Почему токсичен гомоцистеин?
Александр Александрович Болдырев,
доктор биологических наук, профессор Международного биотехнологического центра Московского государственного университета им.М.ВЛомоносова, руководитель лаборатории нейрохимии Института неврологии РАМН. Область научных интересов — механизмы устойчивости нейронов к окислительному стрессу.
А.А.Болдырев
Изучение биологической роли гомоцистеина началось еще в 1932 г., когда французский химик В.де Виньо описал его как продукт демети-лирования аминокислоты мети-онина. Гомоцистеин, серусодер-жащая аминокислота, участвует в процессах метилирования, которые важны для синтеза белков и липидов и для регуляции стабильности нуклеиновых кислот. Ее избыток легко превращается в метионин или цистеин, необходимый для синтеза белков и таких важных коротких пептидов, как глутатион. По этой причине в нормальных условиях получаемый с пищей метио-нин без остатка утилизируется организмом, и гомоцистеин в крови не накапливается.
Гомоцистеин как фактор риска
Проблемы начинаются тогда, когда возникает дефицит витаминов, необходимых для утилизации гомоцистеина, или если имеется генетически обусловленная недостаточность ферментов, участвующих в его превращениях. Эти обстоятельства усугубляются низкой скоростью выведения гомоцистеина почками. Уровень этой аминокислоты и продуктов ее окисления в плазме крови здоровых людей составляет 5 — 10 мкмоль/л, но с возрастом постепенно повышается. До полового созревания
© Болдырев А.А., 2009
содержание гомоцистеина в крови мальчиков и девочек примерно одинаково — около 5 мкмоль/л; позднее оно несколько возрастает, причем у мальчиков сильнее, чем у девочек. У взрослых уровень гомоцистеина достигает 10— 12 мкмоль/л; у мужчин он обычно выше, чем у женщин, что объясняется гормональными особенностями обмена.
Избыток гомоцистеина в кровяном русле рассматривают как фактор риска многих заболеваний. Термин «гипергомоци-стеинемия» используется, если уровень этой аминокислоты в крови превышает 15 мкмоль/л. Ее концентрация в пределах 15 — 30 мкмоль/л свидетельствует об умеренной гипер-гомоцистеинемии, от 30 до 100 мкмоль/л — о промежуточной, а более 100 мкмоль/л — о тяжелой. Даже умеренная ги-пергомоцистеинемия, сохраняющаяся длительное время, может отрицательно влиять на ум-
ственные способности пациентов: вызывать отчетливые нарушения памяти и других видов нервной деятельности. Тяжелая форма заболевания приводит к судорогам и слабоумию.
Отмечена повышенная склонность к гипергомоцистеи-немии у курящих или потребляющих большое количество кофе. Небольшие количества алкоголя могут снижать уровень го-моцистеина, но большие дозы способствуют его накоплению в крови. В ряде случаев нормальная концентрация гомоцистеи-на восстанавливается за счет диеты и витаминов группы В.
Позднее обнаружилось, что гипергомоцистеинемия провоцирует развитие атеросклероза, особенно на фоне повышенного содержания холестерина. Увеличение концентрации го-моцистеина в крови приводит к повреждению клеток сосудистой стенки, усиливая образование тромбов. Недавно в медицинской литературе был описан
Рис.1. Структурные формулы глутамата, NMDA, гомоцистеина и гомоцистеиновой кислоты.
синдром гомоцистеинурии, связанный с дефицитом цистатио-нин-р-синтазы — одного из ферментов, превращающих го-моцистеин в цистеин. При этом заболевании также отмечаются умственная отсталость, прогрессирующие сердечно-сосудистые заболевания и высокая частота тромбоэмболии.
Таким образом, гипергомо-цистеинемия — один из патогенетических факторов развития атеросклероза, инфаркта миокарда и инсульта, а также болезни Альцгеймера. В настоящее время считается, что гомоцис-теин служит фактором риска для различных сердечно-сосудистых и нейродегенеративных заболеваний, хотя причины этого до последнего времени оставались неясными.
Гомоцистеин как нейротоксин
Токсический эффект гомо-цистеина на культуру нервных клеток отметили довольно давно. Исходя из структурного сходства молекул гомоцистеина и глутамата (рис.1) предположили, что его действие направлено на глутаматные рецепторы. Действительно, во многих лабораториях с помощью электрофизиологических методов продемонстрировано, что при возбуждении специфических рецепторов, активируемых аналогом глутамата К-метил-Б-ас-партатом (КМБА), гомоцистеин активирует нейроны. Это стимулирует вход в нейроны ионов кальция и приводит к накопле-
нию свободнорадикальных соединений. Инкубация нейронов с супероксиддисмутазой или ка-талазой, разрушающими активные формы кислорода, значительно снижала токсический эффект гомоцистеина.
Позже обнаружили, что ней-ротоксический эффект гомоци-стеина ослабляет также проти-восудорожный препарат меман-тин, антагонист КМБА-рецепто-ров. Непосредственной причиной роста активных форм кислорода считают вход ионов кальция в нейрональные клетки.
