CC BY
66
ББК Г 299.1
ЗАБЫТАЯ МОЛЕКУЛА, ИЛИ НОВЫЙ ВИТАМИН G
Истинный Учитель, останется легендой... Светлой памяти и 70-летию со дня рождения Е.П. Гуськова посвящаю
Т.П. Шкурат
В 2004 г. в журнале "Доклады Академии наук" появилась статья Евгения Петровича Гуськова с очень коротким и очень амбициозным названием "Аллантоин как витамин". Редакционная комиссия журнала уже три раза откладывала принятие решение о публикации. "...Новый витамин? Этого не может быть! Все уже изучено - не могли же просмотреть? А кто он - этот Е.П. Гуськов. - Биохимик? Нет!? Генетик из Ростова?!...". Но факты были более чем убедительны, и редакционная коллегия журнала, состоящая из числа ведущих академиков страны, приняла решение о публикации статьи, чтобы в истории науки о витаминах к имени российского ученого Н.И. Лунина, первооткрывателя витаминов ("жизненно важной субстанции", 1880), к имени российского академика Н.Д. Зелинского, первооткрывателя механизмов действия витаминов (1921), присоединилось еще одно имя - российского ученого Е.П. Гуськова, открывшего новый витамин - аллантоин, или, как его назовут позже, витамин О (Ои8коу).
ПОЧЕМУ ЗАБЫЛИ МОЛЕКУЛУ?
Впервые аллантоин был найден в эмбриональных тканях птиц, отсюда и название (от "аллантоис" - одна из зародышевых оболочек).
Аллантоин - С4Ы603К4 (диуреид глиок-силовой кислоты), один из продуктов обмена веществ, является низкомолекулярным гетероциклическим соединением, широко распространенным в природе, синтезируется у большинства видов растений и животных, за исключением гоминид.
Аллантоин является ведущим фактором адаптации онтогенеза приматов к внешней среде. Однако его метаболические функции у человека до сих пор не ясны.
Структурная формула аллантоина впервые была установлена Д. Муц в 1965 г. на основании рентгеноструктурного анализа (рис.). Он рассматривал аллантоин как продукт метаболизма пурина в организме некоторых животных [1].
Аллантош-
Структурная формула аллантоина
Первые упоминания об аллантоине, которые удалось обнаружить Е.П. Гуськову в доступной литературе, датировались 1838 г., когда Дж. Либиг и Ф. Вохлер выяснили, что мочевая кислота может окисляться в алланто-ин [2]. Последовавшие за этим исследования показали наличие аллантоина и мочевой кислоты в моче собак и других животных [3]. В то время считалось, что мочевая кислота экскретируется у животных в виде мочевины, и происхождение аллантоина оставалось необъяснимым [4]. Однако вслед за этим в 1876 г. Е. Салковски показал, что у собак часть мочевой кислоты экскретируется в виде аллантоина [5]. Далее В. Вичковски удалось доказать, что аллантоин является эндогенным метаболитом у собак, кошек, кроликов и обезьян [6].
В 1909 г. В. Вичковски обнаружил, что суточная экскреция аллантоина с мочой у людей составляет 12-14 мг и повышается при лейкемии и подагре [6]. Несколько позже он показал, что введенный в организм человека аллантоин практически полностью экскретируется и не вызывает токсических
Шкурат Татьяна Павловна - доктор биологических наук, профессор, заведующая кафедрой генетики Южного федерального университета, 344006, г Ростов-на-Дону, ул. Б. Садовая, 105, e-mail: [email protected], т. 8(863) 2975070.
Shkurat Tatiana - doctor of biology, professor, chairman of Genetics Department in the Southern Federal University, 105 Bolshaya Sadovay Street, Rostov-on-Don, 344006, e-mail: [email protected], ph. +7(863) 2975070.
