Альфа-липоевая кислота

Метаболизм  α-липоевой кислоты  в печени при различных  формах патологии

Дж. Бустаманте, Дж. Лодж, Л. Маркоччи, Г. Тритшлер, Л. Пакер, Б.Рин  
Департамент молекулярной и клеточной биологии Калифорнийского университета, США

α - липоевая кислота является природной простатической группой в α-кетокислотном дегидгогеназном  комплексе митохондрий и играет одну из основных ролей в метаболизме. Хотя это было известно уже десятки лет, только недавно показали, что α - липоевая кислота влияет на клеточные метаболические процессы in vitro, может влиять на редокс статус клеток и взаимодействовать с тиолами и другими антиоксидантами. Следовательно, этот препарат обладает важным терапевтическим потенциалом в состояниях, сопровождающихся оксидативным стрессом. Ранние исследования клинических случаев с α - липоевой кислотой проводились на фоне малой информированности о действии α - липоевой кислоты на клеточном уровне, но они имели логическое обоснование, так как природное белковое соединение α - липоевой кислоты играет основную роль в метаболизме и что заместительная терапия этим соединением может иметь позитивный эффект. В таких исследованиях оценивалось влияние α - липоевой кислоты, назначаемой в малых дозах, на липидный и углеводный обмены. Общей особенностью этих исследований было увеличение транспорта глюкозы, также отмечалось увеличение уровней пирувата и лактата, что предполагает ингибирование пируват-дегидрогеназного комплекса. Одновременно α - липоевая кислота применялась в качестве терапевтического препарата при ряде состояний, связанных с заболеваниями печени, включая алкогольное повреждение печени, интоксикации грибами и тяжелыми металлами и отравления ССl₄. Терапия α - липоевой кислотой успешно применялась во многих случаях при лечении данных состояний. По данным экспериментальных исследований и клинических испытаний, проведенных в последние 5 лет с использованием больших доз α - липоевой кислоты (600 мг у людей), были получены новые и последовательные данные о роли антиоксиданта α - липоевой кислоты в лечении инсулинорезистентности и диабетической полинейропатии. Все это должно способствовать тому, чтобы клиницисты использовали α - липоевую кислоту для терапии заболеваний печени, при которых оксидативный стресс является основным патогенетическим фактором.

Ключевые  слова: α - липоевая кислота, тиоктовая кислота, оксидативный стресс, свободные радикалы, печень, первичный билиарный цирроз. 

α - липоевая кислота является дисульфидным производным  октановой кислоты и в течение  десятилетий считалась основной простетической группой ряда клеточных  ферментативных комплексов. До недавнего  времени α - липоевая кислота считалась эффективным антиоксидантом. Предполагалось, что она может быть эффективным средством терапии или профилактики различных заболеваний, при которых отмечается дисбаланс окислительно-восстановительного клеточного статуса. Это может отмечаться при нейродегенерации, ишемии-реперфузии, полинейропатии, сахарном диабете, ВИЧ и нарушениях функции печени.

На основании  данных большого числа экспериментальных  и клинических исследований высказывались  предположения о возможном положительном  влиянии α - липоевой кислоты при лечении нейродегенеративных заболеваний, ВИЧ и сахарном диабете.

Для оценки эффективности α - липоевой кислоты  при заболеваниях печени и желчевыводящих путей, будет проведено обсуждение экспериментальных моделей in vitro о  влиянии эндогенной или экзогенно назначаемой α - липоевой кислоты на физиологию клеток. Также будет проведен анализ эффективности терапевтических препаратов по данным клинических исследований.

