Mechanisms of the Formation and Function of Dinitrosyl Iron Complexes as a “Working Form” of Nitric Oxide in Living Organisms

Cover Page

Cite item

Full Text

Open Access Open Access
Restricted Access Access granted
Restricted Access Subscription Access

Abstract

It has been proposed that only the introduction of endogenous nitric oxide (NO) into dinitrosyl iron complexes (DNIC) or S-nitrosothiols (RS-NO) can ensure stabilization of NO that is critical for operating in an auto/paracrine manner as a regulator of biological processes in living organisms. Without this introduction, the majority of endogenous NO disappears due to aggressive intra/intercellular environment thereby eliminating it from metabolic processes. Administration of exogenous NO in human and animal organisms (the only possible route of administration is via inhalation when it is in the gaseous state) does not lead to formation of DNIC or RS-NO in blood or other tissues. Hence, the majority of exogenous NO during its inhalation is converted into nitrosonium cations (NO+), the emergence of which is evidenced by their conversion into RS-NO when various thiol-containing compounds are administered to animal blood concomitantly. In turn, RS-NO formation in those animals was manifested by hypotensive effect on them. NO molecule transformation into nitrosonium cations may also occur during DNIC formation induced by a disproportionation reaction of endogenous NO molecules binding with Fe2+ ions in pairs. Subsequent binding of Fe(NO)2 groups to thiol-containing ligands that occur during this reaction promotes formation of rather stable DNICs that act as donors of both neutral molecules of NO and nitrosonium cations (NO+) in living organisms. The transfer of NO and NO+ to targets for nitrosation reactions occurs by the interaction of low molecular DNICs with heme groups of heme-containing proteins (for example, guanylate cyclase) or thiol groups in low molecular or protein thiol-containing compounds. This paper presents different results of NO and NO+ transfer in living organisms disussing both positive, regulatory and negative, toxic effects of it.

About the authors

A. F Vanin

N.N. Semenov Federal Research Center for Chemical Physics, Russian Academy of Sciences

