Серин в человеческом организме, применение в медицине и спорте. Серин: свойства и применение Серин формула химическая
Является одной из самых важных аминокислот в организме человека. Он участвует в производстве клеточной энергии. Первое упоминание о серине связано с именем Э. Крамера, который в 1865 году выделил данную аминокислоту из шелковых нитей, производимых тутовым шелкопрядом.
Продукты богатые серином:
Общая характеристика серина
Серин относится к группе заменимых аминокислот и может образовываться из 3-фосфоглицерата. Серин обладает свойствами аминокислот и спиртов. Он играет важную роль в проявлении каталитической активности многих расщепляющих белки ферментов.
Кроме того, данная аминокислота принимает активное участие в синтезе других аминокислот: глицина , цистеина , метионина и триптофана . Серин существует в виде двух оптических изомеров - L и D.6. В процессе биохимической трансформации в организме, серин преобразуется в пировиноградную кислоту.
Серин содержится в протеинах головного мозга (включая нервную оболочку). Используется как увлажняющий компонент при производстве косметических кремов. Участвует в построении природных белков, укрепляет иммунную систему, обеспечивая ее антителами. Кроме того, он участвует в передаче нервных импульсов в головной мозг, в частности, в гипоталамус.
Суточная потребность в серине
Суточная потребность в серине для взрослого человека составляет 3 грамма. Принимать серин следует между приемами пищи. Вызвано это тем, что он способен увеличить уровень глюкозы в крови. При этом следует учесть, что серин является заменяемой аминокислотой, и он способен образовываться из других аминокислот, а также из 3-фосфоглицерата натрия.
Потребность в серине возрастает:
- при заболеваниях, связанных со снижением иммунитета ;
- при ослаблении памяти. С возрастом синтез серина снижается, поэтому для улучшения умственной деятельности, его необходимо получать из продуктов, богатых этой аминокислотой;
- при заболеваниях, во время которых снижается выработка гемоглобина;
- при железо-дефицитной анемии.
Потребность в серине снижается:
- при эпилептических припадках;
- при органических заболеваниях центральной нервной системы;
- хронической сердечной недостаточности;
- при психических отклонениях, проявляющихся тревожностью, депрессией, маниакально-дипрессивным психозом и т.д.;
- в случае хронической почечной недостаточности;
- при алкоголизме первой и второй степеней.
Усваиваемость серина
Усваивается серин хорошо. При этом, он активно взаимодействует со вкусовыми рецепторами, благодаря чему наш мозг получает более полную картину того, что именно мы едим.
Полезные свойства серина и его влияние на организм
Серин регулирует уровень кортизола в мышцах. При этом мышцы сохраняют свой тонус и структуру, а также не подвергаются деструкции. Создаёт антитела и иммуноглобулины, формируя тем самым иммунную систему организма.
Участвует в синтезе гликогена , накапливая его в печени.
Нормализует мыслительные процессы, а также функционирование мозга.
Фосфатидилсерин (особая форма серина) оказывает лечебный эффект при метаболических нарушениях сна и настроения.
Взаимодействие с другими элементами:
В нашем организме серин может преобразовываться из глицина и пирувата. Кроме того, имеется возможность обратной реакции, в результате чего, серин вновь может стать пируватом. При этом серин участвует также в построении почти всех природных белков. Кроме того, серин сам имеет способность взаимодействовать с белками, образуя комплексные соединения.
Серин для красоты и здоровья
Серин играет важную роль в структуризации белков, благотворно воздействует на нервную систему, поэтому его можно причислить к аминокислотам, которые необходимы нашему организму для красоты. Ведь здоровая нервная система позволяет нам лучше себя чувствовать, а значит и выглядеть, присутствие достаточного количества белка в организме придает коже тургор и бархатистость.
α-амино-β-оксипропионовая кислота ; 2-амино-3-гидроксипропановая кислота
Химические свойства
Серин – это полярная гидроксиаминокислота . Вещество имеет два оптических изомера, L и D . D-изомер образуется из L-изомера под действием специфического фермента серин-рацемазы . Рацемическая формула Серина: C3H7N1O3 или HO2C-CH(NH2)CH2OH . Структурная формула Серина подробнее рассмотрена в статье в Википедии. Молекулярная масса соединения = 105,1 грамм на моль, вещество плавится при 228 градусах Цельсия. В биохимии используют следующие сокращения для обозначения данной аминокислоты: Сер, Ser, S.
Впервые средство было выделено из шелка, так как именно в белках данного материала вещество присутствует в наибольшем количестве. Данное химическое соединение относят к классу заменимых аминокислот, так как оно может синтезироваться в организме человека, например из гликозина – 3-фосфоглицерата . По своим физическим свойствам средство – это белый кристаллический порошок, обладающий слабым кисловатым вкусом.
Вещество принимает активное участие в метаболических процессах, протекающих в организме, построении природных белков, синтезе других аминокислот (реакция декарбоксилирования Серина). В промышленных масштабах его получают с помощью реакции ферментации. В год производят около 100-1000 т вещества. В лабораторных условиях хим. соединение можно получить из метилакрилата .
Фармакологическое действие
Метаболическое .
Фармакодинамика и фармакокинетика
Серин – очень важная аминокислота , принимающая участие во множестве биологических процессов, протекающих в организме человека. Вещество принимает активное участие в реакциях синтеза пуринов и пиримидинов , является предшественником других аминокислот – цистеина , (бактерии) и ; , сфинголипидов , одноатомных углеродных фрагментов биомолекул.
Данная аминокислота является важным катализатором функционирования различных ферментов – , и т.д. После того, как средство преодолеет гематоэнцефалический барьер, оно подвергается метаболизму и превращается в D-серин . Данный оптический изомер, в свою очередь, служит в качестве глиотрансмиттера и нейромедиатора , коактивизирует NMDA-рецепторы . Также D-изомер – сильнодействующий агонист в глутаматных рецепторах (сильнее самого глицина ).
Проникая в организм, вещество активно усваивается ЖКТ и проникает в системный кровоток, распределяется по тканям и органам. Лек. средство метаболизируется путем дезаминирования, с образованием пировиноградной кислоты и превращается в D-изомер при помощи фермента серин-рацемазы . Вещество не некапливается в организме.
Показания к применению
Серин назначают:
- в рамках комплексной терапии при белково-энергетической недостаточности и при недостаточном питании;
- в сочетании с прочими средствами для лечения железодефицитной анемии.
Противопоказания
Серин противопоказан при наличии на компоненты лек. средства и при нарушениях метаболизма аминокислот в организме.
Побочные действия
Вещество хорошо переносится пациентами, редко могут возникнуть аллергические реакции и (при приеме таблеток) неприятные симптомы со стороны желудочно-кишечного тракта.
Инструкция по применению (Способ и дозировка)
В зависимости от лекарственной формы и препарата, в составе которого находится данное вещество, его назначают внутрь в виде таблеток и капсул либо внутривенно. Схема и продолжительность лечения определяется лечащим врачом.
Передозировка
Передозировка данной аминокислотой практически не возможна, нет данных о случая передозировки Серином.
Взаимодействие
Вещество отлично сочетается с прочими лек. средствами, его часто добавляют в препараты железа или используют в сочетании с прочими аминокислотами.
Условия продажи
Для того, чтобы приобрести данную аминокислоту рецепт не требуется.
Условия хранения
Хранят лекарство в прохладном месте, в оригинальной упаковке. Если средство входит в состав других препаратов, то условия хранения могут несколько отличаться.
Детям
Данное вещество активно используют в педиатрической практике.
При беременности и лактации
Средство разрешено к применению во время кормления грудью и при беременности.
Препараты, в которых содержится (Аналоги)
Совпадения по коду АТХ 4-го уровня:Вещество входит в состав: , Аминовен , Актиферрин Композитум , Аминоплазмаль Б. Браун Е 10 , Аминовен Инфант , Аминосол Нео , Аминостерил Н-Гепа , , Гепасол-Нео , Кабивен , и т.д.
Серин (α-амино-β-оксипропионовая кислота; 2-амино-3-гидроксипропановая кислота) — заменимая протеиногенная аминокислота, существующая в 2-х оптических изомерах: L и D.
L-серин — протеиногенная аминокислота, которая входит в состав большинства белков. Бесцветные, растворимые в воде кристаллы, имеющие сладковатый вкус (повышающие уровень глюкозы в крови). Это одна из важнейших аминокислот в производстве энергии для работы клеток организма, поэтому препараты с L-серином так любят спортсмены.
