биомолекула.ру. Взгляд изнутри.
 

Логин:
Пароль:


Сероводород — новое лекарство для сосудов

[2 ноября, 2013 г.]

Статья на конкурс «био/мол/текст»: Сероводород (H2S) наряду с другими газообразными молекулами, такими как монооксид углерода и монооксид азота, является важной внутриклеточной сигнальной молекулой, которая в последнее время стала объектом большого числа фундаментальных исследований. Как оказалось, H2S участвует в регуляции разнообразных физиологических процессов, связанных с регуляцией гомеостаза, иммунитета, передачи нервных импульсов в клетках центральной и периферической нервной системы. Однако среди огромного разнообразия биологических функций этой молекулы особое место выделяют ее роли в регуляции работы сердечнососудистой системы, в частности — формировании нормальных показателей артериального давления. Обнаружение такого свойства молекулы H2S положило начало новому направлению в фармакологии, связанному с поиском и созданием принципиально новой группы антигипертензивных препаратов, действие которых основывалось бы на высвобождении молекул H2S.

Обратите внимание!

Эта статья представлена на конкурс научно-популярных работ «био/мол/текст»-2013 в номинации «Своя работа».


Спонсор конкурса — дальновидная компания Life Technologies. Спонсор приза зрительских симпатий — фирма Helicon.

Сероводород многим известен как газ, обладающий дурным запахом тухлых яиц. Первые упоминания о сероводороде датируются 16 веком, когда в 1713 году итальянский врач Бернардино Рамадзини описал влияние сероводорода на организм человека в своем труде «De Morbis Artificum», или «Заболевания рабочих». В главе «Болезни очистителей уборных и выгребных ям» он описывает болезненное воспаление глаз, которое было распространено среди таких рабочих. Воспаление это часто приводило к присоединению вторичной инфекции, а иногда и к полной слепоте. Рамадзини предположил, что во время работы из разрушенных экскрементов выделяются неизвестные летучие кислоты, которые и вызывают раздражение глаз. Как известно в настоящее время, сероводород образуется везде, где органическое вещество подвергается гниению [20].

В 1863 году Феликс Гоппе-Зейлер исследовал влияние чистого сероводорода на кровь человека и по изменениям в видимой области спектра поглощения, соответствующей гемоглобину, обнаружил зеленый пигмент. Он назвал новую форму гемоглобина сульфгемоглобином. Эта находка в дальнейшем привела к рождению гипотезы о том, что сероводород наряду с нитритом натрия и оксидом углерода (угарным газом) является кровяным ядом. Однако в условиях in vivo этот пигмент так и не был обнаружен.

Непосредственные исследования биологического действия сероводорода начались на рубеже XX века, но посвящены они были преимущественному изучению токсических свойств сероводорода [20]. Рассматривать сероводород в качестве сигнальной молекулы, которая не только является токсическим агентом, но и участвует в регуляции функциональной активности различных клеток нашего организма, стали только в конце XX века. Начало исследованиям в этой области положили японские ученые Абе и Кимура, которые в 1996 г. впервые описали возможность синтеза сероводорода в тканях головного мозга и указали на его способность регулировать функции клеток [4].

Хотя сероводород был обнаружен в тканях головного мозга еще в 1980-х годах, первоначально его сочли за артефакт, который образовался вследствие быстрого увеличения концентрации сульфидов в тканях после смерти. При этом появление сероводорода связывали с его высвобождением из дисульфидных соединений серы (так называемых «sulfane sulfur») во время препарирования тканей [16].

В настоящее время сероводород отнесен к группе так называемых газотрансмиттеров — газообразных внутриклеточных сигнальных молекул, выполняющих в клетке специфические регуляторные функции. H2S хорошо растворим в липофильных веществах. Его растворимость в липидах в пять раз превосходит растворимость в воде, что обусловливает хорошую проникающую способность H2S через мембранные структуры клетки и не требует участия специальных ион-транспортных систем. Константа проницаемости (РМ) сероводорода через бислойные липидные мембраны достаточно высока и составляет 0.5±0.4 см/с (для сравнения РМ для кислорода составляет примерно 0.0050±0.0006 см/с) [17]. Это позволяет считать сероводород высоко доступной молекулой, эффективно осуществляющей свои функции внутри клеток.

