CC BY
92
ОРИГИНАЛЬНЫЕ ИССЛЕДОВАНИЯ
© Коллектив авторов, 2016
УДК: 547.472.3:544.147:57.088:004.94
ЛАКТАТ: ЕСТЬ ЛИ ТУПИК МЕТАБОЛИЗМА?
НА. КОЛОТЬЕВА, В.И. ПОТЕХИНА, ИВ. ГОРБАЧЕВА, А.В. КОЗЛОВ
ГБОУ ВПО «Самарский государственный медицинский университет» Минздрава России, г. Самара
LACTATE: IS THERE A STALEMATE OF METABOLISM?
N.A. KOLOTEVA, V I. POTEKHINA, I V. GORBACHEVA, A.V. KOZLOV
Samara State Medical University, Samara
Авторы исследовали биологическую активность малой молекулы лактата методом компьютерного моделирования с помощью компьютерной программы PASS. Было отмечено 863 биологических эффекта лактата. Установлена способность лактата влиять на процессы внутри- и межклеточного взаимодействия, а также выступать регулятором метаболических путей.
Ключевые слова: лактат, молекулярное моделирование, PASS, межмолекулярное взаимодействие.
The authors investigated the biological activity of lactate using the method of computer modeling and computer program PASS. 863 biological effects of lactate were stated. Abilities of lactate to influence the processes of intra- and intercellular interactions and to perform control of different metabolic pathways was discovered.
Keywords: lactate, computer modeling, PASS, intermolecular interactions.
Молекулярное моделирование является одним из аспектов понятия in silico, который представляет собой набор вычислительных методов, позволяющих на атомарном уровне изучать молекулярные системы разной сложности [3]. Мы использовали метод компьютерного моделирования PASS (Prediction of Activity Spectra for Substances). Данный метод представляет собой компьютерную программу, позволяющую
Материалы и методы
прогнозировать большое число вероятных видов биологической активности вещества на основе его структурной формулы с использованием единого описания химической структуры и универсального математического алгоритма установления зависимостей "структура-активность". Химическая структура представлена в PASS в виде оригинальных MNA дескрипторов (Multilevel Neighbourhoods of Atoms). Такие дескрипторы имеют универсальный характер и
с точностью описывают разнообразные зависимости «структура-свойство» [7, 8, 9]. Спектр биологической активности описывается качественным образом: оценивается вероятность наличия (Pa) и вероятность отсутствия (И) каждой активности, имеющие значения от 0 до 1. Оптимальным значением вероятности наличия активности мы приняли Pa более 0,5 [4].
Результаты и обсуждения Анализ результатов показал, что у лактата существует вероятность наличия
Спектр прогнозируемых би
318 фармакологических эффектов из 501 возможных, 2108 механизмов их реализации из 3295. Выявлено 52 из 57 возможных побочных и токсических эффектов, 177 метаболически опосредованных действий. Нами отмечены 863 биологических эффекта: 52 фармакологических, 756 молекулярных механизмов действия, 25 возможных токсических эффектов и 30 метаболически опосредованных действий (табл. 1, 2).
