за что отвечает аденозин

Нейромедиаторы, часть вторая: аденозин, ацетилхолин, глутамат и гамма-аминомасляная кислота

Первую часть рассказа о нейромедиаторах «Атлас» посвятил молодежным дофамину, норадреналину и серотонину. Во втором посте речь пойдет о менее известных медиаторах, которые выполняют важную невидимую работу: стимулируют и тормозят другие нейромедиаторы, помогают нам учиться и запоминать.

Ацетилхолин

Это первый нейромедиатор, который открыли ученые. Он отвечает за передачу импульсов двигательными нейронами — а значит, за все движения человека. В центральной нервной системе нейромедиатор берет на себя стабилизирующие функции: выводит мозг из состояния покоя, когда необходимо действовать, и наоборот, тормозит передачу импульсов, когда необходимо сосредоточиться. В этом ему помогают два типа рецепторов — ускоряющие никотиновые и тормозящие мускариновые.

Ацетилхолин играет важную роль в процессе обучения и формирования памяти. Для этого требуется как способность фокусировать внимание (и тормозить передачу отвлекающих импульсов), так и способность переключаться с одного предмета на другой (и ускорять реакцию). Активная работа мозга, например, при подготовке к экзамену или годовому отчету, приводит к повышению уровня ацетилхолина. Если мозг долгое время бездействует, специальный фермент ацетилхолинэстераза разрушает медиатор, и действие ацетилхолина слабеет. Идеальный для учебы, ацетилхолин будет плохим помощником в стрессовых ситуациях: это медиатор размышления, но не решительных действий.

Переизбыток ацетилхолина в организме вызывает спазм всех мышц, судороги и остановку дыхания — именно на такой эффект рассчитаны некоторые нервно-паралитические газы. Недостаток ацетилхолина приводит к развитию болезни Альцгеймера и других видов старческой деменции. В качестве поддерживающей терапии пациентам назначают препарат, блокирующий разрушение ацетилхолина — ингибитор ацетилхолинэстеразы.

Ген CHRNA3 кодирует никотиновый рецептор ацетилхолина, на который может воздействовать никотин. На первом этапе вещество действует на симпатическую систему организма, которая отвечает за спазм гладкой мускулатуры и сокращение сосудов. Поэтому у начинающих курильщиков сигареты вызывают скорее тошноту и бледность кожи, чем восторг. Но со временем никотин достигает клеток головного мозга и активизирует рецепторы ацетилхолина. Так как этим занимается и никотин, и ацетилхолин одновременно, мозг пытается скорректировать «двойную подачу», и через некоторое время нейроны головного мозга сокращают нормальное производство ацетилхолина. С этого момента никотин будет нужен курильщику по каждому поводу — с утра чтобы взбодриться, после совещания наоборот, чтобы успокоиться, после обеда — чтобы хоть немного подумать о вечном.

Полиморфизм гена CHRNA3 влияет на скорость формирования никотиновой зависимости и, как следствие, на риск развития рака лёгких, вызванного курением.

Аденозин

Все химические реакции в организме требуют затраты энергии. В качестве валюты в этом процессе используется молекула аденина с несколькими основаниями фосфорной кислоты. Сразу после «зарплаты» у вас на карточке окажется «триста рублей» — молекула аденозинтрифосфат с тремя остатками фосфорной кислоты. На каждую транзакцию уходит по сто рублей, соответственно, после первой «покупки» на счету останется всего двести рублей (аденозиндифосфат), после второй — сто рублей (аденозинмонофосфат), после третьей — ноль рублей.

Купюра в ноль рублей — и есть аденозин. Как нейромедиатор он отвечает за чувство усталости и засыпание. Во время сна купюрам в ноль-ноль рублей дорисовывают троечки, аденозин трансформируется в аденозинтрифосфат, и мы с новыми силами готовы вернуться к работе.

Есть способ обмануть «банковскую систему»: заблокировать рецепторы аденозина и уйти в кредит. Именно этим и занимается кофеин — позволяет игнорировать усталость и продолжать работать. При этом он не приносит настоящей энергии, а только дает тратить деньги, как если у вас всё ещё есть триста рублей. Как и за любой кредит, за перерасход приходится расплачиваться — большей усталостью, заторможенностью внимания, привыканием. Тем не менее, кофеиносодержащие кофе, чай и шоколад — самый популярный стимулятор в мире.

Всего известно четыре вида рецепторов аденозина, которые активируются и блокируются аденозином. Ген ADORA2A кодирует рецепторы аденозина второго типа, которые участвуют в активации противовоспалительных процессов, формировании иммунного ответа, регуляции боли и сна. От работы этого рецептора зависит скорость реакции организма на ранение и травму.

Глутамат

Глутаминовая кислота в форме глутамата — пищевая аминокислота, которая содержится в продуктах животного происхождения. Вкусовые рецепторы воспринимают глутамат как индикатор белковой пищи — а значит питательной и полезной — и оставляют заметку, что было вкусно, и надо повторить. В двадцатом веке японские ученые выяснили принцип восприятия этого вкуса (они назвали его «умами» — вкусный), и со временем глутамат натрия стал популярной пищевой добавкой. Именно благодаря ему иногда сложно устоять перед соблазном съесть лапшу доширак. Как пищевая добавка глутамат не влияет напрямую на работу нейронов, поэтому его «передозировка» в худшем случае обойдется головной болью.

Глутамат — это не только пищевая аминокислота, но и важный нейромедиатор, рецепторы которого есть у 40% нейронов головного мозга. Он не имеет собственной «смысловой нагрузки», а только ускоряет передачу сигнала другими рецепторами — дофаминовыми, норадреналиновыми, серотониновыми и т.д. Эта функция позволяет глутамату формировать синаптическую пластичность — способность синапсов регулировать свою активность в зависимости от реакции постсинаптических рецепторов. Этот механизм лежит в основе процесса обучения и работы памяти.

