Streszczenie

Karnozyna (beta-alanylo-L-histydyna) jest dwupeptydem, występującym w organizmie człowie­ka w różnych tkankach, m.in. w nerkach. Jest rozkładana w wyniku hydrolizy przez enzym kar­nozynazę. Wyróżnia się jej dwa izoenzymy: sekrecyjną surowiczą karnozynazę i cytosoliczną nieswoistą dipeptydazę, kodowane odpowiednio przez geny CNDP1 i CNDP2, zlokalizowane na chromosomie 18q22.3. Karnozyna hamuje powstawanie końcowych produktów zaawansowanej glikacji białek, wolnych rodników tlenowych, a także syntezę kolagenu VI i fibronektyny przez podocyty i komórki mezangialne w nerkach. Jest naturalnym inhibitorem enzymu konwertują­cego angiotensynę. Utrzymuje równowagę kwasowo-zasadową w tkankach i zmniejsza toksycz­ność jonów metali. W badaniach eksperymentalnych wykazano ponadto, że redukuje poziom prozapalnych i profibrotycznych cytokin. Dwupeptyd ten uważany jest za naturalną substancję hamującą procesy starzenia się ludzi o dobroczynnym wpływie na układ sercowo-naczyniowy. W pracy przedstawiono wyniki badań dotyczących roli karnozyny w chorobach nerek, zwłasz­cza w ostrej niewydolności nerek w przebiegu ich niedokrwienia/reperfuzji, w nefropatii cu­krzycowej, w nefrotoksyczności indukowanej gentamycyną oraz w regulacji ciśnienia tętniczego. Przeanalizowano zależności pomiędzy karnozyną a karnozynazą i polimorfizmami kodującymi ją genów. Omówiono znaczenie polimorfizmu genu CNDP1 w rozwoju nefropatii cukrzycowej i przewlekłej choroby nerek o niecukrzycowej etiologii. Ze względu na zaangażowanie karno­zyny w liczne szlaki metaboliczne uczestniczące w patofizjologii uszkodzenia nerek, a także jej nefroprotekcyjny charakter, karnozyna może mieć istotne znaczenie terapeutyczne. Istnieje po­trzeba dalszych badań nad metabolizmem tego dwupeptydu i jego biologicznymi właściwościa­mi, zwłaszcza w odniesieniu do ludzkiego organizmu.

Słowa kluczowe:karnozyna • karnozynazy • gen CNDP1 • choroby nerek

Summary

Carnosine (beta-alanyl-L-histidine) is an endogenously synthesized dipeptide which is present in different human tissues, including the kidney. Carnosine is hydrolyzed by the enzyme carnosina­se. There are two carnosinase homologues: serum secreted carnosinase and non-specific cytosolic dipeptidase, encoded by the genes CNDP1 and CNDP2 respectively and located on chromosome 18q22.3. Carnosine functions as a radical oxygen species scavenger and as a natural angioten­sin converting enzyme inhibitor. Carnosine inhibits advanced glycation end product formation and reduces the synthesis of matrix proteins such as fibronectin and collagen type VI of podocy­tes and mesangial cells. In experimental studies it was shown that carnosine reduces the level of proinflammatory and profibrotic cytokines. It is suggested that carnosine is a naturally occurring anti-aging substance in human organisms with a beneficial effect on the cardiovascular system.
This paper reports the results of studies concerning carnosine’s role in kidney diseases, particu­larly in ischemia/reperfusion induced acute renal failure, diabetic nephropathy, gentamicin-in­duced nephrotoxicity and also in blood pressure regulation. The correlations between serum car­nosine and serum carnosinase activity and polymorphism in the CNDP1 gene are analyzed. The role of CNDP1 gene polymorphism in the development of diabetic nephropathy and non-diabe­tic chronic kidney disease is discussed. Carnosine is engaged in different metabolic pathways. It has nephroprotective features. Further studies of carnosine metabolism and its biological pro­perties, particularly those concerning the human organism, are required.

Key words:carnosine • carnosinases • gene CNDP1 • kidney diseases

Wykaz skrótów:

ACE – konwertaza angiotensyny (angiotensin converting enzyme); AGEs – produkty zaawansowanej glikacji białek (advanced glycation end products); ATP – adenozynotrójfosforan; ESRD – schyłkowa niewydolność nerek (end stage renal disease); IL – interleukina; PChN – przewlekła choroba nerek.

Wprowadzenie

Karnozyna (beta-alanylo-L-histydyna) jest dwupeptydem, występującym w organizmie człowieka w różnych tkankach i narządach, m.in. w mięśniach szkieletowych, nerkach, żołądku, wątrobie i w ośrodkowym układzie nerwowym [29]. Jest syntetyzowana z L-histydyny i beta-alaniny w re­akcji katalizowanej przez syntetazę karnozynową z udzia­łem adenozynotrójfosforanu (ATP) [34,41]. Karnozyna jest rozkładana za pośrednictwem hydrolizy przez enzym kar­nozynazę na beta-alaninę i L-histydynę. Karnozynaza (di­peptydaza aminoacylohistydylowa), należąca do rodziny metaloproteaz (M20), występuje w organizmie człowieka w postaci dwóch izoenzymów: sekrecyjnej surowiczej kar­nozynazy (EC 3.4.13.20) o masie cząsteczkowej 167 kDa i tkankowej karnozynazy (EC 3.4.13.18), obecnie nazy­wanej cytozoliczną nieswoistą dipeptydazą, o masie czą­steczkowej 90 kDa [53]. Izoenzymy te są kodowane od­powiednio przez geny CNDP1 i CNDP2, umiejscowione na chromosomie 18 (18q22.3) [53].

