Хемоинформационный анализ молекулы оротовой кислоты указывает на противовоспалительные, нейропротекторные и кардиопротекторные свойства лиганда магния


О.А. Громова, И.Ю. Торшин, А.Г. Калачева, Л.Э. Федотова, А.Н. Громов, К.В. Рудаков

1 РСЦ Института микроэлементов ЮНЕСКО, Москва 2 ГБОУ ВПО «Московский физико-математический институт», Москва 3 ГБОУ ВПО «Ивановская государственная медицинская академия» МЗ РФ, Иваново Автор для связи: О.А. Громова – д.м.н., проф. кафедры фармакологии с клинической фармакологией, зав.курсом клинической фармакологии ГБОУ ВПО «Ивановская государственная медицинская академия», зам. директора по научной работе РСЦ Института микроэлементов ЮНЕСКО; e-mail: unesco.gromova@gmail.com
Обеспеченность организма магнием принципиально важна для здоровья. Известно, что препараты на основе солей магния с органическими кислотами, в которых анион кислоты служит «переносчиком» магния внутрь клеток, характеризуются высокой биоусвояемостью. В то же время эти анионы-переносчики могут обладать и самостоятельными «целевыми» эффектами, также важными для поддержания тех или иных систем организма. В статье представлены результаты впервые проведенного хемоинформационного анализа молекулы оротовой кислоты (ОК). Установлено сходство оротата с рядом молекул метаболома человека и с различными лекарственными веществами. Результаты анализа отчасти объясняют известную из клинической практики эффективность использования оротата магния у пациентов кардиологического профиля. Кардиопротекторные эффекты ОК могут осуществляться за счет регуляции фермента N-ацетилглюкозаминтрансферазы, ингибирования фосфодиэстераз, регуляции эффектов кофермента PQQ и, возможно, противовоспалительного действия. Кроме того, результаты хемоинформационного анализа указывают на антиоксидантные, иммуномодулирующие, нейропротекторные свойства ОК, которые в настоящее время остаются практически неисследованными. Таким образом, результаты анализа указывают на то, что ОК является самостоятельным действующим веществом, эффекты которого синергидны магнию, а также на перспективы дальнейших исследований по использованию оротата магния в клинической практике.

Введение

Ионы магния жизненно необходимы для функционирования нервной, сердечно-сосудистой, мочевыделительной и других систем организма. Для компенсации повсеместно распространенной пищевой недостаточности магния используются различные неорганические и органические его соединения, значительно различающиеся по фармакокинетике и в фармакодинамике. Перспективно использование препаратов на основе органических солей магния, характеризующихся более высокой биоусвояемостью по сравнению с неорганическими солями [1].

Каждый препарат на основе той или иной органической соли магния имеет ряд особенностей при клиническом применении. Например, оротат магния (ОМ) в отличие от неорганических оксида или сульфата магния не оказывает слабительного действия и не понижает кислотность желудка. Показана эффективность ОМ при состояниях, сопровождающихся дефицитом магния, в т. ч. у больных, подвергшихся коронарной хирургии [2–4]. Клиническая практика показывает, что ОМ оказывает антиаритмическое и сосудорасширяющее действия, благоприятно влияет на клиническое течение инфаркта миокарда и сердечной недостаточности [5]. Во многом эти эффекты обусловлены самим ионом магния (Mg2+), биодоступность которого значительно повышена за счет использования органического лиганда для его связывания. Возникает резонный вопрос – каков вклад собственно лиганда (оротат-аниона) в молекулярно-фармакологические свойства ОМ?

Оротовая кислота (ОК) образуется в организме в качестве промежуточного продукта при синтезе пиримидиновых нуклеотидов (оротидинфосфата, уридинтрифосфата, цитидинтрифосфата) [6]. Среди продуктов питания наибольшее количества ОК содержат козье и коровье молоко, морковь и свекла. ОК и ее производные являются нутриентами для микробиоты [7]. Например, геномы молочнокислых бактерий Lactobacillus содержат гены, кодирующие специальные белки для транспорта и биотрансформаций ОК [8]. В научной литературе ОК известна под многими синонимами (orotic acid, orodin, orotonin, oroturic, orotyl, orotate, vitamin b13, 6-uracilcarboxylic acid, lactinium, whey factor и др.) и по своей химической структуре является гетероциклическим соединением – 2,6-диоксипиримидин-4-карбоновой кислотой (рис. 1).

В настоящей работе проводится анализ фармакологических «возможностей» химической структуры ОК на основе хемоинформационного подхода – сравнения химической структуры молекулы оротата (молекулярной структуры с недостаточно изученными молекулярно-фармакологическими свойствами) с десятками тысяч других молекул (для которых молекулярно-фармакологические свойства известны). Данное сравнение было проведено с использованием современных методов прикладной математики и интеллектуального анализа данных [9–16], разработанных в рамках алгебраического подхода к распознаванию научной школы акад. РАН Ю.И. Журавлева и чл.-корр. РАН К.В. Рудакова [10–14].

Методы

Хемоинформатика – область исследований на стыке структурной химии, фармакологии и биоинформатики, в которой взаимосвязи типа «химическая структура–свойство вещества» исследуются методами современной информатики. В настоящей работе для проведения хемоинформационного анализа (ХИА) был разработан новый математический метод, основанный на комбинаторной теории разрешимости [9–12]. Имеющиеся в публичном доступе системы для поиска структур, схожих с заданной молекулой (PubChem, ChemSpider и др.), не позволяют получать интересные результаты с практической точки зрения.

Комбинаторная теория разрешимости, представляющая собой развитие алгебраического подхода к задачам распознавания, является современным инструментом для исследования признаковых описаний объектов. В случае задачи установления молекул, химическая структура которых схожа с заданной, объектами исследования являются хемографы. Хемограф (χ-граф) – особая разновидность графа (т. е. математического объекта, являющегося совокупностью множества вершин и множества ребер – связей между вершинами). Хемографом называется конечный связный неориентированный размеченный граф без петель с кликовым числом, не превышающим 3.

