Abstrakt

Karbamylacja jest potranslacyjną modyfikacją białek wynikającą z nieenzymatycznego wiązania się kwasu izocyjanowego do ich wolnych grup funkcyjnych, zwłaszcza do wolnych grup aminowych. Reakcja ma duży wpływ na właściwości strukturalne i funkcjonalne białek. W ten sposób proces karbamylacji przyczynia się do przyspieszenia procesu starzenia się białek.Obecny w organizmie mocznik może być przekształcany w cyjanian, a ten w bardziej reaktywną postać, jaką jest kwas izocyjanowy. Wysokie stężenia mocznika w organizmie wiążą się z różnymi chorobami, a zwłaszcza z niewydolnością nerek. W organizmie cyjanian występuje z mocznikiem w stałej równowadze. Jednak okazało się, że stężenie izocyjanianu w osoczu jest mniejsze, aniżeli wynikałoby to z kinetycznych parametrów rozkładu mocznika, co wiąże się z jego dużą reaktywnością z grupami funkcyjnymi białek, aminokwasów i krótkim jego okresem półtrwania.W pracy omówiono mechanizm powstawania izocyjanianu oraz jego reakcje z grupami funkcyjnymi białek i wolnych aminokwasów. Przedstawiono również informacje na temat karbamylacji hemoglobiny, lipoprotein osocza, albuminy, białek błonowych i erytropoetyny u chorych z przewlekłą niewydolnością nerek.Karbamylacja białek wpływa negatywnie na ich aktywność biologiczną, a tym samym może się przyczyniać do pogorszenia stanu pacjentów z przewlekłą niewydolnością nerek.

Wstęp

W warunkach fizjologicznych, białka organizmów żywych są poddane wielu modyfikacjom potranslacyjnym. Dochodzi do nich przez enzymatyczne i w mniejszym stopniu nieenzymatyczne wiązanie różnych cząsteczek o małej masie cząsteczkowej do ich wolnych grup funkcyjnych (aminowych, karboksylowych, tiolowych, hydroksylowych). Reakcje te przede wszystkim są niezbędne do syntezy fizjologicznie aktywnych białek. Bardzo dobrze poznanym procesem potranslacyjnej modyfikacji białek jest ich nieenzymatyczna glikacja. Reakcje glikacji dotyczą wielu prawidłowo funkcjonujących białek. Jednak w różnych stanach patologicznych może dochodzić do zaburzenia tego procesu, doprowadzając do nadmiernego wiązania się cukrów do białek. Wzrost stężenia glikowanych białek obserwuje się m.in. w cukrzycy oraz przy występowaniu późnych powikłań związanych z tą chorobą [28,43]. Glikowane białka mogą ulegać dalszym modyfikacjom i spowodować powstawanie zaawansowanych koń- cowych produktów glikacji białek (advance glycation end products; AGEs). Wzrost stężenia AGEs obserwuje się również u pacjentów z przewlekłą niewydolnością nerek poddawanych regularnym hemodializom [42].

Inną potranslacyjną modyfikacją białek jest ich karbamylacja powstającą w  wyniku nieenzymatycznego, kowalencyjnego wiązania kwasu izocyjanowego przede wszystkim do wolnych grup aminowych białek. Modyfikacja ta, podobnie jak glikacja, utlenianie, czy karbonylacja, może zmieniać strukturę i funkcję białka. Wszystkie wymienione potranslacyjne modyfikacje białek przebiegają bez udziału enzymów i polegają na kowalencyjnym wiązaniu różnych adduktów do struktur białkowych.

Większość produktów nieenzymatycznych, potranslacyjnych modyfikacji białek jest gromadzonych w organizmie w  procesie starzenia oraz w  wyniku zmian metabolicznych wywołanych różnymi chorobami, takimi jak cukrzyca, miażdżyca, przewlekła niewydolność nerek oraz choroby neurodegeneracyjne [17,19]. Uważa się, że tak modyfikowane białka mogą być dobrymi markerami w  rozpoznawaniu wielu chorób [10,17,28,49]. Jednak w praktyce medycznej, jako standardowy marker oceny stężenia cukru w organizmie w przypadku cukrzycy jest wykorzystywany jedynie poziom glikowanej hemoglobiny (HbA1c).

Celem pracy jest przedstawienie stanu wiedzy na temat karbamylacji białek u osób z przewlekłą niewydolnością nerek.

Mechanizm karbamylacji białek

Karbamylacja jest terminem odnoszącym się do przyłą- czonych grup „karbamoilowych” (-CONH2 ) do wolnych grup funkcyjnych białek lub aminokwasów.

Kwas izocyjanowy, który jest głównym czynnikiem wywołującym karbamylację cząsteczek i makrocząsteczek, powstaje z cyjanianu. Cyjanian natomiast powstaje z mocznika, a stosunek obu tych substancji w stanie równowagi chemicznej wynosi 99:1 [19,50]. Innym sposobem powstawania kwasu izocyjanowego w organizmie jest metabolizm tiocjanianu [8]. Proces zachodzi z udziałem mieloperoksydazy (EC 1.11.1.7) (MPO), która w obecności nadtlenku wodoru może katalizować reakcje utleniania tiocjanianu do kwasu podchlorawego (HClO). Następne przemiany kwasu podchlorowego tworzą cyjanian, a dalej kwas izocyjanowy (ryc. 1) [4,8,44,49].

