Новый взгляд на путресцин

Новый взгляд на путресцин

В статье представлен анализ научных данных, который позволил опровергнуть мнение о токсическом действии путресцина, выявить его новые функциональные особенности, а также обозначить позитивные и негативные влияния данного химического соединения на организм человека. Использованы 20 авторских источника.

Авторы публикации

Рубрика

Медицина

Журнал

Журнал «Научный лидер» выпуск # 17 (62), апрель ‘22

Дата публицакии 24.04.2022

Поделиться

Цель исследования. Проанализировать новые пути применения путресцина, оценить роль данного соединения в поддержании здоровья человека, а также осветить основные методы определения путресцина в диагностической практике.

Материалы и методы исследования.   Дизайн исследования включает обзор литературных источников по теме. Для реализации поставленной цели был использован аналитический метод - анализ авторских статей.  Поиск проводился в базах данных Web of Science, PubMed, Google Scholar, Scopus, Academia, eLIBRARY, по поисковым словам, «путресцин», «трупные яды», «полиамины» «влияние путресцина» и другим. При изучении научных работ определяющими критериями были вид исследования, объем выборки, способ лечения и используемый материал, наличие статистической обработки данных, подтверждающей достоверность результатов. Выбраны 20 авторских отечественных и зарубежных источников.

Строение путресцина. Путресцин представляет собой органическое соединение, структурная формула которого NH2 - (CH2)4 - NH2, химическое название 1,4-диаминобутан (1,4- бутандиамин).

Свойства. Путресцин имеет неприятный гнилостный запах, создает неприятный запах изо рта, а также в случае бактериального вагиноза у женщин. (Отсюда и произошло его название (от лат. puter — гнилой, гниющий) [1].  Ранее путресцин относился к группе так называемых птомаинов — органических соединений, которые образовывались при разложении продуктов животного происхождения и обусловливали их ядовитость, например, опасность употребления протухшей рыбы, испорченных мясных и рыбных консервов и др [1].  Птомаины — химические соединения алкалоидной природы, образующиеся в белковых веществах в результате процессов гниения — частичного разложения белка и декарбоксилирования аминокислот. Вещества имеют характерный отвратительный сладковатый запах. Однако острая токсичность птомаинов сравнительно небольшая. В опытах на крысах она составила: для путресцина — 2000 мг/кг, для кадаверина — 2000 мг/кг, для спермидина и спермина — 600 мг/кг [2].  Условную токсичность птомаинов можно объяснить действием примесей, которые содержатся в гнилостном биологическом материале совместно с птомаинами [1]. К примесям относятся токсины бактериальной природы и ряд продуктов синтеза, образующихся в трупном материале под влиянием ферментов бактерий. До становления токсикологии как науки, термин «птомаин» использовали, подразумевая под этим совокупное впечатление от неприятного запаха и опасности отравления — считалось, что существовал риск инфицирования от трупов, а животные, которые съедали ядовитое мясо, подвергались риску отравления [1]. В настоящее время установлено, что ядовитые свойства белкам при гниении придают другие вещества. Наука непрерывно развивается и знаний о путресцине и других полиаминах накопилось достаточно, чтобы утверждать, что эти соединения не представляют опасности для человека, а, напротив, имеют важный диагностический характер [1].

Синтез in vivo.  Путресцин можно синтезировать в питательных средах с участием некоторых штаммов бактерий E. Coli (штаммы W3110, XQ26, XQ33, XQ38, XQ43, XQ47, XQ52) [3]. Эти грамотрицательные бактерии способны синтезировать путресцин тремя способами:

  1. Из аминокислоты аргинина (Арг) образуется орнитин. Затем орнитин под действием фермента орнитиндекарбоксилазы синтезирует путресцин.
  2. Аргинин (Арг) под действием аргининдекарбоксилазы синтезирует агмантин. В последующем из агмантина происходит путресцин.
  3. Агматин под действием фермента агматиназы напрямую превращается в путресцин и мочевину.

