Шлях біосинтезу серотоніну в головному мозку щурів за умов експериментального ожиріння, викликаного довготривалим уведенням прогестерону

Вступ

Потреба у споживанні їжі й підтримка балансу між витратою та зберіганням енергії перебувають під контролем ряду нервових систем, визначну роль у функціонуванні яких відіграє серотонін. Серотонін (5-гідрокси-триптамін, 5-НТ) синтезується в центральній нервовій системі та ентерохромафінних клітинах епітелію кишечника. Серотонін формується із амінокислоти L-триптофану, завдяки 5-гідроксилюванню триптофану, із формуванням 5-гідрокси-триптофану(5-НТР) (рис. 1), та швидкому декарбоксилюванню 5-НТР до серотоніну.

Рис. 1 Шлях біосинтезу серотоніну (Expert Reviews in Molecular Medicine C 2006 Cambridge University Press)

Перша та лімітуюча швидкість реакція гідроксилювання каталізується триптофан-5-монооксигеназою (або гідроксилазою) (EC 1.14.16.4). Другий фермент у синтезі серотоніну - це декарбоксилаза ароматичних L-амінокислот, або триптофан-декарбоксилаза (EC 4.1.1.28) [7]. Синтезований у сератонергічних нейронах, серотонін зберігається у везикулах до свого вивільнення. Серотонін, який швидко не вивільняється із клітин, перетворюється у 5-гідроксиіндолоцтову кислоту за допомогою ферменту моноаміноксидази (МАО).

Відомо, що на активність серотоніну може впливати жіночий статевий гормон прогестерон [6]. Прогестерон

- це стероїдний гормон, який важливий для репродуктивної функції, вагітності, менструального циклу, ембріогенезу та є нейростероїдом [1]. Крім того, прогестерон

- попередник андрогенів та естрогенів. Основним джерелом ендогенного продукування прогестерону є жовте тіло та плацента під час вагітності [2-4]. Синтез прогестерону збільшується під час пізніх етапів менструального циклу і контролює рівень секреції ендометрієм. Під час вагітності прогестерон викликає збільшення кількості жирової тканини. Крім того, було показано, що при проходженні гормон замісної терапії чи довготривалому застосуванні контрацептивів, що містять прогестерон, значно збільшується маса тіла за рахунок накопичення жиру [5]. Згідно з попередніми дослідженнями прогестерон викликає такі наслідки за рахунок впливу на нейротрансмітер серотонін.

Тому метою даного дослідження було дослідити вплив довгострокового введення прогестерону на стан функціонування шляху біосинтезу серотоніну.

Матеріали і методи дослідження

Досліди проводили на самках білих нелінійних щурів масою 165 ± 10 г. Розвиток експериментального ожиріння у піддослідних тварин відтворювали шляхом підшкірного введення масляного розчину прогестерону (Біофарма, Київ, Україна) з розрахунку 10 мг на 1 кг маси тіла протягом 28-ми діб. Контрольну групу становили щури, яким у тому самому віці підшкірно вводили олію, яку використовували для розведення прогестерону. Тварини були розділені на дві групи: 1 - контрольна група щурів; 2 - група щурів, яким уводили розчин прогестерону. Тварин забивали шляхом декапітації й готували загальний гомогенат мозку. У роботі дотримувалися принципів Європейської конвенції про захист хребетних тварин, що використовуються для дослідних та інших наукових цілей (Страсбург, 1986), а також Закону України "Про захист тварин від жорстокого поводження".

Визначення вмісту серотоніну та триптофану проводили згідно із класичними методами [8, 9]. Визначення активності триптофан-гідроксилази, моноаміноксидази та триптофан-декарбоксилази проводили відповідно до описаних методів [1о, 11, 12].

Статистичну обробку результатів здійснювали за допомогою пакета програм Statistica 7. Перевірку гіпотези нормального розподілу вибірки проводили за допомогою критерію Шапіро-Уілка. За відповідності вибірки критеріям нормального розподілу, достовірність відмінностей між вибірками визначали за допомогою критерію Стюдента (t). Достовірними вважались різниці за р < 0,05.

Результати дослідження та їх обговорення

Оскільки попередником для синтезу серотоніну виступає триптофан, то першим етапом нашого дослідження було визначення вмісту даного показника в головному мозку щурів за умов довготривалого введення прогестерону. Як видно з рис. 2, А, спостерігається збільшення вмісту триптофану в 2,16 рази у групі тварин із експериментальним ожирінням порівняно із контрольною групою щурів. Згідно з літературними даними, лише 1 % триптофану окислюється по серотоніновому шляху [13]. Проте, значення серотонінового шляху дуже велике і його порушення призводить до численних захворювань. Крім шляху перетворення триптофану в серотонін, існує ще два шляхи метаболізму триптофану: шлях перетворення в індол та кінуренін [14].

Рис. 2 Уміст триптофану, 5-гідрокситриптофану, серотоніну та 5-гідроксиіндолоцтової кислоти у мозку щурів за умов довготривалого введення прогестерону порівняно із контрольною групою

*різниця достовірна порівняно із контролем, р < 0,05

На вміст триптофану в мозку може впливати вміст тофану із крові у клітини мозку проходить через гемаданого показника у сироватці крові. Транспорт триптоенцефалічний бар'єр та плазматичну мембрану нейронів або клітин глії. За транспорт ароматичних амінокислот і амінокислот із розгалуженими бічними ланцюгами через гематоенцефалічний бар'єр відповідає мембранний глікопротеїн CD98, який утворює транспортер великих нейтральних амінокислот (LAT1). Показане нами зростання вмісту триптофану може бути обумовлене конкуренцією даної ароматичної амінокислоти з іншими амінокислотими (валіном, ізолейцином, лейцином) за транспорт LAT1 для проходження гематоенцефалічного бар'єра.

