Карнозин и защита тканей от окислительного стресса

А.А. Болдырев 

КАРНОЗИН 

и защита тканей 
от окислительного стресса 

Рекомендовано к публикации 
Ученым советом МБЦ МГУ им. М.В. 
Ломоносова 
и Ученым советом Института 
неврологии РАМН, г. Москва 

d Удиалог 
Москва 
У / М
у 7 
1999 

УДК 577.2+577.3 
ББК 28.672 
Б79 

Рецензенты: 

академик РАМН профессор Игорь Петрович Ашмарин, 
доктор медицинских наук, профессор Зинаида Александровна Суслина 

Научный редактор: 
академик РАМН профессор Березов Темирболат Темболатович 

Болдырев Александр Александрович - профессор Международного 
Биотехнологического Центра МГУ им. М.В. Ломоносова по кафедре биохимии, заведующий лабораторией клинической нейрохимии Института 
неврологии РАМН. 

Болдырев А. А. 
• 

Б79 
Карнозин и защита тканей от окислительного стресса. 
- М.: Диалог-МГУ, 1999. - 362 е.: ил. 

ISBN 5-89209-506-1 

Монография посвящена дипептиду карнозину и его природным производным, обладающим способностью защищать биологические структуры от окислительно повреждения. Рассмотрены химические свойства, распространение в тканях и 
метаболизм карнозина. Изложены исследования, описывающие его биологическую 
роль как специфического гидрофильного антиоксиданта в возбудимых тканях. Подробно проанализирована защитная роль карнозина при работе нейронов и мышечных клеток в неблагоприятных условиях. Особое внимание уделено метаболизму 
карнозина при нейродегенеративных заболеваниях, сопряженных с нарушениями 
обмена кислорода. 

Книга предназначена для научных работников, биологов и медиков, а также 
для студентов и специалистов - не биологов, повышающих свое образование в области естественно-научных дисциплин. 

УДК 577.2+577.3 
ББК 28.672 

Оригинал-макет: 
Диалог-МГУ, 
Дмитрий Карамзин 

Издательство АО "Диалог-МГУ". 

ЛР N 063999 от 04.04.95 
Подписано к печати 19.11.99 г. 

Усл.печ.л.22,75. Тираж 200 экз. (1-й завод.) Заказ 1113. 
Тел. 939-3890,939-3891, 928-1042. Тел./факс 939-3891. 

119899, Москва, Воробьевы горы, МГУ. 

ISBN 5-89209-506-1 
© Болдырев А.А., 1999 

Публикация монографии 
осуществляется по решению РФФИ 
(Грант № 98-04-62098) 

