Мессенджерные функции H2S при гипергомоцистеинемии и на фоне травмы

МИНОБРНАУКИ РОССИИ
Федеральное государственное автономное образовательное
учреждение высшего образования
«ЮЖНЫЙ ФЕДЕРАЛЬНЫЙ УНИВЕРСИТЕТ»

Академия биологии и биотехнологии им. Д.И. Ивановского
Кафедра биохимии и микробиологии





Ткаченко Марины Дмитриевны



МЕССЕНДЖЕРНЫЕ ФУНКЦИИ H2S ПРИ

ГИПЕРГОМОЦИСТЕИНЕМИИ НА ФОНЕ ТРАВМЫ





ВЫПУСКНАЯ КВАЛИФИКАЦИОННАЯ РАБОТА

по направлению 06.03.01 – Биология





Научный руководитель –

Доцент кафедры биохимии и микробиологии

Академии биологии и биотехнологии им. Д.И. Ивановского, к.б.н.

Вечканов Евгений Михайлович





Рецензент

Старший научный сотрудник НИЛ «Биомедицина»

Академии биологии и биотехнологии им. Д.И. Ивановского, к.б.н

Покудина Инна Олеговна






Ростов-на-Дону – 2018

РЕФЕРАТ

     ТЕМА: «Мессенджерные функции H2S при гипергомоцистеинемии и на фоне травмы». Объем работы: 61 страница компьютерного набора; 15 рисунков; 6 таблиц. Список литературы составил 81 наименование.

ГОМОЦИСТЕИН,	ГИПЕРГОМОЦИСТЕИНЕМИЯ,

СЕРОВОДОРОД, ОКИСЛИТЕЛЬНЫЙ СТРЕСС, ТРОМБОЗ, ЭНДОТЕЛИЙ.

     Объект исследования: плазма крови крыс при травме опорно-двигательного аппарата в условиях гипергомоцистеинемии.

     Цель исследования: изучение роли H2S в регуляции гомеостаза у крыс при травме опорно-двигательного аппарата, а также в ходе индуцированной гипергомоцистеинемии и её сочетании с травмой.

Результаты исследования:

1. Тридцатидневное  применение  метиониновой  диеты  у  крыс  без

травматического воздействия, так и на фоне травмы характеризовалось развитием средней ГГЦ и выражалось в приросте концентрации ГЦ в плазма крови крыс.

2. Интенсивность спонтанной светимости плазмы крови у группы животных, находившихся в условиях травмы на 14-е сутки и метиониновой диеты в сочетании с травмой на 14-е сутки резко возрастало по отношению к контрольным значениям и превышало контрольные значения на 32,5 и 27,7% соответственно.

3. У животных 5-ой, 7-ой и 8-ой группы происходило достоверное увеличение концентрации сероводорода в плазме крови на 30%, 12% и 25% соответственно по сравнению с контрольной группой.

4. У всех групп животных с травмой опорно-двигательного аппарата (6-я, 7-я, 8-я группы) на фоне ГГЦ также наблюдается достоверное превышение уровня битирозиновых сшивок на 149%, 109% и 161% соответственно относительно контроля.


2

ОГЛАВЛЕНИЕ

РЕФЕРАТ	2
СОКРАЩЕНИЯ И ОБОЗНАЧЕНИЯ	4

ВВЕДЕНИЕ	6
1 ОБЗОР ЛИТЕРАТУРЫ	8
1.1 Общая характеристика сероводорода	8
1.2 Свободнорадикальные процессы и их связь с H2S	9
1.3 Пути продукции и метаболизма сероводорода	11
1.4 H2S как трансмиттер сигнала на уровне клетки	13
1.5 Гипергомоцистеинемия	18

1.6 Патологические процессы при гипергомоцистеинемии.	23
1.7 Окислительные модификации белков при оксидативном стрессе:
изменение содержания SH-групп и образование битирозиновых сшивок	27
2 МАТЕРИАЛЫ И МЕТОДЫ ИССЛЕДОВАНИЯ	32
2.1 Модель травмы опорно-двигательного аппарата.	32
2.2 Моделирование гипергомоцистеинемии.	33

2.3 Дизайн эксперимента	33
2.4 Определение содержания гомоцистеина	35
2.5 Определение интенсивности свободнорадикальных процессов методом
люминол-H2O2-хемилюминесценции	35
2.6 Определение содержания H2S и сульфидов в плазме крови

фотометрическим методом с N,N-диметил-пара- фенилендиамином	39
2.7 Определение сульфгидрильных групп в белках колориметрическим

