Нутриметаболомика - новый этап развития биохимии питания. Роль нутрипротеомных исследований

• Андрей Валериевич Васильев
• Наталья Эдуардовна Шаранова

Резюме

Питание является одним из решающих факторов, определяющих здоровье и долголетие человека. Согласно концепции сбалансированного питания, обеспечение нормальной жизнедеятельности возможно не только при условии снабжения организма адекватными количествами энергии, макро- и микронутриентов, но и при соблюдении достаточно сложных взаимоотношений между многочисленными незаменимыми факторами питания, причем каждому из них в обмене веществ принадлежит специфическая роль. Исследования современной биохимии основаны на использовании высокопроизводительных методов анализа, которые постепенно увеличивают объем биологической информации.

Ключевые слова:биохимия, питание, нутриметаболомика, нутрипротеомика

Современное учение о потребностях человека в пище получило выражение в постулированной 40 лет назад концепции сбалансированного питания, согласно которой для обеспечения нормальной жизнедеятельности необходимо не только снабжение организма адекватными количествами энергии и макронутриентов, но и соблюдение достаточно сложных взаимоотношений между многочисленными незаменимыми факторами питания, причем каждому из них в обмене веществ принадлежит специфическая роль. В свою очередь качественные и количественные характеристики формулы сбалансированного питания в большой степени зависят от метаболических особенностей каждого биологического вида, выработанных в процессе длительной эволюции, индивидуальных особенностей обменных процессов, определяемых функциональным состоянием "метаболического конвейера" и соответствием "ферментных констелляций" различных типов клеток и их субклеточных структур химическому составу пищи [8]. Нельзя не подчеркнуть, что выдающиеся успехи биохимии в области расшифровки путей метаболизма отдельных веществ в организме оказали решающее влияние на развитие науки о питании [21].

Концепция сбалансированного питания предопределяет необходимость глубокого понимания действия биологически активных веществ, а также доказательств их эффективности. Все принципиальные успехи современной биохимии в постгеномную эру базируются на общем фундаменте - высокопроизводительных методах анализа и, соответственно, на все возрастающем объеме биологической информации: будь то секвенирование и анализ генома (геномика), экспрессия генов (транскриптомика), характеристика белков (протеомика), клеточных метаболитов (метаболомика, флаксомика) и прочих направлениях исследований в данной области, в совокупности объединенных общим понятием "метаболомика" и называемых общепринято "Омиками". Основные задачи "Омик" в биохимии питания до сих пор еще только предстоит решать. В то же время некоторые дисциплины "Омик" могут быть использованы в контексте своего классического применения, другие требуют специфического подхода, ориентированного на проблемы питания. Структурнопластические и биологически активные компоненты пищи напрямую или косвенно могут вызывать генную экспрессию. Данное утверждение имеет принципиальное значения для вопросов биологической ценности пищевых продуктов [27, 28, 31], а обобщенные результаты исследований, характеризующие мультиметаболические изменения при воздействии нутриентов, определяют понятием "нутриметаболомика" (рис. 1) [1].

Несбалансированное потребление любого из 3 основных макронутриентов (белков, жиров, углеводов) способствует инициации, развитию, прогрессу и/или усугублению хронических заболеваний [20]. На клеточном уровне отдельные нутриенты могут непосредственно выступать как лиганды рецепторов фактора транскрипции [19], при обменных процессах в качестве межуточных метаболитов могут изменять концентрацию субстратов и промежуточных продуктов [21], оказывать воздействие на сигнальные пути [11]. В свою очередь метаболические превращения компонентов пищи и их метаболитов также служат контрольным механизмом генной экспрессии. В частности, уровень стероидных гормонов, в конечном счете образующихся из холестерина, регулируется каскадом ферментов в многошаговом пути биосинтеза стероидов. Следовательно, специфическая комбинация аллелей для данных ферментных этапов будет влиять на концентрацию лигандов [23]. В попытках исследовать потребление белка и его последствия для организма на молекулярном уровне используется отдельное направление нутриметаболомики - нутриметабономика - как инструмент для оценки эффективности и безопасности потребления аминокислот [25]. Метабономика - новая технология количественного измерения динамического мультипараметрического метаболического ответа живых систем при патофизиологических или генетических изменениях [24].