В рамках комбинаторной теории разрешимости χ-графы рассматриваются как объекты, а их инварианты (или кортежи инвариантов) – как признаковые описания объектов. В применении к хемографам практически важны теорема о полноте кортежей инвариантов произвольного хемографа и теорема соответствия критерия полноты инварианта критерию разрешимости/регулярности, основной результат которых можно записать в следующей форме: (1), где Pr – множество прецедентов графов (полученный из заданного набора молекулярных структур); iso(G) – метка, указывающая на принадлежность графа G к некоторому классу изоморфных графов (очевидна из описаний молекулы в базе данных химических структур); χ – множество элементарных χ-инвариантов (фрагментов химической структуры); – кортеж-инвариант (список фрагментов структур, применимый к структуре любой молекулы). Если условие (1) выполнено для заданного множества χ, то χ обеспечивает разрешимость задачи над Pr и позволяет систематически исследовать все фрагменты углеродных скелетов органических молекул. Если множество Pr регулярно, т. е. не содержит двух идентичных хемографов (молекул), то множество χ устанавливается на основе стандартного подхода к вычислению характеристической функции множества информативных значений признаков T(α) [11] для множества χ, так что T(α), α определяется на основе выбора элемента кортеж-инварианта (т. е. типа фрагмента углеродного скелета) с наибольшим рангом информативности α: (2).

Данная процедура способствует находить такой кортеж-инвариант, который бы позволял отличать каждый хемограф (молекулу) в Pr от всех остальных. Тестирование (1, 2) проведено на случайных выборках 50 тыс. попарно различных структур молекул из базы данных PubChem [17] с использованием бинарных кортеж-инвариантов над множеством χ-цепей (цепных фрагментов химической структуры) длины n (n = 1… 7). В результате вычислений было установлено, что при n = 7 аккуратность отличения одной молекулы от другой составила 99,4 % и даже при более коротких длинах χ-цепей (n = 4, 5) достигались довольно высокие показатели аккуратности (93… 97 %).

С использованием полученного множества χ и метрики Хэмминга функция расстояния между хемографами dχ над бинарными χ-инвариантами определяется следующим образом: (3).

Данное выражение, отражающее «химическое расстояние» между двумя произвольными молекулами, и было использовано для решения задачи поиска молекул, структурно схожих с ОК.

Результаты

С использованием описанного выше метода анализа хемографов был проведен анализ схожести химической структуры молекулы ОК (оротат-аниона) с молекулами в базе данных метаболома человека и в базах данных лекарственных средств. Как известно, метаболомом называется совокупность всех низкомолекулярных веществ (т. е. с низкими молекулярными массами – не более 1000 дальтон), найденных в клетках и тканях организма. Установление схожести молекулярной структуры действующего начала препарата с элементами метаболома принципиально важно для установления всех эффектов воздействия препарата на организм [18].

В качестве модели метаболома человека использовалось более 40 тыс. соединений, приведенных в базе данных HMDB (Human Metabolome Database) [19]. В их число входит большинство соединений, измеряемых в плазме крови человека, включая экзогенные вещества (в частности, лекарственные препараты).

В соответствии с упомянутым в разделе «Методы» подходом к анализу множеств хемографов были рассчитаны расстояния dχ от структуры молекулы оротата до структур всех молекул в модели метаболома. Гистограмма полученных расстояний (рис. 2) показывает, что структуры большинства молекул метаболома находились на большом расстоянии (dχ более 0,8) от молекулы оротата и только 200... 300 молекул находились на сколько-нибудь приемлемом расстоянии (dχ = 0,7 и менее).

В результате использования порога dχ < 0,8 был получен список из 632 молекул, наиболее близких к оротату по химической структуре. Для каждой из этих молекул из баз данных HMDB и PubChem были извлечены текстовые описания, проведен анализ средних химических расстояний и частоты встречаемости различных ключевых слов в этих текстовых описаниях (рис. 3). Полученные результаты позволяют сделать несколько интересных выводов.

Во-первых, в описаниях молекул наиболее часто встречались термины, относящиеся к особенностям химической структуры молекул: кольцо (молекула оротата содержит кольцевой фрагмент), ароматический (кольцо в оротате – ароматическая система), подобная пирролу и бензойной кислоте. Среди таких терминов наименьшими значениями среднего химического расстояния характеризовались пурин (0,65 ± 0,18) и пиримидин (0,68 ± 0,21), что наглядно иллюстрирует адекватность используемого метода для анализа текстовых описаний схожих с оротатом молекул.

Во-вторых, среди схожих с оротат-анионом молекул отмечено значительное число компонентов растительных экстрактов. Оротат схож с многими алкалоидами коры, кожуры, корней, фруктов цитрусовых и других растений. Например, антиоксидант метил-2-аминобензойная кислота (dχ = 0,68) содержится в эфирных маслах бергамота, апельсиновой цедры, цедры лимона, жасмина, черного чая и рисовых отрубей. Оротат схож с рядом алкалоидов руты (гидрокси-3-метокси-10-митилакридон и др.).

В народной медицине экстракты руты (Ruta graveolens) используются как средства, снижающие ревматические и невралгические боли. На достаточно близком расстоянии (dχ = 0,58) находились антиоксиданты авентрамиды А, В, С, D экстракта зерен овса (Avena Sativa). р-Аминобензойная кислота (dχ = 0,68) является важным нутриентом для бактерий (витамин Вх), а ее калиевая соль используется в терапии фиброзных заболеваний кожи [20]. Многие из растительных экстрактов характеризуются противовоспалительными свойствами, например салицилаты (dχ = 0,70...0,75), полифенолы типа циннамовой, кофеиновой кислот (dχ = 0,7… 0,8) и апигенин (dχ = 0,63). Заметим, что полифенол апигенин входит в состав прополиса, сельдерея, петрушки, аптечной ромашки, обладает отчетливыми противораковыми свойствами.