D-серин — заменимая аминокислота, производная . В большом количестве содержится в нейронах (клетках головного мозга), является нейромодулятором () и .
Польза L-серина
L-серин участвует во многих реакциях в организме, поэтому обойтись без него нельзя:
- участвует в синтезе других аминокислот (в частности, и цистеина), а также ряда ферментов (эстераза и др.) и соединений (пиримидин, пурин, порфирин, );
- важный компонент производства клеточной энергии, поскольку участвует в формировании запасов гликогена в печени и мышцах;
- участвует в обмене жиров и жирных кислот;
- формирует рост мышечной массы;
- препятствует размножению патогенного штамма кишечной палочки;
- поддерживает иммунную систему организма (участвует в производстве иммуноглобулинов антител);
- обеспечивает жировой оболочкой нервные волокна, делая их более эластичными.
L-серин широко применяется в составе различных , в частности, входит в состав:
- некоторых антибиотиков широкого спектра действия за счет того, что выступает как антагонист D- (который входит в состав всех бактерий), что позволяет ему выступать как бактерицидный препарат при лечении воспалений мочевыводящей системы, туберкулезе и т.д.;
- железосодержащих препаратов для лечения анемии.
Польза D-серина
D-серин — нейропептид, регулирующий работу головного мозга. Его работа очень важна, ведь он:
- регулирует когнитивные функции;
- используется в процессах обучения и памяти;
- является естественным болеутоляющим.
D-серин широко применяется в составе различных , в частности, используется при лечении шизофрении.
Суточная потребность организма в серине
Суточная потребность организма взрослого человека в серине составляет около 3 граммов.
Следует понимать, что серин — заменимая аминокислота, поэтому не обязательно потреблять ее непосредственно из продуктов. Однако в случае недостатка белковой пищи в рационе, серину будет не из чего образовываться — со всеми вытекающими отсюда последствиями. Поэтому так важно соблюдать .
Особенно важно обеспечивать нормальное количество серина для тех, кто занят умственной работой, обучением, освоением нового, творчеством.
И еще. Для нормальной работы серина крайне важен витамин В 12 — он поступает в наш организм только с пищей (или в составе аптечных витаминных комплексов) и содержится преимущественно в пище животного происхождения (в печени, мясе, субпродуктах, сырах). Не очень много его в молочных продуктах, а в растительных он присутствует в минимальных количествах, да и то лишь в тех, что выращены вдали от цивилизации с ее удобрениями и пестицидами, так что вегетарианцам, живущим не в тайге, желательно принимать витаминные комплексы, в которых есть витамин В 12 .
Продукты, содержащие серин
Ниже приведены основные продукты, содержащие серин. Для того, чтобы было легче сравнивать, привожу данные о том, сколько нужно съесть этого продукта, чтобы получить суточную норму серина. Естественно, это условные цифры — никто не будет есть ежедневно по 2 кг петрушки, просто нужно рационально выстраивать свое питание, чтобы в совокупности вы могли получить нужную долю этой аминокислоты (и всех — тоже!)
В нашей пище серин содержится в продуктах и животного, и растительного происхождения. Но не забывайте, что он не обязательно должен попадать в организм с пищей (его наш организм может выработать и сам), но вот усваивается и нормально работает он лишь при наличии витамина В 12 , содержащемся в основном в мясных продуктах.
Таблица 1.
Топ-30 продуктов животного происхождения, содержащих серин
| Продукт | Серин, г в 100 г продукта |
||
| 1 | Молочная пахта, сухой порошок | 1,87 | 160 |
| 2 | Сыр твердый (пармезан, швейцарский, камамбер) | 1,69-1,11 | 178-207 |
| 3 | Говядина, приготовленная | 1,32-1,04 | 227-288 |
| 4 | Сыр. Фета | 1,17 | 256 |
| 5 | Тунец полосатый, запеченный | 1,15 | 261 |
| 6 | Кижуч, вареный | 1,12 | 268 |
| 7 | Форель запеченная | 1,09 | 275 |
| 8 | Тунец полосатый, консервы в масле | 1,08 | 278 |
| 9 | Кета запеченная | 1,05 | 286 |
| 10 | Тунец голубой, запеченный | 1,05 | 286 |
| 11 | Яйцо куриное (жареное, вареное, сырое, омлет) | 1,05-0,82 | 286-366 |
| 12 | Лангусты, вареные | 1,04 | 288 |
| 13 | Лосось, консервы в собственном соку | 1,02 | 294 |
| 14 | Курица, приготовленная | 1,01-0,83 | 297-361 |
| 15 | Окунь речной, запеченный | 1,01 | 297 |
| 16 | Налим запеченный | 1,01 | 297 |
| 17 | Щука запеченная | 1,01 | 297 |
| 18 | Баранина, приготовленная | 1,00-0,91 | 300-330 |
| 19 | Индейка, жаренная | 0,99 | 303 |
| 20 | Скумбрия, консервы в собственном соку | 0,95 | 316 |
| 21 | Треска, консервы в собственном соку | 0,93 | 323 |
| 22 | Крабы королевские, вареные | 0,93 | 323 |
| 23 | Окунь морской, запеченый | 0,76 | 395 |
| 24 | Сиг, копченый | 0,67 | 448 |
| 25 | Молочная сыворотка, сухой порошок | 0,62 | 484 |
| 26 | Творог | 0,58 | 517 |
| 27 | Сельдь атлантическая, соленая | 0,58 | 517 |
| 28 | Молоко овечье | 0,49 | 612 |
| 29 | Молоко сгущенное, с сахаром | 0,43 | 698 |
| 30 | Йогурт | 0,25-0,22 | 1 200--1 364 |
Нужно знать, что в процессе приготовления количество серина (как и других аминокислот) в продукте изменяется . Например:
- в тушеном мясе серина на 10% больше , чем в жареном и на 35-40% больше , чем в сыром;
- в приготовленной (вареной, запеченой) рыбе серина на 25-30% больше , чем в сырой;
- при варке яиц количество серина не изменяется, а вот в жареных его на 5-10% больше , а в омлете — на 15-20% меньше чем в сыром;
- в темном мясе птицы (курица, индейка и др.) серина чуть больше, чем в белом, а в жареной птице — на 10% больше , чем в сырой;
- Морепродукты (устрицы, лангусты, омары и т.д.) при нагревании теряют большую часть серина (например, в вареных или запеченых устрицах его вообще нет, хотя в свежих было 0,42 г серина в 100 г продукта).
Таблица 2.
Топ-30 продуктов растительного происхождения, содержащих серин
Суточная потребность в серине — 3 г.
| Продукт | Серин, г в 100 г продукта |
Сколько нужно съесть в день, г | |
| 1 | Соя | 2,30 | 130 |
| 2 | Семечки тыквенные | 1,48 | 203 |
| 3 | Чечевица | 1,31 | 229 |
| 4 | Арахис | 1,27 | 236 |
| 5 | Фисташки | 1,21 | 248 |
| 6 | Бобы садовые | 1,20 | 250 |
| 7 | Фасоль | 1,20 | 251 |
| 8 | Кунжут | 1,10 | 273 |
| 9 | Горох | 1,10 | 274 |
| 10 | Семечки подсолнуха | 1,08 | 279 |
| 11 | Миндаль | 0,95 | 316 |
| 12 | Грецкий орех | 0,91 | 329 |
| 13 | Кешью | 0,85 | 353 |
| 14 | Кедровый орех | 0,84 | 357 |
| 15 | Овсянка | 0,82 | 366 |
| 16 | Бразильский орех | 0,78 | 385 |
| 17 | Рис (черный, коричневый, белый) | 0,78-0,37 | 385-811 |
| 18 | Фундук | 0,70 | 428 |
| 19 | Просо (пшено) | 0,64 | 467 |
| 20 | Гречка | 0,46 | 652 |
| 21 | Перловка (ячмень) | 0,46 | 658 |
| 22 | Макадамия | 0,42 | 716 |
| 23 | Кукуруза | 0,32 | 929 |
| 24 | Капуста брюссельская | 0,20 | 1 500 |
| 25 | Курага | 0,19 | 1 571 |
| 26 | Хрен | 0,19 | 1 579 |
| 27 | Чеснок | 0,19 | 1 579 |
| 28 | Укроп, зелень | 0,16 | 1 899 |
| 29 | Петрушка, зелень | 0,15 | 2 069 |
| 30 | Инжир сушеный | 0,14 | 2 098 |
До 0,1 г серина можно найти также в 100 г некоторых других продуктов.
