Влияние предшественника лей-энкефалина на активность ферментов обмена регуляторных пептидов головного мозга и периферических органов крыс в норме и при эмоционально-болевом стрессе

Влияние предшественника лей-энкефалина на активность ферментов обмена регуляторных пептидов головного мозга и периферических органов крыс в норме и при эмоционально-болевом стрессе

3

ПЕНЗЕНСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ПЕДАГОГИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ ИМЕНИ В.Г. БЕЛИНСКОГО

На правах рукописи

ФИРСТОВА Наталья Вадимовна

ВЛИЯНИЕ ПРЕДШЕСТВЕННИКА ЛЕЙ-ЭНКЕФАЛИНА НА АКТИВНОСТЬ ФЕРМЕНТОВ ОБМЕНА РЕГУЛЯТОРНЫХ ПЕПТИДОВ ГОЛОВНОГО МОЗГА И ПЕРИФЕРИЧЕСКИХ ОРГАНОВ КРЫС В НОРМЕ И ПРИ ЭМОЦИОНАЛЬНО-БОЛЕВОМ СТРЕССЕ

03.00.04 - Биохимия

Диссертация на соискание

ученой степени кандидата

биологических наук

Научный руководитель

кандидат биологических наук

профессор Генгин М.Т.

ПЕНЗА - 1999

СОДЕРЖАНИЕ

1.1. Опиоидные пептиды и физиолого-биохимические аспекты их действия……………………………………………………...…………………11

1.2. Обмен регуляторных пептидов ………………………………..………..18

1.2.1. Биогенез нейропептидов………….......................................……….18

1.2.2. Механизмы регуляции активности ферментов обмена нейропептидов..………………………………………….…………..………..30

1.3. Опиоидные пептиды при воздействии стрессорных факторов..……...34

1.4. Ферменты обмена нейропептидов при стрессе………………….......…41

ГЛАВА 2. МАТЕРИАЛЫ И МЕТОДЫ ИССЛЕДОВАНИЯ…….…………48

2.1. Материалы исследования……………………………………..………....48

2.2. Методы исследования………………………………………..…………..49

2.2.1. Схема введения предшественника лей-энкефалина ……………...49

2.2.2. Моделирование острого эмоционально-болевого стресса……….49

2.2.3. Метод определения активности карбоксипептидазы Н……..……50

2.2.4. Метод определения активности ФМСФ-ингибируемой карбоксипептидазы……………………………………………....……...…51

2.2.5. Метод определения активности ангиотензинпревращающего фермента………………………………………………………………...…….51

2.2.6. Методы определения активности КПН, ФМСФ-ингибируемой КП и АПФ in vitro…………………………...……...……………………..……..52

2.2.7. Метод определения белка по Лоури………………..…...…………52

2.2.8. Статистическая обработка результатов исследования...………….52

ГЛАВА 3. РЕЗУЛЬТАТЫ ИССЛЕДОВАНИЯ………………….………….53

3.1. Региональное и тканевое распределение КПН, ФМСФ-ингибируемой КП и АПФ у самцов крыс..……………………………...…………………....53

3.1.1. Распределение активности КПН………………….……………...…53

3.1.2. Распределение активности АПФ………………………….………...54

3.1.3. Распределение активности ФМСФ-ингибируемой КП ……...…...55

3.2. Исследование влияния острого эмоционально-болевого стресса на активность КПН, ФМСФ-ингибируемой карбоксипептидазы и АПФ……56

3.2.1. Активность КПН в головном мозге надпочечниках и семенни-ках крыс при воздействии острого эмоционально-болевого стресса…….57

3.2.2. Активность ФМСФ-ингибируемой КП в головном мозге надпочечниках и семенниках крыс при воздействии острого эмоционально-болевого стресса ……………..……………………………………..…....60

3.2.3 Активность АПФ в головном мозге надпочечниках и семенниках крыс при воздействии острого эмоционально-болевого стресса ……....62

3.3. Исследование влияния предшественника лей-энкефалина на активность КПН, ФМСФ-ингибируемой КП и АПФ…..………………... 65

3.3.1. Активность КПН в головном мозге, надпочечниках и семенниках крыс при введении лей-энкефалин-арг…………………………………...67

