Biotechnologia.pl
łączymy wszystkie strony biobiznesu
Karnozyna – peptydowy "bodyguard" organizmu
Karnozyna – peptydowy "bodyguard" organizmu
Karnozynę wyizolowano po raz pierwszy ponad 100 lat temu, na początku ubiegłego wieku za sprawą rosyjskiego naukowca – Gulewicza. Obecnie wiadomo, że należy ona do bardzo korzystnie oddziałujących na organizm dipeptydów i zarazem jest głównym niebiałkowym związkiem zawierającym azot w mięśniach szkieletowych kręgowców. Rosnąca ilość podejmowanych przez naukowców badań wykazuje, że karnozyna stanowi potencjalny czynnik terapeutyczny wielu schorzeń, w których patogenezie uczestniczy stres oksydacyjny i stres karbonylowy (m.in. choroby neurodegeneracyjne, metaboliczne i sercowo-naczyniowe).

 

Kilkanaście lat po odkryciu karnozyny ustalono, że ma ona strukturę dipeptydu β-alanylo-L-histydylowego. Może stanowić około 0,2-0,5% masy niektórych mięśni poprzecznie prążkowanych, występuje także w innych tkankach i narządach, m.in. w ośrodkowym układzie nerwowym ssaków, głównie w komórkach gleju i neuronach węchowych. Ponieważ synteza karnozyny w kulturach komórkowych oligodendrocytów i komórek mięśni szkieletowych jest istotnie powiązana ze stopniem morfologicznego zróżnicowania tych komórek, można sądzić, że dipeptyd ten pełni biologiczną rolę w tkankach dojrzałych. Jak wykazały liczne badania naukowe, działanie karnozyny jest nakierowane na wiele celów wewnątrz komórek i tkanek, by stłumić chemiczne reakcje, które uniemożliwiają białkom funkcjonować prawidłowo. Co istotne, ilość karnozyny w tkankach kręgowców obniża się z wiekiem.

 

Karnozyna kontra nadmiar glukozy

Destrukcyjne zmiany w ważnych enzymach i innych białkach, wywołanych przez glukozę (opisywany już wcześniej przez nas  proces glikacji), są jedną z głównych przyczyn starzenia się i związanych z wiekiem zaburzeń tkankowych. W wyniku tych reakcji powstają tzw. zaawansowane produkty glikacji, z ang. Advanced Glication End Products (AGE`s). Wykazano silną korelację pomiędzy stężeniem AGEs we krwi a rozwojem i stopniem nasilenia niewydolności mięśnia sercowego. AGEs i glikacja odgrywają bowiem kluczową rolę w rozwoju i progresji chorób układu krążenia, powodując zmiany struktury, funkcji i mechanicznych właściwości tkanek, poprzez sieciowanie białek komórkowych i macierzy pozakomórkowej oraz poprzez modulowanie procesów komórkowych, na drodze wiązania receptorów ulokowanych w błonach komórkowych. Proces ten występuje u wszystkich ludzi (a jego efekty kumulują się wraz z upływem czasu), ale jest przyśpieszony w cukrzycy w wyniku stale podwyższonych poziomów glukozy. Bardzo istotnym jest także fakt, że glikacja jest zabójcza dla mózgu. Badania naukowe wykazały, że w komórkach piramidowych hipokampu wraz z postępującym wiekiem wzrasta ilość AGEs, co pozwoliło wysnuć przypuszczenia, że glikacja musi mieć znaczący udział w procesie starzenia się neuronów i rozwoju choroby Alzheimera. W innym degeneracyjnym schorzeniu mózgu – chorobie Picka – ustalono udział AGEs jako pierwszoplanowych czynników patogennych. W typowych dla tej choroby tworach histopatologicznych – w tzw. ciałkach Picka i w komórkach balonowatych – stwierdzono bowiem obecność końcowych produktów zaawansowanej glikacji. W podobny sposób powiązano glikację i AGEs z rozwojem dwóch kolejnych chorób neurodegeneracyjnych – Parkinsona i Creutzfeldta-Jakoba.  Substancja, która przede wszystkich może zapobiec lub odwrócić istniejącą już glikację protein, mogłaby być zatem silnie działającym związkiem chemicznym, przeciwdziałającym procesowi starzenia się – i tak właśnie działa karnozyna.  Co istotne, karnozyna nie tylko wyłapuje i unieszkodliwia reaktywne związki aldehydowe, ale jednocześnie wchodzi w reakcje z grupami aldehydowymi białek zmienionych na drodze glikacji. Proces ten określa karnozylacją i polega na tworzeniu złożonych kompleksów aldehydowo-karnozynowo-białkowych, które są całkowicie pozbawione szkodliwej aktywności biologicznej (Hipkiss, 2000). Dodatkowo, ten dobroczynny dipeptyd istotnie wpływa także na usuwanie z organizmu uszkodzonych i zmienionych patologicznie białek. Jego działanie polega tu na maskowaniu grup aldehydowych zmodyfikowanych cukrami białek, wciskając się niejako pomiędzy cukier a białko, ułatwiając tym samym wiązanie ubikwityny i przebieg procesu proteolizy. Co więcej wspiera  utylizacyjną aktywność proteasomów względem niefunkcjonalnych białek, wpływając tym samym na ostateczną eliminację szkodliwych produktów glikacji. Dlaczego ten proces jest tak istotny dla prawidłowego funkcjonowania organizmu? Ponieważ zmodyfikowane cukrami białka stają się oporne na degradację proteolityczną, zatem jeżeli tkanki nie dysponują odpowiednim zasobem karnozyny, szkodliwe produkty glikacji kumulują się wraz z upływem czasu w mięśniach, sercu i mózgu, przyczyniając się istotnie do ich degeneracji.