D-серин – это аминокислота, которая играет важную роль в развитии когнитивной функции и помогает бороться с симптомами шизофрении.
Основная информация
D-серин – это аминокислота, содержащаяся в клетках головного мозга. Будучи производной глицина, D-серин является нейромодулятором, то есть регулирует деятельность нейронов. Прием D-серина способствует восстановлению сниженной когнитивной функции. Препарат также помогает при лечении заболеваний, связанных с ослаблением сигналов N-метил-D-аспартата (NMDA), таких как кокаиновая зависимость и шизофрения. Принцип действия D-серина на шизофреников достаточно хорошо изучен учеными, но, несмотря на перспективность препарата, его нельзя назвать надежным средством, поскольку D-серин не всегда попадает в кровь после приема. Саркозин в данном случае считается более надежной альтернативой. D-серин является ко-агонистом рецепторов NDMA, то есть усиливает действие других химических соединений (в частности, глутамата и N-метил-D-аспартата), имеющих отношение к этим рецепторам. D-серин часто относят к категории ноотропных средств.
Важная информация
Не путать с: глицином или саркозином (подобный принцип действия), фосфатидилсерином (фосфолипидом, содержащим L-серин) Класс веществ:
Ноотропное средство
Пищевая аминокислотная добавка
D-серин: инструкция по применению
В исследованиях D-серина, как правило, фигурирует дозировка 30мг/кг массы тела. Поэтому для человека весом 150-200 фунтов стандартной считается доза 2,045 – 2,727мг (минимальная эффективная доза, необходимая для усиления когнитивной функции у людей, страдающих различными заболеваниями). По предварительным данным, удвоение или учетверение стандартной дозировки до 60мг/кг и 120мг/кг, соответственно, усиливает полезные свойства препарата при лечении шизофрении.
Источники и структура
Источники
Как известно, D-серин является нейромодулятором, который синтезируется внутри глиальных клеток, где регулирует передачу импульсов между нейронами, будучи при этом первой биологически активной D-изомерической аминокислотой в человеческом теле (за ней следует D-аспарагиновая кислота). Будучи продуктом глиальных клеток, D-серин имеет другие названия: глио-трансмиттер или глио-модулятор. D-серин – это эндогенный лиганд, который встречается на связующих участках глицина и NMDA-рецепторов, и, несмотря на «глициновое» название D-серина, ученые не знают, какой из двух лигандов имеет большую биологическую ценность в живых организмах; в лабораторных условиях, D-серин обладает таким же связывающим потенциалом, как и глицин, но его сигналы сильнее (вероятно, это связано с более продолжительным действием D-серина), а активная концентрация составляет 1мкм. Более того, действие D-серина локализуется внутри синоптических NMDA-рецепторов, тогда как глицин является агонистом на вне-синоптическом уровне; ученые не исключают такой возможности, что последний может обладать эксайто-токсическим действием (которое испокон веков приписывают вне-синоптическим рецепторам, в связи с наличием у них N2B-подгруппы, тогда как в синоптических рецепторах преобладает N2A-подгруппа). D-серин – это нейро-модулятор, выделяемый поддерживающими клетками нервной системы (глиальными клетками) для регуляции передачи импульсов между нейронами. Он является эндогенным лигандом на связующем участке глицина и NMDA-рецепторов. Поскольку D-серин не является компонентом стандартной диеты, его, как правило, получают из диетического глицина (аминокислоты).
Биологическая ценность
L-серин (диетическая аминокислота) рацемизируется в D-серин при участии фермента серин рацемазы, содержащегося в нейронах и глиальных клетках, хотя, в целом, в глиальных клетках, или астроцитах, концентрация серин рацемазы наиболее высока, особенно в клетках переднего отдела головного мозга; повышенная экспрессия данного фермента связана с локализацией D-серина. Скорость синтеза D-серина (при участии серин рацемазы) зависит от сопутствующих факторов АТФ и магния, при этом кальций ускоряет синтез, а глицин и L-аспарагиновая кислота блокируют его. При активации AMPA-рецепторов, обусловленной взаимодействием белка глутаматного рецептора (GRIP) с серин рацемазой, концентрация D-серина в крови в 5 раз увеличивается. В заключении необходимо отметить, что этот фермент не является специфическим для данной реакции, поскольку он также участвует в превращении L-серина в пируват (3:1, в отношении синтеза D-серина) и аммиак. В большинстве случаев синтез D-серина происходит внутри астроцитов (иногда нейронов), при участии фермента серин рацемазы, содержащемся в L-серине. Фермент d-аминокислотной оксидазы (DAAO), содержащийся исключительно в астроцитах, способствует расщеплению D-серина. Концентрация D-серина обратно пропорциональна экспрессии/деятельности данного фермента, при удалении которого уровень D-серина во всех исследованных областях мозга повышается. D-серин способен превращаться обратно в L-серин (также при участии фермента серин рацемазы), однако афинность (связывания рецептора с лигандом) в данной реакции ниже, чем в противоположной. Основными механизмами расщепления D-серина можно назвать его повторное накопление в астроцитах с последующим расщеплением при участии DAAO-фермента (основной путь) или обратное превращение в L-серин (второстепенный путь).
Прочие глицинергики
Говоря об ослаблении симптомов шизофрении, то прием 30мг/кг D-серина способствует уменьшению симптомов данного заболевания на 17-30%, при этом действие препарата можно сравнить с эффектом от приема 800мг/кг глицина в тех же условиях, однако ученые предполагают, что D-серин более эффективен (из расчета на 1 кг массы тела). Эксперимент, участники которого ежедневно на протяжении 6 недель принимали D-серин и саркозин в одинаковых дозах (2 000мг) , показал, что действие первого не многим отличается от эффекта плацебо, тогда как саркозин был признан более эффективным средством. Такая тенденция наблюдается во всех экспериментах, где действие саркозина сравнивают с действием D-серина в той же дозе; саркозин гораздо эффективнее в борьбе с симптомами шизофрении. Несмотря на то, что D-серин по эффективности превосходит глицин (при одинаковом уровне сигналов, в одних и тех же исследованиях), он, по некоторым данным, уступает саркозину (транспортному ингибитору глицина).
Фармакология
Кровяная сыворотка
Как отмечают ученые, после приема 30-120мг/кг D-серина (шизофрениками), его концентрация в сыворотке растет, достигая своего максимума через 1-2 часа (Tmax = 1-2 часа , Cmax = 120,6+/-34,6нмоль/мл при 30мг/кг, Cmax = 272,3+/-62нмоль/мл при 60мг/кг и Cmax = 530,3+/-266,8нмоль/мл при 120мг/кг). D-серин достигает пиковой концентрации в крови спустя 1-2 часа после перорального приемa, находясь при этом в линейной дозо-зависимости (наивысшая тестируемая пероральная дозировка составляет 120мг/кг). Эксперимент с участием людей, страдающих болезнью Паркинсона, которые на протяжении 6 недель ежедневно принимали D-серин (30мг/кг), показал, что уровень D-серина у них в сыворотке увеличился с менее чем 10мкм до 120,0+/-52,4мкм; такой же эффект наблюдался и у людей с посттравматическим стрессом: при приеме той же пероральной дозы D-серина, его уровень в сыворотке увеличился в 10 раз и составил 146+/-126,26мкм. При пероральном приеме препарата шизофрениками на протяжении 4 недель (в той же дозировке 30мг/кг), его концентрация в сыворотке выросла с 102,0+/-30,6нмоль/мл до 226,8+/-72,8нмоль/мл (на 122%), в зависимости от дозировки (30-120мг/кг). Изначальный уровень D-серина в сыворотке повышается после приема препарата, при этом, по словам некоторых ученых, дозировка 30мг/кг вызывает 10-кратное увеличение концентрации D-серина в сыворотке у здоровых людей и чуть меньшее – у шизофреников. Прием D-серина не влияет на сывороточную концентрацию глицина, глутамата, аланина и L-серина. Прием D-серина также не оказывает значительного воздействия на сывороточную концентрацию прочих аминокислот, принимающих участие в метаболизме серина.