Karnozyna i jej metabolity mogą podlegać dalszym prze­mianom [6,15,29]. W wyniku metylacji karnozyny powstaje anseryna lub ophidyna. Z kolei produktem dekarboksylacji histydyny jest histamina – mediator reakcji alergicznych i zapalnych. Beta-alanina stanowi niezbędny element koen­zymu A, może także stymulować syntezę kolagenu w tkan­kach [36]. Karnozyna w surowicy jest natychmiast meta­bolizowana, stąd jej stężenie w tym płynie ustrojowym jest bardzo niskie [15,24,39]. Wrodzony niedobór osoczowej karnozynazy prowadzi do rozwoju choroby dziedziczonej autosomalnie recesywnie, objawiającej się opóźnieniem umysłowym i wiąże się z występowaniem karnozynurii [34]. Wyższe stężenia karnozyny opisano w komórkach mięśni szkieletowych, serca i mózgu. Jej poziom był zależny m.in. od aktywności tkankowej karnozynazy [6,53]. Bardzo wy­sokie wewnątrzkomórkowe stężenia karnozyny odnotowa­no tylko przy braku enzymu katalizującego jej hydrolizę [15]. Uważa się także, że stężenie karnozyny w tkankach w pewnym stopniu zależy od pożywienia. W badaniach na szczurach wykazano, że dieta bogata w histydynę zwięk­sza stężenie karnozyny w mięśniach szkieletowych [49]. Z kolei suplementacja egzogenenną karnozyną powoduje wzrost jej zawartości w szkielecie szczurów, natomiast nie prowadzi do zwiększenia stężenia w sercu, wątrobie czy mięśniach poprzecznie prążkowanych [8]. Stwierdzono, że już w czasie jelitowej absorpcji karnozyny, zarówno u lu­dzi, jak i zwierząt, dochodzi do jej częściowej hydrolizy do L-histydyny i beta-alaniny [14,50].

Karnozyna hamuje powstawanie końcowych produktów za­awansowanej glikacji białek (AGEs – advanced glycation end products), wolnych rodników tlenowych, autokryn­ne wytwarzanie angiotensyny II i syntezę fibronektyny [5,16,20,21]. Utrzymuje równowagę kwasowo-zasadową w tkankach, zmniejsza toksyczność jonów metali i regu­luje aktywność retikularnych kanałów wapniowych, m.in. w kardiomiocytach [5,44]. Dwupeptyd ten uważany jest za naturalną substancję hamującą procesy starzenia się lu­dzi, o dobroczynnym wpływie na układ sercowo-naczynio­wy [5,18,19,44]. W badaniach eksperymentalnych wykaza­no ponadto, że karnozyna redukuje poziom prozapalnych i profibrotycznych cytokin, wśród nich transformujące­go czynnika wzrostu beta 1 (TGF-beta1 – transforming growth factor-beta type 1) i czynnika martwicy nowotwo­rów alfa (TNF-alfa – tumor necrosis factor-alpha) [10,23].

Z powyższego wynika, że karnozyna zaangażowana jest w szlaki metaboliczne, mogące uczestniczyć w patofizjolo­gii uszkodzenia nerek, a właściwości biologiczne dwupep­tydu sugerują jego nefroprotekcyjne działanie. Doniesienia na ten temat w piśmiennictwie są jednak nieliczne, podob­nie jak prace dotyczące karnozynazy.

Aktywność biologiczna karnozyny

Karnozyna działa antyoksydacyjnie. Unieczynnia rodniki hydroksylowe i nadtlenkowe, jest silnym „wymiataczem” tlenu singletowego [5,16,17,41]. Ze względu na swoje hy­drofilne właściwości uzupełnia cytosolową frakcję barie­ry antyoksydacyjnej i jest traktowana jako rozpuszczal­ny w wodzie odpowiednik lipofilnych antyoksydantów, np. alfa-tokoferolu [15,49]. U zwierząt doświadczalnych wykazano, że łączna suplementacja karnozyną i alfa-to­koferolem bardziej zwiększa stężenie obydwu związków w tkankach, aniżeli podanie samego alfa-tokoferolu, co sugeruje ich synergistyczne działanie [8]. Alfa-tokoferol jako przeciwutleniacz był wielokrotnie badany w różnych schorzeniach nerek. Między innymi u chorych hemodiali­zowanych wykazano, że obniża stres oksydacyjny i może chronić przed wtórnymi schorzeniami układu sercowo-na­czyniowego [9]. Dodatkowe podanie karnozyny być może spotęgowałoby to korzystne działanie. W badaniach eks­perymentalnych stwierdzono także, że karnozyna obniża stężenie dialdehydu malonylowego, wskaźnika peroksyda­cji lipidów, w sposób zależny od dawki [22].

Karnozyna wykazuje właściwości buforujące, co ma szcze­gólne znaczenie w tkankach, w których łatwo dochodzi do zaburzeń równowagi kwasowo-zasadowej [6,15]. Zawarte w cząsteczce dwupeptydu atomy azotu w imidazolowym pierścieniu histydyny mogą ulegać reakcji protonowania w miarę zakwaszania wewnątrzkomórkowego środowiska. W słabo alkalicznym pH karnozyna osłabia peroksydację lipidów. Wiąże metale ciężkie (cynk, kobalt, miedź), przez co hamuje wiele reakcji enzymatycznych [5]. W ten sposób może dochodzić do regulowania stężenia metali w tkan­kach i zmniejszenia ich toksyczności.

Karnozyna jest uważana za modulator odpowiedzi immu­nologicznej w ludzkich neutrofilach, w których zwiększa wytwarzanie interleukiny 1 beta (IL-1 beta) oraz hamuje procesy apoptozy [51].

Karnozyna odgrywa istotną rolę w regulacji stresu karbony­lowego. Wiąże reaktywne aldehydy, toksyczne dla komórek ze względu na przyłączanie się ich do białek i lipoprotein [1,6,15,17,19]. Może także wchodzić w reakcje z grupami karbonylowymi już zmodyfikowanych oksydacyjnie bia­łek. Ułatwia proces ich ubikwitynacji, stymuluje aktyw­ność degradacyjną proteasomów, przez co przyczynia się do utylizacji karbonylowanych białek, których gromadze­nie się w komórkach prowadzi do ich starzenia i śmierci.