В-третьих, можно отметить термины, относящиеся к катионам макро- и микроэлементов: кальций, калий, железо, магний. Присутствие этих терминов в описаниях, схожих с оротатом молекул, обусловлено частичным сходством оротата с органическими анионами в составе органических солей железа (фумарат), кальция (фумарат, сорбат, бензоат, метилфолинат), калия (фумарат, аминобензоат) и магния (фумарат, салицилат). Таким образом, оротат-анион обладает существенным сходством с анионами других органических кислот, которые используются как лиганды для переноса эссенциальных микроэлементов.

В-четвертых, наименьшими значениями dχ характеризовались термины, относящиеся к метаболизму производных кофеина, теофиллина и мочевой кислоты (МК). Последнее неудивительно, т. к. оротат наряду с МК является одним из важных метаболитов пуринового и пиримидинового метаболизма. Эти сходства будут более подробно рассмотрены ниже.

Анализ текстовых описаний, схожих с ОК молекул, позволил выделить несколько десятков соединений, характеризующихся известной фармакологической активностью. К их числу, в частности, относятся урацил, кинуреновая кислота, тимин, фторурацил, 5-гидроксиметилурацил, 2-индолкарбоновая кислота, пиррол-2-карбоновая кислота, темурин, оксипуринол, эноксимон и т. д. Наиболее интересные результаты анализа сходства молекулы ОК с фармакологически активными веществами представлены ниже и связаны с противовоспалительным действием, иммуномодуляцией, нейропротекторными и кардиопротекторными эффектами.

Противовоспалительное действие: противодействие МК

ОК является одним из промежуточных продуктов пиримидинового метаболизма. Поэтому неудивительно, что структура оротат-аниона схожа со структурами различных производных МК (dχ = 0,40...0,50): 1-метил-МК (один из трех основных метаболитов теофиллина [21]), 1,3-диметил-МК (продукт метаболизма теофиллина [21, 22]), 1,7-диметил-МК (основной метаболит кофеина в моче, образуется при посредстве цитохрома CYP2A6 [23]), 5-ацетиламино-6-амино-3-метилурацилом (один из основных метаболитов кофеина) и т. д.

МК – один из основных продуктов азотистого обмена и является продуктом окисления в метаболизме пуриновых оснований, получающимся с помощью фермента ксантиноксидазы. Фермент уриказа производит дальнейшее окисление МК в аллантоин. Потеря активности уриказы имеет схожую симптоматику с дефицитом аскорбиновой кислоты. В то же время избыток МК в организме ассоциирован с сахарным диабетом и формированием камней в почках [24]. Сходство структур МК и ОК позволяет предполагать, что ОК может тормозить эффекты МК (в частности, ингибировать образование уратных камней в почках и снижать воспаление).

Многие из производных МК обладают ценными фармакологическими свойствами. Например, темурин (dχ = 0,50) проявляет противовоспалительный и обезболивающий эффекты, а 5-гидроксиметил-4-метилурацил (dχ = 0,60) используется в комбинации с токсичными антибиотиками для уменьшения их токсичности, стимулирует лейкоцитопоэз и иммунитет.

Противовоспалительное действие: сходство с НПВС

ХИА показал сходство структуры молекулы ОК с таковыми ряда нестероидных противовоспалительных средств (НПВС), такими как мефенамовая кислота (dχ = 0,64), меклофенамовая кислота (dχ = 0,67), 3-аминосалициловая кислота, антипирин, салициламид, индометацин, толметин и нифлумовая кислота (dχ = 0,73… 0,75).

Отмечено также сходство с парацетамолом (dχ = 0,65), который обладает слабыми противовоспалительными свойствами и оказывает жаропонижающий эффект через модуляцию синтеза простагландинов.

Как известно, НВПС зачастую оказывают не только противовоспалительный, но и обезболивающий, а также жаропонижающий эффекты, что обусловлено воздействием на простагландиновый метаболизм за счет ингибирования циклооксигеназы-2 (ЦОГ-2). Основываясь на сходстве молекулярной структуры оротата с НПВС, можно предположить, что оротат способен взаимодействовать с ЦОГ, несколько замедляя синтез провоспалительных простагландинов.

В эксперименте прием ОК снижал уровни ω-6 полиненасыщенных жирных кислот, из которых синтезируются провоспалительные эйкозаноиды [25]. В целом исследование эффектов ОК на воспаление является перспективным направлением исследований.

Иммуномодуляция

Ряд схожих с оротатом молекул обладает иммуномодулирующим воздействием. Например, фторурацил (dχ = 0,47) – аналог пиримидина, противоопухолевое средство, препятствует синтезу ДНК, блокируя метаболизм тимидиловой кислоты. Тимин (dχ = 0,50) – одно из четырех оснований, образующих последовательность ДНК, которое также характеризуется противовирусным действием (например, по отношению к вирусу гриппа) [26]. Соединение 5-гидроксиметилурацил (dχ = 0,50) – иммуномодулятор клеточного и гуморального ответа, используется для лечения язвенной болезни желудка и при эрозивном поражении кишечника [27, 28], а 5-гидроксиметил-4-метилурацил стимулирует лейкоцитопоэз (dχ = 0,60).

