Almanac of Clinical MedicineAlmanac of Clinical MedicineАльманах клинической медицины2072-05052587-9294Moscow Regional Research and Clinical Institute (MONIKI)5210.18786/2072-0505-2014-31-17-20ARTICLESОРИГИНАЛЬНЫЕ СТАТЬИFORMATION OF LONG-LIVED REACTIVE SPECIES OF BLOOD SERUM PROTEINS BY THE ACTION OF HEATОБРАЗОВАНИЕ ДОЛГОЖИВУЩИХ ФОРМ БЕЛКОВ СЫВОРОТКИ КРОВИ ПОД ДЕЙСТВИЕМ ТЕПЛАIvanovV. E.ИвановВ. Е.
Russian Federation

junior scientific worker, Laboratory of Isotopic Investigations

 

мл. науч. сотр. лаборатории изотопных исследований

 

 

iwe88@rambler.ruKarpO. E.КарпО. Э.

Russian Federation

PhD, scientific worker, Laboratory of Isotopic Investigations

канд. биол. наук, науч. сотр. лаборатории изотопных исследований

PopovaN. R.ПоповаН. Р.
Russian Federation

PhD, scientific worker, Laboratory of Isotopic Investigations

канд. биол. наук, науч. сотр. лаборатории изотопных исследований

ChernikovA. V.ЧерниковА. В.
Russian Federation

PhD, senior scientific worker, Laboratory of Isotopic Investigations

канд. биол. наук, ст. науч. сотр. лаборатории изотопных исследований

GudkovS. V.ГудковС. В.
Russian Federation

PhD, leading scientific worker, Laboratory of Isotopic Investigations

д-р биол. наук, вед. науч. сотр. лаборатории изотопных исследований

BruskovV. I.БрусковВ. И.
Russian Federation

PhD, Professor, the Head of the Laboratory of Isotopic Investigations

д-р хим. наук, профессор, зав. лабораторией изотопных исследований

Institute of Theoretical and Experimental Biophysics of RASФГБУН «Институт теоретической и экспериментальной биофизики» Российской академии наукФГБУН «Институт теоретической и экспериментальной биофизики» Российской академии наукInstitute of Theoretical and Experimental Biophysics of RAS1503201413117201202201612022016Copyright ©; 2014, Ivanov V.E., Karp O.E., Popova N.R., Chernikov A.V., Gudkov S.V., Bruskov V.I.Copyright ©; 2014, Иванов В.Е., Карп О.Э., Попова Н.Р., Черников А.В., Гудков С.В., Брусков В.И.2014Ivanov V.E., Karp O.E., Popova N.R., Chernikov A.V., Gudkov S.V., Bruskov V.I.Иванов В.Е., Карп О.Э., Попова Н.Р., Черников А.В., Гудков С.В., Брусков В.И.https://creativecommons.org/licenses/by/4.0https://almclinmed.ru/jour/article/view/52

Background: Proteins oxidized by the action of X-rays represent long-lived reactive species, which trigger the secondary generation of reactive oxygen species (ROS). A change in the hydrogen peroxide (H2O2) content induced by various physical impacts may be an important factor of the therapeutic effect and the adaptation of the organism to unfavorable environmental conditions. Moderate hyperthermia and a number of physiotherapeutic procedures leading to a local warming of tissues are widely used in medical practice. However, the biological mechanisms of their curative effect are poorly understood. The prolonged generation of H2O2 long-lived reactive protein species (LRPS) after heating may be one of the mechanisms of activation of protective cellular mechanisms and thus to contribute to overcoming the disease. Aim: To investigate if the serum proteins bovine serum albumin (BSA) and bovine gamma-globulin (BGG) can form LRPS under moderate hyperthermia and show that heat induces LRPS, which in turn continuously generate ROS, in particular H2O2. Materials and methods: LRPS were studied by measuring the heat-induced chemiluminescence of protein solutions using a specially elaborated highly sensitive photon-counting chemiluminometer Biotoks-7 AM. The Results: Here we studied the possibility of formation of long-lived species of the blood serum proteins BSA and BGG in air-saturated solutions under the action of heat. It is shown that heat induces the generation of long-lived protein species, which in turn generate ROS (1O2, О2-•, OH•, H2O2). The formation of the long-lived reactive species of BSA and BGG with a half-life of about 4 h induced by moderate hyperthermia was revealed using the chemiluminescence of protein solutions. It was found that long-lived reactive species of BSA and BGG cause prolonged generation of H2O2. Conclusion: Thus, we found a new fundamental property of serum proteins: by the action of moderate heating, they are able to transform into LRPS that produce H2O2 over a long period of time. Therefore, it cannot be excluded that the heat treatment during physiotherapeutic procedures in clinical practice is accompanied by local heating and the formation of LRPS. H2O2 generated by these species may participate in signaling pathways and induce adaptive response in humans.

