| Клуб выпускников МГУ (Московский Государственный Университет) | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
Карнозин. История
Карнозин был обнаружен в тканях животных и человека на рубеже XIX и XX вв., и отечественный ученый Владимир Сергеевич Гулевич имел к этому факту самое непосредственное отношение. Блестящая защита докторской диссертации «О холине и нейрине. Материалы к химическому исследованию мозга» (1896 г.) давала ему право на заграничную командировку за счет государственных средств. И когда надо было решать: куда? - Гулевич без колебаний назвал Германию, Марбург. Юстус Либих (1803-1873)- физико-химик, выдающийся естествоиспытателем (открытие закона минимума) работал в Гиссене, но ученики его были рассеяны по всей Германии, да и по всей Европе. В том числе и в Марбурге. Именно Марбург стал школой для совершенствования выдающегося русского ученого, В.С. Гулевича (ранее в Марбургском университете проходил обучение Михаил Васильевич Ломоносов). Два года провел в Марбурге Гулевич в лаборатории А. Косселя. В результате этой работы он выделил и идентифицировал несколько азотистых соединений. Некоторые были известны ранее (например, холин), но были и неизвестные вещества; к двум из них, присутствующим в мышцах в наибольшем количестве, оказалось приковано внимание ученых на протяжении всего ХХ в. Название обоих соединений было произведено Гулевичем от латинского «caro, carnis», - мясо. Гулевич присвоил им названия карнозин и карнитин. Первое соединение было описано в 1900 году, второе - пятью годами позже. О карнитине теперь наслышан каждый, кто интересуется новинками медицины - установлено, что он необходим для транспорта жирных кислот в митохондрии сердечной мышцы. Таким образом, карнитин способствует вовлечению жиров в метаболические превращения сердца и рекомендуется при сердечной недостаточности, так как жирные кислоты являются важным источником энергии для работы сердца. Некоторые ученые даже называют карнитин витамином, так как образование карнитина в организме, особенно с возрастом, оказывается недостаточным. Ряд фармацевтических фирм специализируется на производстве карнитина или его соединения с жирными кислотами в качестве лекарства для лиц пожилого возраста. Что касается другого соединения - карнозина, ему наукой была уготована более сложная судьба. Структуру карнозина Гулевич установил уже к 1911 году. Оказалось, что это вещество состоит из 2 природных аминокислот, входящих в состав тканей человека и позвоночных животных - гистидина и аланина. Правда, аланин имеет одну особенность - все природные аминокислоты, входящие в состав белков позвоночных животных (и человека), имеют аминогруппу у первого атома углерода (другими словами, она находится в α-положении, поэтому все они называются α-аминокислотами), а у этого аланина она «передвинута» ко второму (β) углеродному атому, так что эта аминокислота называется β-аланином. Но соединена она с гистидином такой же пептидной связью, как и в молекуле белка. Таким образом, карнозин является дипептидом β-аланил-гистидином. Было бы совсем не удивительным предположить, что Гулевич не отдавал себе отчета в важности сделанного им открытия, поскольку в списке его научных публикаций карнозин не занимал ведущего места. Однако это скорее было связано с особенностями стиля научного мышления Гулевича, который полагал, что в науке не бывает несущественных направлений. Он уделял равное внимание разнообразным научным проблемам, поручая своим ученикам различные исследования и требуя от них самостоятельности и систематической исследовательской работы. И один из них, Сергей Евгениевич Северин воспринял проблему биологической роли карнозина как основное поле своей научной деятельности. Сам Гулевич вначале полагал, что карнозин образуется при обмене белков и является конечным продуктом их распада. Это, как будто, подтверждалось и высоким содержанием карнозина, но не во всех, а только в возбудимых тканях: сердце, скелетных мышцах, мозге. Однако уже при жизни Гулевича стали накапливаться факты, говорящие о специальной функции карнозина в организме. Оказалось, что из-за содержания в своем составе необычной аминокислоты (β-аланина) карнозин не подвергается разрушению протеолитическими ферментами (пепсином, трипсином, катепсинами). Следовательно, карнозин, попавший в организм человека с мясной пищей, не распадается в процессе пищеварения. Для его расщепления требуется специальный фермент, разрушающий эту молекулу на составные