Белки γ-глобулиновой фракции, хелатирующие катионы металлов, в физиологической иммунорегуляции. Сонаправленное действие меди и цинка

Резюме

В работе обобщаются результаты исследований, свидетельствующие в пользу предположения о том, что в условиях любого тканевого повреждения или воспаления белки γ-глобулиновой фракции хелатируют из периглобулярного пространства умеренные молярные избытки катионов металлов. Хелатируемые белками γ-глобулиновой фракции и локализуемые в молекулах антител общими группами сайтов связывания катионы меди и цинка вызывают сходные изменения эффекторных свойств γ-глобулинов, проявляющиеся сонаправленным изменением клеточных функций в ответ на активацию Fc-рецепторов клетки трансформированными металлом белками. При этом на уровне первичного тканевого повреждения или воспаления связывающие молярные избытки катионов меди и цинка γ-глобулины реализуют общие свойства, поддерживают определенную напряженность клеточного иммунитета и исключают возможность повреждения собственных неизмененных клеток организма, усиливая выработку оппозитных по функциональному потенциалу цитокинов.

Ключевые слова:γ-глобулины; катионы металлов; хелатирование; сонаправленное действие

Для цитирования: Чекнёв С.Б. Белки γ-глобулиновой фракции, хелатирующие катионы металлов, в физиологической иммунорегуляции. Сонаправленное действие меди и цинка. Иммунология. 2021; 42 (5): 546-551. DOI: https://doi.org/10.33029/0206-4952-2021-42-5-546-551

Финансирование. Исследование выполнено в рамках Государственного задания Минздрава России "Механизмы регуляции врожденного и адаптивного противоинфекционного иммунитета" от 18 февраля 2015 г. (государственная регистрация №115030470028).

Конфликт интересов. Автор заявляет об отсутствии конфликта интересов.

Введение

Продолжая обобщение и анализ результатов, полученных в рамках формирования новых представлений о месте и роли катионов металлов в физиологической иммунорегуляции и контроле клеточных функций, осуществляемых посредством конформационных преобразований связывающих металл белков у-глобулиновой фракции, что сообщает этим белкам новые эффектор-ные свойства в отношении лимфоцитов человека [1], перейдем к рассмотрению закономерностей и особенностей взаимодействий, реализующихся в условиях хелатирования белком умеренного молярного избытка катионов меди (Cu2+) и цинка (Zn2+).

Возможность такого хелатирования определяется экспрессией молекулами белков γ-глобулиновой фракции нескольких групп неэквивалентных и зависимых друг от друга сайтов связывания металла, различающихся пространственной локализацией, константами связывания катионов и заполняемых металлом последовательно, по мере увеличения количества уже присоединенных Cu2+ или Zn2+ [1, 2]. Динамическое состояние молекулы белка, связывающей умеренный молярный избыток ионов металла и трансформируемой прежде всего по своему Fc-фрагменту, возникает как реализация распределения катионов по внешним и внутриглобулярным, исходно доступным и получившим возможность служить доступными для присоединения катионов в ходе текущего конформационного преобразования сайтам связывания Zn2+ или Cu2+ [1, 2].

В отличие от эквимолярного связывания, реализуемого как событие случайное и предсказуемое в физиологическом обмене металлом лишь в вероятностных категориях, поскольку локализовать топику присоединения сложной белковой молекулой отдельных, единичных катионов металла достаточно сложно [1, 3], умеренный молярный избыток Cu2+ или Zn2+ более прогнозируем с позиций результата его взаимодействия с молекулой белка. Степень компактизации или декомпактизации белковой глобулы, повышения ее конформационной жесткости или пластичности в условиях возникновения новой пространственной конфигурации будет определяться уже не отдельными металлосвязывающими сайтами, а группой или группами сайтов, присоединивших катионы, участком или участками аминокислотной последовательности, трансформированными связыванием ионов металла. Динамическое состояние такой структуры с необходимостью будет характеризоваться более высокой стабильностью как с точки зрения гидродинамических показателей, так и в плане реализации эффекторных функций в отношении клеток человека.

Аналогично тому, как физиологическая иммунорегуляция осуществляется в условиях постоянной возможности нахождения в циркуляции или появления в микроокружении молекул белков γ-глобулиновой фракции отдельных катионов Cu2+ или Zn2+, доступных для хелатирования белком и реализации последующих конфор-мационных преобразований γ-глобулинов [1], процессы обмена металлом в нормальных межмолекулярных или межклеточных взаимодействиях определяют физиологические возможности для появления или нахождения в локальном окружении молекулы белка умеренных молярных избытков металла.

