Электронный научный журнал
Международный студенческий научный вестник
ISSN 2409-529X

КАДАВЕРИН КАК УЧАСТНИК ВЗАМООТНОШЕНИЙ ПРО- И ЭУКАРИОТИЧЕСКИХ КЛЕТОК

Морозов И.А. 1
1 ФГОБУ ВО «Пермский государственный медицинский университет им. акад. Е.А. Вагнера» Минздрава России
Многие люди за свою жизнь не раз слышали такое словосочетание как «трупный яд». Но с научной точки зрения это понятие неверно. Под этой фразой обыватели подразумевают кадаверин. В настоящей статье дана общая характеристика этого химического соединения, описано появление термина «трупный яд» и раскрыты механизмы синтеза и его регуляции. Особое внимание уделено взаимоотношению про- и эукариотических клеток при участии кадаверина т.к. последний способен изменять его. Кадаверин входит в состав некоторых клеточных структур, но главная его функция – это способность выступать в роли не специфического адаптострессового агента/антигена для патогенных микроорганизмов. Кадаверин позволяет им проникать, выживать и размножаться в организме человека, обуславливая патологические процессы в организме человека. Наиболее важное влияние кадаверин оказывает при кислородном, кислотном стрессе, защищая бактерии. Это обусловлено его антиоксидантной способностью. В статье рассмотрено влияние кадаверина на такие микроорганизмы как E. сoli, Salmonella typhimurium, Selenomonas ruminantium subsp,. Lactilytica, Vibrio cholerae. Помимо этого, существует такая химическая модификация кадаверина как дансилкадаверин. Он получил применения в научных исследования.
кадаверин
синтез кадаверина
регуляция синтеза кадаверина
кадаверин и бактерии
1. Сизова Ю.В., Писанов Р.В., Бурлакова О.С., Черепахина И.Я., Балахнова В.В. Роль кадаверина в адаптации холерных вибрионов к стрессу, обусловленному гипоксией //Проблемы особо опасных инфекций -2016. - № 2. - С. 87-90
2. Дрюченко Е. А., Куликова М. Н. Кадаверин и его возможная роль во взаимоотношениях паразита и хозяина при аскаридозе// Паразитология - 1984. - XVIII, 4. - С. 291-295
3. Alhonen-Hongisto L., Seppänen P., Hölttä E., Jänne J. Replacement of natural polyamines by cadaverine and its aminopropyl derivatives in Ehrlich ascites carcinoma cells. // Biochemical and biophysical research communications - 1982. - Vol. 106(2) - P. 291-297.
4. Bhatia S., Kim Y., Kim H., Seo H., Kim J., Song H., Sathiyanarayanan G, Park S., Park K., Yang Y. Biotransformation of lysine into cadaverine using barium alginate-immobilized Escherichia coli overexpressing CadA // Bioprocess and Biosystems Engineering - 2015. - Vol. 38(12) – P. 2315-2322.
5. Davies P., Cornwell M., Johnson J., Reggianni A, Myers M, Murtaugh M. Studies on the effects of dansylcadaverine and related compounds on receptor-mediated endocytosis in cultured cells // Diabetes Care - 1984. - Vol. 1- P. 35-41.
6. De Filippis F., Pennacchia C., Di Pasqua R., Fiore A., Fogliano V., Villani F., Ercolini D. /Decarboxylase gene expression and cadaverine and putrescine production by Serratia proteamaculans in vitro and in beef // International journal of food microbiology - 2013. - Vol. 165(3). - P. 332-338.
7. Haneburger I., Fritz G., Jurkschat N., Tetsch L., Eichinger A., Skerra A., Gerland U., Jung K. Deactivation of the E. coli pH stress sensor CadC by cadaverine // Journal of Molecular Biology - 2012. - Vol. 424(1-2) - P. 15-27.
8. Kamio Y., Itoh Y., Terawaki Y., Kusano T. Cadaverine is covalently linked to peptidoglycan in Selenomonasruminantium // Journal of Bacteriology - 1981. - Vol. 145(1). - P. 122–128.
9. Kang IH, Kim JS, Kim EJ, Lee JK. Cadaverine protects Vibrio vulnificus from superoxide stress // Journal of Microbiology and Biotechnology - 2007. -Vol.17(1). - P. 176-179.
10. Leena Alhonen-Hongisto and Juhani J. Polyamine depletion induces enhanced synthesis and accumulation of cadaverine in cultured Ehrlich ascites carcinoma cells // Biochemical and biophysical research communications – 1980. Vol. 93(4). - P. 1005-1013.
11. Leistner E., Spenser I. Biosynthesis of the piperidine nucleus. Incorporation of chirally labeled (1-3H) cadaverine. // Journal of the american chemical society - 1973. - Vol. 95(14) - P. 4715-4725.
12. Ma W., Cao W., Zhang H., Chen K., Li Y., Ouyang P. Enhanced cadaverine production from L-lysine using recombinant Escherichia coli co-overexpressing CadA and CadB // Biotechnology Letters - 2015. - Vol. 37(4) - P. 799-806.
13. Ming Li, Dongxia Li, Yunyan Huang, Meng Liu, Hongxin Wang, Qi Tang, Fuping Lu Improving the secretion of cadaverine in Corynebacterium glutamicum by cadaverine–lysine antiporter // Journal of Industrial Microbiology & Biotechnology 2014. – Vol. 41(4). – P. 701-709
14. Park S., Soetyono F., Kim H. Cadaverine Production by Using Cross-Linked Enzyme Aggregate of Escherichia coli Lysine Decarboxylase // Journal of Microbiology and Biotechnology - 2017. - Vol. 27(2) - P. 289-296.
15. Pegg A.E. Functions of Polyamines in Mammals // Journal Biological Chemistry - 2016. - Vol. 291(29). - P. 14904–14912.
16. Peter P., McCann,Chantalv Tardif, Anthony E. Pegg, Keith Diekemaa
The dual action of the non-physiological diamines 1,3 diaminopropane and cadaverine on ornithine decarboxylase of HTC cells // Life sciences – 1980. - Vol 26(23). - P. 2003-20010
17. Ray El., Samanta AK. Dansyl cadaverine regulates ligand induced endocytosis of interleukin-8 receptor in human polymorphonuclear neutrophils // FEBS letters – 1996. - Vol. 378(3). - P. 235-239.
18. Schayer R., Smiley R., Kennedy J. Diamine oxidase and cadaverine metabolism // The Journal of biological chemistry -1954. - Vol. 206(1) - P. 461-464.
19. Shin J., Joo J., Lee E., Hyun S., Kim H., Park S., Yang Y., Park K. Characterization of a Whole-Cell Biotransformation Using a Constitutive Lysine Decarboxylase from Escherichia coli for the High-Level Production of Cadaverine from Industrial Grade L-Lysine // Applied of Biochemistry Biotechnology - 2018. - Vol. 185(4) - P. 909-924.
20. Soysa R., Venselaar H., Poston J., Ullman B., Hasne MP. Structural model of a putrescine-cadaverine permease from Trypanosoma cruzi predicts residues vital for transport and ligand binding // The biochemical journal - 2013. - Vol. 452(3). - P. 423-432.
21. Weichao Ma, Kequan Chena, Yan Li , Ning Hao , Xin Wang, Pingkai Ouyang Advances in Cadaverine Bacterial Production and Its Applications // Applied microbiology and biotechnology - 2011. - Vol. 91(1). - P. 17-30