методом при помощи 5,5	-дитиобис(2-нитробензойной) кислоты (ДТНБК)	39
2.8 Определение образования битирозина в белках	40
2.9 Определение содержания белка по Брэдфорду	41
2.10 Статистическая обработка данных	42
3 РЕЗУЛЬТАТЫ ИССЛЕДОВАНИЙ И ИХ ОБСУЖДЕНИЕ	43
3.1 Изменение уровня гомоцистеина в плазме крови	43
3.2 Изменение уровня H2S в плазме крови	45
3.3 Особенности протекания свободнорадикальных процессов в плазме
крови	46
3.4 Изменение уровня SH-групп в плазме крови	48
3.5 Изменение уровня битирозиновых сшивок в белках плазмы крови крыс	49
3.6 Обсуждение результатов	50

ВЫВОДЫ	53
СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННЫХ ИСТОЧНИКОВ	54













3

СОКРАЩЕНИЯ И ОБОЗНАЧЕНИЯ

АКР – активные кислородные радикалы

АФК – активные формы кислорода

ГГЦ – гипергомоцистеинемия

ГМК – гладкомышечные клетки

ГПО – глутатионпероксидаза

ГС – глутатионсинтетаза

ГЦ – гомоцистеин

ГЦК – гомоцистеиновая кислота ДНК - дезоксирибонуклеиновая кислота ЛПНП – липопротеиды низкой плотности МТГФР – метилентетрагидрофолат-редуктаза нуклеарный фактор-?? (NF-??)

ПНЖК – полиненасыщенные цепи жирных кислот ПОЛ - перекисное окисление липидов СН2ТГФ – метилентетрагидрофолат СН3-ТГФ – 5-метилентетрагидрофолат СОД — супероксиддисмутаза Тк А2 – тромбоксан А2


УФ - освещение – ультрафиолетовое освещение

ФIа -ФXIIIа – активированные факторы свертывания крови ФI-ФXIII – факторы свертывания крови ЭК - эндотелиальные клетки

ЭТ-1- эндотелин 1

5-МТГФР – 5-метилентетрагидрофолат-редуктаза

Ala – аланин

СО2 – диоксид углерода

Cys – цистеин

Glu – глютамин

GSH - восстановленный глутатион

Н2О2 – пероксид водорода

4

Met – метионин

NF-?? - нуклеарный фактор–??

NMDA-типа

NO – оксид азота

ООNO - пероксинитрит

ОС – оксидативный стресс

PGI2 – простациклин

Ser – серин

Val – валин





















































5

ВВЕДЕНИЕ

В течение многих десятилетий сероводород (H2S) описывался как

токсичный газ, оказывающий повреждающее действие на организм человека. Недавно было обнаружено, что H2S эндогенно синтезируются и является сигнальной молекулой, выполняющей как аутокринную, так и паракринную регуляцию во многих системах организма. Вследствие интенсивной вовлечённости сероводорода в сигнальные пути передачи сигнала между клетками и системами органов, является очевидным, что нарушения в метаболизме сероводорода, наряду с нарушением синтеза и деградации гомоцистеина, в ряде случаев играет существенную роль в дисфункции эндотелия и является неотъемлемой составляющей патогенеза артериальной гипертензии (АГ), атеросклероза, ишемической болезни сердца (ИБС), хронической сердечной недостаточности (ХСН), и тромботических осложнений.

     Тромбоэмболические осложнения часто развиваются у больных после оперативных вмешательств, травм, больных с различными формами злокачественных новообразований. Возникновение тромбоза затрудняет дальнейшее лечение больного. Травма и оперативное вмешательство приводит к сдвигу системы гомеостаза в сторону гиперкоагуляции, что увеличивает вероятность тромботических осложнений. В то же время особенности функционирования системы гомоцистеин - сероводород, в частности, при травматическом воздействии или при развитии травматической болезни, не освещены в полном объеме. Значение этих особенностей позволит клиницистам предвидеть и вовремя корректировать возможные тромбооклюзивные осложнения.

     В связи с этим, целью нашей работы явилось изучение роли системы гомоцистеин – H2S в регуляции гомеостаза у лабораторных животных

(крыс) при травме опорно-двигательного аппарата, а также в ходе индуцированной гипергомоцистеинемии и её сочетании с травмой.

Для	достижения	данной	цели	были	сформулированы	и	решены

6

следующие задачи:

1. Определение уровня содержания гомоцистеина в плазме крови белых крыс при физиологической норме, травме опорно-двигательного аппарата, а также в ходе индуцированной гипергомоцистеинемии и её сочетании с травмой.

2. Определение интенсивности свободнорадикальных процессов в плазме крови белых крыс при физиологической норме, травме опорно-двигательного аппарата, а также в ходе индуцированной гипергомоцистеинемии и её сочетании с травмой.