Другими молекулами, входящими в группу газотрансмиттеров, являются хорошо известный монооксид азота (NO), а также монооксид углерода (СО).

Синтез сероводорода

Внутриклеточный синтез сероводорода осуществляется в различных клетках нашего организма. В настоящее время известно три фермента, в результате работы которых синтезируется сероводород: цистотионин-β-синтаза (CBS), цистотионин-γ-лиаза (CSE) и 3-меркаптопируватсульфуртрансфераза (3-MST).

При этом CBS осуществляет синтез сероводорода преимущественно в нервных клетках. В гладкомышечных клетках кровеносных сосудов, сокращение-расслабление которых обеспечивает изменение тонуса последних, синтез сероводорода осуществляет фермент CSE [1622], а в эндотелиальных клетках, выстилающих изнутри просвет сосуда, — 3-MST [1121] (рис. 1).

Рисунок 1. Синтез сероводорода. В гладкомышечных клетках кровеносных сосудов, в кардиомиоцитах синтез сероводорода обусловлен активностью фермента цистотионин-γ-лиазы (CSE), тогда как в эндотелиальных клетках — комплекс 3-меркаптопируватсульфуртрансферазы (3-MST) и цистеин-аминотрансферазы (СAT). В клетках органов, не относящихся к кровеносному руслу, сероводород преимущественно синтезируется благодаря активности цистотионин-β-синтазы (CBS). Хотя фермент CBS локализован преимущественно в нейронах и клетках нейроглии, он также был обнаружен в клетках печени, почек, поджелудочной железы [16].

Все три фермента используют в качестве субстрата для синтеза сероводорода серосодержащую аминокислоту L-цистеин, катализируя 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 (рис. 2). В то же время, CBS использует несколько другой путь синтеза H2S, который заключается в конденсации гомоцистеина с цистеином, и последующим образованием цистатионина [16]. В качестве субстрата синтеза сероводорода могут использоваться и другие серосодержащие аминокислоты, такие как метионин и цистин.

Рисунок 2. Схема синтеза сероводорода в гладкомышечных и эндотелиальных клетках кровеносных сосудов. CAT — цистеин-аминотрансфераза; CST — цистотионин-γ-лиаза; 3МSТ — 3-меркаптопируват-сульфуртрансфераза; 3МР — 3-меркаптопируват.

Фермент 3-меркаптопируват-сульфуртрансфераза (3MST) функционирует в комплексе с другим ферментом — цистеин-аминотрансферазой (СAT). Выделяют митохондриальную и цитозольную формы САТ. Используя в качестве субстрата серосодержащую аминокислоту L-цистеин и α-кетоглутарат, СAT продуцирует 3-меркаптопируват (3МР), из которого при участии фермента 3MST синтезируется непосредственно H2S [18]. В отсутствии α-кетоглутарата синтез H2S прекращается.

Сероводород и сердечнососудистая система

Как показали многочисленные исследования, одной из систем, где сероводород играет ключевую роль как сигнальная молекула, является сердечнососудистая система, в частности — кровеносные сосуды. Осуществляя свое регуляторное действие в сосудах артериального русла, он принимает активное участие в регуляции артериального давления [23].

Исследования среди людей показали, что в группе лиц с нормальными показателями артериального давления уровень H2S в плазме крови составлял 34 мкМ, тогда как у больных артериальной гипертонией он был снижен до 20 мкМ. Назначение больным артериальной гипертонией ингаляций сероводорода способствовало снижению показателей артериального давления [29]. При проведении исследований на крысах было обнаружено, что внутривенное болюсное введение раствора сероводорода вызывало у них дозозависимое снижение артериального давления [16].

