6 лютого, 2017
В центре внимания – α-липоевая кислота
М.В. ВласенкоИсторию изучения α-липоевой кислоты (α-ЛК) обычно принято начинать с 1951 года, когда она была впервые выделена в чистом виде. Однако еще в 1937 г. Snell и соавт. обнаружили, что для роста некоторых бактерий необходимо вещество, которое содержится в экстракте картофеля. Именно это вещество, так называемый картофельный фактор роста, и было идентифицировано Reed и соавт. в 1951 г. как α-ЛК. Авторам удалось показать, что эта молекула участвует в переносе ацильных групп в процессе промежуточного обмена, а также является коэнзимом в реакциях цикла Кребса.
В 1980-е годы было установлено, что α-ЛК является мощным антиоксидантом – единственным из антиоксидантов, обладающим как водо-, так и жирорастворимыми свойствами. Выяснилось, что помимо картофеля и брокколи, где она обнаруживается в больших количествах, α-ЛК синтезируется в тканях животных и человека, особенно в печени и скелетных мышцах. Этот краткий обзор знакомит читателя с физиологической ролью и возможностями клинического применения этого уникального соединения.
Коэнзим или антиоксидант?
Место синтеза α-ЛК в клетках животных и растений есть митохондрии. И не случайно. Все метаболические реакции, в которых она выступает в роли коэнзима, протекают в матриксе митохондрий и напрямую связаны с процессами биологического окисления и образования энергии. Отличительной особенностью реакций, протекающих с участием α-ЛК, является то, что все они осуществляются сложными мультиферментными системами, которые принято объединять под названием «дегидрогеназные комплексы α-кетокислот». К ним относятся пируват-дегидрогеназный комплекс (ПДГ), α-кетоглутарат-дегидрогеназный комплекс (α-КГДГ) и дегидрогеназный комплекс α-кетокислот с разветвленной цепью.
Первый из них осуществляет окислительное декарбоксилирование пирувата. Он играет ключевую роль в метаболизме углеводов и энергетическом обмене, поскольку является связующим звеном между анаэробным и аэробным обменом углеводов и обеспечивает их поступление в цикл Кребса в виде ацетил-коэнзима А. Активность ПДГ регулируется количеством образованного продукта (по механизму обратной связи), а также непосредственно – в зависимости от концентрации нуклеотидов и путем обратимого фосфорилирования специфической киназой (ПДК), угнетающей активность этого фермента. Показано (Korotchkina et al., 2008), что назначение α-ЛК в виде пищевой добавки способствует повышению активности ПДГ в митохондриях гепатоцитов как непосредственно, так и путем подавления ПДК.
Не меньшее значение отводится второму представителю названной тройки – α-КГДГ, играющему, согласно классическим воззрениям, ключевую роль в непосредственной регуляции цикла Кребса. Если ПДГ в силу занимаемого места в углеводном обмене оказывает влияние (посредством ряда механизмов, задействующих генетический аппарат ядра) на транспортные системы, обеспечивающие поступление глюкозы извне через плазматическую мембрану, то α-КГДГ, как выяснилось в последние годы (Mclain et al., 2011), выступает в роли «регулировщика» производительности не только для цикла Кребса, но и, далее, для процессов транспорта электронов в дыхательной цепи митохондрий. В отличие от классических представлений, согласно которым регуляция происходит главным образом по механизму обратной связи (в зависимости от соотношения количеств исходного продукта и субстрата в среде), в последние годы в ученом сообществе все больше укрепляется другое, более широкое, понимание обратной связи применительно к рассматриваемым процессам. Все большее количество исследователей перестают отводить главное место в тонкой регуляции этого дегидрогеназного комплекса смещению равновесия между субстратом и продуктами реакции, давно получившему право постоянной прописки на страницах учебников. Новейшие данные заставляют признать ведущую роль в изменении активности α-КГДГ (и последующих процессов) за преходящими колебаниями так называемого редокс-статуса (окислительно-восстановительного статуса) клетки, а сам ферментный комплекс считать наиболее чувствительным внутриклеточным редокс-сенсором (Nulton-Persson et al., 2001). Поскольку такая регуляция непосредственно «завязана» на α-ЛК, данный вопрос следует рассмотреть более подробно.
Свободные радикалы и оксидативный стресс: новый взгляд на старую проблему
На протяжении последних десятилетий в науке господствовал взгляд, объяснявший, по крайней мере отчасти, снижение физиологических функций, которое происходит с возрастом и при ряде дегенеративных заболеваний, за счет свободнорадикального повреждения главных внутриклеточных структур. Это косвенно доказывалось корреляцией между возрастом или наличием патологического состояния и увеличением показателей оксидативного стресса (ОС) в сочетании с накоплением подвергшихся окислительным модификациям белков, ДНК и/или липидов. Считалось, что длительное свободнорадикальное воздействие истощает внутриклеточные системы антиоксидантной защиты (специфические ферменты и малые молекулы – скавенджеры), открывая путь к непосредственному повреждающему воздействию на биологические макромолекулы.
