Сірководень - нові ліки для судин

1. синтез сірководню
2. Сірководень і серцево-судинна система
3. подальші перспективи

Стаття на конкурс «біо / мовляв / текст»: Сірководень (H2S) поряд з іншими газоподібними молекулами, такими як монооксид вуглецю і монооксид азоту, є важливою внутрішньоклітинної сигнальної молекулою, яка останнім часом стала об'єктом великого числа фундаментальних досліджень. Як виявилося, H2S бере участь в регуляції різноманітних фізіологічних процесів, пов'язаних з регулюванням гомеостазу, імунітету, передачі нервових імпульсів в клітинах центральної і периферичної нервової системи. Однак серед величезного розмаїття біологічних функцій цієї молекули особливе місце виділяють її ролі в регуляції роботи серцево-судинної системи, зокрема - формування нормальних показників артеріального тиску. Виявлення такої властивості молекули H2S поклало початок новому напрямку в фармакології, пов'язаного з пошуком і створенням принципово нової групи антигіпертензивних препаратів, дія яких грунтувалося б на вивільненні молекул H2S.

Ця стаття представлена ​​на конкурс науково-популярних робіт «Біо / мовляв / текст» -2013 в номінації «Своя робота».

Спонсор конкурсу - далекоглядна компанія Thermo Fisher Scientific . Спонсор призу глядацьких симпатій - фірма Helicon .

сірководень багатьом відомий як газ, що володіє поганим запахом тухлих яєць. Перші згадки про сірководні датуються 16 століттям, коли в 1713 році італійський лікар Бернардіно Рамацціні описав вплив сірководню на організм людини в своїй праці «De Morbis Artificum», або «Захворювання робітників». У розділі «Хвороби очищувачів вбиралень та вигрібних ям» він описує хворобливе запалення очей, яке було поширене серед таких робітників. Запалення це часто призводило до приєднання вторинної інфекції, а іноді і до повної сліпоти. Рамадзіні припустив, що під час роботи із зруйнованих екскрементів виділяються невідомі летючі кислоти, які і викликають подразнення очей. Як відомо в даний час, сірководень утворюється всюди, де органічна речовина піддається гниттю [20] .

У 1863 році Фелікс Гоппе-Зейлера досліджував вплив чистого сірководню на кров людини і щодо змін у видимій області спектра поглинання, відповідної гемоглобіну, виявив зелений пігмент. Він назвав нову форму гемоглобіну сульфгемоглобін. Ця знахідка в подальшому привела до народження гіпотези про те, що сірководень поряд з нітритом натрію і оксидом вуглецю (Чадним газом) є кров'яною отрутою. Однак в умовах in vivo цей пігмент так і не був виявлений.

Безпосередні дослідження біологічної дії сірководню почалися на рубежі XX століття, але присвячені вони були переважного вивчення токсичних властивостей сірководню [20] . Розглядати сірководень в якості сигнальної молекули, яка не тільки є токсичним агентом, але і бере участь в регуляції функціональної активності різних клітин нашого організму, стали тільки в кінці XX століття. Початок дослідженням в цій області поклали японські вчені Абе і Кімура, які в 1996 р вперше описали можливість синтезу сірководню в тканинах головного мозку і вказали на його здатність регулювати функції клітин [4] .

Хоча сірководень був виявлений в тканинах головного мозку ще в 1980-х роках, спочатку його вважали за артефакт, який утворився внаслідок швидкого збільшення концентрації сульфідів в тканинах після смерті. При цьому поява сірководню пов'язували з його вивільненням з дисульфідних сполук сірки (так званих «sulfane sulfur») під час препарування тканин [16] .

В даний час сірководень віднесений до групи так званих газотрансміттеров - газоподібних внутрішньоклітинних сигнальних молекул, що виконують в клітці специфічні регуляторні функції. H2S добре розчинний в ліпофільних речовинах. Його розчинність в ліпідах в п'ять разів перевершує розчинність в воді, що зумовлює хорошу проникаючу здатність H2S через мембранні структури клітини і не вимагає участі спеціальних іон-транспортних систем. Константа проникності (РМ) сірководню через біслойную ліпідні мембрани досить висока і становить 0.5 ± 0.4 см / с (для порівняння РМ для кисню становить приблизно 0.0050 ± 0.0006 см / с) [17] . Це дозволяє вважати сірководень високо доступною молекулою, ефективно здійснює свої функції всередині клітин.

