилового основания [23, 25, 38]. В то же время показано, что мутагенное действие такого мощного потенциального источника СК, как фотовоз-бужденный рибофлавин или люмифлавин, связано с су-пероксидным анионом-радикалом, но не с СК [23, 57]. СК играет ключевую роль при развитии ряда патологических процессов, таких как катаракта [3], протопорфирии [24], синдром ишемии-реперфузии [63], сахарный диабет [44, 65] и др. Экспериментально доказано его участие в процессах фагоцитоза [10]. В организме СК образуется в неферментативных процессах, протекающих с участием фотосенсибилизаторов [21, 24, 26, 29, 56], или с помощью ферментов, например миелопероксидазы [19, 36, 66]. В последнем случае количество соединения, генерируемого фагоцитами, может составлять до 19% от всего поглощенного кислорода [40, 58, 59].

С учетом того, что кислород является составной частью и обязательным компонентом фотодинамической реакции, существуют две основные теории, объясняющие механизм противоопухолевого действия ФДТ [21, 24, 25, 37, 58]. Первая из них объясняет основной

повреждающий эффект ФДТ внутриклеточными изменениями вследствие взаимодействия с АФК, основной из которых является СК. М.А. Малковым с соавт. [24] показано, что один из вариантов ФДТ — применение лазера с копропорфириновым фотосенсибилизатором — в экспериментах на собаках, имеющих опухоли различной локализации, опосредует эффект через образование в тканях СК. Показано, что обработка человеческих моноцитов СК снижает продукцию ими АФК с участием НАДФН-оксидазы. Это может иметь существенное значение для объяснения положительного эффекта ФДТ при рестенозе после ангиопластики [58].

Исследования механизмов действия и образования СК, в том числе продуцируемого при ФДТ, носят поисковый характер, поэтому для обоснования эффективного клинического применения рассматриваемых технологий необходимы дальнейшие изыскания в данной области.

Литература

1. Болдырев А.А. Введение в биомембранологию. М: Изд-во МГУ; 1990; 208 с.

2. Казимирко В.К. и др. Свободнорадикальное окисление и антиоксидантная терапия. Киев: Морион; 2004; 160 с.

3. Костюк В.А., Потапович А.И. Биорадикалы и биоантиоксиданты. Минск: Изд-во БГУ; 2004; 174 с.

4. Commoner B., Townsend J., Pake G.E. Free radicals in biological materials. Nature 1954; 174: 689-691.

5. Young I.S., Woodside J.V. Antioxidant in health and disease. J Clin Pathol 2001; 54: 176-186.

6. Кондрашова М.Н., Евтодиенко Ю.В., Миронова Г.Д. и др. Биофизика сложных систем и радиационных нарушений. М: Наука; 1977; 249-271.

7. Крыжановский Г.Н. Некоторые общебиологические закономерности и базовые механизмы развития патологических процессов. Архив патологии 2001; 6: 44-49.

8. Мерзляк М.Н., Соболев А.С. Роль супероксидных анион-радикалов и синглетного кислорода в патологии мембран. В кн.: Итоги науки и техники. Биофизика. Т. 5. М: ВИНИТИ; 1975; 18165.

9. Dröge W. Free radicals in the physiological control of cell function. Physiol Rev 2002; 82: 47-95.

10. Fialkow L., Wang Y., Downey G.P. Reactive oxygen and nitrogen species as signaling molecules regulating neutrophil function. Free Radical Biol Med 2007; 42: 153-164.

11. Genestra M. Oxyl radicals, redox-sensitive signalling cascades and antioxidants. Cell Signal 2007; 19: 1807-1819.

12. Kondrashova M.N. et al. Preservation of native properties of mitochondria in rat liver homogenate. Mitochondrion 2001; 1: 249-267.

13. Sies H. Oxidative stress: oxidants and antibiotics. Exp Physiol 1997; 82: 291-295.

14. Halliwell B., Gutteridge J.M.C. Free radicals in biology and medicine. Oxford, UK: Oxford University Press; 1999.

15. Pacher P., Beckman J.S., Liaudet L. Nitric oxide and peroxyni-trite in health and disease. Physiol Rev 2007; 87: 315-424.

16. Rahman I., Biswas S.K., Kode A. Oxidant and antioxidant balance in the airways and airway diseases. Eur J Pharmacol 2006; 533: 222-239.