3. Определение уровня содержания H2S в плазме крови белых крыс при физиологической норме, травме опорно-двигательного аппарата, а также в ходе индуцированной гипергомоцистеинемии и её сочетании с травмой.

4. Определение уровня содержания сульфгидрильных групп в белках плазмы крови белых крыс при физиологической норме, травме опорно-двигательного аппарата, а также в ходе индуцированной гипергомоцистеинемии и её сочетании с травмой.

5. Определение уровня содержания битирозиновых сшивок в белках плазмы крови белых крыс при физиологической норме, травме опорно-двигательного аппарата, а также в ходе индуцированной гипергомоцистеинемии и её сочетании с травмой.























7

1 ОБЗОР ЛИТЕРАТУРЫ

1.1 Общая характеристика сероводорода

     Непосредственные исследования биологического действия сероводорода начались на рубеже XX в., но посвящены они были преимущественно изучению токсических свойств сероводорода (Fiorucci, 2006), токсичность которого в 5 раз выше, чем у угарного газа (СО). Рассматривать сероводород в качестве сигнальной молекулы, которая не только является токсическим агентом, но и участвует в регуляции функциональной активности различных клеток животного организма, стали только в конце XX в. Начало исследованиям в этой области положили японские исследователи K. Abe и H. Kimura, которые в 1996 г. впервые описали возможность синтеза сероводорода в тканях головного мозга и указали на его способность регулировать функции клеток (Abe, 1996).

     Хотя сероводород был обнаружен в тканях головного мозга еще в 1980-х гг., первоначально считался артефактом, который был сформирован из-за быстрого повышения концентрации сульфидов в тканях после смерти. Появление сероводорода связывали с его высвобождением из дисульфидных соединений серы (так называемых sulfane sulfur) во время препарирования тканей (Kimura, 2004). В настоящее время сероводород, как и NO и СО, отнесен к группе так называемых газотрансмиттеров – газообразных внутриклеточных сигнальных молекул, которые выполняют в клетке специфические регуляторные функции. H2S хорошо растворяется в липофильных веществах (Wang, 2004). Его растворимость в липидах в 5 раз превосходит растворимость в воде, что обуславливает хорошую проникающую способность H2S через мембранные структуры клетки и не требует участия специальных ионтранспортных систем. Константа проницаемости (РМ) сероводорода через бислойные липидные мембраны достаточно высока, что позволяет считать сероводород высокодоступной молекулой, эффективно осуществляющей свои функции внутри клеток. В организме человека и животных высокие концентрации сероводорода

8

присутствуют в кишечнике благодаря бактериям, утилизирующим сульфаты и серосодержащие аминокислоты (цистеин, метионин), а также серосодержащие вещества, полисахариды и липиды (Li, 2008). Физиологические концентрации сероводорода варьируют в различных органах и составляют 1–100 нмоль/г ткани (Reiffenstein, Hulbert, 1992). При высокой концентрации (более 1,0 мг/л) однократное вдыхание H2S может вызвать мгновенную смерть (Fiorucci, 2006).


1.2 Свободнорадикальные процессы и их связь с H2S

     В организме H2S стимулирует антиоксидантную систему наряду с известными антиоксидантами (в т.ч. с N-ацетилцистеином, глутатионом и супероксиддисмутазой) и оказывает цитопротекторное действие

(Whiteman, 2004).

      Угнетение эндогенного синтеза H2S увеличивает цитотоксическое воздействие на клетки организма экзогенного H2S.

      Установлено, что эндогенный H2S необходим для защиты почек от травм и дисфункций при ишемии/реперфузии, а введение NaHS уменьшает степень возникновения дизрегуляций и морфологических изменений почек (Tripatara, 2008). В то же время высокие миллимолярные концентрации H2S оказывают цитотоксическое действие на клетки, приводя к активации свободнорадикальных процессов, мобилизации кальция, истощению глутатиона, внутриклеточному высвобождению железа, а также индукции путей митохондриальной клеточной гибели.

В центральной  нервной  системе  (ЦНС)  H2S  связан  с  различными

физиологическими процессами, включая нейропротекцию и нейротрансмиссию. H2S защищает нейроны от апоптоза и дегенерации,

оказывая противовоспалительное действие и активирует антиоксидантные ферменты. H2S защищает нейроны от окислительного стресса за счет снижения уровня активных форм кислорода (АФК) и агрегации продуктов перекисного окисления липидов. Кроме того, сероводород ингибирует биологическую активность пероксинитритов (ONOO-), образующихся в
9

реакции оксида азота (NO) с супероксидным анионом. H2S выступает как антиоксидант путем прямого удаления АФК и путем восстановления глутатиона дисульфида.