Нервная система
Концентрация D-серина в головном мозге варьируется в диапазоне 66+/-41нмольl/г сырого веса или 2,18+/-0,12нмоль/мг, что составляет приблизительно 10-15% от общего запаса серина в организме (L-серина больше). Уровень D-серина особенно высок в префронтальной и теменной коре головного мозга и чуть ниже – в мозжечке и спинном мозге. Период полувыведения (из мозга) D-серина составляет 16 часов, при этом такая низкая дозировка как 58мг/кг (у мышей) вызывает увеличение сывороточной концентрации препарата. В ходе одного эксперимента, D-серин был обнаружен в спинномозговой жидкости контрольной группы (2,72+/-0,32мкм), а также у людей с постгерпетической невралгией (1,85+/-0,21мкм) и дегенеративным остеоартритом (3,97+/-0,44мкм), тогда как сывороточная концентрация D-серина у шизофреников оказалась ниже, чем у контрольной группы (срединное значение составляет 1,26мкм против 1,43мкм; хотя разница несущественная), зато у них оказался выше сывороточный уровень L-серина (22,8+/-8,01мкм против 18,2+/-4,78мкм), а также соотношение между L-серином и D-серином. D-серин обнаружен в спинномозговой жидкости (концентрация ниже, чем в сыворотке) и в мозге (период полувыведения дольше, чем у сывороточного D-серина). Хронический прием D-серина способствует повышению уровня L-серина в коре головного мозга мышей.
Неврология
Стандарты и распространение
Считается, что D-серин, наряду с глутаматом, содержится в нейронах и астроцитах, поскольку его высвобождение происходит под действием тех же стимулов, которые способствуют высвобождению глутамата; кроме того, D-серин обнаружен в нейронах, в которых представлен белок-транспортер глутамата. Подобного рода колокализацию и высвобождение D-серина можно наблюдать во всех реакциях с участием глутамата и глицина. D-серин, вероятно, высвобождается из нейронов вместе с глутаматом, после чего активирует NDMA-рецепторы, расположенные на отдаленных друг от друга участках (на одном из которых необходим глицин или серин), что является дополнительным условием данной реакции. После высвобождения D-серина из нейронов, часть его поступает в синапс. D-серин считается глиальным трансмиттером и нейро-модулятором, который впоследствии высвобождается из глиальных клеток. По мнению ученых, выделение D-серина представляет собой процесс везикулярного экзоцитоза (поскольку его везикулы обнаружены в нервной ткани). Синоптические пузырьки ко-экспрессируют глицин, глутамат и ГАМК (но не D-серин) , тогда как у D-серина есть свое везикулярное «хранилище»; помимо везикулярного, существуют и другие способы высвобождения D-серина из глиальных клеток, поскольку в данной реакции также участвуют транспортеры Asc-1 и TRPA1 (первый из которых обеспечивает прямую транспортировку D-серина, второй – поступление кальция внутрь клетки), а ингибирование везикулярного хранилища не является помехой на пути высвобождения D-серина. Выделение D-серина из астроцитов является необходимым условием для протекания процессов, связанных с деятельностью NDMA (удаление астроцитов из гиппокампальных культур мешает их долгосрочному потенциированию, что компенсируется D-серином). Высвобождение D-серина из астроцитов (глиальных клеток) – это доминирующий способ выделения D-серина в области мозга (нейроны выделяют его в меньших количествах), механизмы которого на сегодняшний день изучены недостаточно. Тем не менее, данный процесс необходим для образования глютаминергических сигналов. Как отмечают ученые, окись азота (NO) мешает деятельности серин рацемазы, при этом усиливая активность DAAO, что негативно сказывается на концентрации D-серина в крови (D-серин, в свою очередь, тоже мешает деятельности NO, ингибируя фермент ее синтазы (NOS)). Ученые называют это отрицательной обратной связью, поскольку при активации NMDA-рецепторов активируется синтаза окиси азота (NOS) и повышается уровень NO в крови. Метаболизм окиси азота, связанный с образованием глютаминергических сигналов, мешает синтезу D-серина и последующему усилению его сигналов. Учеными было отмечено, что периферийные инъекции D-серина (50мг/кг) мышам вызывают повышение уровня D-серина в гиппокампе с 96,9нмоль/г до 159,4нмоль/г (на 64,5%), что способствует улучшению памяти. Эти инъекции никак не влияют на концентрации глутамата и L-серина. Как известно, концентрация D-серина в гиппокампе увеличивается, когда он попадает в большой круг кровообращения, а это свидетельствует о том, что D-серин преодолевает гематоэнцефалический барьер. В то время, как глицин является главным агонистом на связующем участке между ним же и NMDA-рецепторами в спинном мозге и задней части головного мозга, дейсвтие D-серина сконцентрировано в передней части головного мозга с более высокой степенью экспрессии серин рацемазы (которая стимулирует синтез D-серина) и транспортных белков, которые переносят глицин в астроциты. Ученые измерили концентрацию D-серина в разных отделах мозга и пришли к выводу, что она выше всего в передней части головного мозга, что связано с повышенной экспрессией NMDA-рецепторов в этой области. Таким образом, D-серин, по всей видимости, обладает более высокой биологической активностью в передней части головного мозга, чем глицин.
Образование глютаминергических сигналов
Многие механизмы D-серина идентичны механизмам глицина, в том смысле, что D-серин способен прикрепляться к NMDA-рецепторам (подгруппе NR1, поскольку NR2 связывает глутамат и любой NMDA-рецептор по сути является четырехзвенным полимером, содержащим по две каждой из этих подгрупп) на связующем участке глицина, что способствует прохождению сигналов через NMDA-рецепторы (изначально образование глютаминергических сигналов связано с деятельностью глутамата и других агонистов). В отличие от глицина, D-серин обладает большей эффективностью и активностью в низких концентрациях 1мкм (глицин – 10мкм), что, вероятно, и не имеет отношения к их воздействию на сам рецептор (действие обоих в данном случае аналогично), но это может быть связано с тем, что обратный захват глиальными клетками серина происходит менее интенсивно, чем обратный захват глицина. Подобно глицину (или любому активатору связующего участка глицина), увеличение концентрации D-серина в синапсе всегда сопровождается усилением NMDAнергических сигналов, что, по мнению ученых, связано с деятельностью D-серина на связующем участке глицина, замедляющей данную реакцию. В некоторых областях мозга, таких как гиппокамп, зрительный бугор, гомогенетическая кора и ствол головного мозга, сетчатка глаза, связующий участок глицина не заполнен и поэтому реагирует на дополнительный приток глицина или D-серина. D-серин, подобно глицину, является лигандом NMDA- рецептора на связующем участке глицина и обладает способностью усиливать глютаминергические сигналы, проходящие через эти рецепторы. Оба лиганда эффективны на уровне рецептора, но D-серин обладает большей биологической активностью и, в целом, эффективнее глицина. D-серин (IC50 = 3.7+/-0.1мкм) способен ингибировать AMPA-рецепторы (активированные каиновой кислотой). L-серин не обладает такими свойствами, а ранее указанная концентрация D-серина слишком высока, чтобы делать выводы. Несмотря на способность блокировать AMPA-рецепторы, необходимая для этого концентрация D-серина чересчур высока, чтобы данная реакция представляла интерес с практической точки зрения. Что касается эксайтотоксичности (вызванной действием глутамата), то как D-серин, так и глицин ее усиливают (ЭД50 = 47мкм и 27мкм, соответственно; обе дозы в 50-100 раз превышают дозы, необходимые для активации связующих участков глицина на NMDA-рецепторах. Усиление эксайтотоксичности регулируется NMDA-рецепторами, которые, в свою очередь, запускают глицинергические рецепторы. Поскольку ГАМК (с помощью ГАМКA-рецепторов) также усиливает эксайтотоксичность (вызванную действием NMDA), ученые пришли к выводу, что данная реакция обусловлена поступлением хлора в нейроны. Прохождение через глицинергические рецепторы слишком большого количества сигналов способствует усилению токсичности (вызванной деятельностью NMDA), хотя для этого требуются гораздо более высокие концентрации D-серина, чем для активации NMDA-рецепторов. Ученые сомневаются, представляет ли данная реакция интерес с практической точки зрения.