аминокислоты, - карнозиназа. Карнозиназа обнаруживается в крови, печени, почках. Так что тот карнозин, который мы получаем в составе пищи, в организме подвергается постепенному разрушению карнозиназой. Но пока он еще циркулирует в кровяном русле, он может проникать в мозг, мышцы (в том числе, в мышцы сердца), - в ткани, где нет карнозиназы, и накапливаться там. Однако откуда берется карнозин в тканях животных, мясо которых мы поедаем? - Оказывается, что и для образования карнозина требуется специальный фермент, замыкающий связь между аминогруппой гистидина и карбоксильной группой β-аланина (такую же пептидную связь, с помощью которой образуются белки), и это фермент называется карнозинсинтетаза. Уже упоминавшийся нами ученик Гулевича С.Е. Северин не только сохранил научный интерес к свойствам карнозина, но и первым описал биологический эффект карнозина. Он обнаружил, что если внести карнозин в раствор, окружающий мышцу, которая осуществляет работу под влиянием ритмического раздражения нерва, то способность мышцы к работе увеличивается значительно и на долгое время. Это явление получило название «феномена Северина» и отражало важное участие карнозина в работе мышц. На расшифровку его участия в этих процессах были потрачены усилия не одного поколения биохимиков. Самое первое (и самое простое) объяснение этого эффекта карнозина могло заключаться в его способности нейтрализовать кислые продукты жизнедеятельности мышц. Молекула карнозина имеет группы, несущие и положительные, и отрицательные заряды, и константа диссоциации этих групп такова, что они способны связывать протоны в области физиологических значений рН. Другими словами, карнозин является природным буфером протонов. В ходе мышечной работы образуются различные кислые продукты, главным образом, молочная кислота, и можно было предположить, что карнозин нейтрализует ее, мешая закислению среды. Действительно, этого нельзя было исключить, и другие, даже синтетические рН-буферы тоже улучшали работоспособность мышц, но их действие было выражено слабее, чем действие карнозина. Можно было объяснить стимуляцию мышечной работы и другим предположением. Карнозин мог бы улучшать энергоснабжение тканей. Проверить это было довольно просто, достаточно измерить количество молочной кислоты и по нему рассчитать количество произведенной энергии. Получалось, что в присутствии карнозина мышца производит больше лактата, что не вызывало удивления - она работала интенсивнее. Были проведены расчеты оотношения прироста лактата и произведенной работы. Оказалось, что на начальном этапе мышечной работы, когда этот орган еще не утомлен, затраты энергии ниже, чем при утомлении. Это тоже понятно, поскольку в ходе развивающегося утомления в мышце наблюдается накопление продуктов метаболизма, закисление внутриклеточной среды и изменение эластичных свойств сократительного аппарата. Интересным оказалось то, что при внесении в окружающую среду карнозина соотношение [лактат]/[работа] оказалось ниже, чем в его отсутствие, и хотя лактата такая мышца накапливала больше, он обнаруживался преимущественно в окружающем растворе, а не в самой мышце. Что это могло означать - на том уровне наших знаний оставалось непонятным. Единственное, что можно было заключить что значительное возрастание мышечной работоспособности при действии карнозина свидетельствовало, что это вещество не является побочным продуктом обмена веществ. К этому времени Северин и его ученики показали, что в процессе развития животных карнозин возникает на совершенно определенном этапе, в момент проявления влияния нерва на мышцы. Дальнейшее оформление сократительной функции приводит к накоплению карнозина, а потом и к дальнейшему усложнению его структуры, выражающемуся в присоединении к его молекуле метильной группы. Получающееся соединение, также открытое в лаборатории Гулевича и названное анзерином (поскольку было найдено впервые в мышцах гуся, Anser anser), тоже могло усиливать сократительную активность мышц, Таким образом, накапливающиеся факты все больше противоречили первоначальному предположению, что карнозин - это побочный продукт метаболизма. Ведь его превращения осуществлялись ферментативно, а ферменты, как и всякие белки, появляются в клетках после активации определенных генов, нужных для их образования. Более вероятно то, что раз появление карнозина (а затем и его превращение в анзерин) требует активации специальных геов, это сопряжено с совершенствованием каких-то функций. Ведь недаром обнаружено, что у грачей