Введение
Глюкозопан представляет собой продукт перекрестной связи белка лизина и аргинина и конечный продукт продвинутого гликоза (AGE), полученный из D- глюкозы. Это необратимый ковалентный продукт с перекрестными связями, который, как было установлено, создает межмолекулярные и внутримолекулярные перекрестные связи в коллагене внеклеточной матрицы (ЭКМ) и кристаллине глаз. Ковалентные белковые стыковки необратимо связывают белки в ЭКМ тканей. Глюкозопан присутствует в тканях человека в уровнях, в 10 - 1000 раз превышающих уровни любого другого AGE, обладающего перекрестными связями, и в настоящее время считается наиболее важным AGE, обладающим перекрестными связями.
Роль в процессе старения
Старение приводит к постепенной потере эластичности и упрочению тканей, богатых ЭКМ, таких как суставы, хрящ, артерии, легкие и кожа. Было показано, что эти эффекты вызваны накоплением перекрестных связей в ЭКМ на долгоживущих белках. Исследования, проведенные группой Monnier на глюкозопане, показали, что уровень глюкозопана в коллагене человека в ЭКМ постепенно увеличивается с возрастом и более быстрыми темпами у людей с диабетом, что указывает на роль глюкозопана в долгосрочных эффектах, связанных с диабетом и старением, таких как артериосклероз, упрочение суставов и морщины кожи. Фактически, они сообщают, что в ЭКМ кожи 90-летнего человека без диабета глюкозопан в 50 раз больше связывает белки, чем все другие формы связывания белков. Кроме того, выявлено, что накопление перекрестных связей, таких как глюкозопан, внутри и между белками уменьшает протеолитическое разложение в ЭКМ. Это приводит к увеличению накопления перекрестных связей и, как полагают, связано с утолщением подвальных мембран в капиллярах, гломерулах, линзах и легких. Эксперименты с атомной силовой микроскопией выявили морфологические различия на наноуровне в структурах коллагеновых фибрил в зависимости от старения кожи. Было отмечено снижение модуля Юнга поперечной фибриллы. Считается, что эти изменения вызваны накоплением глюкозопана в тканях. Предполагается, что это связано с изменением плотности фибрил, вызванным возрастными различиями в задержке воды. Компьютерные исследования, использующие все атомные моделирования, показали, что глюкозопан приводит к менее плотно удерживаемой спиральной структуре в молекуле коллагена и увеличивает пористость воды. Это было подтверждено измерением содержания воды, которое показало более высокое содержание в тканях ахиллеса и передней коленной сухожилы у пожилых людей по сравнению с молодыми людьми.
Формирование
Как AGE, реакционный путь, который приводит к образованию глюкозопана, известен как реакция Майларда или неферментативное коричневание. Глюкозопан образуется не окислительным путем. Ученые не могут определить точный механизм, который приводит к глюкозопану. Однако в настоящее время он хорошо характеризуется до кольцевого образования. Было показано, что образование глюкозопана в соединительных тканях является специфическим для данного места. Например, исследования, использующие моделирование молекулярной динамики полной коллагеновой фибриллы, выявили энергетически благоприятные места, особенно в области разрыва коллагеновой фибриллы. Это может быть связано с более низкой плотностью белка и более высоким содержанием воды внутри фибрилл в области промежутка.
Общий путь реакции
Общий путь образования глюкозопана начинается с того, что лизин атакует редуцирующий сахар D-глюкозу, образуя нестабильный имин, известный как основание Шиффа, который затем перестраивается, чтобы сформировать более стабильный аминокетозный продукт Амадори. Оттуда стабильный продукт Амадори медленно разлагается в глюкозопан через α-дикарбонильный промежуток.
Механизм образования α-дикарбонила из продукта Amadori
Определять специфический путь реакции, идущий от продукта Amadori к α-дикарбонильному промежуточному средству, которое дает глюкозопан, было трудно. Первоначально исследователи предположили, что это был α-дикарбонильный промежуток, в котором карбонилы находились на C2 и C3 D-глюкозы. Однако, используя глюкозу с C 1, карбонильным углеродом, отмеченным изотопом 13C в реакции, исследователи обнаружили, что образованный α дикарбонил имеет карбонилы, расположенные на C 5 и C 6 исходной глюкозной костной мозга. Лучший механизм, предложенный, заключается в том, что α дикарбонил N 6 (2,3 дигидрокси 5,6 диоксиогексил) L лизинат, ключевой промежуточный продукт в реакции глюкозопана, образуется из продукта Амадори через карбонильное смещение вниз по 6-углеродной основной сахаревой цепи путем кетоэнольного тавтомеризма и устранения гидроксила С 4. Кроме того, были даны доказательства для степени гипотетического карбонильного смещения с использованием тяжелого водорода в воде растворителя, D2O. Исследователи обнаружили, что все H C OH углеродного спинного мозга были преобразованы в D C OH после реакции, демонстрируя, что все водороды были перенесены через кетоэнольный таутомеризм, и таким образом карбонильное смещение проходит весь путь вниз по спинному мозгу, в конечном итоге устраняя гидроксигруппу C 4.
