Из истории открытия и изучения мелатонина

ИЗ ИСТОРИИ ОТКРЫТИЯ И ИЗУЧЕНИЯ МЕЛАТОНИНА

История изучения мелатонина насчитывает  более 50 лет, но интерес к нему не уменьшается, а возрастает в связи  с тем, что с каждым годом появляются все новые данные о многогранности его влияния на человеческий организм. Получены убедительные данные о том, что мелатонин участвует практически  во всех процессах жизнедеятельности, контролирует многие функции организма: сон, деятельность сердечно-сосудистой, эндокринной и иммунной систем. За рубежом организован и работает «Мелатониновый клуб», в США регулярно выходит Journal of Pineal Research , издаются Advances in Pineal Research , European Pineal Society News .

Мелатонин — одно из древнейших биохимических  веществ, регулирующее биоритмы живых  организмов. Он присутствует уже у  одноклеточных организмов и растений. В организме позвоночных животных главный источник мелатонина — эпифиз, или шишковидная (пинеальная) железа.

Считают, что шишковидная железа была известна еще за 2000 лет до н.э. в Древней Индии. Древнеиндийские философы и врачи считали ее органом ясновидения и размышлений о перевоплощении души. В Древней Греции эпифизу отводили роль клапана, регулирующего опять-таки количество души и участвующего в контроле за психическим равновесием.

Эпифиз впервые описал александрийский  врач Герофил за 300 лет до н.э., а свое название он получил от великого врача Древнего Рима Клавдия Галена (II век н.э.), которому форма железы напомнила сосновую шишку (пинию). Позднее другой выдающийся врач и анатом эпохи Возрождения Андреас Везалий представил первое топографически точное описание расположения эпифиза в человеческом мозге, локализовав его между буграми четверохолмия. В 1632 г . Рене Декартом был написан классический «Трактат о человеке». Декарт описал эпифиз как непарный орган с очень важными задачами. По его мнению, железа обеспечивала синтез информации от обеих половин тела через парные органы чувств (глаза, уши, ноздри), где она сливалась воедино. Декарт рассматривал эпифиз в качестве особого клапанного механизма, который регулирует движение животных «духов» из одного желудочка мозга в другой, определяя таким образом «количество души». Тем самым повторялось стремление древних локализовать душу не где-нибудь, а именно в эпифизе. Кроме того, Декарт связывал с нарушениями эпифизарной деятельности происхождение психических болезней, а также связывал функции эпифиза со зрением, что весьма интересно в свете современных знаний. На протяжении XVIII–XIX вв. эпифиз рассматривали лишь как рудиментарный придаток мозга. Только в самом конце XIX в. немецкий педиатр О. Хюбнер описал мальчика, отличавшегося преждевременным половым созреванием, у которого при посмертном вскрытии обнаружили опухоль эпифиза. Как теперь очевидно, она препятствовала выработке мелатонина. В истории эндокринологии эпифиз является первым органом, описанным и изученным как эндокринная железа.

В начале XX в. невролог О. Марбург предположил, что эпифиз — верхний придаток мозга-выделяет какое-то вещество, угнетающее функции гипоталамуса и, как следствие, развитие репродуктивной системы. Примерно тогда же установили, что эпифиз содержит субстанцию, вызывающую депигментацию (побледнение) кожи головастиков. Через 40 лет этот факт сыграл решающую роль в открытии мелатонина.

Мелатонин был открыт американским дерматологом Аароном Лернером более полувека назад. Сама история его открытия была довольно драматична. Лернер, ученый из Йельского университета, занимавшийся изучением природы витилиго, задался целью выявить факторы (химические субстанции), отвечающие за формирование пигментации кожи и разрушение пигментов. Ему принадлежит честь открытия меланоцитостимулирующего гормона. В ходе литературного поиска Лернер обнаружил статью, датированную 1917 годом, в которой сообщалось о том, что измельченные эпифизы коров, помещенные в банку с головастиками, в течение 30 минут вызывают обесцвечивание их кожи, которая просто становилась прозрачной, и можно было наблюдать за работой сердца и кишечника. Других публикаций на эту тему с тех пор не было.