     Существуют две формы глутаматной нейротоксичности – одна связана с гиперактивацией НМДА- рецепторов, а вторая – с подавлением цистеин/ глутаматного антипорта.

     Исследование механизмов действия H2S показало, что эффект газа не связан с его восстанавливающим действием на субъединицы НМДА-рецепторов. В исследованиях было показано, что донор H2S оказывал стимулирующие действие на НМДА-рецепторы, экспрессированные в мембране ооцитов, в нейронах гиппокампа и глии. С помощью иммуногистохимического анализа в первичных культурах нейронов и глии было показано, что H2S в микромолярных концентрациях вызывал увеличение уровня цАМФ. Поскольку известно, что активация протеинкиназы А усиливает активность НМДА-рецепторов, было сделано заключение, что H2S регулирует активность НМДА- рецепторов посредством увеличения внутриклеточного содержания цАМФ, который, в свою очередь приводит к фосфорилированию NR1, NR2A и NR2B субъединиц НМДА-рецептора, усиливающему ток через глутаматные каналы (Abe, Kimura 1996).

     Также было установлено, что H2S способен активировать цистеин/глутаматный антипорт и цистеиновый транспортер, что сопровождается увеличением внутриклеточной концентрации цистеина и продукции глутатиона.

      Поскольку цистеин преобразован в цистин в клетках для производства глутатиона, сокращение цистина вызывает сокращение производства глутатиона. В первичной культуре кортикальных астроцитов, H2S предотвращал H2О2 – вызванное повреждение клеток путем уменьшения внеклеточной концентрации глутамата, что приводило к усилению поглощения цистеина и продукции глутатиона (Lee,2009).

10

1.3 Пути продукции и метаболизма сероводорода

     Различают ферментативный и неферментативный пути синтеза сероводорода в организме. Ферментативный синтез сероводорода в клетках возможен благодаря работе специальных ферментов.

     Внутриклеточный синтез сероводорода осуществляется в различных клетках животного организма. Ниже на рисунке 1.1 представлена схема синтеза сероводорода в животных клетках (Ling et all., 2011).

2

Рисунок 1.1 - Биосинтез и деградация сероводорода в животных тканях млекопитающих (Ling et all., 2011)

      В настоящее время известно 3 фермента, в результате работы которых синтезируется сероводород:

1. цистотионин-?-синтаза (CBS);

2. цистотионин-?-лиаза (CSE);

3. 3-меркаптопируват-сульфуртрансфераза (3MST).

При этом CBS осуществляет синтез сероводорода преимущественно

в нервных  клетках.  В  гладкомышечных  клетках  кровеносных  сосудов,

сокращение	и	расслабление	которых	обеспечивает	изменение	тонуса


11

последних, синтез сероводорода осуществляет фермент CSE (Lowicka, Beltowski, 2007; Wagner, 2009), а в эндотелиальных клетках, выстилающих изнутри просвет сосуда - 3MST (Kamoun, 2004; Stipanuk, 1982). Все три фермента используют в качестве субстрата для синтеза сероводорода серосодержащую аминокислоту L-цистеин, которая катализирует реакцию его десульфгидратации: происходит отщепление от цистеина атома серы без последующего его окисления, что ведет к образованию H2S.

      Под действием CSE происходит преобразование цистина (дисульфид цистеин) до тиоцистеина, пирувата и аммиака с последующим неферментативным преобразованием тиоцистеина до цистеина и H2S.

     В то же время CBS использует несколько иной путь синтеза H2S, который заключается в конденсации гомоцистеина с цистеином и последующим образованием цистатионина (Lowicka, Beltowski, 2007). В качестве субстрата синтеза сероводорода могут использоваться и другие серосодержащие аминокислоты, такие как метионин и цистин.

     Фермент 3MST функционирует в комплексе с другим ферментом цистеинаминотрансферазой (CAT). Выделяют митохондриальную и цитозольную форму САТ. Используя в качестве субстрата серосодержащую аминокислоту L-цистеин и ?-кетоглутарат, СAT продуцирует 3-меркаптопируват (3МР), из которого при участии фермента 3MST синтезируется непосредственно H2S (Shibuya, 2009). В отсутствии ?-кетоглутарата синтез H2S прекращается.

     Неферментативный путь образования H2S заключается в восстановлении серы до H2S при окислении глюкозы. Так, в состоянии окислительного стресса наблюдается активация фосфоглюконатного пути, в результате чего происходит усиление синтеза NADP, использующегося в различных антиоксидантных реакциях, результатом которых является образование H2S. Однако H2S может образовываться в результате непосредственного взаимодействия NADP с элементарной серой. Еще одной возможностью неферментативного синтеза H2S является его получение из глутатиона (Гусакова, 2015).