McFarland i Holliday wykazali, że dodanie karnozyny do hodowli ludzkich fibroblastów wydłuża życie komórek (opóźnienie objawów starzenia się, zwiększenie liczby zaprogramowanych podziałów komórkowych) [33]. Efekt ten może wynikać z hamowania przez karnozynę skraca­nia telomerowych odcinków DNA [45]. Z kolei w bada­niach Sona i wsp. stwierdzono, że karnozyna uniemożliwia translację mRNA dla IL-8 poprzez blokowanie fosforylacji czynnika inicjującego eIF4E w aktywowanych komórkach nabłonka jelitowego i komórkach Caco2 [48]. W rezulta­cie synteza tej prozapalnej cytokiny ulega zmniejszeniu. Wykazano także, że karnozyna może blokować inne białka regulatorowe, takie jak kinazy ERK1/2 i p38MAP. W ba­daniach prowadzonych na Caenorhabditis elegans, mode­lowym organizmie w genetyce, wykazano, że u osobników z mutacją czynnika eIF4E, inicjującego translację mRNA, starzenie jest opóźnione, odporność na stres zwiększona, a okres życia ulega wydłużeniu [38]. Zdaniem Hipkissa, korzystny wpływ karnozyny na przeżycie ludzkich fibro­blastów może się dokonywać poprzez analogiczne me­chanizmy [18].

Karnozyna a choroby nerek

Karnozyna, dzięki swojej biologicznej aktywności przed­stawionej powyżej, może blokować patologiczne procesy w nerkach i hamować rozwój chorób tego narządu.

Niektórzy autorzy uważają, że dwupeptyd ten pośredni­czy w regulacji ciśnienia tętniczego, w której dominującą rolę odgrywają nerki [23,26,37,57]. Zdaniem Hou i wsp. karnozyna ma właściwości naturalnego inhibitora enzymu konwertującego angiotensynę (ACE – angiotensin conver­ting enzyme) [23]. Willi i wsp. opisali przypadek dziec­ka z hipotensją i podwyższonym surowiczym stężeniem karnozyny z powodu wrodzonego niedoboru karnozynazy [57]. W badaniach Niijima i wsp. wykazano, że u szczurów z nadciśnieniem tętniczym indukowanym octanem dezok­sykortykosteronu (DOCA) i sodem, stosowanie diety boga­tej w karnozynę powodowało obniżenie wartości ciśnienia [37]. Inni autorzy, również u szczurów z nadciśnieniem wy­wołanym jak wyżej, stwierdzili niskie stężenie karnozyny w mięśniach poprzecznie prążkowanych [26]. W badaniach Tanidy i wsp. zaobserwowano, że u szczurów znieczulo­nych uretanem, dożylne podanie L-karnozyny powodowało w nerkach zmniejszenie aktywności układu współczulne­go, będącego jednym z czynników patogenetycznych nadci­śnienia tętniczego [52]. Działanie hipotensyjne karnozyny i przewodnictwo w pozazwojowych włóknach sympatycz­nych, unerwiających nerkowe łożysko naczyniowe, zależa­ło od dawki peptydu. Według autorów tej pracy w działa­niu hipotensyjnym karnozyny pośredniczy histamina, jako produkt jej metabolizmu oraz neurony histaminergiczne w jądrze nadskrzyżowaniowym podwzgórza.

Badacze japońscy ocenili efekt renoprotekcyjny L-karnozyny u szczurów z ostrą niewydolnością nerek w przebiegu nie­dokrwienia/reperfuzji [11,12,28]. Molekularne mechani­zmy leżące u podłoża tego typu uszkodzenia nerek nie są do końca jasne. Wśród czynników przyczynowych wymie­niane są m.in. zmniejszenie ATP, reaktywne formy tlenu, aktywacja fosfolipazy i peptydy wazoaktywne. Podnoszone jest także wzmożenie aktywności układu współczulnego w nerkach, skutkujące zwiększonym uwalnianiem nora­drenaliny z zakończeń nerwowych. Przemawia za tym ob­serwowane u szczurów złagodzenie objawów tej posta­ci ostrej niewydolności nerek poprzez chirurgiczną lub farmakologiczną blokadę nerkowych włókien współczul­nych i w konsekwencji supresję podwyższonego stężenia noradrenaliny w naczyniach żylnych nerek [11]. Podobny efekt zaobserwowano po dożylnym podaniu szczurom L-karnozyny [12]. Zdaniem badaczy nefroprotekcyjne dzia­łanie karnozyny w uszkodzeniu nerek wywołanym niedo­krwieniem/reperfuzją jest ściśle związane z hamującym wpływem dwupeptydu na aktywność układu wspólczul­nego w nerkach, jakkolwiek możliwy jest także udział an­tyoksydacyjnych właściwości karnozyny [28]. Korzystne oddziaływanie karnozyny na przebieg ostrego uszkodzenia nerek stwierdzono także podczas jej doustnej suplementa­cji [13]. U szczurów, którym podawano karnozynę przez 2 tygodnie przed eksperymentalnym niedokrwieniem ne­rek, obserwowano zmniejszenie stopnia dysfunkcji nerek, a także histopatologicznych cech uszkodzenia w posta­ci martwicy cewek, proteinowych wałeczków w cewkach oraz przekrwienia rdzenia. Interesującym jest niewykaza­nie różnic w surowiczym stężeniu karnozyny w odniesie­niu do rodzaju diety (prawidłowa vs. zawierajaca karnozy­nę). W opinii autorów w ochronnym wpływie karnozyny na niedokrwienne uszkodzenie nerek może pośredniczyć histamina i aktywacja receptora H3 w centralnym układzie nerwowym. Hipoteza ta wymaga jednak dalszych badań.

Analizowano również wpływ karnozyny na nefrotoksycz­ność u szczurów indukowaną gentamycyną [47]. Po po­daniu antybiotyku w bioptatch nerek stwierdzono w kłę­buszkach poszerzenie włośniczek z ogniskami martwicy i fragmentację niektórych podocytów, a w cewkach prok­symalnych różnego stopnia martwicę. W grupie zwierząt, które jednocześnie otrzymały gentamycynę i karnozynę, odnotowano odbudowę prawidłowej struktury podocy­tów i cewek proksymalnych oraz istotną poprawę czyn­ności nerek (spadek stężenia kreatyniny o 72%, a mocz­nika o 33%). Działanie karnozyny, osłabiające polekową nefrotoksyczność Soliman i wsp. tłumaczą właściwościa­mi dwupeptydu: zdolnością do utrzymania płynności błon komórkowych, działaniem buforującym w cytoplazmie, łagodzeniem toksynopochodnego spadku aktywności an­tyoksydantów: dysmutazy nadtlenkowej, katalazy i gluta­tionu, a także zdolnością do „zmiatania” wolnych rodni­ków tlenowych, co zapobiega peroksydacji lipidów błon komórkowych oraz do odzyskiwania” tych, które uległy utlenowaniu [47].