Іншими молекулами, що входять в групу газотрансміттеров, є добре відомий монооксид азоту (NO), а також монооксид вуглецю (CO).

синтез сірководню

Внутрішньоклітинний синтез сірководню здійснюється в різних клітинах нашого організму. В даний час відомо три ферменту, в результаті роботи яких синтезується сірководень: цістотіонін-β-синтаза (CBS), цістотіонін-γ-ЛіАЗ (CSE) і 3-меркаптопіруватсульфуртрансфераза (3-MST).

При цьому CBS здійснює синтез сірководню переважно в нервових клітинах. У клітинах гладеньких м'язів кровоносних судин, скорочення-розслаблення яких забезпечує зміна тонусу останніх, синтез сірководню здійснює фермент CSE [16] , [22] , А в ендотеліальних клітинах, що вистилають зсередини просвіт судини, - 3-MST [11] , [21] (Рис. 1).

Малюнок 1. Синтез сірководню. У клітинах гладеньких м'язів кровоносних судин, в кардіоміоцитах синтез сірководню обумовлений активністю ферменту цістотіонін-γ-ліази (CSE), тоді як в ендотеліальних клітинах - комплекс 3-меркаптопіруватсульфуртрансферази (3-MST) і цистеїн-амінотрансферази (CAT). У клітинах органів, що не відносяться до кровоносної руслу, сірководень переважно синтезується завдяки активності цістотіонін-β-синтази (CBS). Хоча фермент CBS локалізована переважно в нейронах і клітинах нейроглії, він також був виявлений в клітинах печінки, нирок, підшлункової залози.

Всі три ферменту використовують як субстрат для синтезу сірководню сірковмісну амінокислоту L-цистеїн, каталізує реакцію його десульфгідратаціі: відбувається відщеплення від цистеїну атома сірки без подальшого його окислення, що веде до утворення H2S. Під дією CSE відбувається перетворення цистину (дисульфід цистеїн) до тіоцістеіна, пірувату і аміаку, з подальшим неферментативним перетворенням тіоцістеіна до цистеїну і H2S (рис. 2). У той же час, CBS використовує дещо інший шлях синтезу H2S, який полягає в конденсації гомоцистеїну з цистеїном, і подальшим утворенням цистатіонін [16] . Як субстрат синтезу сірководню можуть використовуватися і інші сірковмісні амінокислоти, такі як метіонін і цистин.

Малюнок 2. Схема синтезу сірководню в гладком'язових і ендотеліальних клітинах кровоносних судин. Умовні позначення: CAT - цистеїн-амінотрансфераза; CST - цістотіонін-γ-ЛіАЗ; 3МSТ - 3-меркаптопіруват-сульфуртрансфераза; 3МР - 3-меркаптопіруват.

Фермент 3-меркаптопіруват-сульфуртрансфераза (3MST) функціонує в комплексі з іншим ферментом - цистеїн-амінотрансферази (CAT). Виділяють мітохондріальну і цитозольних форми CAT. Використовуючи в якості субстрату сірковмісну амінокислоту L-цистеїн і α-кетоглутарат, CAT продукує 3-меркаптопіруват (3МР), з якого за участю ферменту 3MST синтезується безпосередньо H2S [18] . У відсутності α-кетоглутарата синтез H2S припиняється.

Сірководень і серцево-судинна система

Як показали численні дослідження, однією з систем, де сірководень грає ключову роль як сигнальна молекула, є серцево-судинна система, зокрема - кровоносні судини. Здійснюючи свою регуляторну дію в судинах артеріального русла, він бере активну участь в регуляції артеріального тиску [23] .

Дослідження серед людей показали, що в групі осіб з нормальними показниками артеріального тиску рівень H2S в плазмі крові становив 34 мкМ, тоді як у хворих на артеріальну гіпертонію він був знижений до 20 мкМ. Призначення хворим на артеріальну гіпертонію інгаляцій сірководню сприяло зниженню показників артеріального тиску [29] . При проведенні досліджень на щурах було виявлено, що внутрішньовенне болюсне введення розчину сірководню викликало у них залежне від дози зниження артеріального тиску [16] .