Памяти 
моего 
Учителя 
Сергея Евгениевича 
СЕВЕРИНА 

посвящаю 

I 

Оглавление 

Предисловие 
7 

I. Кариозин и родственные соединения: история вопроса 
9 

Глава 1. Открытие карнозина и родственных соединений 
9 

Глава 2. Распространение гистидин-содержащих 

дипептидов в тканях животных и человека 
16 

Глава 3. Судьба карнозина и анзерина в организме 
27 

Глава 4. Гистидиновые дипептиды в онтогенезе 
48 

П. Гистидин-содержащие дипептиды в функционировании 
возбудимых тканей 
54 

Глава 1. Биологические свойства 

гистидин-содержащих соединений 
54 

Глава 2. Роль карнозина в функционировании 

скелетной мускулатуры 
81 

Глава 3. Возможное участие гистидин-содержащих 

соединений в функционировании мозга 
109 

Ш. Окислительный стресс 
135 

Глава 1. Роль свободных радикалов в метаболизме 
135 

Глава 2. Особенности окислительного обмена 

в возбудимых тканях 
146 

Глава 3. Природные соединения в качестве 

про- и антиоксидантов 
174 

IV. Гистидин-содержащие дипептиды как тканевые 
гидрофильные антиоксиданты 
177 

Глава 1. Предпосылки к установлению антирадикальной 

активности карнозина 
177 

Глава 2. Гистидин-содержащие дипептиды 

как природные антиоксиданты 
185 

Глава 3. Прооксидантная составляющая в 

биологических эффектах карнозина 
196 

Глава 4. Защита нейронов мозга от 

окислительных повреждений 
204 

Глава 5. Биологическое значение метаболизма 

карнозина в возбудимых тканях 
218 

5 

V. Эффекты гистидин-содержащих дипептидов 
при нарушениях кровоснабжения сердца и мозга 
225 

Глава 1. Эффекты карнозина и других антиоксидантов 

при гипоксическом повреждении миокарда 
225 

Глава 2. Карнозин при нарушениях кровоснабжения мозга 
230 

Глава 3. Антиоксидантное действие карнозина в 

интактных условиях 
246 

Глава 4. Действие карнозина на организм при стрессе 
255 

Глава 5. Возможные механизмы защитного действия 

ГСД при окислительном повреждении ткани 
266 

VI. Перспективы применения карнозина в качестве 
лекарственного препарата 
281 

Глава 1. Фармакологическая активность карнозина 
281 

Глава 2. Практическая фармакология карнозина 
! 
298 

ГСД как регуляторы клеточного гомеостаза (заключение) 
313 

Послесловие 
316 

Conclusion 
320 

Литература 
.... 326 

Предметный указатель 
353 

Content 
361 

6 

ПРЕДИСЛОВИЕ 

Есть проблемы в современной науке, которым посчастливилось 
быть решеннъши их первооткрывателями, но таких немного. Гораздо 
больше примеров того, что открытие отстоит от его понимания на 
время, превышающее длительность человеческой жизни. Выяснение 
биологической роли креатинфосфата от периода его описания отстоит на 85 лет. Понимание биологической роли А ТФ также пришло 
не сразу — еще в учебнике "Основы органической химии" Абдергальдена (издание 1937 г.) можно прочесть, что присутствие давно известного аденозинтрифосфата, обнаруживаемого в миллимолярных 
концентрациях в мышечной ткани, может объясняться его вероятным участием в обмене веществ в качестве слабой кислоты... В 1939 
г. Ф. Липман установил макроэргический характер присоединения 
фосфорных групп к структуре аденозина. 

Длинный (и еще не завершенный) путь прошла и проблема биологической роли карнозина, открытого В. Гулевичем и С. Амираджиби в 
самом начале нашего века. В. С. Гулевичу уже в тот период было ясно, 
что это новое для науки соединение должно играть важную роль в 
мышечной (как позже выяснилось — и нервной) ткани. Впоследующем 
это ощущение усилилось, когда самим Гулевичем и его учениками была 
обнаружена несомненная связь карнозина и обнаруженных позже 
родственных ему соединений с функциональным состоянием ткани, и 
превратилось в уверенность, когда были открыты ферменты, обеспечивающие синтез и превращение карнозина. 

После смерти B.C. Гулевича "знамя" карнозина перешло в руки 
его ученика'— Сергея Евгениевича Северина, оставившего глубокий 
след в отечественной и мировой биохимической науке как организатора кафедры биохимии на МГУ им. М.В. Ломоносова, руководителя 
ряда научных подразделений и академических институтов, создателя 
широко известной биохимической школы в нашей стране. Решающий 
вклад внесен академиком С.Е. Севериным и его учениками и в проблему 
биологической роли карнозина. Одним из учеников С.Е. Северина, работавшим длительное время под его руководством, является и автор 
этой монографии, и я с уверенностью могу сказать, что он с честью 
принял из рук Учителя и продолжает нести это знамя. 

Именно профессору А.А. Болдыреву посчастливилось впервые 
строго описать целый ряд новых свойств карнозина, в том числе — 
его действие как гидрофильного антиоксиданта и протектора клеточных мембран, и пролить свет на механизмы его биологической активности. В настоящее время А.А. Болдырев и его ученики активно 
развивают проблему, возникшую за два поколения ученых в начале 

7 

этого века и демонстрируют преемственность научной школы С.Е. 
Северина. 

Эта книга является первой попыткой систематизации данных по 
проблеме биологической роли карнозина, не имеющей аналогии ни в нашей стране, ни за рубежом. Вероятно, она не свободна от недостатков, не удивительных в такой большой и важной работе. Однако она 
имеет несомненное достоинство — в этой книге автору удалось сочетать историческое изложение научных фактов с глубоким анализом современного состояния проблемы, который открывает дальнейшие перспективы исследований, в том числе и в области медицинского 
применения карнозина. 

Академик Российской Академии медицинских наук 
профессор Т. Т. БЕРЕЗОВ 

8 

I. КАРНОЗИН И РОДСТВЕННЫЕ 

СОЕДИНЕНИЯ: ИСТОРИЯ ВОПРОСА 

Глава 1. 