В условиях in vitro донор сероводорода гидросульфид натрия (NaHS), активно используемый в экспериментальной практике, также вызывал расслабление различных отделов артериального и венозного русла: грудной, мезентериальной, почечной артерий, аорты, воротной вены и т.д. Несмотря на существенную роль эндотелия в регуляции сосудистого тонуса, его удаление не оказывало существенного влияния на эффекты сероводорода в гладкомышечных клетках [16]. Это свидетельствует о прямом влиянии сероводорода на гладкомышечные клетки через присущие им регуляторные механизмы. Расслабляющее действие сероводорода на гладкомышечные клетки связано преимущественно с открыванием особых структур в их мембране — калиевых каналов, чувствительных к концентрации внутриклеточного источника энергии — аденозинтрифосфата (АТФ) [1028].

Связываясь с серосодержащими группами белков этих каналов, сероводород изменяет их пространственную конфигурацию и тем самым способствует открыванию каналов [224]. Открывание калиевых каналов ведет к увеличению выхода ионов калия из клетки в межклеточную среду. В то же время, активации АТФ-чувствительных калиевых каналов сопровождается инактивацией потенциал-чувствительных кальциевых каналов L-типа, обеспечивающих поступление ионов кальция (Са2+) в клетку. Высокая внутриклеточная концентрация Са2+ является необходимым условием развития сократительного ответа со стороны мышечной клетки. Закрывание кальциевых каналов способствует снижению концентрации свободного внутриклеточного Са2+ [29]. Эти процессы в совокупности запускают механизмы расслабления в гладкомышечных клетках, что в конечном итоге приводит к снижению тонуса кровеносных сосудов и артериального давления в целом (рис. 3).

Рисунок 3. Влияние сероводорода на мембранные процессы. Сероводород, взаимодействуя с АТФ-чувствительными калиевыми каналами, вызывает их активацию и увеличение выхода ионов калия из клетки. Вследствие этого снижается мембранный потенциал на мембране (гиперполяризация) и инактивируются кальциевые каналы. В результате прекращения поступления в клетку ионов кальция происходит расслабление гладкомышечной клетки.

В регуляции релаксирующего действия сероводорода участвуют также и другие внутриклеточные молекулярные механизмы, однако их роль не столь выражена и однозначна [23].

В ряде исследований была отмечена интересная особенность сероводорода — его способность в низких концентрациях вызывать сокращение гладкомышечных клеток [1615]. Согласно одной из гипотез сероводород связывается с хорошо известной эндотелиальной сигнальной молекулой оксидом азота, снижая тем самым его концентрацию [1925]. Снижение концентрации этих двух сосудорасслабляющих молекул является причиной увеличения тонуса сосудов артериального русла. Недавно было показано, что сократительный эффект сероводорода связан с активацией особого мембранного белка — Na+,K+,2Cl-котранспортера (NKCC), обеспечивающего трансмембранный обмен ионов калия, натрия и хлора [3]. Перераспределение этих ионов является причиной развития сокращения.

Физиологическая роль сократительного эффекта сероводорода до конца не ясна: является ли он побочным продуктом каких-то внутриклеточных молекулярных реакций, или же несет на себе функциональную нагрузку? В первом случае увеличение тонуса сосудов может быть результатом взаимодействия сероводорода с активными формами кислорода, что приводит как к снижению концентрации самого сероводорода, так и образованию продуктов, способных вызывать сократительный ответ со стороны гладкомышечных клеток. Второй же случай предполагает специфическую активацию сероводородом ионных механизмов, направленных на развитие кратковременного локального спазма, например, в случае нарушения целостности сосудистой стенки [12].

В сердце сероводород снижает сократимость миокарда как в условиях in vitro, так и в условиях in vivo [927]. Этот эффект также частично связан с активацией АТФ-чувствительных калиевых каналов мембран кардиомиоцитов [16]. В экспериментах по моделированию инфаркта миокарда у крыс было обнаружено, что концентрация сероводорода в миокарде и плазме крови таких крыс была на 60% ниже по сравнению с контрольной группой. При этом введение NaHS снижало уровень смертности среди крыс с инфарктом миокарда за счет уменьшения его сократимости и торможения некроза кардиомиоцитов [8].