3.3.2. Активность ФМСФ-ингибируемой КП в головном мозге, надпочечниках и семенниках крыс при введении лей-энкефалинарг..……69

3.3.3. Активность АПФ в головном мозге, надпочечниках и семенниках крыс при введении лей-энкефалин-арг……………….……...………...…72

3.4. Исследование влияния лей-энкефалин-арг на активность КПН, ФМСФ-ингибируемой КП и АПФ in vitro…………………..………………..…..74

3.5. Исследование влияние лей-энкефалин-арг на активность КПН, ФМСФ-ингибируемой карбоксипептидазы и АПФ у крыс на фоне острого эмоционально-болевого стресса..........…..………...………………..…...75

3.5.1. Активность КПН при введении лей-энкефалин-арг на фоне острого эмоционально-болевого стресса..…..…………………………………....77

3.5.2. Активность ФМСФ-ингибируемой карбоксипептидазы при введении лей-энкефалин-арг на фоне острого эмоционально-болевого стресса……………………………………………………………………....80

3.5.3. Активность АПФ при введении лей-энкефалин-арг на фоне острого эмоционально-болевого стресса………........…………….………………84

ГЛАВА 4. ОБСУЖДЕНИЕ РЕЗУЛЬТАТОВ ИССЛЕДОВАНИЯ…………88

ВЫВОДЫ……………………..…………………………………………...…114

ЛИТЕРАТУРА………………………………..………………………...…....116

ПРИЛОЖЕНИЕ…………….…………..…………………………...…….....146

СПИСОК СОКРАЩЕНИЙ

АКТГ - адренокортикотропный гормон

АПФ- ангиотензинпревращающий фермент

ГГНС- гипоталамо-гипофизарно-надпочечниковая система

ГГБ- гисто-гематический барьер

ГЭБ- гемато-энцефалический барьер

ГЭМЯК - гуанидилэтилмеркаптоянтарная кислота

КП - карбоксипептидаза

КПН - карбоксипептидаза Н

ПВДС (ДСИП) - пептид, вызывающий дельта сон (дельта-сон инду-

цирующий пептид)

САС- симпато- адреналовая система

ФМСФ- фенилметилсульфонилфторид

ЭБС- эмоционально-болевой стресс

Одной из наиболее актуальных проблем современной биологии и медицины является исследование влияния острых стресс-факторов на организм. Особый интерес вызывает изучение молекулярных механизмов возникновения и развития стресса. Известно, что кратковременное острое стрессирование приводит к экстренной и генерализованной активации ряда физиологических систем, участвующих как в процессах развития (стресс-реализующие), так и в процессах торможения (стресс-лимитирующие) стресс-реакции [4, 5, 21, 29, 33, 116, 121, 125, 144, 145]. Ведущая роль в регуляции функций этих систем принадлежит нейропептидам, веществам, выступающим в организме в роли нейромедиаторов, нейромодуляторов и гормонов [126, 134, 204, 221, 258]. В ответ на стресс в первую очередь вовлекаются пептиды гипофиза: адренокортикотропин (АКТГ), -эндорфин, пролактин [136]. Важную роль в адаптации организма к стрессу играют эндогенные биологически активные пептиды - компоненты стресс-лимитирующих систем: вещество Р, пептид, вызывающий дельта сон, энкефалины [27, 28, 69, 107, 110, 135, 152, 241]. Одной из наиболее универсальных стресс-лимитирующих систем, обеспечивающих адаптацию к изменениям, вызванным реакцией на действие экстремального фактора, является система эндогенных опиоидных пептидов [14, 103, 104, 116, 125, 266]. Выраженным антистрессорным действием обладают, в частности, энкефалины [23, 69, 134, 140, 266]. Установлено, что при воздействии стресса содержание опиоидов в структурах мозга, крови и ликворе животных увеличивается [33, 34, 140, 243].

Уровень биологически активных пептидов, а, следовательно, и степень реализации ответной реакции физиологических и биохимических систем на воздействие стресс-фактора в значительной мере определяется активностью пептидгидролаз - ферментов, участвующих в образовании и/или деградации молекул регуляторных пептидов [20, 40, 71, 193, 209, 212, 218, 241, 256, 262].

