Карнозин – взгляд через 100 лет

  Столетие назад русский ученый В.С. Гулевич обнаружил факт, определивший на многие годы интересы отечественных и зарубежных ученых, исследующих проблемы регуляции метаболизма. Им было обнаружено новое соединение с неизвестной ранее функцией – дипептид бета-аланил-гистидин - названный Гулевичем карнозином. Это был фактически первый из длинного ряда известных ныне нейропептидов – регуляторов поведенческих реакций, способствующих обучению и повышающих адаптацию (устойчивость) клеток и тканей к неблагоприятным условиям среды. 

Карнозин был открыт в экстракте, полученном из скелетных мышц, позже он и его производные были описаны в составе мозга и сердечной мышцы (1). В.С. Гулевича полагал, что карнозин, содержащийся в мышцах в высоких концентрациях, не может быть инертным продуктом обмена. Сначала В.С. Гулевич предположил, что карнозин образуется как продукт декарбоксилирования низкомолекулярных пептидов, но это предположение, оказавшееся неожиданно верным для целого ряда других пептидных регуляторов (2), не оправдалось в случае карнозина. Был выявлен специфический фермент, осуществляющий синтез карнозина из его предшественников в скелетных мышцах, сердце и мозге (карнозинсинтаза, КФ 6.3.2.11), а также описаны его ферментативные превращения по пути метилирования, ацетилирования, декарбоксилирования; в ряде отделов мозга был обнаружен гомолог карнозина, синтезирующийся из гамма-аминобутирата и гистидина - гомокарнозин. Впоследствии были выявлены три различающиеся по специфичности карнозиназы, локализующиеся как в цитоплазме, так и в плазме крови (КФ 3.4.13.20; 3.4.13.3; 3.4.13.18). Оказалось, что тканевое распределение карнозина и его производных весьма тщательно контролируется соотношением этих ферментов и их активностью, так что появление и накопление карнозина в возбудимых тканях связано с определенными этапами  онтогенетического развития, на которых активируются гены, обеспечивающие экспрессию карнозинсинтазы и карнозиназ. 

    Однако В.С. Гулевич (1867-1933) не дожил до выяснения биологической роли карнозина и обнаружения смысла его метаболических превращений. Начало выяснению этих вопросов было положено его учеником - С.Е. Севериным и его школой. В 1952 г. С.Е. Северин описал феномен повышения работоспособности утомленной мышцы при внесении в окружающий раствор карнозина или его N1-метилированного производного анзерина (3). Потребовалось еще 30 лет, чтобы выявить одно из существенных свойств карнозина, лежащих в основе его биологической активности – способность выполнять функции гидрофильного внутриклеточного антиоксиданта и защищать клеточные мембраны от губительного действия активных форм кислорода (4). 

    В настоящее время считается установленным, что карнозин и его производные способны защищать возбудимые клетки от токсического действия свободных радикалов, тяжелых металлов, а также от чрезмерного закисления внутриклеточной среды в условиях недостатка кислорода. Все эти, а, возможно, и другие факты, свидетельствующие о защите клеточных белков от активных форм сахаров (вызывающих неферментативное гликозилирование), легли в основу описанной недавно способности карнозина препятствовать апоптозу нейронов при окислительном стрессе (5) и защищать мозг от инсульта в условиях эксперимента (6). 

    Обширный фактический материал, накопленный за 100 лет, прошедшие с периода открытия дипептида карнозина, позволили сформулировать ряд новых оригинальных концепций о принципах регуляции клеточного метаболизма, которые оказались в центре внимания участников Международной конференции, посвященной 100-летию этого открытия и проходившей в МГУ им. М.В. Ломоносова с 19 по 21 сентября 2000 г. Она открылась вступительным докладом А.А. БОЛДЫРЕВА (Международный Биотехнологический Центр МГУ им. М.В. Ломоносова, Москва), в котором был проанализирован путь, пройденный исследователями этой проблемы за 100 лет. Были охарактеризованы  антиоксидантные свойства карнозина, обоснована его роль как соединения, устраняющего токсические эффекты нейромедиатора глутамата в нейронах головного мозга, проведено сравнение биологической эффективности карнозина и его природных производных. 

