L-аргинин в норме и патологии

Резюме. L-аргинин — условно незаменимая аминокислота, являющаяся клеточным регулятором многих жизненно важных функций организма. Он участвует в регуляции тонуса гладкомышечного компонента стенки сосудов, бронхов, кишечника. L-аргинин является субстратом для синтазы оксида азота (NOS), которая продуцирует оксид азота (NO). NO, продуцируемый в эндотелии сосудов, отвечает за релаксацию гладких мышц и необходим для снижения артериального давления. L-аргинин имеет высокий функциональный приоритет в продукции NO и, следовательно, в физиологии сердечно-сосудистой и цереброваскулярной систем. L-аргинин может уменьшать ожирение, снижать артериальное давление, подавлять окислительные процессы и нормализовать эндотелиальную дисфункцию, способствуя ремиссии при диабете 2-го типа.

L-аргинин также используется клетками иммунной системы, может снижать уровень инфицирования, особенно при нарушении иммунной функции. L-аргинин замедляет старение, ингибирует агрегацию тромбоцитов, регулирует множественные метаболические пути, связанные с метаболизмом жирных кислот, глюкозы, аминокислот и белков. Поэтому следует учитывать большой терапевтический потенциал L-аргинина и продолжать изучение возможностей его использования в качестве перспективного препарата при прогрессировании сосудистой дисфункции, связанной со старением, диабетом и сердечно-сосудистыми заболеваниями.

Ключевые слова: L-аргинин, оксид азота, диабет, сердечно-сосудистая система, ожирение, цереброваскулярная система, иммунная система, агрегация тромбоцитов.

Общие сведения

L-аргинин (2-амино-5-гуанидиновалериановая кислота) — условно незаменимая аминокислота, которая является разносторонним и активным клеточным регулятором многих жизненно важных функций организма. Аргинин является ключевым метаболитом на конечном этапе белкового и других видов обмена азотсодержащих соединений, а также играет роль незаменимого компонента важнейших регуляторных систем человека и других млекопитающих. Без его участия невозможны системная и локальная регуляция тонуса гладкомышечного компонента стенки сосудов, бронхов, кишечника. Аргинин обеспечивает эффективность лизосомально-килинговой системы фагоцитов, участвует в регуляции пролиферативных процессов, функции матриксообразующих клеток мезенхимальной линии [1-3].

Анализ причин нарушения биодоступности аргинина является одним из необходимых условий понимания патогенетических механизмов развития и разработки методов профилактики и лечения серьезных заболеваний человека, прежде всего атеросклероза, который является одним из основных факторов, ограничивающих продолжительность жизни.

Источники аргинина

L-аргинин является алифатической основной α-аминокислотой, содержащей два основных центра: в α-положении — аминогруппу, в δ-положении — гуанидиновую группу. Существует в виде L- и D-изомеров, но в белках млекопитающих присутствует только L-аргинин. Больше всего (до 85%) его содержится в основных белках — протаминах и гистонах. L-аргинином богаты мясо и орехи. L-аргинин — незаменимая у новорожденных и заменимая у здоровых взрослых аминокислота, вовлеченная в многочисленные физиологические процессы [1-3].

Источниками поступления аргинина являются: 1) синтез в системе тонкая кишка — почки из тонкокишечного глютамина и глутамата, глютамина плазмы крови, пролина пищи, NH3 и CO2, образованных кишечной микрофлорой; 2) деградация белков организма; 3) поступление и всасывание в кишечнике аргинина пищи; 4) локальные механизмы ферментативной рециркуляции цитруллина.

У млекопитающих существует метаболический путь для синтеза аргинина. Некоторые из ферментов на этом пути присутствуют во многих типах клеток, тогда как экспрессия других ферментов существенно ограничена. Фосфат-зависимая глутаминаза, орнитинаминотрансфераза (OAT), аргининсукцинатсинтаза (АСС), аргининсукцинатлиаза (АСЛ) и аспартатаминотрансфераза распространены в тканях животных, тогда как содержание карбомоилфосфата I, орнитилкарбомоилтрансферазы (OCT) и N-ацетилглутаматсинтазы в печени и слизистой оболочке кишки ограничено.

Оксидаза пролина присутствует главным образом в тонкой кишке, печени, почках, мозге, но синтетаза P5C локализована почти исключительно в слизистой кишечника, в других тканях она содержится только в небольшом количестве. Различия в экспрессии ферментов привели к четкому разделению метаболических функций различных органов [1].

Тонкокишечные глютамин и глутамат, глютамин плазмы крови, пролин пищи экстенсивно катаболизируются энтероцитами тонкой кишки и являются предшественниками синтеза цитруллина. У взрослых цитруллин также синтезируется тонкой кишкой с NH3 и CO2 при участии ферментов орнитинкарбамоилфосфатсинтетазы I, орнитинтранскарбамоилазы и поставляется в почки и другие ткани для синтеза аргинина. Цитруллин, поступающий из крови, под действием AСС и AСЛ преобразуется в почках в аргинин. Почка также экспрессирует аргиназы (катализирует гидролиз L-аргинина с образованием орнитина и мочевины), но аргиназы и ферменты биосинтеза аргинина локализованы отдельно, в рамках различных частей нефрона, так, чтобы коэкспресия этих антагонистических ферментативных метаболических путей в пределах одной клетки отсутствовала или была ограничена.

Синтез аргинина de novo у взрослых составляет лишь 5–15% эндогенного пула, главная составляющая которого — деградация белков тела. У здоровых взрослых эндогенный синтез аргинина не играет главную роль в регулировании его гомеостаза. Кроме того, эндогенное образование (de novo и вследствие деградации белков организма) аргинина обеспечивает его достаточное количество без потребности в поступлении извне. Но при определенных условиях, включая воспаление, дисфункции тонкой кишки или почек, эндогенный синтез не может обеспечить достаточное количество аргинина, соответствующее метаболическим требованиям [1-3].