Снижение активности глутамата приводит к вялости и апатии. Переизбыток — к «перенапряжению» нервных клеток и даже их гибели, как если бы на электрическую сеть дали большую нагрузку, чем она способна выдержать. «Перегорание» нейронов — эксайтотоксичность — наблюдается после приступов эпилепсии и при нейродегенеративных заболеваниях.

Две группы генов кодируют белки-транспортеры глутамата. Гены группы EAAT отвечают за натрий-зависимые белки — те самые, которые участвуют в процессе запоминания. Мутации в генах этой группы повышают риск инсульта, болезни Альцгеймера, болезни Гентингтона, бокового амиотрофического склероза. Мутации в генах везикулярных белков-транспортеров группы VGLUT ассоциированы с риском шизофрении.

Гамма-аминомасляная кислота

У каждой инь есть свой ян, и у глутамата есть вечный его противник, с которым он тем не менее неразрывно связан. Речь идет о главном тормозном нейромедиаторе — гамма-аминомасляной кислоте (ГАМК или GABA). Так же как и глутамат, ГАМК не вносит новых цветов в палитру мозговой активности, а только регулирует активность других нейронов. Так же как и глутамат, ГАМК охватил сетью своих рецепторов около 40% нейронов головного мозга. И глутамат, и ГАМК синтезируются из глутаминовой кислоты и по существу являются продолжением друг друга.

Для описания эффекта ГАМК идеально подходит поговорка «тише едешь — дальше будешь»: тормозящий эффект медиатора позволяет лучше сосредоточиться. ГАМК снижает активность самых разных нейронов, в том числе связанных с чувством страха или тревоги и отвлекающих от основной задачи. Высокая концентрация ГАМК обеспечивает спокойствие и собранность. Снижение концентрации ГАМК и нарушение баланса в вечном сопротивлении с глутаматом приводит к синдрому дефицита внимания (СДВГ). Для повышения уровня ГАМК хорошо подходят прогулки, йога, медитации, для снижения — большинство стимуляторов.

У гамма-аминомасляной кислоты два типа рецепторов — быстрого реагирования GABA-A и более медленного действия GABA-B. Ген GABRG2 кодирует белок рецептора GABA-A, который резко снижает скорость передачи импульсов в головном мозге. Мутации в гене связаны с эпилепсией и фебрильными судорогами, которые могут возникать при высокой температуре.

Если дофамин, серотонин и норадреналин — голливудские актеры большой нейронной киноиндустрии, то герои второй части рассказа о нейромедиаторах скорее работают за кадром. Но без их незаметного вклада большое кино было бы совсем другим.

В следующей части «Атлас» расскажет о пептидах и опиодиах — эта тема требует отдельного разговора.

Источник

Причины депрессии ( роль астроцитов и аденозина )

Хорошо известно, что гидролиз АТФ приводит к накоплению аденозина; однако происхождение и механизм накопления аденозина в головном мозге не были четко выявлены до первоначального исследования Pascual et al ( 2005). В этих исследованиях использовалась молекулярно-генетическая стратегия для нарушения глиотрансмиссии посредством условной, астроцит-специфической экспрессии доминантного негативного ингибитора SNARE-зависимого слияния мембран (цитоплазматический хвост синаптобревина 2; dnSNARE). Эти исследования показали, что блокирование экзоцитоза астроцитами с использованием dnSNARE снижает АТФ и его метаболит аденозин, которые обычно оказывают тоническое подавление синаптической передачи.

Исследователи показали, что астроциты регулируют количество времени, которое проводится в восстановительном сне после лишения сна. Экспрессия dnSNARE (доминантно-отрицательного SNARE-домена везикулярного белка VAMP2) избирательно в астроцитах снижает накопление внеклеточного аденозина. Вероятно, что астроциты могут также играть определенную роль в благоприятных эффектах недосыпания у пациентов с депрессией. Также было показано, что астроцитарный аденозин является основным игроком в гомеостазе сна. Поэтому вполне логично, что астроцит может рассматриваться как играющий ключевую роль при заболеваниях, у которых нарушение сна является отличительной чертой. Было показано, что многие гены и их рецепторные продукты связаны с нарушением регуляции аденозина и психическими расстройствами.

Достижения в области изучения глии показали, что эти клетки играют гораздо большую роль, чем просто «клей, удерживающий» серое вещество. Будущие исследования уже направлены на манипулирование конкретными механизмами астроцитов, связанными с неврологическими и психическими расстройствами. Именно на основе этого фундаментального исследования будут достигнуты некоторые успехи в терапии нейропсихиатрических расстройств.

Источник

Аденозиновые рецепторы: история великого обмана

Для бодрости мы обычно пьем кофе, а чтобы успокоиться — настойку валерианы. Но как мы чувствуем, что устали и пора отдохнуть? Об этом нам «сообщают» аденозиновые рецепторы — белки, которые связывают аденозин и сигнализируют клеткам головного мозга, что пора спать, а клеткам сердца, что надо менее энергично качать кровь. Кроме того, эти белки регулируют множество других биохимических процессов, поэтому стали популярной мишенью у молекулярных фармакологов и биоинформатиков, которые занимаются поиском новых лекарственных средств, активирующих или блокирующих аденозиновые рецепторы. Однако содержащиеся в растениях флавоноиды и валепотриаты совершенно не похожи на аденозин. Как им удается обманывать наши аденозиновые рецепторы и связываться с ними? Ответ на этот вопрос удалось получить с помощью компьютерного моделирования взаимодействия этих соединений с рецептором методом гибкого докинга.