Alhamdani i wsp. przeanalizowali wpływ karnozyny na po­wstawanie AGEs w płynie do dializy otrzewnowej (1,5% roztwór dekstrozy, Dianeal PD-2, Baxter, po sterylizacji cieplnej), który inkubowali z ludzką albuminą, kolage­nem typu IV, karnozyną, homokarnozyną i anseryną [1]. Wykazali, że karnozyna i pokrewne jej peptydy hamują modyfikację obu białek przez produkty degradacji gluko­zy, powstające in vitro w płynie dializacyjnym wskutek jego sterylizacji [1,2].

Przedmiotem badań pozostaje znaczenie karnozyny w cu­krzycy oraz jej powikłaniach. Nefropatia cukrzycowa na­leży do najczęstszych przyczyn schyłkowej niewydolności nerek w populacji dorosłych. Patomechanizm cukrzycowej choroby nerek nie jest do końca poznany [4]. Z badań kli­nicznych wynika, iż zasadnicze znaczenie ma hiperglikemia. Uważa się, że istotną rolę we wczesnych stadiach cukrzycy może odgrywać proliferacja komórek mezangium, indu­kowana przez wysokie stężenia glukozy. Rozplem komó­rek mezangialnych pod wpływem różnych bodźców zwią­zany jest z akumulacją macierzy i rozwojem stwardnienia kłębuszków nerkowych, co prowadzi do progresji choro­by nerek. Janssen i wsp. wykazali, że w hodowli ludzkich podocytów i komórek mezangialnych karnozyna ogranicza indukowane przez glukozę zwiększone wytwarzanie fibro­nektyny i kolagenu typu VI oraz TGF-beta2 [24]. Z kolei w hodowli szczurzych komórek mezangialnych w wyso­kich stężeniach glukozy stwierdzono, że karnozyna hamuje ich namnażanie i syntezę DNA w sposób zależny od daw­ki poprzez wpływ na cykl komórkowy, tj. wzrost populacji komórek w fazie G1 i zmniejszenie liczby komórek w fa­zie S [25]. Co więcej, odnotowano, że karnozyna obniża aktywność kinaz p-ERK i p-p38, których foforylacja jest stymulowana przez wysokie stężenia glukozy. Kinazy te od­grywają istotną rolę w kaskadach transdukcji sygnałów do wzrostu komórek i ich innych ważnych funkcji. Wykazano m.in. udział aktywacji kinazy p38 w patogenezie rozple­mu komórek i kumulacji macierzy zewnątrzkomórkowej w niedokrwiennym, toksycznym i zapalnym uszkodzeniu nerek oraz w nefropatii cukrzycowej [30,35]. W rozple­mie mezangium pod wpływem wysokich stężeń glukozy mają znaczenie również wolne rodniki tlenowe i AGEs. Do toksycznych aldehydów biorących udział w glikacji białek zaliczany jest metyloglioksal [21,30,31]. Sugeruje się, że jest on odpowiedzialny za większość powikłań narządo­wych cukrzycy [31]. Według Hipkissa karnozyna poprzez wpływ na szlak synałowy mTOR blokuje procesy glikoli­zy i zmniejsza wytwarzanie metyloglioksalu [19]. W tym kontekście ochronny wpływ karnozyny na tkankę nerko­wą może się dokonywać wielokierunkowo: poprzez blo­kowanie cyklu komórkowego, w sposób antyoksydacyjny i antyglikacyjny [25,46].

Inni autorzy wskazują, że suplementacja egzogenną kar­nozyną może chronić przed apoptozą kłębuszków nerko­wych w cukrzycy. W modelu doświadczalnym cukrzycy indukowanej streptozotocyną stwierdzono, że podawanie dwupeptydu powoduje odwrócenie zmian wywołanych hi­perglikemią [43]. Wykazano zmniejszenie liczby apopto­tycznych komórek kłębuszków nerkowych, a także reduk­cję odsetka utraconych podocytów, mimo podwyższonego poziomu w nerkach szczurów AGEs i zmodyfikowanych białek szlaku heksozaminy (GlcNA). Niezależnie zatem od biochemicznych zaburzeń, działanie ochronne kar­nozyny na nerki może wynikać z hamowania sygnałów proapoptotycznych.

Przedstawione obserwacje sugerują możliwość zasto­sowania w przyszłości karnozyny w leczeniu nefropatii cukrzycowej.

Karnozynaza

W przebiegu schorzeń nerek istotne znaczenie może mieć karnozynaza, rozkładająca karnozynę. Geny kodujące se­krecyjną surowiczą karnozynazę i cytosoliczną nieswoistą dipeptydazę (odpowiednio CNDP1 i CNDP2), są umiej­scowione na chromosomie 18q22.3 [53], którego powiąza­nie z cukrzycową chorobą nerek jest podkreślane w wielu publikacjach [4,24,40]. Gen CNDP1 składa się z 12 ekso­nów. Janssen i wsp. badając w 2005 r. polimorfizmy genu CNDP1 u chorych na cukrzycę w populacji rasy kauka­skiej i u Arabów z Kataru stwierdzili, że najbardziej zna­cząca jest asocjacja z markerem D18S880 (OR 4,77; 95% CI 1,01-22,5), kodującym trzynukleotydowe (CTG) po­wtórzenia w eksonie 2 [24]. Polimorfizm ten leży w 5′ kodującej części transkryptu, a więc liczba trójnukleoty­dowych powtórzeń bezpośrednio wpływa na liczbę reszt leucynowych w peptydzie sygnałowym prekursora kar­nozynazy: 5, 6 lub 7. W dalszej analizie stwierdzono, że najkrótsza forma alleliczna wariantu D18S880, tj. 5 (tzw. CNDP1 Mannheim) w mniejszym stopniu predysponuje do uszkodzenia nerek w przebiegu cukrzycy i jest związa­na z mniejszą aktywnością karnozynazy w surowicy aniże­li dłuższe formy alleliczne 6 i 7 [24]. Odwrotnie, większa liczba powtórzeń reszt leucyny w peptydzie sygnałowym miałaby usposabiać do rozwoju nefropatii w cukrzycy typu 1 i typu 2. Doniesienia innych autorów są odmienne. Wanic i wsp. wykluczyli polimorfizm genów CNDP1 i CNDP2 jako przyczynę nefropatii w cukrzycy typu 1 [56]. Także w populacji Afroamerykanów chorujących na cukrzycę typu 2 wariant D18S880 w genie CNDP1 nie był zwią­zany z nefropatią [32]. Podobne obserwacje odnosiły się do innych wariantów genu CNDP1 w grupie amerykań­skich Hindusów z ESRD w przebiegu cukrzycy [7]. Nie jest pewne, czy powyższe rozbieżności są przypadkowe, czy też odzwierciedlają różnorodne uwarunkowania gene­tyczne w odmiennych populacjach.