Powstający z mocznika kwas izocyjanowy in vitro, może reagować z grupami aminowymi, tiolowymi, karboksylowymi, hydroksylowymi lub fenolami doprowadzając do przyłączania grup karbamoilowych (ryc. 2) [19,25,37]. Największą reaktywność kwas izocyjanowy wykazuje w stosunku do grup tiolowych i fenolowych, jednak są to reakcje odwracalne. Trwałe produkty reakcji powstają w wyniku oddziaływania kwasu izocyjanowego z grupami aminowymi. Grupy α-aminowe aminokwasów reagują z kwasem izocyjanowym 100 razy szybciej ani- żeli grypy ε-aminowe lizyny (ryc. 3) [19,39].

Karbamylowana lizyna (homocytrulina) występuje w osoczu krwi w postaci wolnej lub związanej z białkami. Lizyna jest aminokwasem, który bardzo często występuje na powierzchni białka. Obecność grupy ε-aminowej w łańcuchu bocznym lizyny sprzyja jej karbamylacji, co może spowodować zmiany właściwości fizykochemicznych białka. Stężenie homocytruliny w osoczu zmienia się w zależności od kondycji organizmu. Wykazano, że stężenie tego aminokwasu może być dobrym biomarkerem w różnych chorobach związanych z zaburzeniami cyklu mocznikowego [1]. Kwas izocyjanowy nie jest jedynym związkiem zdolnym do tworzenia grup karbamoilowych w białkach. Wykazano również, że w reakcji karbamylacji może mieć udział karbamoilofosforan (ryc. 4) [12,38].

Stanem patologicznym sprzyjającym powstawaniu dużej ilości kwasu izocyjanowego, a w konsekwencji karbamylacji białek jest m.in. przewlekła niewydolność nerek (chronic renal failure; CRF). Upośledzenie funkcji nerek powoduje zatrzymanie w  organizmie zbędnych produktów przemiany materii, w tym mocznika. Jego stężenie u osób z CRF może być 6-7-krotnie wyższy w porównaniu do osób zdrowych. U osób zdrowych w krwiobiegu prawidłowe stężenie mocznika waha się w granicach 2,5-7,0 mmol/L krwi, natomiast u osób z przewlekłą niewydolnością nerek to stężenie może osiągać wartość 35 mmol/L i więcej [28,42,46,50]. Duże stężenie mocznika we krwi pacjentów z przewlekłą niewydolnością nerek wskazywałoby, że stężenie kwasu izocyjanowego będzie rzędu od kilkudziesięciu do kilkuset mmol/L. Przeprowadzone badania wykazały jednak, że stężenie kwasu izocyjanowego u osób zdrowych wynosi około 50 nmol/L, natomiast u pacjentów z CRF przed hemodializą około 150 nmol/L, a po hemodializie około 80 nmol/L [32]. Z kinetycznych parametrów rozkładu mocznika wynika, że niewielkie stężenia kwasu izocyjanowego są około 1000 razy mniejsze niż oczekiwano. Najprawdopodobniej wynika to z jego krótkiego okresu półtrwania (3-4 min) i  dużej reaktywności z  białkami [19,32].

Reakcja kwasu izocyjanowego z białkami powoduje blokowanie N-końcowych grup aminowych białek oraz grup aminowych w łańcuchach bocznych lizyny, co może spowodować zaburzenia w sprzęganiu z innymi cząsteczkami. Tego typu modyfikacje białek mogą negatywnie wpływać przy wykorzystaniu ich jako nośników różnych substancji. Ponadto karbamylacja białek może spowodować niecałkowite trawienie białek przez enzymy proteolityczne [45]. Teoretycznie wszystkie białka mogą ulegać karbamylacji jednak stopień ich modyfikacji in vivo zależy m.in. od dostępności i nukleofilowości wolnych grup aminowych, od polarności rozpuszczalnika oraz od długości życia danego białka [22].

Jak wynika z dostępnej literatury, karbamylacja zmienia właściwości strukturalnych i funkcjonalnych białek [31]. Widocznym skutkiem reakcji izocyjanianu z biał- kami jest eliminacja dodatniego ładunku, co wpływa na oddziaływania jonowe białko-woda, a tym samym zaburza oddziaływania na powierzchni białka w stosunku do innych cząsteczek [22]. Karbamylacja powoduje zmiany w strukturze drugo- i trzeciorzędowej białek, co wpływa na rozkład wszystkich atomów w  cząsteczce, a  tym samym na dostępność centrum aktywnego białka. Proces powoduje również zaburzenia w oddziaływaniach typu białko-białko. Na przykład karbamylacja kolagenu typu I wywołuje zaburzenia w strukturze potrójnej helisy, a to zmniejsza zdolność polimeryzacji prawidłowych włókien [18]. Wykazano również, że zmiany te mogą być zwią- zane z niezdolnością karbamylowanego kolagenu do stymulowania utleniającej funkcji neutrofili. Inne badania wykazały, że karbamylacja kolagenu znacząco wpływa na zdolność migracyjną komórek włókniaka (linia HT1080) oraz dezorganizację cytoszkieletu aktynowego w tych komórkach [40].

