НЕЙРОХИМИЯ, 2011, том 28, № 2, с. 113-129
= ОБЗОРЫ
УДК 616.01/09
D-АМИНОКИСЛОТЫ ПРИ НОРМАЛЬНОМ СТАРЕНИИ И В ПАТОГЕНЕЗЕ НЕЙРОДЕГЕНЕРАТИВНЫХ ЗАБОЛЕВАНИЙ
© 2011 г. А. В. Червяков1, *, Н. В. Гуляева2, М. Н. Захарова1
Научный центр неврологии РАМН, Москва 2Институт высшей нервной деятельности и нейрофизиологии РАН, Москва
Обзор о потенциальной роли D-аминокислот (D-АК) в функционировании ЦНС человека. Более полувека назад считали, что D-АК не существуют в живых организмах. Исследования последних десятилетий показали, что D-АК широко представлены в тканях высших организмов, в том числе человека. Определены специфические функции отдельных D-АК в здоровом организме. D-серин играет важную роль в нейропластичности, процессах памяти, обучения; D-аспартат вовлечен в процессы развития и эндокринные функции. Выявлены основные пути поступления и метаболизма D-АК. Па-тогенность D-АК связана с чрезмерной активацией NMDA рецепторов; встраивание в нормальные белковые молекулы (конформационные изменения), что приводит к функциональной неактивности белка или даже его токсичности; повышение концентрации активных форм кислорода (окислительный стресс) при разрушении D-АК оксидазой D-АК ^ААО). Определение D-АК в биологических жидкостях, а также измерение активности ферментов и мутации генов, их кодирующих, могут служить диагностическим маркером при некоторых заболеваниях. Практический интерес к содержанию D-АК и их функциям связан также с тем, что возможна разработка методик коррекции их поступления, синтеза и деградации, а также модуляция рецепторов, что может быть полезно для разработки новых терапевтических стратегий. Наконец, использование экзогенных D-АК (свободных или в составе белков) благодаря их специфичности и высокой эффективности также может открыть новые терапевтические возможности.
Ключевые слова: D-АК, рацемазы, оксидаза D-АК, NMDA-рецепторы, нейродегенеративные заболевания, старение.
ВВЕДЕНИЕ (ИСТОРИЯ ВОПРОСА)
В 1848 г., изучая физические свойства винной кислоты, Луи Пастер обнаружил, что кислота, полученная при брожении, обладает оптической активностью — способностью вращать плоскость поляризации света, в то время как химически синтезированная изомерная ей виноградная кислота этим свойством не обладает. Изучая кристаллы под микроскопом, он выделил два их типа, являющихся как бы зеркальным отражением друг друга. Образец, состоящий из кристаллов одного типа, поворачивал плоскость поляризации по часовой стрелке, а другого — против. Смесь двух типов 1 : 1, естественно, не обладала оптической активностью. Пастер пришел к заключению, что кристаллы состоят из молекул различной структуры. Химические реакции создают оба их типа с одинаковой вероятностью, однако живые организмы используют лишь один из них. Таким образом, впервые была показана хи-ральность молекул. Как было выяснено позже, АК также хиральны, причем в составе живых организ-
*Адресат для корреспонденции: 125367 Москва, Волоколамское шоссе, д. 80; e-mail: tchervyakovav@gmail.com.
мов, по мнению Пастера, присутствуют лишь их Ь формы [1—3]. Было показано, что оптическая активность обусловлена, прежде всего, свойствами молекул и молекулярных структур по отношению к операции зеркального отражения [4, 5]. На рис. 1 показана молекула АК, тетраэдрическая структура которой содержит асимметричный центр — атом углерода С*, связанный с четырьмя разными заместителями. Если молекула имеет один асимметричный центр, то существует только два оптических изомера такой молекулы, а именно, два ее зеркальных
Рис. 1. Пространственная структура хиральной молекулы с одним асимметричным центром С*.
изомера (энантиомера), которые обозначаются соответственно как Ь (левый) и D (правый). Если же молекула содержит N асимметричных центров, то всего имеется 2N ее оптических изомеров. В живом организме помимо АК встречается целый ряд хи-ральных соединений, в ряду которых нуклеиновые кислоты (ДНК, РНК, углеводы). Что касается растворов оптически активных и неактивных соединений, то если молекулы ахиральны, то раствор инвариантен к операции зеркального отражения и оптически неактивен. Если молекулы вещества хи-ральны, но смесь содержит равные концентрации Ь- и D-энантомеров, то такая смесь, называемая рацемической, тоже инвариантна к операции зеркального отражения и тоже оптически не активна. Однако, если концентрация одного из энантиоме-ров больше, чем другого, то зеркальное отражение уже не является тождественным преобразованием и смесь будет оптически активна. Раствор, содержащий только один энантиомер, обладает максимальной оптической активностью и называется оптически чистым [6].
