Метаболомный компендиум по магния оротату

Компендиум (от лат. compendium) – сжатое изложение понятий, теорий и методик определенной области науки. Компендиум позволяет формировать целостное, но неупрощенное понимание рассматриваемой проблемы. Например, упрощенное понимание фармакологического действия магниевых препаратов порождает стереотипное отношение к ним: магний – вспомогательный препарат, магний снимает судороги, магний бесполезен. В то же время при электролитном дисбалансе, когда не нормализованы в первую очередь уровни магния, калия, кальция в крови, применение даже самых современных лекарственных средств может быть либо малоэффективным, либо совсем не­эффективным. Деформированный минеральный обмен не только играет существенную роль в патогенезе заболеваний, но и изменяет фармакокинетический и фармакодинамический ответ на воздействие лекарственных средств [1].

В современной биомедицине целостное понимание механизмов действия любого фармакологического препарата основано на его влиянии на метаболом организма [2]. Под метаболомом понимают совокупность всех низкомолекулярных веществ (молекулярная масса менее 1000 дальтон) и ионов (Mg 2+ , Ca 2+ , K + , Zn 2+ и др.), обнаруженных в клетках и тканях макроорганизма [3]. Именно анализ действия препарата в контексте метаболома человека позволяет сформировать объективное понимание как терапевтических, так и побочных эффектов.

Недостаточность магния – патологическое состояние метаболома человека, ассоциированное с достоверным повышением риска ряда хронических патологий [4]. Чтобы компенсировать дефицит магния, следует использовать препараты на основе органических солей магния, которые по сравнению с неорганическими солями характеризуются более высокой биоусвояемостью [1].

Высокой биоусвояемостью обладают препараты на основе солей магния с органическими кислотами, в которых анион кислоты служит переносчиком магния внутрь клеток. Вместе с тем анион-переносчик характеризуется самостоятельными целевыми эффектами, направленными на поддержание систем организма. Таким анионом является оротат-анион (анион оротовой кислоты) с уникальным фармакологическим действием.

Оротовая кислота, или витамин В13, – предшественник в биосинтезе пиримидиновых оснований, стимулирующий рост животных, растений и микроорганизмов.

Соли оротовой кислоты повышают биодоступность ионов различных металлов, содержащихся в минеральных пищевых добавках и препаратах на основе минералов. Оротовая кислота содержится в молоке (коровьем, козьем), молочных продуктах, а также в моркови и свекле [5, 6]. В коровьем молоке ее уровень достигает в среднем 80 мкг/мл [7], в сухой молочной сыворотке – от 64 до 146 мг на 100 г [8]. Что касается других продуктов, содержание в них оротовой кислоты не изучено.

Потребность взрослого человека в оротовой кислоте около 500–1500 мг/сут. У кормящих матерей этот показатель достигает 3000 мг/сут, у интенсивно тренирующихся спортсменов – 3000–5000 мг/сут.

Оротовая кислота представляет собой гетероциклическое соединение – 2,6-диоксипиримидин-4-карбоновая кислота (рис. 1), синтезируется во всех клетках организма и является промежуточным продуктом синтеза пиримидиновых нуклеотидов (оротидинфосфата, уридинтрифосфата, цитидинтрифосфата) [9]. Ферменты биотрансформаций оротата обнаружены во всех известных тканях.

Важный момент: оротовая кислота и ее производные являются нутриентами для микробиоты [10]. Например, геномы молочнокислых бактерий Lactobacillus содержат гены, кодирующие специальные белки для транспорта и биотрансформаций оротовой кислоты [11].

Оротовая кислота участвует во многих основных метаболических процессах, в частности:

поддержании резервов аденозинтрифосфата (АТФ);

создании резервов карнозина в скелетных мышцах и миокарде;

росте и развитии клеток и тканей, например мышечной (за счет синтеза РНК);

активации сократительных воз­можностей мышечных тканей [12].

Эти и другие биохимические аспекты действия оротовой кислоты и оротат-аниона в составе магния оротата обусловливают эффекты оротовой кислоты и ее магниевой соли.

Оротовая кислота оказывает стимулирующее действие на белковый обмен, благотворно влияет на функциональное состояние печени, способствует снижению уровня холестерина в крови, улучшает сократительную способность миокарда [5, 6, 12].

Следует отметить, что к настоящему моменту выполнено свыше 6500 биомедицинских исследований оротовой кислоты и оротат-аниона. Каждый год публикуется от 120 до 150 работ по результатам проведенных исследований. Казалось бы, свойства оротовой кислоты, в частности биохимические и физиологические, хорошо известны. Тем не менее точные молекулярные механизмы кардиопротективных эффектов оротат-аниона остаются не до конца изученными.

