БИОСИНТЕЗ L-КАРНИТИНА И ЕГО БИОХИМИЧЕСКИЕ ФУНКЦИИ

В организме человека и животных L-карни­тин синтезируется в печени и почках, из кото­рых транспортируется в другие ткани и органы. Для того, чтобы происходил его синтез необхо­димы следующие исходные продукты: две неза­менимые аминокислоты лизин и метионин, ви­тамин С, витамин В₃ (ниацин), В₆, В₁₂, фолиевая кислота и железо. При дефиците хотя бы одного из этих веществ собственный синтез L-карнити­на заметно снижается. При этом установлено, что недостаток витамина С является определяющим и приводит к симптомам недостаточности L-кар­нитина, поскольку его биосинтез в этом случае практи­чески не происходит. Для синтеза L-кар­нитина требуется 5 ферментов.

Промежуточный продукт синтеза N-триметиллизин превращается в гидро­кси­триметиллизин, который в цепи реакций, протекающих как в митохондриях, так и в цитозоле клетки, далее образует γ-бутиробетаин. Необходимые для этих этапов биосинтеза ферменты обнаружены в ске­летных мышцах, сердце, печени, почках и мозгу. Превращение γ-бутиробетаина в L-карнитин про­исходит в реак­ции гидроксилирования под дей­ствием специфического фермента гидроксилазы, который обнаружен исключительно в печени, почках и мозгу, но его нет в скелетных или сер­дечных мышцах [3].

В организме млекопитающих L-карнитин не катаболизируется и выводится с мочой в неиз­менном виде или в форме О-ацильных произ­водных [2, 4]. В мито­хондриях печени образуется ряд производных L-карнитина как с эндогенны­ми веществами, так и с ксенобиотиками [5]. Он находится во всех тканях и органах и у взросло­го человека его содержание составляет 20-25 г, из которых 97% находится в скелетных мышцах и миокарде, т.е. в тканях, использующих жир­ные кислоты как главный источник энергии. Это связано с тем, что L-карнитин играет важней­шую роль в переносе активированных жирных кислот через внешнюю мембрану митохондрий для процесса β-окисления.

Большие успехи в изучении роли L-карни­тина в метаболических процессах, происходящих в организме, способствовали усовершенствованию способов его применения в практической меди­цине. На первом этапе применение L-карнитина было основано на простом принципе замести­тельной терапии: если при некотором заболева­нии происходит уменьшение содержания како­го-либо мета­болита, то последний может быть введен извне и таким образом он окажет лечеб­ное действие. Благодаря научному прогрессу пос­ледних десятилетий большое число заболеваний и метаболических состояний, таких как, напри­мер, старение, стало возможным описать биохи­мическими терминами. Следовательно, созданы возможности для направленного изыскания ле­карственных веществ, нормали­зующих метабо­лические процессы, что является основой совре­менного подхода к вопросам метаболической те­рапии (регуляции нарушенных обменных про­цессов). Однако для успешного применения это­го принципа необходимо пони­ма ­ние того, какие звенья метаболизма нарушаются при конкретной пато­логии, а также какова роль отдельного мета­болита в биохимических реакциях, проте­каю­щих в клетках и определяющих физиологические функции клетки, ткани, органа.

Что касается L-карнитина, то он, являясь объектом более чем 30-летнего широкого науч­ного изучения, может служить в качестве при­мера исследований, которые должны быть про­ведены для рационального создания и примене­ния метаболического лекарственного средства. Итак, остановимся более подробно на биохими­ческих функциях L-карнитина в метаболизме живого организма.

1. Транспорт длинноцепочечных жирных кис­лот в митохондриальный матрикс. L-Карнитин играет роль "челнока" в процессе образования ацетил-СоА из жирных кислот. Поскольку про­цесс активации жирных кислот и их окисление пространственно разделены, в клетке функцио­нирует механизм переноса длин­но­цепочечных жирных кислот через внутреннюю митохондриальную мембрану в митохондриальный матрикс с участием карнитина и специальной ферментной системы. Эта система обратимо перебрасывает ацил на внешней стороне мембраны с СоА на карнитин, а на внутренней – с карнитина на внутримито­хондриальный СоА Жирные кислоты сна­чала с затратой энергии превращаются в длинноцепочечный ацил-СоА (ДЦАСоА), который не способен проходить через внутреннюю мембра­ну митохондрий, в то время как такой способно­стью обла­дает ацилкарнитин (ДЦАКар), образу­ющийся в результате реакции карни­тина с ДЦА-СоА. Образование ДЦАКар на митохондриальной мембране катали­зируется карнитинацилтрансферазами и карнитин является субстратом для этих ферментов. Этот процесс является обрати­мым и катализируется несколькими фермен­та­ми, которые классифицируются по их сродству к ацил-СоА [2]. Карнитинацетилтрансфераза (КАТ, 2.3.1.7) катализирует реакции короткоцепо­чечных ацилов с длиной цепи от 2 до 10 углеродных единиц. Для трансферазы длинноцепочечных ацилов (>10 атомов углерода) используют назва­ние карни­тин­октаноилтрансфераза в случае вне-митохондриальных белков или карни­тин­пальмитоилтрансфераза (КПТ I) для митохондриальных ферментов. Последние две подгруппы фермен­тов проявляют широкую специфичность по от­ношению к среднецепочечным и длинноцепочечным ацил-СоА, обладая наибольшим сродством для деканоил-КоА [6].