Zatem jak można się domyślać, wyniki licznych badań naukowych wskazują, że to właśnie kumulujące się w tkankach AGEs, przy upośledzonej syntezie karnozyny, są jedną z głównych przyczyn rozwoju sarkopenii (postępującego z wiekiem zaniku i osłabienia mięśni), niewydolności serca oraz neurodegeneracyjnych chorób mózgu, zatem większości patologii, które towarzyszą procesom starzenia się organizmu.

 

Istotny element w badaniach nad długowiecznością

Już rok 1990 przyniósł znaczną ilość publikacji naukowych wskazujących, że wzbogacenie diety o karnozynę przedłuża długość życia. Od tego czasu ilość badań potwierdzających wielorakie, korzystne efekty karnozyny ciągle wzrasta, a jej prozdrowotne działanie badane jest w bardzo szerokim ujęciu ze szczególnym uwzględnieniem jej roli w przedłużaniu życia. W 2010 roku, naukowcy na łamach  czasopisma  "Rejuvenation  Research", podzielili się  zaskakującymi  wyniki badań na temat wpływu karnozyny na długość życia doskonale znanego modelu zwierzęcego - muszki owocówki. Jak wiadomo owady te są niewiarygodnie przydatnymi zwierzętami doświadczalnymi, szczególnie w badaniach nad genami i starzeniem się, z powodu ich bardzo krótkiego życia i szybkiego tempa reprodukcyjnego.  Badacze odkryli, że dodawanie bardzo małej ilości karnozyny do dostarczanego pokarmu muszek owocówek, doprowadziło do natychmiastowego, 20% zwiększenia średniej długości życia u samców. Sama karnozyna wpływała w małym stopniu na długość życia samic, ale kiedy połączono ją z rozpuszczalną w wodzie formą witaminy E, żeńskie muszki doświadczyły 36% przedłużenia życia. Wyniki tych badań są bez wątpienia przełomowym odkryciem i nasuwają setki pytań dotyczących tego spektakularnego działania karnozyny. Przede wszystkim pojawia się pytanie -  dlaczego karnozyna powoduje tak istotne działanie na starzenie się organizmu i czy skutki zaobserwowane u owadów można odnieść do ludzi?