Рассмотрим данные систематического анализа имеющихся биохимических, экпериментальных и клинических результатов исследований оротовой кислоты и магния оротата, свидетельствующие об их противовоспалительных, нейро- и кардиопротективных свойствах.

Экспериментальные и клинические исследования оротат-аниона и оротовой кислоты

Оротовая (от греч. oros – молочная сыворотка) кислота была впервые выделена в 1905 г. из сыворотки коровьего молока [13]. К 1930-м гг. была описана структура оротовой кислоты как 4-урацил-карбоновой кислоты, производного урацила [14].

В 1947–48 гг. H.K. Mitchell и соавт. установили, что оротовая кислота является промежуточным продуктом биосинтеза пиримидиновых нуклеотидов и компонентом всех живых клеток [15].

В 1948 г. был открыт фактор роста крыс и цыплят, названный витамином B13. Животные, находившиеся на диете с дефицитом данного фактора, производили неполноценное потомство, плохо росли, характеризовались высокой смертностью в период лактации [16].

В 1953 г. L. Manna и S.M. Hauge доказали, что витамин B13 и оротовая кислота – идентичные вещества [17]. Оротовая кислота вызывает заметное ускорение роста молодых крыс, ее длительный прием повышает плодовитость животных [18].

Впоследствии были установлены и другие эффекты оротовой кислоты. Речь идет о гепатопротективном свойстве [19] и замедлении развития экспериментального цирроза печени [20]. Оротовую кислоту и ее магниевую соль можно использовать в качестве действенного защитного вещества против ионизирующей радиации [21]. Заметим, что достаточная обеспеченность магнием также защищает от радиации и интоксикации свинцом [22].

Результаты более поздних метаболомных исследований показали, что воздействие оротовой кислоты приводит к пертурбациям различных метаболических путей – метаболизма жирных кислот, триглицеридов, фосфолипидов, бета-окисления, синтеза нуклеотидов и метаболизма углеводов [23]. Оротовая кислота повышает уровень диацилглицеридов и снижает активность супероксиддисмутазы в печени крыс [24] за счет увеличения активности фосфатидат-фосфогидролазы [25]. В то же время пероральный прием оротовой кислоты тормозит секрецию печенью липопротеинов низкой и очень низкой плотности, что способствует снижению уровня триглицеридов в крови [26, 27].

Измерение уровня оротовой кислоты в моче является ценным лабораторным тестом для изучения нарушений обмена веществ, связанных с биосинтезом аргинина – аминокислоты, имеющей особое значение для функционирования миокарда. Аргинин метаболизируется в оксид азота (II) – важнейший вазодилататор и фактор ангиогенеза.

В настоящее время в клинической практике оптимальным препаратом для восполнения дефицита магния признан Магнерот (магния оротат). Препарат оротовой кислоты используется как в свободном виде, так и в виде солей (магния или калия). Пероральный прием оротовой кислоты обычно рекомендуется после хирургических операций на сердце (три недели – два месяца). Оротовая кислота может использоваться при вскармливании недоношенных детей [28], заболеваниях печени и клиническом постгепатитном синдроме [29], мегалобластических анемиях [12], остром и хроническом гепатите, циррозе печени [30].

Биологические эффекты оротовой кислоты

В организме человека оротовая кислота синтезируется в печени из аспартата и карбамоилфосфата. Метаболические эффекты оротата ограничены синтезом пиримидинов, точнее уридинмонофосфата (УМФ). Синтез УМФ осуществляется посредством трех ферментов, каждый из которых катализирует несколько последовательных реакций (рис. 2). Этими ферментами являются CAD (карбамоилфосфат синтаза 2 – аспартат карбамоилтрансфераза – дигидрооротаза), DHODH (дигидрооротат дегидрогеназа) и UMPS (уридинмонофосфат синтаза). Предполагается, что все три фермента – CAD, DHOHD и UMPS ассоциированы друг с другом на внешней стороне митохондриальной мембраны, что обеспечивает эффективную передачу субстратов/продуктов от фермента к ферменту [23].

Увеличение концентрации оротата через сдвиг равновесия реакций, катализируемых ферментом УМФ-синтазой, приводит к увеличению концентраций УМФ. В отличие от оротата УМФ вовлечен в гораздо большее число биохимических взаимодействий с клетками, и для рассмотрения метаболических эффектов УМФ необходимо воспользоваться метаболическим контекстом (рис. 3). Метаболический контекст определенного метаболита предусматривает специфическое описание биохимических процессов, в которые этот метаболит вовлечен.