Рисунок 1. Получение путресцина из орнитина [4]

Рисунок 2. Непрямой путь получения путресцина из агматина [5]

 

Рисунок 3. Прямой путь получения путресцина из агматина [5]

Значение и диагностика. Значение путресцина для организма человека достаточно велико, так как он жизненно необходим для регуляции процессов роста и деления клетки, активации и ингибирования апоптоза и аутофагии, а исследования последних лет свидетельствуют об участии путресцина в регулировании работы иммунитета и продолжительности жизни организма [6], [7]. Из результатов серии экспериментов, проведенных различными исследователями, было выявлено, что повышенная внутриклеточная концентрация путресцина тесно связана с увеличением скорости клеточной пролиферации, а активно делящиеся клетки млекопитающих содержат более высокие уровни полиаминов (в том числе и путресцина), чем покоящиеся клетки [8].

В клетках головного мозга полиамины также играют немаловажную роль. Существует несколько функционально важных метаболических путей превращения полиаминов в центральной нервной системе. Доказано вовлечение путресцина в биосинтез гамма-аминомасляной кислоты (ГАМК), с её дальнейшим превращением в гистидинсодержащий дипептид — гомокарнозин. Дипептид выполняет антиоксидантные, иммуномодулирующие функции, а также стимулирует регенерацию тканей при повреждениях [9, с. 1305].

Описано два основных пути образования гамма-аминомасляной кислоты из путресцина. Первый состоит из окислительного дезаминирования путресцина до аминобутиральдегида с последующим его окислением в гамма-аминомасляную кислоту. Второй путь содержит стадию ацетилирования путресцина при участии ацетил-КоА и образовании ацетилпутресцина. После этого ацетилпутресцин превращается в ацетил-ГАМК, которая затем деацетилируется с образованием гамма-аминомасляной кислоты. Синтез гомокарнозина в нервной ткани взрослых млекопитающих, в том числе и человека, осуществляется преимущественно из ГАМК, образуемой из путресцина [10].

В ходе исследований было доказано, что путресцин может связываться с ферментами антиоксидантной защиты – супероксиддисмутазой (СОД) и каталазой [11]. Новым подходом к улучшению антиоксидантного статуса мозга может стать синтез соединений, созданных на основе комплекса путресцин-каталазы и путресцин-супероксиддисмутазы. Эти комплексы легко проходят через гематоэнцефалический барьер и позволяют создать эффективную защиту мозга от активных форм кислорода. Именно поэтому накопление путресцина в клетках нейроглии должно приниматься во внимание при разработке фармацевтических средств для лечения черепно-мозговых травм, неврологических [12] и психических расстройств [13].

Нарушения в обмене полиаминов показаны при различных формах неврологических заболеваний. Образование токсических альдегидов 3-аминопропаналя и акролеина в процессе распада полиаминов является фактором гибели нейронов при ишемии или гипоксии мозга, рассеянном склерозе и болезни Альцгеймера [14].

В норме полиамины присутствуют в определенных концентрациях в различных биологических жидкостях: ликворе, крови, моче и др. [15]. Определение содержания полиаминов представляет практическую значимость для разработки их в качестве маркеров различных патологических процессов. В крови содержание свободных полиаминов значительно ниже, чем в тканях. В плазме крови содержание свободного путресцина составляет 0,3 мкмоль/л плазмы [16]. Содержание путресцина в моче составляет 2,45±0,43 мг в сутки [17], [18]. Путресцин содержится в небольших количествах в норме и в других биологических жидкостях организма, хотя данные по их содержанию очень немногочисленны. В цереброспинальной жидкости его концентрация 182,0±79,0 пмоль/мл, соответственно [15]. При злокачественных опухолях спинного мозга в спинномозговой жидкости выявлено увеличение концентрации путресцина, в то время как у больных с другими заболеваниями центральной нервной системы (гидроцефалия и др.) его содержание было в пределах нормы.