 

Działanie antyoksydacyjne

Ze względu na swój  hydrofilowy charakter, karnozyna stanowi cenne uzupełnienie cytozolowej frakcji bariery antyoksydacyjnej - pełni rolę rozpuszczalnego w wodzie odpowiednika antyoksydantów o charakterze lipofilowym (np. α-tokoferolu). W badaniach in vitro i in vivo karnozyna unieczynnia rodniki hydroksylowe i nadtlenkowe, jest silnym „wymiataczem” tlenu singletowego, chloraminy oraz rodnika peroksynitrylowego . Hamuje peroksydację lipidów, przez co zapobiega uszkodzeniu błon białkowo-lipidowych. Obniża stężenie dialdehydu malonowego, ważnego wskaźnika peroksydacji lipidów. Co istotne, karnozyna pełni także specyficzną i bardzo ważną rolę w tkankach wykorzystujących wolne rodniki w regulacji procesów biologicznych. Karnozyna jest swoistym „buforem” reaktywnych form tlenu w tkankach, ale co istotne - nie hamuje całkowicie ich funkcji regulatorowych i przekaźnikowych.

 

Rola w usuwaniu toksyn – chelatowanie jonów metali

Karnozyna wykazuje właściwości chelatowania jonów metali (m.in. miedzi, żelaza, cynku, kobaltu), dzięki czemu może regulować ich stężenie w tkankach i płynach ustrojowych oraz zmniejszać ich toksyczność. Szczególna lokalizacja karnozyny z glutaminianem, cynkiem i miedzią w zakończeniach synaptycznych neuronów węchowych w OUN sugeruje, że może ona modulować przesyłanie bodźców węchowych przez glutaminian. Chelatując jony cynku i miedzi, karnozyna znosi ich działanie hamujące na transmisję glutaminergiczną i GABA-ergiczną. Wiadomo bowiem, że zaburzenia równowagi puli mózgowej cynku wiążą się ze zwiększonym ryzykiem chorób neurologicznych, np. choroby Alzheimera (cynk wpływa na indukcję toksycznego amyloidu beta), udaru niedokrwiennego mózgu oraz padaczki. Wiążąc jony miedzi i cynku, karnozyna mogłaby zmniejszać ryzyko wystąpienia tych schorzeń. W warunkach in vitro wykazano toksyczne działanie cynku i miedzi na neurony opuszki węchowej. Ponieważ karnozyna moduluje wpływ cynku i miedzi na pobudliwość neuronalną, wysnuto hipotezę, że może chronić przed działaniem neurotoksycznym tych metali.

 

