D -серин и N-метил-D-аспартат

Среди работ, опубликованных в течение последних двадцати лет, более половины исследований посвящено изучению роли D-серина в качестве модулятора рецепторов N-метил-D-аспартата (далее-NMDA), которые играют важную роль во многих нормальных и патофизиологических процессах. Человек может получать D-серин с пищей, в результате жизнедеятельности кишечной микрофлоры, путем высвобождения из белков, в результате спонтанной рацемизации при старении и в ходе биосинтеза L-серина. Наибольшее значение в появлении D-серина играет его биосинтез под действием специфического фермента – серинрацемазы, превращающий L-форму в D-форму в присутствии

Рис.4. Схематичное описание структуры NMDA-рецептора с примерным расположением сайтов связывания лигандов. Источник: Карлов Д.С., Моделирование структуры ионотропных глутаматных рецепторов и дизайн их лигандов, рукопись. МГУ, химический факультет.

пиридоксальфосфата, ионов магния и АТФ.

Содержание D-серина в мозге составляет около 1/3 от содержания L-серина и его концентрация среди известных D-АК максимальна. В отличие от L-АК, D-серин не включается в белки, являясь составной частью пула свободных АК. Важнейшим источником D-серина в мозге является цитоплазма астроцитов, откуда D-серин поступает в синаптическую щель[4].

NMDA-рецепторы (рис.4) являются ключевыми возбуждающими рецепторами в головном мозге и вовлечены во множество физиологических процессов, включая формирование памяти, синаптическую пластичность и развитие. NMDA-рецепторы состоят из нескольких субъединиц, и их активация регулирует множество механизмов, с вовлечением различные лигандов и нерецепторных белков. Активация NMDA-рецепторов приводит к повышению проницаемости мембраны клетки для ионов кальция (Ca²⁺), а гиперстимуляция рецепторов вызывает формирование феномена эксайтотоксичности (патологический процесс, ведущий к повреждению и гибели нервных клеток под воздействием нейромедиаторов, способных гиперактивировать NMDA -рецепторы), наблюдающегося при острых нарушениях мозгового кровообращения и нейродегенеративных заболеваниях. Глутамат является основным агонистом NMDA-рецепторов, но он не активирует рецепторы, если не происходит связывание коагонистов с активным сайтом рецептора – субъединицей NR1. D-серин, как предполагается, и является физиологическим лигандом NMDA-рецепторов, связывающимся в качестве коагониста с активным сайтом, что приводит к запусканию процессов, опосредованных NMDА [4].

Таким образом, невозможна работа глутаматергического синапса (рис.5) без NMDA (ионотропный глутаматный рецептор). Синапс состоит из пресинаптической и постсинаптической части, а также глиальных клеток, прикрывающих синаптическую щель. Передача сигнала осуществляется после слияния везикул, содержащих нейромедиатор глутамат и/или глицин, с мембраной клетки и выделения их содержимого в синаптическую щель. Нейромедиаторы открывают ионные каналы (NMDA) и активируют рецепторы, сопряженные с G-белками (mGluR1-8). При этом по градиенту электрохимического потенциала из внеклеточного пространства проходят ионы натрия, кальция, вызывая деполяризацию мембраны и дальнейшую передачу сигнала через постсинаптический нейрон. Выведение глутаминовой кислоты и глицина из синаптической щели осуществляется в основном за счет активного транспорта в 13 окружающих глиальных клетках. Поглощенная астроцитом глутаминовая кислота под действием глутаминсинтетазы превращается в глутамин, который затем транспортируется в нейрон и подвергается гидролизу с образованием глутамата [12].

Рис.5. Схематическое строение глутаматергического синапса. Источник: Карлов Д.С., Моделирование структуры ионотропныхглутаматных рецепторов и дизайн их лигандов, рукопись. МГУ, химический факультет.

Для подтверждения роли D-серина как коагониста глутамата при функционировании NMDA-рецепторов на культуре глиальных клеток смоделировали отсутствие D-серина с помощью фермента DААО, избирательно разрушающего D-АК. Спонтанная активация NMDA-рецепторов на постсинаптической мембране снизилась на 60%. По сходному механизму D-серин способствует и продолжительной синаптической активации в нейронах гиппокампа, влияя на процессы запоминания и обучения[4].

Чрезмерная стимуляция NMDA-рецепторов отмечена при острых и хронических заболеваниях нервной системы, включая инсульт, эпилепсию, полинейропатию, хроническую боль, боковой амиотрофический склероз, болезнь Паркинсона, болезнь Альцгеймера, хорею Гентингтона и др.

D -аспартат

D-аспартат в ЦНС также может потенцировать NMDA-рецепторы посредством стимуляции глутаматного сайта рецептора, но сродство NMDA-рецептора к D-аспартату в 10 раз ниже, чем к L-глутамату и локализация D-аспартата не коррелирует с распределением NMDA-рецепторов.

В других тканях и органах D-аспартат участвует в секреции некоторых гормонов в эндокринных железах, стимулирует высвобождение тестостерона, окситоцина, соматотропного и лютинезирующего гормонов. Одним из важнейших регуляторов гормональной секреции является D-аспарагиновая кислота. D-аспартат в значительных количествах присутствует в тканях головного мозга, причем с возрастом концентрация D-аспартата увеличивается примерно на 0.14% в год. Наиболее высокая концентрация D-аспартата наблюдается в железах внутренней секреции, а его физиологическая функция заключается в регуляции секреции таких гормонов, как мелатонин, пролактин, тестостерон, лютеинизирующий гормон и гормон роста. Содержание D-аспартата увеличивается с возрастом также в хрусталике, дентине и коленном хряще. D-аспартат синтезируется бактериями кишечника.

К функциям относят: участие в процессах роста и развития и эндокринной регуляции; теоретически возможно участие в процессах старения.

Получение: Аспарагиновая кислота является аминокислотой, которая в наибольшей степени подвержена рацемизации. Следовательно, появление D-аспартата в стареющих тканях происходит благодаря процессу рацемизации аминокислоты в белках. Биосинтетический путь наиболее важен для D-аспартата, он заключается в неферментативном формировании β-D-Асп в белках (рис.6) и представлен несколькими этапами:

 1) под воздействием различных факторов на карбонильную группу L-α- аспартата формируется L-сукцинимид, способный образовывать внутримолекулярные циклы;

2) L-сукцинимид может превратиться в D-сукцинимид через промежуточное звено, которое имеет прохиральную α-карбонильную группу в плоскости цикла;

3)протонирование промежуточного продукта приводит к появлению с равной вероятностью радикала сверху или снизу относительно плоскости в белке (рацемизация);

4) D и L-сукцинимид гидролизуются на обеих сторонах от плоскости молекулы, на обеих карбонильных группах, что приводит к формированию β- и α-аспартата. Скорость формирования сукцинимида зависит от скорости формирования промежуточного звена. Чем короче цепочка АК (глицин, аланин, серин), тем легче происходит формирование сукцинимида, так как нет никаких стерических препятствий.

Рис.6. Неферментативная рацемизация L-аспартата.Источник: статья А.В. Червякова и др. Роль D-аминокислот в патогенезе нейродегенеративных заболеваний и при нормальном старении