12

1.4	H2S как трансмиттер сигнала на уровне клетки

В последние десятилетия научное сообщество изменило свое мнение

о сероводороде: от вредного и токсичного газа до биологически сигнальной молекулы, т. е. газотрансмиттера. Газотрансмиттеры вовлечены во внутри-

и межклеточную коммуникацию с высокой специфичностью во многих, если не во всех клетках, тканях и органах (рисунок 1.2).






























Рисунок 1.2 - Терапевтические мишени сероводорода (Ситдикова, 2014) Несмотря на то, что функция газотрансмиттеров феноменологически

сходна с функцией классических посредников (органические молекулы и Са2+), тем не менее они имеют отличительные признаки. Все нейтральные газотрансмиттеры легко проходят через клеточные и субклеточные мембраны, поскольку они растворимы в липидах. Это же свойство газотрансмиттеров исключает возможность их хранения в везикулах или органеллах (Гусакова, 2015).

     Газотрансмиттеры должны выполнять ряд задач, в том числе стимулировать соответствующие эффекторные системы синтеза или высвобождения сигнала, которые инициируют физиологические стимулы, а также вызывать биологические ответы в физиологически значимых

13

концентрациях. Было показано, что H2S выполняет роль стимулирующего или ингибирующего посредника в неврологической, сердечно-сосудистой, желудочно-кишечной, мочеполовой и эндокринной системах, а также может иметь дополнительное модулирующее и/или цитопротективное

действие. Сероводород был предложен, как про - и противовоспалительный агент. Сероводород оказывает защитное воздействие на сердце и обеспечивает эффект прекондиционирования, защищает сердце от ишемии-реперфузии. Почти все эффекты экзогенного сероводорода наблюдаются в сульфидных концентраций в десятки-сотни ммоль/л (Kenneth, 2009).

     H2S как газотрансмиттер проникает через мембраны клеток без помощи специфических транспортных молекул. В микромолярных концентрациях H2S, полученный in vitro из Na2S или NaHS, обладает цитопротекторными свойствами, которые могут быть связаны с его способностью нейтрализовать различные активные формы молекул (например, пероксинитриты, хлорноватистую кислоту и гомоцистеин). Действие H2S связано с модуляцией функционирования внутриклеточных каспаз или киназ, активацией ядерного фактора — ?В и ?В- зависимых белков (индуцибельная NO-синтаза, цикло- окисигеназа-2), а также со снижением антиапоптотического фактора Bcl-2.

     В организме H2S стимулирует антиоксидантную систему наряду с известными антиоксидантами (в т.ч. с N-ацетилцистеином, глутатионом и супероксиддисмутазой) и оказывает цитопротекторное действие.

Угнетение эндогенного синтеза H2S увеличивает цитотоксическое воздействие на клетки организма экзогенного H2S (Колесников, 2015).

     Один из основных механизмов действия H2S – модификация протеинов. H2S является сильным восстановителем и может восстанавливать двойные дисульфидные связи. Другой механизм – это присоединение дополнительного атома серы к тиоловой группе. Химическая модификация белков приводит к изменению их конформации и функциональной активности. В клетке мишенями действия H2S могут
14

быть ионные каналы, мембранные и внутриклеточные ферменты, различные протеины и т.д. (Ситдикова, 2014).

     Органоспецифическая экспрессия и молекулярная регуляция CBS и CSE были охарактеризованы множеством групп учёных. CBS является преобладающим H2S-генерирующим ферментом в мозге и нервной системе

и экспрессируется на высоком уровне в печени и почках. CSE в основном экспрессируется в печени и в сосудистых и несосудистых гладких мышцах.

Низкое содержание CSE также обнаружено в тонком кишечнике и желудке грызунов. Деятельность CBS регулируется предположительно на уровне транскрипции глюкокортикоидами и циклическим АМФ. Деятельность CBS может непосредственно ингибироваться оксидом азота (NO) и окисью углерода (CO). Она может быть активирована NO донором нитропруссида натрия в некоторой степени, который как ни парадоксально не включает NO, но включает в себя химическую модификацию фермента. Регулирование CBS было исследовано недавно. Регулирование CSE менее понятно, но есть доказательства того, что миелоидный цинковый палец 1 (MZF1) и специфичный белок 1 (SP1; также известный как фактор транскрипции Sp1) играют роли в его основной транскрипционной деятельности, и фермент может быть активирован с помощью бактериального эндотоксина. Важно отметить, что существуют существенные различия между человеческими и мышиными CBS и CSE ферментами (WU, 2016).