Хорошо известно, что любое тканевое повреждение или воспаление сопровождается высвобождением из α-гранул тромбоцитов значительных количеств свободного Zn2+, существенно повышающих локальную концентрацию металла. Активация в этих условиях протеолитических ферментов поверхности клеток может способствовать выходу из медь-содержащих белков значительных количеств Cu2+.

В контексте общей иммунорегуляции хелатирующий молярные избытки металла белок, обретающий более высокую, чем в режиме эквимолярного связывания катионов, степень гидродинамической стабильности и конформационной устойчивости в ходе межмолекулярных или лиганд-рецепторных взаимодействий, будет реализовать более высокие уровни клеточных ответов, которые, в свою очередь, должны предполагать включение более эффективных механизмов рационального ограничения, нежели основанные на реципрокном воздействии белков γ-глобулиновой фракции, трансформированных эквимолярным связыванием Cu2+ и Zn2+, на выработку отдельных иммунорегуляторных цитокинов [1].

Металлокомплексы белков γ-глобулиновой фракции, образованные с катионами меди и цинка, в индукции выработки фактора некроза опухоли а

Как показано на рис. 1, трансформированные связыванием Cu2+ и Zn2+ белки γ-глобулиновой фракции усиливают выработку клетками крови человека фактора некроза опухоли α (ФНОα), одного из ключевых провоспалительных цитокинов, реализующего функциональную активность преимущественно в ходе продуктивной фазы ответа и во многом определяющего степень развертывания воспалительных реакций.

Рис. 1. Индукция выработки фактора некроза опухоли а (ФНОα) металлокомплексами γ-глобулина

Здесь и на рис. 2: по оси абсцисс - время инкубации, ч; по оси ординат - концентрация цитокина за вычетом эффектов контрольного у-глобулина, усл. ед; линия 1 и светлые кружки - γ-глобулин с Cu2+; линия 2 и темные кружки - γ-глобулин с Zn2+.

Металлокомплексы γ-глобулина индуцируют продукцию раннего ФНОα (24 ч инкубации клеток) в количествах, превосходящих эффекты контрольных белков и изолированных Cu2+ или Zn2+ и достигающих концентрации 110 пг/мл в случае Zn2+ и 130 пг/мл в случае Cu2+ [4]. В динамике наблюдения действие хелатировавших металл белков реализуется на уровне промежуточного (48 ч индукции) и пролонгируется до уровня позднего (72 ч инкубации клеток) ответа [4], поддерживая тем самым в культуре клеток определенное количество ФНОα на протяжении всего срока наблюдения (см. рис. 1).

Полагая при этом, что трансформированные присоединением Cu2+ и Zn2+ белки будут характеризоваться различающимися константами связывания их Fc-фрагментов с Fc-рецепторами клетки, можно определить расчетное содержание ФНОα в микроокружении клетки как эффект кумуляции ответов на действие металлокомплексов, образованных белками γ-глобулиновой фракции с Cu2+ и Zn2+. На пике раннего ответа оно составит до 240 пг/мл и будет свидетельствовать о формировании в клеточной культуре и поддержании в динамике наблюдения выраженного провоспалительного статуса (см. рис. 1 и работу [4]).

Металлокомплексы белков γ-глобулиновой фракции, образованные с катионами меди и цинка, в индукции выработки интерлейкина-10

Как показано на рис. 2, трансформированные связыванием Cu2+ и Zn2+ белки γ-глобулиновой фракции усиливают выработку клетками крови человека интерлейкина(ИЛ)-10, определяющего дифференцировку Th2-лимфоцитов, тормозящего реакции I типа иммунного ответа, ослабляющего эффекты ФНОα и способного предотвращать избыточную активацию аутореактивных эффекторов в условиях развития воспалительных реакций.