Иммуномодулирующим действием обладают и упомянутые ранее антиоксиданты растительных экстрактов – темурин, авенантрамиды, муконин, пиперолактамы. Темурин (dχ = 0,52) – пуриновый алкалоид плодового дерева Theobroma grandiflorum и камелии, характеризуется противовоспалительным и обезболивающим эффектами [29]. Кроме того, он представляет собой один из метаболитов МК, структурно схожий с кофеином. Полифенол овса авенантрамид L (dχ = 0,52) характеризуется антиоксидантным потенциалом и противовоспалительной активностью [30]. Алкалоид муконин (dχ = 0,61) из ствола и коры дерева карри, широко используемого в восточной кулинарии, имеет антипролиферативную активность [31].

Отдельно отметим умеренное сходство ОК с молекулами хинолоновых антибиотиков (перфлоксацин, норфлоксацин, ципрофлоксацин, энрофлоксацин, розоксацин; dχ = 0,71… 0,72) и антипаразитарных препаратов (мебендазол, никлозамид, дилоксанид; dχ = 0,69… 0,70). Отмечено также заметное сходство ОК со структурой пиррол-2-карбоновой кислоты (dχ = 0,50), специфическим ингибитором ферментов типа пролинрацемазы, снижающим активность одноклеточного паразита Trypanosoma cruzi за счет торможения его дифференциации внутри клеток хозяина [32].

Нейропротекторные эффекты

Наблюдается сходство структуры молекулы оротата с рядом нейропротекторных метаболитов, прежде всего с кинуреновой кислотой (dχ = 0,45) – эндогенным антагонистом глутаматных ионотропных (NMDA) рецепторов, обладающим нейропротекторным и противосудорожным действиями. Увеличение содержания кинуреновой кислоты в ЦНС происходит непосредственно перед рождением, а после рождения происходит резкий спад ее уровня. Этот весьма интересный феномен может способствовать усилению нейропротекции ЦНС плода во время родов. Кинуреновая кислота играет роль в синаптической пластичности, а ухудшение когнитивных функций при различных нейродегенеративных расстройствах сопровождается нарушениями ее метаболизма [33, 34].

Ранее уже было отмечено, что ОК характеризуется заметной схожестью с метаболитами кофеина (производными МК), в меньшей степени – с самим кофеином (dχ = 0,74). Кофеин – пуриновый растительный алкалоид, который является антагонистом аденозиновых рецепторов классов A1 и A2A. Аденозин – эндогенный нейромодулятор с ингибирующим действием, поэтому антагонизм аденозиновых рецепторов при взаимодействии с кофеином, как правило, приводит к стимулирующим эффектам. Кофеин, как и другие метилксантины, характеризуется противовоспалительным действием [35].

Определенные черты молекулы оротата присущи серотонину (dχ = 0,79) – нейромодулятору, который регулирует состояние сна/бодрствования и настроение. Дефицит серотонинергической активности вызывает такие расстройства, как депрессия, фобии, обсессивно-компульсивные нарушения [36]. Оротат имеет сходство с метаболитом серотонина формил-5-гидроксикинуренамином (dχ = 0,64), поэтому возможные воздействия ОК на серотониновый метаболизм нельзя полностью исключать.

Кардиопротекторные эффекты

Кардиопротекторные эффекты оротата магния наблюдаются в клинической практике уже более 20 лет. Традиционно они связывались только с компенсацией дефицита магния у пациентов с острым инфарктом миокарда, пролапсом митрального клапана, алкогольной миокардиодистрофией, тахиаритмией и др. Результаты настоящего хемоинформационного анализа указывают на самостоятельный кардиопротекторный эффект и самого лиганда магния – оротат-аниона.

Прежде чем рассмотреть структурное сходство молекулы ОК с веществами, имеющими кардиопротекторный эффект, упомянем кардиопротекторные свойства образующихся из ОК пиримидиновых нуклеотидов. Прием ОК или ее солей увеличивает концентрацию уридинмонофосфата, уридиндифосфата (УДФ) и уридинтрифосфата. Эти три уридинфосфата могут опосредовать положительное воздействие оротата на сердечно-сосудистую систему. Они обладают значительным кардиопротективным действием, в особенности в раннем периоде острой ишемии [37]. Наиболее вероятно, что физиологическое действие уридинфосфатов осуществляется через пуринергические рецепторы, вовлеченные в вазореактивные реакции, апоптоз и секрецию цитокинов. Подобно адренергическим и аденозиновым рецепторам, пуринергические рецепторы активируют G-белки, а через них – внутриклеточные магний-зависимые аденилатциклазы [38, 39].

Результаты проведенного хемоинформационного анализа указывают на многие другие молекулярные механизмы, посредством которых молекула оротата может стимулировать кардиопротекцию. К их числу относятся прежде всего регуляция фермента N-ацетилглюкозаминтрансферазы (N-АГТ), ингибирование фосфодиэстераз (ФДЭ) и регуляция эффектов витаминоподобного вещества кофермент PQQ.

Регуляция N-АГТ. ОК характеризуется высокой степенью сходства с урацилом (dχ = 0,44) – пиримидиновым основанием в РНК, образующимся при трансляции любого гена из тимина в последовательности ДНК. Помимо участия в формировании генетического кода урацил и его производные служат аллостерическими регуляторами и коферментами для ряда биохимических реакций. Как сходство ОК с уридином, так и образующийся из ОК УДФ могут существенно влиять на процессы аллостерической регуляции активности ферментов.

В частности, УДФ-глюкоза регулирует превращение глюкозы и галактозы в печени и других тканях. Урацил является регулирующим компонентом метаболизма β-аланина, биосинтеза пантотената и кофермента А. Регулируемый УДФ фермент N-АГТ (ген OGT) [40] катализирует перенос N-ацетилглюкозамина от УДФ-глюкозамина к сериновым/треониновым остаткам цитоплазматических и внутриядерных белков, включая гистоны H2B, сигнальный фермент AKT1, гликолитический фермент фосфофруктокиназу печени (PFKL) и др.