Анализ метаболического контекста УМФ показывает, что активность уридин-цитидин киназ (UCK1, UCK2), цитидилат киназы (CMPK1), U-C киназы-1-подобного белка (UCKL1) и UMPS увеличивает концентрацию УМФ и двух других производных фосфатов (уридиндифосфат (УДФ), уридинтрифосфат (УTФ)). В то же время активность CTP-синтаз (CTPS, CTPS2), дигидропиримидин дегидрогеназы (DPYD) и уридин фосфорилаз (UPP1, UPP2) уменьшает концентрацию УМФ, УДФ и УTФ. Поскольку скорости образования УМФ из оротат-аниона и уридина сравнимы, повышение концентрации оротата за счет приема солей оротовой кислоты значительно влияет на увеличение концентраций УМФ, УДФ и УTФ. Вероятно, эти три уридинфосфата и являются сигнальными молекулами, опосредующими положительное воздействие оротата на сердечно-сосудистую систему.

Результаты экспериментальных исследований на животных подтверждают, что пероральный прием оротовой кислоты увеличивает концентрацию уридинфосфатов плазмы и приводит к уменьшению глобальной ишемии при инфаркте миокарда [31]. УМФ, равно как УДФ и УТФ, обладает значительным кардиопротективным воздействием, особенно в острый период инфаркта [32, 33]. Действие УTФ характеризуется уменьшением перегрузки кальцием митохондрий кардиомиоцитов [34], а также вазодилатационным и легким седативным эффектом [35].

Физиологическое действие уридинфосфатов осуществляется через пуринергические рецепторы – G-белок-зависимые рецепторы, вовлеченные в вазореактивные реакции, апоптоз и секрецию цитокинов. Подобно адренергическим и аденозин-рецепторам пуринергические рецепторы активируют G-белки, а через них аденилатциклазу для внутриклеточной передачи сигнала в кардио­миоцитах (рис. 4).

Существует четыре класса этих рецепторов. Например, класс P2Y содержит 12 пуринергических рецепторов. Обратите внимание: именно рецепторы класса P2Y связывают УДФ и УTФ [36].

Из 12 пуринергических рецепторов класса P2Y особый интерес представляют рецепторы P2RY2, P2RY4, P2RY6 и P2RY14. Эти четыре рецептора действуют через один и тот же G-белок Gq/11. Кардиопротективные эффекты УТФ соответствуют вовлечению именно рецепторов P2Y [37]. P2Y6-рецепторы воздействуют на внутриклеточные пути, предотвращая апоптоз, вызванный фактором некроза опухоли альфа [38] и осуществляя вазодилатационный эффект УТФ [39]. Таким образом, оротат-анион, трансформируясь в УМФ, может осуществлять и кардиопротекцию, и дилатацию коронарных сосудов за счет активации пуринергических рецепторов P2Y6.

Молекулярные механизмы кардиопротективного воздействия магния в составе магния оротата

Обеспеченность организма магнием принципиально важна для здоровья. Ионы магния жизненно необходимы для функционирования нервной, сердечно-сосудистой, мочевыделительной и других систем организма. Магний обладает значительным собственным кардиопротективным эффектом [40], а также усиливает протективный эффект нуклеозидов, в частности аденозина [41]. Применение магния на моделях инфаркта у экспериментальных животных позволяет уменьшить размер инфаркта и увеличить выживаемость клеток в ишемической области [42]. Кардиопротективный эффект обусловлен снижением уровня кальция в области инфаркта [43], ингибированием роста уровня P-селектина [44], а также уменьшением вазоконстрикции и улучшением коронарного кровотока [45]. Кроме того, магний необходим для нормального энергетического метаболизма, внутриклеточной передачи сигнала и поддержания структуры соединительной ткани. Дефицит магния отрицательно сказывается на всех этих процессах.

Взаимодействие магния и АТФ играет важную роль в энергетическом метаболизме. В дополнение к взаимодействию магния и АТФ Mg-зависимые белки участвуют в синтезе важных коферментов, метаболизме углеводов (в гликолизе). В митохондриях Mg-зависимые белки участвуют в метаболизме пирувата и жирных кислот [46]. В частности, гликолитические ферменты енолаза (ENO1, ENO2), фосфоглюкомутаза (PGM1, PGM2, PGM3) и 6-фосфофруктокиназа (PFKP) требуют магний в качестве кофактора (рис. 5). Помимо известных функций в заключительном этапе гликолиза енолаза участвует в ряде других процессов – контроле роста клеток, гипоксии и аллергическом иммунном ответе. Фосфоглюкомутаза-1 является биосинтетическим белком, который участвует как в гликолизе, так и в глюконеогенезе. Фосфофруктокиназа конвертирует D-фруктозу-6-фосфат в 1,6-фруктозу-дифосфат и имеет значение для гликолитической деградации углеводов.