    На конференции обсуждались данные, свидетельствующие о взаимоотношении карнозина и белков, повреждаемых АФК. Оказалось, что карнозин способен защищать белки от неэнзиматического гликозилирования (гликирования), поскольку представляет более удобную мишень для атаки альдегидами (Alan HIPKISS, King’s College London, UK). Это вызвано тем, что бета-аминогруппа карнозина структурно соответствует эпсилон-аминогруппе лизина. Чаще всего, именно она подвергается гликированию в белках, особенно если соседом лизина является пролин, и структура лизил-пролина близка к структуре бета-аланилгистидина (7). 

Высокие концентрации карнозина могут эффективно защищать белки от альдосахаров. Более того, А. HIPKISS представил данные о способности карнозина связываться с карбонильными группами окисленных белков. Образующийся при этом карнозилированное производное белка быстрее подвергается протеолизу и выключатся из клеточного метаболизма (8). Более того, карнозилированные белки могут восстанавливаться при взаимодействии со второй молекулой карнозина, и эти реакции могут представлять собой новый путь регуляции длительности существования клеточных белков. 

Согласно исследованиям О. Тюлиной и Е. Куликова в нашей лаборатории (см. Рис. 1), взаимодействие карнозина с оксидантами (на примере гипохлорит-аниона) приводит к образованию ненасыщеного альдимина и затем – альдегида (реакции I и II). Альдегид карнозина, существование которого было показано авторами в модельных экспериментах, может вступать в разнообразные реакции: взаимодействовать с другой молекулой оксиданта, нейтрализуя  ее с образованием кислоты (реакция III), взаимодействовать с другой молекулой карнозина и образовывать неактивный и нетоксичный продукт (реакция IV), или реагировать с аминогруппами белка, осуществляя его модификацию (реакция V). Модифицированный таким образом белок может оказаться объектом более быстрой деградации (как ферментативной - с помощью протеолиза, так и неферментативной – в процессе окислительной деструкции,  реакция VI). Возможно также взаимодействие этого модифицированного белка с другой молекулой карнозина, приводящее к восстановлению его исходной конфирмации (реакция VII) и соединения, аналогичного тому, что образуется в реакции IV. Представленная схема основана на экспериментах, проводимых в нашей лаборатории, и пока является в достаточной степени дискуссионной. Если все участники этих превращений будут идентифицированы (сейчас мы еще не имеем полных доказательств), эти представления будут иллюстрировать принципиально новый способ регуляции карнозином длительности жизни белка в клетке. 

    А. РУБЦОВ (Кафедра биохимии МГУ им. М.В. Ломоносова) продемонстрировал эффекты карнозина, направленные на регуляцию кальциевого гомеостаза в мышечной клетке, которые могут являться основой для отмеченного ранее феномена С.Е. Северина. Автором установлено специфическое взаимодействие карнозина с рианодиновыми рецепторами саркоплазматического ретикулума и представлены факты в пользу того, что кофеин-связывающий участок рецептора является фактически карнозин-связывающим центром. Эти данные явились первой иллюстрацией наличия карнозиновых рецепторов в мышечных клетках. 

Независимый путь регуляторного действия карнозина представила И. СЕВЕРИНА (Институт биомедицинской химии РАМН, Москва), показавшая способность карнозина селективно ингибировать NO-зависимую компоненту активации гуанилатциклазы, тем самым, контролируя цГМФ-зависимый путь трансмембранной передачи клеточного сигнала. В.ТКАЧУКОМ (Кардиологический научный Центр, Москва) были описаны специфические межклеточные взаимодействия, управляемые сигнальной системой, вовлекаемой в свою работу циклическими нуклеотидами.  