Ilościowe zależności między karnozyną a karnozynazą nie są proste [39,40]. Nie można tłumaczyć natężenia działa­nia karnozyny tylko w odniesieniu do aktywności karnozy­nazy. Surowicza karnozynaza rozkłada także inne peptydy histydynowe, tj. anserynę i homokarnozynę, ale karnozy­na pozostaje dla niej głównym substratem [29,53]. W ba­daniach Peters i wsp. u zdrowych dorosłych wykazano, że w porównaniu z karnozyną, homokarnozyna jest rozkła­dana prawie 50 razy wolniej, a anseryna prawie 200 [39]. Stwierdzono ponadto, że aktywność karnozynazy w su­rowicy jest bardzo zróżnicowana międzyosobniczo (np. w odniesieniu do karnozyny wynosi 0,9-5,9 umol/ml/h) i znacząco nie koreluje ze stężeniem dipeptydów histydy­nowych. Odnotowano również nieenzymatyczne hamowa­nie hydrolizy karnozyny przez homokarnozynę i anserynę. Obserwacje te sugerują, że stężenie karnozyny w surowicy, a zatem także efekty jej ogólnoustrojowych oddziaływań, nie zależą tylko od aktywności surowiczej karnozynazy, ale również od stężenia pozostałych dipeptydów histydy­nowych i ich transportu we krwi. Regulacja może się do­konywać także przez przechodzenie karnozyny do tka­nek i wydalanie jej przez nerki. Zdaniem Peters i wsp., ze względu na bardzo niskie stężenie karnozyny w surowicy i brak jego korelacji z aktywnością surowiczej karnozy­nazy, jest bardzo prawdopodobne, że w rozwoju nefropa­tii cukrzycowej decydujacą rolę odgrywa lokalny metabo­lizm karnozyny [39]. Przemawia za tym także odnotowana w badaniach Jansena i wsp. wysoka ekspresja genu CNDP1 w podocytach i komórkach nabłonka ściennego kłębusz­ków nerkowych u chorych z nefropatią cukrzycową [24].

W niedawno opublikowanej, kolejnej pracy Peters i wsp. przedstawiono wyniki badań nad nerkowym metaboli­zmem karnozyny u db/db myszy (mysi model nefropatii cukrzycowej) [40]. Stwierdzono zwiększoną aktywność karnozynazy i dziecięciokrotnie obniżone stężenie anser­ny w nerkach osobników z cukrzycą w porównaniu z grupą kontrolną, natomiast stężenie karnozyny istotnie nie różni­ło się. Zgodnie z wynikami badań Riedla i wsp. [42], za­sadnicze znaczenie dla sekrecji i aktywności karnozynazy w cukrzycy ma N-glikozylacja. Obserwowany wzrost ak­tywności karnozynazy u chorych myszy można więc tłu­maczyć hiperglikemią wskutek złej kontroli glukozy. W ba­daniach Peters i wsp. leczenie egzogenną karnozyną db/db myszy normalizowało aktywność karnozynazy i stęże­nia anseryny w nerkach, ponadto obniżało przepuszczal­ność naczyń nerkowych, zmniejszało proteinurię i glike­mię [40]. Autorzy wskazują na dwa mechanizmy obniżenia aktywności karnozynazy pomimo dostarczania substratu dla enzymu: zmniejszenie stężenia glukozy we krwi, po­wodujące redukcję N-glikozylacji karnozyny oraz wzrost stężenia anseryny jako produktu egzogennej karnozyny.

Znaczenie polimorfizmu genu CNDP1 i aktywności kar­nozynazy było także badane w rozwoju przewlekłej cho­roby nerek o niecukrzycowej etiologii [27]. W badaniach rodzin obejmujących dziecko z przewlekłą chorobą nerek (PChN) i dwoje jego biologicznych, zdrowych rodziców, nie stwierdzono istotnych różnic w przekazywaniu alleli polimorfizmu genu CNDP1 od heterozygotycznych rodzi­ców chorych na PChN w przebiegu przewlekłego cewko­wo-śródmiąższowego zapalenia nerek. Sugeruje to, że po­limorfizm ten nie ma znaczenia w rozwoju niewydolności nerek u pacjentów cierpiących na to schorzenie. Wykazano natomiast związek polimorfizmu CNDP1 z rozwojem PChN w przebiegu glomerulopatii. Odmiennie jednak niż u osób z nefropatią cukrzycową, najkrótsza forma alleliczna wa­riantu D18S880, tj. 5, w większym stopniu predyspono­wała do uszkodzenia nerek [27]. Ci sami autorzy stwier­dzili istotnie większą aktywność karnozynazy w surowicy osób chorych w porównaniu do obserwowanej u ich ro­dziców, niewykazujących cech dysfunkcji nerek, co może przemawiać za patofizjologiczną rolą tego enzymu w roz­woju różnych nefropatii, nie tylko o cukrzycowej etiolo­gii. Interpretacja powyższych wyników musi być ostrożna. Obecnie wiadomo, że wiele czynników może wpływać na aktywność karnozynazy [40,42,43]. Większa aktywność karnozynazy i zakładane w konsekwencji niższe stężenie jej naturalnego substratu – karnozyny, może być przejawem osłabienia antyoksydacyjnego i cytoprotekcyjnego działa­nia tego dwupeptydu w PChN. Pod uwagę muszą być bra­ne także zaburzenia metabolizmu peptydów histydynowych i/lub brak właściwych reakcji adaptacyjnych nerek obję­tych procesem chorobowym. W badaniach różnych auto­rów nie potwierdzono opisywanego przez Jansena i wsp. istotnego statystycznie związku między genotypem wa­riantu D18S880 genu CNDP1 a aktywnością karnozyna­zy w surowicy [7,27]. Zaobserwowano natomiast tenden­cję do mniejszej aktywności enzymu u osób z genotypem 6-6 w porównaniu do nosicieli genotypów 5-6 i 6-7 [27]. Jednym z silnych aktywatorów karnozynazy jest kadm [29,53]. W zaawansowanych stadiach PChN dochodzi do kumulacji tego pierwiastka w organizmie, m.in. w nerkach i w kościach [55]. Podwyższone stężenie kadmu stwier­dzono we krwi pacjentów leczonych nerkozastępczo [54]. Wykazuje on działanie prooksydacyjne, polegające m.in. na obniżeniu stężenia antyoksydantów we krwi. Kadm pro­wadzi do zmiany aktywności enzymów, zależnej od jo­nów metali. Nie można wykluczyć, że wzrost aktywności karnozynazy w surowicy chorych na PChN związany jest z kumulacją tego pierwiastka śladowego.