Актуальность. При воздействии ионизирующего излучения в присутствии кислорода активные формы кислорода (АФК), образующиеся в результате радиолиза воды, продуцируют долгоживущие активные формы белков (ДАФБ), которые являются источником вторичной длительной генерации АФК. Изменение содержания перекиси водорода (Н2О2) под действием различных физических факторов может быть важным элементом лечебного воздействия и адаптации организма к влиянию неблагоприятных факторов среды в результате сигнально-регуляторных процессов. Тепловые воздействия широко используются в медицинской практике для различных лечебных процедур. Однако биологические механизмы их влияния остаются малоисследованными. В связи с этим актуальным является исследование возможности длительной генерации H2O2 ДАФБ после воздействия тепла. Это может быть одним из способов активации защитных клеточных механизмов, способствующих преодолению болезни. Цель – исследование возможности образования ДАФБ белками сыворотки крови – бычьим сывороточным альбумином (БСА) и гамма-глобулином быка (ГГ) – при умеренной гипертермии и определение существования ДАФБ, индуцированных теплом, и их способности длительно продуцировать генерацию АФК, в частности H2O2. Материал и методы. Исследование ДАФБ осуществляли методом измерения индуцированной хемилюминесценции растворов белков под действием тепла с использованием высокочувствительного хемилюминометра Биотокс-7АМ. Образование H2O2, индуцированное ДАФБ в растворах БСА и ГГ под влиянием тепла, измеряли высокочувствительным методом усиленной хемилюминесценции в системе «люминол-p-йодофенол-пероксидаза хрена». Основные результаты. В данной работе исследована возможность образования ДАФБ белками сыворотки крови – БСА и ГГ – при умеренной гипертермии. Показано, что тепло индуцирует образование ДАФБ, которые, в свою очередь, генерируют АФК (1 O2 , О2 -•, OH• , H2 O2 ). С помощью метода индуцированной хемилюминесценции продемонстрировано, что в растворах БСА и ГГ, подвергнутых умеренному нагреванию, происходит образование ДАФБ со временем полужизни около четырех часов. Методом усиленной хемилюминесценции в системе «люминол-p-йодофенол-пероксидаза хрена» показана длительная генерация Н2О2 под действием ДАФБ. Заключение. Таким образом, обнаружено новое, неизвестное ранее фундаментальное свойство белков сыворотки крови под действием умеренного нагревания образовывать ДАФБ, которые в течение длительного времени продуцируют Н2О2. Нельзя исключить, что тепловые воздействия при физиотерапевтических процедурах, которые используются в медицинской практике и сопровождаются образованием активных форм белков и длительной генерацией последними H2O2, могут приводить к сигнально-регуляторному лечебному и адаптивному ответу в организме человека.

