научная статья по теме ВОЗМОЖНАЯ РОЛЬ ГЛИКИРОВАНИЯ БЕЛКОВ В УСТРОЙСТВЕ «БОЛЬШИХ БИОЛОГИЧЕСКИХ ЧАСОВ» Химия

Текст научной статьи на тему «ВОЗМОЖНАЯ РОЛЬ ГЛИКИРОВАНИЯ БЕЛКОВ В УСТРОЙСТВЕ «БОЛЬШИХ БИОЛОГИЧЕСКИХ ЧАСОВ»»

БИОХИМИЯ, 2013, том 78, вып. 9, с. 1331 - 1336

ВОЗМОЖНАЯ РОЛЬ ГЛИКИРОВАНИЯ БЕЛКОВ В УСТРОЙСТВЕ «БОЛЬШИХ БИОЛОГИЧЕСКИХ ЧАСОВ»

1 Московский государственный университет им. М.В. Ломоносова, НИИ физико-химической биологии им. А.Н. Белозерского, 119991 Москва;

электронная почта: skulach@genebee.msu.ru

2 Московский государственный университет им. М.В. Ломоносова,

НИИ Митоинженерии, 119992 Москва

3 Московский государственный университет им. М.В. Ломоносова,

факультет биоинженерии и биоинформатики, 119991 Москва

Поступила в редакцию 23.05.13

В настоящее время появляется все больше данных в пользу того, что старение является программой, закодированной в геноме, и, как следствие, строго детерминировано во времени. Если это действительно так, то возникает вопрос: как устроены биологические часы, контролирующие старение? Измерение уровня конечных продуктов глубокого гликирования белков (AGE) — одна из возможных основ работы таких часов. Гликирование белков является необратимым, неферментативным и относительно медленным процессом. Кроме того, многие клетки обладают рецепторами, измеряющими уровень AGE. Мы предполагаем, что существует белок, срок жизни которого сопоставим с продолжительностью жизни организма. Продукт глубокого гликирования этого белка взаимодействует с рецептором AGE, что инициирует апоптоз в клетках некоей невозобновляемой и, при этом, жизненно-важной ткани, образующей первичный ювенильный гормон. В результате с возрастом происходит снижение уровня этого гормона, вызывающее старение организма.

КЛЮЧЕВЫЕ СЛОВА: биологические часы, старение, гликирование белков, мелатонин, ювенильный гормон, AGE, RAGE.

В рамках концепции феноптоза старение есть последний этап онтогенеза — индивидуального развития организма [1—4]. Но если это так, то старение, как и онтогенез в целом, должно управляться «большими биологическими часами», как это было постулировано В.М. Дильма-ном [5, 6] и, вслед за ним, А. Комфортом [7]. Наши знания о молекулярном механизме измерения времени живыми существами пока ограничиваются суточным ритмом. Этот ритм обусловливается циклическими биохимическими реакциями, происходящими в эпифизе (у птиц) или в супрахиазматическом ядре гипоталамуса (у млекопитающих). Сигнал, образуемый данными органами, приводит к колебаниям концентрации в крови определенных гормонов, прежде всего, мелатонина. Очевидно, что измерение

Принятые сокращения: мАФК — митохондриаль-ные активные формы кислорода; ГРГ — гонадотропин-ри-лизинг гормон; AGE — Advanced Glycation End products — конечные продукты глубокого гликирования; RAGE — receptors of AGE (рецепторы конечных продуктов глубокого гликирования).

* Адресат для корреспонденции.

времени в часовой шкале, как это делает цир-кадный механизм, вряд ли годится для измерения времени в масштабе десятков лет.

Человечество сверяет время с эталонным устройством, основанным на измерении скорости радиоактивного распада. Невероятно, чтобы такой механизм использовали живые организмы. Однако существуют другие спонтанные химические процессы, которые могли бы лежать в основе механизма, измеряющего годы. Такова, например, Ь^Б изомеризация аминокислот в долгоживущих белках. У китов описаны кристаллины — белки хрусталика, возраст которых соизмерим с максимальным возрастом самого животного, т.е. порядка двух веков [8]. Исходно все аминокислоты в кристаллине являются Ь-изомерами. С годами происходит самопроизвольная изомеризация Ь-аминокислот в их Б-изомеры. Для аспартата она наиболее быстрая (около 2% за 10 лет). Это означает, что у 200-летнего кита 40% аспартатов в кристаллине оказывается в виде Б-изомера. Биологический счетчик лет можно было бы сделать из белка типа кристаллина и какого-то устройства, измеряющего содержание Б-аспартата в этом белке. У

человека есть, кроме кристаллинов, еще ряд белков, образующихся раз и навсегда. Такие белки найдены в зубной эмали, белом веществе мозга, аорте, артериях, коже, хрящах, костях, сухожилиях. Таков и белок эластин [9].

Дезамидирование аспарагина и глютамина в белках также может быть спонтанным. В этом случае показано, что скорость такого процесса зависит от конформации белка. Интересно, что скорость спонтанного дезамидирования варьирует от нескольких часов до 100 лет. Н.И. и А.Б. Робинсоны, посвятившие описанию этого явления ряд статей и специальную книгу [10—12], полагают, что в аминокислотной последовательности белка скрыты «молекулярные часы», измеряющие срок его жизни.