Email: vanin.dnic@gmail.com
Moscow, 119334 Russia

References

  1. Ignarro L., Nitric oxide biology and pharmacology (Acad. Press, Zurich, Switzerland, 2000).
  2. Ванин А. Ф. Динитрозильные комплексы железа и S-нитрозотиолы — две возможные формы стабилизации и транспорта оксида азота в биологических системах. Биохимия, 63, 924–938 (1998).
  3. Ванин А. Ф. Динитрозильные комплексы железа с тиолсодержащими лигандами. Физикохимия, биология, медицина (Ижевский институт компьютерных исследований, Ижевск, 2015).
  4. Vanin A. F. Dinitrosyl iron complexes as a “working form” of nitric oxide in living organisms (Cambridge, Cambridge Scholar Publishing, UK, 2019).
  5. Shumaev K. B., Gubkin A. A., Serezhenkov V. A., Lobysheva I. I., Kosmachevskaya O. V., Topunov A. F, and Vanin A. F. Interaction of reactive oxygen and nitrogen species with albuminand methemoglobinbound dinitrosyl-iron complexes. Nitric Oxide Biol. Chem., 18, 37–46 (2008). doi: 10.1016/j.niox.2007.09.085
  6. Gaston B. M, Carver J., Doctor A., and Palmer L.A. Physiological roles of S-nitrosylation. Mol. Intervention, 3, 253–263 (2003). doi: 10.1124/mi.3.5.253
  7. Zhang Y. and Hogg N. S-nitrosohemoglobin: a biochemical perspective. Free Rad. Biol. Med., 38, 947– 958 (2005). doi: 10.1016/J.Freeradbiomed.2004.12.016
  8. Seth D., Hess D. T., Нausladen A., Wang L., Wang Y-J., and Stamler J. S. A multiplex enzymatic machinary for cellular protein S-nitrozylatiion. Mol. Cell, 69, 451– 464 (2018). doi: 10.1016/j.molcel.2017.12.025
  9. Mingos D. V. P. Historical introduction to nitrosyl complexes. Structure & Bonding, 153, 15–44 (2014). doi: 10.1007/43_2013_116
  10. Vanin A. F. Nitosonium ions as a constituents of dinitrosl iron complexes with glutathione responsible for their S-nitrosating activity. Austin J. Anal. Pharm. Chem., 5, 1109–1119 (2018). doi: 10.26420/austinjanalpharmchem.2018.1109
  11. Melia T. P. Decomposition of nitric oxide at elevated pressure. J. Inorg. Nucl. Chem., 27, 95–98 (1965).
  12. Agnew S. F., Spansou B. I., and Jones L. H. Disproportionation of nitric oxide at high pressure. J. Phys. Chem., 89, 1678–1682 (1985).
  13. Vanin A.F. What is the mechanism of nitric oxide transformation into nitrosonium ioons ensuring S-nitrosating processes in living organisms. Cell Biochem. Biophys., 77, 279–292 (2019). doi: 10.1007/s12013-019-00886-1
  14. Liu Q., Yu K., and Yi P. Affinity of Fe2+ to nitric oxide in aqueous solutions. Enviroment. Sci. Pollution Res., 28, 19540–19550 (2019).
  15. Vanin A. F. How is nitric oxide (NO) сonverted into nitrosonium cation (NO+) in living organisms? (Based on the results of optical and EPR analysis of dinitrosyl iron complexes with thiol-containing ligands). Appl. Magn. Res., 51, 851–876 (2020). doi: 10.1007/s00723-020-01270-6
  16. Vanin A.F. Physico-chemistry of dinitrosyl iron complexes as a determinant of their biological activity. Int. J. Mol. Sci., 22, 10536 (2021). DOI: 10/3390/ijms22191035610.1007/s00723-020-01270-6
  17. Enemark J. H. and Feltham R. D. Principles of structure, bonding, and reactivity for metal nitrosyl. Coord.Chem.Rev., 13, 339–406. (1974). doi: 10.1016/S0010-845(00)80259-3
  18. Vanin A. F., Sanina N. A., Serezhenkov V. A., Burbaev D. S., Lozinsky V. I., and Aldoshin S. M. Dinitrosyliron complexes with thiol-containing ligands: spatial and electronic structures. Nitric Oxide Biol. Chem.,16, 62–73 (2007). doi: 10.1016/j.niox.2006.07.005
  19. Vanin A. F. and Aliev D. I. High spin nitrosyl nonheme iron complexes in animal tissues. Studia Biofizika, 93, 63–68 (1983).