Однако с помощью этой традиционной схемы оказалось трудно объяснить недостаточную эффективность назначения большинства антиоксидантов в устранении функциональных изменений, связанных с возрастом или заболеваниями, как в клинической практике, так и в эксперименте. Кроме того, оказалось, что свободные радикалы являются важными элементами ряда сигнальных путей (Yap et al., 2009) и при некоторых условиях (например, ишемическое прекондиционирование) могут оказывать благоприятный эффект. Более того, митохондрии, главный источник окислительных валентностей внутри клетки, способны обратимо изменять свои функции в ответ на изменения редокс-статуса (Cadenas et al., 2009). Все это указывает на то, что клетки обладают механизмами опознания и быстрого реагирования на изменения своего окислительно-восстановительного баланса.
Наиболее характерным примером такого механизма как раз и является α-КГДГ, в состав которой в качестве коэнзима входит α-ЛК. С учетом того, что, с одной стороны, комплекс регулирует образование восстановительных валентностей в цикле Кребса, а значит, и транспорт электронов в дыхательной цепи вместе с синтезом АТФ, а с другой стороны, сам является объектом окислительно-восстановительной регуляции, напрашивается вывод, что посредством его участия осуществляется регуляция продукции энергии со стороны редокс-статуса митохондрий и клетки.
Значение α-липоевой кислоты
α-КГДГ – крупный комплекс, состоящий из трех субъединиц: Е 1 (декарбоксилаза α-кетокислот), Е 2 (дигидролипоил-трансацетилаза) и Е 3 (дигидролипоамид-дегидрогеназа). Как следует из названий, α-ЛК входит в состав последних двух субъединиц, причем в Е 2 в своей окисленной форме, а в Е 3 – в восстановленной, при этом связь с Е 2 – ковалентная.
Именно α-ЛК является акцептором сукцинатного остатка, образующегося в результате декарбоксилирования α-КГ, и «передает» его затем восстановленной форме коэнзима А. Полученные «взамен» от коэнзима А протоны α-ЛК передает на субъединицу Е 3 (также липоевой кислоте), откуда они переносятся на ФАД+ и НАД+ (Reed et al., 1974). Подобный механизм делает α-ЛК центральным, с точки зрения биоэнергетики, участником процесса декарбоксилирования α-КГ.
Однако роль ее этим не ограничивается. Как центральное звено цепочки происходящих при этом окислительно-восстановительных процессов она оказывается и наиболее чувствительной к изменению редокс-статуса митохондрий и клетки.
Представления о регулирующем влиянии колебаний редокс-статуса восходят к исследованиям (Nulton-Persson et al., 2001), в которых изолированные митохондрии подвергались воздействию Н2О2. При этом, несмотря на наличие в среде инкубации всех необходимых для их работы составляющих, транспорт электронов и окислительное фосфорилирование оказывались подавленными. Принципиальным оказалось то, что, во‑первых, после удаления Н2О2 из среды функции митохондрий восстанавливались полностью, а во‑вторых, что никакими концентрациями Н2О2 не удавалось вызвать угнетение этих функций более чем на 50%.
Было выяснено, что этот эффект Н2О2 развивается за счет обратимого угнетения α-КГДГ. Последнее же является результатом не прямого воздействия гидроксила на фермент, а происходит вследствие обратимого ковалентного связывания α-ЛК с глутатионом (глутатионилирование) (Nulton-Persson et al., 2003), в результате чего α-ЛК становится устойчивой к действию своих главных внутриклеточных «врагов» – продуктов перекисного окисления липидов, таких как N-этилмалеимид и 4-гидроксиноненаль (Applegate et al., 2008), появляющихся при оксидативном стрессе. Таким образом, присоединенный глутатион играет роль «замка», навешенного на молекулу α-ЛК до тех пор, пока не восстановится исходный редокс-статус.
Биологический смысл редокс-регуляции α-КГДГ через α-ЛК видят в следующем (Fukushima et al., 1989). Протекание многих внутриклеточных процессов (выброс ионов кальция в цитозоль и т.п.) носит характер качественно-количественных осцилляций. При этом по достижении определенного количественного уровня внутри самого процесса срабатывают механизмы обратной регуляции, возвращающие его в исходное состояние. Представляется, что такой динамичный процесс, как окисление субстратов в цикле Кребса и движение электронов в транспортной цепи митохондрий, подчиняется аналогичной закономерности.
