УДК 577.2
КОРОТКИЕ ПЕПТИДЫ КАК КОМПОНЕНТЫ ПИТАНИЯ: МОЛЕКУЛЯРНЫЕ ОСНОВЫ РЕГУЛЯЦИИ ГОМЕОСТАЗА
© 2014 г. В. А. Тутельян1, В. Х. Хавинсон23, Г. А. Рыжак3, Н. С. Линькова3
1Научно-исследовательский институт питания РАМН, Москва 2Институт физиологии им. И.П. Павлова РАН, Санкт-Петербург 3Санкт-Петербургский институт биорегуляции и геронтологии E-mail: linkova@medfiz.ru, linkova@gerontology.ru
Изложены физиологические и молекулярные механизмы метаболизма коротких пептидов в организме и их роль в поддержании гомеостаза. Многие короткие пептиды при пероральном введении не расщепляются в желудочно-кишечном тракте и всасываются в неизмененном виде. Эти пептиды, не гидролизуясь в ЖКТ, попадают в плазму крови, а затем в различные ткани и органы. Короткие пептиды проникают через цитоплазматическую мембрану в ядро и ядрышко клеток, где могут связываться с ДНК и эпигенетически регулировать экспрессию генов. Взаимодействие ДНК-пептид, вероятно, является древнейшим в эволюции. Это может объяснять высокую биологическую активность коротких пептидов, их полную безвредность и успешное применение в качестве веществ, обладающих значительным физиологическим действием.
Ключевые слова: короткие пептиды, питание, гомеостаз, желудочно-кишечный тракт, экспрессия генов.
ВВЕДЕНИЕ
Питание является важнейшей составляющей поддержания гомеостаза организма и во многом определяет продолжительность и качество жизни (Тутельян и др., 2003). Вещества, поступающие в организм при приеме пищи, вовлекаются в метаболизм в желудочно-кишечном тракте (ЖКТ), кровеносном русле и различных органах и тканях, осуществляя поддержание функциональной активности клеток (Коротько, 2006). В связи с этим сбалансированное питание, соответствующее возрасту, физической и умственной активности человека, является эпигенетическим фактором сохранения здоровья и долголетия (Тутельян, 2010). Таким образом, различные патологические процессы в организме и старение можно рассматривать с точки зрения нарушения метаболизма питательных веществ на органном, тканевом и клеточном уровне организации живой материи.
Современная мировая наука о питании рассматривает два аспекта: эпидемиологию питания (корреляции между особенностями питания и наличием метаболической патологии у людей из различных стран) и биохимическую трансформацию питательных веществ в организме (поступление с пищей веществ как "гормонов", т.е. сигнальных
молекул). В соответствии с этим подходом жирные кислоты и аминокислоты, поступая в кровь и различные ткани, могут взаимодействовать с клеточными мишенями (мембранные и ядерные структуры) и эпигенетически регулировать экспрессию генов и синтез белков (Ryan, Seeley, 2013).
Среди сигнальных молекул, необходимых для поддержания гомеостаза в организме, особую группу составляют регуляторные пептиды экзо-и эндогенного происхождения (Климов, 1983; Anisimov, Khavinson, 2010). Функции эндогенных полипептидных молекул (факторы роста, панкреатический полипептид, кальцитонин, ангиотензин, пептидные гормоны гипоталамуса и др.) в регуляции метаболизма и нейроиммуноэндокринных взаимодействий хорошо изучены. Однако в последние годы все большее внимание привлекают короткие пептиды (КП), образованные путем деградации белков, поступающих в организм с пищей. Актуальность этой темы обусловлена тем, что при старении организма метаболизм замедляется, что выражается в снижении активности пептидаз в ЖКТ и нарушении образования и всасывания КП (Тутельян и др., 2003). Известно, что пероральное применение карнозина (ß-Ala-His) оказывает антиоксидантное действие, а другого пептида - Asn-Leu-Pro-Arg (NLPR) способствует
Тканеспецифическое взаимодействие КП с клетками-мишенями в различных органах и тканях
I
Проникновение КП через цитоплазматическую и ядерную мембрану в ядро клетки
I
Связывание КП с ДНК и регуляция экспрессии генов
Индукция синтеза белков -регуляторов функций клетки
У
Почки: резорбция КП в проксимальном отделе почечных канальцев или деградация до аминокислот или выведение с мочой
Рис. 1. Роль коротких пептидов (биорегуляторов) - продуктов деградации белков, получаемых с пищей, в поддержании гомеостаза организма.
восстановлению памяти и синтеза фактора роста нервов в мозге крыс (Zhou et al., 1994).
Значительный вклад в изучение механизма действия КП внесли исследования, проведенные в Санкт-Петербургском институте биорегуляции и геронтологии, где были синтезированы КП Lys-Glu (KE) и Ala-Glu-Asp-Gly (AEDG), нормализующие функции иммунной и эндокринной системы (Anisimov, Khavinson, 2010; Khavinson, Malinin, 2005). Пептиды КЕ и AEDG обладают целым спектром биологической активности: увеличивают среднюю и максимальную продолжительность жизни, снижают частоту образования злокачественных опухолей, способствуют увеличению длины теломер, преодолению лимита деления клеток Хейфлика, восстанавливают
функциональную активность клеток иммунной и эндокринной системы (Севостьянова и др., 2012; Хавинсон и др., 2012а; Anisimov, Khavinson, 2010; Khavinson, Malinin, 2005). Кроме того, был синтезирован пептид Lys-Glu-Asp-Ala (KEDA), стимулирующий интенсивность и ритмичность синтеза белка в культурах гепатоцитов молодых и старых крыс (Тимофеева и др., 2005).