Нейропептиды синтезируются в организме в виде неактивных высокомолекулярных предшественников. На заключительных этапах процессинга регуляторных пептидов, приводящих к образованию их активных форм, принимают участие карбоксипептидазо-Б-подобные ферменты, катализирующие отщепление остатков основных аминокислот - аргинина и лизина - с С-конца предшественников биологически активных пептидов [39, 188, 192, 264, 268]. Одним из основных ферментов генеза таких нейропептидов как энкефалины, вещество Р, АКТГ, окситоцин, вазопрессин является карбоксипептидаза Н (КПН) (Кф 3.4.17.10) [39, 40, 63, 68, 192, 264]. Недавно появились сведения об участии в обмене регуляторных пептидов фермента, активность которого ингибируется фенилметилсульфонил-фторидом - ФМСФ-ингибируемой КП [49, 53]. Данный фермент обладает сходной с КПН субстратной специфичностью, что же касается биологической роли фермента, то этот вопрос до сих пор остается открытым. Известно, что уровень активных форм энкефалинов и других нейропептидов в организме контролируется также ангиотензинпревращающим ферментом (АПФ) (Кф 3.4.15.1), участвующим как в процессинге, так и в деградации регуляторных пептидов [66, 180, 183, 196, 209, 259]. Однако, несмотря на столь важную роль этих ферментов в организме, многие аспекты проявления их функциональной активности изучены недостаточно. Практически отсутствуют сведения об эндогенных механизмах регуляции активности этих ферментов, а также их свойствах при различных патологических и функциональных состояниях организма.

Одним из видов воздействия, оказывающим влияние на уровень нейропептидов в структурах мозга и периферических тканях и приводящим к экстренному повышению адаптивных способностей организма животного, является острый эмоционально-болевой стресс (ЭБС) [37, 52, 70, 112, 145]. Увеличение синтеза и секреции многих регуляторных пептидов при развитии стресс-реакции, наряду с инициацией ряда адаптационных механизмов, приводит к истощению нейрогуморальных и ферментативных систем. В связи с этим, одной из наиболее актуальных задач функциональной биохимии и медицины является поиск путей коррекции изменений, возникающих в функционировании ряда физиологических систем при воздействии острых стресс-факторов. Наиболее благоприятным способом устранения и/или ограничения стресс-нарушений является искусственное повышение активности эндогенных стресс-лимитирующих систем за счет экзогенного введения стресс-протективных веществ пептидной природы, в частности энкефалинов [69, 116, 135]. Известно, что выраженным адаптогенным действием обладает предшественник лей-энкефалина - лей5-энкефалин-арг6 [69, 135] Введение извне компонентов стресс-лимитирующих систем способствует не только усилению потенциальных возможностей организма, но и инициации синтеза ряда биологически активных веществ, которые также обладают антистрессорным действием [11, 13, 59, 78, 107, 119, 132].

Одной из основных причин, ограничивающих широкое применение веществ пептидной природы в клинической практике при разного рода стресс-повреждениях, является трудность при прохождении ими гистогематических барьеров (ГГБ), в частности гемато-энцефалического барьера (ГЭБ) [30, 108]. Показано, что при периферическом введении веществ модуляторного типа, наблюдается общая закономерность: сами вещества не проходят ГЭБ, в то время как их ближайшие предшественники хорошо проникают через гемато-энцефалический барьер и вызывают соответствующие изменения в функционировании физиологических систем [82]. Кроме того, большое значение имеет выбор способа введения исследуемого стресс-протективного вещества. Известно, что одним из наиболее благоприятных способов введения веществ является инстилляция на конъюнктиву глаза [1, 119], поскольку такое введение способствует максимальному проникновению вещества в мозг и практически не травмирует животное.

Введение извне биологически-активных пептидов, их предшественников, а также синтетических аналогов влияет на обмен эндогенных регуляторных пептидов [6, 69, 79, 101, 105, 198], а, следовательно, и на активность ферментов их генеза. Однако механизмы модуляции такого рода биохимических процессов практически не изучены.