    Peter QUINN (University of London, London, UK) изложил концепцию липидного гомеостаза, важную для осуществления регулируемой передачи сигналов из внеклеточной среды к клетке, и показал, как структура липидного бислоя влияет на свойства мембранных белков. По этой причине свободнорадикальные повреждения мембранных липидов, описанные Ю. ВЛАДИМИРОВЫМ (Московский Медицинский Государственный Университет им. Н.И. Пирогова, Москва), могут приводить к нарушению функций мембранных белков. Нарушения, возникающие в этих условиях, отражаются на функции такого важного мембранного белка, как Na/K-ATPаза, которая поддерживает ионный гомеостаз в клетках (О. ЛОПИНА, кафедра биохимии биологического факультета МГУ им. М.В. Ломоносова). Докладчик продемонстрировал регуляторную роль межбелковых взаимодействий в олигомерном ансамбле АТРазы и управление этими взаимодействиями со стороны АТР и клеточных белков. 

    Характерно, что именно Na/K-насос в нейронах головного мозга наиболее уязвим при экспериментальной ишемии мозга, и его повреждения могут объясняться как прямым действием АФК, так и окислительным повреждением окружающих белок липидов (9). Введение карнозина в кровь экспериментальным животным за 30 мин до окклюзии сосудов мозга сберегает животных от тяжелых последствий инсульта, увеличивает долю выживших, и предохраняет мозг от повышенной продукции губительных АФК (С. СТВОЛИНСКИЙ, Институт неврологии РАМН, Москва и Dusan DOBROTA, State University, Bratislava, Slovakia). 

    Аналогичные данные по защите сердца от ишемических повреждений были представлены А. ВИНОКУРОВЫМ и В. АЛАБОВСКИМ (Воронежская Государственная Медицинская Академия). Steven GALLANT (Zoetic Neurosciences, Ltd., Luton, UK) привел обоснование того, что карнозин может иметь более широкое приложение не только в качестве антиишемического средства, но и как природный регулятор гомеостаза на уровне организма, проявляя геропротекторные свойства. S. GALLANT считает, что карнозин является прототипом новой генерации лекарств широкого спектра действия, которые могут быть созданы на основе природных биологически активных соединений. 

    Доклад А. АРУТЮНЯНА (Институт биорегуляции и геронтологии, Санкт-Петербург) вскрыл закономерности действия аналогичных карнозину природных регуляторов клеточного метаболизма, образуемых в гипофизе. Их действие, по мнению автора, также имеет антиоксидантную природу. Игорь АШМАРИН (Кафедра физиологии человека и животных МГУ им. М.В. Ломоносова, Москва) описал биомедицинские свойства семейства нейропептидов близкой к карнозину природы, которые образуются в организме независимым путем и выполняют гомеостатическую функцию. Он представил данные об испытаниях искусственного аналога таких пептидов, Семакса, прочно вошедшего в мировой список лекарственных препаратов.    

В докладе Hiroki ABE (University of Tokyo, Japan) была показана безусловная корреляция между буферной активностью мышечной ткани и уровнем гистидин-содержащих дипептидов в мышцах. Автор обнаружил, что способность совершать работу в анаэробных условиях напрямую зависит от содержания в мышцах карнозина и/или его производных.  

    Специальная сессия Конференции была посвящена молекулярным механизмам мышечного сокращения. В. ШИРИНСКИЙ, Кардиологический исследовательский Центр, Москва), Н. ГУСЕВ (МГУ им. М.В. Ломоносова, Москва), Sh. ISHIWATA (WASEDA Univеrsity, Tokyo), Д. ЛЕВИЦКИЙ (Институт биохимии им. Баха, РАН, Москва), S. MARSTON (Imperial College, London, UK), A. КАТРУХА (Московский Институт медицинской экологии, Москва) изложили современные представления о свойствах и механизме функционирования молекулярных машин, обеспечивающих разные формы биологической подвижности и использование антител против некоторых сократительных белков в качестве теста на ишемическое повреждение тканей сердца.    