Образование глицинергических сигналов
Прием D-серина способствует образованию глицинергических сигналов. Сравнительные исследования глицинергических сигналов обеих аминокислот свидетельствуют о том, что сигналы глицина мощнее сигналов D-серина, судя по более низкой эффективной концентрации первого EC50 (27мкм против 47мкм). Транспортные белки, отвечающие за повторный приток глицина (транспортеры-1 и 2), а также более распространенный аланин–серин–цистеин-транспортер-1 (AscT1) , являются медиаторами действия как серина, так и глицина (обоих изомеров). Поэтому и тот, и другой подвергаются воздействию саркозина. D- серин также посылает часть сигналов на глицинергические рецепторы (при помощи тех же транспортеров, что и глицин).
Окисление
В экспериментах D-серин часто используют для стимуляции окислительных процессов, на фоне повышенной активности NMDA-рецепторов, вызывающей активный приток кальция с последующим окислительным повреждением, что связано с гипер -возбуждением рецепторов (D-серином); эта реакция протекает вне живых организмах, так и в живых организмах (50-200мг/кг D-серина у крыс), в более слабой форме – под действием ЦОГ-2. Экспрессия ЦОГ-2, как правило, увеличивается на фоне факторов стресса, вызывающих гипер-возбуждение NMDA (ишемии, травме головного мозга и болезни Альцгеймера ), а поскольку активация этих рецепторов медиирует синтез активных форм кислорода, считается, что ингибиторы ЦОГ-2 защищают нейроны от токсического действия NDMA. Несмотря на то, что, по мнению ученых, эти механизмы запускаются при определенных патологиях, таких как болезнь Альцгеймера, взаимосвязь между приемом D-серина и окислительным повреждением клеток не доказана. Прием повышенных доз или злоупотребление D-серином может вызвать окислительное повреждение клеток (чрезмерное усиление сигналов NMDA приводит к развитию эксайтотоксичности) и считается, что слишком активный метаболизм D-серина также играет определенную роль при некоторых заболеваниях. Эффект от приема D-серина (в форме пищевой добавки) точно не установлен, однако даже не существенное превышение стандартной дозы чревато окислительным повреждением клеток.
Запоминание и способность к обучению
Как известно, глютаминергические сигналы способствуют улучшению памяти, поскольку при активации NMDA-рецепторов происходит активный приток кальция и мобилизируются кальмодулино-зависимая киназа (CaMK) и связующий белок цАМФ (цАМФ- ответный элемент), действие которых направлено на обеспечение долговременной потенциации синоптической передачи (LTP), которая является основой химической реакции запоминания , а усиление сигналов NMDA (в частности, через NR2B-подгруппу) улучает память LTP (подобный механизм также характерен для L-треоната магния). Благодаря способности D-серина усиливать сигналы, поступающие на NMDA-рецептор (на 52+/-16% в концентрации 1мкм и усиление действия при концентрации до 30мкм),его жизнеспособности в данной реакции и восприимчивости клеток гиппокампа к стимуляции (D-серином), считается, что прием D-серина способствует улучшению памяти и развивает обучаемость. В природе существует еще одно интересное явление под названием затяжная депрессия или ослабление контакта синапса (LTD; не является антонимом LTP), в ходе которого меняется пластичность синапса и осуществляется косвенное воздействие на LTP; инъекции 600-1000мг/кг D-серина, по данным лабораторных исследований, увеличивают магнитуду LTD в концентрации 5мкм (с контрольных 19,3% до 58,3%), при этом концентрации 3мкм и 10мкм D-серина менее эффективны. Очевидно, регулирующее действие D-серина в отношении затяжной депрессии связано с его глютаминергическими свойствами, при этом на фоне LTD астроциты веделяют большее количество D-серина. D-серин, на фоне усиления глютаминергической нейро-трансмиссии с помощью NMDA-рецепторов (поскольку D-серин способен активировать связующий участок глицина), играет не последнюю роль в процессе запоминания. Процесс старения организма, связанный с областью гиппокампа, характеризуется снижением пластичности нейронов на фоне деятельности кальция, что, по мнению ученых, вызвано прохождением сигналов через слабоактивный глютаминергический рецептор (в частности, NMDA). В связи со снижением в процессе старения уровня D-серина в мозге (что, вероятно, связано с пониженной концентрацией фермента серин рацемазы) и провальностью предыдущей теории (о том, что пониженная экспрессия NMDA-рецептора в процессе старения не играет никакой роли, поскольку, сама по себе, не вызывает снижение когнитивных способностей ), ученые считают, что снижение активности D-серина на глицинергическом связующем участке NMDA-рецептора способствует понижению когнитивной функции с возрастом (в связи с поступлением меньшего количества сигналов на NMDA-рецептор и, как следствие, пониженной пластичности синапса). Дальнейшие исследования в данной области показали, что прием D-серина останавливает процесс дальнейшего ухудшения памяти на фоне старения и отвечает за пластичность синапса. В процессе старения синтез D-серина замедляется (точная причина не установлена), в результате чего на NMDA-рецептор поступает меньшее количество сигналов, что способствует возрастному снижению конгитивной функции. Если говорить об исследованиях в данной области, то не лишним будет упомянуть эксперимент с мышами (здоровыми) , которым ежедневно давали 50мг/кг D-серина, в результате чего у них улучшилась память (как после приема первой дозы, так и при многократном приеме). Эффективность 50мг/кг D-серина можно сравнить с действием 20мг/кг D-циклосерина, который, как известно, является усилителем когнитивной функции. Прием D-серина спустя 30 минут после окончания тренировки способствует развитию долговременной памяти. Но при приеме через 6 часов после тренировки препарат оказался не эффективным в этом отношении. Прием D-серина уменьшает симптомы амнезии, вызванной деятельностью клеток MK-801. Вполне вероятно, прием D-серина способствует улучшению памяти у в остальном здоровых грызунов, однако во всех экспериментах D-серин брали либо в форме инъекций, либо в чересчур высоких дозировках (хотя человеческим эквивалентом 50мг/кг считается довольно умеренная дозировка 3мг/кг). Эксперимент с участием в остальном здоровых взрослых людей, принявших разовую дозу 2,1г D-серина (за 2 часа до когнитивного теста), показал, что у них улучшились внимательность и оперативная память на слова, при выполнении теста по оценке динамических свойств внимания (CPT-IP) ; у испытуемых также улучшились результаты теста на прямую цифровую последовательность, чего нельзя сказать об обратной цифровой последовательности. Прием D-серина способствует незначительному усилению когнитивной функции у здоровых взрослых людей.
Депрессия
Генетический сверх-синтез D-серина при длительном приеме (58мг/кг на протяжении 5 недель) обладает антидепрессивными свойствами (у изначально здоровых мышей). D- серин обладает слабым антидепрессивным действием, которое нуждается в дальнейшем изучении.
Болезнь Альцгеймера и маразм
В организме больных с синдромом Альцгеймера нарушается нейро-трансмиссия, медиатором которой является NMDA-рецептор, что приводит к провалам в памяти, и перестает образовываться синапс, о чем свидетельствуют отклонения в поведении. В отличие от шизофреников, у больных с синдромом Альцгеймера все сигналы значительно усиливаются, поскольку бета-амилоидные пептиды способствуют накоплению глутамата и D-серина в синапсе, оба из которых содействуют высвобождению этих пептидов оттуда, одновременно стимулируя синтез серин рацемазы; все эти факторы приводят к развитию эксайтотоксичности (усиление глютаминергических сигналов вызывает повреждение клеток). Уровень D-серина у больных с синдромом Альцгеймера практически не меняется, по сравнению с контролем. D-серин (на фоне пигментации бета-амилоидов) может усугублять развитие патологии Альцгеймера.