В умовах in vitro донор сірководню гидросульфид натрію (NaHS), активно використовується в експериментальній практиці, також викликав розслаблення різних відділів артеріального і венозного русла: грудної, мезентериальной, ниркової артерій, аорти, ворітної вени і т.д. Незважаючи на істотну роль ендотелію в регуляції судинного тонусу, його видалення не робило істотного впливу на ефекти сірководню в клітинах гладеньких м'язів [16] . Це свідчить про прямий вплив сірководню на клітини гладеньких м'язів через властиві їм регуляторні механізми. Розслаблюючу дію сірководню на клітини гладеньких м'язів пов'язане переважно з відкриванням особливих структур в їх мембрані - калієвих каналів, чутливих до концентрації внутрішньоклітинного джерела енергії - аденозинтрифосфату (АТФ) [10] , [28] .

Зв'язуючись з серосодержащими групами білків цих каналів, сірководень змінює їх просторову конфігурацію і тим самим сприяє відкриванню каналів [2] , [24] . Відкривання калієвих каналів веде до збільшення виходу іонів калію з клітки в міжклітинну середу. У той же час, активації АТФ-чутливих калієвих каналів супроводжується інактивацією потенціал-чутливих кальцієвих каналів L-типу, що забезпечують надходження іонів кальцію (Са2 +) в клітку. Висока внутрішньоклітинна концентрація Са2 + є необхідною умовою розвитку скорочувального відповіді з боку м'язової клітини. Закривання кальцієвих каналів сприяє зниженню концентрації вільного внутрішньоклітинного Са2 + [29] . Ці процеси в сукупності запускають механізми розслаблення в клітинах гладеньких м'язів, що в кінцевому підсумку призводить до зниження тонусу кровоносних судин і артеріального тиску в цілому (рис. 3).

Малюнок 3. Вплив сірководню на мембранні процеси. Сірководень, взаємодіючи з АТФ-чутливими калієвими каналами, викликає їх активацію і збільшення виходу іонів калію з клітки. Внаслідок цього знижується мембранний потенціал на мембрані (гиперполяризация) і инактивируются кальцієві канали. В результаті припинення надходження в клітину іонів кальцію відбувається розслаблення гладком'язових клітини.

У регуляції релаксирующего дії сірководню беруть участь також і інші внутрішньоклітинні молекулярні механізми, проте їх роль не настільки виражена і однозначна [23] .

У ряді досліджень була відзначена цікава особливість сірководню - його здатність в низьких концентраціях викликати скорочення гладких клітин [1] , [6] , [15] . Згідно з однією з гіпотез сірководень зв'язується з добре відомою ендотеліальної сигнальної молекулою оксидом азоту, знижуючи тим самим його концентрацію [19] , [25] . Зниження концентрації цих двох сосудорасслабляющіх молекул є причиною збільшення тонусу судин артеріального русла. Нещодавно було показано, що скоротливий ефект сірководню пов'язаний з активацією особливого мембранного білка - Na +, K +, 2Cl - котранспортера (NKCC), що забезпечує трансмембранний обмін іонів калію, натрію і хлору [3] . Перерозподіл цих іонів є причиною розвитку скорочення.

Фізіологічна роль скорочувального ефекту сірководню до кінця не ясна: чи є він побічним продуктом якихось внутрішньоклітинних молекулярних реакцій, або ж несе на собі функціональне навантаження? У першому випадку збільшення тонусу судин може бути результатом взаємодії сірководню з активними формами кисню, що призводить як до зниження концентрації самого сірководню, так і утворення продуктів, здатних викликати скоротливий відповідь з боку гладком'язових клітин. Другий же випадок передбачає специфічну активацію сірководнем іонних механізмів, спрямованих на розвиток короткочасного локального спазму, наприклад, в разі порушення цілісності судинної стінки [12] .