Важно отметить, что N-АГТ способствует резистентности к инсулину в мышцах и адипоцитах, гликозилируя компоненты сигнального каскада инсулина, и тормозит процесс гликолиза, снижая активность фермента 6-фосфофруктокиназы (ген PFKL). Митохондриальная изоформа N-АГТ является цитотоксичной и запускает апоптоз в нескольких типах клеток. Фермент ингибируется УДФ [40] и, возможно, непосредственно ОК. Торможение активности N-АГТ будет таким образом способствовать активации углеводного метаболизма и снижению апоптоза кардиомио-цитов.

Ингибирование ФДЭ. ХИА показал существенное сходство между ОК и рядом ингибиторов ФДЭ – эноксимоном, амриноном, теофиллином, милриноном. Как известно, ФДЭ участвуют в регуляции внутриклеточной передачи сигнала от рецепторов различных типов (адренергических, метаботропных ацетилхолиновых и глутаматных, дофаминовых, аденозиновых, гистаминовых, глюкагоновых и др.) [41]. Фермент 3',5'-ФДЭ расщепляет цАМФ, тем самым ослабляя передачу сигналов от соответствующих рецепторов. И наоборот, ингибирование ФДЭ улучшает передачу сигнала по сигнальным каскадам.

Эноксимон (dχ = 0,56) – селективный ингибитор ФДЭ. Характеризуется сосудорасширяющим действием и положительной инотропной активностью, которая не изменяет потребление кислорода миокардом. Используется пациентами с хронической сердечной недостаточностью [42].

Амринон (dχ = 0,71) – ингибитор пиридина ФДЭ, используется для лечения хронической сердечной недостаточности, увеличивает сократимость сердца за счет повышения поступления ионов кальция в кардиомиоциты.

Теофиллин (dχ = 0,73) – метилксантиновый препарат, используемый в терапии респираторных заболеваний (хроническая обструктивная болезнь легких, бронхиальная астма). Встречается в черном и зеленом чае, является мочегонным средством, гладкомышечным релаксантом, бронходилататором, стимулирует сердечно-сосудистую и центральную нервную системы. Теофиллин также ингибирует 3’,5’-ФДЭ.

Милринон (dχ = 0,75) обладает положительным инотропным кардиотоническим действием и сосудорасширяющим эффектом, ингибирует ФДЭ цАМФ в миокарде и гладкой мускулатуре сосудов. Является производным амринона и имеет в 20–30 раз более высокую ионотропную активность.

Следует подчеркнуть, что передача сигнала от рецепторов через цАМФ-зависимые каскады осуществляется при посредстве магний-зависимых аденилатциклаз. С этой точки зрения ингибиторы ФДЭ, предотвращающие инактивацию внутриклеточных сигнальных молекул цАМФ и цГМФ, являются фармакодинамическими синергистами магния.

Пирролохинолин хинон (кофермент PQQ). Данное витаминоподобное вещество заслуживает особого рассмотрения, т. к. по химической структуре достаточно схоже с ОК (dχ = 0,62) и проявляет антиоксидантный, митохондриальный, нейро- и кардиопротекторный эффекты. Кофермент PQQ и связывающие PQQ ферменты (хинобелки) играют важную роль в окислительно-восстановительном метаболизме, поддержке структурной целостности клеток и тканей [43]. К числу хинобелков относятся аминоадипатполуальдегид-дегидрогеназа (присоединяет жирные кислоты к коферменту А), флавинредуктаза (восстанавливает коферменты, превращает биливердин в билирубин), дофамин-β-гидроксилаза (трансформирует дофамин в норадреналин), инозитол-зависимая киназа IRE1 (инициирует апоптоз) [44]. Приведенные ниже результаты новых биохимических исследований позволяют предполагать, что эффекты кофермента PQQ не ограничиваются взаимодействием с этими четырьмя ферментами.

Было показано, что PQQ защищает митохондрии от окислительного стресса и способствует митохондриальному биогенезу в стареющих клетках [45], подобно воздействию на эти клетки интенсивных аэробных упражнений [46] и/или диеты со строгим ограничением калорийности [47]. Эти эффекты осуществляются PQQ двумя основными механизмами [45]: активацией экспрессии гена PCG-1α и активацией сигнального белка CREB. Активация экспрессии гена PCG-1α стимулирует в свою очередь экспрессию генов, участвующих в митохондриальном и клеточном дыхании, делении клеток, нормализации артериального давления и уровня холестерина [48]. Стимуляция белка CREB способствует росту новых митохондрий и важна для процессов эмбриогенеза [49].

В эксперименте были показаны нейропротекторные свойства PQQ: восстановление когнитивных нарушений, вызванных хроническим окислительным стрессом [50], влияние на синтез/секрецию факторов роста нервов [51], защита нейронов от окислительного повреждения после ишемии/реперфузии [22]. Прием PQQ непосредственно перед моделированием инсульта значительно уменьшал размер очага ишемического повреждения [52]. PQQ также модулирует активность NMDA-глутаматных рецепторов [53], снижая эксайтотоксичность избытка глутамата при ишемических повреждениях.

Нейропротекторные эффекты PQQ, по всей видимости, способствуют наблюдаемому в экспериментальных [54] и клинических исследованиях [55] его действию на когнитивную функцию. В рандомизированном исследовании прием кофермента PQQ по 20 мг/сут приводил к улучшению показателей когнитивных тестов в группе лиц среднего и пожилого возраста, причем установленный эффект превзошел эффект плацебо более чем в 2 раза [55].

Экспериментальные исследования свидетельствуют и о кардиопротекторном действии кофермента PQQ: уменьшении зоны повреждения в моделях инфаркта миокарда при введении как до, так и после ишемического события [56]. Сравнение эффектов PQQ со стандартным β-адреноблокатором метопрололом показало, что эти вещества снижали размер инфаркта посредством различных механизмов. PQQ также увеличивал продукцию АТФ митохондриями и снижал степень перекисного окисления липидов [57], защищая кардиомиоциты от острого окислительного стресса [58].