Итак, исследуя оптически активные соединения, Пастер пришел к выводу о том, что молекулярная основа жизни асимметрична [1, 2]. В настоящее время предполагают, что единственным фундаментальным физическим источником асимметрии в природе может являться слабое взаимодействие, "отдающее предпочтение" именно Ь-АКам (Ь-АК) и D-сахарам, хотя в некоторых бактериях обнаружены Ь-сахара и D-АК ^-АК) [7, 8]. В живой клетке энантиомерный контроль осуществляется на системном уровне: определенные группы ферментов разрушают "неприродные" энантиомеры, возникающие спонтанно, в процессе старения, либо под действием вредных экологических факторов, например, ионизирующего излучения [9—11]. Определенные группы ферментов выполняют стереоспе-цифические функции, распознавая энантиомеры хирального субстрата (как, например, в экспериментах Пастера по выращиванию бактерий на рацемических питательных средах), или осуществляя энантиомерный контроль хиральных органических соединений непосредственно в ходе их биосинтеза [12].
Механизм действия некоторых лекарств основан на том, что разные энантиомерные формы одного и того же лекарственного препарата могут оказывать противоположные эффекты [6]. Известен случай трагических последствий игнорирования этого обстоятельства, когда испытания оптически чистой формы препарата талидомида дали хорошие результаты, а выпуск рацемической формы этого препарата привел к массовым тяжелейшим заболеваниям. Как потом выяснилось, виной всему оказался другой энантиомер, который тоже обладал сильной, но
"отрицательной" биологической активностью. Широко применяемый препарат Ь-ДОФА используется только в данной оптической форме, так как D-энантиомер не проникает через ГЭБ [6]. Таким образом, можно выделить два важнейших аспекта хиральной специфичности биоорганических систем: структурный — гомохиральность макромолекул, играющих ключевую роль в механизме биологической репликации, и функциональный — энан-тиоселективность функций, обеспечивающих репликацию гомохиральных молекул.
Как отмечалось выше, до последнего времени считалось, что все живые организмы содержат и используют в своей жизнедеятельности только Ь-АК, и что D-АК элиминировались пред возникновением жизни. В этой связи наличие и функция D-АК в живых организмах, исключая клеточную стенку микроорганизмов, долгое время были за пределами внимания исследователей [13—15]. Предполагается, что выбор Ь-АК для сборки полипептидов в процессе эволюции вида мог быть обусловлен случайностью [16] или связан с энергетической стабильностью полипептида при применении одной изомерной формы АК [8]. По мнению ряда исследователей, появление асимметрии АК на определенном этапе эволюции является ключевым в образовании первичных живых клеток на планете, а хиральная асимметрия — фундаментальной асимметрией живых организмов [6, 17].
Первые данные о наличие D-АК в тканях животных получены у амфибий и беспозвоночных животных. Используя метод хроматографии, свободный D-аланин был выделен из крови некоторых насекомых [18], впоследствии стали появляться многочисленные работы, описывающие наличие D-АК, таких как D-аланин, D-фенилаланин, D-глутамат, D-орнитин, D-серин, D-аспарагин, D-метионин и D-цистеин [19—22] в составе полипептидов у животных. Было предположено, что D-АК у млекопитающих появились из продуктов жизнедеятельности эндогенной флоры или при спонтанной рацемизации Ь-АК в структуре полипептидов в процессе старения [23]. Исследования, выполненные на млекопитающих, показали, что D-аспараги-новая кислота содержится в различных тканях организма, например в хрусталике [24, 25], головном мозге [26, 27], а также зубах, коже, костях, аорте, эритроцитах, легких и связках при старении [28]. D-серин был найден в структуре р-амилоида при болезни Альцгеймера [27, 29].
Некоторые D-АК присутствуют в тканях ЦНС млекопитающих и в периферических тканях в неожиданно высоких концентрациях, иногда в более высоких, чем их Ь-энантиомеры [17, 30]. Эти D-АК выполняют в организме специфическую биологическую функцию. Например, D-серин играет важ-
DAAO-FADox + R-
H O
^ DAAO-FADred
O
O
R-
<
NH+ O H+ O
R-
<
NH+ O
R
• - f и •
O O NH+ H2O NH+ O
^ + DAAO-FADo
si^O
Рис. 2. Реакция ферментативного окислительного дезаминирования D-АК.
2
ную роль в нейротрансмиссии, а D-аспартат в процессе развития и в эндокринной регуляции. Изменение уровня D-АК может быть связано с различными патологическими состояниями, о чем будет подробнее сказано ниже.
МЕТОДЫ ИДЕНТИФИКАЦИИ D-АК И ИХ МЕТАБОЛИТОВ
В настоящее время для определения уровня D-АК могут применяться ядерно-магнитнорезо-нансная спектроскопия (ЯМР спектроскопия), определение оптической активности, рентгено-структурный анализ, иммуногистохимические методы [31].
В 2008 г. Перно (Pernot P.) с соавт. разработали микробиосенсор для определения концентрации D-серина in vivo [32] на основе фермента, метабо-лизирующего D-АК — оксидазы D-АК ^ААО). Биосенсор представляет собой цилиндрический платиновый микроэлектрод, покрытый слоем селективного к пероксиду водорода медиатора. На поверхность электрода наносят фермент (в основном RgDAAO и для сравнения — pkDAAO). Биосенсор на основе RgDAAO обладает более высокой чувствительностью при определении D-сери-на (9.2пА/мМ в диапазоне концентраций 0.1— 500 мкМ) по сравнению с таковым на основе pkDAAO (6.5 пА/мМ). Для детекции самой DAAO были разработаны разнообразные методы [33—35]. Наличие большого числа субс
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.