Сероводород в сердечно-сосудистой системе.

     Основным H2S-продуцирующим ферментом в сердечно-сосудистой системе является CSE. Иммуногистохимические исследования и обратная полимеразная цепная реакция показали, что CSE экспрессируется в гладкомышечных клетках сосудов и не обнаружена в эндотелиальных клетках.

     Глибенкломид, блокатор АТФ-зависимых калиевых (KATФ) каналов, ослабляет гипотензивное действие сероводорода in vivo и сосудорасширяющее действие in vitro. Сероводород увеличивает АТФ-
15

зависимый ток в этих каналах и индуцирует гиперполяризацию в изолированных гладкомышечных клетках сосудов. Ингибиторы CSE снижают проводимость KATФ каналов, подтверждая участие эндогенного сероводорода в поддержании их функционирования на базисном уровне. Таким образом, сероводород релаксирует сосуды путем открытия KATФ каналов в их гладкомышечных клетках (Вараксин, 2012).

Сероводород в почках.

     Установлено, что эндогенный H2S необходим для защиты почек от травм и дисфункций при ишемии/реперфузии, а введение NaHS уменьшает степень возникновения дизрегуляций и морфологических изменений почек. В то же время высокие миллимолярные концентрации H2S оказывают цитотоксическое действие на клетки, приводя к активации свободнорадикальных процессов, мобилизации кальция, исчерпыванию глутатиона, внутриклеточному высвобождению железа, а также индукции путей митохондриальной клеточной гибели (Колесников, 2015).

Сероводород в пищеварительной системе.

     CBS и CSE экспрессируются в слизистой оболочке желудка, где эндогенный сероводород, очевидно, выполняет роль протективного фактора при повреждениях. Показано, что H2S снижает спонтанное или индуцированное ацетилхолином сокращение подвздошной кишки у различных видов животных, а его влияние устраняется глибенкламидом – блокатором КАТФ-каналов.

     CBS и CSE были выявлены иммуногистохимическим методом в подслизистом и межмышечном нервных сплетениях толстой кишки у морской свинки и человека. Аппликация гидросульфида натрия или L-цистеина стимулирует секрецию хлоридов тканями слизистой оболочки прямой кишки морской свинки и человека. Это влияние блокируется тетродоксином, десенситизацией афферентных нервов капсаицином и капсазерином – блокатором болевых TRPV1-рецепторов. Таким образом, сероводород генерируется в энтеральной нервной системе и действует на

16

содержащие болевые рецепторы сенсорные нервные окончания, что приводит к стимуляции секреторной и моторной функции кишечника.

     Показано, что экспериментальные колиты сопровождаются повышенной экспрессией CBS и CSE в слизистой оболочке толстой кишки

и увеличением экспрессии CSE в спинном мозге, а гидросульфид натрия заметно снижает гиперальгезию у животных с колитами.

     Было показано, что CSE экспрессируется в гепатоцитах и звездчатых клетках печени. Сероводород влияет на изолированные звездчатые клетки,

вызывая релаксацию стенки микрососудов печени. Релаксирующее действие экзогенного Lцистеина на звездчатые клетки и микрососуды печени ослаблены у животных с циррозом по сравнению с контрольными.

У животных и людей с циррозом отмечена повышенная резистентность сосудов печени к действию сероводорода. Имеющиеся сведения позволяют предполагать, что дефицит этого газотрансмиттера может быть одним из факторов развития портальной гипертензии. Гидросульфид натрия снижает выделение желчи и экскрецию бикарбонатов, а блокирование эндогенного газотрансмиттера пропаргилглицином приводит к противоположному эффекту.

     Известно, что слизистая оболочка толстой кишки постоянно подвергается действию сероводорода, генерируемого из сульфатов пищи бактериями-комменсалами. Предполагается, что газ бактериального происхождения может вызывать различные заболевания толстой кишки,

включая язвенный колит и рак. Известно, что сероводород стимулирует пролиферацию эпителиальных клеток кишечника крысы в культуре. Слизистая оболочка толстой кишки способна метаболизировать это соединение вследствие высокой экспрессии роданезы в колоноцитах и адаптироваться к его избытку.

     Сероводород угнетает секрецию инсулина. Считается, что в регуляции секреции этого гормона главную роль играют КАТФ-каналы панкреатических ?-клеток. Увеличение содержания глюкозы приводит к накоплению в этих клетках аденозинтрифосфата, блокаде КАТФ-каналов,
17

деполяризации плазматических мембран, поступлению кальция и секреции инсулина. Введение в клетки инсулиномы INS-1E крысы аденовируса, содержащего ген CSE и экзогенный сероводород, угнетает процесс выделения инсулина, индуцированный глюкозой. Напротив, снижение уровня эндогенного сероводорода пропаргилглицином оказывает противоположный эффект (Вараксин, 2012).