Тем не менее эта аминокислота — довольно слабый токсин: в экспериментах ее цитотокси-ческий эффект (некротическая гибель нейронов) проявляется только в концентрациях более 1 мМ (чего обычно не наблюдается в организме). В то же время эта аминокислота очень легко окисляется, образуя гомоцисте-иновую кислоту, которая в несколько раз токсичнее для нейронов, чем гомоцистеин. В электрофизиологических экспериментах чувствительность нейронов к гомоцистеиновой кислоте значительно выше, чем к гомоцистеину. Уже при ее концентрации 50—100 мкМ (промежуточная гипергомоцистеи-немия) наблюдается стойкая активация КМБА-рецепторов, приводящая к смерти нейронов по пути апоптоза.
Так же, как и в случае КМБА или гомоцистеина, гомоцистеи-новая кислота стимулирует вход ионов кальция и рост активных форм кислорода в цитоплазме нейронов. Последний процесс можно подавить К-ацетилцисте-
ином, естественным клеточным метаболитом, способным нейтрализовать активный кислород. Благодаря свободнорадикально-му сигналу, возникающему в нейронах при их инкубации с гомо-цистеиновой кислотой, уже через один-два часа фосфатидил-серин мигрирует с внутренней стороны нейрональной мембраны на наружную, т.е. начинается апоптоз. Поскольку известно, что в сформированном мозге содержание нейронов отнюдь не избыточно и в случае гибели они не замещаются другими нейронами, активация апоптоза в нервной ткани отражается на многих функциях мозга. Действительно, введение гомоцистеи-новой кислоты в желудочек мозга животных вызывало многочасовые судороги, сопровождающиеся гибелью нейронов в различных отделах головного мозга; при этом антагонисты КМБА-рецепторов действовали как антиконвульсанты.
ММРА-рецепторы вне нервной системы
Недавно выяснилось, что глутаматные рецепторы широко распространены не только в нервной ткани [1 — 3]. Среди них наибольший интерес привлекают КМБА-рецепторы, поскольку они имеют прямое отношение к распознаванию объектов, нахождению и запоминанию пути и другим видам когнитивного поведения. Когда КМБА-рецепторы обнаружили в мембране лимфоцитов грызунов и человека, стало понятно,
что нервная и иммунная системы имеют общий язык, поскольку реагируют на одни и те же сигналы. Свойства этих рецепторов в нервных клетках и лимфоцитах оказались весьма схожи, если не тождественны: их активация в обоих случаях вызывает вход ионов кальция и возрастание уровня активных форм кислорода. Таким образом, для иммунной системы го-моцистеин так же токсичен, как и для нервной [3, 4].
Биологическая роль КМБА-рецепторов в лимфоцитах еще не вполне понятна, но важно, что их количество зависит от функционального состояния клеток. Активация лимфоцитов фитогемагглютинином, имитирующим воспаление, увеличивает пропорционально времени активации долю клеток, несущих КМБА-рецепторы. В организме, в зоне воспаления, лимфоциты начинают синтезировать эти рецепторы и «оснащать» ими свои мембраны.
В клетках иммунной системы КМБА-рецепторы способны регулировать синтез цитокинов. При изучении образования лимфоцитами у-интерферона в присутствии КМБА или глутама-та выяснилось, что они не влияют на его синтез, если находятся в интактном (неактивном) состоянии. Однако если лимфоциты активировать, например, ин-терлейкином-2 (что происходит при мобилизации иммунного ответа), КМБА подавляет, а глу-тамат — активирует образование этого цитокина. Это значит, что на мембране лимфоцита глута-мат имеет дополнительную мишень, которая усиливает иммунный ответ, а КМБА его подавляет. Таким образом, стационарная гипергомоцистеинемия будет угнетать иммунные свойства организма, поскольку иммунокомпе-тентные клетки периферической крови через КМБА-рецепто-ры постоянно испытывают влияние гомоцистеина и продуктов его окисления.
Недавно аналогичную закономерность с выявлением
КМБА-рецепторов обнаружили у фагоцитирующих клеток иммунной системы — нейтрофи-лов, выделенных из периферической крови интактных животных. На их мембранах не оказалось КМБА-рецепторов, хотя имелись практически все адено-зиновые рецепторы (А1, А2а, А2Ь, А3), участвующие в регуляции иммунного ответа. Между тем в очаге воспаления нейтро-филы несут на себе КМБА-ре-цепторы. На фоне этих данных обнаружение КМБА-рецепто-ров в тромбоцитах, эритроцитах, а также в сердечной мышце, где они участвуют в регуляции внутриклеточного содержания ионов кальция, не стало большим сюрпризом. Вероятно, этот класс глутаматных рецепторов широко вовлекается в процессы внутриклеточной сигнализации не только в нейрональной системе, но и в других органах и тканях.
Гомоцистеин и форменные элементы крови
Способность клеток иммунной системы вырабатывать КМБА-рецепторы поднимает вопрос о влиянии на них гомоцис-теина. Мы исследовали его действие как на клетки, продуцирующие цитокины (лимфоциты), так и на фагоцитирующие клетки (нейтрофилы). Оказалось, что в лимфоцитах не только свойства КМБА-рецепторов похожи на таковые у нейрональных клеток, но и влияние на них гомоцисте-ина аналогично. Его концентрации сравнимы с теми, что определяются в крови при гиперго-моцистеинемии (100—500 мкМ), а эффект проявляется уже через 30 мин инкубации. При этом инкубация лимфоцитов с гомоцис-теином инициирует апоптоз.
Как мы отмечали, нейтрофи-лы, выделенные из п
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.