Для взрослого человека ежедневное употребление L-аргинина с пищей в среднем составляет 5,4 г [4]. Из-за высокой активности аргиназ до 40% аргинина, поступающего с пищей, разрушается в процессе абсорбции, а большая его часть поступает в воротную вену. В зависимости от возраста и рациона, концентрация L-аргинина в плазме крови человека и животных колеблется в пределах от 95 мкмоль/л до 250 мкмоль/л.

Катаболизм аргинина

Аргинин как субстрат используется несколькими метаболическими путями, большинство из которых функционируют в рамках одной и той же клетки. В зависимости от конкретного органа или типа клеток, аргинин является предшественником различных молекул, включая NO, креатин, мочевину, полиамины, L-пролин, L-орнитин, глутамат и агматин [1].

Доступность аргинина различным метаболическим путям зависит от его способности проходить сквозь плазматические и митохондриальные мембраны. Транспорт аргинина сквозь клеточную мембрану осуществляется с участием катионных аминокислотных транспортеров САТ-1/2/3. Основным является САТ-1, активность которого возрастает с повышением уровня внеклеточного аргинина или под воздействием специфических стимулов. Изменения функции CAT способны в разной степени ограничивать в клетках доступность аргинина для индуцибельной синтазы оксида азота (iNOS) [1].

L-аргинин выступает субстратом для синтаз оксида азота (NOS), продуцирующих оксид азота (NO). NO, образующийся в эндотелии сосудов эндотелиальной NOS (еNOS), отвечает за релаксацию гладких мышц и необходим для снижения артериального давления. L-аргинин также используется клетками иммунной системы, где NOS продуцирует NO для клеточного сигналинга или окислительных бактерицидных действий [5].

Эндотелиальный оксид азота / NO-синтетазы (NO/NOS)

Оксид азота (NO) выполняет ключевые регуляторные функции, включая вазодилатацию и поглощение глюкозы. Снижение продукции NO может привести к клеточной дисфункции, торможению кровообращения, нарушению секреции инсулина и транспорта глюкозы, усилению резистентности к инсулину и гипертонии, а также к диабету. Образование NO подавляется на фоне сердечно-сосудистых и метаболических заболеваний, вызывая серьезные нарушения [6]. К числу механизмов, составляющих основу более низкой продукции/доступности NO при метаболических и сердечно-сосудистых заболеваниях, можно отнести снижение уровня инсулина в крови, увеличение выработки ангиотензина II, гипергомоцистеинемию, усиление синтеза асимметричного диметиларгинина (AДMA) и низкую концентрацию L-аргинина в плазме [7].

Эндотелиальный оксид азота — важный вазореактивный фактор [5]. В свободном состоянии период его полувыведения составляет от 6 с до 30 с, после чего он быстро разрушается. NO синтезируется из L-аргинина тремя изоформами NOS. Они присоединяют молекулярный кислород к атому азота из терминальной гуанидиновой группы L-аргинина с образованием NO и L-цитруллина [2, 8]. Три димерные изоформы NOS кодируются разными генами: нейрональной nNOS (тип 1 NOS, ген NOS1), индуцибельной iNOS (тип 2 NOS, NOS2) и эндотелиальной eNOS (тип 3 NOS, NOS3).

Изоформы nNOS и eNOS являются конститутивными. eNOS и ферменты рециркуляции аргинина АСС и AСЛ, катионные аминокислотные транспортеры CAT локализованы в кавеолярных углублениях на липидных рафтах плазматической мембраны эндотелиоцитов, где они формируют функционально и пространственно ассоциированный ферментный комплекс [1-3].

nNOS и eNOS регулируются транскрипционными, посттранскрипционными (микроРНК) и посттрансляционными механизмами, включая фосфорилирование, ацетилирование, S-нитрозилирование, S-глутатионилирование и межбелковые взаимодействия. iNOS в основном регулируется с помощью транскрипции генов в условиях провоспалительного и окислительного стресса.

NOS представляет собой оксидоредуктазы, гомодимеры, состоящие из аминоконечного оксигеназного домена, который содержит сайты связывания субстрата — L-аргинина, кофактора тетрагидробиоптерина (BH4), кластера гема, содержащего железо, а также домена редуктазы с сайтами связывания для доноров электронов: никотинамид-аденин-динуклеотидфосфата (NADPH), флавин-аденин-динуклеотида (FAD) и флавин-мононуклеотида (FMN). Оба домена соединены последовательностью, связывающей комплекс кальмодулин-Ca2+.

При активации NOS флавины в редуктазном домене переносят полученные от NADPH электроны на гем в оксигеназном домене другого мономера, обеспечивая связывание кислорода (O2) с восстановленным железом гема (Fe2+) и преобразование L-аргинина в HO-L-аргинин, а затем в NO и L-цитруллин [9]. Кофакторами активации eNOS выступают протопорфирин-IX, BH4, FMN, FAD и ионы Zn2+, которые тетраидально связывают мономеры через цистеиновые остатки. eNOS — основная изоформа NOS в нормальной стенке [10]. Рекрутирование комплекса Ca2+-кальмодулин необходимо для переноса электронов.

Значительное увеличение внутриклеточной концентрации Ca2+ необходимо, чтобы этот комплекс связывал eNOS и nNOS, тогда как связывание iNOS происходит при базальных концентрациях Ca2+. BH4, связанный с димерами NOS, необходим для их стабилизации и надлежащей каталитической активности. В противном случае электроны переносятся непосредственно на O2, и вместо NO вырабатываются супероксидные анионы (O2–). Субклеточная локализация NOS определяет синтез NO в компартментах и передачу сигналов по регуляторной цепи специфическим эффекторам [9].

eNOS — важнейшая синтаза — синтезируется как гомодимер, который транспортируется к клеточной мембране в места образования ею особых инвагинаций кавеол, где депонируется в функционально неактивном состоянии, связываясь с кавеолином-1 — главным белком, ответственным за формирование и поддержание формы кавеол [10]. Синтез NO требует точного соотношения субстрата и кофакторов. Напряжение смещения, вызванное вязкой природой кровообращения, проходящего вдоль сосудистой стенки, активирует eNOS путем фосфорилирования различными протеинкиназами. Akt фосфорилирует eNOS по Ser1177, ее основному сайту активации, а ингибирующий остаток Thr495 дефосфорилируется фосфатазами PP1, PP2A и кальциневрином (PP2B) [9].