Полиамины представляют собой уникальнуюбиохимическуюгруппу, которая играет важную роль взащитных реакциях организма. Косновным полиаминам животных тканей относятся спермин,спермидин, путресцин и кадаверин. Спермин испермидин являются низкомолекулярными эндогенными поликатионами иимеют соответственно 4 и3 основные группы. Путресцин икадаверин содержат подве аминогруппы. Спермин, спермидин и путресцин достаточно хорошо изучались последнее время в связи с ихролью в регуляции биосинтеза белка, РНК, ДНК, пролиферации и апоптоза, развитии онкопроцессов, модулировании нейромедиаторов ГМ. Однако кадаверин незаслуженно оставался в стороне от взгляда исследователей и в своей статье я хотел бы рассказать о нем.

Безымян2ный

Рисунок 1. Химическая формула кадаверина.

Кадаверин – (лат. cadaver- труп) α,β-пентаметилдиамин (1,5-диаминопентан) продукт ферментативного декарбоксилирования лизина, образуется при разложении белков. У живого человека образуется преимущественно в толстой кишке под действием микрофлоры, в процессе известном как гниение белков. Кадаверин найден в рожках спорыньи, мухоморах, боровиках, белене, белладонне, дурмане, сое и других продуктах растительного происхождения.Представляет собой бесцветную жидкость с плотностью 0,870 г/см3 и температурой кипения 178-179°C. Кадаверин легко растворим в воде и спирте, даёт хорошо кристаллизующиеся соли.Является сильным основанием, его химические свойства определяются двумя аминогруппами. Замерзает при +9°C.Кадаверин имеет очень сильный трупный запах, за что получил свое название. Имеется в свободной форме как в разлагающейся биомассе животных и растительных организмов, так и в живых организмах.