  20. Vanin A. F. and Burbaev D. Sh. Electronic and spatial structures of water-soluble dinitrosyl iron complexes with thiol-containing ligands underlying their activity to act as nitric oxide and nitrosonium ion donors. Biophys. J., 14, 878236 (2011). doi: 10.1155/2011/878236
  21. Налбандян Р. М., Ванин А. Ф. и Блюменфельд Л. А. В сб. Тезисы Всесоюз. конф. «Свободнорадикальные процессы в биологических системах» (М., 1964), с. 18.
  22. Ванин А. Ф. и Налбандян Р. М. Свободные радикалы нового типа в дрожжевых клетках. Биофизика, 10, 167–168 (1965).
  23. Ванин А. Ф., Блюменфельд Л. А. и Четвериков А. Г. Исследование методом ЭПР комплексов негеминового железа в клетках и тканях. Биофизика, 12, 829–858 (1967).
  24. Ванин А. Ф. Идентификация комплексов двухвалентного железа с цистеином в биологических системах. Биохимия, 60, 226–232 (1995).
  25. Vanin A. F., Papina A. A., Serezhenkov V. A., and Koppenol W. The mechanism of S-nitrosothiol decomposition catalyzed by iron. Nitric Oxide Biol. Chem., 10, 60– 73 (2004). doi: 10.1016/j.niox.2004.02.005
  26. Truzzi D. R., Augusto O., and Ford P. C. Thiyl radicals as сo-product of dinitrosyl iron complex (DNIC) formation. Chem. Comm., 55, 9156–9159 (2019). doi: 10.1039/c9cc04454j
  27. Truzzi D. R., Medeiros N. M., Augusto O., and Ford P. Dinitrosyl iron complexes (DNICs). From spontaneous assembly to biological roles. Inorg. Chem., 60, 15835–15845 (2021). doi: 10.1021/acs.inorgchem.1c00823
  28. Vanin A. F. The free-radical nature of nitric oxide molecules as a determinant of their conversion to nitrosonium cations in living systems. Biophysics, 65, 353–367 (2020). doi: 10.1134/S0006350920030239
  29. Ванин А. Ф. и Ткачев Н. А. Динитрозильные комплексы железа с тиолсодержащими лигандами как источники универсальных цитотоксинов – катионов нитрозония Биофизика, 68 (3), 421–434 (2023). doi: 10.1134/S0006302923030018
  30. Ванин А. Ф. Позитивное (регуляторное) и негативное (цитотоксическое) действие динитрозильных комплексов железа в живых организмах. Биохимия, 87, 1737–1760 (2022). doi: 10.1134/S0006297922110153
  31. Ванин А. Ф. Динитрозильные комплексы железа с тиолсодержащими лигандами как функционально активная, «рабочая» форма системы оксида азота в живых организмах (обзор). Молекуляр. биология, 57 (6), 925–937 (2023). doi: 10.31857/S0026898423060204, EDN: QLHGFC
  32. V anin A. F., Poltorakov A. P., Mikoyan V. D., Kubrina L. N., and Burbaev D. S. Polynuclear watersoluble dinitrosyl iron complexes with cysteine or glutathione: electron paramagnetic resonance and optical studies. Nitric Oxide Biol. Chem., 23, 136–147 (2010). doi: 10.1016/j.niox.2010.05.285
  33. Vanin A. F., Malenkova I. V., and Serezhenkov V. A. Iron catalyzes both decomposition and synthesis of Snitrosothiols: optical and electron paramagnetic studies. Nitric Oxide Biol. Chem., 1, 1991–2003 (1997). doi: 10.1006/niox.1997.0122
  34. Borodulin R. R., Kubrina L. N., Mikoyan V. D., Poltorakov A. P., Shvydkiy V. O., Burbaev D. S., Serezhenkov V. A., Yakhontova E. R., and Vanin A. F. Dinitrosyl iron complexes with glutathione as NO and NO+ donors. Nitric Oxide Biol. Chem., 29, 4–16 (2013). doi: 10.1016/j.niox.2012.11.001
  35. H ickok J. R. Sahni S., Shen H., Arvindt A., Antoniou C., Fung L. W. M., and Thomas D. D. Dinitrosyliron complexes are the most abundant nitric oxide-derived cellular adduct: biological parameters of assembly and disappearance Free Rad. Biol. Med., 51, 1558–1566 (2011). DOI: 10/1016/j/ reeradbiomed.2011.06.030