Активированный фермент затем транслоцируется в цитозоль. Фосфорилировать eNOS по Ser1177 могут другие киназы, включая AMPK, кальций/кальмодулин-зависимую протеинкиназу II типа и протеинкиназу A. Фосфорилирование Ser615 или Ser633 (киназами Akt, AMPK, PKA или Pim-1) [11] и Tyr81 тирозинкиназой Src также связано с увеличением продукции NO. И наоборот, фосфорилирование по Ser114 киназами ERK1/2, протеинкиназой C и Tyr657 тирозинкиназой 2β (PYK2) снижает синтез NO [9, 12].

NO диффундирует в клетки гладкой мускулатуры сосудов, активирует гуанилатциклазу и индуцирует опосредованную сGMP (циклический гуанозин 3′,5′-монофосфат) релаксацию гладких мышц путем активации cGMP-зависимой протеинкиназы G (PKG) и дальнейшего фосфорилирования белков калиевых каналов, снижения уровня кальция в цитозоле и дефосфорилирования легкой цепи миозина [4, 8]. В конечном итоге это регулирует региональное кровообращение (то есть поток-опосредованную дилатацию). Другие субстраты и кофакторы, необходимые для этой реакции, включают кислород, NADPH, флавин, гем и BH4 [4]. Последний связывается с гем-группой N-концевого оксидазного домена NOS, стабилизируя димерную молекулу. Связывание переводит NOS в высокое спиновое состояние, увеличивает активность фермента и усиливает родство NOS с аргинином [13].

В нормальных условиях eNOS в присутствии достаточного количества BH4 принимает и сохраняет электроны из NADPH для преобразования косубстратов O2 и L-аргинина в NO и L-цитруллин [14]. BH4 принимает электроны от флавина в С-конечном редуктазном участке NOS во время синтеза NO и L-цитруллина, действуя как важный окислительно-восстановительный агент. Дисфункция на любой из этих стадий, например в процессе старения, может привести к нарушению реакции, снижению биодоступности NO, ослаблению вазодилатации и изменениям в региональной циркуляции и перфузии тканей [13].

NO, синтезированный eNOS, выполняет целый ряд функций:

1. Является одним из самых мощных вазодилататоров, релаксирующим фактором для гастроинтестинального тракта, дыхательных путей — проникая из эндотелиальных клеток в клетки гладких мышц сосудистой стенки, он активирует растворимую гуанилатциклазу, взаимодействуя с атомом железа в активном центре фермента, что ведет к повышению уровня сGMP, активации PKG, снижению концентрации кальция, расслаблению сосудов [10, 15];
2. Опосредует сосудорасширяющие эффекты эндотелий-зависимых вазодилататоров (ацетилхолина, брадикинина, гистамина и т. д.), тормозит образование эндотелиального сосудосуживающего фактора — эндотелина-1 — и высвобождение норадреналина окончаниями симпатических нейронов, препятствует осуществлению чрезмерных эффектов других вазоконстрикторов (ангиотензина, тромбоксана A2); благодаря этому NO активно участвует в регуляции сосудистого тонуса и кровообращения (в том числе базального), артериального давления, системной и региональной гемодинамики [15];
3. Стимулирует синтез эндотелиального фактора роста и ангиогенез, но тормозит пролиферацию и миграцию гладкомышечных клеток (тем самым препятствуя образованию неоинтимы) и гипертрофию сосудов [4, 8];
4. В небольших концентрациях тормозит, а в высоких — усиливает апоптоз, подавляет синтез внеклеточного матрикса, чем поддерживает нормальную структуру сосудистой стенки [4, 8];
5. Оказывает мощное противовоспалительное и антитромбогенное действие: тормозит транскрипцию провоспалительного ядерного фактора каппа B (NF-κB), блокирует стимулированную цитокинами экспрессию адгезионных молекул эндотелия (VCAM-I, E-селектин, MCP) и хемотаксических пептидов моноцитов, уменьшает прилипание, инфильтрацию, агрегацию нейтрофилов и моноцитов, преобразование последних в макрофаги, тормозит агрегацию и адгезию тромбоцитов, экспрессию фактора, активирующего тромбоциты;
6. Обладает антиоксидантными свойствами, препятствует патогенным воздействиям липопротеинов низкой плотности [4, 11]; 7) NO/NOS участвуют в опосредованной РКС регуляции альдостерона ионами калия, что связано с поддержанием водно-солевого баланса и тонуса сосудов в организме [16].

Роль аргинина в патологических процессах

Основным следствием недостатка аргинина в организме является снижение продукции NO. NO, продуцируемый в эндотелии сосудов еNOS, отвечает за релаксацию гладких мышц и необходим для снижения артериального давления. Любое улучшение функции эндотелия способствует профилактике сердечно-сосудистых заболеваний (ССЗ). Показано, что введение L-аргинина значительно уменьшает систолическое и диастолическое артериальное давление, но у беременных женщин снижалось только диастолическое артериальное давление. Добавка L-аргинина также значительно улучшала функцию эндотелия сосудов. Важно влияние аргинина на иммунную систему. Пациенты, получавшие внутривенную терапию L-аргинином, демонстрировали значительное увеличение количества CD4+ лимфоцитов (Т-хелперов) [2, 3].

L-аргинин и сердечно-сосудистая система. В физиологии и патофизиологии CCC эффект NO является ключевым в эндотелий-зависимой дилатации сосудов [2, 3] — рис. Показано, что ингибирование NOS и, следовательно, снижение продукции NO вызывает гипертонию и гипертрофию сердца, приводит к развитию атеросклероза. L-аргинин является единственным предшественником синтеза NO, а его катаболические ферменты, оказывающие наибольшее влияние на CСС, — это NOS и аргиназа [2, 3, 17]. L-аргинин является субстратом для NOS, которая превращает его в L-цитруллин с высвобождением NO. Из цитруллина L-аргинин может быть восстановлен ферментами АСС и AСЛ [2, 3], но может разрушаться аргиназами. Снижение биодоступности NO вследствие уменьшения продукции NOS или образования активных форм кислорода (ROS) связано с развитием различных сосудистых нарушений [18], включая вазоконстрикцию, агрегацию тромбоцитов и образование тромба, адгезию лейкоцитов, пролиферацию и миграцию гладкомышечных клеток сосудов (VSMC) [19].