Существует множество суеверий, связанных с кадаверином. Якобы последний чрезвычайно ядовит, проникает через кожу и вызывает гибельчерез несколько дней. Подобные суеверия идут из глубины веков. Современная наука объясняет страх перед трупамиследующим образом: вплоть до начала XX века свирепствовали эпидемии различных инфекционных заболеваний. Большинство из которых характеризовались высокой смертностью и скоростью распространения. Поэтому вполне естественно, что люди подметили связь между соприкосновением с покойниками и заболеваемостью. Но основным фактором здесь является смерть в результате инфекции.

Современная токсикология оперирует термином птомаины (греч.ptoma - мёртвое тело, труп). Это группа биогенных аминов, являющихся конечным продуктом распада белка и аминокислот. Выделяются при гниении мёртвых организмов. Птомаины появляются в трупе на третий – четвёртый день после смерти. Скорость их образования зависит от влажности внешней среды и температуры. Сопровождается процесс признаками разложения и специфическим запахом.Выделено четыре основных химических соединения. Все они обладают низкой токсичностью. При проведении исследований на лабораторных животных установлено, что показатель опасности ядов — летальная доза (ЛД50)– для всехполиамнов очень велика:

· путресцин - 2000 мг/кг;

· кадаверин - 2000 мг/кг;

· спермидин и спермин - по 600 мг/кг [15,1].

Синтез кадаверина

Субстратом для образования диаминов служат продукты распада белковой молекулы, а именно лизин. В процессе гниения эта аминокислота декарбоксилируетсялизиндекарбоксилазой до кадаверина, который далее может образовывать ядра пиридина и пиперидина[11,18].

Рисунок 2. Синтез кадаверина

Регуляция синтеза кадаверина

Биосинтез и метаболизм кадаверина обширно изучалсяна модельном организме - Escherichiacoli. Было установлено, что в синтезе кадаверина участвуют два типа лизиндекарбоксилаз: конструктивнаяLdcC ииндуктивнаяCadA. Они показывают около 68% и 69% идентичности, соответственно,в ДНК и аминокислотных последовательностях.Однако оптимальное действиеLdcC происходит при рН 7,6, аоптимальная активностьCadAнаблюдается приpH 5,6. CadA показывает более высокую термическуюстабильностьи более высокую активность декарбоксилирования.CadAявляется важным компонентом системы защиты клетки кадаверином откислотного стресса путем индуцирования экспрессии белка в условиях низкого рН с избытком L-лизина. Система Cad(E. сoli) имеет дваглавных компонента: оперон cadBA, кодирующий декарбоксилазу лизина(CadA) иантипортер лизина/кадаверина (CadB), ирегуляторный белок CadC.

CadC- это многофункциональный внутримембранный белок, состоящий из ДНК-связывающего доменасо структурой спирали-поворота-спирали на цитоплазматическом N-терминале,трансмембранного домена и периплазматическогоC-терминала.N-терминал может присоединяться к местам Cad1 и Cad2 в верхней части cadBA для активации экспрессииcadBA. C-терминал это своеобразный датчик pH, который ответствен за восприятие концентрации ионов H+. Трансмембранный и периплазматический домены подвергаются действию аминокислот cadС, что имеет важное значение в качестве посредника и/или стабилизатора ассоциации между CadC и LysP через образование дисульфидных связей. LysP является L-лизин-специфическойпермеазой,которая воспринимает экзогенный L-лизин и регулирует уровни CadC.Транскрипция оперонаcadBA также модулируетсягистон-ДНК-связывающий протеин H-НС, который своим действием,уменьшаетэксперессиюCadA и CadB под не стимулированными условиями.

Приоптимальных условиях роста, экспрессия оперона cadBA ингибируется связыванием белков H-NS с Cad1и Cad2 сайтами, которые расположены от-144 bp до -112 bp и от -89 bpдо -59 bp зонах верхней части cadBA, соответственно. Между тем, транскрипционный активатор CadCзамедлен во внутренней мембране и не может выполнить свою функцию, потому что находится в связанном состоянии с мембранным белком LysP. Таким образом, оперон cadBA не транскрибируется и клеточный кадаверин не вырабатывается.