Podsumowanie

W 2005 r. określono karnozynę jako „zapomniany i tajem­niczy peptyd” [3]. Badania, w większości eksperymental­ne, nad tym naturalnie występującym związkiem, o licz­nych właściwościach biologicznych wciąż trwają, dalej jednak nie uzyskano odpowiedzi na wiele pytań związa­nych z jego metabolizmem i funkcjami w organizmie czło­wieka. Karnozyna w surowicy występuje w bardzo niskich stężeniach, na granicy wykrywalności, co stwarza ograni­czenia badawcze, ale jej udział w licznych metabolicznych szlakach inspiruje do dalszych poszukiwań. Potrzeba ich istnieje szczególnie w schorzeniach nerek ze względu na nefroprotekcyjny charakter karnozyny. W 2011 r. opisa­no karnozynę jako imitator rapamycyny, makrolidu m.in. wykazującego właściwości immunosupresyjne i antypro­liferacyjne o uznanej pozycji w nefrologii i transplantolo­gii [19]. Karnozyna, tak jak rapamycyna, ma regulować fosforylację czynnika inicjującego wiązanie białek szla­ku mTOR/FRAP. Nadzieje terapeutyczne wiązane z tym dwupeptydem wzrastają.

PIŚMIENNICTWO

[1] Alhamdani M.S., Al-Azzawie H.F., Abbas F.K.: Decreased formation of advanced glycation end-products in peritoneal fluid by carnosine and related peptides. Perit. Dial. Int., 2007; 27: 86-89
[PubMed]  [Full Text PDF]  

[2] Alhamdani M.S., Al-Kassir A.H., Abbas F.K., Jaleel N.A., Al-Taee M.F.: Antiglycation and antioxidant effect of carnosine against glucose degradation products in peritoneal mesothelial cells. Nephron Clin. Pract., 2007; 107: c26-c34
[PubMed]  

[3] Bauer K.: Carnosine and homocarnosine, the forgotten, enigmatic peptides of the brain. Neurochem. Res., 2005; 30: 1339-1345
[PubMed]  

[4] Blázquez-Medela A.M., López-Novoa J.M., Martínez-Salgado C.: Mechanisms involved in the genesis of diabetic nephropathy. Curr. Diabetes Rev., 2010; 6: 68-87
[PubMed]  

[5] Boldyrev A.A.: Problems and perspectives in studying the biological role of carnosine. Biochemistry (Mosc), 2000; 65: 751-756
[PubMed]  

[6] Boldyrev A.A., Severin S.E.: The histidine-containing dipeptides, carnosine and anserine: distribution, properties and biological significance. Adv. Enzyme Regul., 1990; 30: 175-194
[PubMed]  

[7] Chakkera H.A., Hanson R.L., Kobes S., Millis M.P., Nelson R.G., Knowler W.C., Distefano J.K.: Association of variants in the carnosine peptidase 1 gene (CNDP1) with diabetic nephropathy in American Indians. Mol. Genet. Metab., 2011; 103; 185-190
[PubMed]  

[8] Chan W.K., Decker E.A., Chow C.K., Boissonneault G.A.: Effect of dietary carnosine on plasma and tissue antioxidant concentrations and on lipid oxidation in rat skeletal muscle. Lipids, 1994; 29: 461-466
[PubMed]  

[9] Coombes J.S., Fassett R.G.: Antioxidant therapy in hemodialysis patients: a systematic review. Kidney Int., 2012; 81: 233-246
[PubMed]  

[10] Cuzzocrea S., Genovese T., Failla M., Vecchio G., Fruciano M., Mazzon E., Di Paola R., Muia C., La Rosa C., Crimi N., Rizzarelli E., Vancheri C.: Protective effect of orally administered carnosine on bleomycin-induced lung injury. Am. J. Physiol. Lung Cell. Mol. Physiol., 2007; 292: L1095-L1104
[PubMed]  [Full Text HTML]  [Full Text PDF]  

[11] Fujii T., Kurata H., Takaoka M., Muraoka T., Fujisawa Y., Shokoji T., Nishiyama A., Abe Y., Matsumura Y.: The role of renal sympathetic nervous system in the pathogenesis of ischemic acute renal failure. Eur. J. Pharmacol., 2003; 481: 241-248
[PubMed]  

[12] Fujii T., Takaoka M., Muraoka T., Kurata H., Tsuruoka N., Ono H., Kiso Y., Tanaka T., Matsumura Y.: Preventive effect of L-carnosine on ischemia/reperfusion-induced acute renal failure in rats. Eur. J. Pharmacol., 2003; 474: 261-267
[PubMed]  

[13] Fujii T., Takaoka M., Tsuruoka N., Kiso Y., Tanaka T., Matsumura Y.: Dietary supplementation of L-carnosine prevents ischemia/reperfusion-induced renal injury in rats. Biol. Pharm. Bull., 2005; 28: 361-363
[PubMed]  [Full Text PDF]  

[14] Gardner M.L., Illingworth K.M., Kelleher J.,Wood D.: Intestinal absorption of the intact peptide carnosine in man, and comparison with intestinal permeability to lactulose. J. Physiol., 1991; 439: 411-422
[PubMed]  [Full Text HTML]  [Full Text PDF]  

[15] Gariballa S.E., Sinclair A.J.: Carnosine: physiological properties and therapeutic potential. Age Ageing, 2000; 29: 207-210
[PubMed]  [Full Text PDF]  