В связи с вышесказанным, особый интерес представляет сравнительный анализ изменений активности КПН, ФМСФ-ингибируемой КП и АПФ - ферментов различающихся по своей тканевой локализации и биологической роли, при воздействии острого ЭБС и вещества, корректирующего сдвиги в метаболизме при стрессе - лей5-энкефалин-арг6.

Исходя из вышеизложенного, целью настоящей работы было исследование влияния предшественника лей-энкефалина (лей5-энкефалин-арг6) на активность КПН, ФМСФ-ингибируемой КП и АПФ головного мозга и периферических тканей крыс, подверженных воздействию острого эмоционально-болевого стресса. При выполнении работы были поставлены следующие задачи:

Исследование регионального и тканевого распределения активности карбоксипептидазы Н, ФМСФ-ингибируемой КП и АПФ в головном мозге, надпочечниках и семенниках крыс.

Исследование влияния острого эмоционально-болевого стресса на активность КПН, ФМСФ-ингибируемой КП и АПФ в головном мозге, надпочечниках и семенниках крыс через различные промежутки времени.

Изучение влияния лей-энкефалин-арг на активность КПН, ФМСФ-ингибируемой КП и АПФ головного мозга, надпочечников и семенников крыс в различные сроки после инстилляции.

Исследование влияния предшественника лей-энкефалина на активность КПН, ФМСФ-ингибируемой КП и АПФ головного мозга и периферических тканей крыс в динамике острого эмоционально-болевого стресса.

Полученные данные позволят полнее раскрыть роль исследуемых ферментов в механизмах функционирования пептидергических систем при возникновении и развитии стресс-реакции, более детально изучить механизмы регуляции активности ферментов обмена нейропептидов, а также понять роль протеолитических ферментов - КПН, ФМСФ-ингибируемой КП и АПФ в развитии адаптационных реакций организма при остром ЭБС, инициированных введением лей-энкефалин-арг.

ГЛАВА 1. ОБЗОР ЛИТЕРАТУРЫ

1.1. ОПИОИДНЫЕ ПЕПТИДЫ И ФИЗИОЛОГО-БИОХИМИЧЕСКИЕ АСПЕКТЫ ИХ ДЕЙСТВИЯ.

Регуляторные пептиды представляют собой полифункциональную группу биологически активных веществ, которым отводится важная роль среди известных природных биорегуляторов [126, 181, 204, 221, 258]. К настоящему времени описано и изучено более шестисот биологически активных пептидов [62], действующих в организме в качестве нейромедиаторов, нейромодуляторов и гормонов [62, 126, 134, 221]. Они широко представлены в центральной, периферической нервной системе, присутствие регуляторных петидов отмечено также в некоторых биологических жидкостях организма и периферических органах [156, 166, 197, 221].

Важной особенностью действия биологически активных пептидов является способность одних и тех же пептидных молекул вызывать различные как по характеру, так и по месту проявления реакции [62, 174, 184, 204, 271]. Кроме того, было доказано, что один пептид может быть фактором регуляции, как частных метаболических реакций организма, так и глобальных форм системного поведения [29, 35, 51, 62, 199]. Показано, что нейропептиды принимают участие в регуляции таких процессов, как память, обучение [96, 243], сон [117,131, 200, 217, 254], поведение, регуляция аппетита, жажды, дыхания, сексуальная и локомоторная активность, мышечный тонус [51, 162, 164, 204], ощущение боли [29], стресс-реакции [27, 26, 89, 101, 154, 161, 236] и др.

Современная классификация регуляторных пептидов основана на сочетании функционального, структурного и топологического принципов. В настоящее время выделяют около 40 семейств нейропептидов [12].

Самым многочисленным (свыше 30) и разнообразным по функциям и влияниям в организме является семейство опиоидных пептидов.

Обнаружение в мозге высокоспецифичных рецепторов классических непептидных опиатов - морфина и др. позволило начать целенаправ-ленный поиск их эндогенных лигандов. Первые работы по изучению опиоидных пептидов принадлежат А. Голдстайну, Дж. Хьюсу, Х. Костерлицу, С. Снайдеру, Л. Терениусу [211, 258]. В исследованиях Дж. Хьюса и Х. Костерлица в 1975 году впервые из мозга свиньи были выделены и идентифицированы два морфиноподобных кислото-растворимых пентапептида - тир-гли-гли-фен-лей и тир-гли-гли-фен-мет, впоследствии названных лей-и мет-энкефалинами [211].

