<<
>>

Молекулярная нейробиология протеиногенных аминокислот

Нами был проведен систематический анализ всего массива публика­ций по нейрохимическим ролям аминокислот (более 1000 исследований). Данные по специфическим молекулярным ролям аминокислот, собранные за последние 20 лет, суммированы в таблице 2.

В последующих разделах, эти данные рассматриваются более подробно.
Таблица 2. Молекулярные механизмы нейропротекторного и ней­ротрофического воздействия двадцати стандартных аминокислот. Аминокислоты расположены в алфавитном порядке
Аминокислота 3-букв 1-букв Молекулярные механизмы
Аланин Ala A Регуляция уровней глутамата
Аргинин Arg R Синтез NO, ингибирование NMDA рецепторов
Аспарагин Asn N Неизвестны
Аспарагиновая Asp D NMDA рецепторы
Валин Val V Биосинтез фенилаланина
Гистидин His H Антиоксидант
Глицин Gly G Глициновые сайты нейрональных рецепторов
Глутамин Gln Q Глутамат-глутаминовый цикл
Глутамовая Glu E NMDA, AMPA рецепторы
Изолейцин Ile I Биосинтез фенилаланина
Лейцин Leu L Биосинтез фенилаланина
Лизин Lys K Ингибирование NMDA рецепторов
Метионин Met M Биосинтез S-аденозилметионина
Пролин Pro P Неизвестны
Серин Ser S Глициновые сайты NMDA рецеп­торов
Тирозин Tyr Y Синтез катехоламинов
Треонин Thr T Неизвестны
Триптофан Trp W Синтез серотонина, NMDA рецеп­торы
Фенилаланин Phe F Ингибирование NMDA рецепторов, синтез катехоламинов
Цистеин Cys C Антиоксидант






В то время как нейропротекторные эффекты и соответствующие меха­низмы для аспарагина, пролина и треонина неизвестны, для всех осталь­ных аминокислот были установлены молекулярные механизмы их невро­логического воздействия.

За исключением антиоксидантов гистидина и цистеина, метионина (приводящего к синтезу S-аденозилметионина), ти­розина, триптофана (влияющих на синтез катехоламинов), аминокислоты воздействуют, прямо или косвенно, на функциональное состояние глута­матных рецепторов и, прежде всего, NMDA-рецепторов.

В головном мозге, N-метил^-аспартат рецепторы (NMDA-рецепторы) имеют решающее значение для активности гипокампа и, вероятно, форми­рования долговременной памяти (Wang, 2006). Помимо ЦНС, различные типы NMDA рецепторов широко распространены в самых различных тка­нях организма (Рис. 2). Присутствие NMDA-рецепторов в периферических тканях имеет функциональное значение. Например, NMDA-рецепторы над­почечников могут быть вовлечены в реагирование на стресс и влияют на секрецию катехоламинов (Schwendt, 2001; Jezova, 1995).

При продолжительной ишемии, активность NMDA рецепторов и других глу­тамат-рецепторов в значительной степени влияет на выживание и апоптоз (про­граммируемую смерть) нейронов. Дело в том, что глутамат и его рецепторы обра­зуют в ЦНС сеть передачи возбуждающих сигналов. При ишемии происходит ме­ханическое повреждение отдельных частей сети, что приводит к бесконтрольной секреции глутамата. Чрезвычайный избыток глутамата концентрируется вокруг уже погибших участков нервной сети и стимулирует апоптоз у еще незатронутых нейронов, что способствует постепенному расширению зоны инфаркта.

Именно NMDA-рецепторы опосредуют все негативные последствия сверх-избытка глутамата локализованного в зоне пенумбры. NMDA-ре­цепторы представляют собой достаточно сложные молекулярные машины (Рис. 3). NMDA-рецепторы являются ионотропными рецепторами - то есть, активация рецепторов этого типа приводит к изменениям в потоках различ­ных ионов через мембрану клетки.

Рис. 3. Схематическое представление NMDA-рецептора.