[16] Guiotto A., Calderan A., Ruzza P., Borin G.: Carnosine and carnosine-related antioxidants: a review. Curr. Med. Chem., 2005; 12: 2293-2315
[PubMed]  

[17] Hipkiss A.R.: Carnosine and its possible roles in nutrition and health. Adv. Food. Nutr. Res., 2009; 57: 87-154
[PubMed]  

[18] Hipkiss A.R.: On the enigma of carnosine’s anti-ageing actions. Exp. Gerontol., 2009; 44: 237-242
[PubMed]  

[19] Hipkiss A.R.: Energy metabolism, proteotoxic stress and age-related dysfunction – protection by carnosine. Mol. Aspects Med., 2011; 32: 267-278
[PubMed]  

[20] Hipkiss A.R., Brownson C.: A possible new role for the anti-ageing peptide carnosine. Cell. Mol. Life Sci., 2000; 57: 747-753
[PubMed]  

[21] Hipkiss A.R., Chana H.: Carnosinase protects proteins against methylgloxal-mediated modifications. Biochem. Piophys. Res. Commun., 1998; 248: 28-32
[PubMed]  

[22] Hipkiss A.R., Worthington V.C., Himsworth D.T., Herwig W.: Protective effects of carnosine against protein modification mediated by malondialdehyde and hypochlorite. Biochim. Biophys. Acta, 1998; 1380: 46-54
[PubMed]  

[23] Hou W.C., Chen H.J., Lin Y.H.: Antioxidant peptides with angiotensin converting enzyme inhibitory activities and applications for angiotensin converting enzyme purification. J. Agric. Food Chem., 2003; 51: 1706-1709
[PubMed]  

[24] Janssen B., Hohenadel D., Brinkkoetter P., Peters V., Rind N., Fischer C., Rychlik I., Cerna M., Romzova M., de Heer E., Baelde H., Bakker S.J., Zirie M., Rondeau E., Mathieson P., Saleem M.A., Meyer J., Köppel H., Sauerhoefer S., Bartram C.R., Nawroth P., Hammes H.P., Yard B.A., Zschocke J, van der Woude F.J.: Carnosine as a protective factor in diabetic nephropathy: association with a leucine repeat of the carnosinase gene CNDP1. Diabetes, 2005; 54: 2320-2327
[PubMed]  [Full Text HTML]  [Full Text PDF]  

[25] Jia H., Qi X., Fang S., Jin Y., Han X. Wang Y., Wang A, Zhou H.: Carnosine inhibits high glucose-induced mesangial cell proliferation through mediating cell cycle progression. Regul. Pept., 2009; 154: 69-76
[PubMed]  

[26] Johnson P., Hammer J.L.: Histidine dipeptide levels in aging and hypertensive rat skeletal and cardiac muscles. Comp. Biochem. Physiol. B., 1992; 103: 981-984
[PubMed]  

[27] Kiliś-Pstrusińska K., Zwolińska D., Grzeszczak. W., Study Group: Is carnosinase 1 gene (CNDP1) polymorphism associated with chronic kidney disease progression in children and young adults? Results of a family-based study. Arch. Med. Res., 2010; 41: 356-362
[PubMed]  

[28] Kurata H., Fujii T., Tsutsui H., Katayama T., Ohkita M., Takaoka M., Tsuruoka N., Kiso Y., Ohno Y., Fujisawa Y., Shokoji T., Nishiyama A., Abe Y., Matsumura Y.: Renoprotective effects of l-carnosine on ischemia/reperfusion-induced renal injury in rats. J. Pharmacol. Exp. Ther., 2006; 319: 640-647
[PubMed]  [Full Text HTML]  [Full Text PDF]  

[29] Lenney J.F., George R.P., Weiss A.M., Kucera C.M., Chan P.W., Rinzler G.S.: Human serum carnosinase: characterization, distinction from cellular carnosinase, and activation by cadmium. Clin. Chim. Acta, 1982; 123: 221-231
[PubMed]  

[30] Liu B.F., Miyata S., Hirota Y., Higo S., Miyazaki H., Fukunaga M., Hamada Y., Ueyama S., Muramoto O., Uriuhara A., Kasuga M.: Methylglyoxal induces apoptosis through activation of p38 mitogen-activated protein kinase in rat mesangial cells. Kidney Int., 2003; 63: 947-957
[PubMed]  

[31] Maher P., Dargusch R., Ehren J.L., Okada S., Sharma K., Schubert D.: Fisetin lowers methylglyoxal dependent protein glycation and limits the complications of diabetes. PLoS One, 2011; 6: e21226
[PubMed]  [Full Text HTML]  [Full Text PDF]  

[32] McDonough C.W., Hicks P.J., Lu L., Langefeld C.D., Freedman B.I., Bowden D.W.: The influence of carnosinase gene polymorphisms on diabetic nephropathy risk in African-Americans. Hum. Genet., 2009; 126: 265-275
[PubMed]  [Full Text HTML]  [Full Text PDF]  

[33] McFarland G.A., Holliday R.: Further evidence for the rejuvenating effects of the dipeptide L-carnosine on cultured human diploid fibroblasts. Exp. Gerontol., 1999; 34: 35-45
[PubMed]  

[34] Murray R.K., Granner D.K., Mayes P.A, Rodwell V.W.: Biochemia Lekarska, PZWL, Warszawa 1996, 414-415

[35] Nagai K., Niijima A., Yamano T., Otani H., Okumra N., Tsuruoka N., Nakai M., Kiso Y.: Possible role of L-carnosine in the regulation of blood glucose through controlling autonomic nerves. Exp. Biol. Med. (Maywood), 2003; 228: 1138-1145
[PubMed]  [Full Text HTML]  [Full Text PDF]  

[36] Nagai K., Suda T.: Realization of spontaneous healing function by carnosine. Methods Find. Exp. Clin. Pharmacol., 1988; 10: 497-507
[PubMed]  

[37] Niijima A., Okui T., Matsumura Y., Yamano T., Tsuruoka N., Kiso Y., Nagai K.: Effects of L-carnosine on renal sympathetic nerve activity and DOCA-salt hypertension in rats. Auton. Neurosci., 2002; 97: 99-102
[PubMed]  