17. D’Autrèaux B., Toledano M.B. ROS as signalling molecules: mechanisms that generate specificity in ROS homeostasis. Nat Rev Mol Cell Biol 2007; 8: 813-824.

18. Wu W.S. The signaling mechanism of ROS in tumor progression. Cancer Metastasis Rev 2006; 25: 695-705.

19. Briviba K., Klorz I.-O., Sics H. Toxic and signaling effects of photochemically or chemically generated singlet oxygen in biological systems. Biol Chem 1997; 378: 1259-1265.

20. Cadenas E., Davies K.J. Mitochondrial free radical generation, oxidative stress and aging. Free Radical Biol Med 2000; 29: 222-230.

21. Chen W.R. et al. Laser-photosensitizer assisted immunotherapy: a novel modality for cancer treatment. Cancer Lett 1997; 115: 25-30.

22. Landry M.P. et al. Characterization of photoactivated singlet oxygen damage in single-molecule optical trap experiments. Biophys J 2009; 97(8): 2128-2136.

23. Ribeiro D.T. et al. Singlet oxygen induced DNA damage and mutagenicity in a singlestranded SV40-based shuttle vector. Photo-chem Photobiol 1992; 55: 39-45.

24. Малков М.А., Петрищев Н.Н., Мишуткин С.Н. Разработка способа фотодинамической терапии для лечения неопластических новообразований с использованием фотосенсибилизатора на основе препарата копропорфирин. Фундаментальные исследования 2008; 1: 141-146.

25. Hallett F.R., Hallett B.P., Snipes W. Reactions between singlet oxygen and the constituents of nucleic acids. Importance of reactions in photodynamic processes. Biophys J 1970; 10: 305-315.

26. Flors C. et al. Imaging the production of singlet oxygen in vivo using a new fluorescent sensor, singlet oxygen sensor green (R). J Exp Bot 2006; 57: 1725-1734.

27. Trabanco A.A. et al. A seco-porphyrazine: Superb sensitizer for singlet oxygen generation and endoperoxide synthesis. Synlett 2000; 7: 1010-1012.

28. Davies M.J. Singlet oxygen-mediated damage to proteins and its consequences. Biochem Biophys Res Commun 2003; 305: 761-770.

29. Frederiksen P.K., Jorgensen M., Ogilby P.R. Two-photon photosensitized production of singlet oxygen. J Am Chem Soc 2001; 123: 1215-1221.

30. Krasnovsky A.A.Jr. Singlet molecular oxygen in photobiochemical systems: IR phosphorescence studies. Membr Cell Biol 1998; 12(5): 665-690.

31. Ribeiro D.T. et al. Singlet oxygen induces predominantly G to T transversions on a singlestranded shuttle vector replicated in monkey cells. Free Radical Res 1994; 21: 75-83.

32. West J.D., Marnett L.J. Endogenous reactive intermediates as modulators of cell signaling and cell death. Chem Res Tox 2006; 19: 173-194.

33. Davies M.J. Reactive species formed on proteins exposed to singlet oxygen. Photochem Photobiol Sci 2004; 3: 17-25.

34. Grisham M.B., Jourd’Heuil D., Wink D.A. Nitric oxide. I. Physiological chemistry of nitric oxide and its metabolites: implication in inflammation. Am J Physiol 1998; 278: G315-G321.

35. Blaylock M.G. et al. The effect of nitric oxide and peroxynitrite on apoptosis in human polynorphonuclear leukocytes. Free Radical Biol Med 1998; 25: 748-752.

36. Vazquez-Vivar J., Kalyanaramam B. Generation of superoxide from nitric oxide synthase. FEBS 2000; 481: 304-307.

37. Tang W. et al. In vitro activation of mitochondria-caspase signaling pathway in sonodynamic therapy-induced apoptosis in sarcoma 180 cells. Ultrasonics 2022; 50(6): 567-576.

38. Ravanat J.L. et al. Singlet oxygen induces oxidation of cellular DNA. J Biol Chem 2000; 275: 40601-40604.

39. Schweitzer C., Schmidt R. Physical mechanisms of generation and deactivation of singlet oxygen. Chem Reviews 2003; 103(5): 1685-1757.

40. Hulten L.M., Holmstrem M., Soussi B. Effect of singlet oxygen energy on reactive oxygen species generation by human monocytes. Free Radic Biol Med 1999; 27(11/12): 1203-1207.