Изучение in vivo динамического равновесия профиля метаболитов, зависимого от времени, уже сегодня приносит полезную диагностическую информацию. Токсические эффекты, генетические и соматические заболевания могут проявляться нарушением синтеза некоторых белков. Однако в конечном счете происходит изменение управления биохимическими процессами, что отражается на соотношении концентраций многих эндогенных веществ в различных биологических жидкостях [29]. Нарушение динамического равновесия в биологических жидкостях организма, вызванное заболеванием или интоксикацией, изменяет их качественный и/или количественный состав. Для установления факта происходящих изменений необходимо одновременно определить множество метаболитов в широком диапазоне концентраций в плазме крови, моче или желчи. При этом используют образцы как послетиповой пробоподготовки, так и без предварительного выделения.

Биологической целью формирования протеома при воздействии различных нутриентов является организация системы специфических изменений в ответ на специфическое действие пищи. Протеом является биохимически логичным аналогом генома - это совокупность белков, экспрессируемых с мРНК, что заключает понятие транскриптома.

В то время как ДНК каждой клетки организма остается постоянной, протеом может значительно различаться в зависимости от типа клеток.

Фактически по своему характеру протеом одновременно является как динамическим, так и позиционным понятием [14]. "Разочарование" от расшифровки только 25 000-30 000 генов (вместо предсказываемых 80 000-100 000) в полной мере компенсировано избытком белков, являющихся результатом мРНК сплайс-вариантов, белковых превращений и посттрансляционных модификаций. В химии белков до сих пор не существует метода, эквивалентного ПЦР, и поэтому до сих пор актуальны трудоемкие методы 2D-электрофореза, последующего гидролиза белков из геля и массспектрометрии как для идентификации белка, так и для характеристики возможных посттрансляционных модификаций [2].

Протеомное картирование биологических жидкостей или органа-мишени (мозг, сердце, почки, печень и т.д.) - весьма сложный процесс, и хотя используемый для этого метод 2D-электрофореза позволяет воспроизводимо выявить порядка 2000 белковых пятен, это количество составляет менее 5% предполагаемого протеома [16]. Некоторые гипотезы о специфическом действии биологически активных веществ пищи на начальном этапе могут развиваться на основании функций белков с высокой степенью экспрессии (очевидно, что такие белки легко детектируются), но многие значительные протеомные изменения в организме остаются просто незаметными при попытке исследовать весь протеом.

Анализ протеома плазмы крови позволяет выявлять белковые биомаркеры, практическая значимость которых определяется перспективой их использования в сфере молекулярной диагностики и мониторинга эффективности лечения широкого спектра заболеваний. Основной сложностью работы с плазмой крови является очень широкий диапазон концентраций содержащихся в ней белков. На альбумин и иммуноглобулины приходится более 90% общего содержания белка в плазме [9].

Присутствующие в столь высокой концентрации мажорные (преобладающие) белки в результате мешают детектировать менее представленные, однако более диагностически значимые белки при персонализированной оценке пищевого статуса здорового и больного человека. Для преодоления этой трудности разработано множество методов очистки сыворотки от мажорных белков [17].

Белковые гидролизаты и пептиды, получаемые с пищей, представляют особый интерес как потенциальные компоненты для формирования функциональных пищевых продуктов. В начале 1980-х гг. стало понятно, что роль пептидов в биологии сильно недооценена - их функции много шире, чем всем известных нейрогормонов. Прежде всего обнаружилось, что пептидов в цитоплазме, межклеточной жидкости и тканевых экстрактах гораздо больше, чем считалось до того - как по массе, так и по числу разновидностей. Более того, состав пептидного пула в разных тканях и органах существенно отличается, и эти отличия сохраняются у разных особей.

В результате многолетних исследований сформировалось частное направление протеомики - пептидомика [22].