Об авторе

Георгий Федорович Куракин — ординатор кафедры биохимии с курсом клинической лабораторной диагностики Тверского государственного медицинского университета. Область научных интересов — биохимия, молекулярная биология, биоинформатика, хемоинформатика. Лауреат конкурса «Био/мол/текст-2019».

Нуклеозид аденозин — безотказная «рабочая лошадка» во многих внутриклеточных процессах. С тремя фосфорильными группами (аденозинтрифосфат, АТФ) он переносит энергию в клетке, служа универсальной «энергетической валютой». При расходовании энергии во время какого-нибудь биохимического процесса фосфорильный «хвостик» укорачивается и получаются соединения с двумя и одной фосфорильными группами (аденозиндифосфат, АДФ, и аденозинмонофосфат, АМФ, соответственно). Аденозин с замкнутой в кольцо фосфорильной группой (циклический аденозинмонофосфат, цАМФ) — один из основных вторичных посредников, передающих сигнал внутри клетки.

Аденозин и его соединения — аденозинтрифосфат (АТФ), аденозиндифосфат (АДФ), аденозинмонофосфат (АМФ), циклический аденозинмонофосфат (цАМФ). Здесь и далее структурные формулы соединений взяты из открытой базы данных PubChem

Помимо всего перечисленного, аденозин — медиатор межклеточной сигнализации во многих тканях. Он накапливается в период продолжительного бодрствования и по мере нарастания концентрации «сообщает» клеткам мозга (нейронам), что пора спать, а сердца (кардиомиоцитам) — что пора уменьшить активность и не так энергично качать кровь, иначе хозяин получит инфаркт. Кроме того, аденозин тормозит воспаление, защищая клетки от вызванной им гипоксии, и повышает устойчивость к недостатку кислорода (ишемии) [1]. В общем, аденозин сигнализирует, что в клетках не хватает энергии, они в состоянии стресса и им пора отдохнуть.

Функция аденозина как «сигнала усталости» напрямую следует из биохимии его образования и инактивации. Внутри клетки аденозин может образовываться несколькими путями: при расщеплении АТФ или АМФ ферментами 5′-нуклеотидазами, при разрушении цАМФ и, наконец, обычным синтезом «с нуля» (de novo). Основной способ его инактивации внутри клетки — присоединение фосфорильной группы ферментом аденозинкиназой. В этой реакции расходуется одна молекула АТФ, а «на выходе» получается по одной молекуле АДФ и АМФ [2–5].

Фермент аденозинкиназа, как любой катализатор, ускоряет реакцию в обе стороны, но равновесие не смещает. Оно определяется концентрациями реагентов и продуктов. Реакция, катализируемая этим ферментом, зависит от количественного соотношения АТФ и АДФ/АМФ внутри клетки, которое, в свою очередь, отражает энергетические запасы клетки. «Лишний» аденозин выбрасывается из клетки белками-переносчиками на мембране. Снижение энергетических запасов клетки в конечном счете приводит к тому, что она начинает выделять аденозин. А при физиологическом стрессе клетка начинает выделять АТФ целиком, который тут же расщепляется теми же нуклеозидазами до аденозина [1]. Только уже за пределами клетки. А в нервной системе нейроны задействуют этот механизм и безо всякого стресса, просто выделяя АТФ вместе с остальными нейромедиаторами [4]. В итоге — чем больше нейрон работал и передавал химические сигналы, тем больше аденозина выделяется. Поэтому в любом случае повышение концентрации аденозина во внеклеточном пространстве отражает усталость клеток. Но, чтобы их «соседи» могли это почувствовать, необходимы какие-нибудь рецепторы. И они есть! Это — аденозиновые рецепторы.

Серпантинные рецепторы

Горячо любимые нашим небольшим научным коллективом белки, пронизывающие мембрану клетки семью «стежками», называются серпантинными или семиспиральными трансмембранными рецепторами, а также рецепторами, сопряженными с G-белком (G-protein-coupled receptor, GPCR). Внутри клетки они образуют петлю, к которой прикреплен молекулярный «адаптер» — G-белок. Служащая химическим сигналом молекула (лиганд) входит с внешней стороны в связывающий участок (щель между «стежками» рецептора), что приводит к изменению конформации рецептора (в том числе и с внутренней стороны) и переключению G-белка в другое положение. А уж он запускает внутри клетки каскад биохимических изменений, приводящих к тому или иному ответу.

Структура GPCR на примере аденозинового рецептора — тип A_2A (PDB Id: 2YDO [6]). Пунктир обозначает разрыв в структуре, возникший из-за ограничений рентгеноструктурного метода. Перед моделированием мы «заделывали» такие прорехи с помощью специальных программ. Изображение создано в программе-визуализаторе UCSF Chimera [7]

Филогенетическое дерево GPCR, отражающее их многообразие. Обозначены пять семейств, самое большое из которых — «близкие родственники» родопсина, позволяющего нам видеть. В эту группу входят рецепторы к адреналину, ацетилхолину, дофамину и аденозину. Черной стрелкой обозначен наш герой — аденозиновый рецептор типа A_2A. Рисунок взят с образовательного портала «Молекулярные исследования в биологии и медицине — PDB-101»

Очевидно, что аденозиновые рецепторы — перспективные мишени для разработки новых лекарств, причем как активирующих рецепторы (агонистов), так и блокирующих их (антагонистов). Не говоря уже о том, что крайне интересна сама по себе химическая передача сигнала об усталости, поэтому мы и занялись этой тематикой. Но, прежде чем заняться, надо было разобраться, что уже сделано до нас. Замечу, что многое сделали не только исследователи, но и сама природа.