Закрытие кольца при аргининовой сшибке
До сих пор относительно неясно, как и когда формируется кольцо. Одна статья предполагает, и, кажется, это нынешнее убеждение, что кольцо должно образовываться в шаге после образования α-дикарбонила. Исследование выдвинуло гипотезу, а другое обнаружило коррелирующие доказательства, что наиболее вероятный механизм перехода от α дикарбонила к глюкозопану происходит через внутримолекулярный альдимин 6 (3,4 дигидрокси 6 оксо 3,4,5,6 тетрагидро 2H азепиний 1 йл) норлеуцин. Предполагается, что кольцо образуется при нуклеофильной атаке N на C6 карбонил, за которой следует удаление воды (2). Затем он конденсируется с боковой цепью аргинина, чтобы получить глюкозопан в нуклеофильных реакциях аддиции и устранения азотов аргинина и электрофильных карбонилов на кольце, устраняя две воды.
Накопление
Процессы гликации, которые приводят к AGE, особенно влияют на долгоживущие белки в организме человека, такие как коллаген в коже и кристаллин в глазах. Например, кожи коллаген имеет период полураспада в 15 лет. Поскольку эти белки не разлагаются так быстро, как другие белки в организме, продукт Amadori, который является стабильным и, следовательно, преобразуется очень медленно, имеет достаточно времени для преобразования в глюкозопан. По оценкам, 50 - 60% уровня Amadori в стационарном состоянии преобразуется в глюкозопан в пожилом возрасте. Предполагаемая причина распространения продукта перекрестной связи глюкозопана в отличие от других заключается в том, что α- дикарбонил, из которого он образуется, N 6 (2,3 дигидрокси 5,6 диоксиогексил) L лизинат, является персистирующим гликирующим агентом, потому что он необратимо связывается с белком через лизин. Поэтому он не легко разлагается и, таким образом, более часто доступен для формирования перекрестной связи с аргинином, в отличие от других перекрестных связей α-дикарбонильных промежуточных продуктов, которые связаны и свободны и, следовательно, более восприимчивы к разложению ферментами в ЭКМ.
Перспективы ингибирования или устранения
Из-за важной роли глюкозопана, которую он играет во многих патологиях старения, многие исследователи исследовали способы снижения уровня глюкозопана в тканях. Были изучены различные методы.
α-дикарбонил ловушка
Одним из методов, используемых для ингибирования образования глюкозопана, является использование молекулы α дикарбонильной ловушки, аминогуанидина (АГ). AG реагирует с α-дикарбонильным промежуточным соединением с более высоким аффинностью, чем аргинин, блокируя таким образом перекрестную связь. Хотя этот метод имел определенный успех, он не сильно мешал нормальному старению крыс.
Соли тиазолия
Еще один метод, который был исследован, - использование солей тиазолия для разрушения α-дикарбонильного промежуточного продукта, таким образом, прерывая путь реакции, который приводит к глюкозопану. Считается, что эти соединения действуют как бидентатные нуклеофилы, которые атакуют соседние карбонилы в альфа-дикарбонильном промежуточном соединении, что затем приводит к расщеплению связи СС между карбонилами. Однако альтернативная гипотеза о том, как они работают, заключается в том, что они действуют как хелатирующие агенты. Две молекулы тиазолия, PTB (N- фенацилтиазолиевый бромид) и ALT 711, показали успех в снижении уровня глюкозопана у крыс.
Оборот по ECM
Совершенно иной подход к сокращению перекрестных связей, который был предложен, заключается в усилении процессов оборота ЭКМ, что заставило бы разлагаться перекрестно связанные белки, чтобы заменить их новыми. Однако потенциальным недостатком этого может быть пробоины кровеносных сосудов, вызванные слишком значительным увеличением оборота.