protein oxidationreactive oxygen specieslong-lived reactive protein specieshydrogen peroxideaction of heatокисление белковактивные формы кислородадолгоживущие активные формы белковперекись водородатепловое воздействие1.Stone J.R., Yang S. Hydrogen peroxide: a signaling messenger. Antioxid Redox Signal 2006;8(3-4):243-70.2.Forman H.J., Maiorino M., Ursini F. Signaling functions of reactive oxygen species. Biochemistry 2010;49(5):835-42.3.Veal E.A., Day A.M., Morgan B.A. Hydrogen peroxide sensing and signaling. Mol Cell 2007;26(1):1-14.4.Брусков В.И., Масалимов Ж.К., Черников А.В. Образование активных форм кислорода в воде под действием тепла. Доклады РАН 2002;384(6):821-4. [Bruskov V.I., Masalimov Zh.K., Chernikov A.V. Formation of reactive oxygen shapes in water under the influence of heat. Doklady RAN 2002;384(6):821-4 (in Russian)].5.Bruskov V.I., Malakhova L.V., Masalimov Z.K., Chernikov A.V. Heat-induced formation of reactive oxygen species and 8-oxoguanine, a biomarker of damage to DNA. Nucleic Acids Res 2002;30(6):1354-63.6.Черников А.В., Брусков В.И. Генерация гидроксильных радикалов и других редоксактивных соединений в морской воде под действием тепла. Биофизика 2002;47(5):773-81. [Chernikov A.V., Bruskov V.I. Generation of hydroxyl radicals and other redox active compounds in the sea water exposed to heat. Biofizika 2002;47(5):773-81 (in Russian)].7.Брусков В.И., Черников А.В., Гудков С.В., Масалимов Ж.К. Активация восстановительных свойств анионов морской воды под действием тепла. Биофизика 2003;48(6):942-950. [Bruskov V.I., Chernikov A.V., Gudkov S.V., Massalimov Zh.K. Thermal activation of the reducing properties of seawater anions. Biofizika 2003;48(6):942-50 (in Russian)].8.Dean R.T., Gieseg S., Davies M.J. Reactive species and their accumulation on radical-damaged proteins. Trends Biochem Sci 1993;18(11):437-41.9.Bruskov V.I., Karp O.E., Garmash S.A., Shtarkman I.N., Chernikov A.V., Gudkov S.V. Prolongation of oxidative stress by long-lived reactive protein species induced by X-ray radiation and their genotoxic action. Free Radic Res 2012;46(10):1280-90.10.Gudkov S.V., Shtarkman I.N., Chernikov A.V., Usacheva A.M., Bruskov V.I. Guanosine and inosine (riboxin) eliminate the long-lived protein radicals induced by X-ray radiation. Dokl Biochem Biophys 2007;413:50-3.11.Koyama S., Kodama S., Suzuki K., Matsumoto T., Miyazaki T., Watanabe M. Radiation-induced long-lived radicals which cause mutation and transformation. Mutat Res 1998;421(1):45-54.12.Miyazaki T., Morikawa A., Kumagai J., Ikehata M., Koana T., Kikuchi S. Long-lived radicals produced by γ-irradiation or vital activity in plants, animals, cells, and protein solution: their observation and inhomogeneous decay dynamics. Radiat Phys Chem 2002;65(2):151-7.13. Karp O.E., Gudkov S.V., Garmash S.A., Shtarkman I.N., Chernikov A.V., Bruskov V.I. Genotoxic effect of long-lived protein radicals in vivo generated by X-ray irradiation. Dokl Biochem Biophys 2010;434:250-3.14. Штаркман И.Н., Гудков С.В., Черников А.В., Брусков В.И. Образование перекиси водорода и гидроксильных радикалов в водных растворах L-аминокислот при воздействии рентгеновского излучения и тепла. Биофизика 2008;53(1):5-13. [Shtarkman I.N., Gudkov S.V., Chernikov A.V., Bruskov V.I. Formation of hydrogen peroxide and hydroxyl radicals in aqueous solutions of L-amino acids by the action of X-rays and heat. Biofizika 2008;53(1):5-13 (in Russian)].15.Gudkov S.V., Shtarkman I.N., Smirnova V.S., Chernikov A.V., Bruskov V.I. Guanosine and inosine display antioxidant activity, protect DNA in vitro from oxidative damage induced by reactive oxygen species, and serve as radioprotectors in mice. Radiat Res 2006;165(5):538-45.16.Wentworth P. Jr., Jones L.H., Wentworth A.D., Zhu X., Larsen N.A., Wilson I.A., Xu X., Goddard W.A. 3rd, Janda K.D., Eschenmoser A., Lerner R.A. Antibody catalysis of the oxidation of water. Science 2001;293(5536):1806-11.