Пептидомика в ее современном виде, являясь частью протеомики, имеет аналогичную или идентичную методическую базу, ее можно рассматривать как раздел протеомики, анализирующий белки малой массы (<10 кДа), а также весь набор продуктов их протеолитической деградации in vivo и in vitro [12]. Как и белки, пептиды часто имеют достаточно специфические функции, являясь гормонами, нейромедиаторами, цитокинами или факторами роста. Некоторые пептиды, будучи продуктами ферментативной деградации белков в организме, часто служат индикаторами нормальных или патологических процессов, что может быть использовано при выявлении новых маркеров ранних стадий заболеваний или медиаторов патологического процесса. В каком-то смысле цель современных технологий пептидомики и протеомики заключается в поиске отдельных индикаторных пептидов и белков и их идентификации, а также создании алгоритмов для выявления и последующего использования эффективных комбинаций различных маркеров белково-пептидной природы равно как для диагностики, так и для оценки влияния на организм человека отдельных и прежде всего биологически активных компонентов пищи.

В последнем случае в целях детализации понятий используют определения "нутрипротеомика" и "нутрипептидомика" [13, 15]. Роль пептидомики заключается в изучении состава и функции белковых пулов, существующих в разных тканях и органах, а также в объяснении особенностей механизмов их синтеза, деградации и скорости обновления. К настоящему моменту экспериментальная пептидомика позволила сформулировать 3 основные закономерности, описывающие поведение совокупности формирующих глобальную систему биорегуляции и гомеостаза "теневых пептидов" в живых организмах. Прежде всего биологические ткани, жидкости и органы содержат большое число пептидов, образующих пептидные пулы, и роль их далеко не балластная. Эти пулы образуются как из специализированных белковпредшественников, так и из белков с иными, собственными функциями (ферментов, структурных и транспортных белков и др.). Во-вторых, состав пептидных пулов устойчиво воспроизводится при нормальных условиях и не обнаруживает индивидуальных отличий. Это значит, что у разных особей пептидомы мозга, сердца, легких, селезенки и других органов будут примерно совпадать, но между собой эти пулы будут достоверно различаться.

У разных видов (по крайней мере среди млекопитающих) состав аналогичных пулов также весьма схож. И наконец, в-третьих, при развитии патологических процессов, а также в результате стрессов или применения фармакологических препаратов состав пептидных пулов меняется, иногда довольно существенно, что может использоваться для диагностики различных патологических состояний [18]. Точный состав пептидных пулов определить сложно, прежде всего потому, что число участников существенным образом будет зависеть от концентрации, которую можно считать значимой. При работе на уровне единиц и десятых долей наномоля это несколько сотен пептидов, однако при увеличении чувствительности методов до пикомолей это число возрастает до десятков тысяч. Каждая ткань и каждый орган обладают специфическим набором белков, совокупное действие которых обусловливает функционирование этого органа и, следовательно, организма в целом. Компоненты белкового пула постоянно синтезируются клетками, выполняют свои функции и затем элиминируются набором протеолитических ферментов. С этого момента на сцену выходят объекты пептидомики. Результаты проведенных исследований позволяют утверждать, что внутриклеточная деградация белка не является хаотическим набором протеолитических процессов, преследующих цель только максимально быстрой утилизации белковых молекул в виде аминокислот, как это молчаливо принималось ранее, а представляет весьма сложную, но тем не менее упорядоченную систему взаимодействия расщепляемых белков-субстратов и специфического для каждой ткани набора протеолитических ферментов.

Итогом этого взаимодействия является образование большой, но ограниченной по количеству компонентов группы веществ пептидной природы. Эта группа, которую можно назвать пептидным фоном или тканеспецифическим пептидным пулом, специфична для каждого органа как по компонентному составу, так и по уровню содержания отдельных пептидов [5].

Компоненты тканеспецифичных пептидных пулов биологически активны. Реализация активности связана со способностью рассматриваемой группы пептидов взаимодействовать с широким кругом рецепторных молекул как снаружи, так и внутри клеток. Доказана способность некоторых веществ конкурировать с классическими регуляторными пептидами за места рецепторного связывания на мембранах клеток. Такое однонаправленное действие классических регуляторных пептидов и эндогенных фрагментов протеолиза функциональных белков может и должно приводить к модуляции гормональных сигналов организма при изменении общего уровня локальной, т.е. тканеспецифической, эндогенной протеолитической активности. Поэтому при воздействии на одинаковые рецепторы высокий уровень содержания протеолитических фрагментов в значительной степени компенсирует сравнительно невысокие параметры лиганд-рецепторного взаимодействия, а в случае наличия внутриклеточной мишени способствует проникновению пептидов внутрь клеток [26, 30].