превращение карнозина в анзерин связано с периодом, когда птицы «встают на крыло». А может, это необходимый этап подготовки птиц к полету? Однако дальнейший успех в исследовании карнозина затормозился на 20 долгих лет. Загадка его биологической активности требовала знаний о механизме функционирования возбудимых тканей, особенно нервной ткани. А пока что можно было констатировать, что в организме позвоночных животных присутствие карнозина является обязательным. Более того, по мере исследований было обнаружено целое семейство пептидных производных гистидина (Таблица 1) - все они были родственны карнозину и могли быть получены при включении молекулы карнозина в обмен веществ. Таблица 1. Карнозин и родственные соединения в тканях позвоночных животных (Болдырев, 1998)
К концу второй трети ХХ века стало ясно, что гистидин-содержащие дипептиды являются классом специфических пептидных регуляторов обмена веществ в нервной и мышечной ткани. Они фактически должны быть признаны типичными нейропептидными регуляторами, которых к тому времени уже было описано довольно много - среди них и энкефалины, и эндорфины, и так называемый пептид Р. Имелись и отличия этих регуляторов от карнозина - они образовывались из высокомолекулярных пептидных предшественников путем отщепления от молекулы «избыточных» аминокислотных радикалов и выполняли в мозге функции, связанные с эмоциональной окраской поведения - агрессии и злобы или душевной привязанности и любви. Кроме того, их эффекты осуществлялись при исключительно низких концентрациях, так как избирательно действовали на специальные рецепторы. Карнозин, напротив, образовывался путем синтеза из низкомолекулярных предшественников и накапливался в очень больших количествах (Таблица 2). Более того, рецепторов для карнозина и родственных ему соединений не было обнаружено. Таблица 2. Содержание гистидиновых дипептидов и их предшественников в мышцах некоторых позвоночных животных (мг на кг ткани) (Болдырев, Северин, 1968)
Из таблицы 2 следует, что совершенствование регуляторных путей (соответствующее усложнению биологических функций в процессе эволюции живых систем) сопровождается заменой предшественников дипептидов более сложными соединениями этого семейства: за некоторым исключением (Круглоротые) наблюдается замена предшественников дипептидов гистидина и β-аланина карнозином, анзерином или офидином. Такая тенденция отчетливо повторяется, если проследить изменение содержания этих соединений в онтогенезе различных животных - уток, роликов и грачей. Карнозин возникает еще до вылупления птиц на фоне резкого снижения уровня гистидина, затем наблюдается прогрессивное накопление карнозина, после чего его уровень стабилизируется и далее понижается, но появляется и накапливается анзерин. Суммарное содержание карнозина и анзерина в мышцах взрослых птиц достигает 20 мМ (5 г на кг сырого веса!). Закономерности распределения гистидинсодержащих дипептидов в мышцах показывали, что их содержание пропорционально функциональной нагрузке мышц, причем у беспозвоночных обнаруживаются только предшественники, а у позвоночных наблюдается эволюционная «замена» карнозина анзерином и офидином (другим метилированным производным карнозина). При этом в отдельных случаях содержание карнозина или анзерина (офидина) может достигать 10 г на кг веса или даже более. Эта величина соответствует наличию в каждых 100 г сырой ткани 1 г (или даже более) этих соединений, притом, что на это количество ткани приходится около 70% воды, 16% белков, а также жиры, углеводы и другие соединения. Это много или все-таки мало? Широко известное соединение, играющее роль биологического источника энергии, - аденозинтрифосфат присутствует в этих тканях в гораздо меньших количествах! Если бы в тот период мы раскрыли загадку биологической роли карнозина, это поставило бы его в ряд усложняющихся по механизму регуляторов высшей нервной деятельности. Действительно, нейропептиды, управляющие эмоциями, хотя и образуются в организме высокоорганизованных животных и человека, происходят из высокомолекулярных пептидных предшественников, в том числе и при распаде поглощаемых с пищей белков (кому не знакомо наслаждение вкусно приготовленной пищей). Гистидиновые дипептиды синтезируются специальными ферментами, предназначенными для образования именно этих соединений. Они должны быть признаны более совершенными и более специализированными регуляторами. Но оценка биологических функций карнозина была отложена почти до конца ХХ века. |