Таблица 1
шеских эффектов лактата
Фармакологический эффект Ра Р1
Антацидный 0.932 0.002
Стимулятор лейкопоэза 0.803 0.003
Иммуномодулятор 0.811 0.023
Антивирусный (арбовирус) 0.753 0.008
Антигипоксический 0.743 0.004
Фибринолитический 0.716 0.024
Стимулятор эритропоэза 0.673 0.007
Вазопротектор 0.681 0.024
Диуретический 0.668 0.012
Противовирусный (риновирус) 0.623 0.009
Антинейротоксический 0.639 0.044
Антитоксический 0.599 0.006
Противовоспалительный 0.614 0.026
Стимулятор желудочной секреции 0.599 0.022
Усилитель антибактериальной активности 0.583 0.012
Противовирусный (пикорнавирус) 0.588 0.027
Цитопротектор 0.554 0.017
Антивирусный (папиллома) 0.542 0.014
Обращает на себя внимание наличие способности у лактата проявлять анта-цидное действие (Pa 0,932), влиять на процессы созревания клеток, стимулировать лейкопоэз ^ 0,803) и эритропоэз ^ 0,673), оказывать иммуномодулирующее (Pa 0,811), противовоспалительное (Pa 0,614), противовирусное влияние в отношении арбовирусов (Pa 0,753), риновиру-сов ^ 0,623), пикорнавирусов ^ 0,558) и папилломавирусов (Pa 0,542). Противовирусная активность лактата предположительно связана с pH-зависимыми перестройками в структуре вируса: при уменьшении pH среды вирус теряет инфекционную активность, при этом связь рибонуклеопротеина с белковым матрик-
сом возрастает, что препятствует процессу репликации [1]. Интересными представляются данные о способности лактата оказывать защитное действие на мембраны клеток организма (Pa 0,544) и кровеносные сосуды ^ 0,681). Вероятно, реализация данного эффекта возможна путем непосредственного влияния на нейроген-ный тонус кровеносных сосудов [6]. Указывается способность лактата проявлять фибринолитическое (Pa 0,716), антитоксическое (Pa 0,559) действия. Возможность лактата оказывать такие биологические эффекты, предположительно, связана с имеющейся в составе гидроксильной группой, выполняющей роль заместителя и обуславливающей способность вступле-
ния соединения в реакции нуклеофильно-го замещения.
Принимая во внимание вышеописанные биологические эффекты лактата,
следующей задачей было поставлено изучение молекулярной основы их реализации. Перечень молекулярных механизмов действия лактата представлен в таблице 2.
Таблица 2
Возможные молекулярные механизмы действия лактата
Молекулярный механизм действия Шифр фермента Ра Pi
Ингибитор лактат-2-монооксигеназы ЕС 1.13.12.4 0,935 0,001
Ингибитор фосфоенолпируват -протеинфосфотрансферазы ЕС 2.7.3.9 0,922 0,001
Ингбитор 1,4-лактоназы ЕС 3.1.1.25 0,921 0,002
Ингибитор нуклеозид-трифосфатазы ЕС 3.6.1.15 0,922 0,008
Ингибитор ^А-специфичной металлоэндопептидазы ЕС 3.4.24.13 0,898 0,003
Ингибитор L-лактатдегидрогеназы ЕС 1.1.2.3 0,892 0,001
Ингибитор пируватдегидрогеназы ЕС 1.2.4.1 0,892 0,002
Ингибитор серин-3-дегидрогеназы ЕС 1.1.1.276 0,886 0,001
Ингибитор глюкозооксидазы ЕС 1.1.3.4 0,889 0,006
Ингибитор НАДФ-Н метилентетрогидрофолатредуктазы ЕС 1.5.1.20 0,884 0,011
Ингибитор ацилглицероллипазы ЕС 3.1.1.23 0,866 0,004
Ингибитор НАДФН-цитохром-С2- редуктазы ЕС 1.6.2.5 0,862 0,004
Ингибитор аланинтрансаминазы ЕС 2.6.1.2 0,83 0,003
Ингибитор Ацил-КоА синтазы дрожжей ЕС 2.3.1.86 0,804 0,005
Ингибитор транскетолазы ЕС 2.2.1.1 0,798 0,002
Ингибитор галактозоксидазы ЕС 1.1.3.9 0,792 0,003
Ингибитор малатдегидрогеназы ЕС 1.1.1.37 0,78 0,002
Ингибитор глициндегидрогеназы ЕС 1.4.1.10 0,768 0,003