Karbamylacja hemoglobiny

Prawdopodobnie to, iż hemoglobina jest łatwo dostępnym białkiem do badań spowodował, że jej karbamylacja jest bardzo dobrze poznana. Duże stężenie mocznika we krwi osób z przewlekłą chorobą nerek sprzyja powstawaniu dużej ilości izocyjanianu, a tym samym karbamylacji hemoglobiny. Kwas izocyjanowy reaguje z terminalnymi grupami α-aminowymi waliny zarówno łańcucha α- jak i  β-globiny [50]. Białka te mimo odmiennej struktury pierwszorzędowej oraz różnej ilości aminokwasów w łań- cuchach (łańcuch α  141 aminokwasów, łańcuch β 146 aminokwasów) mają na N-końcu walinę. To właśnie ten aminokwas w łańcuchach globiny najszybciej ulega karbamylacji. Najlepszą metodą detekcji karbamylacji hemoglobiny jest oznaczenie stężenia walino-hydantoniny.

Badania Hamouda i wsp. wskazują, że u chorych z przewlekłą niewydolnością nerek (niecukrzycowych) stę- żenie walino-hydantoniny w  hemoglobinie wzrasta o około 10% w porównaniu do jej stężenia u pacjentów zdrowych [13]. U pacjentów z przewlekłą niewydolno- ścią nerek cierpiących również na cukrzycę stężenie walino-hydantoniny było 1,95 razy wyższe aniżeli w grupie kontrolnej i 1,77 razy wyższe niż w grupie pacjentów z mocznicą (niecukrzycowych). Autorzy sugerują, że jest to dowodem na wzajemną interferencję glikacji i karbamylacji hemoglobiny [13]. Badania przeprowadzone przez Hamouda i wsp. wykazały wzrastające stę- żenie karbamylowanej waliny w łańcuchach globiny po inkubacji hemoglobiny z mocznikiem [13]. Wzrost stę- żenia karbamylowanej waliny (walino-hydantoniny) był proporcjonalny do zastosowanego stężenia mocznika. Ponadto, autorzy ci wykazali dominującą rolę nieenzymatycznej glikacji waliny w stosunku do jej karbamylcji. W hemoglobinie walina nie jest jedynym aminokwasem ulegającym karbamylacji. Mogą jej również ulegać grupy ε-aminowe w łańcuchu bocznym lizyny [9]. U chorych z przewlekłą niewydolnością nerek wykazano wprost proporcjonalną zależność stopnia karbamylacji hemoglobiny i stężenia mocznika we krwi osób zdrowych jak i chorych z przewlekłą niewydolnością nerek (przed i po dializie) [21]. Stężenie karbamylowanej hemoglobiny był około 3-krotnie wyższy u osób z przewlekłą niewydolnością nerek poddawanych zarówno hemodializom jak i  dializowanych otrzewnowo [21]. Określenie stężenia karbamylacji hemoglobiny jest dość trudne ze względu na podobieństwo reakcji nieenzymatycznej glikacji oraz reakcji karbamylacji grup aminowych białek [27].

Karbamylacja lipoprotein

Proces karbamylacji białek dotyczy również obecnych w organizmie lipoprotein i może mieć znaczący wpływ na ich strukturę i funkcję. Białkowym komponentem lipoprotein niskiej gęstości (LDL) jest apoB-100. Białko to zawiera w swojej budowie 4563 aminokwasów, a wśród nich znajduje się 356 reszt lizyny [41]. Ze względu na to, że łańcuchy boczne lizyny z dużą łatwością reagują z kwasem izocyjanowym, karbamylacja tego białka prowadzi do jego zmian strukturalnych i funkcjonalnych [1,2,44]. Podobnie jak w innych białkach, do karbamylacji apoB-100 dochodzi jednak najszybciej na N-końcowym aminokwasie tego białka. Wykazano, że karbamylowane lipoproteiny LDL mają mniejsze powinowactwo do receptorów znajdujących się na powierzchni fibroblastów niż niemodyfikowane LDL [9]. Karbamylowane lipoproteiny znacznie dłużej pozostają w krwiobiegu aniżeli niezmienione LDL [15]. Ponadto, dłuższy czas ich pozostawania w krwiobiegu powoduje, że mogą być poddawane dodatkowej modyfikacji przez utlenianie.

Karbamylacja lipoprotein może się odbywać w różnym stopniu. Przeprowadzone badani in vitro wykazały, że maksymalna karbamylacja LDL występuje po ich inkubacji w stężeniu 0,6 mg/ml z cyjanianem w stężeniu 20 mmol/l [9]. Karbamylowane lipoproteiny LDL są rozpoznawane przez receptory zamiataczy makrofagów, przypuszczalnie SR-A1, a  to powoduje ich wychwyt i  indukcję nieswoistych szlaków sygnalizacyjnych [19,51]. Karbamylowane LDL mogą wykazywać działanie promiażdżycowe przez udział w tworzeniu komórek piankowatych, indukcję apoptozy komórek śródbłonka oraz proliferację komórek mięśni gładkich [19,44,49]. U pacjentów z przewlekłą niewydolnością nerek występuje zwiększone ryzyko miażdżycy, które oprócz innych czynników, aniżeli podwyższone stężenia mocznika w osoczu, przyczynia się do zintensyfikowania procesu karbamylacji białek lipoprotein [3].