Кроме того, эндотелиальная дисфункция (ЭД), возникающая на ранних стадиях развития атеросклероза, также связана с нарушением биодоступности NO [19, 20]. Биологическую активность NO подавляют многочисленные факторы, такие как снижение поглощения L-аргинина, уменьшение содержания кофакторов NOS (Ca2+, кальмодулин, BH4), подавление потока электронов (NADPH, флавин), подавление экспрессии NOS [18, 19].

Кратковременное и хроническое введение L-аргинина улучшало функцию эндотелия на животных моделях гиперхолестеринемии и атеросклероза [21]. Повышение его концентрации в плазме приводит к увеличению продукции как сосудистого, так и системного NO. Исследования VSMC показали, что ограничивающим фактором для усиления синтеза NO с помощью iNOS является возможность рециклинга L-аргинина [2, 3].

Показано, что активность iNOS зависит от концентрации внеклеточного L-аргинина. Возможность существования внутриклеточного пула L-аргинина, недоступного для iNOS, вследствие чего внеклеточный аргинин необходим для активности iNOS и продукции NO, получила название «парадокс L-аргинина» и относится к конкретной ситуации, когда добавка L-аргинина стимулирует активность NOS и выработки NO, даже если уровень L-аргинина в плазме находится в физиологических пределах [18].

Эндокринные механизмы также могут способствовать вазодилатации, вызванной L-аргинином. Высокие внутривенные дозы L-аргинина стимулируют секрецию гормона роста (GH). GH и инсулин, высвобождение которого также стимулируется L-аргинином, могут вызвать вазодилатацию [18].

Внутривенная инфузия L-аргинина или D-аргинина вызвала вазодилатацию. Это позволяет предположить, что такой эффект связан с осмоляльностью или pH, а не только с усилением образования эндотелиального NO. Вазодилатация была значительной только при высоких концентрациях L-аргинина в плазме — от микро- до миллимолярных [22].

Системное или пероральное введение L-аргинина улучшает сердечно-сосудистую функцию и уменьшает ишемию сердца у пациентов, имеющих заболевания коронарных артерий, а также приводит к снижению артериального давления и сосудистого сопротивления в почках у пациентов с гипертонической болезнью и нормальной или нарушенной функцией почек. Хотя концентрация L-аргинина в плазме у пациентов с гиперхолестеринемией остается неизменной, пероральное или внутривенное введение L-аргинина может восстановить эндотелиальную функцию у них.

/рис./

Рис. Схема действия аргинина и NO в стенке кровеносного сосуда (beloveshkin.com): в эндотелии eNOS окисляет аргинин до NO и цитруллина; NO противодействует воспалительному процессу (в данном случае вызванному напряжением смещения), подавляя адгезию моноцитов, формирование тромба и релаксируя слой гладкомышечной мускулатуры, расположенный ниже.

Существует мнение, что атеросклероз вызван нехваткой L-аргинина, скорее всего, из-за нарушенных взаимосвязи между лизином и L-аргинином и взаимодействия между метаболизмом эстрогена и L-аргинина [18]. L-аргинин участвует в профилактике атеросклероза и эффективно снижает негативное влияние уже присутствующих атеросклеротических изменений. Так, он замедляет адгезию моноцитов к эндотелию, снижает артериальное давление у некоторых пациентов с гипертонией и возвращает эндотелиальную функцию в норму у пациентов с гиперхолестеринемией.

Таким образом, L-аргинин имеет высокий функциональный приоритет в продукции NO, а следовательно, в физиологии ССС. Регуляция биодоступности NO после применения препаратов L-аргинина имеет решающее значение для разработки новых стратегий лечения ССЗ. L-аргинин является одним из возможных терапевтических средств для коррекции различных сердечно-сосудистых нарушений.

L-аргинин и цереброваскулярная система. Фенотипы эндотелиальных клеток по-разному регулируются в пространстве и времени, определяя феномен гетерогенности эндотелия. Церебральный эндотелий, вероятно, является одним из самых специфических типов, поскольку он выступает важнейшим элементом гематоэнцефалического барьера. ЭД головного мозга участвует в патофизиологии ряда неврологических заболеваний [23].

В дополнение к атеросклерозу дисфункция эндотелия системы мозгового кровообращения может быть вовлечена в патогенез церебральных заболеваний мелких сосудов и болезни Альцгеймера. Нарушение NO-зависимой вазодилатации может также увеличить участок повреждения во время инсульта из-за нарушения коллатерального кровообращения [24]. Церебральная авторегуляция поддерживает постоянное кровообращение (CBF) через мозг, несмотря на изменения среднего артериального давления, и зависит, по крайней мере частично, от изменений локальной концентрации L-аргинина в мозге и скорости его метаболизма [25].

Авторегуляция мозгового кровообращения состоит из механо- и хеморегуляции. Хеморегуляция прямо коррелирует с сывороточным уровнем CO2 и, в отличие от механорегуляции, не зависит от изменений среднего артериального давления. Механорегуляция зависит от трансмурального градиента давления и эндотелиальной вазодилатации. Механорегуляция является основным контролирующим механизмом CBF. Известно, что эндотелиальная вазодилатация крупных артерий наиболее выражена в сосудистой сети головного мозга [23]. Нормальная функция эндотелия имеет решающее значение для регуляции CBF. Дисфункциональный церебральный эндотелий выделяет меньше NO, в результате чего нарушается расслабление клеток гладких мышц мелких артерий.