У серці сірководень знижує скоротність міокарда як в умовах in vitro, так і в умовах in vivo [9] , [27] . Цей ефект також частково пов'язаний з активацією АТФ-чутливих калієвих каналів мембран кардіоміоцитів [16] . В експериментах по моделюванню інфаркту міокарда у щурів було виявлено, що концентрація сірководню в міокарді і плазмі крові таких щурів була на 60% нижче в порівнянні з контрольною групою. При цьому введення NaHS знижувало рівень смертності серед щурів з інфарктом міокарда за рахунок зменшення його скоротливості і гальмування некрозу кардіоміоцитів [8] .

подальші перспективи

З огляду на роль сірководню в регуляції тонусу кровоносних судин, вчені всього світу активно взялися за розробку лікарських засобів, дія яких грунтувалося б на підвищення або пониження в крові концентрації цього газотрансміттера. В даний час можливі молекули-кандидати на роль лікарських з'єднань можна розділити на дві групи: молекули, які, розчиняючись, безпосередньо вивільняють сірководень (NaHS, Na2S, GYY4137) і молекули-предиктори ендогенного синтезу сірководню (N-ацетилцистеїн, L-цистеїн) [7] .

N-ацетилцистеїн і L-цистеїн - попередники синтезу ендогенного H2S. Збільшення внутрішньоклітинної концентрації цих молекул викликає додаткову активацію ферментів CSE і CBS і, отже, посилення синтезу H2S. Істотною перевагою цих молекул є практично повна відсутність побічних ефектів. Однак труднощі, пов'язані з регулюванням кінцевої концентрації утворюється H2S, вносять свої обмеження на використання N-ацетилцистеїну і L-цистеїну в клінічній практиці [26] .

Можливі молекули-претенденти на роль нового лікарського речовини повинні володіти рядом властивостей. По-перше, вони повинні бути добре розчинні у воді. По-друге, не повинні надавати токсичної дії. По-третє, не повинні швидко метаболизироваться в організмі. І по-четверте, володіти пролонговану дію, що можливо при досить повільному вивільненні сірководню молекулою-донором в умовах in vivo.

В даний час в експериментальній практиці найбільш часто в якості донора сірководню використовуються гидросульфид натрію (NaHS) і сульфід натрію Na2S. Однак при розчиненні цих молекул відбувається занадто швидке вивільнення сірководню, що в умовах in vivo викликає різке падіння артеріального тиску, аж до судинного колапсу [16] . Процес вивільнення сірководню в цьому випадку важко контролюється, що робить NaHS і Na2S непридатними для використання в терапевтичних цілях.

Нещодавно Лі з співавторами [14] отримали з реактиву Лавессона нову молекулу-донор сірководню, яку вони позначили як GYY4137 (рис. 4). На відміну від гидросульфида натрію, GYY4137 вивільняє сірководень поступово, що робить цю молекулу більш перспективною для подальших фармакологічних досліджень. У моделях на щурах в умовах in vivo та in vitro дослідники встановили, що GYY4137 володіє судинно-розслаблюючі властивості і має антигіпертензивну дію.

Малюнок 4. Схема синтезу GYY4137 з реактиву Лавессона

Іншим напрямком в розробках «сірководневих» препаратів є вбудовування сірководень-вивільняє угруповань в уже наявні і широко використовуються лікарські молекули. Альтернативні донори сірководню можуть бути отримані шляхом додавання сульфідних груп до нестероїдних протизапальних препаратів. Наприклад, S-диклофенак містить тіонові групи, прикріплені ефірними зв'язками до молекули-носія, які в розчині грають роль джерела сірководню [13] . Вбудовування тіолових угруповань в молекулу силденафілу призводить до розвитку ефекту, пов'язаного з істотною релаксацією гладких клітин кавернозних тел [7] .

В останні роки велика увага залучили полісульфідні з'єднання часнику. Були виявлені їх вазоактивні властивості: одне із з'єднань - Діалло дисульфід (DADS) - викликало розслаблення кільцевих сегментів аорти щура. Полісульфідні з'єднання часнику не тільки є попередниками H2S, а й здатні самостійно викликати зміни конформації молекул білків в клітинних мембранах.

