БИОХИМИЯ, 2009, том 74, вып. 6, с. 725 - 736
УДК 577.112.386
МОЛЕКУЛЯРНЫЕ МЕХАНИЗМЫ ТОКСИЧНОСТИ ГОМОЦИСТЕИНА
Обзор
© 2009 г. А.А. Болдырев
Биологический факультет МГУ им. М.В. Ломоносова, 119992 Москва; Научный центр неврологии РАМН; электронная почта: alexander.boldyrev@gmail.com
Поступила в редакцию 01.09.08 После доработки 27.11.08
Гипергомоцистеинемия — фактор риска, сопровождающий и усугубляющий протекание целого ряда сердечно-сосудистых и нейродегенеративных процессов, а также осложняющий нормальное протекание беременности. Проявления токсического эффекта гомоцистеина разнообразны, в их основе лежит способность го-моцистеина и продукта его аутоокисления гомоцистеиновой кислоты активировать ММОА-рецепторы, создавая в клетках повышенный уровень ионизированного кальция и АФК. При этом даже кратковременная инкубация клеток с гомоцистеиновой кислотой в концентрациях, сравнимых с наблюдаемыми при ги-пергомоцистеинемии, индуцирует развитие апоптоза. Обнаружение ММБА-рецепторов кроме нервных клеток в целом ряде других органов и тканей (в том числе в клетках иммунокомпетентной системы) делает их мишенью для токсического действия гомоцистеина. Показано, что карнозин способен защищать от токсичности гомоцистеина; внесение карнозина в диету беременных крыс в условиях алиментарной гиперго-моцистеинемии сохраняет жизнеспособность и функциональную активность потомства.
КЛЮЧЕВЫЕ СЛОВА: гомоцистеин, гомоцистеиновая кислота, ММБА-рецепторы, нейроны, лимфоциты, нейтрофилы.
История исследований биологической роли гомоцистеина (ГЦ) начинается с 1932 г., когда Винсент дю Виньо обнаружил эту аминокислоту как продукт деметилирования метионина. Гомоцистеин представляет собой серосодержащую аминокислоту, связывающую обмен метионина и цистеина (а также и глутатиона). Получаемый с пищей метионин превращается в 8-аденозил-гомоцистеин и далее — в гомоцистеин, который утилизируется двумя путями: под действием ме-тионинсинтазы он превращается в метионин или под влиянием цистатионин-р-синтазы — в цистеин.
Кофакторами метионинсинтазы являются витамин В12 и активная форма фолиевой кислоты (5-метилтетрагидрофолат, ТГФ), в которую превращается фолат под влиянием 5,10-мети-лентетрагидрофолат-редуктазы. Недостаточность этого фермента активирует превращения ГЦ, происходящие под влиянием цистатионин-р-синтазы при участии витамина В6. При этом ГЦ необратимо превращается в цистатионин и за-
Принятые сокращения: ГЦ — гомоцистеин; ГЦК — гомоцистеиновая кислота; ШЬР — формилметиониллей-цилфенилаланин.
тем (под влиянием цистатионазы) — в цистеин. Совокупность этих процессов обеспечивает низкий уровень гомоцистеина в крови. Нарушение какой-либо из этих реакций приводит к резкому увеличению содержания в крови ГЦ, усугубляющемуся низкой скоростью его фильтрации даже здоровыми почками [1]. Общая схема превращений ГЦ в организме изображена на рис. 1.
ГОМОЦИСТЕИН КАК ФАКТОР РИСКА СЕРДЕЧНО-СОСУДИСТЫХ И НЕЙРОДЕГЕНЕРАТИВНЫХ ПАТОЛОГИЙ
Уровень общего ГЦ в плазме крови здоровых доноров (в понятие «общий гомоцистеин» входят как свободный, так и связанный с белками или окисленный гомоцистеин, обнаруживаемый в плазме крови [2]) составляет 5—10 мкмоль/л, и в течение жизни постепенно повышается. До периода полового созревания содержание ГЦ в крови мальчиков и девочек примерно одинаково (около 5 мкмоль/л). Позже уровень гомоцис-
теина возрастает до 6—7 мкмоль/л, причем у мальчиков это повышение более выражено, чем у девочек. У взрослых уровень гомоцистеина достигает 10—12 мкмоль/л, и у мужчин обычно выше, чем у женщин [3]. Возрастание уровня ГЦ в крови с возрастом объясняют снижением фильтрующей функции почек, а более высокие значения ГЦ у мужчин — гормональными особенностями обмена мужского организма.
ГЦ активно участвует в окислительно-восстановительных реакциях, его спонтанное окисление приводит к накоплению гомоцистеино-вой кислоты [4], в кровяном русле он находится либо в окисленной форме, либо в связанном с белками или цистеином состоянии (70%).
Избыток ГЦ в кровяном русле рассматривается как фактор риска многих патологий. Термин «гипергомоцистеинемия» используется в том случае, если уровень гомоцистеина в крови превышает 15 мкмоль/л. Концентрация ГЦ в пределах 15—30 мкмоль/л свидетельствует об умеренной
гипергомоцистеинемии, от 30 до 100 мкмоль/л — о промежуточной, а более 100 мкмоль/л — о тяжелой [4, 5]. Причинами гипергомоцистеине-мии могут быть снижение фильтрующей способности почек, возрастное или вызванное различными заболеваниями [1], недостаток витаминов, участвующих в метаболизме ГЦ, приводящий к нарушению его обмена [6, 7], чрезмерное поступление метионина с пищей. В ряде случаев снижение уровня ГЦ в крови возможно за счет нормализации диеты [8]. Сторонники ограничений диеты как способа продления жизни полагают, что одним из важных следствий энергетического ограничения питания является уменьшение доступности метионина [9].