Другие механизмы. ХИА обнаружил и на другие возможные механизмы кардиопротекторного действия ОК. Например, схожая с ОК 2-индолкарбоновая кислота (dχ = 0,50), один из полифенольных компонентов женьшеня и других растительных экстрактов, является сильным ингибитором перекисного окисления липидов [59]. Схожий с оротатом оксипуринол (dχ = 0,55) является ингибитором ксантиноксидазы и используется для лечения хронической сердечной недостаточности [60]. Теобромин (dχ = 0,73) проявляет сосудорасширяющий и кардиостимулирующий эффекты [61].

Можно также отметить умеренное структурное сходство ОК с антикоагулянтами, схожа с варфарином. Производные кумариновой кислоты (dχ = 0,79) встречаются во многих растениях (кассия, корица, донник, лаванда, зеленый чай, мята, сельдерей, черника). Это позволяет предполагать, что оротат-анион вносит определенный вклад в антикоагуляционные эффекты ОМ.

Результаты клинических исследований ОМ подтверждают приводимые выше выводы. Например, исследование пациентов с тяжелой сердечной недостаточностью, получавших лечение ОМ, показало, что их однолетняя выживаемость составила 76 % по сравнению с 52 % в группе плацебо. Использование ОМ увеличивает толерантность больных ишемической болезнью сердца к физическим нагрузкам. Прием препарата Магнерот пожилыми пациентами с ИБС улучшал параметры качества их жизни и психоэмоционального статуса [62–66].

Заключение

Изучение тонких молекулярных механизмов воздействия ОМ на сердечно-сосудистую и другие системы организма представляет значительный интерес, принимая во внимание имеющиеся экспериментальные и клинические данные. Долгое время клинические эффекты, наблюдаемые при использовании органических солей магния, приписывались исключительно магнию, а роль органических анионов ограничивалась лишь повышением биодоступности магния при пероральном приеме препаратов. Независимые позитивные эффекты анионов на физиологию человека, как правило, не рассматривались, и оротат-анион оставался одним из наименее исследованных анионов, участвующих в транспорте магния внутрь клеток.

Проведенный в рамках настоящей работы ХИА (т. е. анализ схожести химических структур молекул) позволил систематически рассматривать возможные молекулярные механизмы терапевтического воздействия ОК, являющейся эндогенным веществом, элементом метаболома человека. Установленные сходства оротата с некоторыми молекулами метаболома человека и различными лекарственными веществами позволяют предполагать фармакологическую предопределенность иммуномодулирующего противовоспалительного нейро- и кардиопротекторного вектора действия ОК (рис. 4).

Кардиопротекторные свойства ОК могут реализовываться, в частности, за счет образования кардиопротективных УДФ, воздействия на аденозиновые рецепторы, регуляции N-АГТ, ингибирования ФДЭ, регуляции эффектов кофермента PQQ, ингибирования ксантиноксидазы и антиоксидантного эффекта. Полученные результаты указывают на перспективные направления дальнейших экспериментальных и клинических исследований ОК.

Работа выполнена при поддержке Российского Фонда фундаментальных исследований.


Литература



  1. Torshin IY, Gromova O. Magnesium and pyridoxine: fundamental studies and clinical practice. Nova Science Publishers, 2009.

  2. Baehler RW, Work J, Kotchen TA, McMorrow G, Guthrie G. Studies on the pathogenesis of Bartter’s syndrome. Am J Med 1980;69:933–38.

  3. Ruml LA, Pak CY. Effect of potassium magnesium citrate on thiazide-induced hypokalemia and magnesium loss. Am J Kidney 1999;34:107–13.

  4. Odvina CV, Mason RP, Pak CY. Prevention of thiazide-induced hypokalemia without magnesium depletion by potassium-magnesium-citrate. Am J Ther 2006;13(2):101–8.

  5. Kamel SK, Harvey E, Douek K, Parmar MS, Halperin ML. Studies on the pathogenesis of hypokalemia in Gitelman’s syndrome: Role of bicarbonaturia and hypomagnesemia. Am J Nephrol 1998;18:42–9.

  6. Brosnan ME, Brosnan JT. Orotic acid excretion and arginine metabolism. J Nutr 2007;137(6 Suppl):1656S-61S.

  7. Wright LD, Valentik KA, Spicer DS, Huff JW, Skeggs HR. Orotic acid and related compounds in the nutrition of Lactobacillus bulgaricus 09. Proc Soc Exp Biol Med 1950;75(1):293–97.

  8. Defoor E, Kryger MB, Martinussen J. The orotate transporter encoded by oroP from Lactococcus lactis is required for orotate utilization and has utility as a food-grade selectable marker. Microbiology 2007;153(Pt 11):3645–59.

  9. Рудаков К.В., Торшин И.Ю. Анализ информативности мотивов на основе критерия разрешимости в задаче распознавания вторичной структуры белка // Информатика и ее применения 2011. Т. 5. № 4. С. 40–50.

  10. Журавлев Ю.И., Рудаков К.В., Торшин И.Ю. Алгебраические критерии локальной разрешимости и регулярности как инструмент исследования морфологии аминокислотных последовательностей // Труды МФТИ 2011. Т. 3. № 4. С. 67–76.

  11. Рудаков К.В., Торшин И.Ю. Об отборе информативных значений признаков на базе критериев разрешимости в задаче распознавания вторичной структуры белка // ДАН 2011. Т. 441. № 1. С. 1–5.

  12. Torshin IY. On solvability, regularity, and locality of the problem of genome annotation. Pattern Recognit Image Anal 2010;20(3):386–95.