В 1953 году Лернеру удалось выделить из бычьих эпифизов экстракт, осветляющий кожу лягушки. С этого времени вся работа была направлена на поиски ключевого компонента. Неутомимым исследователем и его коллегами была проделана поистине титаническая работа: они переработали 250 тысяч эпифизов, однако выделенной активной субстанции было катастрофически мало. Лернер понимал, что имеет дело со сверхактивным гормоном, ведь его способность обесцвечивать кожу превышала таковую способность адреналина в тысячи раз! Тем не менее было принято решение закрыть затянувшийся эксперимент. Однако за 4 недели, отведенные на завершение работ, все же удалось идентифицировать структуру основного действующего вещества. Им оказался N-ацетил-5-метокситриптамин, которому первооткрыватель дал более романтичное название «мелатонин» (от гр. melas — черный и tosos — труд). Свое открытие Лернер представил на суд общественности в одностраничной статье, опубликованной в 1958 году в Journal of American Chemical.

БИОСИНТЕЗ МЕЛАТОНИНА

Одна из причин того, что о мелатонине очень долго практически ничего не было известно, состоит в том, что уровень биохимических исследований просто не позволял обнаруживать такое  небольшое содержание вещества в  кровотоке. Только в середине 70-х  годов XX в. с развитием техники радиоиммунологического анализа появилась возможность обнаружения мелатонина в крови.

Мелатонин является основным гормоном, продуцируемым пинеалоцитами в эпифизе, расположенном в центре мозга, позади третьего желудочка.

Эта эндокринная железа состоит  из клеток двух видов: пинеалоцитов (которые доминируют и продуцируют индоламины, главным образом мелатонин, и пептиды, такие как аргининвазотоцин) и нейроглиальных клеток. В эпифизе информация от нейронов, модифицированная условиями освещения, превращается в химические сигналы. Получая информацию о состоянии внешнего фотопериодизма, эпифиз трансформирует ее в эндокринный ответ, вырабатывая мелатонин.

У человека световой цикл воспринимается сетчаткой глаза. Затем нервный  сигнал по ретиногипоталамическому тракту поступает в супрахиазматические ядра гипоталамуса, а далее в верхний шейный ганглий [29].Из верхнего шейного ганглия информация об освещенности поступает в эпифиз: она опосредуется норадреналином, который выделяется нервными окончаниями непосредственно в паренхиму (пинеалоциты) эпифиза, что в конечном итоге приводит к запуску синтеза мелатонина [13]. По своей химической структуре он является биогенным амином, относящимся к классу индолов. Начальным звеном является аминокислота триптофан. Затем происходят следующие превращения: 5-гидрокситриптофан ® 5-гидрокситриптамин (серотонин) ® N-ацетилсеротонин ® мелатонин (при участии ферментов N-ацетилтрансферазы и гидроксииндол-О-метилтрансферазы).

БИОСИНТЕЗ, СЕКРЕЦИЯ И ДЕГРАДАЦИЯ МЕЛАТОНИНА

Основные этапы биосинтеза мелатонина и временная динамика его образования  сегодня хорошо изучены. Эпифизом продуцируется  около 80 % циркулирующего в крови  мелатонина, который не накапливается  в эпифизе, а сразу путем пассивной  диффузии поступает из пинеалоцитов в кровоток. Его источником служит триптофан, который поступает в пинеалоциты из сосудистого русла и через 5-окситриптофан превращается в серотонин. Лимитирующим фактором в синтезе гормона служит активность фермента арилалкиламин-N-ацетилтрансферазы (NАТ), контролирующего образование предшественника — N-ацетилсеротонина, в дальнейшем при участии гидроксииндол-О-метилтрансферазы, превращающегося непосредственно в мелатонин.