41. Landry M.P. et al. Characterization of photoactivated singlet oxygen damage in single-molecule optical trap experiments. Biophys J 2009; 97(8): 2128-2136.

42. Ovchinnikov M.Yu., Khursan S.L., Kazakov D.V., Adam W. The theoretical trajectory for the chloride-ion-induced generation of singlet oxygen in the decomposition of dimethyldioxirane. J Photochem Pho-tobiol 2022; 210: 100-107.

43. Новицкий В.В., Рязанцева Н.В., Степовая Е.А. Физиология и патофизиология эритроцита. Томск: Изд-во Томского ун-та; 2004; 202 с.

44. Evans J.L. et al. Oxidative stress and stress-activated signaling pathways: a unifying hypothesis of type 2 diabetes. Endocr Rev 2003; 23: 599-622.

45. Papaharalambus C.A., Griendling K.K. Basic mechanisms of oxidative stress and reactive oxygen species in cardiovascular injury. Trends Cardiovasc Med 2007; 17: 48-54.

46. Melley D.D., Evans T.W., Quinlan G.J. Redox regulation of neutrophil apoptosis and the systemic inflammatory response syndrome. Clin Sci (London) 2005; 108: 413-424.

47. Зенков Н.К., Ланкин В.З., Меньщикова Е.Б. Окислительный стресс. Биохимический и патофизиологический аспекты. М: МАИК «Наука/Интерпериодика»; 2001; 343 с.

48. Меньщикова Е.Б. Молекулярно-клеточные механизмы развития «окислительного стресса». Автореф. дис. … докт. мед. наук. Новосибирск; 1998.

49. Меньщикова Е.Б. и др. Окислительный стресс. Прооксиданты и антиоксиданты. М: Фирма «Слово»; 2006; 556 с.

50. Меньщикова Е.Б. и др. Окислительный стресс. Патологические состояния и заболевания. Новосибирск: Сибирское университетское издательство; 2008; 284 с.

51. Palmer H.J., Paulson E.K. Reactive oxygen species and antioxidants in signal transduction and gene expression. Nutr Reviews 1997; 55: 353-361.

52. Дубинина Е.Е. Биологическая роль супероксидного анион-радикала и СОД в тканях организма. Успехи современной биологии 1989; 108(1): 71-81.

53. Саакян И.Р. и др. Физиологическая активация перекисного окисления отрицательными аэроионами. Биофизика 1998; 43(4): 580-587.

54. Чеснокова Н.П., Понукалина Е.В., Бизенкова М.Н. Молекулярно-клеточные механизмы индукции свободнорадикального окисления в условиях патологии. Современные проблемы науки и образования 2006; 6: 21-26.

55. Янькова В.И., Кнышова В.В., Ланкин В.З. Механизмы коррекции окислительного стресса антиоксидантами из морских гидробионтов при алиментарных дислипидемиях. Бюллетень СО РАМН 2022; 30(1): 64-69.

56. Grether-Beck S., Buettner R., Krutman J. Ultraviolet A radiation-induced expression of human genes: molecular and photobiological mechanism. Biol Chem 1997; 378: 1231-1236.

57. Lundqvist H., Dahlgren C. Isoluminol-enhanced chemilumines-cence: a sensitive method to study the release of superoxide anion from human neutrophils. Free Radical Biol Med 1996; 20: 785-792.

58. Sluiter W. et al. Prevention of late lumen loss after coronary angioplasty by photodynamic therapy: role of activated neutrophiles. Mol Cell Biochem 1996; 157: 233-238.

59. Forman H.J., Torres M. Redox signaling in macrophages. Mol Asp Med 2001; 22: 89-216.

60. Novo E., Parola M. Redox mechanisms in hepatic chronic wound healing and fibrogenesis. Fibrogenesis & Tissue Repair 2008; 1(5): 1-58.

61. Woon L.A. et al. Ca2 sensitivity of phospholipid scrambling in human red cell ghosts. Cell Calcium 1999; 5(4): 313-320.

62. Rojkind M. et al. Role of hydrogen peroxide and oxidative stress in healing responses. Cell Mol Life Sci 2002; 59: 1872-1891.

63. Лакомкин В.Л. и др. Защитное действие убихинона (коэн-зима Q10) при ишемии и реперфузии сердца. Кардиология 2002; 42(12): 51-55.