Известно, что интенсивность протеолитических процессов в ткани, приводящих к формированию тканеспецифичного пептидного пула, зависит от такого сравнительно устойчивого параметра, как общее состояние метаболизма. Можно предположить, что тканеспецифичный пептидный пул регулирует долговременные процессы, т.е. отвечает прежде всего за поддержание гомеостатического равновесия. Гомеостаз ткани предусматривает контроль дифференцировки, пролиферации, элиминирования и предупреждения трансформации составляющих ее клеток [5].

В настоящее время установлена роль эндогенных пептидов в формировании компенсаторноприспособительных реакций организма в ответ на стресс и нарушение гомеостаза. Система пептидов рассматривается в качестве универсальной при нейроиммуноэндокринных взаимодействиях [7].

Нарушение пептидной регуляции и, следовательно, переноса информационных молекул между клетками неизбежно ведет к развитию патологии, сопровождающейся снижением устойчивости организма к дестабилизирующим факторам внешней и внутренней среды. Система биорегуляции организма действует посредством клеточных медиаторов, представляющих олигопептиды, функцией которых является селективная передача информации при взаимодействии клеток иммунной, нервной и других систем, и образующихся в реакциях ограниченного протеолиза из белков предшественников (цитокинов, ростовых и тимусных факторов, иммуноглобулинов и др.) в непосредственной близости от соответствующих рецептивных систем.

Общий принцип организации белковой молекулы заключается в том, что структуры высшего порядка определяются непосредственно структурой низшего порядка. Это определяет и формирует специфичность первичной аминокислотной последовательности, необходимой для образования белка. Таким образом, для воздействия на физиологические процессы необязательно наличие целой молекулы. Более того, в некоторых случаях формирование фрагментов, состоящих всего из 3-4 аминокислотных остатков, эффективнее, чем нативных соединений белковой структуры. Иными словами, регуляция и координирование функций организма могут осуществляться за счет процессинга полипептидов, при котором от достаточно длинных цепочек в зависимости от потребностей организма отщепляются фрагменты, обладающие той или иной степенью активности, специфичности и направленности воздействия на определенные физиологические системы. Процессинговая регуляция характеризуется значительно большей гибкостью и позволяет в короткие сроки путем активации соответствующих пептидаз образовывать в нужном месте требуемые регуляторы из уже готового предшественника [3]. Предполагают, что на уровне олигопептидов существует единая система регуляции как эмбрионального, ростового, регенерационного типов, так и функционирования сформированного организма [4].

Кроме того, пептиды проявляют свою активность путем хелатирования прооксидантных переходных металлов (Fe²⁺ , Cu²⁺ ), восстановления иона железа, ингибируя окисление биологических макромолекул (ненасыщенные жирные кислоты), и путем клеточного регулирования генной экспрессии антиоксидантных белков (гемоксигеназа-1, ферритин) [10]. Оценка антиоксидантной активности свободных аминокислот позволила выявить ряд аминокислот, определяющих антиоксидантную активность природных пептидов. Этот ряд включает такие аминокислоты, как Trp, Tyr, Met, Cys, His, Phe и Pro. И хотя некоторые исследования относят антиоксидантные свойства ряда пептидов пищевых продуктов к данным аминокислотам, до сих пор химическая природа и механизм действия детально не изучены. В большинстве случаев пептиды проявляют большую антиоксидантную активность, чем составляющие их аминокислоты, возможно вследствие повышенной доступности функциональной R-группы, однако ряд исследований показал, что некоторые аминокислоты все же более активны, чем пептиды [6].

На данном этапе развития биохимии работу живого организма можно представить как многомерную систему взаимодействия "Омик" (рис. 2).

При этом функциональное состояние такой системы напрямую зависит от внешних факторов, причем главную роль играет питание. Развитие протеомных и метаболомных методов исследования открыло новые возможности для изучения последовательных механизмов действия пластических, энергетических компонентов пищи и исключительно обширного перечня входящих в ее состав микронутриентов. Это дало толчок к формированию новых соответствующих научных направлений в области биохимии питания:

Литература

1. Васильев A.B., Хрущева Ю.В. // Вестн. С.-Петерб. гос. акад. им. И.И. Мечникова. - 2007. - № 2. - С. 5-12.

2. Говорун В.М., Иванов В.Т. // Биоорг. химия. - 2011. - Т. 37, № 2. - С. 199-215.