Злостные молекулярные обманщики

Самые известные природные антагонисты аденозиновых рецепторов — кофеин (главное действующее вещество кофе и чая) и теофиллин (больше всего содержится в бобах какао и немного в чае). На основе этих веществ уже создано много синтетических антагонистов, проходящих сейчас «кастинг» на роль новых лекарств.

Антагонисты аденозиновых рецепторов: кофеин, тонизирующий нервную систему; теофиллин, расширяющий бронхи, используется для лечения бронхиальной астмы и хронической обструктивной болезни легких; 8-циклопентил-1,3-дипропилксантин (DPCPX) — мощный блокатор аденозиновых рецепторов, используется в экспериментальных исследованиях; деренофиллин — возможное новое лекарство для лечения сердечной и почечной недостаточностей

Причина активности кофеина и его аналогов (ксантинов) кроется в их химической структуре. Кофеин, теофиллин и подобные им вещества напоминают аденозин без остатка сахара рибозы. Потому они могут спокойно зайти в связывающий участок рецептора, закрепиться там и имитировать все взаимодействия, кроме двух водородных связей, образуемых рибозой и необходимых для активации рецептора. Этакая молекулярная обманка: залез в связывающий участок, но рецептор не активировал. А так как место занято, настоящий аденозин тоже теперь не сможет его активировать. Примерно так же себя ведут более мощные синтетические блокаторы аденозиновых рецепторов, созданные на основе кофеина, например DPCPX (3,7-диметил-1-пропаргилксантин). И вообще, так на самом деле действуют очень многие лекарства, если не сказать все — притворяются настоящим гормоном или медиатором, а его функций не выполняют.

Связывание с аденозиновыми рецепторами аденозина (а, б), кофеина (в) и синтетических блокаторов (г). Трехмерный вид рецептора A₁ показан с внеклеточной стороны под небольшим углом (а; изображение создано с помощью программы UCSF Chimera [7] на основе структуры PDB Id: 6D9H [10]). Голубая линия — водородная связь, пурпурная — гидрофобный контакт. Обозначены ключевые для связывания аминокислотные остатки, заметные с этого ракурса: аспарагин (Asn254), образующий водородную связь с азотистым «ядром» аденозина; гистидин (His278), формирующий такую же связь с сахаром рибозой, необходимую для активации рецептора; фенилаланин (Phe171), создающий целый пучок гидрофобных контактов и ароматическое взаимодействие (на рисунке не показано) с азотистым «ядром» аденозина. Двумерная диаграмма взаимодействий аденозина с рецептором A_2a (б; изображение создано на основе структура PDB Id: 2YDO [6] с помощью программы LigPlot+ [11]). Здесь и далее на диаграммах: зеленая пунктирная линия с числом обозначает водородную связь и ее длину; красный полукруг со спицами — гидрофобное взаимодействие; сплошная зеленая линия с закругленными концами — ароматическое взаимодействие (последнее дорисовано нами, так как программа LigPlot+ такое взаимодействие не отображает). Для связывания аденозина жизненно необходима всего одна водородная связь — с остатком аспарагина (Asn) в рецепторе; и три гидрофобных контакта — с изолейцином (Ile), лейцином (Leu) и фенилаланином (Phe). А также ароматическое взаимодействие с последним фенилаланином — азотистое основание по химическим свойствам подобно бензольному кольцу. Сахар, входящий в состав аденозина, образует еще две водородные «зацепки», но они важны не для связывания как такового, а для «включения» рецептора. Кофеин обманным путем блокирует рецептор (в; структура PDB 3RFM [12], создано при помощи программы LigPlot+ [11]). Химически он похож на аденозин без рибозы, поэтому легко связывается с теми же аминокислотами, при этом рецептор не включает. В итоге аденозин взаимодействовать с ним не может, так как все необходимые связи уже заняты. Примерно так же себя ведут более мощные синтетические блокаторы аденозиновых рецепторов, например DPCPX (г; изображение создано автором). На самом деле так действуют очень многие лекарства, если не сказать все — притворяются настоящим гормоном или медиатором, а его функций не выполняют

О роли слабых взаимодействий

Ионные связи (когда заряженные группировки притягиваются по принципу «плюс-к-минусу») во взаимодействии аденозиновых рецепторов с их лигандами не образуются. Но встречается еще один тип связи — стэкинг (от англ. stacking — ‘ароматическое взаимодействие’). Это притягивание двух бензольных колец, оказавшихся друг над другом, как книги в стопке (англ. stack). В случае белок-лигандных взаимодействий притягивается обычно ароматический (содержащий систему электронов, как в бензольном кольце) фрагмент лиганда и один из ароматических аминокислотных остатков в рецепторе — фенилаланин, тирозин или триптофан.

Как и почему то или иное вещество связывается с рецептором? Чтобы ответить на этот вопрос, можно построить молекулярную модель этих взаимодействий на компьютере с помощью специальных программ. А когда надо рассчитать сам способ связывания, положение лиганда в рецепторе, используются алгоритмы, которые перебирают возможные взаимные расположения молекул рецептора и лиганда. Для каждого из них рассчитывают описанные выше взаимодействия, оценивают их суммарную энергию и определяют конформации лиганда, в которых связывание будет сильнее всего. Такой подход называется молекулярным докингом (его точность оставляет желать лучшего на сегодняшнем этапе развития этой методики).

Кого обманывают растения?

Кофеин довольно широко распространен в растительном мире, его синтезируют около 100 видов растений из 13 различных порядков [13]. Помимо собственно кофе (Coffea), к ним относятся чай (Camellia sinensis), падуб парагвайский, или мате (Ilex paraguariensis), гуарана (Paullinia cupana), кола (Cola), лимон (Citrus) и др. [13, 14].