  13. Журавлев Ю.И. Теоретико-множественные методы в алгебре логики // Проблемы кибернетики 1962. Т. 8. № 1. С. 25–45.

  14. Журавлев Ю.И. Об алгебраическом подходе к решению задач распознавания или классиикации Проблемы кибернетики. Вып. 33. М., 1978. С. 5–68.

  15. Torshin IY. Bioinformatics in the post-genomic era: sensing the change from molecular genetics to personalized medicine. Nova Biomedical Books, NY, 2009.

  16. Торшин И.Ю., Громова О.А. Экспертный анализ данных в молекулярной фармакологии. М., 2012. 768 с.

  17. Bolton E, Wang Y, Thiessen PA, Bryant SH. Integrated Platform of Small Molecules and Biological Activities. Chapter 12 in Annual Reports in Computational Chemistry, Volume 4, American Chemical Society, Washington, DC, 2008 Apr. (pubchem.ncbi.nlm.nih.gov).

  18. Torshin IY. Bioinformatics in the post-genomic era: physiology and medicine. Nova Biomedical Books, NY, USA. 2007.

  19. Wishart DS, Tzur D, Knox C, et al: the Human Metabolome Database. Nucleic Acids Res 2007;35:D521–26.

  20. Derewlany LO, Knie B, Koren G. Human placental transfer and metabolism of p-aminobenzoic acid. J Pharmacol Exp Ther 1994;269(2):761–65.

  21. Safranow K, Machoy Z. Simultaneous determination of 16 purine derivatives in urinary calculi by gradient reversed-phase high-performance liquid chromatography with UV detection. J Chromatogr Analyt Technol Biomed Life Sci 2005;819(2):229–35.

  22. Safranow K. [Identification and quantitation of purine derivatives in urinary calculi as markers of abnormal purine metabolism by using high-performance liquid chromatography (HPLC)]. Ann Acad Med Stetin 2000;46:35–49.

  23. Sinues B, Fanlo A, Mayayo E, et al. CYP2A6 activity in a healthy Spanish population: effect of age, sex, smoking, and oral contraceptives. Hum Exp Toxicol 2008;27(5):367–72.

  24. Srinivasan S, Kalaiselvi P, Sakthivel R, et al. Uric acid: an abettor or protector in calcium oxalate urolithiasis? Biochemical study in stone formers. Clin Chim Acta 2005;353(1–2):45–51.

  25. Ramirez M, Hortelano P, Boza J Jr, et al. Effect of dietary nucleotides and orotate on the blood levels of prostacyclin (PGI2) and thromboxane (TXA2) in the weanling rat. Prostaglandins Leukot Essent Fatty Acids.1991;43(1):49–54.

  26. Vedula MS, Jennepalli S, Aryasomayajula R, et al. Novel nucleosides as potent influenza viral inhibitors. Bioorg Med Chem 2010;18(17):6329–39.

  27. Kow YW. Repair of deaminated bases in DNA. Free Radic Biol Med 2002;33(7):886–93.

  28. Baker D, Liu P, Burdzy A, Sowers LC. Characterization of the substrate specificity of a human 5-hydroxymethyluracil glycosylase activity. Chem Res Toxicol 2002;15(1):33–9.

  29. Wang Y, Yang X, Zheng X, et al. Theacrine, a purine alkaloid with anti-inflammatory and analgesic activities. Fitoterapia 2010;81(6):627–31.

  30. Meydani M. Potential health benefits of avenanthramides of oats. Nutr Rev 2009;67(12):731–35.

  31. Liger F, Popowycz F, Besson T, et al. Synthesis and antiproliferative activity of clausine E, mukonine, and koenoline bioisosteres. Bioorg Med Chem 2007;15(16):5615–19.

  32. Coutinho L, Ferreira MA, Cosson A, et al. Inhibition of Trypanosoma cruzi proline racemase affects host-parasite interactions and the outcome of in vitro infection. Mem Inst Oswaldo Cruz 2009;104(8):1055–62.

  33. Kepplinger B, Baran H, Kainz A, et al. Age-related increase of kynurenic acid in human cerebrospinal fluid - IgG and beta2-microglobulin changes. Neurosignals 2005;14(3):126–35.

  34. Heyes MP, Saito K, Crowley JS, et al. Quinolinic acid and kynurenine pathway metabolism in inflammatory and non-inflammatory neurological disease. Brain 1992;115(5):1249–73.

  35. Horrigan LA, Kelly JP, Connor TJ. Immunomodulatory effects of caffeine: friend or foe? Pharmacol Ther 2006;111(3):877–92.

  36. De-Miguel FF, Trueta C. Synaptic and extrasynaptic secretion of serotonin. Cell Mol Neurobiol 2005;25(2):297–312.

  37. Mulatero P, Tauber P, Zennaro MC, et al. KCNJ5 mutations in European families with nonglucocorticoid remediable familial hyperaldosteronism. Hypertension 2012;59(2):235–40.

  38. Bockenhauer D, Feather S, Stanescu HC, et al. Epilepsy, ataxia, sensorineural deafness, tubulopathy, and KCNJ10 mutations. N Engl J Med 2009;360(19):1960–70.

  39. International Collaborative Study Group for Bartter-like Syndromes. Mutations in the gene encoding the inwardly-rectifying renal potassium channel, ROMK, cause the antenatal variant of Bartter syndrome: evidence for genetic heterogeneity. Hum Mol Genet 1997;6(1):17–26.

  40. Whelan SA, Dias WB, Thiruneelakantapillai L, Lane MD, Hart GW. Regulation of insulin receptor substrate 1 (IRS–1)/AKT kinase-mediated insulin signaling by O-Linked beta-N-acetylglucosamine in 3T3-L1 adipocytes. J Biol Chem 2010;285(8):5204–11.