  36. Vedernikov Y. P., Mordvintcev P. I., Malenkova I. V., and Vanin A. F. Similarity between the vasorelaxing activity of dinitrosyl iron cysteine complexes and endothelium-derived relaxing factor. Eur. J. Pharmacol., 211, 313–317 (1992). doi: 10.1016/0014-2999(92)90386-i
  37. Ванин А. Ф., Абрамов А. А., Вагапов А. Б., Тимошин А. А., Пекшев А. В., Лакомкин В. Л. и Рууге Э. К. Почему вдыхание газообразного оксида азота не влияет на системное артериальное давление у человека и животных? Биофизика, 68, 1259–1264 (2023). doi: 10.31857/S0006302923060170
  38. Chazov E. I., Rodnenkov O. V., Zorin A. V., Lakomkin V. L., Gramovich V. V., Vyborov O. N., Dragnev A. G., Timoshin A. A., Buryachkovskaya L. I., Abramov A. A., Massenko V. P., Arzamastsev E. V., Kapelko V. I., and Vanin A. F. Hypotensive effect of “Oxacom” containing a dinitrosyl iron complex with glutathione: animal studies and clinical trials on healthy volunteers. Nitric Oxide Biol. Chem., 26, 147– 157 (2012). doi: 10.1016/j.niox.2012.01.008
  39. В анин А. Ф., Пекшев А. В., Вагапов А. Б., Шарапов Н. А., Лакомкин В. Л., Абрамов А. А., Тимошин А. А. и Капелько В. И. Газообразный оксид азота и динитрозильные комплексы железа с тиолсодержащими лигандами как предполагаемые лекарственные средства, способные купировать Covid-19. Биофизика, 66, 1283–1294 (2021). doi: 10.1134/S0006350921010218
  40. Vanin A. F., Tronov V. A., and Borodulin R. R. Nitrosonium cation as a cytrotoxic component of dinitrosyl iron complexes with thiol-containing ligands (based on the experimental work on MCF-7 hyman breast cancer cell culture). Cell Biochem. Biophys., 79, 93–102 (2021). doi: 10.1007/s12013-020-00962-x
  41. Mikoyan V. D., Burgova E. N., Borodulin R. R., and Vanin A. F. The binuclear form of dinitrosyl iron complexes with thiol-containing ligands in animal tissues. Nitric Oxide Biol. Chem., 62, 1–10 (2017). doi: 10.1016/j.niox.2016.10.007
  42. Галаган М. Е., Орановская Е. В., Мордвинцев П. И., Медведев О. С. и Ванин А. Ф. Гипотензивный эффект динитрозильных комплексов железа в опытах на бодрствующих животных. Бюл. Всесоюз. кардиол. науч. центра, 2, 73–79 (1988).
  43. Vanin A. F., Mokh V. P., Serezhenkov V. A., and Chazov E. I. Vasorelaxing activity of stable powder preparations of dinitrosyl iron complexes with cysteine or glutathione. Nitric Oxide Biol. Chem., 16, 322–330 (2007). doi: 10.1016/j.niox.2006.12.003
  44. Shekhter A. B., Rudenko T. G., Istranov L. P., Guller A. E., Borodulin R. R., and Vanin A. F. Dinitrosyl iron complexes with glutathione inorporated into collagen matrix as a base for the design of drugs accelerating wound healing. Eur. J. Pharmacol., 78, 8–18 (2015). doi: 10.1016/j.ejps.2015.06/002
  45. Мордвинцев П. И., Руднева В. Г., Ванин А. Ф, Шимкевич Л. Л. и Ходоров Б. И. Ингибирующее действие динитрозильных комплексов железа с низкомолекулярными лигандами на агрегацию тромбоцитов. Биохимия, 51, 1861–1866 (1986).
  46. Шамова Е. Б., Бичан О. Д., Дрозд Е. С., Горудко И. В., Чижик С. А., Шумаев К. Б., Черенкевич С. Н. и Ванин А. Ф. Регуляция функциональных и механических свойств тромбоцитов и эритроцитов донорами оксида азота. Биофизика, 56, 265–271 (2011). doi: 10.1134/S0006350911020278
  47. Remizova M. I., Kochetygov N. I., Kerbut K. A., Burgova E. N., and Vanin A. F. Effect of dinitrosyl iron complexes with glutathione on hemorrhagic shock followed by saline treatment. Eur. J. Pharmacol., 662, 40– 46 (2011). doi: 10.1016/j.ejphar.2011.04/046
  48. Andreev-Andriyevsky A. A., Mikoyan V. D., Serezhenkov V. A., and Vanin A. F. Penil-erectile activity of dinitrosyl iron complexes with thiol-containing ligands. Nitric Oxide Biol. Chem., 24, 217–223 (2011). doi: 10.1016/j.niox.2011.04.008