Плоды растений — продуцентов кофеина: а — падуба парагвайского, б — лимона, в — кофе, г — гуараны. Фото из свободного хранилища Wikimedia Commons

Кофеин — классический пример так называемых вторичных метаболитов, которые самому организму как бы и не нужны — не используются в его биохимических процессах и не служат продуктами выделения. Эти вещества растения синтезируют для защиты от вредителей и для привлечения опылителей, т.е. для воздействия на другой организм [13].

Алкалоид кофеин относится к производным пурина, т.е. к той же группе соединений, что и азотистые основания гуанин и, главное, аденин, который входит в состав аденозина. Можно подумать, что растения специально производят обманный аналог этого нуклеозида, но трудно представить, что он предназначается нашим аденозиновым рецепторам. Эволюция вряд ли стала бы устраивать такое биохимическое шоу, чтобы помочь нам взбодриться. Очевидно, что кофеин нацелен на насекомых — на тех, что поедают листья растений, и на тех, что их опыляют. Но почему он действует и на человека?

Подробно об этом профессор Нортумбрийского университета Дэвид Кеннеди написал целую книгу «Растения и человеческий мозг» [13]. Автор научно и при этом увлекательно рассказывает о том, что у насекомых и людей нервная система, в принципе, устроена очень сходно! Нет, конечно, строение мозга разное, но одни и те же функции у нас и у насекомых контролируются практически одними и теми же нейромедиаторами. Кроме того, белки-рецепторы для этих нейромедиаторов имеют почти такое же строение, как у нас. Получается, что растения эволюционно целились в нервную систему насекомых, а «попали» в мозг человека.

Чего же растения добиваются от насекомых, снабжая их кофеином? Во-первых, кофеин может быть ядовит для насекомых, питающихся этими растениями. Любимое экспериментальное животное молекулярных биологов — плодовая мушка, или дрозофила, — при хроническом введении кофеина меньше живет и оставляет меньше потомства. Возможно, не лучшим образом дела идут и у других насекомых, отведавших «запретный плод». Похоже, что механизм этого эффекта отчасти связан с аденозиновым рецептором. Кстати, в отличие от млекопитающих, которые накопировали его себе аж в четырех вариантах и каждый белок затем подредактировали в ходе эволюции, насекомые вполне довольствуются всего одним рецептором на все случаи жизни. Его блокирование кофеином in vivo приводит к тому, что насекомое меньше спит, больше двигается и. меньше ест (чем-то похоже на поведение человека, употребившего большие дозы кофеина), что и нужно растению. Так изощренно оно влияет на поведение насекомого [13].

Но, помимо токсического эффекта, у кофеина есть и благотворный. Его стимулирующее действие не ограничивается повышением общей активности и нежеланием спать. Кофеин блокирует аденозиновые рецепторы на нейронах гиппокампа (отдела мозга, отвечающего за память), при этом они активируются, что благотворно сказывается на запоминании и обучении [14]. Именно поэтому неврологи и психиатры присматриваются к антагонистам аденозиновых рецепторов как к средствам для улучшения памяти, внимания и мышления при заболеваниях мозга.

Гиппокамп, «подсвеченный» в трехмерной модели мозга человека (изображение с сайта shutterstock.com), и грибовидные тела (выделено зеленым) в мозге дрозофилы (изображение с сайта: blogs.plos.org)

В мозге насекомых есть аналогичная нашему гиппокампу структура — грибовидные тела, отвечающие за память и сложные формы поведения [15]. На нейронах этой структуры также есть аденозиновые рецепторы, блокирование которых может улучшить запоминание насекомыми значимой для них информации. Эту гипотезу группа британских и американских ученых обосновывает тем, что содержащиеся в нектаре лимонного дерева небольшие концентрации кофеина улучшают запоминание насекомыми запаха опыляемого цветка [14]. Неужели растение дает насекомому средство для улучшения памяти, чтобы лучше ему запомниться?! Впрочем, стоит ли удивляться? Растения вообще часто решают свои проблемы в отношениях с другими организмами химическим путем, причем порой весьма оригинально.

Флавоноиды

Помимо упомянутого кофеина и прочих ксантинов, есть еще один класс соединений, которые могут претендовать на роль блокаторов аденозиновых рецепторов, — флавоноиды. Их еще называют полифенолами, поскольку они собраны из нескольких фенольных колец, и из этой пухлой молекулы во все стороны торчат гидроксильные группы, как иглы из ежа. Флавоноиды синтезируются почти всеми растениями, причем в значительных количествах. Относятся они тоже к вторичным метаболитам, правда, функций у них куда больше, чем у кофеина [16].

Во-первых, флавоноиды — натуральные красители и ароматизаторы цветов, да и само название происходит от латинского слова flavus — ‘желтый’. Во-вторых, это мощные антиоксиданты (еще и поэтому их так любят медики). Но и эту функцию растения приобрели явно не ради человека. У нас активные формы кислорода, повреждающие клетки, могут возникать только в результате утечек электронов через внутреннюю мембрану митохондрий. Масштабы бедствия не столь велики, и «штатных» систем антиоксидатной защиты клетки вполне достаточно. А вот хлоропласты растений, мало того что оснащены системой переноса электронов, похожей на митохондриальную, так еще и не расходуют кислород, а производят его. Тут уже активные формы кислорода будут хлестать, как кипяток из прорванной батареи. Приходится растениям набивать свои клетки химическими ловушками для радикалов, на роль которых в силу своего химического строения годятся флавоноиды. Ну, а человек этими плодами эволюции пользуется. Правда, стоит оговориться, что активные формы кислорода не всегда оказываются врагами, а антиоксиданты — друзьями, но эта тема для другой статьи.