Перспективною молекулою-донором сірководню є одержуваний з часнику S-аллілцістеін, який має виражену кардіопротекторну дію (рис. 5). Однак поки не до кінця ясно, чи є він попередником сірководню або ж модулює функцію ферментів, пов'язаних з синтезом останнього [26] .

Малюнок 5. Серосодержащіе з'єднання часнику. З часнику отримують два класи органічних сполук сірки: жиророзчинні (а) і водорозчинні (б) аллільних сполуки сірки, які утворюються з глікозиду аллііна. Жиророзчинні аллільних сполуки сірки, такі як Діалло сульфід (DAS), Діалло дисульфід (DADS) і Діалло трисульфід (DATS) звільняються з аллііна. Ця реакція каталізується ферментом аллііназой, який вивільняється при подрібненні часнику. Водорозчинні сполуки сірки (S-аллілцістеін (SAC) і S-аллілмеркаптоцістеін) отримують при тривалій інкубації дробленого часнику в водних розчинах.

З метою зниження патологічно високої концентрації сірководню можна використовувати інгібітори ферментів його синтезу. До них відноситься DL-пропаргілгліцін, який, володіючи високими ліпофільні властивості, легко проникає через мембрану клітини, не викликаючи видимих ​​її пошкоджень. Однак DL-пропаргілгліцін пригнічує не тільки CSE-фермент синтезу сірководню в серцево-судинній системі, а й CBS, що може стати причиною появи безлічі небажаних побічних ефектів, пов'язаних з порушенням регуляції функції інших органів [26] .

Таким чином, існуючі в даний час напрацювання в області створення донорів сірководню, придатних для використання в терапевтичних цілях, знаходяться на ранній стадії свого розвитку і явно недостатні. Розробка, синтез і опис властивостей нових донорів сірководню і селективних інгібіторів ферментів його ендогенного синтезу має надзвичайно важливе значення для створення нової групи лікарських препаратів і, можливо, дозволить просунутися вперед в боротьбі з серцево-судинними захворюваннями [5] .