Транспорт, метаболизм и расщепление  альфа - липоевой кислоты

Различные исследования по радиоактивному распределению dl-[14 C]- или [35 S]- липоевой кислоты в тканях крыс после интраперитонеального или перорального назначения показали, что α - липоевая кислота быстро всасывается в желудке, проникает в различные ткани, где частично метаболизируется с последующей экскрецией. После назначения α - липоевой кислоты в течение 5 недель, свободная α - липоевая кислота была обнаружена и различных тканях с наибольшей концентрацией в сердце [2]. При непосредственном поступлении в клетки in vitro, α - липоевая кислота быстро захватывалась клетками. Детальный анализ влияния α - липоевой кислоты в гепатоцитах был проведен Peinado et al. [3]. Билиарная экскреция [35 S]- компонентов после назначения [35 S]- α - липоевой кислоты показала, что липоат транспортировался в гепатоциты и не напрямую связывался с мембраной гепатоцита. Тонкослойный хроматографический анализ показал, что эти компоненты состоят в основном из продуктов метаболизма, не идентичных липоату. Было показано, что поступление в печень α - липоевой кислоты с экскрецией [35 S]-компонентов в желчный пузырь, одновременно подавлялось в присутствии жирных кислот (октаноатов), что предполагает, что липоат и эти жирные кислоты транспортируются с помощью одного переносчика [3]. После поступления липоат проходит кинетические изменения с насыщенными и ненасыщенными компонентами. Насыщенный компонент показал Km (константа Михоэлиса) 28 mM и обнаруживается при концентрации ниже 75 mM. Авторы предположили, что поступление липоата в печень с помощью переносчика осуществляется при его низких концентрациях, в то время как при высоких концентрациях диффузия становится основным способом его поступления. Физиологическая концентрация α – липоата в крови ниже уровня Km (80±17nM) [4]: следовательно, нормальное поступление происходит посредством транспортного механизма. Экскреция с мочой достигает максимальных величин через 3-6 часов после назначения α - липоевой кислоты [5-7].

В любом  случае, ряд метаболических исследований у людей и крыс показали, что  только малые из назначенных количеств α - липоевой кислоты экскретируются в неизменном виде [5-8]. Полученные данные показали, что печень обладает большей способностью к захвату и накоплению этих компонентов, что согласуется с данными исследований in vivo. Было показано, что пути, связанные с метаболизмом липоата, проходят в основном через b-окисление боковой цепи валериановой кислоты, а углеродный скелет дитиолового кольца значительно более устойчив к изменениям [7]. Низкие уровни метаболитов предполагают, что в основном назначаемая α - липоевая кислота находится в неизменной форме.

Роль  альфа - липоевой кислоты  в физиологических  процессах клеток эукариотов

Уникальные  физико-химические свойства α - липоевой кислоты делают ее сильной и реактивной биологической молекулой, которая  была эволюционно выбрана для ряда биохимических реакций, необходимых для окислительного метаболизма и модуляции функций клеток (рис. 1).

Ферменты  клеточного метаболизма, восстанавливающие  липоевую кислоту

Рис. 1.  
Внутриклеточный механизм экзогенно назначаемой α - липоевой кислоты, связанный с протеином. Описана природная α - липоевая кислота, представленная в пяти митохондриальных протеинах, взаимозаменяемая с восстановленной формой ДЛК с помощью энзима Е₃, требующего НАДН/НАД⁺. Назначаемая α - липоевая кислота проникает в клетку и восстанавливается с помощью ферментов цитоплазмы глутатион редуктазы и тиоредоксин редуктазы при участии НАДН и митохондриального фермента Е₃. Активность каждого фермента зависит от вида липоевой кислоты и ткани.

α - липоевая и дигидролипоевая кислоты обладают высокой гидрофобностью, что позволяет  им с высокой скоростью проникать  через биологические мембраны.

Ниже  описываются биологические свойства α - липоевой кислоты, в виде простетической группы связанной с белками и в качестве свободной молекулы взаимодействующей в клеточных системах и в условиях in vitro и in vivo.

α - липоевая кислота  связанная с белками

α - липоевая кислота является кофактором дегидрогеназ α – кетокислот и системы расщепления глицина. Эти ферментативные комплексы участвуют в метаболических реакциях окисления пирувата, цикле лимонной кислоты, деградации аминокислот и их биосинтезе.

Комплексы дегидрогеназ с α  – кетокислотами. Комплексы дегидрогеназ с α – кетокислотами, в частности пируват-дегидрогеназный комплекс (ПДК), α – кетоглутарат-дегидрогеназный комплекс (α-КГДК), и дегидрогеназный комплекс α – кетокислоты с разветвленной боковой цепью (ДККРБЦ) составляют практически универсальное объединение ферментов. Они располагаются в митохондриальном матриксе, связаны с внутренней мембраной и катализируют окислительное декарбоксилирование различных α – кетокислотных субъектов (пирувата, α – кетоглутарата и укороченных α – кетокислот, образующихся при трансаминировании лейцина, изолейцина и валина) в соответствующие формы ацил-КоА (ацетил-КоА, сукцинил-КоА и изовалерил-КоА), соответственно, с образованием НАДН.

Система расщепления глицина (СРГ). Система расщепления глицина представляет собой мультиферментативный комплекс, располагающийся только в печеночном митохондриальном матриксе и катализирующим окисление глицина СО₂ и аммиак с образованием НАДН и (N⁵N¹⁰)-метилентетрагидрофолата.