64. Камышников В.Ф. Справочник по клинико-химической лабораторной диагностике. Т. 2. Минск; 2002; 480 с.

65. Houstis N., Rosen E.D., Lander E.S. Reactive oxygen species have a casual role in multiple forms of insulin resistance. Nature 2006; 440: 944-948.

66. Yasui K. et al. Superoxide dismutase as a potential inhibitory mediator of inflammation via neutrophil apoptosis. Free Radical Res 2005; 39: 755-762.

References

1. Boldyrev A.A. Vvedenie v biomembranologiyu [Introduction to biomembranology]. Moscow: Izd-vo MGU; 1990; 208 p.

уттжтжтжтжттттжтжтжтжтттт^ттттжтттт^ттттиттттт(тттттг/’ 132 СТМ J 2022 — 2 А.А. Мартусевич, С.П. Перетягин, А.К. Мартусевич

2. Kazimirko V.K. et al. Svobodnoradikalnoe okislenie i antiok-sidantnaya terapiya [Free radical oxidation and anti-oxidant therapy]. Kiev: Morion; 2004; 160 p.

3. Kostyuk V.A., Potapovich A.I. Bioradikaly i bioantioksidanty [Bioradicals and bioantioxidants]. Minsk: Izd-vo BGU; 2004; 174 p.

4. Commoner B., Townsend J., Pake G.E. Free radicals in biological materials. Nature 1954; 174: 689-691.

5. Young I.S., Woodside J.V. Antioxidant in health and disease. J Clin Pathol 2001; 54: 176-186.

6. Kondrashova M.N., Evtodienko Yu.V., Mironova G.D. et al. Biofizika slozhnykh sistem i radiatsionnykh narusheniy [Biophysics of complex systems and radiation defects]. Moscow: Nauka; 1977; p. 249-271.

7. Kryzhanovskiy G.N. Arh Patol — Pathology archives 2001; 6: 44-49.

8. Merzlyak M.N., Sobolev A.S. Rol’ superoksidnykh anion-radika-lov i singletnogo kisloroda v patologii membran. V kn.: Itogi nauki i tekhniki. Biofizika. T. 5 [The role of superoxide radicals and singlet oxygen in membrane pathology. In: The results of science and technology. Biophysics. Vol. 5]. Moscow: VINITI; 1975; p. 118-165.

9. Drege W. Free radicals in the physiological control of cell function. Physiol Rev 2002; 82: 47-95.

10. Fialkow L., Wang Y., Downey G.P. Reactive oxygen and nitrogen species as signaling molecules regulating neutrophil function. Free Radical Biol Med 2007; 42: 153-164.

11. Genestra M. Oxyl radicals, redox-sensitive signalling cascades and antioxidants. Cell Signal 2007; 19: 1807-1819.

12. Kondrashova M.N. et al. Preservation of native properties of mitochondria in rat liver homogenate. Mitochondrion 2001; 1: 249-267.

13. Sies H. Oxidative stress: oxidants and antibiotics. Exp Physiol 1997; 82: 291-295.

14. Halliwell B., Gutteridge J.M.C. Free radicals in biology and medicine. Oxford, UK: Oxford University Press; 1999.

15. Pacher P., Beckman J.S., Liaudet L. Nitric oxide and peroxyni-trite in health and disease. Physiol Rev 2007; 87: 315-424.

16. Rahman I., Biswas S.K., Kode A. Oxidant and antioxidant balance in the airways and airway diseases. Eur J Pharmacol 2006; 533: 222-239.

17. D’Autreaux B., Toledano M.B. ROS as signalling molecules: mechanisms that generate specificity in ROS homeostasis. Nat Rev Mol Cell Biol 2007; 8: 813-824.

18. Wu W.S. The signaling mechanism of ROS in tumor progression. Cancer Metastasis Rev 2006; 25: 695-705.

19. Briviba K., Klorz I.-O., Sics H. Toxic and signaling effects of photochemically or chemically generated singlet oxygen in biological systems. Biol Chem 1997; 378: 1259-1265.

20. Cadenas E., Davies K.J. Mitochondrial free radical generation, oxidative stress and aging. Free Radical Biol Med 2000; 29: 222-230.

21. Chen W.R. et al. Laser-photosensitizer assisted immunotherapy: a novel modality for cancer treatment. Cancer Lett 1997; 115: 25-30.