Ацилкарнитины переносятся через внутрен­нюю митохондриальную мем­брану с помощью транспортного белка, называемого карнитинацил-транслоказа. В митохондриальном матриксе ацил­карнитин взаимодействует с СоА при учас­тии КПТ II, в результате чего вновь образуется ацил-СоА, который в процессе β-окисления превра­щается в ацетил-СоА, участвующий в цикле трикарбоновых кислот (ЦТК), и свободный кар­нитин. Высокая утилизация субстратов в окис­лительных процессах требует оптимальной ак­тивности карнитинзависимых трансфераз.

2. Контроль и модуляция внутриклеточного пула CoASH. Помимо переноса активированных ацильных радикалов между компартментами клет­ки без затраты энергии, карнитиновая система играет также важную роль в сохранении стабиль­ного уровня КоА, который необходим для акти­вирования карбоксилсодержащих метаболитов. Тем самым карнитин включается также в проме­жуточный обмен в целом, модулируя соотноше­ние ацил-CoA/CoASH и поддерживая необходимый уровень свободного CoASH в клетке. Эта функция карнитиновой системы зависит, глав­ным образом, от образования короткоцепочечных ацилкарнитинов (КЦАКар), катализируемо­го КАТ [2,7]. Карнитин способствует удалению корот­ко­­цепочечных жирных кислот из митохон­дрии, освобождая внутри­мито­хондриаль­ный СоА, стабилизация уровня которого и функциональ­ная взаимо­связь между пулами СоА и карнитина являются жизненно важными для оптими­зации энергетического метаболизма. Участвуя в биохи­мических процессах обра ­зо­вания и деградации жирных кислот, стероидов, фосфолипидов, син­тезе ацетилхолина, окислении пировиноградной кислоты, образовании кетоновых тел и других процессах, CoASH является важнейшим метабо­литом клетки. Он необхо­дим для І-окисления, для катаболизма некоторых аминокислот, для дез­интоксикации органических кислот и ксенобио­тиков, для функционирования пируватдегидрогеназы [8], α-кетоглутаратдегидрогеназы [9] и, следовательно, для работы ЦТК [10]. Снижение поступления карнитина вызывает уменьшение содержания СоА в матриксе и сопутствующее этому повышение соотношения ацил-СоА/ CoASH, что вызывает ингибирование фермента­тивной активности выше­упомянутых дегидрогеназ. Следовательно, ослабляется не только окис­ление жирных кислот [11], но также и утилиза­ция углеводов, катаболизм некото­рых аминокис­лот, дезинтоксикация органических кислот и ксе­нобиотиков [12]. Взаимосвязь СоА – карнитин в клетке осуществляется посредством карнитин-ацилтрансфераз [13].

Поскольку защита митохондриального и цитозольного пулов свободного СоА при различ­ных заболеваниях достигается экскрецией ацил­карнитинов, то в тех случаях, когда происходит образование нежелательных ацильных групп, как, например, при некоторых наследственных нару­шениях окисления жирных кислот, дополнитель­ный прием L-карнитина является необходимым. В целом терапевтический эффект L-карнитина и его эфиров, по-видимому, во многом опосредо­ван через интегральное влияние карнитиновой системы на пулы СоА.

3. Дезинтоксикация органических кислот и ксенобиотиков. Удаление био­ген­ных «шлаков», на­капливающихся в митохондриях в результате окисли­тель­ного разложения жиров, а также ксе­нобиотиков — еще одна важная функция L-кар­нитина. Цитотоксические органические кислоты, как и ксенобиотики, био­трансформи­руются пре­вращением в производные ацил-СоА, которые удаляются из дальнейшего катаболического про­цесса. Кроме того, ацил-СоА может накапливаться внутри митохондриального матрикса при дефи­ците ферментов их деградации. В этом случае трансформация ацил-СоА в соответствующие ацилкарнитины позволяет вывести избыток ациль­ных остатков из митохондрий в цитозоль. В от­личие от соответствующих производных ацил-СоА, ацил­карнитины, в особенности короткоцепочечные, способны диффундировать через клеточные мембраны и могут быть элиминированы в мочу.