Рис. 2. Индукция выработки интерлейкина-10 (ИЛ-10) металлокомплексами γ-глобулина

Металлокомплексы γ-глобулина индуцируют продукцию ИЛ-10 в ранние (24 ч инкубации клеток), промежуточные (48 ч) и поздние (72 ч инкубации) сроки наблюдения в количествах, превосходящих уровни при действии контрольных белков и изолированных Cu2+ или Zn2+ и достигающих на пике позднего ответа концентрации почти 70 пг/мл в случае Zn2+ и почти 60 пг/мл в случае Cu2+ [5]. В культуре клеток при этом постоянно поддерживается определенное, нарастающее к поздним срокам содержание ИЛ-10, достигающее на пике позднего ответа, с учетом возможности реализации эффекта кумуляции (см. выше), концентрации порядка 130 пг/мл [5]. На рис. 2 хорошо заметно, что в системе продукции ИЛ-10 хелатировавшие Cu2+ и Zn2+ γ-глобулины ориентированы на взаимную компенсацию в случае недостаточности эффекта индукции.

Следовательно, в присутствии трансформированных связыванием Cu2+ и Zn2+ белков γ-глобулиновой фракции в микроокружении клеток в результате усиленной выработки ИЛ-10 создается и поддерживается активное противовоспалительное состояние, предотвращающее возможность воспалительного повреждения собственных клеток организма в условиях развертывания форсированных воспалительных реакций (см. рис. 2 и работу [5]).

Если при этом наиболее выраженное усиление выработки ФНОα реализуется на уровне раннего ответа и связано с инициацией воспаления (см. рис. 1 и работу [4]), то продукция ИЛ-10, нарастающая к поздним срокам индукции, относит эффекты металлокомплексов γ-глобулина к стадии разрешения воспаления и торможения воспалительных реакций, в реализации которой выработка ФНОα будет активно ослабляться (см. рис. 2 и работу [5]).

Структурные основы сонаправленного действия катионов меди и цинка - общая группа сайтов связывания

В наших исследованиях сонаправленное действие Cu2+ и Zn2+ реализовалось не только на уровне выработки оппозитных цитокинов, но и в реакциях индукции, в основном сопровождавшихся оппозитным действием катионов, транслируемым реципрокными эффектами связавших их и трансформированных ими γ-глобулинов.

В реакциях раннего ответа белки γ-глобулиновой фракции, присоединившие Zn2+, а в реакциях позднего ответа - Cu2+, усиливают выработку клетками крови человека ИЛ-18 [6]. В поздних реакциях γ-глобулины, конформационно преобразованные связыванием Cu2+ или Zn2+, усиливают выработку интерферона-α [7] и ослабляют индукцию ИЛ-1β [8].

В основе этих эффектов, как и сонаправленной регуляции γ-глобулинами, трансформированными связыванием Cu2+ и Zn2+, ФНОα и ИЛ-10, лежит способность ионов металлов хелатироваться, в зависимости от содержания катионов в периглобулярном пространстве, на одни и те же свободные и доступные для контакта сайты связывания, вызывая сходные конформационные преобразования и иммунохимические изменения [9].

Антигенная характеристика у-глобулинов, специфически присоединивших 6 Cu2+ и 12 Zn2+ на молекулу белка, в "сэндвич"-варианте иммуноферментного анализа (ИФА) - Zn2+ в 2 раза больше, чем Cu2+ - обнаруживает, что линеаризованная и спрямленная концентрационная зависимость реакции с антителами к IgG человека у трансформированного связыванием Zn2+ белка круто пересекает параллельные линии контрольного и преобразованного присоединением Cu2+ γ-глобулина [9]. "Сэндвич"-вариант ИФА с белками, специфически присоединившими 8 Cu2+ и 4 Zn2+ на молекулу (Cu2+ в 2 раза больше, чем Zn2+), демонстрирует, что соответствующая концентрационная зависимость у трансформированного связыванием уже Cu2+ γ-глобулина пересекает параллельные линии контрольного и преобразованного присоединением Zn2+ белков [9]. Она пересекает их под меньшим углом наклона, поскольку Cu2+, в отличие от Zn2+, не повышает степень конформационной жесткости белковой глобулы [10].

Как известно, будучи по своей природе полидентатными лигандами, белки формируют структуру глобулы с участием координационных связей с ионами металлов. Они присоединяют металлы, стабилизирующие малые домены молекулы и контролирующие локальную конформацию, и обнаруживают вследствие образования координационных связей с металлами принципиально новые свойства. Во многом это происходит потому, что связывание катиона металла включает серию перекрестных реакций, сокращающих число приемлемых конформаций и одновременно приводящих к формированию выступов и гребней, облегчающих взаимодействие белка с другими макромолекулами [11].