проявлений [7]. Семь лет спустя было обнаружено, что в моче беременных аллантоин обнаруживался в количествах, превышающих уровень нормы, а также его повышенные концентрации были обнаружены и в амнио-тической жидкости [8]. Однако эти данные противоречили результатам авторитетного В. Вичовски, не нашедшего аллантоина ни в моче, ни в амниотической жидкости новорожденных [7]. Исследования роли аллан-тоина закончились, не успев начаться, так как на основании вышеизложенных фактов В. Вичовски сформулировал теорию о неспособности мочевой кислоты окисляться в организме человека в аллантоин. Несмотря на недостаточную экспериментальную базу, данная концепция, не без оснований, прижилась, похоронив тем самым перспективы исследования аллантоина на многие годы. Об аллантоине забыли практически на сто лет, в эти годы основной акцент в изучении конечных продуктов деградации пуринов сместился на мочевую кислоту.
ПРОТЕКТОРНЫЙ КАТАБОЛИЗМ
"Метаболизм (обмен веществ) состоит из анаболизма (синтеза) и катаболизма (распада). При распаде биополимеры образуют различные катаболиты? которые защищают клетку от повреждений! Все учла природа, и выткала такие удивительные циклы распада веществ, при которых образующиеся продукты деструкции еще и выполняют важные функции. То есть одни молекулы умирают ради продолжения жизни других...". Так Евгений Петрович объяснял студентам свою новую теорию "протекторного катаболизма".
Концепция протекторного катаболизма была создана Е.П. Гуськовым в соавторстве с А.И. Лукашом в 80-х годах прошлого столетия [9]. Суть ее заключается в том, что после стрессового воздействия, связанного с усилением свободно-радикальных процессов, начинается деструкция клеток-мишеней, в результате которой образуются катаболиты, такие как билирубин, мочевина, мочевая кислота, обладающие значительным антиокси-дантным эффектом. Повышение концентрации катаболитов-антиоксидантов тушит реакции свободно-радикальных процессов. Авторы предположили такую схему протекторного катаболизма: стресс - свободнорадикальные процессы на мембранах - алармоны - активация внутриядерных металлов - кариоаутофагия -
аларм-мутагенез - разрушение лизосом - ци-тофагия - увеличение гидролаз в сыворотке - усиление деструкции клеток - усиление мутационного процесса - усиление пролиферации - увеличение количества антиоксидантов-катаболитов - стабилизация и выход системы из стресса [9, 10].
Следует отметить, что общебиологический смысл концепции протекторного катаболизма позволяет связать воедино и дать объяснения целому ряду фактов, ранее казалось бы не связанных между собой. Наличие резерва избыточности и усиление катаболизма при окислительном стрессе является адаптивной реакцией, в связи с чем соматический аларм-мутагенез также выполняет адаптивную функцию и является только показателем стрессовой ситуации, а не отражением патологических процессов в системе [11].
Концепция протекторного катаболизма послужила хорошим фундаментом для создания новых научных направлений. Одно из таких направлений было посвящено изучению механизмов деградации ДНК и поиску антиоксидантных и антимутагенных свойств промежуточных продуктов катаболизма пуриновых оснований. Так в поле зрения попал и аллантоин - один из конечных продуктов распада пуриновых оснований у всех животных, кроме гоминид. Ученые НИИ биологии и НИИ физической и органической химии Ростовского государственного университета под руководством профессора Е.П. Гуськова и член.-кор. РАН Ю.А. Жданова начали цикл работ, посвященных изучению биологически активных свойств аллантоина. Таким образом, почти после векового забвения аллантоина начинается новая эра в его изучении.
АЛЛАНТОИН - НОВЫЕ СВОЙСТВА
Второе пришествие аллантоина, точнее его "реабилитация", датируется началом 90-х годов прошлого столетия. Взрыв исследований по окислительному стрессу поднял из истории биохимии забытую молекулу. При поиске новых маркеров оксидант-ного повреждения вспомнили о продукте окисления мочевой кислоты - аллантоине [12, 13]. Появляются и наши публикации о биологически активных свойствах аллантоина, в которых, экспериментальные и теоретически расчетные данные полностью подтверждают эффективность аллантоина в качестве
антиоксиданта в реакциях его радикальном атаки активными формами кислорода [14-18]. В этих работах показано, что в условиях окислительного стресса аллантоин модулирует активность ферментативной антиоксидантной системы. Аллантоин нивелирует Н2О2-инду-цированный мутагенез, вероятно, препятствуя восстановлению перекиси в гидроксильный радикал или инактивируя последний, и снижает токсичность высоких концентраций
Н2О2.