3. Ерошенко Т.М., Титов С.А., Лукьянова Л.Л. Каскадные эффекты регуляторных пептидов. - М.: Физиология человека и животных ВИНИТИ, 1991. - 204 с.

4. Замятнин А.А. // Физиол. журн. - 1992. - Т. 78, № 9. - С. 39-45.

5. Карелин А.А., Иванов В.Т. // Вестн. РАН. - 2005. - Т. 75, № 2. - С. 139-156.

6. Козина Л.С., Стволинский С.Л.,. Федорова Т.Н. и др. // Вопр. биол. мед. и фармацевт. химии. - 2008. - № 6. - С. 31-36.

7. Корневая Е.А. Иммунофизиология. - СПб.: Наука, 1993. - 684 с.

8. Покровский А.А. Роль биохимии в развитии науки о питании. - М.: Наука, 1974. - 128 с.

9. Anderson N.L., Anderson N.G. // Mol. Cell. Proteom. - 2002. - Vol. 1, N 11. - Р. 845-867.

10. Borch-Iohnsen B., Hagve T.A., Hauge A. et al. // Tid. Laeg. - 2009. - Vol. 129, N 9. - P. 858-862.

11. Clarke S.D., Thuillier P., Baillie R.A. et al. // Am. J. Clin. Nutr. - 1999. - Vol. 70, N 4. - P. 566-571.

12. Deutsch E.W., Lam H., Aebersold R. // EMBO Rep. - 2008. - Vol. 9. - P. 429-434.

13. Ferguson L.R. // Mol. Diagn. Ther. - 2006. - Vol. 10. - Р. 101-108.

14. Frenkel-Morgenstern M., Cohen A.A., Geva-Zatorsky N. et al. // Nucleic Acids Res. - 2010. - Vol. 38. - P. 508-512.

15. Go V., Nguyen С., Harris D., Lee W. // J. Nutr. - 2005. - Vol. 135. - Р. 3016S-3020S.

16. Gygi S.P., Corthals G.L., Zhang Y. // P.N.A.S. USA. - 2000. - Vol. 97, N 17. - Р. 9390-9395.

17. Huang L., Harvie G., Feitelson J.S. et al. // Proteomics. - 2005. - Vol. 5, N 13. - P. 3314-3328.

18. Ivanov V.T., Yatskin O.N. // Expert. Rev. Proteomics. - 2005. - Vol. 2, N 4. - Р. 463-473.

19. Jacobs M.N., Lewis D.F. // Proc. Nutr. Soc. - 2002. - Vol. 61, N 1. - P. 105-122.

20. Kaput J. // Nutrition. - 2004. - Vol. 20, N 1. - P. 26-31.

21. Kaput J., Rodriguez R.L. // Physiol. Genomics. - 2004. - Vol. 16, N 2. - P. 166-177.

22. Karelin A.A., Blishchenko E., Ivanov V.T. // FEBS Lett. - 1998. - Vol. 428. - P. 7-12.

23. Lodge J.K. // Proc. Nutr. Soc. - 2010. - Vol. 69, N 1. - P. 95-102.

24. Mitchell S., Holmes E., Carmichael P. // Biologist. - 2002. - Vol. 49, N 5. - Р. 217-221.

25. Noguchi Y., Sakai R., Kimura T. // J. Nutr. - 2003. - Vol. 133, N 6. - P. 2097S-2100S.

26. Nyberg F., Sanderson K., Glаmsta E.L. // Biopolymers. - 1997. - Vol. 43, N 2. - Р. 147-156.

27. Ommen B., Stierum R. // Curr. Opin. Biotechnol. - 2002. - Vol. 13, N 5. - P. 517-521.

28. Penn L., Boeing H., Boushey C. J. et al. // Genes Nutr. - 2010. - Vol. 5. - P. 205-213.

29. Waterman D.S., Bonner F.W., Lindon J.C. // Bioanalysis. - 2009. - Vol. 1, N 9. - Р. 1559-1578.

30. Zhao Q., Garreau I., Sannier F. // Biopolymers. - 1997. - Vol. 43, N 2. - Р. 75-98.

Материалы данного сайта распространяются на условиях лицензии Creative Commons Attribution 4.0 International License («Атрибуция - Всемирная»)