ОТКРЫТИЕ КАРНОЗИНА И РОДСТВЕННЫХ 
СОЕДИНЕНИЙ 

В начале XX в. B.C. Гулевич, исследуя экстрактивный состав 
мясного фарша, обратил внимание на то, что общее содержание 
азота в пробах существенно превышает белковый азот и азот известных в то время экстрактивных соединений мышечной ткани. 
Это обстоятельство позволило ему предсказать возможность существования в мышцах еще не известных азотистых соединений, а затем и выделить их из мышечного экстракта. 

Первое из соединений этого ряда было выделено из водной суспензии мясного фарша при ее обработке фосфорно-вольфрамовой 
кислотой. Полученный при этом объемный осадок отделяли и добавляли к нему на холоду едкий барий; фильтрат нейтрализовали 
азотной кислотой и обрабатывали азотнокислым серебром. Осадок 
разлагали сероводородом, а затем из горячего маточного раствора 
осаждали спиртом в виде азотнокислой соли. Соль кристаллизовалась в звездообразные друзы в виде игольчатых кристаллов. Высушенные кристаллы легко растворялись в воде. 

Полученное свободное основание соответствовало формуле 
СШи^Оз, было легко растворимо в воде, имело щелочную реакцию и высаживалось из воды спиртом. Вещество плавилось с разложением при 239 °С. Поскольку соединение было обнаружено в 
мясном фарше, оно получило название карнозин (от латинского 
"саго": carnis — мясо) (Gulewitsch, Amiradzhibi, 1900). 

Опубликовав предварительное сообщение о новом экстрактивном веществе из мышечной ткани, B.C. Гулевич приступил к систематическому изучению его свойств. Химик по образованию, Гулевич любил аналитическую работу и много времени проводил в лаборатории (Рис. 1-1). 

В ходе своих исследования B.C. Гулевич обнаружил, что целый 
ряд физико-химических свойств серебряной и азотнокислой солей 
карнозина были сходны со свойствами солей аргинина. Гулевич 
предпринял попытку найти аргинин в составе карнозина, однако 
щелочной гидролиз карнозина приводил к образованию гистидина 

9 

I. Карнозин и родственные соединения: история вопроса 

(а не аргинина) и соединения с формулой C3H7NO2, которое могло 
быть аланином. На основании этих данных Гулевич предположил, 
что карнозин может иметь белковую природу: этот природный дипептид, производный гистидина (гистидил-аланин или аланилгистидин) мог образоваться из низкомолекулярных пептидов в результате декарбоксилирования аргинина (Gulewitsch, 1907а). 

Рис. 1-1. B.C. Гулевич в лаборатории (1932 г.) 

Тем временем из других лабораторий, занятых аналогичными 
исследованиями, также стали поступать данные об экстрактивных 
соединениях мышечной ткани. В дополнение к карнитину и метил
10 

Глава 1. Открытие карнозина и родственных соединений 

гуанидину, также открытым B.C. Гулевичем, Ф. Кучер (Kutscher, 
1905) сообщил об открытии игнотина. Исходя из расчетов содержания в мышечной ткани общего азота и известных азотистых соединений, Гулевич предполагал, что это соединение идентично карнозину. Однако, поскольку для выделения игнотина Кучер использовал другие приемы (в частности, для осаждения продукта применялся таннин), высказывалась мысль, что эти соединения различны. Гулевич просит у Кучера образец игнотина и получив 1 г препарата, 
сравнивает оба соединения. И хотя сравнение показывает идентичность веществ (Gulewitsch, 1906), Кучер возражает. Он вынуждает 
Гулевича еще и еще раз возвращаться к этому вопросу. Возникает 
полемика, которая длится без малого 2 года. Завершая ее в 1907 г., 
Гулевич пишет: "Таким образом, после данного мною детального 
описания отношения карнозина к азотнокислому серебру и аммиаку 
при различных условиях, я надеюсь, что и для Кучера этот вопрос 
будет достаточно ясным. В противном случае я хотел бы ему посоветовать в дальнейшей дискуссии оставить путь априорных умозаключений, а вступить, правда, на более трудный, путь собственных 
экспериментальных исследований, который только и ведет к вскрытию действительного положения вещей" (Gulewitsch, 1907b). Этот 
эпизод демонстрирует принципиальность B.C. Гулевича по отношению к научной истине. 