Дальнейшие перспективы

Учитывая роль сероводорода в регуляции тонуса кровеносных сосудов, ученые всего мира активно взялись за разработку лекарственных средств, действие которых основывалось бы на повышении или понижении в крови концентрации этого газотрансмиттера. В настоящее время возможные молекулы-кандидаты на роль лекарственных соединений можно разделить на две группы: молекулы, которые, растворяясь, непосредственно высвобождают сероводород (NaHS, Na2S, GYY4137) и молекулы-предикторы эндогенного синтеза сероводорода (N-ацетилцистеин, L-цистеин) [7].

N-ацетилцистеин и L-цистеин — предшественники синтеза эндогенного H2S. Увеличение внутриклеточной концентрации этих молекул вызывает дополнительную активацию ферментов CSE и CBS и, следовательно, усиление синтеза H2S. Существенным преимуществом этих молекул является практически полное отсутствие побочных эффектов. Однако трудности, связанные с регулированием конечной концентрации образующегося H2S, вносят свои ограничения на использование N-ацетилцистеина и L-цистеина в клинической практике [26].

Возможные молекулы-претенденты на роль нового лекарственного вещества должны обладать рядом свойств. Во-первых, они должны быть хорошо растворимы в воде. Во-вторых, не должны оказывать токсического действия. В-третьих, не должны быстро метаболизироваться в организме. И в-четвертых, обладать пролонгированным действием, что возможно при достаточно медленном высвобождении сероводорода молекулой-донором в условиях in vivo.

В настоящее время в экспериментальной практике наиболее часто в качестве донора сероводорода используются гидросульфид натрия (NaHS) и сульфид натрия Na2S. Однако при растворении этих молекул происходит слишком быстрое высвобождение сероводорода, что в условиях in vivo вызывает резкое падение артериального давления, вплоть до сосудистого коллапса [16]. Процесс высвобождения сероводорода в этом случае трудно контролируется, что делает NaHS и Na2S непригодными для использования в терапевтических целях.

Недавно Ли с соавторами [14] получили из реактива Лавессона новую молекулу-донор сероводорода, которую они обозначили как GYY4137 (рис. 4). В отличие от гидросульфида натрия, GYY4137 высвобождает сероводород постепенно, что делает эту молекулу более перспективной для дальнейших фармакологических исследований. В моделях на крысах в условиях in vivo и in vitro исследователи установили, что GYY4137 обладает сосудо-расслабляющими свойствами и оказывает антигипертензивное действие.

Рисунок 4. Схема синтеза GYY4137 из реактива Лавессона.

Другим направлением в разработках «сероводородных» препаратов является встраивание сероводород-высвобождающих группировок в уже имеющиеся и широко используемые лекарственные молекулы. Альтернативные доноры сероводорода могут быть получены путем добавления сульфидных групп к нестероидным противовоспалительным препаратам. Например, S-диклофенак содержит тионовые группы, прикрепленные эфирными связями к молекуле-носителю, которые в растворе играют роль источника сероводорода [13]. Встраивание тиоловых группировок в молекулу силденафила приводит к развитию эффекта, связанного с существенной релаксацией гладкомышечных клеток кавернозных тел [7].

В последние годы большое внимание привлекли полисульфидные соединения чеснока. Были обнаружены их вазоактивные свойства: одно из соединений — диаллил дисульфид (DADS) — вызывало расслабление кольцевых сегментов аорты крысы. Полисульфидные соединения чеснока не только являются предшественниками H2S, но и способны самостоятельно вызывать изменения конформации молекул белков в клеточных мембранах.

Перспективной молекулой-донором сероводорода является получаемый из чеснока S-аллилцистеин, который обладает выраженным кардиопротекторным действием (рис. 5). Однако пока не до конца ясно, является ли он предшественником сероводорода или же модулирует функцию ферментов, связанных с синтезом последнего [26].