Сходство квантово-химических и энергетических характеристик аллантоина и аскор-бата определило и подобие биологических эффектов в модельных системах in vitro и in vivo, в их способности тушить свободно-радикальные процессы и инактивировать ге-нотоксичность перекиси водорода [19]. Результаты по влиянию исследованных соединений на индуцированную перекисью водорода SOS-индукцию показали, что максимальная антимутагенная активность аллантоина регистрируется для концентрации 10-4 М, а аскорбата - для 10-2 М. Кроме того, антимутагенная активность аллантоина сохраняется и для малых концентраций, в которых аскорбат начинает усиливать SOS-индукцию, вызванную перекисью. Таким образом, оба исследованных соединения обладают способностью подавлять генотоксическое действие перекиси водорода. Так же показано, что после обработки проростков корешков лука аллантоином в концентраци 10-6-10-5 М в сочетании с Н2О2 (фиксация через 18 ч) достоверно (р<0,001) снижается уровень аберраций. При тех же концентрациях имеется тенденция (р<0,01) к нормализации митотического индекса. При фиксации через 42 ч митотический индекс нормализуется. Уровень аберраций снижается с достоверностью (р<0,01) в присутствии аллантоина в концентрациях 10-6, 10-5, 10-3 М. Несомненным является тот факт, что аллан-тоин даже в очень высоких концентрациях, судя по величине митотического индекса, не оказывает ни цитотоксического, ни цитоста-тического эффекта, а заметным антимутагенным действием обладают дозы, примерно соответствующие физиологическим дозам его содержания в плазме крови человека -6,5-10-6 М [19].
Наши исследования показали, что уровень аллантоина в сыворотке крови беременных женщин, будучи втрое выше этого показателя у небеременных женщин, претерпе-
вает существенные изменения в течение всей беременности [20, 21]. Наиболее существенное повышение содержания аллантоина отмечается до 7-й недели беременности. Во втором триместре беременности отмечен также повышенный уровень. В третьем триместре концентрация аллантоина значительно снижается, приближаясь к его уровню у мужчин и небеременных женщин. Повышение содержания аллантоина во время беременности отмечено у других млекопитающих. В частности, было показано, что уровень аллантоина повышается в амниотической жидкости крыс на 21-й день беременности и сохраняется повышенным в сыворотке крови во время вскармливания потомков, в течение 20 дней после родов [22]. У крыс и других млекопитающих, за исключением приматов, имеется фермент - уриказа, в результате деятельности которого образуется аллантоин. Увеличение содержания аллантои-на во время беременности у грызунов можно объяснить увеличением экспрессии гена уриказы. А однозначно ответить на вопрос о происхождении аллантоина в сыворотке крови беременных женщин в настоящее время не представляется возможным, однако мы предполагаем, что значительное накопление аллантоина в сыворотке беременных женщин связанно с его плодным происхождением. Вероятно, именно в этот период в печени плода происходит максимальная активация уриказы, образующей аллантоин, который, обладая анаболическим, антиоксидантным и антимутагенным эффектами [19], обеспечивает значительный рост плода, наблюдаемый во втором триместре, и осуществляет его защиту от патогенных воздействий.
Таким образом, было показано что ал-лантоин - это экзогенный витамин, который является ведущим фактором адаптации онтогенеза приматов к внешней среде. Также аллантоин является одним из эндогенных доминирующих компонентов защиты развивающегося эмбриона от активных форм кислорода. Он обладает, как и ряд других водорастворимых витаминов, следующими свойствами:
- не синтезируется у приматов;
- является антиоксидантом;
- проявляет свойства репарагена и модулирует активность ROS-ферментов;
- обеспечивает жизнеспособность развивающегося эмбриона млекопитающих, в том числе и человека [19].