Самой важной ролью L-аргинина является его влияние на эндотелиальные клетки сосудов мозга, а следовательно, на кровообращение. Внутривенное введение L-аргинина вызывает расширение сосудов и увеличение кровообращения в системе микроциркуляции. К тому же показано, что L-аргинин играет роль в снижении тромботической активности, пролиферации клеток, воспаления и других процессов, которые приводят к нарушениям сосудистой системы мозга.

Доказано, что использование L-аргинина является безопасным. NO известен как самый эффективный вазодилататор и основной предиктор сосудистого тонуса в цереброваскулярной системе [26]. Из трех изоформ NOS именно eNOS является основой NO-опосредованной вазодилатации мозговых артерий и артериол [23]. Показано, что еNOS-зависимое продуцирование NO в эндотелии мозга снижает активность симпатической нервной системы и артериальное давление у крыс. Аналогично сверхэкспрессия eNOS в ростральной вентролатеральной части продолговатого мозга и ядрах солитарного тракта уменьшает артериальное давление и активность симпатического нерва.

Новые данные, полученные в результате прямого измерения симпатической нервной активности с использованием имплантированных электродов, указывают, что экзогенный NO может уменьшить влияние симпатической нервной системы на сердце [27, 28]. Есть также данные, что снижение биодоступности NO в паравентрикулярном ядре усиливает разрядку почечного симпатического нерва. Снижение уровней NO может увеличить симпатическое влияние на почку в связи с усилением специфического подавления eNOS-зависимого продуцирования NO в паравентрикулярном ядре гипоталамуса, что повышает реакцию почечного симпатического нерва (RSNA). Подавление NOS путем введения NG-метил-1-аргинина также увеличивает RSNA [29].

Церебральная эндотелиальная функция может быть разной на разных цереброваскулярных участках. Кроме того, некоторые участки мозга могут быть более склонными к ишемии и инсульту. Отмечены большая частота и распространенность инсульта среди мужчин. Определение цереброваскулярной реактивности на L-аргинин (CVR-L-Arg) является уникальным, недорогим, многообещающим неинвазивным методом обследования, который может предоставить средства для оценки функции эндотелия головного мозга в физиологических и патологических состояниях.

Сравнение CVR-L-Arg в кровообращении передней и задней частей мозга у здоровых молодых мужчин и женщин показало, что CVR-L-Arg была значительно выше в задней мозговой артерии (PCA), чем в средней мозговой артерии (MCA). Кроме того, CVR-LArg была более выраженной у женщин, чем у мужчин, в PCA и MCA. Низкая CVR-L-Arg (а следовательно, и низкая эндотелиальная функция головного мозга) в кровообращении передней части мозга у мужчин могут объяснять большую частоту ишемии и инсультов у них [23].

Цереброваскулярная дисфункция, вызванная экзогенными стрессовыми факторами, включает внутричерепную гипертензию, гипоперфузию и воспаление головного мозга. Лечение L-аргинином сразу после стресса значительно улучшало выживание животных, уменьшало внутричерепную гипертензию и увеличивало содержание метаболитов NO, глутамата, глицерина, лактат-пирувата и дигидроксибензойной кислоты в гипоталамусе.

Обусловленные экзогенными факторами повышенные уровни провоспалительных IL-1β и TNF-α в гипоталамусе также снижались на фоне лечения L-аргинином. Наоборот, уровни противовоспалительного IL-10 в гипоталамусе значительно повышались. Результаты показывают, что L-аргинин может ослаблять негативное влияние экзогенных стрессовых факторов за счет снижения цереброваскулярной дисфункции и воспаления мозга [30].

L-аргинин и диабет. Диабет 2-го типа (СД2) стал глобальной проблемой здравоохранения, затрагивающей около 425 миллионов человек во всем мире. Это в перспективе может вызвать множество осложнений и привести к большей смертности. В настоящее время нет доступных лекарств для эффективной профилактики диабета. L-аргинин как предшественник NO играет важную роль в гомеостазе, иммунитете, размножении, росте, задержке старения человека и животных.

Все больше клинических данных свидетельствуют, что пищевые добавки с L-аргинином могут уменьшать ожирение, снижать артериальное давление, окислительные процессы, ЭД, замедляя прогрессирование предиабета в клинически выраженный СД2. Потенциальным молекулярным механизмом может быть моделирование гомеостаза глюкозы, стимулирование липолиза, поддержание уровней гормонов, ослабление инсулинорезистентности на этапе предиабета. Возможный сигналинг действия L-аргинина, вероятно, включает в себя путь L-аргинин/NO, через который могут быть активированы другие клеточные сигнальные каскады [31]. Собранные данные показали, что L-аргинин может потенциально предотвращать развитие и облегчать течение СД2 путем восстановления чувствительности к инсулину.

Следует отметить, что при СД2 содержание антагониста L-аргинина — ADMA (ассиметричный диметиларгинин — эндогенный фактор, подавляющий синтез NO) — увеличивалось в плазме в 2,5 раза, что было связано со снижением NO-зависимой функции — вазодилатации плечевой артерии после индуцированной ишемией гиперемии [32]. Количество ADMA в плазме увеличивалось и в ответ на прием пищи с высоким содержанием жира, что также было связано с уменьшением степени вазодилатации. Эти изменения ассоциировались с повышением уровня триглицеридов в плазме крови и триглицеридов, входящих в состав липопротеинов очень низкой плотности. Увеличение содержания ADMA при диабете сопровождалось нарушением эндотелий-зависимой релаксации и плохим метаболическим контролем.

Повышенная концентрация ADMA может вызвать связанную с диабетом ЭД и макроангиопатии. Важно отметить, что ингибиторы ангиотензинпреобразующего фермента, но не глитазоны, снижали уровни ADMA в плазме с СД2, несмотря на то что глитазоны улучшали функцию эндотелия и уменьшали экспрессию маркеров воспаления [33].

Эндотелиальные клетки вырабатывают NO — вазодилататор и антиагрегатный фактор тромбоцитов, концентрация которого снижается у пациентов с гипертонией и СД2. Диеты, обогащенные углеводами и насыщенными жирами, уменьшают образование NO, вызывают ЭД и повышают сопротивление периферических сосудов. Уровни ADMA в крови повышены у пациентов с ожирением, дислипидемией, гипертонией, СД2, гестационным СД и преэклампсией.