В физиологических условиях эквимолярного связывания γ-глобулинами Cu2+ и Zn2+ образующиеся металлокомплексы проявляют в отношении активности клеток крови человека оппозитные свойства [1]. Больший, чем у Zn2+, радиус Cu2+, менее концентрированный заряд, меньшая химическая стабильность, более высокая способность к комплексообразованию, формирование не образуемых Zn2+ планарных комплексов и участие в окислительно-восстановительных реакциях, в которые Zn2+ оказывается не вовлекаемым, превалирующая активность Cu2+ на внешних связях белковой глобулы и тропность Zn2+ к внутриглобулярным сайтам связывания - создают основу реализации белками у-глобулиновой фракции, трансформированными связыванием Cu2+ и Zn2+, реципрокных эффектов в клеточных системах [1, 2, 10, 11].

Вместе с тем сохраняющие высокое сходство электронных конфигураций, имеющие достаточно близкие ионные радиусы, реализующие одинаковую геометрию окружения лигандами, способные к образованию комплексов с сайтами, содержащими кислород, азот или серу, демонстрирующие близкую устойчивость координационных соединений с биолигандами и высокую аффинность взаимодействия с белками Cu2+ и Zn2+ проявляют принципиально сходные свойства в динамике взаимодействия и связывания с белками γ-глобулиновой фракции [9, 11].

Эта динамика характеризуется одинаковой последовательностью конформационных событий, совпадающей локализацией структурных перестроек, наличием для каждого катиона нескольких групп неэквивалентных и зависимых друг от друга сайтов связывания металла, сходными оптическими и иммунохимическими эффектами [2]. Последние указывают на отсутствие условий для экспрессии молекулой связавшего ионы металла белка новых антигенных детерминант и формирования новой антигенной специфичности белковой глобулы, которая могла бы индуцировать в организме выработку антител к собственному, связавшему металл и трансформированному этим связыванием γ-глобулину [2, 9].

Вся совокупность результатов наших исследований свидетельствует о том, что белки γ-глобулиновой фракции всегда, вне зависимости от условий эксперимента и концентрационных соотношений в растворе, связывают то или иное количество катионов металлов. Сказанное означает, что γ-глобулины циркулируют в плазме крови в таком конформационном состоянии и с такими структурными характеристиками поверхности молекулы белка, которые формируют возможности хелатирования любого катиона, оказывающегося в периглобулярном пространстве, не ограниченные строгой специфичностью реакции.

Такую специфичность, действительно, представить себе довольно трудно, поскольку она с необходимостью была бы связана с категориями доступности сайтов связывания для хелатируемых катионов металлов. Последняя, в свою очередь, не может определяться свойствами катионов, а происходит исключительно из локальных структурных особенностей макромолекулы, организующей участки связывания, способные в принципе хелатировать металл. Отсутствие структурной специфичности по металлу правомочно относить ко всем участвующим в присоединении катионов образованиям молекулы белка - разветвленным антеннам варфракции олигосахаридов шарнирной области, металлосвязывающим участкам первичной аминокислотной последовательности, сиаловым кислотам, моно- и дисахаридам поверхности глобулы, свободным остаткам цистеина, не задействованным на образование межцепьевых дисульфидных связей [1, 9].

Одновременно, трудно себе представить нахождение в физиологическом микроокружении γ-глобулина одинаковых количеств свободных Cu2+ и Zn2+, когда категории специфичности и доступности могли бы реально определять преимущество одних катионов перед другими в их естественной конкуренции за места связывания на поверхности или внутри белковой глобулы.

С учетом сказанного, а также принимая во внимание результаты приведенных в работе оптических и иммунохимических исследований, остается полагать, что топика и динамика хелатирования ионов металла, определяющие последующие конформационные преобразования молекулы белка и изменения ее эффекторных функций в отношении клеток крови человека, зависят от конкретных условий микроокружения и общей конформации белковой глобулы, создающих возможность хелатирования Cu2+ на сайты, относимые нами по результату реакции к сайтам связывания Zn2+, а Zn2+ - на сайты связывания Cu2+ с естественной последующей реализацией сходных структурных эффектов и индукцией совпадающих клеточных ответов в присутствии трансформированных связыванием Cu2+ и Zn2+ белков γ-глобулиновой фракции [2, 9].

Обобщая изложенное, можно обоснованно заключить, что в условиях первичного тканевого повреждения или воспаления, реализующихся возможностью нахождения в локальном микроокружении γ-глобулинов умеренного молярного избытка катионов Cu2+ или Zn2+, ионы металлов хелатируются белком на общие группы сайтов связывания и вызывают сходные конформационные преобразования белковой глобулы, транслируемые сонаправленными ответами клеток крови на действие трансформированных связыванием этих катионов белков γ-глобулиновой фракции [4, 5].