Dużo słabiej poznanym procesem jest karbamylacja lipoprotein wysokiej gęstości (HDL) [44]. Głównym białkiem HDL jest apoA-I zawierająca 243 aminokwasów w tym 21 reszt lizynowych [6]. Karbamylacja białek, w tym lizyny apoA-I, skutkuje wzrostem elektroujemności tego białka. Wykazano, że receptor SR-BI jest bardziej wrażliwy na wiązanie białek ujemnie naładowanych, a przez to ma większe powinowactwo do karbamylowanych cząsteczek HDL [14]. Ponadto stwierdzono, że reakcja kwasu izocjanowego z jedną tylko grupą aminową w łańcuchu bocznym lizyny w apoA-I może modulować interakcję HDL z SR-BI makrofagów przyczyniając się do tworzenia kropli lipidowych w tych ostatnich [14]. Ci sami autorzy sugerują ponadto, że karbamylacja HDL może destabilizować równowagę wychwytu cholesterolu i przyczyniać się do rozwoju miażdżycy tętnic [44].

Karbamylacja białek osocza (albumina)

Albumina jest białkiem, którego stężenie w  osoczu wynosi 35-42 g/l, co stanowi około 50% wszystkich bia- łek [23,26]. Z  tego powodu białko to szczególnie jest narażone na karbamylację. Albumina zawiera 585 reszt aminokwasowych, w tym 58 reszt lizyny i 24 argininy. Karbamylacji mogą ulegać zarówno łańcuchy boczne tych dwóch aminokwasów, jak i aminokwas N-końcowy. W badaniach wykazano, że u chorych z przewlekłą niewydolnością nerek stężenie karbamylowanej albuminy jest dwukrotnie wyższe aniżeli u osób zdrowych [5]. Badania tych autorów wykazały również, że lizyna w pozycji 549 jest najbardziej podatna na karbamylację. Aminokwas ten jest również najbardziej podatny na proces glikacji. 6-godzinna inkubacja albuminy in vitro z cyjanianem o stężeniu 0,1 M powodowała spadek ilo- ści niezmodyfikowanych reszt lizyny o około 20% w stosunku do próby kontrolnej [16]. Spadek reszt lizyny powoduje wzrost stężenia homocytruliny w  osoczu. Wykazano także, że karbamylowana albumina hamuje wytwarzanie anionorodnika ponadtlenkowego przez neutrofile [16]. Wyniki te mogłyby częściowo wyjaśniać występowanie powikłań zapalnych i zakaźnych u pacjentów z CRF, odpowiedzialnych za ich wyższą zachorowalność i śmiertelność [16]. Również inne badania stanu konformacyjnego albuminy pochodzącej od osób z przewlekłą niewydolnością nerek wykazały zmiany w porównaniu do osób zdrowych [35].

Przeprowadzona karbamylacja albuminy, in vitro, przez Koka i wsp. wykazała spadek jej stężenia w próbach [23]. Badania wykonano trzema metodami: z fioletem bromokrezolowym (BCP), zielenią bromokrezolową (BCG) oraz techniką immunonefelometryczną. Mimo zastosowania różnych metod, wszystkie wykazały spadek stę- żenia albuminy w próbach. Autorzy sugerują, że spadek może wynikać z karbamylacji lizyny w łańcuchu białkowym, a tym samym ze zmienionej specyfiki wiązania znaczników. Autorzy przeprowadzili również badanie stężenia homocytruliny w osoczu pacjentów poddawanych hemodializom i wykazali jej czterokrotny wzrost w porównaniu do grupy kontrolnej. Określili także liczbę reszt lizynowych, które są modyfikowane w każdej czą- steczce albuminy. Obliczenia wykazały, że jedna na 14 cząsteczek albuminy zawiera homocytrulinę [23]. Na poziom karbamylacji albuminy bardzo duży wpływ ma stężenie wolnych aminokwasów w osoczu. Wykazano, że spadek stężenia aminokwasów w osoczu chorych z przewlekłą niewydolnością nerek powodował wzrost stężenia karbamylowanej albuminy [5]. Ci sami autorzy wykazali in vitro, że wolne aminokwasy, takie jak cysteina, histydyna, arginina i lizyna, a także inne związki nukleofilowe, np. tauryna, hamują indukowaną cyjanianem karbamylację albuminy pełniąc tym samym rolę protekcyjną w stosunku do tego białka.

Ochronną rolę wolnych aminokwasów przed karbamylacją białek zasugerował również Jin [20]. W badaniach wykazał, że proces karbamylacji erytropoetyny zostaje ograniczony lub nawet zahamowany, jeżeli w środowisku są obecne aminokwasy (fenyloalanina, walina, tryptofan, treonina lub lizyna) [20]. Ważne może być również to, że obecność jednego białka działa protekcyjnie w stosunku do innego. I tak, wykazano, że obecność albuminy w układzie działała ochronnie w stosunku do ilości powstającej karbamylowanej erytropoetyny [20].