  41. Foord SM, Bonner TI, Neubig RR, et al. International Union of Pharmacology. XLVI. G protein-coupled receptor list. Pharmacol Rev 2005;57(2):279–88.

  42. Bader FM, Gilbert EM, Mehta NA, Bristow MR. Double-blind placebo-controlled comparison of enoximone and dobutamine infusions in patients with moderate to severe chronic heart failure. Congest Heart Fail 2010;16(6):265–70.

  43. Paz MA, Fluckiger R, Torrelio BM, Gallop PM. Methoxatin (PQQ), coenzyme for copper-dependent amine and mixed-function oxidation in mammalian tissues. Connect Tissue Res 1989;20(1–4):251–57.

  44. Kasahara T, Kato T. Nutritional biochemistry: A new redox-cofactor vitamin for mammals. Nature 2003;422(6934):832.

  45. Chowanadisai W, Bauerly KA, Tchaparian E, et al. Pyrroloquinoline quinone stimulates mitochondrial biogenesis through cAMP response element-binding protein phosphorylation and increased PGC-1alpha expression. J Biol Chem 2010;285(1):142–52.

  46. Lanza IR, Sreekumaran Nair K. Regulation of skeletal muscle mitochondrial function: genes to proteins. Acta Physiologica 2010;199 (4):529–47.

  47. Spindler SR. Caloric restriction: from soup to nuts. Ageing Res Rev 2010;9(3):324–53.

  48. Entrez Gene: PPARGC1A peroxisome proliferator-activated receptor gamma, coactivator 1 alpha [Homo sapiens] GeneID:10891.

  49. Mitsumoto A, Nakagawa Y. DJ-1 is an indicator for endogenous reactive oxygen species elicited by endotoxin. Free Radic Res 2001;35(6):885–93.

  50. Ohwada K, Takeda H, Yamazaki M, et al. Pyrroloquinoline quinone (PQQ) prevents cognitive deficit caused by oxidative stress in rats. J Clin Biochem Nutr 2008;42:29–34.

  51. Murase K, Hattori A, Kohno M, Hayashi K. Stimulation of nerve growth factor synthesis/secretion in mouse astroglial cells by coenzymes. Biochem Mol Biol Int 1993;30(4):615–21.

  52. Zhang Y, Feustel P, Kimelberg H. Neuroprotection by pyrroloquinoline quinone (PQQ) in reversible middle cerebral artery occlusion in the adult rat. Brain Res 2006;1094(1):200–06.

  53. Aizenman E, Hartnett KA, Zhong C, Gallop PM, Rosenberg PA. Interaction of the putative essential nutrient pyrroloquinoline quinone with the N-methyl-D-aspartate receptor redox modulatory site. J Neurosci 1992;12(6):2362–69.

  54. Takatsu H, Owada K, Abe K, Nakano M, Urano S. Effect of vitamin E on learning and memory deficit in aged rats. J Nutr Sci Vitaminol 2009;55(5):389–93.

  55. Smith NA. Effect of pyrroloquinoline quinone (PQQ) on mental status of middle-aged and elderly persons. Food Style 2009;21(7):50–2.

  56. Zhu BQ, Zhou HZ, Teerlink JR, Karliner JS. Pyrroloquinoline quinone (PQQ) decreases myocardial infarct size and improves cardiac function in rat models of ischemia and ischemia/reperfusion. Cardiovasc Drugs Ther 2004;18(6):421–31.

  57. Zhu BQ, Simonis U, Cecchini G, et al. Comparison of pyrroloquinoline quinone and/or metoprolol on myocardial infarct size and mitochondrial damage in a rat model of ischemia/reperfusion injury. J Cardiovasc Pharmacol Ther 2006;11(2):119–28.

  58. Tao R, Karliner J, Simonis U, et al. Pyrroloquinoline quinone preserves mitochondrial function and prevents oxidative injury in adult rat cardiac myocytes. Biochem Biophysl Res Commun 2007;363(2):257–62.

  59. Stetinova V, Smetanova L, Grossmann V, Anzenbacher P. In vitro and in vivo assessment of the antioxidant activity of melatonin and related indole derivatives. Gen Physiol Biophys 2002;21(2):153–62.

  60. Smith A. Oxipurinol: alloxanthine, oxyprim, oxypurinol. Drugs RD 2004;5(3):171–75.

  61. Tarka SM Jr, Arnaud MJ, Dvorchik BH, Vesell ES. Theobromine kinetics and metabolic disposition. Clin Pharmacol Ther 1983;34(4):546–55.

  62. Geiss KR, Stergiou N, Neuenfeld HU, Jester HG. Effects of magnesium orotate on exercise tolerance in patients with coronary heart disease. Cardiovasc Drugs Ther 1998;12(Suppl 2):153–56.

  63. Ezhov AV, Pimenov LT. Effect of adjuvant magnesium therapy on the quality of life and emotional status of elderly patients with stable angina. Adv Gerontol 2002;10:95–8.

  64. Домницкая Т.М., Дъяченко А.В., Куприянова О.О., Домницкий М.В. Клиническое использование оротата магния у подростков с дисплазией соединительной ткани сердца // Кардиология. 2005. Т. 45. № 3. С. 76–81.

  65. Акатова Е.В., Суханова Е.Д., Мельник О.О., Мартынов А.И. Динамика функционального сотояния кардиоваскулярной системы у пациентов с идиопатическим пролапсом митрального клапана на фоне приема магнерота и альпразолама // Клин. мед. 2008. Т. 86. № 3. С. 55–8.

  66. Мартынов А.И., Степура О.Б., Шехтер А.Б. и др. Лечение пациентов с идиопатическим пролапсом митрального клапана // Тер. архив 2000. Т. 72. № 9. С. 67–70.


Похожие статьи


Бионика Медиа