Триптофан у крові міститься у двох формах: вільній та зв'язаній із альбуміном [16, 17]. Лише вільний триптофан здатний перетинати гематоенцефалічний бар'єр і потрапляти у мозок. Співвідношення триптофану до комплексу з альбуміном залежить від концентрації у сироватці крові вільних жирних кислот, які також здатні зв'язуватиcя з альбуміном і тим cамим витісняти триптофан із комплексу з альбуміном. У наших попередніх дослідженнях установлено підвищення концентрацій триптофану та серотоніну в сироватці крові у щурів за умов довготривалого введення прогестерону порівняно із контрольною групою тварин [18]. Таким чином, витіснення триптофану із комплексу триптофан-альбумін вільними жирними кислотами може розгпядатиcя як ще одна причина збільшення вмісту вільного триптофану в крові щурів та у мозку за умов довготривалого введення прогестерону.

Першим етапом біосинтезу серотоніну є гідроксилювання триптофану в 5-му положенні інольного кільця з утворенням проміжного метаболіту - 5-гідроксітріптофана (5-НТР) (рис. 1). Цю реакцію каталізує фермент триптофан-гідроксилаза (ТрГ), який лімітує швидкість шляху синтезу серотоніну. Тому наступним етапом нашого дослідження було визначення активності триптофан-гідроксилази в гомогенізаті головного мозку щурів.

У результаті досліджень нами було установлено зниження триптофан-гідроксилазної активності в мозку щурів за умов довготривалого введення прогестерону на 25 % (р < 0,05) порівняно із показниками контрольної групи тварин (рис. 3). Можливою причиною такого зниження активності ТрГ є зниження біодоступності кофактора даного фермента - тетрагідробіоптерина (ВН4), біосинтез якого знижений унаслідок розвитку оксидативного стресу у хворих на ожиріння [16].

Рис. 3 Відношення активності моноаміноксидази (МАО), триптофан-5-гідроксилази (ТрГ) та триптофан-декарбоксилази (ТрД) у гомогенізаті мозку щурів за умов довготривалого введення прогестерону до активності цих ферментів у шурів контрольної групи

*різниця достовірна порівняно із контролем, р < 0,05

Концентрація продукту триптофан-гідроксилазної реакції, проміжного метаболіту синтезу серотоніну 5-гідрокситрипотофану збільшилась в експериментальній групі у 2,09 рази порівняно із контрольною групою щурів (рис. 2, Б). Ці данні можна пояснити підвищеною концентрацією субстрату реакції утворення 5-гідрокситрипотофану, триптофану.

Наступним етапом окислення триптофану по серотоніновому шляху є процес декарбоксилювання 5-НТР до 5-гідроксисеротоніну. Цю реакцію каталізує фермент декарбоксилаза ароматичних L-амінокислот (триптофан-декарбоксилаза). Тому наступним етапом нашої роботи було вивчення триптофан-декарбоксилазної активності в гомогенізаті головного мозку щурів. Згідно з отриманими результатами, активність триптофан-декарбоксилази збільшилась і становила 170 % (р < 0,05) активності щурів контрольної групи (рис. 3).

Продуктом декарбоксилювання 5-НТр є біологічно активна речовина серотонін. Особливості організації серотонінергічної системи мозку і його широкі зв'язки з іншими відділами мозку обумовлюють участь цієї системи в регуляції багатьох функцій організму. У зв'язку із цим наступним етапом нашого дослідження було визначення вмісту серотоніну в головному мозку щурів. У результаті досліджень нами було установлено зростання вмісту серотоніну в групі щурів із довгостроковим уведенням прогестерону у 3,25 (р < 0,05) рази порівняно із контрольною групою щурів (рис. 2, В).

Отримані данні по вмісту серотоніну можуть бути пояснені підвищеною концентрацією триптофану - початкового метаболіту серотонінергічної системи, підвищеною активністю триптофан-декарбоксилази та зменшенням активності МАО.

Оскільки зростання вмісту серотоніну в мозку щурів експериментальної групи може бути пов'язано не тільки зі збільшенням продукції цього нейромедіатора, а й зі зниженням процесів його катаболізму, наступним етапом нашого дослідження було визначення активності ферменту моноамінооксидази (МАО), який забезпечує деградацію серотоніну, за допомогою окисного дезамінування до 5-гідроксііндолоцтової кислоти.

Активність МАО зменшилась і становила 52 % (p < 0,05) від активності у щурів контрольної групи, а концентрація 5-гідроксиіндолоцтової кислоти збільшилась у 3 рази (p < 0,05) порівняно із контрольною групою щурів (рис. 2, Г, 3). Зафіксоване нами зниження активності МАО може бути пов'язано із деактивацією даного ферменту, що, у свою чергу, може призвести до зростання пулу біогенних амінів, зокрема, серотоніну.

Таким чином, у результаті проведених досліджень, нами встановлено дисбаланс у системі метаболізму серотоніну в головному мозку щурів, при розвитку гормонального ожиріння, індукованого довготривалим уведенням прогестерону, що свідчить про залучення функціонування серотонінергічної нейротрансмітерної системи в механізми розвитку ожиріння гормонального генезу. На основі отриманих даних, можна дійти висновку, що система метаболізму серотоніну може бути використана як потенційна мішень для корекції метаболічного дисбалансу при розвитку гормонального ожиріння.

Список використанної літератури