В экстрактах гипофизов животных было обнаружено присутствие других, более крупных агонистов морфина - - - и - эндорфинов [225, 242, 253]. В настоящее время определена структура практически всех эндогенных опиоидных пептидов. Кроме мозга они обнаружены в легких, кишечнике, сердце, печени, почках, поджелудочной железе, мышцах, а также в биологических жидкостях организма: спинномозговой жидкости, крови [157, 166, 197, 219, 221].

Более детальное изучение эффектов, проявляемых опиоидными пептидами, показало ряд значительных отличий в ответах организма на морфин и опиоидные пептиды [95, 133]. Полученные данные позволили предположить существование более чем одного класса опиатных рецепторов [95]. Сегодня известно 7 основных типов опиатных рецепторов: -, -, -, -, -, -, - рецепторы [81, 95, 235, 254]. Они представляют собой специфичные к опиоидным пептидам регулирующие центры ферментативных комплексов или ионных каналов, локализованных преимущественно на цитоплазматической мембране соответствующих клеток-мишеней [95, 169, 173, 265].

Показано, что, опиоидные пептиды способны оказывать воздействие на нейрональную активность [15, 139, 159, 198], память [96], поведение [51, 168, 199], участвовать в регуляции процессов восприятия боли [29, 86, 216, 266], эндокринных функций организма [93, 235], иммунных реакций [148, 167, 172, 173, 214, 244], стрессовых воздействий [14, 125, 238], сердечно-сосудистой деятельности [35, 115], вовлекаются в развитие и патогенез многих психических и неврологических заболеваний [32, 120, 129,134, 158, 253] и др.

Из большого числа биологических свойств опиоидных пептидов особо следует выделить следующие: действие в весьма низких концентрациях, высокая селективность, отсутствие накопления в организме и низкая токсичность [3, 16]. Отмеченные свойства позволяют использовать опиоидные пептиды в комплексе терапевтических воздействий, направленных на повышение потенциальных возможностей организма при различных функциональных состояниях организма.

Одним из факторов, ограничивающих широкое применение этих пептидов в клинической практике, является сложность при прохождении ими гистогематических барьеров (ГГБ) [82, 108]. ГГБ рассматриваются как сложная физиолого-гомеостатическая система, которая сохраняет постоянство внутренней среды организма в целом и мозга в частности [30, 108]. Известно, что проникновение в мозг большинства исследованных веществ происходит, преимущественно, через стенку кровеносных капилляров [82, 108]. Таким образом, проницаемость ГГБ зависит в большей степени от плотности сети капилляров в структурах, на которые непосредственно наносится исследуемое вещество, то есть от способа его введения в организм [108]. Известно, что максимальное количество вещества проникает в мозг при внутривенном, внутриартериальном, а также внутрижелудочковом введении, внутримышечное и внутрибрюшинное введение показывают меньший эффект [108]. Обнаружено, что достаточно эффективно вещества проникают через гемато-офтальмический барьер (ГОБ) [1, 24, 30].

Особое место в ряду опиоидных пептидов отводится энкефалинам. В отличие от эндорфинов они широко распространены как в мозге, так и в периферических тканях [34, 172, 185, 197, 212]. Иммуногистохимическими методами энкефалин-содержащие клетки и их терминали были обнаружены в ядрах среднего мозга, ретикулярной формации, ядрах гипоталамуса, лимбической системе, продолговатом мозге, таламусе, желатинозной субстанции спинного мозга [84, 156, 212]. Радиоиммунохимические исследования показали максимальное содержание энкефалинов в бледном шаре и хвостатом ядре, далее в порядке убывания в гипоталамусе, гипофизе, среднем мозге, таламусе, продолговатом мозге, гиппокампе, коре [14, 96, 147, 185]. Среди периферических органов высокое содержание энкефалинов отмечено в надпочечниках, где они сосредоточены преимущественно в мозговом слое [34], поджелудочной железе, печени [219], семенниках [197].