Уникальной особенностью NMDA-рецепторов является присутствие в канале рецептора иона магния (Рис. 4). Воздействие магния на NMDA ре­цепторы отчасти обуславливает нейропротекторное воздействие магния в остром периоде инсульта (Torshin, Gromova, 2009). В зависимости от по­тенциала мембраны, на которой расположен рецептор, ион магния регу­лирует поток ионов через рецептор, тем самым уменьшая избыточное воз­буждение. При поступлении в синаптическую щель глутамата, последний взаимодействует с молекулой NMDA-рецептора, что вызывает открытие ионного канала, притоку Ca+2 и Na+ в клетку, а K+ покидает клетку.

Рис. 4. Пространственная структура одного из доменов N-метил-D- аспартатрецептора (на примере рецептора 2В, ген GRIN2B). Показа­ны предположительные сайты связывания и глутамата (решетчатая модель) и иона магния (сфера).


Ионы кальция, вошедшие через канал, активируют калмодулин-зави- симую киназу 2 (CaMK-II) которая селективно фосфорилирует определен­ные белки нейрона. Этот процесс играет ключевую роль в синаптической пластичности и, следовательно, в процессах обучения и памяти. При харак­терном для ишемии чрезвычайно высоком уровне глутамата, киназа CaMK- II гиперактивируется и нарушает регуляцию всех клеточных процессов, в том числе ингибирование апоптоза. Как результат, апоптотический каскад активируется и нейрон погибает.

Как показали результаты проведенного анализа, большинство амино­кислот оказывают неврологическое воздействие именно через модуляцию активности NMDA рецепторов (Таблица 1). Тем самым, аминокислоты вли­яют на процессы синаптической передачи сигнала глутаматных синапсов (Рис. 5). Некоторые аминокислоты непосредственно влияют на связыва­ние NMDA-рецепторами глутамата и глицина (аспарагиновая, глутамин, глицин, серин и т.д.). Другие аминокислоты воздействуют опосредованно - аланин, например, влияет на уровни секретируемого в синапс глутама­та. Ниже, подробно рассмотрены нейротрофические и нейропротекторные роли отдельных аминокислот.




цепторы и транс-синаптическую передачу сигнала.





Глутамат является наибо­лее распространенным возбуж­дающим нейротрансмиттером. Нервные импульсы стимулиру­ют высвобождение глутамата внутрь синапса, где глутамат стимулирует постсинаптичес­кие глутамат-рецепторы типов NMDA и AMPA. Так как глутамат регулирует синаптическую пластичность (т.е. изменяет проводимость синапса), эта аминокислота имеет важное значение для обучения и функционирования памяти. В случае, когда ткани мозга повреждены, избыток внеклеточного глутамата, буквально «выливающегося» из погибающих нейронов приводит к избыточному току кальция через NMDA рецепторы, что ведет к апоптозу. Для обозначения этого процесса часто используется устаревший в настоя­щее время термин «эксайтотоксичность».


Термин «эксайтотоксичность» используется с 1960-х годов и опреде­ляется как патологический процесс при котором нейроны повреждаются или погибают при избытке возбуждающего нейротрансмиттера глутамата. Исследования последних лет позволяют предположить, что этот термин значительно сузил понимание механизмов ишемического каскада и биоло­гических ролей глутамата. Общеизвестно, что многочисленные испытания ингибиторов NMDA рецепторов до сих пор не принесли результатов. Более того, исследования указывают, что физиологические уровни глутамата ре­гулируют нейрогенез, синаптогенез, рост нейритов, и выживание нейронов (Mattson, 1996). Эти эффекты связаны, по большей части, с влиянием глу-

тамата на уровни основных нейротрофических факторов, в том числе моз­гового нейротрофического фактора (BDNF), фактора роста нервов (NGF) и др. (Рис. 6).

