Ейкозаноїди утворюються з 20-вуглецевих поліненасичених жирних кислот

Ейкозаноїди – це родина високоактивних сигнальних молекул, що діють як месенджери близької дії, тобто впливають на тканини, розташовані поблизу тих клітин, де синтезуються ці молекули. У відповідь на гормональні чи інші сигнали наявна у більшості клітин ссавців фосфоліпаза А₂ атакує мембранні фосфоліпіди, відщеплюючи арахідонат від середнього вуглецевого атома гліцеролу. Далі під дією ензимів гладкого ЕР арахідонат перетворюється на простагландини. Спочатку утворюється простагландин Н₂ (ПГН₂), що є безпосереднім попередником у синтезі багатьох інших простагландинів та тромбоксанів ( Рис. 21 – 15а). Дві необхідні для утворення ПГН₂ реакції каталізує біфункціональний ензим циклооксигеназа (ЦО), яку інакше ще називають простагландин-Н₂-синтазою. У першій реакції за рахунок циклооксигеназної активності ензиму до складу арахідонової кислоти вводиться молекулярний кисень, внаслідок чого утворюється ПГG₂. У другій реакції під дією пероксидазної активності циклооксигенази ПГG₂ перетворюється на ПГН₂.

Аспірин (ацетилсаліцилат, рис. 21 – 15б) необоротно інактивує циклооксигеназну активність ЦО шляхом ацетилювання залишку Ser і блокування активного центру ензиму, внаслідок чого пригнічується синтез простагландинів і тромбоксанів. Ще одним поширеним нестероїдним протизапальним препаратом (НСПЗП) є ібупрофен ( Рис. 21 – 15с), який також інгібує цей ензим. Нещодавне відкриття наявності двох ізозимів ЦО сприяло розробці НСПЗП більш спрямованої дії з мінімальними побічними ефектами ( Додаток 21 – 2).

У тромбоцитах крові міститься тромбоксансинтаза, яка перетворює ПГН₂ на тромбоксан А₂, що є попередником у синтезі інших тромбоксанів ( Рис. 21 – 15а). Тромбоксани викликають звуження кровоносних судин та агрегацію тромбоцитів, тобто впливають на ранні етапи згортання крові. Регулярне вживання аспірину у низьких дозах знижує вірогідність серцевого нападу та інсульту, оскільки утворення тромбоксанів пригнічується.

Тромбоксани, так само як і простагландини, містять у своєму складі п'яти- або шестиатомне кільце, тому шлях від арахідонату до сполук цих двох класів інколи називають "циклічним" шляхом, щоб підкреслити його відмінність від "лінійного" шляху утворення з арахідонату лінійних сполук лейкотрієнів ( Рис. 21-16). Синтез лейкотрієнів починається з включення до складу арахідонату молекулярного кисню, яке каталізують декілька типів ліпоксигеназ. Ці ензими виявлені у лейкоцитах, серці, мозку, легенях та селезінці і є оксидазами зі змішаною функцією, що використовують цитохром Р-450 ( Додаток 21-1). Окремі лейкотрієни розрізняють за положенням пероксидної групи, яку вводять ліпоксигенази. Лінійний шлях перетворення арахідонату, на відміну від циклічного шляху, не пригнічується аспірином або іншими НСПЗП.

Рослини також здатні синтезувати сигнальні молекули з жирних кислот. Як і у тваринному організмі, ключовим етапом в ініціації сигналювання у рослин є активація специфічної фосфоліпази, а жирнокислотним субстратом, що вивільняється зі складу фосфоліпідів, - α-ліноленат. Далі ліпоксигеназа каталізує першу реакцію на шляху перетворення ліноленату на жасмонат – сполуку, якій властива сигнальна роль у таких процесах, як захист від комах, стійкість до грибкових патогенів, дозрівання пилку. Жасмонова кислота (див. рис. 12-28) впливає також на проростання насіння, ріст кореня, розвиток плодів та насіння.

‑‑‑‑‑‑‑‑‑‑‑‑‑‑‑‑‑‑‑‑‑‑‑‑‑‑‑‑‑‑‑‑‑‑‑‑‑‑‑‑‑‑‑‑‑‑‑‑‑‑‑‑‑‑‑‑‑‑‑‑‑‑‑‑‑‑‑‑‑‑‑‑‑‑‑‑‑‑‑‑‑‑‑‑‑‑‑‑‑‑‑‑‑‑‑‑‑‑‑‑‑‑‑

Додаток 21 – 2. Біохімія в медицині

Терапевтичний ефект залежить від (активного) центру: ізозими циклооксигенази та пошук препарату, кращого за аспірин

