Chemiluminescent oxidation of Schiff bases catalyzed by peroxidase: mechanistic and toxicological aspects

A enzima peroxidase (HRP) , agindo como uma oxigenase em substratos apropriados, promove a formação de espécies excitadas no estado triplete. Estes produtos excitados podem ser formados em sistemas bioquímicos e promover processos fotoquímicos no escuro. Nesta linha de estudos, investigamos a oxidação aeróbica, na presença de HRP, de substratos contendo ligações de Schiff. Esses compostos são de grande importância biológica, uma vez que participam como intermediários em diversas reações enzimáticas (transaminação, biossíntese de aminoácidos, biossíntese de profirinas), nas ligações cruzadas do colágeno e da elastina, na hemoglobina AlC, na rodopsina e bacterionodopsina e como produtos finais da lipoperoxidação. A oxidação aeróbica de quatro iminas alifáticas (BPA, i-BMA, sec-BMA e BVA) , catalisada por HRP, é quimiluminescente. A natureza triplete da espécie excitada foi sugerida pelo espectro de quimiluminescência, por meio de estudos de transferência de energia para DBAS e clorofila e pela supressão de quimiluminescência por oxigênio, sorbato, indol e p-benzoquinona. Com base nos altos valores de kETo encontrados, concluimos que a transferência de energia esteja ocorrendo provavelmente por um mecanismo a longa distância. A análise dos produtos da reação e os dados cinéticos indicam que a reação ocorre provavelmente segundo a via: (VER Esquema no arquivo) Ressalta-se que esta reação constitui um modelo mais adequado para sistemas bioluminescentes do que o proposto por McCapra e Burford (1976) com bases de Schiff aromáticas em t-butóxido e DMSO. Os sistemas aqui descritos também apresentam a possibilidade de desenvolvimento de método analítico, empregando quimiluminescência, para detectar formação de bases de Schiff em sistemas biológicos. Os estudos com base de Schiff alifáticos (sistemas modelo) foram estendidos para adutos contendo ligação de Schiff entre glicolaldeído e aminoácidos (Lys, Arg, His e Phe) ou proteínas (lisozima, BSA e protaminas). Todos os sistemas estudados são quimiluminescentes na presença de HRP; a fluorescência característica da formação do aduto decai concomitantemente com a emissão de luz; e, durante a reação, a peroxidase encontra-se principalmente na forma de composto II. Observa-se também transferência de energia dos sistemas glicolaldeído-lisozima/HRP/O2 e glicolaldeídoprotamina/HRP/O2 para clorofila. Estes estudos têm grande interesse do ponto de vista da toxicidade associada à ingestão de álcool etílico, a qual, segundo trabalhos recentes da literatura, é atribuída à formação de bases de Schiff entre proteínas de membranas e acetaldeído. E notável também, a formação de iminas durante o processo de lipoperoxidação e a quimiluminescência que o acompanha. Nossos dados levantam a possibilidade de que a toxicologia do álcool pode envolver espécies eletronicamente excitadas formadas na oxidação aeróbica dos adutos aldeído-proteínas.Horseradish peroxidase (HRP) , acting as an oxigenase on various substracts, promotes the generation of electronically excited triplet species. These species can also be formed in many biochemical reactions and drive photochemical processes in the absence of light. Enlighted by this hypothesis (photobiochemistry in the dark) we have investigated the HRP-catalyzed aerobic oxidation of substrates containing Schiff linkage. These compounds are of utmost biological importance as they participate as intermediates of several enzymatic reactions (transamination, amino-acid biosyntheses, porphyrin biosyntheses, a.s.o.), in the crosslinking of collagen and elastin, in hemoglobin AlC, in rhodopsin and bacteriorhodopsin, and as final products from lipid peroxidation. The aerobic oxidation of four aliphatic imines (BPA, i-BMA, sec-BMA and BVA) , catalyzed by HRP, has been shown to be chemiluminescent. The triplet nature of the products is suggested by the chemiluminescence spectrum, by energy transfer studies to DBAS and chlorophyll a and by quenching of the chemiluminescence by molecular oxygen, sorbate ion, indol and p-benzoquinone. Based on the high values of ETTo found in these experiments we have concluded that the energy transfer process occur through a long range mechanism. Analyses of the products found in the spent reaction mixtures and the kinetic data indicate that the reaction follows the route: (SEE scheme file) We stress that this reaction constitutes a more realistic model for bioluminescent systems than that reported by McCapra and Burford (1976), which uses aromatic Schiff bases in DMSO/t-butoxi. In addition, the reaction described here point out for the possible development of chemiluminescent analytical procedure to detect the formation of Schiff bases in biological systems. Our studies on aliphatic Schiff bases were extended to adducts of both amino acids (Lys, Arg, His and Phe) and proteins (lyzozyme, bovine serum albumin and fish protamins) with glycolaldehyde. All these adducts are chemiluminescent when exposed to HRP in an aerated buffered solution. The fluorescence typical of the adducts decays concomitantly with light emission and, during the reaction, the enzyme remains predominantely in the form of HRP Compound II. Energy transfer to chlorophyll a from the systems glycolaldenyde-lyzozyme/O2/HRP and glycolaldehyde-protamine/ 02/HRP occur. These studies are relevant with respect to the toxicity associated to ethyl alcohol intake which, according to recent reports, is attributed to the formation of Schiff linkages between membrane proteins and acetaldehyde. Also noteworthy is the formation of imines along lipid peroxidation and the accompanying chemiluminescence. Our data raise the hypothesis that the alcohol toxicology may involve generated electronically excited species formed during aerobic oxidation of protein-aldehyde adducts