B.C. Гулевич приступает к уточнению структуры карнозина 
(Gulewitsch, 1911). Сюрпризом стало то, что, судя по реакции вещества C3H7NO2 с а-нафтилизоцианатом, оно оказалось не а-аланином. По растворимости и свойствам солей нафтилизоцианатных 
производных выделенное вещество было идентифицировано как (3аланин. Вместе с И.А. Смородинцевым Гулевич начинает работу по 
установлению порядка взаимодействия аминокислот в молекуле 
карнозина. Однако обстоятельства не благоприятствуют этому: начинается первая мировая война. Несколько лет спустя этот вопрос 
был решен методом химического синтеза, и карнозин был идентифицирован как Р-аланил-гистидин (Baumann, Ungwaldsen, 1918). 

С помощью препаративных методов карнозин не обнаруживался в печени, селезенке, легких, почках, крови, моче и молоке млекопитающих (Гулевич, 1926). Результаты подтверждали точку зрения 
B.C. Гулевича, определявшего карнозин как специфическое (по 
крайней мере, у млекопитающих) вещество мышечной ткани. Поэтому в различных лабораториях были сделаны попытки найти экспериментальные доказательства связи между карнозином и функциями мышечной ткани. 

В ходе экспериментов было установлено, что, хотя карнозин 
относительно легко распадается на составные части при щелочном 

11 

I. Карнозин и родственные соединения: история вопроса 

или кислотном гидролизе, протеолитические ферменты (пепсин, 
трипсин) на него не влияют. Не способна гидролизовать карнозин и 
кишечная флора, а в присутствии кишечного сока происходит лишь 
медленное расщепление его на гистидин и |3-аланин. Фермент, обеспечивающий эту реакцию, был позже выделен и назван карнозиназой (Hanson, Smith, 1949). Подкожное введение карнозина вызывало 
лейкопению, повышало сократимость кишечника и матки, а внутривенное — понижало кровяное давление. Введение карнозина в 
желудочно-кишечный тракт собак стимулировало продукцию желудочного сока и сонливость (Krimberg, 1925, 1926; Razenkow et al., 
1927; Severin, 1939). Все это подтверждало точку зрения о наличии у 
карнозина специфических биологических функций. 

Таким образом, систематические исследования B.C. Гулевича и 
его сотрудников позволили описать первые биологические эффекты 
карнозина. Далее следовало выяснить пути метаболизма карнозина, 
его связь со скелетной мускулатурой, а также описать физиологическую активность. Довольно скоро стало понятно, что наличие карнозина в составе экстрактивных соединений скелетной мускулатуры 
не является случайным. Начатые вслед за открытием карнозина исследования его распространения у различных животных вскоре показали, что ткани некоторых птиц не содержат этого вещества 
(Clifford, 1921). Вероятно, данный факт повысил интерес исследователей к экстрактивным веществам из мышц птиц, и в 1929 г. одновременно Толкачевская из мышц кур (Tolkatschewskaya, 1929) и 
Ackermann et al. (1929) из мышц гуся выделили близкое к карнозину 
органическое соединение, получившее название анзерин (видовое 
название гуся — Anser anser). 

Вероятно, исследователи впервые столкнулись с этим соединением много раньше. Еще в 1909 г. Suzuki с соавт., исследуя экстрактивные вещества некоторых рыб, выделили соединение, похожее на 
карнозин, но не идентичное ему по ряду свойств. В частности, оно 
не давало характерной для карнозина диазореакции и не осаждалось в виде серебряно-бариевой соли. Авторы пришли к выводу, что 
в составе мышц рыб содержится какой-то изомер карнозина. Скорее 
всего, речь шла об анзерине, который на самом деле является не 
изомером, а метилированным производным карнозина. 

В 1939 г был описан еще один представитель гистидиновых дипептидов — офидин, найденный в экстрактах из мышц змей; позже в 
мышцах кита был найден баленин. Первому было приписана структура Р~аланил-М2-метилгистидина, второму |3-аланил-№-метилгистидина. В 1969 г. японские исследователи, используя методы ЯМР и 
ИКС-спектроскопии, доказали, что оба дипептида имеют одинаковое строение, соответствующее Р-аланил-№-метилгистидину (Suya
12