Sercowo-naczyniowe korzyści zdrowotne

Potężne właściwości przeciwutleniające karnozyny, połączone z jej zdolnościami „wymiatania” zarówno wolnych rodników, jak i uszkodzonych produktów białek i toksyn, daje jej unikalne, protekcyjne cechy. Badania wykazały także, że karnozyna może zahamować aktywność współczulnego układu nerwowego, oddziałującego na nadciśnienie, a zatem zmniejsza związane z otyłością podwyższenie ciśnienia krwi. Jej własności przeciwutleniające bezpośrednio chronią mięsień sercowy przed toksynami oraz potężnym wpływem chemoterapii, które stanowią poważne ryzyko dla tkanek serca. Własności antyglikacyjne pomagają zapobiec szkodliwym modyfikacjom molekuł cholesterolu LDL, przyczyniających się do wczesnego stadium formacji blaszek miażdżycowych w tętnicy. Jest to szczególnie istotne w odniesieniu do ochrony naczyń krwionośnych przed uszkodzeniami wywołanymi przez cukrzycę. Liczne badania naukowe mające na celu zgłębienie działania karnozyny w obrębie układu krążenia wykazały, że poprawia ona kurczliwość mięśnia sercowego wpływając na mechanizmy wapniowe. Może także wpływać na rozszerzanie naczyń, redukując opór następczy serca i pośrednio poprawiać parametry wydolności mięśnia sercowego. Dodatkowo, pełni ochronną rolę podczas eksperymentalnego niedokrwienia serca. Zapobiega także utlenianiu niskocząsteczkowej frakcji lipoprotein osocza, przez co może spowalniać procesy miażdżycowe w obrębie naczyń tętniczych. Wyniki badań wykazały, że w mózgu znjadują się wysokie poziomy karnozyny, zdolnej do zmniejszania oksydacyjnego, nitrozowego i glikiemicznego stresu, na który organ ten jest szczególnie narażony. Jak wspominano wcześniej, utlenianie i glikacja doprowadzają do stanów zapalnych, przyczyniają się również do sieciowania białek, wliczając w to amyloid beta, będący, poza białkiem Tau, kluczową zmianą w mózgu u pacjentów z chorobą Alzheimera. Pomaga również minimalizować toksyczność, wywołaną przez wysokie poziomy jonów metalu, które są obecne w pewnych obszarach mózgu. U pacjentów cierpiących na chorobę Alzheimera i inne zaburzenia zwyrodnienia układu nerwowego, poziom karnozyny jest znacznie niższy, sugerując, że albo jej niedobór przyczynia się do powstania tych chorób albo, co bardziej prawdopodobnie, procesy chorobowe zmniejszają poziom chroniącej karnozyny. W obydwu przypadkach, można by sądzić, że suplementacja karnozyny mogłaby złagodzić większość toksyczności komórkowej, która przyczynia się do powstania chorób. Badania przeprowadzane na zwierzętach i ludziach obecnie wskazują zatem ważną rolę suplementacji karnozyny w zapobieganiu chorób Parkinsona i Alzheimera.

 

Właściwości przeciwnowotworowe

Stosowanie karnozyny  jako chemioterapeutyku jest obecnie przedmiotem ciągłych, rozwijających się badań. Jednak pojawiające się naukowe wyniki, wyraźnie wskazują, że jej przeciwutleniające i przeciwzapalne właściwości są zdecydowanie obiecujące. Wiadomo bowiem, że będąc przeciwutleniaczem, pomaga blokować uszkodzenia DNA, które mogą prowadzić do transformacji nowotworowej w hodowanych komórkach (zwiększa długość życia komórek u młodych osobników w warunkach laboratoryjnych). Karnozyna zapobiega również uwalnianiu zapalnych cytokin w jelitowych komórkach, zmniejszając znaczne ryzyko nowotworów okrężnicy. Jej zdolność do hamowania nowych przerzutów i zakłócania metabolizmu komórek nowotworu, czyni z niej bardzo atrakcyjną, potencjalnie przeciwnowotworową substancję odżywczą.

Dodatkowo wykazano, że karnozyna odmładza komórki tkanek łącznych, co może wyjaśnić jej korzystny wpływ na leczenie ran.

Rosnące naukowe zainteresowanie zapewniającymi długowieczność składnikami doprowadziło do przełomowych, nowych badań nad karnozyną. Wysoce skoncentrowana w mózgu i mięśniach jest naturalną przeciwutleniającą i zwalczającą glikację substancją odżywczą, której poziomy w organizmie zmniejszają się wraz z wiekiem. Wielotorowe i powiązane mechanizmy działania karnozyny oznaczają, że może ona zapewnić korzyści komórkom i tkankom w całym organizmie, które w przeciwnym razie ulegałyby patologicznym efektom procesu starzenia się. Można zatem z pewnością powiedzieć, że karnozyna  jest jednym z najważniejszych niebiałkowych związków występujących w organizmie, pozwala na utrzymanie równowagi kwasowo-zasadowej, ma działanie antyoksydacyjne oraz zmniejszające toksyczność metali. Ze względu na swoje unikatowe właściwości może stać się suplementem wspomagającym terapię wielu schorzeń, spowalniającym procesy starzenia i przyspieszającym proces regeneracji mięśni.