В физиологических концентрациях, глутамат стимулирует синтез моз­гового нейротрофического фактора BDNF, который, в свою очередь, из­меняет чувствительность нейронов к глутамату и пластичность синапсов (Oliff, 1998). Клетки-предшественники нейронов, при воздействии на них глутамата, увеличивают скорость деления и потенциал к восстановлению (Suzuki, 2006). Было показано, что этот отчетливый нейротрофический эффект глутамата обусловлен именно синтезом BDNF в нейронах (Marini, 1998; Lee, 2002). И наоборот - нейротрофические факторы также влияют на сигнальные пути глутамата изменяя плотность глутамат-рецепторов или же влияя на уровни антиоксидантных ферментов и анти-апоптотических белков типа Bcl2 (Mattson, 2008) (Marini, 2007).

Рис. 6. Пространственные структуры нейротрофических факторов. а) BDNF, мозговой фактор роста нервов; б) NGF, фактор роста не­рвов. Показаны атомы цинка (сферы), необходимые для функции фактора роста нервов.


Влияние глутамата на уровни мозгового фактора BDNF осуществля­ется через глутамат рецепторы типа mGluR (Jean, 2008). То, что секреция BDNF зависит от фосфолипазы С, инозитолтрифосфата и кальция, одно­значно указывает на стандартный механизм внутриклеточной сигнализа­ции посредством протеинкиназы С.

По сложившемуся стереотипу, отчасти обусловленному появлением термина «эксайтотоксичность», принято считать, что «глутамат - это всегда плохо». Подобная точка зрения является чистейшим образчиком редукцио­низма и основана на игнорировании многочисленных данных по нейрохимии глутамата, которые были вкратце упомянуты выше. В самом деле, чрезмер­ная активация глутаматных рецепторов может приводить к гибели нейронов,



особенно в условиях энергетического голода и оксидативного стресса (Matt­son, 2003; Hazell, 2007) - т.н. эксайтотоксичность. Степень возрастания уров­ней возбуждающих аминокислот, глутамата и аспартата, в течение 6 часов после инсульта коррелирует с тяжестью протекания заболевания (Skvortsova, 2000). Вместе с тем, эксайтотоксичность является локальным явлением, и соответствует ультра-высокой концентрации глутамата в ишемической зоне. Наоборот, минимально необходимые уровни глутамата, распределенные по всей ткани мозга, имеют важное значение для выживания нейронов.

Так, глутамат стимулирует производство нейротрофических факторов (Lee, 2002). Парадоксально, но глутаминовая кислота также служит в качес­тве материала для синтеза ингибирующего нейротрансмиттера - ГАМК. Не­льзя исключить того, что возрастание глутамата при ишемии активирует син­тез ГАМК: уровни защитной ГАМК возрастали в течение первого дня, вслед за возрастанием глутамата и аспартата (Skvortsova, 2000). Не следует также забывать, что клинические испытания антагонистов глутаматных рецепторов у пациентов, перенесших инсульт, привели к отрицательным результатам (Mattson, 2008). Глутамат, в соответствующих дозах, имеет отчетливый ней­ротрофический эффект так как способствует увеличению уровней нейротро­фических факторов (Suzuki, 2006; Marini, 1998; Lee, 2002; Mattson, 2008идр.). Таким образом, прямолинейное воздействие на сигнальную систему глута­мата (например, с помощью антагонистов глутаматных рецепторов) может иметь двоякий эффект: уменьшать эксайтотоксической воздействие глута­мата ингибируя, в то же время, синтез нейротрофических факторов мозга.


Аспарагиновая кислота (аспартат)

Как и глутамат, аспартат является возбуждающим нейротрансмитте­ром в головном мозге. В тоже время, аспартат, по сравнению с глутаматом, более слабый стимулятор NMDA-рецепторов. NMDA (N-метил^-аспара- гиновая кислота) является водорастворимым синтетическим веществом (Watkins, 2006), производным аспарагиновой кислоты. Это вещество специ­фически взаимодействует с определенными глутамат-рецепторами, кото­рые впоследствии и получили название «NMDA-рецепторы». Биологические эффекты NMDA и аспартата близки. В эксперименте, NMDA приводила к за­метному снижению кальциевых проапоптотических сигналов (Wood, 1998).