Свободная α - липоевая кислота

Были  получены данные, подтверждающие, что свободная α - липоевая кислота может влиять на различные уровни биохимических процессов. Анализировалось взаимодействие α - липоевой кислоты с различными белковыми системами и было показано, что α - липоевая кислота может быть субстратом, ингибитором или эффектором.

Также сообщалось о влиянии свободной  α - липоевой кислоты на ферментативную активность системы расщепления  глицина [15]. α - липоевая кислота является субстратом для дегидрогеназы липоамида, обнаруженного в сыворотке у  людей.

Также изучалось способность α – липоевого / дегидролипоевого комплекса быть донором водорода в реакции, катализируемой селенопероксидазой [18]. Было также показано, что глутатион-редуктаза также использует α - липоевую кислоту в качестве субстрата [19], что приводит к НАДФ-Н-зависимому образованию дигидролипоевой кислоты.

α - липоевая кислота  как ингибитор  фермента. Также был отмечен ингибиторный эффект α - липоевой кислоты на активность различных ферментов.

Проводился  анализ влияния свободной α - липоевой кислоты на каталазную активность.

Было  высказано предположение о том, что в развитии осложнений сахарного  диабета участвует альдоз-редуктазный  механизм вследствие повышения активности альдоз-редуктазы при гипергликемии [28]. Более того, было показано, что  ингибиторы альдоз-редуктазы обладают благоприятным действием на развитие катаракты, нефропатии и нейропатии у экспериментальных грызунов с сахарным диабетом. α - липоевая кислота в дозе 0,5 мМ ингибировала активность альдоз-редуктазы, которая активировалась гипергликемией, в хрусталике крыс, который инкубировался 20 часов в присутствии 100 мМ глюкозы [29]. Строение α - липоевой кислоты в виде хелатного кольца с металлом в середине может обеспечивать подобную защиту; однако, нельзя исключить влияния восстановительного потенциала α - липоевой кислоты на альдоз-редуктазные сульфгидридные группы [30].

Дозы  α - липоевой кислоты  от 500 до 1000 мг считаются  хорошо-переносимыми дозами препарата  без развития каких-либо побочных эффектов в  плацебо-контролируемых исследованиях [31-33].

α - липоевая кислота  как белковый модификатор.

Было  показано, что дигидролипоевая кислота  и структурные аналоги бис- и  тетранорлипоат, а также амид из липоамида, восстанавливают дисульфидные группы очищенного тиоредоксина Escherischia coli [14, 35]. Это приводит к усилению активности дисульфид-редуктазы этого малого белка, который является определяющим фактором активности ферментов в клеточных системах. Регуляция активности ферментов осуществляется при тиоловом контроле окисления-восстановления [36].

Было показано в исследованиях in vitro, что дигидролипоевая кислота осуществляет восстановление как метгемоглобина в оксигемоглобин, так и феррил-миоглобина а оксигемоглобин [41]. В аналогичном исследовании было показано, что α - липоевая кислота эффективно взаимодействует с феррилгемоглобином. В зависимости от присутствия перекиси водорода, α - липоевая кислота может либо прямо восстанавливать железо гемма в форме метмиогемоглобина или вступать в реакцию с пирролоновыи кольцом, образуя сульфгидрилмиоглобин.

Также был отмечен in vitro эффект α - липоевой кислоты на структурные модификации  бычьего сывороточного альбумина (БСА) и лизосом, индуцированные введением  глюкозы [42].

Зависимое от α - липоевой кислоты снижение окислительного образования Nα-(карбоксиметил)-лизина (основного продукта окислительной  модификации гликированных протеинов) было недавно показано на примере  альбумина сыворотки человека [44]. Более того, α - липоевая кислота препятствовала снижению проницаемости мембран красных кровяных клеток и снижала реактивность протеин-SH-групп в состоянии гипергликемии [45].

Активность  α-липоата в качестве очистителя от свободных  радикалов (таблица 1)

Дитиоловая  природа липоата делает этот компонент высоко активным против ряда реактивных свободных радикалов, но одновременно способствует регенерации окисленных антиоксидантов. Интерес к антиоксидантным свойствам липоата возник после исследований Rosenberg и Culik [46], которые отметили, что назначение α - липоевой кислоты предотвращало развитие симптоматики недостаточности витаминов В и С у морских свинок и витамина Е у крыс.

Различные виды реакций приводят к образованию  свободных радикалов. В качестве ответной реакции на воспалительную стимуляцию высокореактивными кислородными ионами отмечалось резкое респираторное увеличение количества нейтрофилов. Образуется супероксид, который в присутствии супер-оксид-дисмутазы, образует Н₂О₂. Далее он конвертируется в НОСl под действием миелопероксидазы.