Следует отметить, что метаболизм КП, полученных путем ферментативного гидролиза в ЖКТ белков, поступающих в организм с пищей, и их синтетических аналогов представляется единообразным, в связи с чем далее рассматривается общебиологическая роль КП в регуляции гомео-стаза независимо от их происхождения. Метаболизм КП можно разделить на 3 основных этапа: всасывание в кровь в ЖКТ, взаимодействие с тар-гетными мишенями различных органов и тканей и элиминация/резорбция в почках (рис. 1).
МЕТАБОЛИЗМ КП В ЖКТ И ИХ ВСАСЫВАНИЕ
В КРОВЕНОСНОЕ РУСЛО
Белковые молекулы, поступающие в организм с пищей, под действием ферментов ЖКТ (пепсин, реннин, гастриксин, аминопептидазы, энтеро-пептидазы) расщепляются преимущественно до ди- и трипептидов. Эти КП делятся на 2 группы -устойчивые к гидролизу и расщепляющиеся до аминокислот. Гидролиз малоустойчивых КП осуществляется на поверхности мембран щеточной каймы энтероцитов (мембранное пищеварение) или внутри энтероцитов с помощью цитозоль-ных пептидаз (внутриклеточное пищеварение) (Уголев, 1991; Тимофеева и др., 2000; 2005).
Резистентные к гидролизу пептиды (глицил-глицин, пролинсодержащие пептиды, глицил-саркозин, карнозин и др.) проникают в кровеносную систему в неизмененной форме, что подтверждается данными различных исследований. Установлено, что пептиды KE, AEDG, KEDA при добавлении к гомогенатам разных частей ЖКТ и печени крыс не гидролизуются в двенадцатиперстной, тощей и подвздошной кишке. Они лишь в незначительной степени гидролизуются в толстой кишке и печени (Тимофеева и др., 2005). Степень гидролиза этих пептидов определяли по отщеплению с помощью оксидазы L-аминокислоты. Кроме того, в этом исследовании было показано, что пептид KEDA не подвержен гидролизу в плазме крови, что подтверждает предположение о возможности транспорта пептидов в кровеносном русле
к специфическим для них органам-мишеням. Эти данные согласуются с результатами других исследований, в которых было установлено, что пептид Gly-Pro (GP) проникает из ЖКТ в кровеносное русло и транспортируется через гемато-энцефалический барьер в неизмененном виде (Бойко и др., 2000).
Установлено, что трипептид Ala-Gly-Gly (AGG) и некоторые дипептиды не гидролизуются в тонком кишечнике. Авторы полагают, что все дипеп-тиды имеют одинаковый механизм транспорта из ЖКТ в кровь, о чем свидетельствует тот факт, что при совместном введении двух дипептидов транспорт одного из них снижается (Addison et al., 1975). В другой работе показано, что помимо пассивного переноса в щеточной кайме энтеро-цитов существует система активного транспорта ди- и трипептидов (Dyer et al., 1990).
При изучении морфофизиологических характеристик транспорта циклического нона-пептида Cys-Tyr-Phe-Gln-Asn-Cys-Pro-Arg-Gly (CYFQNCPRG) через кишечный эпителий происходило его частичное всасывание с сохранением физиологической активности. Методами электронной и флуоресцентной конфокальной микроскопии показана локализация метки к этому нонапептиду в цитоплазме энтероцитов и межклеточном пространстве в базальной области кишечного эпителия крысы и лягушки (Наточин и др., 2004; Пруцкова, Селиверстова, 2012).
Результаты, свидетельствующие о том, что пептиды KE, AEDG, KEDA не расщепляются в желудке и тонком кишечнике и способны регулировать активность пищеварительных ферментов в этих тканях у старых животных, очень важны. Установлено, что пероральное применение пептида KEDA у старых крыс в течение 2 недель повышало активность сахаразы и мальтазы в двенадцатиперстной кишке на 60%, мальтазы - в тощей и толстой кишке в 3 раза и аминопептида-зы М и глицил-Ь-лейцинпептидазы - в 2 раза (Тимофеева и др., 2005). Пептид KE в аналогичном эксперименте способствовал увеличению активности мальтазы (в 1.2 раза в двенадцатиперстной кишке, в 1.5 раза - в тощей кишке, в 1.3 раза в подвздошной кишке) и щелочной фосфатазы (в 2.2 раза - в тощей и подвздошной кишке и в 1.8 раза - в двенадцатиперстной кишке) (Хавин-сон и др., 2001). Важно отметить, что пептиды KEDA и KE способствовали увеличению активности ферментов ЖКТ у старых животных до значений, характерных для молодых животных. Кроме того, пероральное применение пептидов KE и AEDG в течение 1 месяца у старых крыс способствовало улучшению всасывания глюкозы
и глицина - под действием пептида КЕ - в медиальном отделе, а под влиянием пептида AEDG -в проксимальном и дистальном отделах тонкой кишки (Хавинсон и др., 2002).
При сравнении внутривенного и перорального введения крысам модифицированного пептида Gly-Trp (GW) исследуемые фармакокинетические параметры биологического действия пептида не различались. При этом плазменный клиренс и объем дипептида, перераспределенного во внутренних органах после перорального введения превосходил эти показатели после внутривенного введения (Бойко и др., 2007).
В другом исследовании было установлен
Для дальнейшего прочтения статьи необходимо приобрести полный текст. Статьи высылаются в формате PDF на указанную при оплате почту. Время доставки составляет менее 10 минут. Стоимость одной статьи — 150 рублей.