Вероятно, что в процессе эволюции изменение функций аллантоина как катаболита позволило аккредитировать иные свойства этой малой молекулы для выполнения защитных функций, присущих экзогенным биологически активным соединениям - витаминам. Дальнейшие исследования биохимии аллантоина станут ключом к разгадке многих биологических процессов - от беременности до канцерогенеза.
ЛИТЕРАТУРА
1. Mootz D. The crystal structure of DL-allantoin // Acta Crystallogr. 1965. Vol. 19. № 5. P. 726-734.
2. Wohler F, Liebig J. // Ann. Chem. 1838. № XXVI. P. 241
3. Wohler F., Frerichs F.T. // Ann. Chem. 1848. № XV. P. 335.
4. Neubauer C. // Ann. Chem. 1856. № XCIX. P. 206.
5. Salkowski E. Bildung von Allantoin sua Ham? // Ber. Chem. Ges. 1876. № IX. P. 719.
6. Wiechowski W. // Biochem. Z. 1910. № XXV. P. 431.
7. Wiechowski W. // Biochem. Z. 1910. № . XXV. P. 431.
8. Uyeno D. The physical properties and chemical composition of human amniotic fluid // Amer. Jornal. of Physiol. 1917. Vol. 37. № 1. P. 77-103.
9. Гуськов Е.П., Лукаш А.И. Избыточность фенотипа. Оксигенный мутагенез и теория протекторного катаболизма. М., 1986. 38 с. Деп. В ВИНИТИ 11.05.86. № 3363-В.86.
10. Генетика окислительного стресса. Ростов н/Д: Изд-во СКНЦ ВШ, 2009. 198 с.
11. Гуськов Е.П., Шкурат Т.П. Нестабильность генома соматических клеток человека, как адаптивная норма // Успехи современной биологии. 1989. Т. 108. Вып. 2. С. 163-172.
12. Andrews P. Evolution and environment in the Hominoidea // Nature. 1992. Vol. 360. P. 641-646.
13. Lagendijk J., Ubbink J.B., Vermaak W.J. The determination of allantoin, a possible indicator of oxidant status, in human plasma // J. Chromatogr. Sci. 1995. Vol. 33. P. 186-193.
14. Гуськов Е.П., Шкурат Т.П., Милютина Н.П. Влияние аллантоина на активность ферментов? регулирующих ROS-зависимый статус организма // Доклады Академии наук. 2001. Т. 379. № 3. С. 398-401.
15. Гуськов Е.П., Клецкий М.Е., Корниенко И.В. и др. Аллантоин как тушитель свободных радикалов // Доклады Академии наук. 2002. Т. 383. № 3. С 105-107.
16. Покудина И.О. Модификация низкомолекулярными азотистыми катаболитами мутагенного эффекта гипербарической оксигенации: Автореф. дис. ... канд. биол. наук. Ростов н/Д, 2001. 24 с.
17. Шестопалов А.В., Шкурат Т.П., Микашино-вич З.И. и др. Биологические функции аллантоина // Известия РАН. Серия биол. 2006. № 5. С. 541-545.
18. Шестопалов А.В., Шкурат Т.П., Микашино-вич З.И. и др. Аллантоин - биологические свойства и функции // Успехи современной биологии. 2006. Т. 126. № 6. С. 586-591.
19. Гуськов Е.П., Прокофьев В.Н., Клецкий М.Е. и др. Аллантоин как витамин // Доклады Академии наук. 2004. Т. 398. № 6. С. 1-6.
20. Александрова А.А., Шкурат Т.П., Ломтева С.В. и др. Роль аллантоина в процессах репродукции // Валеология. 2008. № 4. С. 32-36.
21. Ломтева С.В. Изучение роли аллантоина в процессе репродукции человека: Автореф. дис. . канд. биол. наук. Ростов н/Д, 2010. 24 с.
22. Morgan E.H., Hanson A. Serum and urine allantoin in pregnancy and lactation in the rat // Acta Physiol. Scand. 1964. Vol. 60. P. 164-169.
3 августа 2010 г.