1.5 Гипергомоцистеинемия

     Гомоцистеин (ГЦ) — представляет собой встречающуюся в природе аминокислоту, которая является промежуточным продуктом обмена аминокислот метионина и цистеина (см. рисунок 1.3). Метионин – единственный источник ГЦ в организме (Хубутия и др., 2002; Баранова, Большакова, 2004; Шевченко, 2008). Метионин в составе белка поступает в организм с пищей и участвует во всех реакциях, где метильная группа используется для синтеза биологически активных веществ (нуклеиновые кислоты, адреналин, креатинин и др.). Фактически прямым донором СН3-группы для этого процесса является активная форма метионина – S-аденозилметионин, который после потери метильной группы превращается

в S-аденозилгомоцистеин. Из S-аденозилгомоцистеина в результате последующего гидролиза образуется гомоцистеин (Лебеденкова, 2006;

Medina, et al., 2001).

     Необходимое низкое содержание этой потенциально цитотоксичной аминокислоты в клетках обеспечивается путем реметилирования до метионина, путем транссульфирования до цистеина или путем образования окисленных форм, преимущественно дисульфидов (Szegedi et al., 2008).













18






















Рисунок 1.3 - Пути метаболизма гомоцистеина ТГФ - активная форма фолиевой кислоты (тетрагидрофолат);

СН2ТГФ - метилентетрагидрофолат; СН3-ТГФ - 5-метилтетрагидрофолат; 5-МТГФР - 5-метилентетрагидрофолат-редуктаза; R - акцептор метильной группы (Лебеденкова, 2006).

     При реметелировании гомоцистеин приобретает метильную группу из N - 5 - метилтетрагидрофолата или из бетаина, для превращения в метионин. Реакция с N - 5 - метилтетрагидрофолатом происходит во всех тканях и витамин B12 выступает кофактором в данной реакции, в то время как реакция с бетаином ограничена в основном в печени и не зависит от витамина B12. Значительная часть метионина затем активируется АТФ с образованием S - аденозилметионина (SAM). SAM служит в первую очередь как универсальный донор метильной группы к различным акцепторам. S - аденозилгомоцистеин (SAH), побочный продукт этих реакций метилирования затем гидролизуется.

     Важно отметить, что этот гидролиз является обратимой реакцией, которая способствует синтезу SAH, и повышенные клеточные концентрации этого метаболита могут предшествовать и сопровождать все формы гипергомоцистеинемии.


19

     В процессе транссульфирования фермент цистатионин-?-синтетаза катализирует превращение гомоцистеина и серина в цистатионин, который затем подвергается гидролизу с образованием цистеина и ?-кетобутирата под влиянием фермента цистатионаза. Избыток цистеина окисляется до таурина или неорганических сульфатов или выводится с мочой. Таким образом, в дополнение к синтезу цистеина, транссульфирование эффективно катаболизирует избыток гомоцистеина (Selhub, 1999).

     При нарушении внутриклеточного метаболизма избыток гомоцистеина выводится из клетки во внеклеточное пространство и далее в кровь. Это приводит к возникновению гипергомоцистеинемии и, следовательно, токсическому воздействию на клетки эндотелия (Virdis et al., 2002). В норме примерно 80% общего гомоцистеина плазмы связано с белком, прежде всего с альбумином, в то время как остальные 20% существуют в свободной форме (см. рисунок 1.4). Свободный ГЦ

представлен окисленной (гомоцистин, гомоцистеин-цистеин) и восстановленной формой (Uel, 1995; Friedman, et al., 2001).






























     Рисунок 1.4 - Формы гомоцистеина и их концентрация в плазме крови (Лебеденкова, 2006)

20

     Увеличение уровня ГЦ способствует разрыву эндотелия. В зоне разрывов происходит осаждение соединений кальция и холестерина, что способствует образованию атеросклеротической бляшки, которая, в свою очередь, приводит к сужению просвета сосудов. Участок, пораженный

атеросклеротическим изменением, является «горячей точкой» тромбогенеза, с последующим образованием тромба, либо разрывом сосуда, инициируя развитие инфаркта, инсульта, легочной эмболии и других патологических состояний (Радченко, 2003).