Щороку населення в усьому світі споживає декілька тисяч тон аспірину ( ацетилсаліцилату) для полегшення таких симптомів, як головний біль чи біль м’язів, запалення суглобів, лихоманка. Оскільки аспірин пригнічує агрегацію тромбоцитів та згортання крові, то його також призначають у низьких дозах для лікування пацієнтів у разі ризику серцевого нападу. Лікувальні властивості таких сполук, як саліцилати, у тому числі і аспірину, вперше описано 1763 р., коли Едмунд Стоун з Англії помітив, що кора верби Salix alba є дієвим засобом проти лихоманки, болю та ломоти. У 1830-х рр німецьким хімікам вдалося очистити активні компоненти з кори верби та ще з однієї збагаченої на саліцилати рослини, таволги в’язолистої (Spiraea ulmaria). Однак саліцилат виявився гірким на смак, а його використання мало деякі неприємні побічні ефекти, у тому числі іноді і сильне подразнення шлунку. Щоб вирішити ці проблеми, Фелікс Гоффман та Артур Айхенгрун, які працювали у Німеччині в компанії Байер, 1897 р. синтезували ацетилсаліцітат. Цей новий препарат спричиняв менше побічних ефектів, ніж саліцилат, і 1899 р. надійшов у продаж під торговою назвою Аспірин (а - від слова ацетил, а spir - від німецького слова Spirsaure, що є назвою кислоти, отримуваної з рослини Spiraea). Упродовж декількох років аспірин набув широкого використання.

Аспірин (тепер це загальна назва) є один з численних представників нестероїдних протизапальних препаратів (НСПЗП), до яких належать також ібупрофен та напроксен ( див. Рис. 21-15), усі ці препарати перебувають у вільному продажі. На жаль, аспірин лише послаблює, але не усуває побічні ефекти саліцилатів. Іноді аспірин може спричиняти шлункову кровотечу, ниркову недостатність, а у крайніх випадках - навіть смерть. Тому існує потреба у створенні нових НСПЗП, які б діяли так само ефективно, як аспірин, але не спричиняли побічних ефектів.

Аспірин та інші НСПЗП пригнічують циклооксигеназну активність простагландин- Н₂-синтази (або інакше циклооксигенази, ЦО) - ензиму, що приєднує молекулярний кисень до арахідонату на першому етапі синтезу простагландинів ( див. Рис. 21 – 15а). Простагландини регулюють різноманітні фізіологічні процеси, у тому числі агрегацію тромбоцитів, скорочення матки, біль, запалення, секрецію муцинів, що захищають слизову оболонку шлунка від дії кислоти та протеолітичних ензимів. Подразнення шлунку, яке є одним із найпоширеніших побічних ефектів аспірину, розвивається внаслідок спричиненого ліками порушення секреції шлункового муцину.

У ссавців існують два ізозими простагалндин-Н₂-синтази - циклооксигеназа-1 (ЦО-1) та циклооксигеназа-2 (ЦО-2). Ці ізозими виконують різні функції, проте дуже подібні за амінокислотними послідовностями ( 60-65% їх є ідентичними) та за механізмом каталізу в обох каталітичних центрах. ЦО-1 відповідає за синтез простагландинів, що регулюють секрецію муцину у шлунку, а ЦО-2 - за синтез простагландинів, що опосередковують виникнення запалення, болю та лихоманки. Аспірин майже з однаковою ефективністю інгібує активність обох ізозимів, тому застосування препарату у дозах, достатніх для зменшення запальних процесів, викликає також ризик подразнення шлунку. Зусилля багатьох дослідників спрямовані на створення нових НСПЗП, які б специфічно пригнічували активність ЦО-2, і деякі з таких препаратів уже розроблено.

Пошук специфічних інгібіторів ЦО-2 значо прискорився після того, як було з'ясовано детальну тривимірну структуру молекул ЦО-1 та ЦО-2 ( Рис. 1). Обидва протеїни - гомодимери. У складі кожного мономеру ( M_r 70000) міститься амфіпатичний домен, який проникає в ЕР, проте не пронизує його; завдяки цьому ензим закріплюється на порожнинній поверхні ЕР ( таке топологічне розміщення ензиму є досить незвичним - як правило, гідрофобні ділянки інтегральних мембранних протеїнів пронизують увесь бішар). Обидва каталітичні центри ензиму містяться у глобулярному домені, що виступає у порожнину ЕР.