Поскольку обязательным побочным продуктом биологического окисления являются свободные радикалы, а митохондрии – их главный продуцент в клетке в нормальных условиях, предположение о значении свободных радикалов в качестве механизма обратной связи, позволяющего избегать избыточного окисления субстратов и в случае необходимости переключаться на процессы биосинтеза, находит все большую поддержку у исследователей. В пользу этого говорит и невозможность с помощью Н2О2 добиться угнетения функции интактных митохондрий более чем на 50%.
Разумеется, на этом пути встают новые вопросы, обнаруживаются факты, ожидающие своего объяснения. Однако совершенно ясно, что прежняя концепция ОС все больше нуждается в пересмотре (Mclain et al., 2011).
Помимо продукции НАДН+, а значит, и синтеза АТФ, α-КГДГ играет ключевую роль в использовании аминокислот для получения энергии, в продукции сукцинил-коэнзима для биосинтеза гема, а субстрат фермента, α-КГ, участвует в инактивации транскрипционного гипоксического фактора HIF‑1α. Кроме того, специфическое ингибирование α-КГ приводит к выходу цитохрома с из митохондрий и развитию апоптоза. Реализация всех этих функций становится невозможной без неизменного коэнзима – α-ЛК.
Не только радикалы
Интерес к молекуле α-ЛК огромен как со стороны биохимиков, так и клиницистов. Благодаря своим амфифильным свойствам она обладает поистине уникальным диапазоном регуляторных ролей. Огромное количество экспериментальных данных подтверждает ее способность непосредственно стимулировать поступление глюкозы в клетки путем воздействия на инсулиновые рецепторы и транспортеры глюкозы GLUT1 и GLUT4, что открывает широкие перспективы для ее применения при инсулинорезистентности и сахарном диабете. К настоящему времени известен длинный список молекул – участников внутриклеточной регуляции, с которыми в физиологических условиях взаимодействует α-ЛК. Среди них АМФ-киназа, протеинкиназа-В, гликоген-синтаза-киназа‑3β, митоген-активируемая протеинкиназа, транскрипционные факторы PGC‑1α, mTOR, NF-κB, TNF-α, FOX. Кроме того, показана способность экзогенной α-ЛК восстанавливать систему антиоксидантной защиты вне и внутри клетки (глутатион, коэнзим Q), нейтрализовать один из эффекторов воспаления α-фетопротеин, тем самым подавляя воспалительную реакцию. Обнаружено снижение количества α-гранул в тромбоцитах и способности последних к агрегации под влиянием α-ЛК (Lai et al., 2010). Все это позволяет рассматривать α-ЛК как весьма перспективное дополнительное средство при многих заболеваниях.
Клиническое применение
Наибольшее количество данных к настоящему времени накоплено об эффективности α-ЛК при диабетической полинейропатии (ПНП). Клинические исследования в этом направлении проводились начиная с 1983 г. Наиболее масштабными проектами последних лет являются исследования SYDNEY (2003) и SYDNEY II (2006), а также NATHAN1 (2011). В них подтверждена клиническая безопасность и хорошая переносимость α-ЛК и убедительно показана ее клиническая эффективность. Так, у пациентов с ПНП легкой и средней тяжести, длительное время получавших α-ЛК в дозировке 600 мг в день, зафиксировано не только выраженное клиническое улучшение (сглаживание симптоматики), но и замедление прогрессирования заболевания.
О том же говорят и результаты последних метаанализов (D. Ziegler et al., 2004; G.S. Mijnhout et al., 2012), которые на большом материале (1258 и 653 больных с ПНП) демонстрируют выраженное улучшение (снижение проявлений ПНП до 30% по шкале TSS) при различных режимах назначения α-ЛК.
Помимо этого показано, что α-ЛК в комбинации с другими антиоксидантами и витаминами способна вызывать улучшение при диабетической ретинопатии (по данным электроретинографии; M. Nebbioso et al., 2012), диабетической нефропатии (некоторые показатели; J.W. Chang et al., 2007; M. Morcos et al., 2001), уменьшать проявления эндотелиальной дисфункции у больных диабетом 2 типа (в сочетании со снижением HbA1c, общего холестерина и триглицеридов крови; B.B. Heinisch et al., 2010), ускорять заживление ран у больных диабетом (S.A. Chen et al., 2012), снижать вариабельность ритма у больных с диабетической вегетативной кардиальной нейропатией (D. Ziegler et al., 1997; R. Pop-Busui et al., 2013).
Заключение
В клинической медицине широко применяется α-ЛК. В Украине α-ЛК представлена, в частности, препаратом Тиогамма немецкой компании WOERWAG PHARMA. Основным показанием для ее назначения является диабетическая полинейропатия. В последние годы все больше исследований подтверждают ее эффективность при других осложнениях сахарного диабета, а также при неалкогольной жировой болезни печени, нейродегенеративных заболеваниях (болезни Альцгеймера, Паркинсона, Хантингтона), патологиях, связанных с эндотелиальной дисфункцией.