Вазоконстрикция/вазодилатация осуществляется посредством воздействия нейротрансмиттеров на рецепторы мышечных клеток, передачи сигнала внутри клеток и изменения мембранного потенциала с помощью ионных каналов. Ряд Mg-зависимых плацентарных белков участвует в этих процессах. Катехол-О-метилтрансфераза (КOMT) (рис. 6) инактивирует катехоламины. Дефицит магния приводит к уменьшению активности КOMT и, следовательно, к повышенной констрикции гладкой мускулатуры сосудов, даже при низких уровнях стресса.

Внутриклеточный сигнал от рецепторов катехоламинов, а также от пуринергических рецепторов, активируемых УДФ и УТФ, передается внутрь клетки через вторичную сигнальную молекулу – циклический аденозин 3', 5'-монофосфат (цАМФ). Амплитуда сигнала ограничена активностью Mg-зависимых аденилатциклаз (ADCY1, ADCY2 и т.д., около 10 генов). Недостаточная активность аденилатциклаз (рис. 7), вызванная внутриклеточным дефицитом магния, приводит к замедлению передачи сигнала, а значит, к снижению чувствительности клеток к внешним стимулам (в частности, к эффектам уридинфосфатов, связанных с пуринергическими рецепторами).

Соединительная ткань скрепляет различные компоненты плаценты и формирует основу хориона. Как уже отмечалось, магний влияет на структуру соединительной ткани [47]. В целом в Mg-зависимое регулирование состояния соединительной ткани вовлечены по меньшей мере 20 белков. Возможные механизмы влияния дефицита магния на синтез и деградацию соединительной ткани включают активацию матричных металлопротеиназ, лизилоксидазы, глутаминазы, замедление синтеза коллагена, эластина и гиалоуронана. При дефиците магния белковый синтез соединительной ткани замедляется, активность матричных металлопротеиназ увеличивается и внеклеточная матрица прогрессивно деградирует, поскольку структурная поддержка ткани (коллагеновые волокна) разрушается быстрее, чем синтезируется.

Приведенный выше анализ биохимии и системной биологии оротата позволяет сформулировать обобщенную модель его физиологического воздействия на молекулярном уровне (рис. 8). Ионы магния и оротата оказывают терапевтическое воздействие через различные молекулярные механизмы. Магний также воздействует на синтез УМФ и внутриклеточную передачу сигнала от пуринергических рецепторов. Вазодилатация тоже влияет на выживаемость клеток при ишемии, поскольку увеличение размера люмена улучшает кровообращение и способствует более интенсивному обмену веществ в области инфаркта.

Результаты экспериментов на кроликах показывают, что оротовая кислота и магния оротат способствуют улучшению липидного профиля (соотношение LDL/HDL) плазмы крови [48]. Накопление липидов в печени, вероятно, обусловлено повышением экспрессии арилацетамид-деацетилазы [49] и фосфатидат-фосфогидролазы, в то время как вызванное оротовой кислотой снижение в сыворотке крови липидов скорее всего результат повышения уровня и активности фосфолипазы C [50]. Степень влияния оротовой кислоты на липиды печени зависит от вида пищевого белка: более высокое возрастание уровня липидов наблюдалось при использовании диет, обогащенных казеином [51].

Показано положительное влияние магния оротата на выживание пациентов, перенесших инфаркт миокарда. В исследовании 79 больных с тяжелой сердечной недостаточностью прошли одногодичный курс лечения с использованием магния оротата. Согласно полученным данным, выживание составило 76% по сравнению с 52% в группе плацебо [52]. Использование магния оротата увеличивает переносимость физических нагрузок у пациентов с ишемической болезнью сердца (ИБС) [53]. На фоне применения магния оротата у пожилых пациентов с ИБС улучшаются параметры качества жизни и наблюдаются позитивные изменения психоэмоционального статуса [54]. Позитивное влияние оротата магния в этих случаях может быть связано как с увеличением вазодилатации и энергетического метаболизма кардиомио­цитов, так и с положительным воздействием на структуру соединительной ткани миокарда, что наглядно показывает успешная терапия препаратом Магнерот пролапса митрального клапана (ПМК) [55–57].

В метаанализ исследований применения магния оротата в кардиологии вошли данные 19 рандомизированных исследований, суммарно включавших 603 пациента из группы «случай» (прием Магнерота) и 587 из группы «контроль» (плацебо) [58]. Установлены достоверные ассоциации между приемом препарата и снижением:

гипомагниемии (относительный риск (ОР) 0,06; 95%-ный доверительный интервал (ДИ) 0,04–0,09; p = 2,5 × 10 -46 );

непереносимости физической нагрузки (ОР 0,41; 95% ДИ 0,27–0,62; p = 0,0004);

синдрома вегетативной дистонии (ОР 0,08; 95% ДИ 0,04–0,14; p = 2,4 × 10 -21 );