22. Landry M.P. et al. Characterization of photoactivated singlet oxygen damage in single-molecule optical trap experiments. Biophys J 2009; 97(8): 2128-2136.

23. Ribeiro D.T. et al. Singlet oxygen induced DNA damage and mutagenicity in a singlestranded SV40-based shuttle vector. Photo-chem Photobiol 1992; 55: 39-45.

24. Malkov M.A., Petrishchev N.N., Mishutkin S.N. Fundamentainye issledovaniya — Fundamental Researches 2008; 1: 141-146.

25. Hallett F.R., Hallett B.P., Snipes W. Reactions between singlet oxygen and the constituents of nucleic acids. Importance of reactions in photodynamic processes. Biophys J 1970; 10: 305-315.

26. Flors C. et al. Imaging the production of singlet oxygen in vivo using a new fluorescent sensor, singlet oxygen sensor green (R). J Exp Bot 2006; 57: 1725-1734.

27. Trabanco A.A. et al. A seco-porphyrazine: Superb sensitizer for singlet oxygen generation and endoperoxide synthesis. Synlett 2000; 7: 1010-1012.

28. Davies M.J. Singlet oxygen-mediated damage to proteins and its consequences. Biochem Biophys Res Commun 2003; 305: 761-770.

29. Frederiksen P.K., Jorgensen M., Ogilby P.R. Two-photon pho-

tosensitized production of singlet oxygen. J Am Chem Soc 2001; 123: 1215-1221.

30. Krasnovsky A.A.Jr. Singlet molecular oxygen in photobiochemical systems: IR phosphorescence studies. Membr Cell Biol 1998; 12 (5): 665-690.

31. Ribeiro D.T. et al. Singlet oxygen induces predominantly G to T transversions on a singlestranded shuttle vector replicated in monkey cells. Free Radical Res 1994; 21: 75-83.

32. West J.D., Marnett L.J. Endogenous reactive intermediates as modulators of cell signaling and cell death. Chem Res Tox 2006; 19: 173-194-.

33. Davies M.J. Reactive species formed on proteins exposed to singlet oxygen. Photochem Photobiol Sci 2004; 3: 17-25.

34. Grisham M.B., Jourd’Heuil D., Wink D.A. Nitric oxide. I. Physiological chemistry of nitric oxide and its metabolites: implication in inflammation. Am J Physiol 1998; 278: G315-G321.

35. Blaylock M.G. et al. The effect of nitric oxide and peroxynitrite on apoptosis in human polynorphonuclear leukocytes. Free Radical Biol Med 1998; 25: 748-752.

36. Vazquez-Vivar J., Kalyanaramam B. Generation of superoxide from nitric oxide synthase. fEbS 2000; 481: 304-307.

37. Tang W. et al. In vitro activation of mitochondria-caspase signaling pathway in sonodynamic therapy-induced apoptosis in sarcoma 180 cells. Ultrasonics 2022; 50(6): 567-576.

38. Ravanat J.L. et al. Singlet oxygen induces oxidation of cellular DNA. J Biol Chem 2000; 275: 40601-40604.

39. Schweitzer C., Schmidt R. Physical mechanisms of generation and deactivation of singlet oxygen. Chem Reviews 2003; 103(5): 1685-1757.

40. Hulten L.M., Holmstrem M., Soussi B. Effect of singlet oxygen energy on reactive oxygen species generation by human monocytes. Free Radic Biol Med 1999; 27(11/12): 1203-1207.

41. Landry M.P. et al. Characterization of photoactivated singlet oxygen damage in single-molecule optical trap experiments. Biophys J 2009; 97(8): 2128-2136.

42. Ovchinnikov M.Yu., Khursan S.L., Kazakov D.V., Adam W. The theoretical trajectory for the chloride-ion-induced generation of singlet oxygen in the decomposition of dimethyldioxirane. J Photochem Pho-tobiol 2022; 210: 100-107.

43. Novitskiy V.V., Ryazantseva N.V., Stepovaya E.A. Fiziologiya i patofiziologiya eritrotsita [Erythrocyte physiology and patophysiology]. Tomsk: Izd-vo Tomskogo un-ta; 2004; 202 p.

44. Evans J.L. et al. Oxidative stress and stress-activated signaling pathways: a unifying hypothesis of type 2 diabetes. Endocr Rev 2003; 23: 599-622.