К тому же было выявлено, что концентрация путресцина в крови беременных женщин является важным биомаркером гестационного сахарного диабета (ГСД) – заболевания, которое оказывает краткосрочные и долгосрочные неблагоприятные эффекты на здоровье матери и плода [19].

В настоящее время диагноз ГСД ставят на основании перорального теста толерантности к глюкозе, который проводится во втором триместре беременности, он не удовлетворяет точности и своевременности, поэтому определение повышения концентрации путресцина в сыворотке крови более значимо при диагностики, т.к. данный метод позволяет предупредить риск возникновения ГСД уже в первом триместре и предпринять все необходимые меры, для корректировки заболевания, такие как:  изменение  характера питания, образа жизни или применение медикаментозной терапии.

Для того, чтобы определить взаимосвязь между ГСД и сывороточным путресцином, были отобраны беременные женщины в возрасте от 18 до 44 лет, у которых отсутствовали в анамнезе хронические заболевания, включая гипертонию, СД 2 типа и заболевания сердца или почек.

Образцы крови у участниц брали после ночного голодания в течение 8-12 недели, а образцы сыворотки были выделены и сохранены при низкой температуре (-800C) для дальнейшего исследования. Уровни путресцина в сыворотке крови исследовали методом жидкостной хроматографии в сочетании с тандемной масс-спектрометрией (LC-MS/MS, Thermo Scientific, США), методика подробно представлена [19].

После анализа данных выяснилось, что концентрация путресцина в сыворотке крови в первом триместре была значительно выше у женщин с ГСД, чем у женщин контрольной группы. После корректировки ИМТ до беременности разница все еще оставалась значительной (р<0,001,).

Однофакторный логистический анализ показал, что концентрация путресцина в сыворотке крови была значительно и положительно связана с более высоким риском ГСД (OR=1,231, 95% ДИ =1,130–1,341, р<0,001). После корректировки на возраст матери, ИМТ до беременности, семейный диабет в анамнезе, тест на уровень глюкозы в плазме крови натощак и липидный профиль, результаты не изменились (OR=1,274, 95% ДИ =1,148–1,413, Р<0,001) [19].

Таким образом, исследование показало, что измерение концентрации путресцина в сыворотке крови имеет большую диагностическую ценность для прогнозирования риска ГСД.

Содержание путресцина в биологических жидкостях имеет чёткую корреляцию со степенью эффективности лечения. D.H. Russell [20] предложила считать концентрацию экскретируемого с мочой путресцина маркером пролиферативной активности раковых клеток. Содержание путресцина в тканях повышается одновременно с содержанием ДНК, РНК и белка в карциноматозных новообразованиях [9]. При эффективном лечении в первые 48-72 ч уровень путресцина и в моче, и в крови возрастает, доказывая гибель раковых клеток. При достижении положительного эффекта после лечения содержание путресцина в моче и крови снижается, доходя даже до нормы. Вторичное повышение концентрации путресцина у пациентов служит доказательством рецидива заболевания. При неэффективной терапии сохранялось исходное содержание данного полиамина.

Выводы. Путресцин является потенциально значимым биомаркером состояния организма, определение концентрации полиамина в биологических жидкостях предоставляет возможность своевременно диагностировать и предупредить ряд важных патологических состояний. Поэтому применение данных о путресцине является перспективным направлением медицинской диагностики.

