БИОХИМИЯ, 2012, том 77, вып. 4, с. 403 - 418
УДК 577.112
КАРНОЗИН: НОВЫЕ КОНЦЕПЦИИ ДЛЯ ФУНКЦИЙ ДАВНО ИЗВЕСТНОЙ МОЛЕКУЛЫ*
Обзор
© 2012 г. А.А. Болдырев
Биологический факультет Международного биотехнологического центра МГУ им. М.В. Ломоносова, 119991 Москва; факс: 7(495)939-1398, электронная почта: slstvolinsky@mail.ru
Научный Центр неврологии РАМН, 123367Москва, Волоколамское шоссе, 80; факс: 7(495)490-2408
Поступила в редакцию 26.09.11 После доработки 17.11.11
В обзоре в краткой форме рассмотрено развитие идей о биологической активности карнозина, впервые описанного В.С. Гулевичем в 1900 г. в составе мясного фарша. Прослежено изменение представлений о его метаболической роли, начинающихся с предположения, что карнозин является конечным продуктом обмена белков, и завершающихся демонстрацией его специфического участия в процессах внутриклеточной сигнализации в клетках возбудимых тканей. Открытие способности карнозина регулировать экспрессию генов раннего ответа расширяет представления о карнозине как пептидном регуляторе клетки. Описаны первые успехи в применении карнозина в медицине и спорте.
КЛЮЧЕВЫЕ СЛОВА: карнозин, рН-буфер, активные формы кислорода, внутриклеточная сигнализация, нейродегенеративные заболевания.
Начало этой истории относится к концу XIX в. Блестящий студент, окончивший с отличием Московский университет в 1890 г., Владимир Гу-левич приступил к самостоятельной научной работе, посвященной сравнению свойств двух соединений — давно известного холина и новой, недавно описанной субстанции — нейрина, в накоплении которой видели в то время причину нервных заболеваний. Через несколько лет упорного труда В.С. Гулевич представил к защите докторскую диссертацию «О холине и нейрине. Материалы к химическому исследованию мозга» [1]. Суть ее заключается в том, что эти две субстанции идентичны, а накопление в тканях мозга нейрина (холина) отражает нарушение обмена этого соединения и действительно сопровождает некоторые патологии мозга. Научную работу В.С. Гулевича отметили золотой медалью, что дало ему основание претендовать на двухгодичную стажировку в Европе в лаборатории по его выбору [2].
В научной Европе того времени доминировал интерес к химии, и среди стран, лидирующих в этой науке, конечно, была Германия, а наиболее знаменитой научной школой — школа Юстуса Либиха (1803—1873). Либих был широко известен и новыми принципами организации научной лаборатории и получившим всеобщее признание открытым им «законом минимума» (гласящим, что нехватка любого из веществ, даваемого растению, лимитирует усвоение им остальных соединений, даже предоставляемых в избытке), и, наконец, наличием солидной школы учеников, в которой чуть не каждый второй будет в дальнейшем отмечен Нобелевской премией. Среди учеников Либиха был и русский химик Н.Н. Зинин, синтезировавший анилин.
В.С. Гулевич подал документы на стажировку в лабораторию ученика Либиха Альбрехта Кос-селя (будущий Нобелевский лауреат 1910 г.) в Мар-бурге. Проведенное в этой лаборатории время было посвящено освоению количественных ме-
* С 10 по 12 июля 2011 г. в Генте (Бельгия) проходил II Международный конгресс «Carnosine in exercise and disease», на котором были проанализированы исследования биологической роли карнозина в тканях животных и человека, позволяющие предположить возможность использования этого соединения в спортивной медицине и практике лечения ряда заболеваний, сопровождающихся окислительным стрессом. На открытии Конгресса автор этого обзора прочитал вступительную лекцию, материал которой и представлен в настоящем обзоре.
С глубоким прискорбием сообщаем, что незадолго до выхода в свет этого выпуска БИОХИМИИ Александр Александрович БОЛДЫРЕВ, профессор кафедры биохимии МГУ, ушел из жизни.
тодов биохимического анализа на материале так называемого «либиховского мясного экстракта», содержащего разнообразные, не описанные еще к тому времени соединения. По возвращению в Россию В.С. Гулевич занимает место экстраординарного профессора Харьковского университета и продолжает исследование либиховского мясного экстракта. Уже первые эксперименты (проведенные вместе с его студентом Сергеем Амираджиби) обнаруживают любопытную закономерность — содержание органического азота в мясном фарше существенно превышает содержание в образцах белкового азота. Гулевич делает вывод, что в мышечной ткани имеются органические азотсодержащие безбелковые соединения, и приступает к их анализу. В числе этих соединений оказались как известные (холин, метилгуанидин), так и неизвестные вещества. Среди последних два представлены в наибольшем количестве; Гулевич присваивает им названия карнозин и карнитин (от латинского саго, сагп1з — мясо). Карнозин обнаруживался в наибольшем количестве (в телятине — более 1 г на 100 г сырого веса) [3]. Поэтому Гулевич сосредоточил свое внимание на исследовании этого соединения. Так началась «русская страница» мировой биохимической науки — исследование биологической активности карнозина.