ЦО-1 та ЦО-2 мають практично однакову третинну та четвертинну структури, однак дещо розрізняються за структурою видовженого тонкого гідрофобного каналу, що простягається від внутрішньої частини мембрани до поверхні порожнини. У каналі розташовані обидва каталітичні центри, припускають, що саме тут відбувається зв'язування гідрофобного субстрата - арахідонату. ЦО-1 та ЦО-2 кристалізували у присутності декількох різних представників НСПЗП, що дозволило виявити центр зв'язування НСПЗП (рис.1). Зв'язуючись з ензимом, ліки блокують гідрофобний канал і запобігають надходженню арахідонату. Ензимологи використовують існування незначної відмінності у структурі каналів ЦО-1 та ЦО-2 для створення НСПЗП, що селективно зв'язуються з ЦО-2, а тому інгібують її ефективніше, ніж активність ЦО-1. Два з таких препаратів було рекомендовано для використання в усьому світі - це целекоксиб (торгова марка - сelebrex) для лікування остеоартритів і ревматоїдних артритів, та рофекоксиб (Vioxx) для лікування остеоартритів та болю скелетних м'язів ( Рис. 2). Клінічні випробуваня підтвердили, що ці препарати ефективні і спричиняють значно слабші побічні ефекти, ніж аспірин та інші НСПЗП. Отже, інформація про точну структурну організацію активного центру ензимів має визначальне значення для створення лікарських препаратів з високим ступенем ефективності та специфічності.

Рисунок 1 Структура ЦО-1 та ЦО-2. (а) Молекула ЦО-1 зі зв'язаним інгібітором родини НСПЗП (флюрбіпрофеном, позначено помаранчевим кольором; PDB ID 3PGH). Ензим складається з двох ідентичних мономерів (сірого та блакитного кольорів), кожен з яких містить три домени: домен, що включає чотири амфіпатичні спіралі і закріплює ензим у мембрані; другий домен за будовою дещо нагадує домен епідермального фактора роста; третій домен – каталітичний, окрім каталітичних центрів циклооксигенази та пероксидази містить також гідрофобний канал, де зв'язується субстрат (арахідонат). Гем, що входить до складу активного центру пероксидази, позначено червоним кольором, а залишок Tyr³⁸⁵ у складі активного центру циклооксигенази – бірюзовим. Важливу роль у каталітичній активності відіграють також залишки Arg¹²⁰ (темноблакитний), His³⁸⁸ (зелений) та Ser⁵³⁰( жовтий). Флюрбіпрофен блокує доступ до активного центру ензиму.

Флюрбіпрофен

(б) Зображення контурів поверхні молекул ЦО-1 та ЦО-2, розташованих поруч. Ліворуч знаходиться ензим ЦО-1 вівці зі зв'язаним інгібітором ібупрофеном (PDB ID 1EQG), а праворуч – ензим ЦО-2 миші з подібним інгібітором Sc-558. Інгібітори (червоного кольору) частково занурені всередину наведених структур. Хоча ЦО-1 та ЦО-2 дуже подібні, але у структурі їхніх активних центрів та каналів все ж існують незначні відмінності, яку ензимологи використовують для пошуку інгібіторів, специфічних до того чи іншого ензиму.

Рисунок 2 Хімічна структура двох специфічних до ЦО-2 препаратів, що у 1000 разів міцніше зв'язуються з ЦО-2, ніж з ЦО-1.

Целекоксиб ( Celebrex) Рофекоксиб ( Vioxx )

Підсумок 21.1 Біосинтез жирних кислот та ейкозаноїдів

• Довголанцюгові насичені жирні кислоти синтезуються з ацетил-CoA під дією цитозольного комплексу, що складається з шести ензимів та ацилпереносного протеїну (АПП). Комплекс синтази жирних кислот у деяких організмах представлений мультифункціональними поліпептидами і містить два типи –SH-груп (один з них постачає фосфопантетеїн у складі АПП, а інший – залишок Cys у складі β-кетоацил-АПП-синтази), які функціонують як переносники ацильних проміжних продуктів.

• Малоніл-АПП, що утворюється з ацетил-CoA (який надходить із мітохондрій за допомогою човникового механізму) та СО₂, вступає у реакцію конденсації з ацетилом, зв’язаним з –SH-групою залишку Cys. Внаслідок реакції утворюється ацетоацетил-АПП та вивільняється СО₂. Далі відбувається наступна послідовність реакцій: відновлення до D-β-гідроксипохідного, дегідратація до транс-²-ненасиченого ацил-АПП, відновлення до бутирил-АПП. Донором електронів в обох реакціях відновлення є NADPH. Регуляція синтезу жирних кислот здійснюється на етапі утворення малоніл-CoA.

• Ще шість молекул малоніл-АПП послідовно реагують з карбоксильним кінцем нарощуваного ланцюга жирної кислоти з утворенням пальмітоїл-АПП – кінцевого продукту реакції синтази жирних кислот. Унаслідок реакції гідролізу вивільняється пальмітат.

• З пальмітату може синтезуватися довший 18-вуглецевий стеарат. Під дією оксидаз зі змішаною функцією пальмітат та стеарат зазнають десатурації з утворенням пальмітолеату та олеату відповідно.

• Ссавці не здатні синтезувати лінолеат і повинні отримувати його з рослинною їжею; вони перетворюють екзогенний лінолеат на арахідонат – попередник у синтезі родини високоактивних сигнальних молекул ейкозаноїдів (простагландинів, тромбоксанів та лейкотрієнів).