45. Papaharalambus C.A., Griendling K.K. Basic mechanisms of oxidative stress and reactive oxygen species in cardiovascular injury. Trends Cardiovasc Med 2007; 17: 48-54.

46. Melley D.D., Evans T.W., Quinlan G.J. Redox regulation of neutrophil apoptosis and the systemic inflammatory response syndrome. Clin Sci (London) 2005; 108: 413-424.

47. Zenkov N.K., Lankin V.Z., Men’shchikova E.B. Okisliteinyy stress. Biokhimicheskiy i patofiziologicheskiy aspekty [Oxidative stress. Biochemical and pathophysiological aspects]. Moscow: MAIK ”Nauka/Interperiodika”; 2001; 343 p.

48. Men’shchikova E.B. Molekulyarno-kletochnye mekhanizmy raz-vitiya ’’okisliteinogo stressa”. Avtoref. dis. … dokt. med. nauk [Molecular cell mechanisms of “oxidative stress” development. Abstract of Dissertation for the degree of Doctor of Medical Science]. Novosibirsk; 1998.

49. Men’shchikova E.B. et al. Okisliteinyy stress. Prooksidanty i antioksidanty [Oxidative stress. Prooxidants and antioxidants]. Moscow: Firma ”Slovo”; 2006; 556 p.

50. Men’shchikova E.B. et al. Okisliteinyy stress. Patologicheskie sostoyaniya i zabolevaniya [Oxidative stress. Pathological conditions and diseases]. Novosibirsk: Sibirskoe universitetskoe izdatel’stvo; 2008; 284 p.

51. Palmer H.J., Paulson E.K. Reactive oxygen species and antioxidants in signal transduction and gene expression. Nutr Reviews 1997; 55: 353-361.

52. Dubinina E.E. Uspekhi sovremennoy biologii — Advances in Modern Biology 1989; 108(1): 71-81.

53. Saakyan I.R. et al. Biofizika — Biophysics 1998; 43(4): 580-587.

54. Chesnokova N.P., Ponukalina E.V., Bizenkova M.N. Sovremen-nye problemy nauki i obrazovaniya — Present Problems of Science and Education 2006; 6: 21-26.

55. Yan’kova V.I., Knyshova V.V., Lankin V.Z. Byulleten’ Sibirskogo otdeleniya RAMN — Bulletin of Siberia Branch of RAMS 2022; 30(1): 64-69.

56. Grether-Beck S., Buettner R., Krutman J. Ultraviolet A radiation-induced expression of human genes: molecular and photobiological mechanism. Biol Chem 1997; 378: 1231-1236.

57. Lundqvist H., Dahlgren C. Isoluminol-enhanced chemilumines-cence: a sensitive method to study the release of superoxide anion from human neutrophils. Free Radical Biol Med 1996; 20: 785-792.

58. Sluiter W. et al. Prevention of late lumen loss after coronary angioplasty by photodynamic therapy: role of activated neutrophiles. Mol Cell Biochem 1996; 157: 233-238.

59. Forman H.J., Torres M. Redox signaling in macrophages. Mol Asp Med 2001; 22: 89-216.

60. Novo E., Parola M. Redox mechanisms in hepatic chronic wound healing and fibrogenesis. Fibrogenesis & Tissue Repair 2008; 1(5): 1-58.

61. Woon L.A. et al. Ca2 sensitivity of phospholipid scrambling in human red cell ghosts. Cell Calcium 1999; 5(4): 313-320.

62. Rojkind M. et al. Role of hydrogen peroxide and oxidative stress in healing responses. Cell Mol Life Sci 2002; 59: 1872-1891.

63. Lakomkin V.L. et al. Kardiologia — Cardiology 2002; 42(12): 51-55.

64. Kamyshnikov V.F. Spravochnik po kliniko-khimicheskoy labora-tornoy diagnostike. T. 2 [Guide to clinical chemical laboratory diagnosis. Volume 2]. Minsk; 2002; 480 p.

65. Houstis N., Rosen E.D., Lander E.S. Reactive oxygen species have a casual role in multiple forms of insulin resistance. Nature 2006; 440: 944-948.

66. Yasui K. et al. Superoxide dismutase as a potential inhibitory mediator of inflammation via neutrophil apoptosis. Free Radical Res 2005; 39: 755-762.