Принципиально важным является факт циркадианной (околосуточной) периодичности  выработки в пинеалоцитах биологически активных соединений. Синтез мелатонина эффективно происходит только с наступлением темноты и снижается в светлую фазу суток. Достаточно короткого светового импульса силой 0,1–1 lux, чтобы подавить этот процесс. Дневной ритм продукции мелатонина зависит от активности NАТ в сетчатке, которая, в свою очередь, зависит от ионов кальция, дофамина и гамма-аминомасляной кислоты. Сетчатка является независимым и важным местом продукции мелатонина, по содержанию которого она стоит на втором месте после эпифиза. По-видимому, сетчатка играет определенную роль в поддержании уровня плазменного мелатонина в случае ослабления эпифизарной активности. Важно отметить, что в организме присутствует и экстрапинеальный мелатонин, т.е. синтезируемый вне эпифиза. После получения специфических антител к индолалкиламинам оказалось возможным найти экстрапинеальные источники синтеза мелатонина. Ими оказались энтерохромаффинные клетки желудочно-кишечного тракта (ЕС-клетки), основные клетки-депо серотонина (содержат до 95 % всего эндогенного серотонина) — предшественника мелатонина. Количество этих клеток в желудочно-кишечном тракте значительно больше, чем пинеалоцитов. Честь открытия этого явления принадлежит российским ученым Н.Т. Райхлину и И.М. Кветному.В 1974 году ими было установлено, что способностью синтезировать мелатонин обладают клетки червеобразного отростка кишечника — аппендикса. Далее выяснилось, что мелатонин синтезируется не только в них. Синтез этого гормона выявлен и в большом количестве нейроэндокринных клеток воздухоносных путей, легких, под печеночной капсулой, в корковом слое почек и вдоль границы между корковым и мозговым слоем надпочечников, в параганглиях, желчном пузыре, яичниках, эндометрии, предстательной железе, плаценте и внутреннем ухе. В последние годы обнаружили синтез мелатонина и в неэндокринных клетках: в тимусе, поджелудочной железе, мозжечке, сетчатке глаза, в клетках крови — тучных клетках, лимфоцитах, естественных киллерах, тромбоцитах, эозинофильных лейкоцитах, а также в некоторых эндотелиальных клетках. Биологическое действие экстрапинеального мелатонина реализуется непосредственно там, где он синтезируется. Вопрос о том, является ли этот путь синтеза гормона фотонезависимым, до сих пор окончательно не решен.

Функционально все клетки, продуцирующие  мелатонин, относятся к так называемой диффузной нейроэндокринной системе, универсальной системе адаптации  и поддержания гомеостаза организма. Выдвигается также предположение, что экстрапинеальный мелатонин может играть ключевую роль в качестве паракринной сигнальной молекулы взаимодействия клеток и локальной координации клеточных функций, однако полностью роль его до сих пор не ясна и исследования в этом направлении идут очень интенсивно.

Транспортной формой для мелатонина является сывороточный альбумин. Высокая  плотность связывающих мелатонин  участков была выявлена на молекуле гемоглобина, что может свидетельствовать  о роли гемоглобина как переносчика  мелатонина в кровотоке до органов-мишеней [37]. Высокая липофильность данного гормона обеспечивает его быстрое проникновение через мембраны клеток в другие биологические среды. После освобождения из связанного с альбумином состояния мелатонин взаимодействует со специфическими мембранными и ядерными рецепторами. Мелатонин имеет короткий период полураспада (около 30 минут) и быстро устраняется из кровотока. Он поступает в печень, где гидроксилируется и конъюгируется с серной (на 70–80 %) или глюкуроновой (5 %) кислотой и в виде сульфатов и глюкуронидов экскретируется с мочой. Основной метаболит мелатонина в моче — 6-гидроксимелатонин-сульфат, по концентрации которого можно судить о продукции мелатонина эпифизом [39].

МЕХАНИЗМ ДЕЙСТВИЯ МЕЛАТОНИНА НА КЛЕТОЧНОМ  УРОВНЕ

Взаимодействие мелатонина с клетками происходит двумя путями.

Он опосредует свои эффекты в  результате воздействия на собственные  рецепторы, расположенные как на мембране клеток, так и на ядре. В  последние годы были идентифицированы рецепторы к мелатонину у многих видов позвоночных, включая человека.

Группа мембранных рецепторов мелатонина, сопряженных с G-белками, включает в  себя следующие подтипы — MT 1 , MT 2 , которые принадлежат к четко  определенным фармакологическим и  кинетическим группам: MT 1 (высокоаффинный наномолекулярный сайт) и MT 2 (низкоаффинный наномолекулярный сайт) [34, 35]. Кроме того, ранее были выделены также рецепторы MT 3 , но позже было установлено, что на самом деле они являются ферментом хинонредуктаза-2.