Глицин


С одной стороны, глицин - тормозящий нейротрансмиттер: глицин- рецепторы (гены GLRA1, GLRA2, GLRAЗ и GLRB) расположены, как правило, на пост-синаптических мембранах и имеют ГАМК-подобную активность. Эта раз­новидность глицин-рецепторов представляет собой лиганд-управляемые ионные каналы.

С другой стороны, глицин связывается со специфическими сайтами NMDA рецепторов (Рис. 7) и, таким образом, способствует передаче сигнала от возбуждающих нейротрансмиттеров глутамата и аспартата. Вследствие широкой распространенности различных типов NMDA рецепторов в нервной ткани и других тканях организма (см. выше), глицин оказывает модулирую­щее воздействие на глутамат-зависимое возбуждение в различных тканях.

Рис. 7. Пространственная модель сайта связывания глицина в струк­туре NMDA рецептора.


Глицин распространен в нервной системе повсеместно. Большая плот­ность глициновых рецепторов обнаружена не только в структурах ствола, но и в коре больших полушарий, стриатуме, ядрах гипоталамуса, мозжечке. Основная масса глицина сосредоточена в спинном мозге, где аминокис­лота опосредует постсинаптическое торможение мотонейронов. Поэтому глицин как препарат используется в неврологической практике для устра­нения повышенного мышечного тонуса.

В последние годы была доказана роль глицина как тормозного нейротран­смиттера практически во всех отделах ЦНС. Было выявлено, что ГАМК и глицин являются равноценными нейротрасмиттерами, обеспечивающими защитное торможение в ЦНС, роль которого возрастает в условиях повышенного вы­броса глутамата (Gervetto, 2008) через взаимодействие с NMDA рецепторами. Нейропротекторный эффект глицина связан, по всей видимости, с активацией и ГАМК и глициновых сигнальных сетей (Wang, 2007; Kvirishvili, 2002).

Глицин оказывает седативное, мягкое транквилизирующее и слабое антидепрессивное действие, уменьшает чувство страха, психоэмоцио­нального напряжения, уменьшает расторможенность, улучшает точность движений, усиливает действие противосудорожных препаратов, анти­депрессантов, антипсихотиков, уменьшает проявление алкогольной и опи­атной абстиненции, улучшает память и ассоциативные процессы (Рис. 8). Нейропротекторные свойства глицина были доказаны в исследовании 200


пациентов, переживших инсульт (Gusev, 2000). В церебролизине, стандар­тизированном по аминокислотам, глицин содержится в значительных коли­чествах (1.2-1.8 мг/мл).


Аргинин участвует в цик­ле переаминирования и вы­ведения из организма азота в форме солей аммония. Ар­гинин играет важную роль в делении клеток, заживлении ран, функции иммунной системы, а также стимулирует секрецию гормона роста путем подавления секреции соматостатина (Alba-Roth, 1988). В при­сутствии NO-синтетаз (гены NOS1, NOS2A, NOS3), из аргинина синтезиру­ется оксид азота II (окись азота, NO) - нейротрансмиттер, который также поддерживает системную и локальную гемодинамику через снижение то­нуса гладкой мускулатуры сосудов (Рис. 9, 10).

Аргинин обладает определенными нейропротективными свойствами которые, в частности, связанны с NO-опосредовaннойвазодилатацией. N0, наименьшая из сигнальных молекул, диффундирует внутрь клеток гладкой мускулатуры и активирует гуанилат циклазу. Гуанилат циклаза производит циклический гуанозинмонофосфат (цГМФ) из гуанозинтрифосфата (ГТФ). Молекулы цГМФ активируют протеинкиназу G (Р^), фосфорилирующую белки, которые регулируют уровни кальция, чувствительность мышечной клетки к кальцию, гиперполяризацию клетки через калиевые каналы, актин, миозин, что и приводит, в конечном счете, к вазодилатации (1дпагго, 1990).