4. Анаболические функции. Анаболический эффект L-карнитина был установ­лен в эксперименте, а также в медицинской и спортивно-медицинской практике без объяснения механизма действия. Возможно, анаболические функции L-карнитина осуществляются путем участия в метаболизме фосфолипидов за счет поддержания оптимального соотношения ацил-CoA/CoASH. Действительно, оборот и восстановление жирно-кислотного состава фосфолипидов мембраны зависит от доступности ДЦАСоА. В этом отношении роль L-карнитина и КПТ двойная: снабжение ацильными остатками без расхода АТР и поддержка клеточного уровня CoASH на необходимом уровне [15].

5. Защитное действие при апоптозе. Учас­тие L-карнитина как в энергети­ческом метабо­лизме, так и в обороте фосфолипидов указывает на важнейшую роль этого соединения в поддер­жании жизнеспособности клетки. В ряде иссле­дований было установлено, что L-карнитин в различных биологических системах оказывает защитное действие при апоптозе. В этот процесс включены различные группы веществ, в частности церамиды – мощные эндогенные промоторы кле­точ­ного апоптоза и аспартатспецифические цистеиновые протеазы, называемые каспазами, являющиеся ключевыми медиаторами апоптоза. Протективные свойства L-карнитина при апоп­тозе обусловлены как ингибированием синтеза церамидов [16], так и активности каспаз [17], и, вероятно, не связаны с функцио­ни­рованием карнитиновых трансфераз. Экспериментально было показано, что введение карнитина в кардиомиоциты, в которых апоптоз был вызван действием доксорубицина, снижает внутриклеточный уро­вень церамида [16,18]. Ингиби­рование L-карнитином образования церамидов происходит, по-видимому, в результате действия двух различ­ных механизмов. Так, отвлечение пальмитоил-СоА от синтеза церамидов в окислительный ме­таболизм [19] усиливает ингиби­торный эффект L-карнитина на кислую сфингомиелиназу, кото­рая генерирует образование церамидов в ответ на множественные причины апоптоза [16]. Кро­ме того, показано, что L-карнитин ингибирует активность каспаз-3 и каспаз-8 [17].

6. Нейрозащитный эффект. Нейрозащитное действие L-карнитина было выявлено у крыс на модели митохондриальных нарушений, вызван­ных 3-нитропропионовой кислотой (3-НПК). Ранее было показано, что 3-НПК является мощ­ным митохондриальным токсином, который вы­зывает снижение нейро­нального уровня АТР че­рез ингибирование сукцинатдегидрогеназы ком­плекса II митохондриальной транспортной цепи электронов. Предварительный прием L-карнитина крысами полностью предотвращал снижение температуры мозга, вызванное введением 3-НПК. За­щитный эффект L-карнитина, по-видимому, обус­ловлен его митохондриотропными свойствами [20].

В другой серии экспериментов было пока­зано, что некоторые нарушения ЦНС, вызван­ные амфетамином и метамфетамином (МЕТ), связаны с повы­ше­нием образования свободных радикалов. Это повышение может быть частично связано с митохондриальными дисфункциями, а, следовательно, приводить к недостаточности энер­гетического метаболизма в клетке и повышению вторичной эксцитотоксичности. Токсичность метамфетамина связана с повышением образо­вания под его влиянием активных форм кислорода (гидроксил, супероксид, пероксид) и азота (N0). Наи­более опасным радикалом является пероксинитрит, который образуется из N0 и включается в патогенез ряда заболеваний, в частности множе­ственного склероза. Как было показано, токси­ческое действие метамфетамина приводит, как в опытах in vitro, так и in vivo, к образованию 3-нитротирозина – стресс маркера пероксинитрита. Предположили, что усиление митохондриального энергетического метаболизма, вызы­ваемое L-карнитином, может предотвратить об­разование пероксинитрита и других свободных ради­калов под действием метамфетамина. Дей­ствительно, установлено экспери­мен­тально, что прием L-карнитина заметно ослабляет образова­ние 3-нитротирозина у экспериментальных жи­вотных, которым вводили метамфетамин [21]. За­щит­ный эффект L-карнитина может быть свя­зан с предотвращением нарушения метаболичес­ких процессов, вызванных метамфетамином и приводящих к дефи­циту энергии. Роль L-кар­нитина в снижении токсичности, вызываемой введе­нием метамфетамина, продолжает изучать­ся, что дает надежду на возможность его исполь­зования в лечении ряда заболеваний нервной системы [22].