Цветущий луг, «расписанный» флавоноидной краской (фото с сайта bigmoor.co.uk)

Помимо перечисленного, флавоноиды в организме растений участвуют в ответе на стресс, в транспорте ауксина (стимулятора роста) и служат сигналом бактериям-симбионтам — химическим «разрешением» колонизировать корни растения [16]. Нас же интересует способность флавоноидов подобно кофеину блокировать аденозиновые рецепторы.

В силу структурных особенностей флавоноиды могут взаимодействовать со многими белками-рецепторами как в организме растений, так и человека. Круглая органическая молекула способна за счет гидрофобных взаимодействий «прилипнуть» к любой неполярной аминокислоте, да еще и легко образовывать водородные связи, поскольку усеяна гидроксильными группами. Химическая универсальность флавоноидов привлекает внимание ученых, но пока дело ограничивается исследованиями связывания и размышлениями о перспективах. Но в случае с аденозиновыми рецепторами флавоноиды восприняли на редкость всерьез и уже вовсю разрабатывают химически модифицированные производные, избирательно связывающиеся с одним из четырех имеющихся у человека рецепторов.

Обычно при разработке новых лекарств стараются получить молекулярную модель связывания вещества-прототипа с рецептором. Либо исследуют структуру комплекса экспериментальным путем, либо строят компьютерную модель. Сегодня много таких структур для связывания ксантинов и их производных с аденозиновыми рецепторами. А вот изучение флавоноидов до сих пор ведется практически вслепую, моделей структуры комплекса для них нет. Есть разве что данные анализа связи структуры соединения и его активности, плюс еще модели CoMFA (от англ. Comparative Molecular Field Analysis — ‘сравнительный анализ молекулярных полей’) [17]. Если рецептор подобен замку, а лиганд — ключу, то CoMFA — это «слепок с ключа», т.е. попытка на компьютере рассчитать структуру сайта связывания по структурам многих лигандов.

Пример модели CoMFA со стерическими (а) и электростатическими (б) полями (изображение с сайта authorstream.com). В обоих случаях видно, что конкретных взаимодействий с рецептором нет. Цветом показаны только регионы «воображаемого» связывающего участка, где желательно (а — зеленый цвет) или нежелательно (а — желтый) связывание объемного фрагмента молекулы, положительного (б — синий) или отрицательного (б — красный) заряда

Но и с такими моделями есть определенная загвоздка. Как я уже писал, флавоноид — это тот еще молекулярный ежик, не ключ в замке, а настоящая молекулярная отмычка. И при наложении CoMFA вполне может получиться «лишняя» водородная связь с рецептором. Исследователи из США и Италии таким образом две связи насчитали [17]. Пора бы уже иметь хоть какую-то структурную модель, чтобы проверить. Этим мы и решили заняться, однако неожиданно в литературе подвернулось еще одно интересное соединение. Содержится это вещество, как ни странно, в корнях валерианы (Valeriana officinalis), называется изовальтрат и принадлежит к валепотриатам — одному из классов соединений, обеспечивающих седативное действие растения. Однако аденозиновый рецептор оно также блокирует [18]. Видимо, его возбуждающий эффект «перевешивается» действием на другие рецепторы нервной системы. К нему исследователи тоже присматриваются как к прототипу для создания новых антагонистов аденозиновых рецепторов.

В случае с кофеином хотя бы понятно, как он блокирует рецепторы: он химически похож на аденозин без рибозы. Но флавоноиды и валепотриаты химически резко отличаются как от аденозина, так и от кофеина. Они не содержат в своей структуре азотистого основания, поэтому трудно понять, как они могут связаться с рецептором, чтобы заблокировать его. Чтобы выяснить это, мы воспользовались методами компьютерного моделирования — уже упомянутый и широко распространенной у биоинформатиков методикой докинга, но с некоторыми новшествами.

Устраняем неясности с помощью компьютерного моделирования

Обычно при докинге молекула рецептора жесткая — иначе вычислительных ресурсов не хватит. Это, правда, не совсем хорошо, так как именно подвижность молекулы рецептора обеспечивает биологический ответ клетки, и пренебрегать ею — значить делать довольно грубое допущение. Но у флавоноидов в молекуле мало вращаемых связей, т.е. гибкость лиганда тоже низкая. И обычный докинг такой молекулы в какой-нибудь рецептор становится занятием неблагодарным: рецептор не может обнять лиганд, а лиганд не может удобно улечься в рецепторе. Молекулярная динамика? Она требует много ресурсов и нам пока недоступна. А может, есть все-таки решение для докинга с гибким рецептором? Такое решение не только есть, но еще имеет удобный веб-интерфейс — Galaxy7TM [19]. Устанавливать ничего не надо. Да и справится даже новичок.

Моделирование GPCR и их комплексов с лигандами — огромная головная боль для биоинформатики. Кристаллические структуры GPCR исчисляются уже десятками, но по сравнению с огромным количеством таких рецепторов этого все равно недостаточно, поэтому моделировать приходится много. Разработчики справедливо рассудили, что можно сделать сервер именно для гибкого докинга лигандов в GPCR, а не во все возможные белки, и так сэкономить вычислительные ресурсы. Благо есть модель движений любого GPCR. Остается только применить их к нашему белку, дальше, фактически, провести обычный докинг в полученные конформации и чуть-чуть подогнать лиганд и рецептор друг к другу, немного «расслабив» молекулы [19].

Полученные при докинге варианты связывания лиганда называются решениями докинга. И в каждом докинге у нас было решение, где флавоноид или изовальтрат образуют те же связи, что и ксантины. А связи, активирующие рецептор, он так же спокойно «игнорирует». И зачастую такое решение было даже не одно. Связи флавоноидов в таких моделях крайне похожи на связи кофеина. Да и положение молекулы подчас очень сходно.