1. Баскаков М.Б., Гусакова С.В., Жолудєва А.С., Смаглій Л.В. та ін. (2010). Вплив сірководню на скорочувальну активність гладких клітин аорти щура. «Бюлл. сіб. мед. ». 6, 12-17;
2. Резник Н.Л. (2009). Третій газ. «Хімія і життя». 10, 40-46;
3. Смаглій Л.В. (2013). Роль Na +, K +, 2Cl - котранспорта в механізмах вазоконстрикторної дії сірководню . «Сучасні проблеми науки та освіти». 2;
4. K Abe, H Kimura. (1996). The possible role of hydrogen sulfide as an endogenous neuromodulator . J. Neurosci. . 16, 1066-1071;
5. Giuseppe Caliendo, Giuseppe Cirino, Vincenzo Santagada, John L. Wallace. (2010). Synthesis and Biological Effects of Hydrogen Sulfide (H2S): Development of H2S-Releasing Drugs as Pharmaceuticals . J. Med. Chem. . 53, 6275-6286;
6. Roberta d'Emmanuele di Villa Bianca, Rosalinda Sorrentino, Ciro Coletta, Emma Mitidieri, Antonietta Rossi, et. al .. (2011). Hydrogen Sulfide-Induced Dual Vascular Effect Involves Arachidonic Acid Cascade in Rat Mesenteric Arterial Bed . J Pharmacol Exp Ther. 337, 59-64;
7. David J Elsey, Robert C Fowkes, Gary F Baxter. (2010). Regulation of cardiovascular cell function by hydrogen sulfide (H2S) . Cell Biochem. Funct. . 28, 95-106;
8. Bin Geng, Lin Chang, Chunshui Pan, Yongfen Qi, Jing Zhao, et. al .. (2004). Endogenous hydrogen sulfide regulation of myocardial injury induced by isoproterenol . Biochemical and Biophysical Research Communications. 318, 756-763;
9. Bin Geng, Jinghui Yang, Yongfen Qi, Jing Zhao, Yongzheng Pang, et. al .. (2004). H2S generated by heart in rat and its effects on cardiac function . Biochemical and Biophysical Research Communications. 313, 362-368;
10. Guanghua Tang, Lingyun Wu, Wenbin Liang, Rui Wang. (2005). Direct Stimulation of KATP Channels by Exogenous and Endogenous Hydrogen Sulfide in Vascular Smooth Muscle Cells . Mol Pharmacol. 68, 1757-1764;
11. P. Kamoun. (2004). Endogenous production of hydrogen sulfide in mammals . Amino Acids. 26;
12. Madhav Lavu, Shashi Bhushan, David J. Lefer. (2011). Hydrogen sulfide-mediated cardioprotection: mechanisms and therapeutic potential . Clinical Science. 120, 219-229;
13. Ling Li, Giuseppe Rossoni, Anna Sparatore, Lin Chiou Lee, Piero Del Soldato, Philip Keith Moore. (2007). Anti-inflammatory and gastrointestinal effects of a novel diclofenac derivative . Free Radical Biology and Medicine. 42, 706-719;
14. Ling Li, Matthew Whiteman, Yan Yi Guan, Kay Li Neo, Yvonne Cheng, et. al .. (2008). Characterization of a Novel, Water-Soluble Hydrogen Sulfide-Releasing Molecule (GYY4137) . Circulation. 117, 2351-2360;
15. Jia Jia Lim, Yi-Hong Liu, Ester Sandar Win Khin, Jin-Song Bian. (2008). Vasoconstrictive effect of hydrogen sulfide involves downregulation of cAMP in vascular smooth muscle cells . American Journal of Physiology-Cell Physiology. 295, C1261-C1270;
16. Lowicka E., Beltowski J. (2007). Hydrogen sulfide - the third gas of interest for pharmacologists . Pharmacol. Reports. 59, 4-24;
17. JC Mathai, A. Missner, P. Kugler, SM Saparov, ML Zeidel, et. al .. (2009). No facilitator required for membrane transport of hydrogen sulfide . Proceedings of the National Academy of Sciences. 106, 16633-16638;
18. N. Shibuya, Y. Mikami, Y. Kimura, N. Nagahara, H. Kimura. (2009). Vascular Endothelium Expresses 3-Mercaptopyruvate Sulfurtransferase and Produces Hydrogen Sulfide . Journal of Biochemistry. 146, 623-626;
19. Nini Skovgaard, Anja Gouliaev, Mathilde Aalling, Ulf Simonsen. (2011). The Role of Endogenous H2S in Cardiovascular Physiology . CPB. 12, 1385-1393;
20. Smith RP (2010). A short history of hydrogen sulfide . American Scientist. 98, 6;
21. MH Stipanuk, PW Beck. (1982). Characterization of the enzymic capacity for cysteine ​​desulphhydration in liver and kidney of the rat . Biochemical Journal. 206, 267-277;
22. Wagner CA (2009). Hydrogen sulfide: a new gaseous signal molecula and blood pressure regulator . J. Nephrol. 22, 173-176;
23. RUI WANG. (2002). Two's company, three's a crowd: can H2S be the third endogenous gaseous transmitter? . The FASEB Journal. 16, 1792-1798;
24. Warenycia MW, Steele JA, Karpinski E., Reiffenstein RJ (1989). Hydrogen sulfide in combination with taurine or cysteic acid reversibly abolishes sodium currents in neuroblastoma cells . Neurotoxicology. 10, 191-199;
25. George D. Webb, Lay Har Lim, Vernon MS Oh, Soh Bee Yeo, Yoke Ping Cheong, et. al .. (2008). Contractile and Vasorelaxant Effects of Hydrogen Sulfide and Its Biosynthesis in the Human Internal Mammary Artery . J Pharmacol Exp Ther. 324, 876-882;
26. Wei Guo, Ze-yu Cheng, Yi-zhun Zhu. (2013). Hydrogen sulfide and translational medicine . Acta Pharmacol Sin. 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. Weimin Zhao, Rui Wang. (2002). H2S-induced vasorelaxation and underlying cellular and molecular mechanisms . American Journal of Physiology-Heart and Circulatory Physiology. 283, H474-H480;
29. W. Zhao. (2001). The vasorelaxant effect of H2S as a novel endogenous gaseous KATP channel opener . The EMBO Journal. 20, 6008-6016.