Рис. 10. Молекулярные механизмы NO-опосредованной вазодилатации


Уровни аргинина в плазме крови снижаются после ишемических собы­тий (Armengou, 2003), указывая на его потребление нейронами как антии­шемического агента. После ишемии спинного мозга у крыс, аргинин пре­дотвращал повреждения нейронов и стимулировал деление микроглиаль­ных клеток (Tuncer, 2005). Применение аргинина после острой асфиксии новорожденных крыс снизило потери нейронов на 50% (Martinez-Orgado, 2005). Нейропротективный эффект аргинина зависит от дозы, степени ок­сигенации мозговых тканей, размера инфаркта и содержания в тканях воды (Temiz, 2003; Cherian, 2003). Аргинин передается из глиальных клеток в нейроны при активации глиальных глутаматных рецепторов (Grima, 2001). церебролизин обладает т.н. плейотропными эффектами (т.е. не заявлен­ными как основные фармакологические эффекты). Например, цереброли­зин нормализует повышенное артериальное давление у пациентов с це­реброваскулярной и сердечно-сосудистыми патологиями. Аргинин может способствовать понижению АД через NO-опосредованную вазодилатацию. В церебролизине, стандартизированном по аминокислотам, аргинин со­держится в количестве 0.3-1.1 мг/мл.





Глутамин необходим для функции мозга, так как два са­мых важных нейротрансмит­тера, глутамат и ГАМК, син­тезируются именно из него. Глутамин также способствует транспортировке азота и сни­жает уровни токсичных форм аммония в головном мозге (Gras, 2006). Глу­тамин характеризуется умеренным нейропротективным эффектом. Глута­мин синтетаза (рис. 11) защищает нейроны от разрушения (Gorovits, 1997). Глутамат-глутаминовый цикл - один из ключевых факторов апоптоза и не­кроза нейронов (Ramonet, 2004). Пероральный глутамин используется для предотвращения периферических невропатий (Amara, 2008; Stubblefield, 2005). В церебролизине, стандартизированном по аминокислотам, глута­мин содержится в количестве в следовых количествах (менее 0.1 мг/мл).


Лизин оказывает противовирусное действие, участвует в формировании кол­лагена и восстановлении тканей. Его при­меняют в восстановительный период после операций и спортивных травм. Лизин сни­жает уровень триглицеридов в сыворотке крови и является материалом для синтеза карнитина. Использование лизин гидрохло­рида защищает клетки головного мозга от недостатка кислорода через стимуляцию

Серин является прекурсором для нескольких аминокислот, в том числе глицина и цистеина. Обе оптически ак­тивные изоформы, L-серин и D-серин, обладают биологической активностью. D-серин синтезируется из L-серина фер­ментом серин рацемазой и служит в ка­честве сигнала к нейрональной актива­ции NMDA рецепторов мозга через взаимодействие с глициновым сайтом ре­цепторов (Mothed, 2000; Wolosker, 2002). При повышенных уровнях глутамата, астроциты секретируют L-серин, необходимый для выживания нейронов при ишемическом инсульте (Yamagata, 2006). В церебролизине, стандартизиро­ванном по аминокислотам, серин содержится в количестве 0.21-0.39 мг/мл.


Фенилаланин

Фенилаланин преобразуется в L-тирозин, а L-тирозин, в свою оче- 0 редь, преобразуется в ДОФА

необходимую для синтеза ка­л техоламинов. При пересече­

нии гематоэнцефалического NH2 f Д* Л барьера, фенилаланин ис­

пользует тот же транспортный Cf канал, что и триптофан. Фени­

лаланин существенно и обра­тимо подавляет глутаминергическую передачу сигнала с помощью комп­лекса пресинаптических и пост-синаптических механизмов. Эндогенные производные фенилаланина проявляют значительные нейропротекторные свойства в эксперименте на модели ишемии головного мозга (Kagiyama, 2004). В церебролизине, стандартизированном по аминокислотам, фени­лаланин содержится в значительных количествах (1.6-2.4 мг/мл).