Список литературы

  1. Edwin L. F. Ptomaines and Ptomaine Poisoning // Popular Science Monthly - 1912. - №80. - P. 400-404.
  2. Til H.P., Falke H.E., Prinsen M.K. Acute and subacute toxicity of tyramine, spermidine, spermine, putrescine and cadaverine in rats // Food and Chemical Toxicology. - 1997. - №35. - P. 337-348.
  3. Qian Z.G., Xia X.X., Lee S.Y. Metabolic engineering of Escherichia coli for the production of putrescine: a four carbon diamine // Biotechnol Bioeng. - 2009. - №4. - P. 651-662.
  4. Palazon J., Navarro-Ocana A., Hernandez-Vazquez L. Application of Metabolic Engineering to the Production of Scopolamine // Molecules. - 2008. - №13. - P. 1722-1742.
  5. Igarashi K., Kashiwagi K. Modulation of cellular function by polyamines // Int. J. Biochem. Cell Biol. - 2010. - №1. - P. 39-51.
  6. Agostinelli E., Marques M.P., Calheiros R. Polyamines: fundamental characters in chemistry and biology // Amino Acids. - 2010. - №38. - P. 393-403.
  7. Bandopadhyay M., Ganguly A.K. Putrescine, DNA, RNA and protein contents in human uterine, breast and rectal cancer // J Postgrad Med. - 2000. - №3. - P. 172-175.
  8. Болдырев А.А. Карнозин: биологическая роль и возможности применения в медицине // Биохимия. - 1992. - №57. - С. 1302–1310.
  9. Фирсов Н.Н. "Микробиология: словарь терминов". - Москва: Дрофа, 2006. - 54 с.
  10. Маклецова М.Г., Ускова Н.И., Бондаренко Т.И. Использование различных источников гамма-аминомасляной кислоты в синтезе гомокарнозина в мозге животных разного возраста // Биохимия. - 1992. - №9. - С. 1348–1351.
  11. Ворончихина Л.Д., Демьянова В.Т., Ситников С.А. Содержание полиаминов в крови здоровых людей // Вопросы медицинской химии. - 1986. - №2. - С. 43-45.
  12. Ворончихина Л.Д., Демьянова В.Т., Манжаров Н.В. Экскреция полиаминов с мочой у больных с термическими ожогами // Вопросы медицинской химии. - 1987. - №6. - С. 23-37.
  13. Залеток С.П., Бердинских Н.К., Драга Н.В. Некоторые аспекты биологической роли полиаминов при нормальном и опухолевом росте // Экспериментальная онкология. - 1984. - №4. - С. 10-17.
  14. Liu C., Wang Y., Zheng W. Putrescine as a Novel Biomarker of Maternal Serum in First Trimester for the Prediction of Gestational Diabetes Mellitus: A Nested Case-Control Study // Frontiers in Endocrinology. - 2021. - №12. - P. 1-8.
  15. Russell D.H., Levy C.C., Schimpft S.C. Urinary Polyamines in Cancer Patients // Cancer Research. - 1971. - №31. - P. 1555-1558.
  16. Seiko R., Nishimura K., Ishii I. Intense correlation between brain infarction and protein-conjugated acrolein // Stroke. - 2009. - №40. - P. 3356–3361.
  17. Березов Т.Т., Фролов В.А., Сяткин С.П. Роль полиаминов в функционировании центральной нервной системы и в развитии шизофрении // Вестник РУДН. Серия «Медицина». - 2007. - №2. - С. 49-57.
  18. Lewandowski N.M., Shulin J., Verbitsky M. Polyamine pathway contributes to the phathogenesis of Parkinson disease // PNAS. - 2010. - №7. - P. 16970–16975.
  19. Bolognesi M.L., Banzi R., Bartolini M. Novel class of quinonebearing polyamines as multi-target-directed ligands to combat Alzheimer`s disease // J. Med.Chem. - 2007. - №50. - P. 4882–4897.
  20. Плосконос М.В., Николаев А.А. Определение полиаминов в разных биологических средах // Клиническая лабораторная диагностика. - 2011. - №3. - С. 16-19.

Предоставляем бесплатную справку о публикации,  препринт статьи — сразу после оплаты.

Прием материалов
c по
Осталось 6 дней до окончания
Размещение электронной версии
Загрузка материалов в elibrary