Ингибитор транс-2-еноил-КоА-редуктазы ЕС 1.3.1.38 0,773 0,013
Ингибитор инозитол-трифосфат-3 -киназы ЕС 2.7.1.127 0,756 0,002
Ингибитор IgA-специфической сериновой эндопептидазы ЕС 3.4.21.72 0,754 0,005
Ингибитор орнитинциклодезаминазы ЕС 4.3.1.12 0,693 0,004
Ингибитор инсулиназы ЕС 3.2.1.7 0,733 0,004
Ингибитор супероксиддисмутазы ЕС 1.15.1.1 0,639 0,009
Ингибитор пируваткиназы ЕС 2.7.1.40 0,633 0,004
Промотор инсулина 0,616 0,022
Ингибитор триптофантрансаминазы ЕС 2.6.1.27 0,551 0,005
Ингибитор фенилаланин-4-гидроксилазы ЕС 1.14.16.1 0,544 0,004
Ингибитор цитохром-Ь5-редуктазы ЕС 1.6.2.2 0,548 0,019
Приведенные данные свидетельствуют о том, что лактату присущи различные механизмы влияния на активность факторов, регулирующих внутри- и межклеточные взаимодействия. Отмечается участие лактата в белковом, углеводном и липидном обменах. Широко известно влияние лактата на процессы углеводного обмена, в частности ингибирующее влияние на L-лактатдегидрогеназу (Pa 0,892), пируватдегидрогеназу (Pa 0,892). Однако, показано, что кроме этого, молочная кислота оказывает ингибирующее действие и на следующие ферменты: лактат-2-
монооксигеназа (Ра 0,935), фосфоенолпи-руват фосфотрансфераза (Ра 0,922), 1,4-лактоназа (Ра 0,921), глюкозооксидаза (Ра 0,889), транскетолаза (Ра 0,798), галакто-зооксидаза (Ра 0,792), малатдегидрогеназа (Ра 0,78), инозитол-трифосфат-3-киназы (Ра 0,756), пируваткиназа (Ра 0,633). Интересными стали данные, что лактат является промотором синтеза инсулина (Ра 0,66), ингибирует инсулиназу (Ра 0,77), тем самым поддерживая необходимое количество этого гормона в крови.
Подтверждением участия лактата в регуляции белкового обмена являются
факты выявления ингибирующего влияния на ряд ключевых ферментов: серин-3-дегидрогеназу (Ра 0,886), аланинтранса-миназу (Ра 0,83), глициндегидрогеназу (Ра 0,768), орнитинциклодезаминазу (Ра 0,693), триптофантрансаминазу (Ра 0,551), фенилаланин-4-гидроксилазу (Ра 0,544). Указывается участие молочной кислоты в процессе ингибирования НАДФ-Н мети-лентетрагидрофолатредуктазы ^ 0,88). Таким образом, отмечается влияние лак-тата не только на процессы катаболизма белка, но и на процессы его синтеза.
Интересным представляется тот факт, что лактат может изменять метаболизм липидов, проявляя ингибирующее влияние на транс-2-еноил-КоА-редуктазу (Pa 0,773), принимающую участие в элонгации жирных кислот в митохондриях и биосинтезе ненасыщенных жирных кислот, на цитохром-b5-редуктазу ^ 0,548), так называемую десатуразу, которая участвует в образовании полиненасыщенных жирных кислот [2].
Кроме того, нами было отмечено влияние лактата на состояние антиокси-дантных систем организма, в частности на фермент супероксиддисмутазу (Pa 0,639). Являясь ингибитором данного фермента, лактат способен замедлять процесс защиты клеток от реакций свободно-радикального окисления, постоянно протекающих в организме.
Лактату присуще влияние на процессы тканевого дыхания - ингибирова-ние НАДН-цитохром-С2-редуктазы (Pa 0,862), вероятно, тем самым снижая поток электронов по пути окислительного фос-форилирования в митохондриях.
Обращает на себя внимание имму-номодулирующий эффект (Pa 0,811) лак-тата, реализуемый посредством ингиби-рования IgA-связанных протеаз: IgA-специфической металлоэндопептидазы (Pa 0,898), IgA-специфической сериновой эндопептидазы [5].