Работы первых исследователей были посвящены изучению преимущественно анальгетического действия энкефалинов [165]. Обнаружено, что введение опиоидных пептидов вызывает эффект обезболивания или снижения порога болевой чувствительности [75, 86, 165, 228]. Анальгетическое действие пептидов реализуется преимущественно через д-рецепторы гипоталамуса, стриатума и спинного мозга [86, 237, 271].

Достаточно детально исследовалось участие эндогенных энкефалинов и эндорфинов в патогенезе психических и неврологических заболеваний [32, 36, 134]. Предполагается, что опиоидые пептиды участвуют в патогенезе шизофрении и депрессии [216]. Показано, что при депрессиях отмечается снижение опиоидов в организме, а их системное введение приводит к временному улучшению состояния депрессивных больных [216]. Сходство эффектов опиоидных пептидов с действием нейролептиков позволило предположить, что причиной психо-патологических состояний может быть нарушение образования или чрезмерной инактивации этих регуляторных пептидов [114]. Многогранная нейротропная активность энкефалинов и эндорфинов дает основание считать, что они могут играть определенную роль в нейрохимических механизмах действия различных нейортропных препаратов, в том числе и антидепрессантов [114, 120]. Показанное изменение содержания эндогенных опиоидных пептидов и влияние их экзогенного введения было обнаружено и у больных, предрасположенных к наркомании и алкоголизму [32, 64].

Иммуногистохимическими методами была выявлена высокая концентрация опиоидов в зонах мозга, осуществляющих центральную регуляцию кровообращения [35]. Дальнейшие исследования показали участие эндогенных энкефалинов в деятельности сердечно-сосудистой и дыхательной системы [104, 273], в регуляции артериального давления через систему ренин-ангиотензин [87].

Обнаружение опиатных рецепторов - и - классов на иммуноцитных мембранах, показало, что энкефалины являются активными регуляторами иммунных реакций [93, 148, 152, 173, 244], осуществляя свое действие посредством активации Т-лимфоцитов мембран [172]. Экспери-ментальные работы ряда авторов подтвердили модулирующее действие энкефалинов на защитные механизмы в периферических и, в особенности воспаленных тканях [214].

Присутствие высоких концентраций опиоидных пептидов в гипоталамусе и надпочечниках [34, 156], связанных с реализацией ряда эндокринных функций в организме, позволило предположить участие энкефалинов и эндорфинов в регуляции действия эндокринной системы [15, 159, 176]. Показано, что энкефалины и эндорфины влияют на секрецию гормона роста, меланостатина, тириоидного гормона [15, 172]. Кроме того, известно, что через опиатные пути осуществляется связь между иммунной и эндокринной системой, что дает возможность диагностировать специфические заболевания, которые имеют в своей основе нейроэндокринные и иммунные расстройства [93].

Данные ряда исследователей указывают на влияние энкефалинов на двигательную активность и поведение крыс [51, 168, 199]. Обнаружено, что опиоидные пептиды, вводимые в высокой концентрации внутрь мозга, вызывают состояние тонической неподвижности. Введение этих пептидов в более низких концентрациях влечет за собой менее глубокие изменения локомоторной активности у крыс, и характеризуется первоначальной фазой снижения активности и последующим периодом гиперактивности. Минимальные концентрации опиоидных пептидов вызывают стимулирующий эффект.

Различная локализация по отделам мозга и периферическим тканям лей- и мет-энкефалинов свидетельствует о возможном различии в функциях этих опиоидных пептидов в регионах [62, 242]. Использование различных методов введения энкефалинов позволяет полнее представить картину влияния их на физиологические процессы в организме. Так, например, при внутрижелудочковом введении было получено подтверждение того, что мет-энкефалин проявляет более выраженное анальгетическое действие, чем лей-энкефалин [29, 75]. Мет-энкефалин также является более действенным иммуностимулятором [214]. Наиболее выраженный наркотический и эйфоригенный потенциал напротив свойственен лей-энкефалину, мет-энкефалин практически не проявляет таких свойств [32].

Страницы: 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8, 9, 10