  49. Kim Y. M., Chung H. T., Symmons R. L., and Billiar T. Cellular nonheme iron content is a determinant of nitric oxide-mediated apoptosis, necrosis, and caspase inhibition. J. Biol. Chem., 275, 10954–10961 (2000).
  50. Ding H. and Demple B. Direct nitric oxide transduction via nitrosylation of iron-sulfur centers in the SoxR transcription activation. Proc. Natl. Acad. Sci. USA, 97, 5146–5150 (2000).
  51. Васильева С. В., Ступакова М. В., Лобышева И. И. и Ванин А. Ф. Активация SoxRS-регулона в Escherichia coli оксидом азота и его физиологическими донорами. Биохимия, 66, 1209–1214 (2001).
  52. Crack J. C., Smith J., Stapleton M., Peck J., Watmough N. J., Buttner M., Duxton R. S., and Green J. Mechanistic insight into the nitrosylation of the [4Fe-4S] cluster in WhiB-like proteins. J. Am. Chem. Soc. 133, 1112–1121 (2011). doi: 10.1021/ja109581t
  53. Lo F. C., Lee J. F., Liaw W. F., Hsu T. J., Tsai Y. F., Chan S. I., and Yu S. F. The metal core in the recombinant Escherichia coli transcriptional factor SoxR. Chem. Eur. 128, 2565–2577 (2012). doi: 10.1002/chem.2011.00838
  54. Lepka K.,Volbracht K., Bill E., Schneider R., Rios N., Hildebrabdt T., Ingwersen J., Prozorovski T., Lillig C. H., van Horssen J., Steinman L., Hartung H.-P., Radi R., Holmgren A. S., and Aknas O. Iron-sulfur glutaredoxin 2 protects oligodendrocytes against damage induced by nitric oxide release from activated microglia. Glia, 65, 1521–1534 (2017). doi: 10.1002/glia.23178
  55. Wiegant F. A. C., Malyshev I. Y., Kleschyov A. L., Van Faassen E., and Vanin A. F. Dinitrosyl iron complexes with thiol-containing ligands as inductor of heat shock protein synthesis in H35 hepatoma cells. FEBS Lett., 455, 179–182 (1999).
  56. Voevodskaya N. V., Serezhenkov V. A., Cooper C. E., and Vanin A. F. Exogenous ferrous ion is required for the nitric oxide-catalyzed destruction of the iron-sulfur center in adrenodoxin. Biochem. J., 368, 633–639 (2002). doi: 10.1042/BJ20020788
  57. Richardson D. R. and Lock H. C. The nitric oxide-iron inmterplay in mammalian cells: transport and storage of dinitrosyl iron complexes. Biochim. Biophys. Acta, 1780, 638–651 (2008). doi: 10.1016/bbagen.2007.12.009
  58. Chang S.-H., Hsiao Y.-J., Chen Y.-H., Cheng M.-H., Liu J.-W., Huang H.-J., Chou Y.-T., Amer Y. A. M., Vijayarghavan P., Palanisamy S., Wang Y.-M., and LuT.-T. Conjugation of bone grafts with NO-delivery dinitrosyl iron complexes promotes synergistic osteogenesis and angiogenesis in rat calvaria bone defects. J. Material Chem., 11, 807–819 (2023). doi: 10.1039/d3tb00587a
  59. Писаренко О., Серебрякова Л. И. и Цкитишвили Щ. В. Кардиозащитное действие динитрозильных комплексов железа с цистеином у крыс. Изв. РАН. Сер. биол., 1, 110–114 (2008).
  60. Chuang W.-H., Chou Y.-T., Chen Y.-T., Kuo T.-H., Liaw W.-F., Lu T.-T., Kao C.-F., and Wang Y.-M. Neuroprotective effect of NO-delivery dinitrosyl iron complexes (DNICs) on pathology in the Alzheimer`s disease cell model. ACS Chem. Neurosci., 14, 2922– 2937 (2023). doi: 10.1021/acschemneuro.3c00348
  61. Lee T. Y., Lu H. H., Cheng H. T., Huang H. C., Tsai Y. J., Chang I. H., Tu C. P., Chung C. W., Lu T. T., and Chen Y. Delivery of nitric oxide with pH-responsive nanоcarrier for the treatment of renal fibrosis. J. Controlled Release, 354, 417–429 (2023). DOI: 10.1016/j. jconrel.2922.12.059