[38] Pan K.Z., Palter J.E., Rogers A.N., Olsen A., Chen D., Lithgow G.J., Kapahi P.: Inhibition of mRNA translation extends lifespan in Caenorhabditis elegans. Aging Cell, 2007; 6: 111-119
[PubMed]  [Full Text HTML]  [Full Text PDF]  

[39] Peters V., Jansen E.E., Jakobs C., Riedl E., Janssen B., Yard B.A, Wedel J., Hoffmann G.F., Zschocke J., Gotthardt D., Fischer C., Köppel H.: Anserine inhibits carnosine degradation but in human serum carnosinase (CN1) is not correlated with histidine dipeptide concentration. Clin. Chim. Acta, 2011; 412: 263-267
[PubMed]  

[40] Peters V., Schmitt C.P., Zschocke J., Gross M.L., Brismar K., Forsberg E.: Carnosine treatment largely prevents alterations of renal carnosine metabolism in diabetic mice. Amino Acids., 2011 (w druku)
[PubMed]  

[41] Quinn P.J., Boldyrev A.A., Formazuyk V.E.: Carnosine: its properties, functions and potential therapeutic applications. Mol. Aspects Med., 1992; 13: 379-444
[PubMed]  

[42] Riedl E., Koeppel H., Pfister F., Peters V., Sauerhoefer S., Sternik P., Brinkkoetter P., Zentgraf H., Navis G., Henning R.H., Van Den Born J., Bakker S.J., Janssen B., van der Woude F.J., Yard B.A.: N-glycosylation of carnosinase influences protein secretion and enzyme activity: implications for hyperglycemia. Diabetes, 2010; 59: 1984-1990
[PubMed]  [Full Text HTML]  [Full Text PDF]  

[43] Riedl E., Pfister F., Braunagel M., Brinkkötter P., Sternik P., Deinzer M., Bakker S.J., Henning R.H., van den Born J., Krämer B.K., Navis G., Hammes H.P., Yard B., Koeppel H.: Carnosine prevents apoptosis of glomerular cells and podocyte loss in STZ diabetic rats. Cell. Physiol. Biochem., 2011; 28: 279-288
[PubMed]  

[44] Roberts P.R., Zaloga G.P.: Cardiovascular effects of carnosine. Biochemistry (Mosc), 2000; 65: 856-861
[PubMed]  

[45] Shao L., Li Q.H., Tan Z.: L-carnosine reduces telomere damage and shortening rate in cultured normal fibroblasts. Biochem. Biophys. Res. Commun., 2004; 324: 931-936
[PubMed]  

[46] Sodhi C.P., Phadke S.A., Batlle D., Sahai A.: Hypoxia and high glucose cause exaggerated mesangial cell growth and collagen synthesis: role of osteopontin. Am. J. Physiol. Renal. Physiol., 2001; 280: F667-F674
[PubMed]  [Full Text HTML]  [Full Text PDF]  

[47] Soliman K.M., Abdul-Hamid M., Othman A.I.: Effect of carnosine on gentamicin-induced nephrotoxicity. Med. Sci. Monit., 2007; 13: BR73-BR83
[PubMed]  

[48] Son D.O., Satsu H., Kiso Y., Totsuka M., Shimizu M.: Inhibitory effect of carnosine on interleukin-8 production in intestinal epithelial cells through translational regulation. Cytokine, 2008; 42: 265-276
[PubMed]  

[49] Tamaki N., Funatsuka A., Fujimoto S., Hama T.: The utilization of carnosine in rats fed on a histidine-free diet and its effect on the levels of tissue histidine and carnosine. J. Nutr. Sci. Vitaminol. (Tokyo), 1984; 30: 541-551
[PubMed]  

[50] Tamaki N., Ikeda T., Fujimoto S., Mizutani N.: Carnosine as a histidine source: transport and hydrolysis of exogeneous carnosine by rat intestine. J. Nutr. Sci. Vitaminol., 1985; 31: 607-618
[PubMed]  

[51] Tan K.M., Candlish J.K.: Carnosine and anserine as modulators of neutrophil function. Clin. Lab. Haematol., 1998; 20: 239-244
[PubMed]  

[52] Tanida M., Niijima A., Fukuda Y., Sawai H., Tsuruoka N., Shen J., Yamada S., Kiso Y., Nagai K.: Dose-dependent effects of L-carnosine on the renal sympathetic nerveand blood pressure in urethane-anesthetized rats. Am. J. Physiol. Regul. Integr. Comp. Physiol., 2005; 288: R447-R455
[PubMed]  [Full Text HTML]  [Full Text PDF]  

[53] Teufel M., Saudek V., Ledig J.P., Bernhardt A., Boularand S., Carreau A., Cairns N.J., Carter C., Cowley D.J., Duverger D., Ganzhorn A.J., Guenet C., Heintzelmann B., Laucher V., Sauvage C., Smirnova T.: Sequence identification and characterization of human carnosinase and a closely related non-specific dipeptidase. J. Biol. Chem., 2003; 278: 6521-6531
[PubMed]  [Full Text HTML]  [Full Text PDF]  

[54] Van Renterghem D., Cornelis R., Vanholder R.: Behaviour of 12 trace elements in serum of uremic patients on hemodiafiltration. J. Trace Elem. Electrolytes Health. Dis., 1992; 6: 169-174
[PubMed]  

[55] Vanholder R., Cornelis R., Dhondt A., Lameire N.: The role of trace elements in uraemic toxicity. Nephrol. Dial. Transplant., 2002; 17, Suppl 2: 2-8
[PubMed]  [Full Text PDF]  

[56] Wanic K., Placha G., Dunn J., Smiles A., Warram J.H., Krolewski A.S.: Exclusion of polymorphisms in carnosinase genes (CNDP1 and CNDP2) as a cause of diabetic nephropathy in type 1 diabetes: results of large case-control and follow-up studies. Diabetes, 2008; 57: 2547-2551
[PubMed]  [Full Text HTML]  [Full Text PDF]  

[57] Willi S.M., Zhang Y., Hill J.B., Phelan M.C., Michaelis R.C., Holden K.R.: A deletion in the long arm of chromosome 18 in a child with serum carnosinase deficiency. Pediatr. Res., 1997; 41: 210-213
[PubMed]  

Autorka deklaruje brak potencjalnych konfliktów interesów.

Pełna treść artykułu