Рисунок 4. Серосодержащие соединения чеснока. Из чеснока получают два класса органических соединений серы: жирорастворимые (а) и водорастворимые (б) аллильные соединения серы, образующиеся из гликозида аллиина. Жирорастворимые аллильные соединения серы, такие как диаллил сульфид (DAS), диаллил дисульфид (DADS) и диаллил трисульфид (DATS) освобождаются из аллиина. Эта реакция катализируется ферментом аллииназой, который высвобождается при измельчении чеснока. Водорастворимые соединения серы (S-аллилцистеин (SAC) и S-аллилмеркаптоцистеин) получают при длительной инкубации дробленого чеснока в водных растворах.

С целью снижения патологически высокой концентрации сероводорода можно использовать ингибиторы ферментов его синтеза. К ним относится DL-пропаргилглицин, который, обладая высокими липофильными свойствами, легко проникает через мембрану клетки, не вызывая видимых ее повреждений. Однако DL-пропаргилглицин ингибирует не только CSE-фермент синтеза сероводорода в сердечнососудистой системе, но и CBS, что может стать причиной появления множества нежелательных побочных эффектов, связанных с нарушением регуляции функции других органов [26].

Таким образом, существующие в настоящее время наработки в области создания доноров сероводорода, пригодных для использования в терапевтических целях, находятся на ранней стадии своего развития и явно недостаточны. Разработка, синтез и описание свойств новых доноров сероводорода и селективных ингибиторов ферментов его эндогенного синтеза имеет чрезвычайно важное значение для создания новой группы лекарственных препаратов и, возможно, позволит продвинуться вперед в борьбе с сердечнососудистыми заболеваниями [5].