РУССКАЯ СТРАНИЦА БИОХИМИИ
В 1911 г. была установлена структура карно-зина — он оказался дипептидом в-аланил-Ь-гистидином [4]. Позже строение карнозина было подтверждено его синтезом [5]. По мнению Гулевича, карнозин мог образовываться в тканях в результате распада белков [6]. Тем не менее он рекомендовал своим ученикам обратить внимание на его возможное биологическое значение. Первая публикация, описывающая физиологический эффект карнозина, была сделана в 1926 г. тремя сотрудниками В.С. Гулевича — Разенко-вым, Дервизом и Севериным [7]. Было показано, что внутривенное введение карнозина собакам приводит к транзиторному снижению кровяного давления и вызывает сон у животных.
Этот факт настолько опережал существующий уровень знаний физиологических процессов, что он не привлек должного внимания. Более того, продолжение опытов сочли нецелесообразным, предполагая, что описанный эффект принадлежит, скорее, примесям препарата, чем самому соединению [8]. И неудивительно, так как это наблюдение было сделано за 50 лет до открытия механизмов вазодилятации и роли оксида азота в этом процессе [9] и почти за 70 лет
до описания вовлечения карнозина в регуляцию обмена N0 [10—13]. Так что только на грани ХХ—XXI вв. обнаружили, что карнозин может контролировать процесс продукции оксида азота и, тем самым, влиять на циркуляцию крови и кровяное давление. Если бы эти две линии исследований пересеклись, мы могли бы уже давно использовать карнозин как природный регулятор кровоснабжения тканей.
Тем временем С.Е. Северин продолжил систематические исследования карнозина в биологических объектах. Было выяснено, что карно-зин в больших количествах обнаруживается в скелетных мышцах различных животных [14], интенсивно распадается в почках [15], но не распадается в мышцах [16, 17]. Попытки обнаружить синтез карнозина в почках и печени дали неоднозначные результаты — сотрудник С.Е. Северина Н.П. Мешкова не увидела заметного накопления карнозина в этих тканях [18], хотя Паршин и соавт. в ряде публикаций доказывали возможность этого процесса [19]. Научная полемика между двумя лабораториями закончилась убеждением, что те ткани, в которых карнозин может синтезироваться, не способны обеспечивать его распад. В целом, это мнение сохраняется и сегодня.
Специфика структуры карнозина, содержащего в своем составе в-аминокислоту, делала его устойчивым к большинству известных пеп-тидаз. Фермент, расщепляющий карнозин, названный карнозиназой, был обнаружен в печени, сыворотке крови, почках [20—22]. В настоящее время описаны две изоформы карнозиназы — сывороточная (ЕС 3.4.13.20) и тканевая (цито-зольная) (ЕС 3.4.13.18), различающиеся по своим молекулярным свойствам и субстратной специфичности [22]. Это было недавно продемонстрировано в изящных экспериментах Алдини и соавт. [23], измерявших гидролиз Ь- и D-изоме-ров карнозина почками, печенью и сывороткой крови. Оказалось, что в печени оба изомера кар-нозина гидролизуются с одинаковой скоростью, в то время как карнозиназа сыворотки и почек может достаточно быстро расщеплять только Ь-, но не D-карнозин.
Уже с конца 20-х гг. XX в. стали накапливаться данные о наличии родственных карнозину соединений. В мышцах гуся (Лтгг атег) обнаружили производное карнозина, метилированного по N имидазольного кольца, названное анзерином [24, 25]. ^-метилированное производное карнозина, названное вначале баленином, а затем офидином, было найдено у дельфинов и китов [26]. К настоящему времени известно более десятка производных карнозина (табл. 1). Все они обнаружены в возбудимых тканях — скелет-
ных и сердечных мышцах, в нервной ткани; при этом наблюдается определенная корреляция между содержанием карнозина или его производных и функциональной активностью ткани [27, 28].
В 1954 г. Хармс и Винник [30] опубликовали данные о наличии специфического фермента, синтезирующего карнозин и анзерин. Локализация этого фермента в разных тканях была исследована Разиной [31]. Позже карнозинсинта-за (ЕС 6.3.2.11) была частично очищена из сердечной мышцы цыпленка [32], мышц человека [33]. В самое последнее время эти исследования ознаменовались получением очищенного фермента [34] и его характеристикой [35].
Интересны недавно полученные данные о том, что карнозинсинтаза может также образовывать ß-аланил-лизин, ß-аланил-орнитин и ß-аланил-аргинин. Действительно, в мышцах обнаруживаются эти дипептиды, но в незначительных количествах. Их можно считать «ошибочными метаболитами» (faulty metabolites), которые гидролизуются имеющейся в мышцах ß-аланил-Ь-лизинпептидазой и потому не накапливаются в мышечной ткани [35].
В ряду исследований, посвященных физиологической роли карнозина, особое место занимает демонстрация усиления мышечной работы
в его присутствии. Эти опыты, проведенные на нервно-мышечных препаратах портняжной мышцы лягушки, заключались в том, что 10 мМ карнозин (концентрация, типичная для этой ткани) вводили в окружающий раствор на стадии утомления, вызванного ритмическим раздражением нерва [36]. Результат, получивший в литературе название «феномена Северина», заключался в том,
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.