Выводы
Таким образом, полученные результаты показывают вероятность наличия (Pa) влияния лактата на межмолекулярные
процессы поддержания метаболического баланса путем регуляции белкового, углеводного, липидного обменов, антиокси-дантных процессов, тканевого дыхания. В целом, молекулярное моделирование позволяет углубить фундаментальные знания об известных свойствах малых молекул и предсказать возможные биологические эффекты и молекулярные механизмы их реализации в процессах сложных взаимодействий между лигандами и их мишенями.
Литература
1. Жирнов О.П. pH-зависимые перестройки в структуре вируса гриппа / О.П. Жирнов, А.А. Маныкин // Вопросы вирусологии. - 2014. - Т. 59, №3. - С. 41-46.
2. Кржечковская В.В. Мембраносвя-занный цитохром b5 и метаболизм липи-дов (реакции не связанные с участием системы цитохрома Р-450) / В.В. Кржечковская, А.А. Кубатиев, Ю.И. Наумов // Серия. Критические технологии. Мембраны. - 2004. - №2 (22). - С. 9-21.
3. Пятницкий М.А. Предсказание взаимосвязанных белков методами сравнительной геномики in silico / М.А. Пятницкий, А.В. Лисица, А.И. Арчаков // Биомедицинская химия. - 2009. - Т. 55, вып. 3. - С. 230-246.
4. Филимонов Д.А.. Прогноз спектра биологической активности органических соединений / Д.А. Филимонов, В.В. По-ройков // Журн. Рос. Хим. Об-ва им. Д.И. Менделеева. - 2006. - Т. 1, №2. - С. 66-75.
5. Хоменков В.Г. Клонирование и экспрессия генов IgA-специфичных протеаз Neisseria meningitides / В.Г. Хоменков [и др.] // Молекулярная генетика, микробиология и вирусология. - 2007. - №1. -С. 30-35.
6. Ярцев В.Н. Парадоксальное действие ацидоза на нейрогенный тонус кровеносных сосудов в условиях низкой температуры / В.Н. Ярцев // Биомед. радиоэлектрон. - 2014. - №4. - С. 84-85.
7. Chemical similarity assessment through multilevel neighborhoods of atoms: definition and comparison with the other descriptors / D. Filimonov [et al.] // Chem. Inf. Com-put. Sci. - 1999. - Vol. 39, №4. - P. 666-670.
8. Poroikov V. Computer-aided prediction of biological activity spectra. Application for finding and optimization of new leads / V. Poroikov, D. Filimonov // Rational Approaches to Drug Design, eds. H.-D.
Holtje, W. Sippl, Prous Science. - Barcelona, 2001. - P. 403-407.
9. The effect of Pyruvate on Antibody Interaction with Group-Specific Erythrocyte Antigens / F.N. Gilimiarova [et al.] // Biomedical chemistry. - 2014 - Vol. 8, №3. - P. 260-265.
СВЕДЕНИЯ ОБ АВТОРАХ
Колотьева Наталия Александровна - к.м.н., ассист. кафедры фундаментальной и клинической биохимии с лабораторной диагностикой, ГБОУ ВПО «Самарский государственный медицинский университет» Минздрава России, г. Самара.
E-mail: bortnikova.n@gmail.com
Потехина Валерия Игоревна - студентка 4 курса 401 (научно-педагогической) группы лечебного факультета ГБОУ ВПО «Самарский государственный медицинский университет» Минздрава России, г. Самара.
E-mail: lera_tlt@mail.ru
Горбачева Ирина Васильевна - ассист. кафедры фундаментальной и клинической биохимии с лабораторной диагностикой ГБОУ ВПО «Самарский государственный медицинский университет» Минздрава России, г. Самара.
E-mail: bio-sam@yandex.ru
Козлов Андрей Владимирович - ординатор кафедры фундаментальной и клинической биохимии с лабораторной диагностикой ГБОУ ВПО «Самарский государственный медицинский университет» Минздрава России, г. Самара.
E-mail: roody0423@gmail.com