Przeprowadzone badania wolnych aminokwasów wystę- pujących w  osoczu osób ze schyłkową niewydolno- ścią nerek wykazały, że stężenie tyrozyny, histydyny, metioniny, lizyny, waliny, leucyny oraz izoleucyny były znacząco niższe aniżeli u osób zdrowych [24]. Analiza karbamylacji wolnych aminokwasów w osoczu u pacjentów ze schyłkową niewydolnością nerek udowodniła, że ich stężenie było 0,5-11,4 razy większe aniżeli postaci niekarbamylowanych. W największym stopniu karbamylacji ulegały izoleucyna i treonina (11,4 i 9 razy więcej niż niekarbamylowanej), a najmniej procesowi karbamylacji poddawały się: fenyloalanina i tyrozyna (0,5 i 1,3 razy więcej, niż niekarbamylowanej) [24].

Karbamylacja białek błonowych

Niewiele jest informacji dotyczących skutków karbamylacji białek błonowych komórek oraz wpływu tego procesu na funkcjonowanie komórek. W  błonach erytrocytów głównymi białkami integralnymi są białko pasma trzeciego oraz glikoforyna. Do wewnętrznej błony komórkowej zasocjowanych jest wiele białek powierzchniowych tworzących cytoszkielet. Przeprowadzone badania Trepaniera i wsp. na wyizolowanych błonach erytrocytów wykazały, że cyjanian bardzo szybko wiąże się z białkami obecnymi w błonach [46]. Autorzy ci wykazali również, że proces karbamylacji białek jest proporcjonalny do czasu ich ekspozycji na cyjanian [46]. Ponadto udowodnili, że karbamylacji ulegały w największym stopniu spektryna α i β oraz ankiryna. Badania Trepaniera i wsp. wykazały również, że niewiele cyjanianu wiązało się z białkiem pasma trzeciego aniżeli wynikałoby to z jego masy molowej. Autorzy badań tłumaczą to tym, że spektryna i ankiryna są biał- kami peryferyjnymi umiejscowionymi na powierzchni błony, przez co ich grupy aminowe są łatwo dostępne dla cyjanianu. Białko pasma trzeciego należy do białek integralnych, co powoduje, że jego aminokwasy domen transbłonowych są mniej narażone na działanie cyjanianu [46]. Również inne badania dowiodły istnienia zmian w biał- kach błonowych erytrocytów poddanych karbamylacji in vitro. Wykazano znaczące statystycznie zmiany konformacyjne białek błonowych erytrocytów poddanych dzia- łaniu cyjanianu przez 24 godziny, a następnie mierzonych za pomocą znaczników spinowych w technice elektronowego rezonansu paramagnetycznego (EPR) [34]. Ponadto dowiedziono, że karbamylacja białek błonowych może się przyczyniać do zmian w mikrolepkości błony [36]. Prowadzone badania in vitro, wykazały również, że erytrocyty poddane działaniu cyjanianu są bardziej podatne na hemolizę, co może w znaczący sposób wpływać na niedokrwistość pacjentów z przewlekłą niewydolnością nerek [30,36]. Również erytrocyty pacjentów z CRF poddawanych hemodializom wykazywały większą wrażliwość osmotyczną w porównaniu do osób zdrowych oraz większą czułość na stres oksydacyjny [7]. W przypadku osób poddawanych hemodializom na zwiększoną hemolizę erytrocytów oprócz karbamylacji białek mogą wpływać również inne czynniki, takie jak mechaniczne uszkodzenia komórek przez pompy podczas hemodializy oraz stan stresu oksydacyjnego. Następstwem karbamylacji białek błonowych erytrocytów może być ich szybsze trawienie, co może doprowadzić do skrócenia czasu życia erytrocytów w krwiobiegu [46]. U chorych z przewlekłą niewydolnością nerek poddawanych hemodializom obserwowano również znaczne skrócenie czasu życia erytrocytów oraz obecność w krwiobiegu dużej liczby erytrocytów młodych [7,48]. Skrócenie czasu przeżycia erytrocytów może również wynikać z ich deformacji spowodowanej m.in. modyfikacjami białek i lipidów błonowych oraz ich wzajemnych oddziaływań.

Trepanier i Thibert wykazali in vitro, że może również dochodzić do karbamylacji grup aminowych fosfolipidów błonowych [47]. Ze względu na asymetrię błony komórkowej fosfatydyloseryna i  fosfatydyloetanoloamina są umiejscowione w cytoplazmatycznej monowarstwie lipidowej błony komórkowej. Oba fosfolipidy zawierają w polarnej części wolną grupę aminową, która może się wiązać z kwasem izocyjanowym (ryc. 5). Jak wynika z  przeprowadzonych badań, karbamylacja może się przyczyniać do zmian w oddziaływaniach białkowo-lipidowych w błonach w wyniku modyfikacji białek lub lipidów [47]. Ponadto Trepanier i Thibert sugerują, że karbamylacja komponentów błony komórkowej erytrocytów może spowodować eksternalizację zarówno fosfatydyloseryny, jak karbamylowanej fosfatydyloseryny do zewnętrznej monowarstwy dając w ten sposób sygnał komórkom fagocytującym do ich eliminacji z krwiobiegu [47]. Może to potwierdzać obecność w krwiobiegu osób z przewlekłą niewydolnością nerek przeważającej liczby erytrocytów młodych.