Повышение количества ADMA в крови, видимо, предшествует развитию гипертонии и СД2. Уровни ADMA в крови коррелировали с неконтролируемой гипергликемией, диабетическими микро- и макроангиопатиями. Добавка L-аргинина снижает ЭД и восстанавливает нормальное сопротивление периферических сосудов за счет снижения уровня ADMA в крови и усиления продукции NO [33].

L-аргинин стимулирует секрецию различных гормонов, включая GH, инсулин, глюкагон, адреналин, норадреналин и пролактин [34]. Инсулин, в свою очередь, стимулирует экспрессию САТ-1 и транспорт L-аргинина в эндотелиальные клетки. Поэтому у больных диабетом снижается содержание L-аргинина и NO в клетках сосудов [35]. Длительное пероральное введение L-аргинина повышает чувствительность к инсулину и метаболизм глюкозы с одновременным улучшением функции эндотелия у пациентов с СД2 [36]. L-аргинин (6,4 г/сут) значительно увеличивает регрессию к нормальной толерантности к глюкозе, повышая чувствительность к инсулину у пациентов, а также в некоторых моделях диабета и у крыс с ожирением [37].

Способность L-аргинина ослаблять эффекты метилглиоксаля, реактивного метаболита глюкозы и предшественника конечных продуктов гликирования (AGE), может составлять основу положительных эффектов приема L-аргинина у людей с диабетом [38]. Как D-аргинин, так и L-аргинин могут ослаблять экспрессию аргиназы I и II, окислительный стресс, ЭД и образование AGE, вызванное метилглиоксалем и высоким содержанием глюкозы. L-аргинин может предотвращать индуцированную метилглиоксалем дисфункцию β-клеток поджелудочной железы, а также снижать поглощение глюкозы жировой тканью [38], что потенциально объясняет повышение чувствительности к инсулину [36, 38].

Показано, что пероральный прием L-аргинина может усиливать транскрипцию гуанозинтрифосфатциклогидролазы I, первого фермента в синтезе BH4 de novo, увеличивая образование BH4 и NO, а также снижая уровень глюкозы в плазме при диабете 1-го типа у крыс. BH4, один из самых сильных антиоксидантов в клетке, играет решающую роль не только в увеличении скорости синтеза NO с помощью eNOS, но и в уменьшении образования O2 — в эндотелиальных клетках. Повышение уровня как субстрата eNOS, L-аргинина, так и ее критического кофактора, BH4, необходимо для обеспечения адекватного синтеза NO в эндотелии [36].

L-аргинин и ожирение. Ожирение связано со снижением транспорта L-аргинина даже при отсутствии метаболического синдрома [39]. Распространенным следствием ожирения является гипертензия, которая наблюдается при ожирении примерно в 75% и 65% случаев у мужчин и женщин соответственно. Часто субъекты с ожирением устойчивы к стандартным антигипертензивным препаратам, а плохое понимание точных механизмов, составляющих основу связи между ожирением и гипертонией, препятствует развитию новой и эффективной терапии. Установлено, что ожирение связано с уменьшением биодоступности NO, вызванной нарушением транспорта L-аргинина, и что усиление переноса эндотелиального аргинина предотвращает экспериментальную гипертензию, вызванную ожирением [40].

Результаты других исследований также предоставляют четкие доказательства, что ЭД играет важную роль в патогенезе гипертонии, связанной с ожирением [40]. Добавка L-аргинина значительно улучшала эндотелиальную функцию сосудов. Для пациентов с гипертонической болезнью применение L-аргинина заметно снижало как систолическое, так и диастолическое артериальное давление. Эти данные были получены более чем у 600 000 участников, поэтому можно утверждать, что умеренные изменения в артериальном давлении являются клинически значимыми, поскольку снижение систолического артериального давления на 5 мм рт. ст. связано со снижением риска инсульта на 14% и на 9% — риска ишемической болезни сердца [5, 41].

Хорошо известно, что NO снижает окислительный стресс, и показано, что снижение уровня NO вместе с усилением окислительного стресса может провоцировать развитие гипертонической болезни, ассоциированной с ожирением [42]. Усиление специфического для эндотелия транспорта аргинина может предотвратить окислительный стресс в дополнение к увеличению биодоступности NO [28].

Хроническая активация ренин-ангиотензин-альдостероновой системы (РААС) является отличительной чертой гипертонии, связанной с ожирением [43]. В развитии гипертонии задействован как почечный, так и нейрогенный механизм [23]. В частности, усиленный симпатический отток, хроническая активация РААС, окислительный стресс и снижение доступности NO, особенно в почках, могут быть звеньями патогенеза гипертонической болезни, связанной с ожирением. Нарушение транспорта L-аргинина при ожирении может снизить биодоступность NO и тем самым усилить окислительный стресс и симпатический отток, вызвать активацию РААС и усилить следующие прогипертензивные эффекты симпатической нервной системы и РААС — порочный круг, ведущий к гипертонии.

При ожирении L-аргинин/NO могут смягчить эффекты РААС посредством 2 механизмов: во-первых, NO может снизить активацию РААС, и, во-вторых, NO может буферизовать индуцированную ангиотензином II периферическую вазоконстрикцию. Соответственно, стратегии лечения, которые увеличивают содержание L-аргинина и образование NO, вероятно, будут полезными при гипертонии, связанной с ожирением [28].

Все больше данных свидетельствуют, что прием аргинина эффективно уменьшает количество белой жировой ткани у крыс с ожирением и у пациентов с ожирением и СД2. Таким образом, аргинин можно использовать для профилактики и лечения ожирения и связанного с ним метаболического синдрома.