Литература

  1. Баскаков М.Б., Гусакова С.В., Желудева А.С., Смаглий Л.В. и др. (2010). Влияние сероводорода на сократительную активность гладкомышечных клеток аорты крысы. Бюлл. Сиб. Мед. № 6(2010), 12–17;
  2. Резник Н.Л. (2009). Третий газ. Химия и жизнь № 10 (2010), 40–46;
  3. Смаглий Л.В. (2013). Роль Na+,K+,2Cl-котранспорта в механизмах вазоконстрикторного действия сероводорода. Современные проблемы науки и образования № 2 (2013);
  4. Abe K., Kimura H. (1996). The possible role of hydrogen sulfide as an endogenous neuromodulator. J. Neurosci. 16, 1066–1071;
  5. Caliendo G., Cirino G., Santagada V., Wallace J.L. (2010). Synthesis and Biological Effects of Hydrogen Sulfide (H2S): Development of H2S-Releasing Drugs as Pharmaceuticals. J. Med. Chem. 53, 6275–6286;
  6. Di Villa Bianca R.d’E., Sorrentino R., Coletta C., et al. (2011). Hydrogen sulphide induced-dual vascular effect involves arachidonic acid cascade in rat mesenteric arterial bed. J. Pharmacol. Exp. Ther. 337, 59–64;
  7. Elsey D.J., Fowkes R.C., Baxter G.F. (2010). Regulation of cardiovascular cell function by hydrogen sulfide. Cell Biochem. Func. 28, 95–106;
  8. Geng B., Chang L., Pan C., et al. (2004). Endogenous hydrogen sulfide regulation of myocardial injury induced by isoproterenol. Biochem. Biophys. Res. Commun. 318, 756–763;
  9. Geng B., Yang J., Qi Y., et al. (2004). H2S generated by heart in rat and its effects on cardiac function. Biochem. Biophys. Res. Commun. 313, 362–368;
  10. Jang G., Wu L., Liang W., Wang R. (2005). Direct stimulation of K(ATP) channels by exogenous and endogenous hydrogen sulfide in vascular smooth muscle cells. Mol. Pharmacol. 68, 1757–1764;
  11. Kamoun P. (2004). Endogenous production of hydrogen sulfide in mammals. Amino Aсids 26, 243–254;
  12. Lavu M., Bhushan S., Lefler D.J. (2011). Hydrogen sulfide-mediated cardioprotection: mechanisms and therapeutic protection. Clin. Sci. 120, 219–229;
  13. Li L., Rossoni G., Sparatore A., et al. (2007). Antiinflammatory and gastrointestinal effects of a novel diclofenac derivative. Free Radic. Biol. Med. 42, 706–719;
  14. Li L., Whiteman M., Guan Y.Y., et al. (2008). Characterization of a novel, water-soluble hydrogen sulfide-releasing molecule (GYY4137): new insights into the biology of hydrogen sulfide. Circulation 117, 2351–2360;
  15. Lim J.J., Liu Y.-H., Win Khin E.S., Bian J.-S. (2008). Vasoconstrictive effect of hydrogen sulfide involves downregulation of cAMP in vascular smooth muscle cells. Am. J. Physiol. Cell. Physiol. 295, 1261–1270;
  16. Lowicka E., Beltowski J. (2007). Hydrogen sulfide — the third gas of interest for pharmacologists. Pharmacol. Reports 59, 4–24;
  17. Mathaia J.C., Missnerb A., Ku P., et al. (2009). No facilitator required for membrane transport of hydrogen sulfide. Proc. Natl. Acad. Sci. U.S.A. 106, 16633–16638;
  18. Shibuya N., Milkanai Y., Kimura Y., Nagahara N., Kimura H. (2009). Vascular endothelium expresses 3-mercaptopyruvate sulfurtransferase and produces hydrogen sulfide. J. Biochem. Adv. Access 146, 623–626;
  19. Skovgaard N., Gouliaev A., Aalling M., Simonsen U. (2011). The Role of Endogenous H2S in Cardiovascular Physiology. Curr. Pharm. Biotechnol. 12, 1385–1393;
  20. Smith R.P. (2010). A short history of hydrogen sulfide. American Scientist 98, 6;
  21. Stipanuk M.H., Beck P.W. (1982). Characterization of the enzymic capacity for cysteine desulphydration in liver and kidney of the rat. Biochem. J. 206, 267–277;
  22. Wagner C.A. (2009). Hydrogen sulfide: a new gaseous signal molecula and blood pressure regulator. J. Nephrol. 22, 173–176;
  23. Wang R. (2002). Two’s company, three’s a crowd: can H2S be the third endogenous gaseous transmitter? FASEB J. 16, 1792–1798;
  24. Warenycia M.W., Steele J.A., Karpinski E., Reiffenstein R.J. (1989). Hydrogen sulfide in combination with taurine or cysteic acid reversibly abolishes sodium currents in neuroblastoma cells. Neurotoxicology 10, 191–199;
  25. Webb G.D., Lim L.H., Oh V.M.S., et al. (2008). Contractile and vasorelaxant effects of hydrogen sulfide and its biosynthesis in the human internal mammary artery. JPET 324, 876–882;
  26. Wei G., Ze-yu C., Yi-zhun Z. (2013). Hydrogen sulfide and translational medicine. Acta Pharmacol. Sinica 34, 1284–1291;
  27. Xu M., Wu Y.-M., Li Q., et al. (2007). Electrophysiological effects of hydrogen sulfide on guinea pig papillary muscles in vitro. Acta Physiol. Sinica 59, 215–220;
  28. Zhao W., Wang R. (2002). H2S-induced vasorelaxation and underlying cellular and molecular mechanisms. Am. J. Physiol. Heart. Circ. Physiol. 283, 474–480;
  29. Zhao W., Zhang J., Lu Y., Wang R. (2001). The vasorelaxant effect of H2S as a novel endogenous gaseous K(ATP) channel opener. EMBO J. 20, 6008–6016.

Автор: Смаглий Людмила.

Число просмотров: 1913.

Creative Commons License — условия использования и распространения материалов сайта.
Вернуться в раздел «Медицина»

Комментарии

(Оставить комментарий) (показывать сначала старые комментарии)

Яндекс.Метрика

© 2007–2015 «биомолекула.ру»
Электропочта: info@biomolecula.ru
О проекте · RSS · Сослаться на нас

Дизайн и программирование —
Batch2k15.

Сопровождение сайта — НТК «Биотекст».

Условия использования сайта
Об ошибках сообщайте вебмастеру.