Karbamylacja erytropoetyny

Proces karbamylacji dotyczy również enzymów; modyfikacje potranslacyjne enzymów mogą mieć duży wpływ na ich aktywność biologiczną, a tym samym na kondycję całego organizmu. U chorych z przewlekłą niewydolno- ścią nerek obserwuje się bardzo często niedokrwistość. Jej przyczyny są bardzo złożone: utrata krwi podczas hemodializ, przyspieszone procesy starzenia erytrocytów, czy upośledzona erytropoeza. Za proces tworzenia erytrocytów jest odpowiedzialna m.in. erytropoetyna (EPO). Enzym ten w 80% jest syntetyzowany w nerkach, a w 20% w wątrobie [11]. Przeprowadzone badania in vitro wykazały spadek wolnych grup aminowych w erytropoetynie po jej inkubacji z cyjanianem w zależności od czasu inkubacji, jak i jego stężenia [20,31,33]. Mimo że mocznik i kwas izocyjanowy mogą hamować działanie erytropoetyny, a tym samym proces erytropoezy, to nadal jeszcze mechanizm ten nie jest w pełni wyjaśniony [20].

Podsumowanie

Omówiona karbamylacja białek jest procesem fizjologicznym, jednak w  pewnych stanach patologicznych dochodzi do jego nasilenia. W przewlekłej niewydolno- ści nerek nagromadzenie w organizmie różnych toksyn mocznicowych, w  tym mocznika, sprzyja wzmożonej karbamylacji białek. Nieenzymatyczne wiązanie się cyjanianu do białek zmienia ich strukturę i funkcję, przez co negatywnie wpływa na kondycję osób z przewleką niewydolnością nerek. Przy omawianiu patofizjologii przewlekłej niewydolności nerek szczególną uwagę zwraca się na zatrucia organizmu toksynami mocznicowymi oraz towarzyszącemu hemodializom stresowi oksydacyjnemu, natomiast niewiele uwagi poświęca się skutkom karbamylacji białek.

Mimo wielu doniesień dotyczących karbamylacji białek temat jest jednak bardzo często pomijany przy omawianiu skutków niewydolności nerek oraz w diagnostyce i terapii osób chorych. Biorąc pod uwagę specyfikę tego procesu konieczne są dalsze badania, które w pełni wyja- śniłyby następstwa wynikające z modyfikacji ważnych życiowo cząsteczek i makrocząsteczek.