При этом, если базальные, физиологические уровни реагирования, определяющие случайный характер связывания отдельных катионов Cu2+ и Zn2+, предполагают реализацию процессов индукции клеточных ответов и их ограничение на основе оппозитного действия катионов на выработку ключевых иммуноактивных цитокинов, в условиях форсированных реакций и хелатирования белком умеренных молярных избытков катионов с вовлечением уже не отдельных сайтов, а участков (групп сайтов) связывания ионов металла, индукция ответа клетки и ее рациональное ограничение происходят на основе сонаправленного действия трансформированных присоединением катионов Cu2+ и Zn2+ белков на выработку оппозитных по своему функциональному потенциалу цитокинов.

Благодарности. Автор выражает признательность научным сотрудникам Е.И. Востровой и М.А. Сарычевой за помощь, оказанную при подготовке рукописи к печати.

Литература

1. Чекнёв С.Б. Белки γ-глобулиновой фракции, хелатирующие катионы металлов, в физиологической иммунорегуляции. Оппозитные эффекты меди и цинка. Иммунология. 2021, 42 (3): 293-300. DOI: https://doi.org/10.33029/0206-4952-2021-42-3-293-300

2. Чекнёв С.Б., Бабаева Е.Е., Голуб А.Е., Денисова Е.А., Воробьёва У.А. Эффекты меди и цинка при связывании с человеческим сывороточным γ-глобулином. Медицинская иммунология. 2006; 8 (5-6): 615-22.

3. Чекнёв С.Б., Бабаева Е.Е., Денисова Е.А., Воробьёва У.А., Монгуш Э.М. Антигенная специфичность образцов человеческого сывороточного γ-глобулина, полученных в условиях эквимолярного связывания катионов меди и цинка. Бюллетень экспериментальной биологии и медицины. 2007; 143 (2): 170-4.

4. Чекнёв С.Б., Ефремова И.Е., Апресова М.А., Бабаянц А.А. Индукция выработки ФНО-α металлокомплексами белков γ-глобулиновой фракции, образованными с катионами меди и цинка. Бюллетень экспериментальной биологии и медицины. 2012; 154 (12): 726-9.

5. Чекнёв С.Б., Апресова М.А., Ефремова И.Е., Писковская Л.С., Бабаянц А.А. Участие металлокомплексов γ-глобулина в регуляции выработки ИЛ-10. Иммунология. 2013; 34 (4): 189-93.

6. Чекнёв С.Б., Апресова М.А., Ефремова И.Е., Бабаянц А.А. Выработка IL-18 в присутствии металлокомплексов γ-глобулина. Медицинская иммунология. 2013; 15 (1): 13-20.

7. Чекнёв С.Б., Бабаянц А.А., Ефремова И.Е., Писковская Л.С. Выработка позднего ИФН-α, индуцированного белками γ-глобулиновой фракции плазмы крови и их металлокомплексами. Бюллетень экспериментальной биологии и медицины. 2010; 150 (12): 666-9.

8. Чекнёв С.Б., Ефремова И.Е., Писковская Л.С., Юшковец Е.Н., Бабаянц А.А. Определение IL-1β, вырабатываемого клетками крови человека в присутствии белков γ-глобулиновой фракции и их металлокомплексов. Медицинская иммунология. 2010; 12 (6): 497-502.

9. Чекнёв С.Б., Денисова Е.А., Бабаева Е.Е., Воробьёва У.А., Монгуш Э.М. Конформационное состояние и антигенные характеристики γ-глобулина человека, модифицированного связыванием катионов меди и цинка. Иммунология. 2007; 28 (5): 274-80.

10. Чекнёв С.Б., Ефремова И.Е., Денисова Е.А., Юшковец Е.Н. Иммуноферментный анализ модифицированного катионами металлов γ-глобулина на низких концентрациях образцов. Российский иммунологический журнал. 2008; 2 [11 (1)]: 55-62.

11. Чекнёв С.Б. Сопоставление эффектов меди и цинка в условиях их взаимодействия с человеческим сывороточным γ-глобулином. Иммунология. 2006; 27 (4): 212-5.

Материалы данного сайта распространяются на условиях лицензии Creative Commons Attribution 4.0 International License («Атрибуция - Всемирная»)


Журналы «ГЭОТАР-Медиа»