Еще одним кандидатом на роль ключевого компонента «больших биологических часов» является процесс накопления так называемых AGE (Advanced Glycation End products, конечные продукты глубокого гликирования) — группы разнообразных соединений, которые образу-

ются в организме в результате сложных химических реакций, первой стадией которых является гликирование белков и пептидов (рис. 1). В результате этих химических реакций, медленно, но неизбежно идущих в любом водном растворе, содержащем белки и восстанавливающие сахара, образуются характерные окрашенные продукты, а также ковалентные, ферментативно не-расщепляемые кросс-сшивки в белках.

ХИМИЯ ОБРАЗОВАНИЯ AGE

В 1912 г. Луи Камилл Майар обнаружил, что восстанавливающие сахара способны реагировать в растворе с аминокислотами с образованием темно-окрашенных продуктов (меланоиди-нов) [15]. Сходные химические реакции наблюдались и в растворах восстанавливающих сахаров в смеси с пептидами и белками. «Реакция Майара» является окислительно-восстановительным процессом, который представляет со-

Рис. 1. Химические формулы наиболее распространенных AGE [13, 14]

бой сложную сеть последовательно и параллельно идущих реакций.

Большой вклад в понимание химии «реакции Майара» внес Джон Е. Ходж [16]. Он показал, что на начальном этапе гликирования (не-энзиматического гликозилирования) белков альдегидная группа сахара реагирует с аминогруппами с образованием N-гликозидов. Затем N-гликозиды претерпевают перегруппировку Амадори, превращаясь в 1-амино-1-дезоксике-тозы (соединения Амадори), после чего происходят дальнейшие химические превращения, приводящие к образованию AGE [16].

Из промежуточных продуктов, образующихся в ходе реакции Майара, большое значение имеют дикарбонильные продукты (глиоксаль и метилглиоксаль). Эти высокоактивные соединения, которые также образуются в клетке как побочные продукты гликолиза, способны реагировать с белками с образованием фермента-тивно нерасщепляемых кросс-сшивок.

Сравнение различных аминокислот в составе пептидов по способности реагировать с восстанавливающими сахарами выявило, что наибольшей относительной активностью обладали боковые цепи цистеина, лизина и гистидина, а также аминогруппа .N-концевой аминокислоты пептида. При реакции пептидов с белковыми AGE-продуктами наибольшая эффективность образования кросс-сшивок наблюдалась для аргинина и триптофана [17].

РОЛЬ AGE-ПРОДУКТОВ В ПАТОЛОГИИ И СТАРЕНИИ

Подобно тому, как повышенная концентрация активных форм кислорода вызывает окислительный стресс, повышенная концентрация сахаров (глюкозы, фруктозы, дезоксиглюкозы и триозофосфатов) и активных дикарбонильных соединений (глиоксаля и метилглиоксаля) может вызвать «кабронильный стресс», в результате которого в организме возрастет скорость образования AGE-продуктов, в т.ч. и кросс-сшивок в белках, нарушающих их структуру и функциональность.

В начале 1980-х годов, после того, как было обнаружено, что AGE накапливаются в некоторых тканях живых организмов с возрастом, была предложена теория «неэнзиматического гли-козилирования как причины старения» [18].

Изначально было предположено, что вредоносные эффекты гликирования связаны с повреждением долгоживущих белков. Действительно, в тех частях организма, где белки не обновляются или обновляются очень медленно, наб-

людается четкий возраст-зависимый рост концентрации AGE (например, в коллагене кожи и хрящей [19—21] или в белках хрусталика глаза [22, 23], а также в ряде других тканей [24, 25]). В экспериментах на крысах было показано, что аминогуанидин, ингибитор образования AGE, снижал проявление таких признаков старения, как падение эластичности сосудов и увеличение размера сердца [26]. Кроме того, была продемонстрирована важная роль AGE-продуктов в развитии атеросклероза, катаракты, диабетической нефропатии, ретинопатии и нейропатии, а также возраст-зависимых сосудистых осложнений [13].

Дальнейшие исследования показали, что значительная доля вредоносных эффектов накопления AGE-продуктов связана с какими-то сигналами, образуемыми RAGE (Receptor for Advanced Glycation End products) — специфичным рецептором AGE, а также активными формами кислорода. Таким образом, хотя кинетика гликирования может быть сходна с кинетикой, например, изомеризации аминокислот в белке (уровень AGE в эластине межпозвоночных дисков при старении возрастает примерно в той же пропорции, что и количество D-аспартата [9]), наличие рецепторов для AGE делает их значительно более вероятными кандидатами на роль «биологических часов».

RAGE является наиболее хорошо и полно изученным рецептором AGE и представляет собой мультилигандный мембранный рецептор из суперсемейства иммуноглобулинов, присутствующий во многих типах клеток [27, 28]. Помимо RAGE, известно еще несколько рецепторов, связывающих AGE-продукты, в т.ч. фагоцитарные рецепторы макрофагов (первого и второго типа), олигосахарилтрансфераза-48 (AGE-R1), фосфопротеин 80K-H (AGE-R2) и галектин-3 (AGE-R3) [29].

Изначально было предположено, что рецепторы AGE служат для их связывания и нейтрализации. Однако дальнейшее изучение показало, что связывание AGE с рецептором RAGE макрофагов и клеток микроглии запускает окислительный стресс и приводит к активации p21гas/MAP-киназного сигнального каскада, который, в свою очередь, активирует фактор NF-kB [30]. В результате взаимодействие AGE с их рецепторами вызывает воспалительную реакцию и окислительный стресс. В этой связи весьма вероятно, что роль AGE как биологических часов реализуется через воспалите

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.

📎📎📎📎📎📎📎📎📎📎