Przypisy

• 1. Albert C., Mertens P.R., Bartsch P.: Urea and atherosclerosis – evidencefor a direct link involving apolipoprotein B protein modifications.Int. Urol. Nephrol., 2011; 43: 933-936
  Google Scholar
• 2. Apostolov E.O., Basnakian A.G., Ok E., Shah S.V.: Carbamylatedlow-density lipoprotein: nontraditional risk factor for cardiovascularevents in patients with chronic kidney disease. J. Ren. Nutr.,2012; 22: 134-138
  Google Scholar
• 3. Apostolov E.O., Ray D., Savenka A.V., Shah S.V., Basnakian A.G.:Chronic uremia stimulates LDL carbamylation and atherosclerosis.J. Am. Soc. Nephrol., 2010; 21: 1852-1857
  Google Scholar
• 4. Arlandson M., Decker T., Roongta V.A., Bonilla L., Mayo K.H.,MacPherson J.C., Hazen S.L., Slungaard A.: Eosinophil peroxidaseoxidation of thiocyanate. Characterization of major reaction productsand a potential sulfhydryl-targeted cytotoxicity system. J. Biol.Chem., 2001; 276: 215-224
  Google Scholar
• 5. Berg A.H., Drechsler C., Wenger J., Buccafusca R., Hod T., Kalim S.,Ramma W., Parikh S.M., Steen H., Friedman D.J., Danziger J., WannerC., Thadhani R., Karumanchi S.A.: Carbamylation of serum albuminas a risk factor for mortality in patients with kidney failure. Sci.Transl. Med., 2013; 5: 175ra29
  Google Scholar
• 6. Brouillette C.G., Anantharamaiah G.M., Engler J.A., Borhani D.W.:Structural models of human apolipoprotein A-I: a critical analysisand review. Biochim. Biophys. Acta, 2001; 1531: 4-46
  Google Scholar
• 7. Brzeszczynska J., Luciak M., Gwozdzinski K.: Alterations of erythrocytestructure and cellular susceptibility in patients with chronicrenal failure: effect of haemodialysis and oxidative stress. Free Radic.Res., 2008; 42: 40-48
  Google Scholar
• 8. Davies M.J.: Myeloperoxidase-derived oxidation: mechanismsof biological damage and its prevention. J. Clin. Biochem. Nutr.,2011; 48: 8-19
  Google Scholar
• 9. Ghaffari M.A., Shanaki M.: Evalution of in vitro effect of flavonoidson human low-density lipoprotein carbamylation. Iran. J. Pharm.Res., 2010; 9: 67-74
  Google Scholar
• 10. Gillery P.: Nonenzymatic post-translational modification derivedproducts: new biomarkers of protein aging. J. Med. Biochem.,2011; 30: 201-206
  Google Scholar
• 11. Gołębiowska-Staroszczyk S., Matysiak M., Adamowicz-SalachA., Albrecht-Stanisławska K., Sobocińska-Mirska A.: Erytropoetyna– alternatywne leczenie niedokrwistości u niemowląt. Hematologia,2011; 2: 71-82
  Google Scholar
• 12. Gonzalez P., Grisolia S.: Carbamylation of glutamate dehydrogenaseand other mitochondrial proteins by biosynthetic carbamylphosphate. Physiol. Chem. Phys., 1975; 7: 271-275
  Google Scholar
• 13. Hamouda A.R., Nabih E.S., Khalek S.A.: Novel equation for correctionof glycated hemoglobin and calculation of carbamylated hemoglobinin diabetic uremic patients. Res. J. Chem. Sci., 2013; 3: 6-11
  Google Scholar
• 14. Holzer M., Gauster M., Pfeifer T., Wadsack C., Fauler G., StieglerP., Koefeler H., Beubler E., Schuligoi R., Heinemann A., Marsche G.:Protein carbamylation renders high-density lipoprotein dysfunctional.Antioxid. Redox Signal., 2011; 14: 2337-2346
  Google Scholar
• 15. Hörkkö S., Huttunen K., Kervinen K., Kesäniemi Y.A.: Decreasedclearance of uraemic and mildly carbamylated low-density lipoprotein.Eur. J. Clin. Invest., 1994; 24: 105-113
  Google Scholar
• 16. Jaisson S., Delevallée-Forte C., Touré F., Rieu P., Garnotel R., GilleryP.: Carbamylated albumin is a potent inhibitor of polymorphonuclearneutrophil respiratory burst. FEBS Lett., 2007; 581: 1509-1513
  Google Scholar
• 17. Jaisson S., Gillery P.: Evaluation of nonenzymatic posttranslationalmodification-derived products as biomarkers of molecularaging of proteins. Clin. Chem., 2010; 56: 1401-1412
  Google Scholar
• 18. Jaisson S., Lorimier S., Ricard-Blum S., Sockalingum G.D., Delevallée-ForteC., Kegelaer G., Manfait M., Garnotel R., Gillery P.: Impactof carbamylation on type I collagen conformational structureand its ability to activate human polymorphonuclear neutrophils.Chem. Biol., 2006; 13: 149-159
  Google Scholar
• 19. Jaisson S., Pietrement C., Gillery P.: Carbamylation-derived products:bioactive compounds and potential biomarkers in chronic renalfailure and atherosclerosis. Clin. Chem., 2011; 57: 1499-1505
  Google Scholar
• 20. Jin K.: Effects of amino acids and albumin on erythropoietincarbamoylation. Clin. Exp. Nephrol., 2013; 17: 575-581
  Google Scholar
• 21. Kairaitis L.K., Yuill E., Harris D.C.: Determinants of haemoglobincarbamylation in haemodialysis and peritoneal dialysis patients.Nephrol. Dial. Transplant., 2000; 15: 1431-1437
  Google Scholar
• 22. Kalim S., Karumanchi S.A., Thadhani R.I., Berg A.H.: Proteincarbamylation in kidney disease: pathogenesis and clinical implications.Am. J. Kidney Dis., 2014; 64: 793-803
  Google Scholar
• 23. Kok M.B., Tegelaers F.P., van Dam B., van Rijn J.L., van Pelt J.:Carbamylation of albumin is a cause for discrepancies between albuminassays. Clin. Chim. Acta, 2014; 434: 6-10
  Google Scholar
• 24. Kraus L.M., Jones M.R., Kraus A.P. Jr.: Essential carbamoyl-aminoacids formed in vivo in patients with end-stage renal diseasemanaged by continuous ambulatory peritoneal dialysis: isolation,identification, and quantitation. J. Lab. Clin. Med., 1998; 131: 425-431