Повышенную склонность к гипергомоцис-теинемии имеют курящие [10] или потребляющее большое количество кофе [11]. Потребление небольших количеств алкоголя может снижать уровень гомоцистеина, но большие дозы спиртного способствуют его накоплению в крови.
Рис. 1. Схема обмена гомоцистеина в организме. Гомоцистеин образуется из метионина в результате его превращения в 8-аденозилметионин (реакция 1) и 8-аденозилгомоцистеин (реакция 2). Последняя реакция обеспечивает метильными группами большое количество метаболических процессов, а накапливающийся 8-аденозилгомоцистеин гидролизуется до аденозина и гомоцистеина (реакция 3). Два основных пути утилизации гомоцистеина связаны с реакциями 4 и 5 (превращение в цистатионин и затем в цистеин) и реакцией 6 (превращение в метионин); они контролируются ферментами, активность которых зависит от наличия витаминов В6, В12 и активной формы фолиевой кислоты (ТГФ). При избыточном накоплении гомоцистеин аккумулируется в крови в свободном виде, в комплексе с белками или с цистеином, димеризу-ется в гомоцистин или накапливается в виде окисленных продуктов (преимущественно гомоцистеиновой кислоты); все эти формы определяются при клинических анализах крови в виде «общего гомоцистеина»
В 1962 г. был описан синдром гомоцистеину-рии, связанный с дефицитом цистатионин-ß-синтазы [12]. При этом заболевании отмечаются умственная отсталость, прогрессирующие сердечно-сосудистые заболевания и высокая частота тромбоэмболии. Позднее обнаружилось, что повышение уровня ГЦ провоцирует развитие атеросклероза, причем его действие усиливает атерогенный эффект холестерина [12, 13]. Увеличение концентрации гомоцистеина в крови приводит к повреждению клеток сосудистой стенки, значительно повышая риск развития тромбозов [14]. Таким образом, гипергомоцис-теинемия является одним из патогенетических факторов развития атеросклероза [15, 16]. Она также может приводить к инфаркту миокарда [17] и инсульту [18], осложнять течение диабета [19], стимулировать развитие болезни Альцгей-мера [20]. Тяжелая форма гипергомоцистеинемии выражается в судорогах и слабоумии [21, 22].
Гипергомоцистеинемия является в литературе предметом тщательного рассмотрения [23—26], многие авторы считают ГЦ фактором риска для сердечно-сосудистых и нейродегенеративных заболеваний [22, 27, 28], хотя причины этого остаются неясными. Настоящий обзор посвящен анализу молекулярных механизмов токсичности гомоцистеина.
НЕЙРОТОКСИЧЕСКИЙ ЭФФЕКТ ГОМОЦИСТЕИНА
Токсическое действие ГЦ на культуру клеток мозжечка было отмечено довольно давно и предполагалось, что оно реализуется через глу-таматные рецепторы [29—31]. Наиболее вероятным кандидатом можно было считать NMDA-рецепторы, поскольку их активация приводит к росту ионизированного кальция и активных форм кислорода (АФК) внутри нейронов [32]. Увеличение уровня АФК можно было считать непосредственной причиной токсического эффекта, поскольку инкубация нейронов с супе-роксиддисмутазой или каталазой значительно снижало токсический эффект ГЦ [29].
Токсическое действие ГЦ при коротких временах экспозиции (1—3 ч) и концентрациях, соответствующих выраженной гипергомоцистеи-немии (0,2—0,3 мМ), выражается в индукции апоптоза, о чем свидетельствует появление фос-фатидилсерина на наружной стороне мембранного бислоя (этот процесс протекает без нарушения целостности клетки и считается ранним признаком этого вида клеточной смерти); более длительные времена инкубации и двух-трехк-ратное увеличение концентрации ГЦ приводит
к нарушению упаковки и разрывам клеточных мембран, что считается несомненным признаком некроза; такие клетки окрашиваются иоди-дом пропидия, являющегося одним из маркеров некроза [32].
Ингибиторный анализ показал, что нейро-токсический эффект, вызванный ГЦ, ослабляется не только МК-801, являющимся антагонистом глутаматных рецепторов NMDA-клас-са, но и а-метилкарбоксифенилглицином, ингибитором метаботропных глутаматных рецепторов группы I, действие которых реализуется через активацию фосфолипазы А2 и фосфати-дилинозитол-3-фосфат, мобилизующий внутриклеточный кальций из эндоплазматического ретикулума [33]. Было обнаружено, что другой антагонист метаботропных рецепторов группы I, LY 367385, также вызывающий частичное снижение токсического действия ГЦ, при совместном действии с МК-801 полностью защищал нейроны от ГЦ, в то время как агонист метабот-ропных рецепторов I группы, t-ADA вызывал дегенерацию нейронов [34]. Таким образом, было сделано заключение, что как ионотропные, так и метаботропные глутаматные рецепторы участвуют в реализации нейротоксического эффекта ГЦ.
Невзирая на описанное действие ГЦ, вызывающее смерть нейронов, его считают относительно слабым нейротоксином. В условиях in vitro его цитотоксический эффект проявляется только в концентрациях, превышающих 1 ммоль/л и приводит к некротической гибели нейронов [34]. При этом для появления одного и того же нейротоксического эффекта необходима всего в два раза большая концентрация ГЦ, чем глута-мата [29]. Существуют также и другие серосодержащие аминокислоты, такие как L-гомоцис-теиновая кислота (ГЦК), которой приписывают свойства эндогенного
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.