L-аргинин и диабетическая нейропатия. Диабетическая нейропатия (ДН) — характерное, распространенное, необратимое на поздних стадиях осложнение СД1 и СД2 [44]. ДН имеют 30% госпитализированных и 20% негоспитализированных лиц с диабетом. Она может проявляться даже у лиц с аномальной толерантностью к глюкозе, что является преддиабетическим состоянием [45]. ДН — самая распространенная форма нейропатии в развитых странах и основная причина нетравматических ампутаций [46].
В патогенезе ДН задействовано несколько сигнальных каскадов, в которых принимают участие циклооксигеназа-2 и оксид азота [46].

Патофизиология ДН включает: усиление окислительного стресса, который влечет за собой образование конечных продуктов гликирования (AGE), накопление полиолов, торможение эффектов NO и нарушение функции эндотелия, подавление активности Na+/K+-АТФазы и гомоцистеинемию. В гипергликемической среде не только быстрее разрушаются нервные клетки, но и нарушаются механизмы их восстановления. При экспериментальном диабете также отмечается пониженный уровень нейротропных агентов, включая нервный и инсулиноподобный факторы роста [45].

Сосудистые факторы также участвуют в патогенезе ДН. Нервное кровообращение уменьшается при экспериментальной диабетической нейропатии, и многочисленные исследования показывают, что это может быть обусловлено изменениями в метаболизме NO. Изучение нервного кровообращения и активности NOS в микрососудистой среде, «обслуживающей» периферические нервы у диабетических крыс, показало, что гипергликемия и N-нитро-L-аргинин, ингибитор NOS, провоцировали значительное ослабление нервного кровообращения по сравнению с контролем. L-аргинин снимал торможение NOS и восстанавливал приток крови к нервам [45].

Исследование на животных также выявило нарушения функционирования нейрональной синтазы оксида азота (nNOS) при экспериментальном диабете. Снижение экспрессии nNOS было связано с усилением невропатической боли. NO играет важную роль в контроле Na+/K+-АТФазной активности, снижение которой связано с патогенезом ДН. Показано, что в результате гипергликемии образуется избыток радикалов супероксида в эндотелии, что приводит к снижению стимуляции NO Na+/K+-АТФазной активности. Этот эффект тормозится L-аргинином [45].

Результаты исследований указывают на профилактический эффект L-аргинина, который наблюдался у диабетических крыс как на уровне поведения, так и на уровне гистологии. На молекулярном уровне аргинин подавлял спинномозговую миРНК-155 и ее мишень, расположенную ниже в регуляторной цепи — NO [46].
Показано, что L-аргинин предотвращает механическую гипералгезию, тактильную и термическую алодинию у крыс с индуцированным стрептозотоцином диабетом и нейропатией путем нормализации концентрации NO и повышения концентрации агматина в плазме крови. Пероральное введение L-аргинина также уменьшало полидипсию, полиурию, выделение азота с мочой и незначительно ограничивало гипоинсулинемию [44].

Таким образом, при СД прием аргинина может быть оригинальной терапевтической альтернативой без серьезных побочных эффектов для предотвращения возникновения нейропатической боли. Полученные данные подчеркивают терапевтические мишени и определяют профилактический подход к лечению ДН.

L-аргинин и старение. У пожилых людей периферическое сопротивление сосудов возрастает и артерии теряют способность к эффективной дилатации в связи с ЭД. Эта сосудистая сенесценция приводит к увеличению риска ССЗ в процессе старения [4]. В последнее время значительное внимание уделяется способности L-аргинина влиять на функцию эндотелия сосудов. С возрастом возникает распространенная дисфункция сосудов, которая проявляется в ослаблении дилятаторной способности периферических сосудов, обусловленном ЭД.

Эндотелий сосудов представляет собой одноклеточный слой, ответственный за многочисленные аутокринные, паракринные и эндокринные функции, включая регуляцию сосудистого тонуса, воспаление сосудов, клеточный рост, тромбоз и функции тромбоцитов. NO, мощный вазоактивный фактор, высвобождается эндотелиальными клетками в ответ на напряжение смещения, играет ключевую роль в поддержании сосудистой стенки в спокойном состоянии с помощью подавления воспаления, клеточной пролиферации и тромбоза [47, 48]. ЭД, связанная со старением, может быть результатом снижения как образования NO, так и его биодоступности. Утрата NO способствует переходу сосудистой стенки от спокойного состояния к активированному.

Экспрессия клетками сосудов хемокинов, цитокинов и молекул адгезии увеличивается, что приводит к вовлечению лейкоцитов, агрегации тромбоцитов и инициированию атеросклеротического процесса. ЭД развивается на ранних стадиях атерогенного процесса и является основным фактором развития любых морфологических атеросклеротических изменений [4, 47].

Напряжение смещения активирует eNOS с помощью фосфорилирования. NO диффундирует в клетки гладкой мускулатуры сосудов и вызывает релаксацию гладких мышц [8], что регулирует регионарное кровообращение. В процессе старения может снижаться доступность NO, ослабляться вазодилатация и меняться регионарная циркуляция и перфузия тканей [4]. Уменьшение количества аргинина может ограничивать скорость образования NO, а затем — и эндотелий-зависимую вазодилатацию. В настоящее время изучается возможность использования L-аргинина в качестве профилактического средства для защиты сосудистой сети от разрушительных последствий старения и болезней [4].

В отобранных популяциях пациентов пожилого и старческого возраста с ЭД и уменьшенными запасами L-аргинина показано, что добавление последнего в комплексную терапию может улучшать сосудистую функцию за счет увеличения содержания NO. L-аргинин может также восстановить функцию эндотелия с помощью дополнительных эффектов относительно системной гормональной модуляции (GH) и противовоспалительных/антиоксидантных изменений в эндотелиальных клетках [4].

Влияние аргинина на агрегацию тромбоцитов. Выявлено выраженное подавление агрегации тромбоцитов, индуцированной аденозин-5’-дифосфатом (ADP), коллагеном или тромбином, как после приема, так и после iv-введения L-аргинина кроликам. На кроликах с гиперхолестеринемией также показано, что длительное введение этой аминокислоты значительно подавляет индуцированную ADP-агрегацию тромбоцитов. Подобные данные были получены также в отношении крыс с алоксановым диабетом и свиней. Таким образом, результаты исследований на животных моделях четко показывают тормозящую роль L-аргинина относительно активности тромбоцитов [49, 50].