Флавоноиды оказались куда более похожими на ксантины с точки зрения рецептора, чем это могло показаться. Рецептор ведь не смотрит на формулу молекулы — у него нет глаз, он узнает ее «наощупь». А флавоноиды очень похожи на ксантины, особенно на новые антагонисты типа DPCPX. Так же, как и кофеину, им достаточно: образовать водородную связь с аспарагином (при таком количестве гидроксигрупп — не проблема); гидрофобно «прилипнуть» к лейцину, изолейцину и фенилаланину (мощное органическое «ядро» в помощь); ароматически притянуться к бензольному кольцу фенилаланина (не беда, целых три бензольных кольца в молекуле, выбирай, какое ближе). В общем, кофеин прикидывается аденозином, но флавоноиды его перехитрили — они смогли прикинуться кофеином!

Связи, образуемые флавоноидом кверцетином с аденозиновым рецептором A₁ (а) и наложение кверцетина (бежевый) на DPCPX (голубой) в рецепторе A₁ (б — вид «сверху», с внеклеточной стороны; в — то же самое наложение, но крупным планом и слегка под углом). Очень напоминают связи кофеина и прочих ксантинов. Так как докинг гибкий, то и «ленты» рецептора две (б; в конформации, обозначенной серым цветом, рецептор связывает кверцетин, синим — DPCPX). Обозначены ключевые аминокислотные остатки. На крупном плане хорошо заметно, что флавоноид занимает в пространстве положение, сходное с позицией ксантинов

В работе мы детально описали, как флавоноиды это делают на молекулярном уровне [20]. Внесли небольшие уточнения — в предыдущих моделях, выполненных методом «слепок с ключа», одна водородная связь все-таки лишняя. Оказалось, что и одной хватит. Такие уточнения потенциально могут сделать разработку новых антагонистов аденозиновых рецепторов более легкой и продуктивной.

Чтобы убедиться, что из множества решений докинга мы взяли в работу именно те, что надо, мы попробовали предсказать энергию связывания для наших моделей. Делали мы это с помощью доступной онлайн программы K_DEEP [21], в основе которой лежит нейронная сеть. Это значит, что программа в некотором роде имитирует работу мозга человека и животных и напоминает обучающегося робота, только «заточенного» под узкую задачу — предсказание аффинности лиганда к рецептору.

Абсолютные значения аффинности, конечно, отличались от экспериментальных, зато с помощью программы мы смогли расставить наши несколько флавоноидов в порядке уменьшения аффинности к одному из аденозиновых рецепторов. Получились лишь небольшие погрешности. Такой результат — неплохое предварительное подтверждение правильности модели. В наших планах — провести подобную проверку на большем наборе данных. В идеале, для окончательной валидации модели следовало бы провести эксперимент методом сайт-специфического мутагенеза: «в пробирке» заменить в структуре рецептора ключевые остатки связывающего участка «по одиночке» и измерить связывание полученных мутантных форм с флавоноидами. Однако на данный момент мы не располагаем ресурсами для проведения такого затратного и сложного эксперимента.

Модель приятно удивила: изовальтрат

Особенно удачная модель получилась с валепотриатом изовальтратом. Он стоит немного особняком, так как для флавоноидов есть большой массив экспериментальных данных, а с изовальтратом же пришлось работать индивидуально. Для него мы также получили не одно решение, где его связи с рецептором подозрительно напоминали связи кофеина и прочих ксантинов. Когда мы выбрали из этих моделей энергетически самую выгодную и сравнили ее с моделью связывания DPCPX, то были приятно удивлены, что изовальтрат и DPCPX располагаются в рецепторе практически идентично. Это происходит из-за очень сходной формы молекул.

Самое интересное, что изовальтрат неароматичен (не имеет такого же электронного облака, как флавоноиды и ксантины), и поэтому к фенилаланину должен притягиваться не так сильно. Но он настолько похож на знакомые аденозиновому рецептору кстантины, что рецептор на радостях его простил и признал как своего. И опять заблокировался! Вы чувствуете, что изовальтрат вдохновил нас не на шутку? Настолько вдохновил, что его связывание мы описывали в отдельной статье [22].

В наших работах мы постарались немного расширить химические горизонты в разработке блокаторов аденозиновых рецепторов. Как оказалось, на роль молекулярных «обманок» для аденозинового рецептора годятся не только ксантины. Мы наметили пути, как такие молекулярные «фальшивки» сделать из соединений разной структуры. Если уж вся эта история с аденозиновыми рецепторами — один сплошной обман, то мы тоже в игре. Будем думать, как обвести вокруг пальца астму, рак и заболевания мозга.

Автор благодарит своих руководителей и соавторов Лопину Надежду Петровну и Бордину Галину Евгеньевну за помощь в выполнении и публикации «пересказанных» здесь научных работ, а также за любезное разрешение выступить популяризатором этих исследований.