  62. Keese M. A., Bose M., Muelsch A., Schrimer R. H., and Becker K. Dinitrosyl-dithiol-iron complexes, nitric oxide (NO) carriers in vivo, as potent inhibitors of hyman glutathione reductase and glutathione-S-transferase. Biochem. Pharmacol., 54, 1307–1313 (1997). doi: 10.1016/S0006-2952(97)00348-1
  63. Wu C. R., Huang Y. D., Hong Y. H., Liu Y.-H., Narwane M., Chang Y. H., Dinh T. K., Hsiech H. T., Hseuh Y. J., Wu P. C., Pao C. W., Chan T. S., Hsu I. J., Cheng Y., Chen H. C., Chin T. Y., and Lu T. T. Endogenous conjugation of biomimetic dinitrosyl iron complex with protein vehicles for oral delivery of nitric oxide to brain and activation of hippocampal neurogenesis. J. Am. Chem. Soc., 1 (7), 998–1013 (2021). doi: 10.1021/jacsau.1c00160
  64. Graziano M. and Lamattina L. Nitric oxide and iron in plants: an emerging and converging story. Trends Plant Sci., 10, 4–8 (2005). doi: 10.1111/j.1365-313X.2007.03283x
  65. Khan S., Kayahara M., Joashi U., Mazarakis N. D., Saraff S., and Huges M. Differential induction of apoptosis in Swiss 3T3 cells by nitric oxide and nitrosonoim cation. J. Cell Sci., 110, 2315–2322 (1997). doi: 10.1242/jcs.110.18.2315
  66. Kleschyov A. L., Strand S., Schmitt S., Gottfried D., Skatchkov M., Daiber A., Umansky V., and Munzel T. Dinitrosyl-iron triggers apoptosis in Jurkat cells despite overexpression of Bcl-2. Free Rad. Biol. Med., 40, 1340–1348 (2006). doi: 10.1016/j.freeradbiomed.2004.12.001
  67. Ванин А. Ф., Телегина Д. И., Микоян В. Д., Ткачев Н. А. и Васильева С. В. Цитостатическое действие динитрозильных комплексов железа с глутатионом на клетки Escherichia coli определяется катионами нитрозония, высвобождающимися из этих комплексов. Биофизика, 67, 938–946 (2022). doi: 10.1134/S0006350922050207
  68. Шиповалов А. В., Ванин А. Ф., Пьянков О. В., Багрянская Е. Г. и Попкова В. Я. Противовирусная активность катионов нитрозония в отношении SARS-CoV-2 на модели сирийского хомячка. Биофизика, 67, 969–981 (2022). doi: 10.31857/S0006302922050167
  69. Шиповалов А. В., Ванин А. Ф., Ткачев Н. А. и др. Противовирусное действие в отношении SARSCoV-2 растворов динитрозильных комплексов железа при их ингаляции сирийским хомячкам в «nose-only» камере. Биофизика, 68 (6) (2024) (в печати).
  70. Чернеховская Н. Е., Хивренко Л. А., Андреев В. Г., Пекшев А. В., Поваляев А. В. и Степанова В. В. Оксид азота в комплексном лечении и профилактике осложнений при COVID-19. Госпитальная медицина: Наука и практика, 5, 41–45 (2022). doi: 10.34852/GM3CVKG.2022.15.31.008
  71. Печёнкин Е. В., Коврижкин А. В., Пекшев А. В., Вагапов А. Б., Шарапов Н. А. и Ванин А. Ф. Высокодозовая ингаляция газообразного оксида азота в лечении COVID-19. Биофизика, 67, 1251–1261 (2022). doi: 10.1134/S0006350922060185
  72. Каменщиков Н. О., Кузнецов М. С., Дьякова М. Л., Подоксёнов Ю. К., Калашникова Т. П., Тё М. А., Чурилина Е. А. и Козлов Б. Н. Ингаляционная терапия комбридного пациента с COVID-19 высокими дозами оксида азота: клинический случай. Клинические случаи, 37, 180 (2022). doi: 10.29001/2073-8552-2022-37-4-180-187
  73. Пекшев А. В., Вагапов А. Б., Шарапов Н. А. и Ванин А. Ф. Высокодозовая ингаляция газообразного оксида азота при ВИЧ-инфекции. Биофизика, 68 (5), 1074–1080 (2023). doi: 10.31857/S0006302923050289
  74. Ванин А. Ф., Пекшев А. В., Печёнкин Е. В., Вагапов А. Б. и Шарапов Н. А. Терапевтическое действие высокодозовой ингаляции газообразного оксида азота на постковидный синдром, диабет и ВИЧ инфекцию Биофизика, 68, 142–149 (2023). doi: 10.31857/0006302923010167

Supplementary files

Supplementary Files
Action
1. JATS XML
Download

Copyright (c) 2024 Russian Academy of Sciences