Шизофрения
Считается, что симптомы шизофрении (особенно негативные) связаны с глютаминергической гиперфункцией (когда на рецепторы глутамата поступает меньшее количество сигналов), а современные методы лечения подразумевают восстановление глютаминергического возбуждения, подразумевающее оптимизацию уровня серина/глицина в организме (несмотря на то, что он априори выше у шизофреников, чем у контрольной группы, запасы D-серина истощаются на фоне нарушения деятельности серин рацемазы), поскольку нарушение способности глицина прикрепляться к NMDA-рецепторам вызывает опасные симптомы шизофрении, которые, в частности, проявляются у мышей с недостатком серин рацемазы (или любого другого компонента, необходимого для синтеза D-серина) , при этом нарушение деятельности D-аминокислотной оксидазы (мешающее расщеплению D-серина) легко устраняется. И наконец, клиническая ремиссия шизофрении сопровождается повышением уровня D-серина в организме, независимо от его приема. Другие методы лечения шизофрении связаны с применением АМПАкинов, усиливающих сигналы, поступающие на AMPA-рецепторы (включая пирацетам и анирацетам), и косвенным поддержанием необходимого уровня сигналов, проходящих через NMDA-рецепторы, путем ингибирования поступления глицина в клетки и стимуляции синоптического эффекта (саркозин). Усиление сигналов, поступающих на AMPA-рецепторы, по определению провоцирует усилению глютаминергических сигналов, в результате чего из NMDA-рецепторов удаляются излишки and магния (в большом количестве). К негативным симптомам шизофрении относятся эмоциональная тупость и десоциализация, тогда как галлюцинации, бредовые идеи и нарушение мышления считаются «позитивными» симптомами, а нарушение когнитивной функции не относится ни к одной из этих категорий. Прием D-серина активизирует связующий участок глицина на NMDA-рецепторах и, таким образом, оптимизирует сигналы, проходящие через эти рецепторы, что, по мнению ученых, способствует ослаблению симптомов шизофрении. Подтверждением тому является научно доказанный факт, что шизофрения возникает при недостатке D-серина в организме (причинно-следственная связь данной зависимости не установлена). Немногие исследования в данной области можно назвать успешными; по данным Шкалы оценки позитивных и негативных синдромов (PNSS), прием 30мг/кг (2,12+/-0,6г) D-серина способствует ослаблению негативных симптомов шизофрении на 17-30%, при этом его эффективность можно сравнить с действием 800мг/кг глицина в одинаковых условиях. Исследования прогрессирования негативных симптомов шизофрении с течением времени свидетельствуют о том, что прием D-серина на протяжении 2 недель препятствует усугублению этих симптомов, а при более длительном курсе (6 недель), действие препарата усиливается , при этом наиболее эффективными считаются дозировки в диапазоне 60-120мг/кг. Что касается позитивных симптомов шизофрении, то прием 30мг/кг (2,12+/-0,6г) D-серина на протяжении 6 недель вызывает значительные улучшения, хотя 2 и 4 недели эксперимента не Дозировки 60-120мг/кг D-серина еще более эффективны в данном случае, чем 30мг/кг, а устранение как негативных, так и позитивных симптомов болезни связано с попаданием D-серина в сыворотку. Эксперимент, в ходе которого шизофреники на протяжении 16 недель ежедневно принимали 2 000мг D–серина, наряду со стандартными анти-психотическими препаратами, не показал каких-либо существенных положительных изменений у этих больных (по сравнению с плацебо), хотя авторы эксперимента предупреждали, что такие результаты скорее всего обусловлены более выраженным эффектом плацебо; тем не менее, действие D-серина во всех случаях не сильно отличалось от действия плацебо, будь то 30мг/кг или 2 000мг. В ходе этих исследований было установлено, что людям становится лучше после приема D-серина, но не на столько, чтобы это имело статистическую ценность, кроме того, взаимосвязь между уровнем D-серина в крови и ослаблением симптомов шизофрении позволяет сделать вывод о том, что неудовлетворительные результаты этих экспериментов связаны с колебаниями уровня перорального D-серина в сыворотке. D- серин эффективно ослабляет всевозможные симптомы шизофрении (особенно негативные и когнитивные), но стандартная рекомендуемая дозировка (30мг/кг), вызывает у ученых сомнения. Это может быть связано с поступлением разного количества D-серина в кровь (при приеме одинаковой дозы), и, по некоторым данным, повышенные дозы препарата более эффективны.
Болезнь Паркинсона
Некоторые симптомы болезни Паркинсона (потеря мотивации, стимула и инициализированная/эмоциональная реактивность) напоминают негативные симптомы шизофрении (апатия, уплощенный аффект и избегание общества других людей), поэтому ученые предполагают, что прием D-серина может помочь в борьбе с симптомами болезни Паркинсона. Кроме того, допаминергические нейроны в стриатуме участвуют в образовании NMDA-сигналов, тогда как NMDA-рецепторы у людей с этой болезнью видоизменены. Небольшое пилотное исследование с участием 13 человек, страдающих болезнью Паркинсона, которые на протяжении 6 недель ежедневно принимали 30мг/кг D-серина (доза препарата к концу эксперимента варьировалась в диапазоне 1 600-2 600мг в день), показало, что прием D-серина способствует ослаблению симптомов заболевания (по данным Унифицированной рейтинговой шкалы болезни Паркинсона, Шкалы Симпсона-Ангуса и Шкалы оценки позитивных и негативных синдромов). В ходе данного исследования было установлено, что симптомы заболевания уменьшились на 20% у 50-70% тех людей, кто принимал D-серин, и только у 10-20% больных, принимавших плацебо. По предварительным данным, D-серин помогает в борьбе с болезнью Паркинсона.
Стресс и травма
Деятельность NMDA-рецепторов вызывает некоторые симптомы посттравматического стрессового расстройства (PTSD), включая психические расстройства и нарушения в сфере восприятия, а поскольку кетамин (антагонист NMDA) также способствует развитию некоторых симптомов данного заболевания, считается, что эти симптомы обусловлены недостаточным раздражением NMDA-рецепторов, особенно в гиппокампе и миндалинах. D-циклосерин (частичный агонист на связующем участке глицина в NMDA-рецепторах, где D-серин – полный агонист), по данным более ранних исследований, помогает в борьбе с симптомами PTSD (главным образом, с оцепенением, избеганием общества других людей и чувством тревоги); более поздний эксперимент, участники которого на протяжении 6 недель ежедневно принимали 30мг/кг D-серина, показал, что у испытуемых уменьшились такие симптомы, как чувство тревоги (Шкала тревоги Гамильтона; 95% CI = 13,4–46,7%), депрессия (Шкала депрессии Гамильтона; 95% CI = 2,0–43,3%) и снизилась вероятность возникновения заболеваний сердечнососудистой системы (95% CI = 10,9-31%). По предварительным данным, прием D-серина помогает бороться с симптомами PTSD, хотя полезные свойства препарата в данном случае вызывают сомнения.
Боковой амиотрофический склероз
Боковой амиотрофический склероз (БАС) у мышей (натяжение mSOD1) характеризуется 50-100% повышением концентрации D-серина в спинномозговой жидкости, исходя из чего можно прогнозировать степень восприимчивости нейронов (на фоне БАС) к эксайтотоксическому действию NMDA. И хотя повышение уровня D-серина способствует развитию паталогических форм БАС, блокировка фермента серин рацемазы провоцирует само заболевание (парадокс) и, вместе с тем, мешает ему прогрессировать, поэтому врачи советуют включать D-серин в рацион питания. На сегодняшний день, влияние D-серина на патологию и начало БАС до конца не изучено.
Зависимость
Как известно, кокаиновая зависимость вызывает изменение глютаминергической пластичности синапса, что является предпосылкой аддиктивного поведения , которое, по мнению ученых, связано с деятельностью NMDA-рецепторов (как долговременная потенциация синоптической передачи (LTP), так и затяжная депрессия (LTD) связаны с ней). Как отмечают ученые, у крыс после отмены кокаина уровень D-серина в коре прилежащего ядра головного мозга (где он является ко-агонистом синоптических рецепторов) понижается, что способствует снижению активности NMDA и обострению симптомов отмены кокаина, поскольку инкубация D-серина при помощи нейронов этих рецепторов нормализует изменения в LTP и LTD, вызванные действием кокаина. Подтверждением этому является эксперимент, в ходе которого крысам с кокаиновой зависимостью давали 10-100мг/кг D-серина перорально или 100мг/кг инъекционно, в результате чего у этих крыс уменьшились симптомы аддиктивного поведения. В ходе исследование влияния D-серина на сахарную пробу у крыс было установлено, что в данном случае от приема препарата толку мало. Кокаиновая зависимость характеризуется изменением пластичности синапса вследствие смещения функции NMDA-рецептора, при этом у крыс после отмены кокаина уровень D-серина в крови начинает понижаться. По предварительным данным, D-серин препятствует развитию кокаиновой зависимости.