Литература
1. Eltzschig H. K. Extracellular adenosine signaling in molecular medicine // J. Mol. Med. 2013; 91: 141–146. DOI: 10.1007/s00109-013-0999-z.
2. Lazarus M., Oishi Y., Bjorness T. E., Greene R. W. Gating and the need for sleep: dissociable effects of adenosine A₁ and A_2A receptors // Front. Neurosci. 2019; 13: 740. DOI: 10.3389/fnins.2019.00740.
3. Holst S. C., Landolt H.-P. Sleep homeostasis, metabolism and adenosine // Curr. Sleep Medicine Rep. 2015; 1: 27–37. DOI: 10.1007/s40675-014-0007-3.
4. Bjorness T., Greene R. Adenosine and sleep // Curr. Neuropharmacol. 2009; 7(3): 238–245. DOI: 10.2174/157015909789152182.
5. Liu H., Xia Y. Beneficial and detrimental role of adenosine signaling in diseases and therapy // Journal of Applied Physiology. 2015; 119(10): 1173–1182. DOI: 10.1152/japplphysiol.00350.2015.
6. Lebon G., Warne T., Edwards P. C. et al. Agonist-bound adenosine A_2A receptor structures reveal common features of GPCR activation // Nature. 2011; 474: 521–525. DOI: 10.1038/nature10136.
7. Pettersen E. F., Goddard T. D., Huang C. C. et al. UCSF Chimera — A visualization system for exploratory research and analysis // J. Comput. Chem. 2004; 25: 1605–1612. DOI: 10.1002/jcc.20084.
8. Jacobson K., Gao Z. Adenosine receptors as therapeutic targets // Nat. Rev. Drug Discov. 2006; 5: 247–264. DOI: 10.1038/nrd1983.
9. Ren W., Qiao Z., Wang H. et al. Flavonoids: Promising anticancer agents // Med. Res. Rev. 2003; 23: 519–534. DOI: 10.1002/med.10033.
10. Draper-Joyce C. J., Khoshouei M., Thal D. M. et al. Structure of the adenosine-bound human adenosine A₁ receptor—Gi complex // Nature. 2018; 558: 559–563. DOI: 10.1038/s41586-018-0236-6.
11. Laskowski R. A., Swindells M. B. LigPlot+: Multiple ligand—protein interaction diagrams for drug discovery // J. Chem. Inf. Model. 2011; 51(10): 2778–2786. DOI: 10.1021/ci200227u.
12. Doré A. S., Robertson N., Errey J. C. et al. Structure of the adenosine A_2A receptor in complex with ZM241385 and the xanthines XAC and caffeine // Structure. 2011; 19: 1283–1293. DOI: 10.1016/j.str.2011.06.014.
13. Kennedy D. O. Plants and the Human Brain. N.Y., 2014;
14. Wright G. A., Baker D. D., Palmer M. J. et al. Caffeine in Floral Nectar Enhances a Pollinator’s Memory of Reward // Science. 2013; 339(6124): 1202–1204. DOI: 10.1126/science.1228806.
15. Strausfeld N. J., Hansen L., Li Y. et al. Evolution, discovery, and interpretations of arthropod mushroom bodies // Learn. Mem. 1998; 5(1–2): 11–37. DOI: 10.1101/lm.5.1.11.
16. Khalid M., Saeed-ur-Rahman, Bilal M. et al. Role of flavonoids in plant interactions with the environment and against human pathogens — A review // Journal of Integrative Agriculture. 2019; 18(1): 211–230. DOI: 10.1016/S2095-3119(19)62555-4.
17. Jacobson K. A., Moro S., Manthey J. A. et al. Interactions of Flavones and Other Phytochemicals with Adenosine Receptors. Flavonoids in Cell Function // Advances in Experimental Medicine and Biology. Buslig B. S., Manthey J. A. (eds). Boston, 2002; 505: 163–171. DOI: 10.1007/978-1-4757-5235-9_15.
18. Lacher S. K., Mayer R., Sichardt K. et al. Interaction of valerian extracts of different polarity with adenosine receptors: Identification of isovaltrate as an inverse agonist at A₁ receptors // Biochemi. Pharmacol. 2007; 73: 248–258. DOI: 10.1016/j.bcp.2006.09.029.
19. Lee G. R., Seok C. Galaxy7TM: flexible GPCR—ligand docking by structure refinement // Nucleic Acids Res. 2016; 44: W502–W506. DOI: 10.1093/nar/gkw360.
20. Куракин Г. Ф., Лопина Н. П., Бордина Г. Е. Компьютерное моделирование взаимодействия флавоноидов с аденозиновыми рецепторами // Вопросы биологической, медицинской и фарма-цевтической химии. 2019; 22(1): 42–47. DOI: 10.29296/25877313-2019-01-06.
21. Jiménez J., Škalič M., Martínez-Rosell G., De Fabritiis G. KDEEP: protein—ligand absolute binding affinity prediction via 3D-convolutional neural networks // J. Chem. Inf. Model. 2018; 58: 287–296. DOI: 10.1021/acs.jcim.7b00650.
22. Куракин Г. Ф., Лопина Н. П., Бордина Г. Е. Компьютерное моделирование взаимодействия изовальтрата с аденозиновым рецептором А₁ // Вопросы биологической, медицинской и фарма-цевтической химии. 2019; 22(9): 16–23. DOI: 10.29296/25877313-2019-09-03.

1 Подробнее см.: Колесников С. С. Лауреаты Нобелевской премии 2012 года по химии — Р. Левковиц и Б. Колилка // Природа. 2013. № 1. С. 78–82. — Здесь и далее примеч. ред.

2 Подробнее см.: Андреев Я. А., Логашина Ю. А., Лубова К. И., Василевский А. А., Козлов С. А. Боль, воспаление и другие неприятности: обратная сторона ощущений // Природа. 2016. № 12. С. 3–9.

3 Рецепторные тирозинкиназы играют критическую роль в развитии и прогрессировании многих типов злокачественных опухолей. Для борьбы с этим процессом фармакологи разрабатывают препараты — ингибиторы тирозинкиназы, которые, к сожалению, не лишены множества побочных эффектов и чрезвычайно дорогостоящие.

4 Подробнее см. статью на сайте «Биомолекула»: Миндубаев А. З. Роль слабых взаимодействий в биополимерах. 20.03.2015.

5 Подробнее см.: Чугунов А. О., Полянский А. А., Ефремов Р. Г. Физическая водобоязнь // Природа. 2013. № 1. С. 24–34.

Источник