    Специально проведенный в ходе Конференции Круглый стол (организаторы Елена ЭРНАНДЕС, Россия и Kanji MEGURO, Japan) показал, что карнозин успешно занимает место в ряду лекарственных препаратов широкого действия и может эффективно использоваться как специализированное лекарственное средство (глазные капли СЕВИТИН, ООО “Медтехника”, президент – И. БАГАУТДИНОВ, Россия, противоязвенное средство “Promaс”, Hamari Chemicals Ltd., The President – Sh. TAKAMI, Japan), так и в качестве препарата общего действия (пищевая добавка, обеспечивающая ускоренную реабилитацию пациентов, перенесших инсульты различной степени тяжести или геропротектоный эффект). Заслуга внедрения этой формы карнозина принадлежит активно работающему содружеству двух кампаний – английской “Zoetic Neurosciences Ltd.” (Steven GALLANT) и русской ООО “МЕДТЕХНИКА” (И. БАГАУТДИНОВ). 

    В завершение работы Конференции по инициативе ООО “Медтехника” (Россия) и “Hamari Chemicals Ltd.” (Japan) двум исследователям – Hiroki ABE (Japan)  и Ольге ТЮЛИНОЙ (Россия) были вручены дипломы, подтверждающие их существенный персональный вклад в исследование биологической активности карнозина, а трем молодым ученым (Мария Юнева, МГУ им. М.В. Ломоносова; Владимир НЕБОЛЬСИН, Московская государственная Академия тонкой химической технологии им. М.В. Ломоносова; Зоя ЗАЛЕСОВА, Санкт-Петербургский государственный Университет) были вручены памятные медали. Все кандидатуры призеров были отобраны Оргкомитетом Конференции по результатам анализа их публикаций в сети ИНТЕРНЕТ. 

    Участники Конференции с благодарностью отметили спонсорскую поддержку Российского Фонда фундаментальных исследований, European Peptide Society, Zoetic Neurosciences Ltd. (UK), Hamari Chemicals Ltd. (Japan) и ООО Медтехника (Россия), позволивших не только провести саму конференцию, но и выпустить памятную медаль, посвященную 100-летию со дня открытия карнозина . При закрытии конференции президент Zoetic Neurosciences Ltd. Steven GALLANT объявил о своем решении учредить фонд имени С.Е. СЕВЕРИНА для поддержки исследований российских молодых ученых, нацеленных на дальнейшее изучение биологической роли карнозина. Для реализации этого проекта создан Научный Совет (Председатель – проф. А.А. БОЛДЫРЕВ, Ученый Секретарь – Е.Р. БУЛЫГИНА, адрес электронной почты для справок erb2000@mail.ru, адрес в ИНТЕРНЕТ  http://carnosine.narod.ru/). 

 

Литература

1.     Болдырев А.А. Карнозин и защита тканей от окислительного стресса, Москва, 1999.

2.     Ашмарин И.П. Вестник РАМН. 1992. №8. С. 7-10.

3.     Северин С.Е., Кирзон М.В., Кафтанова Т.М. Доклады АН СССР. 1953. Т.91. С.691-694.

4.     Северин С.Е., Болдырев А.А., Дупин А.М. Вопр. мед. хим. 1984. Т.30. №3.  С.32-36.

5.     Болдырев А.А. Биохимия. 2000. Т.65. Вып.7. С. 981-990. 

6.     Gallant S., Kukley M., Stvolinsky S., Bulygina E., Boldyrev A. Tohoku J. Exp. Med. 2000. V.191. P. 85-99. 

7.     Kantha S., Wada Sh., Tanaka H., Masao T., Watabe Sh., Ochi H. Biochem. Biophys. Res. Com. 1996. V.223. P. 278-282.

8.     Hipkiss A. Biochemistry (Moscow). 2000. V. 65. №7. P. 907-916.

9.     Kurella E., Tyulina O., Boldyev A. Cell. Molec. Neurobiol. 1999. V. 19. P. 133-140