Безопасность и токсичность
Основная информация
В ходе экспериментов с участием людей, которые на протяжении разного времени (до 6 недель) ежедневно принимали 30мг/кг D-серина (2 000мг в совокупности), не было выявлено никаких побочных эффектов; то же можно сказать и о еще одном предварительном исследовании, участники которого ежедневно принимали 120мг/кг (8 000 в совокупности) D-серина. Пероральный прием стандартной дозы D-серина не вызывает никаких значительных побочных эффектов.
:Tags
Список использованной литературы:
Martineau M, Baux G, Mothet JP. D-serine signalling in the brain: friend and foe. Trends Neurosci. (2006)
Berger AJ, Dieudonné S, Ascher P. Glycine uptake governs glycine site occupancy at NMDA receptors of excitatory synapses. J Neurophysiol. (1998)
Химические вещества, содержащие структурные компоненты молекулы карбоновой кислоты и амина, называются аминокислотами. Это общее название группы органических соединений, в составе которых присутствует углеводородная цепь, карбоксильная группа (-СООН) и аминогруппа (-NH2). Их предшественниками являются карбоновые кислоты, а молекулы, у которых водород у первого углеродного атома замещен аминогруппой, называются альфа-аминокислотами.
Всего 20 аминокислот имеют ценность для ферментативных реакций биосинтеза, протекающих в организме всех живых существ. Эти вещества называются стандартными аминокислотами. Существуют также нестандартные аминокислоты, которые включены в состав некоторых специальных белковых молекул. Они не встречаются повсеместно, хотя выполняют важную функцию в живой природе. Вероятно, радикалы этих кислот модифицируются уже после биосинтеза.
Общая информация и список веществ
Известны две большие группы аминокислот, которые были выделены по причине закономерностей их нахождения в природе. В частности, существуют 20 аминокислот стандартного типа и 26 нестандартных аминокислот. Первые находят в составе белков любого живого организма, тогда как вторые являются специфическими для отдельных живых организмов.
20 аминокислот стандартных делятся на 2 типа в зависимости от способности синтезироваться в человеческом организме. Это заменимые, которые в клетках человека способны образовываться из предшественников, и незаменимые, для синтеза которых не существует ферментных систем или субстрата. Заменимые аминокислоты могут не присутствовать в пище, так как их организм может синтезировать, восполняя их количество при необходимости. Незаменимые аминокислоты не могут быть получены организмом самостоятельно, а поэтому должны поступать с пищей.
Биохимиками определены названия аминокислот из группы незаменимых. Всего их известно 8:
- метионин;
- треонин;
- изолейцин;
- лейцин;
- фенилаланин;
- триптофан;
- валин;
- лизин;
- также часто сюда относят гистидин.
Это вещества с различным строением углеводородного радикала, но обязательно с наличием карбоксильной группы и аминогруппы у альфа-С-атома.
В группе заменимых аминокислот присутствует 11 веществ:
- аланин;
- глицин;
- аргинин;
- аспарагин;
- кислота аспарагиновая;
- цистеин;
- кислота глютаминовая;
- глютамин;
- пролин;
- серин;
- тирозин.
В основном их химическое строение проще, нежели у незаменимых, поэтому их синтез дается организму легче. Большинство незаменимых аминокислот невозможно получить только из-за отсутствия субстрата, то есть молекулы-предшественника путем реакции переаминирования.
Глицин, аланин, валин
В биосинтезе белковых молекул наиболее часто используется глицин, валин и аланин, (формула каждого вещества указана ниже на рисунке). Эти аминокислоты самые простые по химической структуре. Вещество глицин и вовсе является простейшим в классе аминокислот, то есть помимо альфа-углеродного атома соединение не имеет радикалов. Однако даже простейшая по структуре молекула играет важную роль в обеспечении жизнедеятельности. В частности, из глицина синтезируется порфириновое кольцо гемоглобина, пуриновые основания. Порфировое кольцо — это белковый участок гемоглобина, призванный удерживать атомы железа в составе целостного вещества.
Глицин участвует в обеспечении жизнедеятельности головного мозга, выступая тормозным медиатором ЦНС. Это означает, что он в большей степени участвует в работе коры головного мозга — его наиболее сложно организованной ткани. Что важнее, глицин является субстратом для синтеза пуриновых оснований, нужных для образования нуклеотидов, которые кодируют наследственную информацию. Вдобавок глицин служит источником для синтеза других 20 аминокислот, тогда как сам может быть образован из серина.
У аминокислоты аланин формула немногим сложнее, чем у глицина, так как она имеет метильный радикал, замененный на один атом водорода у альфа-углеродного атома вещества. При этом аланин также остается одной из самых часто вовлекаемых в процессы биосинтеза белков молекулой. Она входит в состав любого белка в живой природе.
Неспособный синтезироваться в организме человека валин — аминокислота с разветвленной углеводородной цепочкой, состоящей из трех углеродных атомов. Изопропиловый радикал придает молекуле больший вес, однако из-за этого невозможно найти субстрат для биосинтеза в клетках человеческих органов. Поэтому валин должен обязательно поступать с пищей. Он присутствует преимущественно в структурных белках мышц.
Результаты исследований подтверждают, что валин необходим для функционирования центральной нервной системы. В частности, за счет его способности восстанавливать миелиновую оболочку нервных волокон он может использоваться в качестве вспомогательного средства при лечении рассеянного склероза, наркоманий, депрессий. В большом количестве содержится в мясных продуктах, рисе, сушеном горохе.
Тирозин, гистидин, триптофан
В организме тирозин способен синтезироваться из фенилаланина, хотя в большом количестве поступает с молочной пищей, преимущественно с творогом и сырами. Входит в состав казеина - животного белка, в избытке содержащемся в творожных и сырных продуктах. Ключевое значение тирозина в том, что его молекула становится субстратом синтеза катехоламинов. Это адреналин, норадреналин, дофамин - медиаторы гуморальной системы регуляции функций организма. Тирозин способен быстро проникать и через гематоэнцефалический барьер, где быстро превращается в дофамин. Молекула тирозина участвует в меланиновом синтезе, обеспечивая пигментацию кожи, волос и радужки глаза.
Аминокислота гистидин входит в состав структурных и ферментных белков организма, является субстратом синтеза гистамина. Последний регулирует желудочную секрецию, участвует в иммунных реакциях, регулирует заживление повреждений. Гистидин является незаменимой аминокислотой, и организм восполняет ее запасы только из пищи.
Триптофан так же неспособен синтезироваться организмом из-за сложности своей углеводородной цепочки. Он входит в состав белков и является субстратом синтеза серотонина. Последний является медиатором нервной системы, призванным регулировать циклы бодрствования и сна. Триптофан и тирозин - эти названия аминокислот следует помнить нейрофизиологам, так как из них синтезируются главные медиаторы лимбической системы (серотонин и дофамин), обеспечивающие наличие эмоций. При этом не существует молекулярной формы, обеспечивающей накопление незаменимых аминокислот в тканях, из-за чего они должны присутствовать в пище ежедневно. Белковая еда в количестве 70 граммов в сутки полностью обеспечивает эти потребности организма.
Фенилаланин, лейцин и изолейцин
Фенилаланин примечателен тем, что из него синтезируется аминокислота тирозин при ее недостатке. Сам фенилаланин является структурным компонентом всех белков в живой природе. Это метаболический предшественник нейромедиатора фенилэтиламина, обеспечивающий ментальную концентрацию, подъем настроения и психостимуляцию. В РФ в концентрации свыше 15% оборот данного вещества запрещен. Эффект фенилэтиламина схожий с таковым у амфетамина, однако первый не отличается пагубным воздействием на организм и отличается лишь развитием психической зависимости.
Одно из главных веществ группы аминокислот — лейцин, из которого синтезируются пептидные цепи любого белка человека, включая ферменты. Соединение, применяемое в чистом виде, способно регулировать функции печени, ускорять регенерацию ее клеток, обеспечивать омоложение организма. Поэтому лейцин — аминокислота, которая выпускается в виде лекарственного препарата. Она отличается высокой эффективностью в ходе вспомогательного лечения цирроза печени, анемии, лейкоза. Лейцин — аминокислота, существенно облегчающая реабилитацию пациентов после химиотерапии.
Изолейцин, как и лейцин, не способен синтезироваться организмом самостоятельно и относится к группе незаменимых. Однако это вещество не является лекарственным средством, так как организм испытывает в нем небольшую потребность. В основном в биосинтезе участвует только один его стереоизомер (2S,3S)-2-амино-3-метилпентановая кислота.