     Содержание ГЦ в плазме крови здорового человека составляет 5 – 15 мкмоль/л (Jacques et al.,1999). Превышение верхнего порога нормы определяется как ГГЦ. Колебание ГЦ в плазме в пределах 15-30 мкмоль/л свидетельствует об умеренной гипергомоцистеинемии, от 30 до 100 мкмоль/л о промежуточной, а свыше 100 мкмоль/л – о тяжелой (Мухин, Моисеев, Фомин, 2001; Родионов, Лентц, 2008; Шевченко, Олефриенко, 2002; Refsum, et al., 1985; Welch, Loscalzo, 1998; Jacques, et al., 1999; Warren, 2002).

     Причины, приводящие к нарушению метаболизма ГЦ и развитию гипергомоцистеинемии, разнообразны. Гипергомоцистеинемия может быть обусловлена генетическими дефектами ферментов, обеспечивающих процессы обмена данной аминокислоты. Самый частый генетический дефект – мутация гена цистатионин-?-синтетаза, дефект или отсутствие которой способствует нарушению превращения ГЦ в Cys, что и является причиной развития ГГЦ (Хубутия и др., 2002; Хубутия, Шевченко, 2004; Nygard et al., 1999).

     Несбалансированная диетическое питание, содержащие низкое содержание фолиевой кислоты, витаминов В6, В12 очень часто приводит к торможению или блокированию соответствующих метаболических путей. (Giltay, Hoogeveen, Elbers, Gooren, Asscheman and Stehouwer,1998).

      На уровень гомоцистеина в крови оказывает влияние употребление кофе. Механизм действия заключается в том, что кофеин ингибирует метионинсинтетазу (Nygard et. а1., 1997).
21

     Среди причин, которые могут спровоцировать рост гомоцистеина в крови, надо отметить прием наркотических веществ. Сильные психологические стрессы так же могут рассматриваться в качестве причины гипергомоцистеинемии. Малодинамичный образ жизни относиться к инициирующим факторам этой патологии. А систематические физические нагрузки, наоборот, выступают в роли стабилизирующего воздействия на уровень гомоцистеина, приводя его к нормальным значениям (Brattstrom et al., 1998).

     Курение - мощная детерминанта гипергомоцистеинемии. Оно вызывает уменьшение содержания в крови витаминов В6, В12 с помощью цианидов, присутствующих в табачном дыме, которые ингибируют метаболизм этих витаминов (Brattstrom et al., 1998).

     Прием некоторых препаратов лекарственного назначения могут приводить к транзиторному повышению уровня гомоцистеина, например,

закись	азота	при	анестезии	ингибирует	метионинсинтетазу;

метилпреднизолон снижает концентрацию витамина В6, эстрагенсодержащие контрацептивы, противосудорожные препараты нарушают обмен фолиевой кислоты в печени, теофиллины – конкурентные ингибиторы фосфодиэстеразы, вызывают снижение метаболизма витамина В6.

     Вызывать сдвиги в метаболизме гомоцистеина могут морфофункциональные изменения различной этиологии почек. Так исследования показали, что хроническая недостаточность увеличивает риск летального исхода от сердечно – сосудистых заболеваний. Предполагается, что это может быть связано с уменьшением уровня выведения креатинина и гомоцистеина, а также с нарушением окисления гомоцистеина до СО2 и сульфатов в нефроне, увеличением экскреции фолатов, что в конечном результате ведет к повышению концентрации гомоцистеина в крови (Al-Obaidi et al., 2001).




22

1.6 Патологические процессы при гипергомоцистеинемии.

Оксидативный стресс

     Понятие «оксидативный стресс» за последнее десятилетие претерпело значительную эволюцию. Если в конце 1980-х годов под «оксидативным стрессом» понимали только активацию процессов свободно-радикального окисления биомолекул, то в последние годы свободные радикалы стали рассматривать еще и как внутриклеточные мессенджеры, участвующие в поддержании физико-химических свойств биологических мембран, регуляции состояния внутриклеточных редокс-систем, активности протеинкиназ и регуляции таких клеточных реакций как пролиферация, дифференцировка и апоптоз (Меньщикова и др., 2006).

     Обширный класс АФК можно определить, как высокореакционные, преимущественно радикальные, кислородные соединения, образующиеся в результате неполного восстановления молекулярного кислорода или изменения спина одного из его электронов, находящихся на внешних орбиталях. Свободные радикалы образуются при эндогенных реакциях и из экзогенных источников. Экзогенные источники наработки АФК — это

ксенобиотики, сигаретный дым, полютанты, УФ-освещение, ионизирующая радиация. Супероксид и пероксид водорода в больших концентрициях вырабатываются по данным путям превращений, реагируют с переходными металлами (Fe2+ и Cu2+), в результате чего образуются высокореактивные гидроксильные радикалы, которые могут вызвать свободнорадикальное окисление белков (химические модификации полипептидной цепи, окисление боковых групп аминокислотных остатков, модификация б.......................