  Google Scholar
• 25. Kraus L.M., Kraus A.P. Jr.: Carbamoylation of amino acids andproteins in uremia. Kidney Int. Suppl., 2001; 78: S102-S107
  Google Scholar
• 26. Leggio C., Galantini L., Pavel N.V.: About the albumin structurein solution: cigar Expanded form versus heart Normal shape. Phys.Chem. Chem. Phys., 2008; 10: 6741-6750
  Google Scholar
• 27. Li Q., Ju Y., Jin T., Pang B., Deng J., Du T., Wang H.: HaemoglobinA₁c measurement in patients with chronic kidney disease. Clin.Biochem., 2014; 47: 481-484
  Google Scholar
• 28. Malyszko J., Malyszko J.S., Pawlak K., Mysliwiec M.: Hepcidin,iron status, and renal function in chronic renal failure, kidney transplantation,and hemodialysis. Am. J. Hematol., 2006; 81: 832-837
  Google Scholar
• 29. Meerwaldt R., Links T., Zeebregts C., Tio R., Hillebrands J.L., SmitA.: The clinical relevance of assessing advanced glycation endproductsaccumulation in diabetes. Cardiovasc. Diabetol., 2008; 7: 29
  Google Scholar
• 30. Mun K.C., Golper T.A.: Impaired biological activity of erythropoietinby cyanate carbamylation. Blood Purif., 2000; 18: 13-17
  Google Scholar
• 31. Mun K.C., Kim H.C., Kwak C.S.: Cyanate as a hemolytic factor.Ren. Fail., 2000; 22: 809-814
  Google Scholar
• 32. Nilsson L., Lundquist P., Kagedal B., Larsson R.: Plasma cyanateconcentrations in chronic renal failure. Clin. Chem., 1996; 42: 482-483
  Google Scholar
• 33. Park K.D., Mun K.C., Chang E.J., Park S.B., Kim H.C.: Inhibition of erythropoietinactivity by cyanate. Scand. J. Urol. Nephrol., 2004; 38: 69-72
  Google Scholar
• 34. Pieniążek A., Brzeszczyńska J., Gwoździński K.: Comparison carbamylationand oxidative damage in membrane proteins in humanerd blood cells. Proceedings of XI Meeting of the Society for FreeRadical Research International. Manduzzi Editore –MEDIMOND,2002; 685-688
  Google Scholar
• 35. Pieniążek A., Brzeszczyńska J., Kruszyńska I., Gwoździński K.:Investigation of albumin properties in patients with chronic renalfailure. Free Radic. Res., 2009; 43: 1008-1018
  Google Scholar
• 36. Pieniążek A., Gwoździński K.: Carbamylation of proteins leadsto alterations in the membrane structure of erythrocytes. Cell. Mol.Biol. Lett., 2003; 8: 127-131
  Google Scholar
• 37. Praschberger M., Hermann M., Laggner C., Jirovetz L., ExnerM., Kapiotis S., Gmeiner B.M., Laggner H.: Carbamoylation abrogatesthe antioxidant potential of hydrogen sulfide. Biochimie., 2013;95: 2069-2075
  Google Scholar
• 38. Ramponi G., Leaver J.L., Grisolia S.: Homocitrulline formationfollowing carbamylation of histones with carbamyl phosphate. FEBSLett., 1971; 16: 311-314
  Google Scholar
• 39. Roxborough H.E., Young I.S.: Carbamylation of proteins andatherogenesis in renal failure. Med. Hypotheses, 1995; 45: 125-128
  Google Scholar
• 40. Said G., Guilbert M., Millerot-Serrurot E., Van Gulick L., TerrynC., Garnotel R., Jeannesson P.: Impact of carbamylation and glycationof collagen type I on migration of HT1080 human fibrosarcomacells. Int. J. Oncol., 2012; 40: 1797-1804
  Google Scholar
• 41. Segrest J.P., Jones M.K., De Loof H., Dashti N.: Structure of apolipoproteinB-100 in low density lipoproteins. J. Lipid Res., 2001;42: 1346-1367
  Google Scholar
• 42. Selvaraj N., Bobby Z., Das A.K., Ramesh R., Koner B.C.: An evaluationof level of oxidative stress and protein glycation in nondiabeticundialyzed chronic renal failure patients. Clin. Chim. Acta,2002; 324: 45-50
  Google Scholar
• 43. Siewiera K., Labieniec-Watala M.: Ambiguous effect of dendrimerPAMAM G3 on rat heart respiration in a model of an experimentaldiabetes – Objective causes of laboratory misfortune or unpredictableG3 activity? Int. J. Pharm., 2012; 430: 258-265
  Google Scholar
• 44. Sirpal S.: Myeloperoxidase-mediated lipoprotein carbamylationas a mechanistic pathway for atherosclerotic vascular disease. Clin.Sci., 2009; 116: 681-695
  Google Scholar
• 45. Sun S., Zhou J.Y., Yang W., Zhang H.: Inhibition of protein carbamylationin urea solution using ammonium-containing buffers.Anal. Biochem., 2014; 446: 76-81
  Google Scholar
• 46. Trepanier D.J., Thibert R.J.: Carbamylation of erythrocyte membraneaminophospholipids: an in vitro and in vivo study. Clin. Biochem.,1996; 29: 333-345
  Google Scholar
• 47. Trepanier D.J., Thibert R.J., Draisey T.F., Caines P.S.: Carbamylationof erythrocyte membrane proteins: an in vitro and in vivo study.Clin. Biochem., 1996; 29: 347-355
  Google Scholar
• 48. Vos F.E., Schollum J.B., Coulter C.V., Doyle T.C., Duffull S.B., WalkerR.J.: Red blood cell survival in long-term dialysis patients. Am.J. Kidney Dis., 2011; 58: 591-598
  Google Scholar
• 49. Wang Z., Nicholls S.J., Rodriguez E.R., Kummu O., Hörkkö S., BarnardJ., Reynolds W.F., Topol E.J., DiDonato J.A., Hazen S.L.: Proteincarbamylation links inflammation, smoking, uremia and atherogenesis.Nat. Med., 2007; 13: 1176-1184
  Google Scholar
• 50. Wynckel A., Randoux C., Millart H., Desroches C., Gillery P., CanivetE., Chanard J.: Kinetics of carbamylated haemoglobin in acuterenal failure. Nephrol. Dial. Transplant., 2000; 15: 1183-1188
  Google Scholar

Pełna treść artykułu