Пролин, серин, цистеин
Вещество пролин — аминокислота с циклическим углеводородным радикалом. Ее основная ценность в наличии кетонной группы цепочки, из-за чего вещество активно используется в синтезе структурных белков. Восстановление кетона гетероцикла до гидроксильной группы с образованием гидроксипролина формирует множественные водородные связи между цепочками коллагена. В результате нити этого белка сплетаются между собой и обеспечивают прочную межмолекулярную структуру.
Пролин — аминокислота, обеспечивающая механическую прочность тканей человека и его скелета. Наиболее часто она находится в коллагене, входящем в состав костей, хряща и соединительной ткани. Как и пролин, цистеин является аминокислотой, из которой синтезируется структурный белок. Однако это не коллаген, а группа веществ альфа-кератинов. Они образуют роговой слой кожи, ногти, имеются в составе чешуек волос.
Вещество серин — аминокислота, существующая в виде оптических L и D-изомеров. Это заменимое вещество, синтезируемое из фосфоглицерата. Серин способен образовываться в ходе ферментативной реакции из глицина. Данное взаимодействие обратимое, а поэтому глицин может образовываться из серина. Основная ценность последнего в том, что из серина синтезируются ферментативные белки, точнее их активные центры. Широко серин присутствует в составе структурных белков.
Аргинин, метионин, треонин
Биохимиками определено, что избыточное потребление аргинина провоцирует развитие заболевания Альцгеймера. Однако помимо негативного значения у вещества присутствуют и жизненно-важные для размножения функции. В частности, за счет наличия гуанидиновой группы, пребывающей в клетке в катионной форме, соединение способно образовывать огромное количество водородных межмолекулярных связей. Благодаря этому аргинин в виде цвиттер-иона обретает способность связаться с фосфатными участками молекул ДНК. Результатом взаимодействия является образование множества нуклеопротеидов - упаковочной формы ДНК. Аргинин в ходе изменения рН ядерного матрикса клетки может отсоединяться от нуклеопротеида, обеспечивая раскручивание цепи ДНК и начало трансляции для биосинтеза белка.
Аминокислота метионин в своей структуре содержит атом серы, из-за чего чистое вещество в кристаллическом виде имеет неприятный тухлый запах из-за выделяемого сероводорода. В организме человека метионин выполняет регенераторную функцию, способствуя заживлению мембран печеночных клеток. Поэтому выпускается в виде аминокислотного препарата. Из метионина синтезируется и второй препарат, предназначенный для диагностики опухолей. Синтезируется он путем замещения одного углеродного атома на его изотоп С11. В таком виде он активно накапливается в опухолевых клетках, давая возможность определять размеры новообразований головного мозга.
В отличие от указанных выше аминокислот, треонин имеет меньшее значение: аминокислоты из него не синтезируются, а его содержание в тканях невелико. Основная ценность треонина — включение в состав белков. Специфических функций эта аминокислота не имеет.
Аспарагин, лизин, глутамин
Аспарагин — распространенная заменимая аминокислота, присутствующая в виде сладкого на вкус L-изомера и горького D-изомера. Из аспарагина образуются белки организма, а путем глюконеогенеза синтезируется оксалоацетат. Это вещество способно окисляться в цикле трикарбоновых кислот и давать энергию. Это означает, что помимо структурной функции аспарагин выполняет и энергетическую.
Неспособный синтезироваться в организме человека лизин — аминокислота с щелочными свойствами. Из нее в основном синтезируются иммунные белки, ферменты и гормоны. При этом лизин — аминокислота, самостоятельно проявляющая антивирусные средства против вируса герпеса. Однако вещество в качестве препарата не используется.
Аминокислота глутамин присутствует в крови в концентрациях, намного превышающих содержание прочих аминокислот. Она играет главную роль в биохимических механизмах азотистого обмена и выведения метаболитов, участвует в синтезе нуклеиновых кислот, ферментов, гормонов, способна укреплять иммунитет, хотя в качестве лекарственного препарата не используется. Но глутамин широко применяется среди спортсменов, так как помогает восстанавливаться после тренировок, удаляет метаболиты азота и бутирата из крови и мышц. Этот механизм ускорения восстановления спортсмена не считается искусственным и справедливо не признается допинговым. Более того, лабораторные способы уличения спортсменов в таком допинге отсутствуют. Глутамин также в значительном количестве присутствует в пище.
Аспарагиновая и глутаминовая кислота
Аспарагиновая и глутаминовая аминокислоты чрезвычайно ценные для организма человека из-за своих свойств, активирующих нейромедиаторов. Они ускоряют передачу информации между нейронами, обеспечивая поддержание работоспособности структур мозга, лежащих ниже коры. В таких структурах важна надежность и постоянство, ведь эти центры регулируют дыхание и кровообращение. Поэтому в крови присутствует огромное количество аспарагинивой и глутаминовой аминокислоты. Пространственная структурная формула аминокислот указана на рисунке ниже.
Аспарагиновая кислота участвует в синтезе мочевины, устраняя аммиак из головного мозга. Она является значимым веществом для поддержания высокой скорости размножения и обновления клеток крови. Разумеется, при лейкозе этот механизм вреден, а поэтому для достижения ремиссии используются препараты ферментов, разрушающих аспарагиновую аминокислоту.
Одну четвертую часть от числа всех аминокислот в организме составляет глутаминовая кислота. Это нейромедиатор постсинаптических рецепторов, необходимый для синаптической передачи импульса между отростками нейронов. Однако для глутаминовой кислоты характерен и экстрасинаптический путь передачи информации — объемная нейротансмиссия. Такой способ лежит в основе памяти и представляет собой нейрофизиологическую загадку, ведь пока не выяснено, какие рецепторы определяют количество глутамата вне клетки и вне синапсов. Однако предполагается, что именно количество вещества вне синапса имеет важность для объемной нейротрансмиссии.
Химическая структура
Все нестандартные и 20 стандартных аминокислот имеют общий план строения. Она включает циклическую или алифатическую углеводородную цепочку с наличием радикалов или без них, аминогруппу у альфа-углеродного атома и карбоксильную группу. Углеводородная цепочка может быть любой, чтобы вещество имело реакционную способность аминокислот, важно расположение основных радикалов.
Аминогруппа и карбоксильная группа должны быть присоединены к первому углеродному атому цепочки. Согласно принятой в биохимии номенклатуре, он называется альфа-атомом. Это важно для образования пептидной группы — важнейшей химической связи, благодаря которой существуют белок. С точки зрения биологической химии, жизнью называется способ существования белковых молекул. Главное значение аминокислот - это образование пептидной связи. Общая структурная формула аминокислот представлена в статье.
Физические свойства
Несмотря на схожую структуру углеводородной цепи, аминокислоты по физическим свойствам значительно отличаются от карбоновых кислот. При комнатной температуре они являются гидрофильными кристаллическими веществами, хорошо растворяются в воде. В органическом растворителе из-за диссоциации по карбоксильной группе и отщепления протона аминокислоты растворяются плохо, образуя смеси веществ, но не истинные растворы. Многие аминокислоты имеют сладкий вкус, тогда как карбоновые кислоты - кислые.
Указанные физические свойства обусловлены наличием двух функциональных химических групп, из-за которых вещество в воде ведет себя как растворенная соль. Под действием молекул воды от карбоксильной группы отщепляется протон, акцептором которого является аминогруппа. За счет смещения электронной плотности молекулы и отсутствия свободно двигающихся протонов рН (показатель кислотности) раствор остается достаточно стабильным при добавлении кислот или щелочей с высокими константами диссоциации. Это означает, что аминокислоты способны образовывать слабые буферные системы, поддерживая гомеостаз организма.
Важно, что модуль заряда диссоциированной молекулы аминокислоты равен нулю, так как протон, отщепленный от гидроксильной группы, принимается атомом азота. Однако на азоте в растворе формируется положительный заряд, а на карбоксильной группе - отрицательный. Способность диссоциировать напрямую зависит от кислотности, а поэтому для растворов аминокислот существует изоэлектрическая точка. Это рН (показатель кислотности), при котором наибольшее количество молекул имеют нулевой заряд. В таком состоянии они неподвижны в электрическом поле и не проводят ток.