 

Jak dostarczać karnozynę do organizmu – porcja mięsa czy suplement?

Pełniąc swoje zadania, karnozyna ulega degradacji, w związku z czym musi być na bieżąco odtwarzana. W organizmie ludzkim karnozyna syntetyzowana jest z dwóch aminokwasów – beta-alaniny i histydyny. Problem w tym, że wraz z wiekiem słabnie zdolność organizmu do odbudowy karnozyny. I chociaż przyczyny takiego stanu rzeczy nie są do końca poznane, uważa się, że główną winę ponosi tutaj pogłębiający się z wiekiem niedobór hormonów płciowych, pobudzających syntezę karnozyny. Karnozyna jest aminokwasowym składnikiem, który znajdujemy głównie w czerwonym mięsie. Typowy posiłek z czerwonego mięsa może dostarczyć 250 mg karnozyny, która jednak przez enzym karnozynazy jest szybko degradowana w organizmie. Oznacza to, że nawet jeśli stosuje się taką dietę, to karnozyna nie zostaje w organizmie wystarczająco długo, by zapewnić obronne efekty. Obecnie na rynkach farmaceutycznych Europy Zachodniej i w krajach skandynawskich karnozynę stosuje się jako suplement diety o działaniu antyoksydacyjnym, opóźniającym starzenie się komórek (m.in. Bio-Carnosin, tabletki 125 mg i 400 mg, L-Carnosine 500, tabletki 500 mg). Ponadto, karnozyna od dawna wykorzystywana jest przez sportowców jako suplement diety wspomagający regenerację mięśni szkieletowych, zmniejszający gromadzenie się kwasu mlekowego oraz poprawiający siłę skurczu mięśni (np. Maxim Activator Strong, Anticramp).

 

Źródła

 

 Bakardijev A, Bauer K. Biosynthesis, release and uptake of carnosine in primary cultures. Biochemistry 2000; 65: 779–782.

 Marchis SD, Modena C,Peretto P, Migheli A, Margolis FL, Fasolo A. Carnosine-related dipeptides in neurons and glia. Biochemistry 2000; 65: 824–833.

Stvolinsky S, Antipin M, Meguro K, Sato T, Abe H, Boldyrev A. Effect of carnosine and its Trolox-modified derivatives on life span of Drosophila melanogaster. Rejuvenation Res. 2010 Aug;13(4):453-7.

 Boldyrev A, Abe H, Stvolinsky S, Tyulina O. Effects of carnosine and related compounds on generation of free oxygen species: a comparative study. Comp Biochem Physiol B Biochem Mol Biol 1995; 112: 481–485.

 Fontana M, Pinnen F, Lucente G, Pecci L. Prevention of peroxynitrite-dependent damage by carnosine and related sulphonamido pseudodipeptides. Cell Mol Life Sci 2002; 59: 546–551.

 Nagasawa T, Yonekura T, Nishizawa N, Kitts DD. In vitroand in vivo inhibition of muscle lipid and protein oxidation by carnosine. Mol Cell Biochem 2001; 225: 29–34.

Cararo JH, Streck EL, Schuck PF, Ferreira Gda C. Carnosine and Related Peptides: Therapeutic Potential in Age-Related Disorders. Aging Dis. 2015 Oct 1;6(5):369-79. doi: 10.14336/AD.2015.0616. eCollection 2015 Sep. Review.

KOMENTARZE
news

<Czerwiec 2017>

pnwtśrczptsbnd
29
30
31
1
2
3
4
6
KIS Technology Open Day
2017-06-06 do 2017-06-06
7
8
10
Wprowadzenie do analizy danych RNA-Seq
2017-06-10 do 2017-06-11
11
12
13
14
Audyt Laboratorium Mikrobiologicznego
2017-06-14 do 2017-06-14
15
16
17
18
21
24
NGS w badaniach regulacji genów
2017-06-24 do 2017-06-25
25
28
29
2
Newsletter