Учеными лаборатории терапевтической  химии университета г. Лилль (Франция) совместно с российскими коллегами были созданы структуры моделей рецепторов MT 1 и MT 2 с наложенной структурой шаблона — зрительного родопсина, а также структуры сайтов связывания в комплексе с молекулой мелатонина.

Они обладают высоким сродством  к своему лиганду и обнаружены в супрахиазматическом ядре, гипоталамусе, гиппокампе, коре больших полушарий и мозжечке [51]. Взаимодействие мелатонина с данным типом рецепторов приводит к активации различных сигнальных систем клетки и синтезу вторичных посредников — цАМФ, изменению концентрации ионов кальция. Связываясь с цитозольным кальмодулином, гормон может непосредственно влиять на кальциевые сигналы путем взаимодействия с ферментами, такими как аденилатциклаза и фосфодиэстераза, а также со структурными белками [52].

Ядерные рецепторы к мелатонину обнаружены в различных ядрах  гипоталамуса, сетчатке глаза и других тканях. Они относятся к новому подклассу семейства так называемых орфановых ядерных ретиноидных рецепторов ROR/RZR [27]. Данное семейство включает продукты экспрессии генов альфа-ROR, бета-ROR и гамма-ROR. Члены подсемейства связываются с ДНК в форме мономеров и «узнают» гормоночувствительные элементы (RORE). Результатом такого взаимодействия является изменение уровня экспрессии генов специфических факторов транскрипции и эффекторных белков, что является общим для липофильных гормонов. Важно отметить, что ядерные рецепторы обнаружены в трех органах млекопитающих, определяющих суточные ритмы организма: в супрахиазматическом ядре, сетчатке глаза и эпифизе.

Авторадиография и радиоиммунный анализ показали присутствие мелатониновых рецепторов в разных структурах мозга человека, кишечнике [42], яичниках [62] и кровеносных сосудах [34]. Рецепторы в супрахиазматических ядрах гипоталамуса, очевидно, регулируют циркадианный ритм. Рецепторы, которые находятся в эпителиальных тканях (например, в эндотелии артерий), регулируют кардиоваскулярную функцию [34]. Известно, что мелатонин оказывает релаксирующее влияние на гладкую мускулатуру сосудов, улучшая тем самым микроциркуляцию.

Таким образом, биологическое действие мелатонина как гормона реализуется  благодаря наличию специфических  рецепторов различной локализации  и различных систем передачи сигнала  в живой клетке.

БИОЛОГИЧЕСКИЕ РИТМЫ СЕКРЕЦИИ

Ритм продукции мелатонина эпифизом носит циркадианный характер.

В аспекте циркадианного ритма  организма данный гормон поддерживает цикл «сон — бодрствование» (сам  по себе он обладает снотворным действием), суточные изменения локомоторной активности и температуры тела.

Повышение концентрации мелатонина в  крови с наступлением темноты  снижает у человека температуру  тела, уменьшает эмоциональную напряженность, индуцирует сон, а также незначительно угнетает функцию половых желез, что выражается в задержке пролиферации опухолевых клеток молочной и предстательной желез. Мелатонин участвует в гормональном обеспечении околосуточного и сезонного периодизма поведенческой активности.

Синтез и выделение мелатонина стимулируются темнотой и ингибируются светом [4]. В течение светового  периода фоторецепторные клетки сетчатки глаза гиперполяризованы, нервный сигнал не поступает в супрахиазматические ядра, и это тормозит выделение адреналина [29]. В это время система «ретиногипоталамус — эпифиз» находится в покое, секретируется мало мелатонина. С наступлением темноты гиперполяризация фоторецепторов исчезает, нервный сигнал освобождает норадреналин, активируя, таким образом, систему «ретиногипоталамус — эпифиз»; количество a 1- и b 1-адренорецепторов в эпифизе увеличивается. Растет активность ферментов, которые регулируют синтез мелатонина, инициируя его выделение. У диурнальных (дневных) животных (в том числе у человека) секреция мелатонина эпифизом совпадает с привычными часами сна. Концентрация его в крови нарастает с наступлением темноты и достигает своего максимума за 1–2 ч до пробуждения. В это время сон человека наиболее глубокий, а температура тела достигает своего минимума.