Триптофан

Триптофан является био­химическим предшественни­ком серотонина, синтезируе­мого посредством триптофан гидроксилазы(Fernstrom, 1983) и оказывающим отчетливое антидепрессивное действие. Серотонин, в свою очередь, преобразуется в нейрогормон мелатонин (Wurtman, 1969), регулирующий цир­кадианный ритм сон-бодрствование. Кинуренины - окисленные полупродукты метаболизма триптофана. Кинуренин-хинолиновая кислота является агонис­том NMDA-рецепторов, а кинуреновая кислота - антагонист глутаматных и ни­котиновых рецепторов (Stone, 2007). В церебролизине, стандартизированном по аминокислотам, триптофан содержится в количестве 0.35-0.65 мг/мл.

Изолейцин, лейцин и валин - гидрофобные алифатические амино­кислоты, необходимые для метаболизма фенилаланина. Нейропсихоло­гическое и МРТ исследование показало значительный нейропротекторный эффект трех этих аминокислот при пероральном приеме. Этот эффект был исследован при избыточном потреблении фенилаланина - то есть на ана­логе фенилкетонурии (Leuzzi, 1997; Berry, 1990). В церебролизине, стан­дартизированном по аминокислотам, изолейцин содержится в количестве

1. 6-2.4 мг/мл, лейцин 4.8-7.2 мг/мл, а валин - 1.6-2.4 мг/мл.



Аланин - важнейший коор­динатор фонда возбуждающих и тормозных нейромедиаторов. Аланин, в результате взаимо­действия со специфическим ре­цептором на поверхности аст- роцитов, блокирует захват ГАМК глиальными клетками и способс­твуя снижению внеклеточного глутамата. Условия, повреждающие ней­роны (гипоксия, гипогликемия, ишемия, окислительный стресс) значи­тельно увеличивают секрецию аланина препятствуя гибели нейронов (Saransaari, 1995; Conger, 1981). Аланин обладает выраженным диуре­тическим действием и при этом выгодно отличается от классических диуретических средств, т.к. не требует корреляции электролитов. В це­ребролизине, стандартизированном по аминокислотам, аланин содер­жится в значительных количествах (2.4-3.6 мг/мл), что позволяет тон­кую регуляцию глутаминергических сигналов. В церебролизине, стан­дартизированном по аминокислотам, аланин содержится в количестве 2.4-3.6 мг/мл.

<< | >>
Источник: Торшин И. Ю., Громова О. А.. Экспертный анализ данных в молекулярной фармаколо- Т61 гии. - М.: МЦНМО, 2012- 747 с.. 2012

Еще по теме Молекулярная нейробиология протеиногенных аминокислот:

  1. Аминокислоты
  2. АМИНОКИСЛОТЫ
  3. Нейромедиаторные аминокислоты
  4. БОЛЕЗНИ МОЛЕКУЛЯРНЫЕ
  5. 0.4. Молекулярные факторыиммунной системы
  6. Торшин И. Ю., Громова О. А.. Экспертный анализ данных в молекулярной фармаколо- Т61 гии. - М.: МЦНМО, 2012- 747 с., 2012
  7. ДИСПИГМЕНТОЗЫ
  8. Приложение 8 О лечебных свойствах меда
  9. БИОЛОГИЧЕСКАЯ цЕнность пИщи
  10. БЕЛОК
  11. БЕЛОК. Функция
  12. Коллектив авторов. Биохимическая фармакология: Учебное пособие / Под ред. П.В. Сергеева, Н.Л. Шимановского. — М.: ООО «Медицинское информационное агент­ство»,2010. -624 с.: ил., 2010
  13. Кокряков В. Н.. Очерки о врожденном иммунитете. — СПб.: Наука,2006.—261 с., 2006
  14. Человеческое питание должно состоять из живых клеток, а не из трупов мертвых клеток
  15. ГЛИЦИН
  16. ЛИТЕРАТУРА
  17. Препараты для парентерального питания