Клинические исследования также свидетельствуют о влиянии L-аргинина на агрегацию тромбоцитов. После введения L-аргинина в течение 7 дней для лечения периферических артериальных обструктивных заболеваний наблюдали подавление спонтанной, коллаген- и ADP-индуцированной агрегации тромбоцитов. Терапия этой аминокислотой снижала способность тромбоцитов к агрегации у пациентов с гиперхолестеринемией, СД2 и артериальной гипертензией. Отмечена нормализация коллаген-индуцированной агрегации у пациентов с повышенным уровнем холестерина после перорального введения L-аргинина. Его положительный эффект наблюдался также при острой коронарной недостаточности. Препарат улучшал эндотелиальную функцию и подавлял ADP-индуцированную агрегацию тромбоцитов [49].

Таким образом, полученные результаты показывают, что L-аргинин может модифицировать гемостаз путем подавления коагуляции и активации фибринолиза.

Другие эффекты L-аргинина. L-аргинин регулирует множественные метаболические пути, связанные с метаболизмом жирных кислот, глюкозы, аминокислот и белков с помощью передачи сигналов в клетках и контроля экспрессии генов. Кроме того, аргинин регулирует перекрестные взаимодействия между адипоцитами и мышцами и распределение энергии посредством секреции цитокинов и гормонов. Аргинин усиливает экспрессию и активность AMP-активированной протеинкиназы (AMPK), тем самым модулируя энергетический баланс и липидный обмен в сторону уменьшения количества триацилглицеридов [51].

В настоящее время аргинин признан физиологически важным питательным веществом для поддержания репродуктивной функции у мужчин и женщин [51].

L-аргинин также используется клетками иммунной системы и может помочь снизить уровень инфицирования, особенно в ситуациях, связанных с нарушением иммунной функции, таких как хирургическое вмешательство или серьезное заболевание [52].

Для хирургических или госпитализированных пациентов показано, что L-аргинин значительно (на 40%) уменьшает возможность заражения больничной инфекцией и возникновения инфекционных осложнений, включая пневмонию, абсцесс брюшной полости, септический шок, фасции и инфекции мочеполового тракта. Иммунные клетки используют L-аргинин для продуцирования NO (через иNOS) для усиления клеточной иммунной функции путем модуляции образования цитокинов, а также пролиферации и дифференцирования лимфоцитов. У пациентов, принимавших препараты аргинина, количество CD4+ Т-клеток значительно увеличивалось [5].

В последнее время большое внимание уделяется влиянию нарушений метаболизма L-аргинина на канцерогенез и иммунную систему. L-aргинин необходим для созревания дзета-рецептора Т-клеток (TCRζ), а его отсутствие лишает Т-клетки способности взаимодействовать с опухолевыми антигенами. В миелоидных клетках-супрессорах содержание L-аргинина истощается из-за высокого уровня экспрессии аргиназы, а их количество увеличивается в 4–10 раз в зависимости от типа рака. Показано, что L-аргинин необходим для выживания и прогрессии аргинин-ауксотрофных опухолей.

Однако прогрессия неауксотрофных по аргинину опухолей не зависит от экзогенного L-аргинина, поскольку эти опухоли имеют активность АСС1 и способны продуцировать L-аргинин из цитруллина. Клинические исследования подтвердили высокую эффективность терапии ауксотрофных по аргинину опухолей, основанной на элиминации L-аргинина. Добавление L-аргинина может улучшить результаты лечения пациентов с неауксотрофным по аргинину раком [53].

L-аргинин влияет на синтез белка и ускоряет заживление ран, усиливая синтез пролина, что важно для образования коллагена, а также синтез полиаминов, которые способствуют росту клеток, пролиферации и дифференцированию [54]. Как отмечалось, L-аргинин стимулирует секрецию нескольких анаболических гормонов, таких как инсулин, гормон роста и инсулиноподобный фактор роста [55].

Известно, что концентрация L-аргинина значительно снижается у женщин с гестационной гипертензией или преэклампсией [56]. Также у них значительно снижены уровни циркулирующего NO. Отмечено, что у беременных с преэклампсией увеличиваются уровни супероксида, который быстро реагирует с NO, что приводит к значительному сокращению пула NO в циркуляции и дальнейшему повышению артериального давления. Поэтому увеличение продуцирования NO с использованием L-аргинина может преодолеть окислительные эффекты супероксида и значительно снизить артериальное давление [5].

Выводы

Структура молекулы L-аргинина предусматривает его участие в большом количестве клеточных процессов. Он находится в активных участках многих белков. Его структура благоприятна для связывания фосфатного аниона и поэтому катализирует реакции фосфорилирования. Аргинин играет важную роль в поддержании заряда многих белков. Он способствует детоксикации аммиака, секреции гормонов и участвует в поддержании иммунной системы.

Преобразование аргинина в NO способствует лечению различных патологий, таких как сердечно-сосудистые заболевания, заболевания периферических сосудов, эректильная дисфункция, атеросклероз, стенокардия, мигрень, путем усиления вазодилатации. Аргинин ускоряет синтез белков, контролирует истощение тканей у людей с миопатией, а также стимулирует продуцирование спермы. L-аргинин может оказывать комплексное воздействие на тромбоциты, коагуляцию и фибринолитические системы [57, 58].

Поэтому следует учитывать терапевтический потенциал L-аргинина и продолжать изучение возможностей его использования в качестве перспективного профилактического средства относительно прогрессирования сосудистой дисфункции, связанной со старением, диабетом и сердечно-сосудистыми заболеваниями. Особое внимание следует уделить способности L-аргинина модулировать системное воспаление, что, в свою очередь, может оказать положительное влияние на эндотелиальную функцию сосудов.

Авторы:

Л.К. Соколова, В.М. Пушкарев, Н.Д. Тронько
ГУ «Институт эндокринологии и обмена веществ им. В.П. Комиссаренко НАМН Украины»