В ситуациях, связанных с формированием кислотного стресса (рН<6,8) в лизин-насыщенной среде(>5 ммоль/л), взаимодействие между CadC и LysP ослабленовследствие их рН-зависимых конформационных переходов и/илиоткрытиядисульфидного мостика между двумя белками.Кроме того, конформация LysP далее изменяется по ходусвязывания / транслокации L-лизина, что приводит к диссоциациииз cadС и LysP. Затем активированный CadCзаменяет H-NSбелки и связывает Cad1 и Cad2сайты в cadBA, вызываяактивацию транскрипции и экспрессию последнего.

Для предотвращения избыточного и не рационального синтеза кадаверина осуществляется регуляция по принципу отрицательно связи. Излишки кадаверина (>235 мкмоль/л) действует как отрицательный эффектор экспрессииcadBAи при деактивацииCadCсвязываютсяс димеризованнымCadC. Кроме того, активность CadAингибируется ppGpp, строгийответный эффектор, который быстро накапливается в клетках с дефицитом аминокислоти предотвращающий чрезмерное потребление L-лизина[4,6,7,12,14,19,21]

Рисунок 3. Схема регуляции синтеза кадаверина у E. сoli [21].

Биологическая активность кадаверина в организме человека

Известно, что кадаверин и другиедиаминамы входят в состав рибосом, участвуя в поддержании их структуры[15].

Кадаверин выступает в роли регулятора орнитин декарбоксилазы (основного фермента синтеза спермина, спермидина). Повышение концентрации кадаверина индуцирует работу этого фермента. Так, например, клетки асцитной карциномы Эрлиха при культивировании на питательных средах без спермина и спермидина, но с достаточным количеством меченого L-лизина с высокой скоростью декарбоксилируют лизин и накапливают кадаверин. Всё это нивелируется при внесении в культуральную среду микромолярных концентраций спермидина (или спермина)[3,10].Аналогичныерезультатыбылиполученыприизучении клетокгепатомыкрыс[16].

Показан клинический эффекткадаверина как действенногоантидиарейного препарата.

Не менее важно использование кадаверина с промышленными целями. Например, как сырье для синтеза романного нейлона, polyamides54 (PA54), и polyamides56 (PA56). Полиамид одна из самых "желательных"пластмасс, производство которого было в первой из пяти спроектированных пластмассы, составляющие треть мирового рынка. Полиамид широко используется в авиационных и космических технологиях, в качестве компонентов автомобиля, частей машинного оборудования, электронных аппаратов, упаковочных материалов и цементировочных смесей [13].

Роль кадаверина в жизнедеятельности микроорганизмов

Известно, что клеточные стенки грамотрицательных бактерий (Escherichiacoli,Salmonellatyphimurium и др.) состоят из двух слоев - слой наружной мембраны и слой пептидогликанов. Наружная мембрана состоит из липополисахаридов, белка, фосфолипидов и липопротеинов. Второй слой – результат ковалентной связи липопротеинов и пептидогликанов. Связанная форма липопротеина играет роль в поддержании структурной целостности наружной мембраны оболочки клетки. Однако недавно было получены сведения, что дикий тип Selenomonasruminantiumsubsp. Lactilytica (строго анаэробный, грамнегативный штамм), не содержит белкового компонента в слое клеточной стенки, соответствующего липопротеину у E. coli. При детальном изучении этих структур было показано, что кадаверин входит в состав клеточной стенки пептидогликанаSelenomonasruminantium, где синтезируется стандартным путем декарбоксилированияL-лизина. Хотя биологическая функция кадаверина в клеточной стенкеS. ruminantium остается не выясненной, можно предположить, что кадаверин в пептидогликане может ассоциироваться с внешними мембранными компонентами, такими как фосфолипиды или кислые белки и, возможно, играют ту же роль, что и связанная форма липопротеина уE. coli. [8].

Кадаверин во взаимоотношениях про- и эукариточеских организмов

К специфическим факторам патогенного воздействия могут быть отнесены метаболиты, синтезируемыемикроорганизмами и оказывающие на хозяина непосредственное влияние. К таким факторам можно отнести секрецию микроорганизмами кадаверина [2].

Установлено, что в процессе приспособления разнообразных организмов (от бактерии? до растении? и млекопитающих) к неблагоприятным условиям средыкадаверин может способствовать выживанию E.coli в условиях уменьшения аэрации, которые создаются, например в фагосомелейкоцитов. Кроме этого, кадаверин тормозит функциональную активность фагоцитирующих клеток, давая дополнительные возможности для роста E.coli. Известно, что E. сoli ферментирует превращение лизина в кадаверин, являясь незаменимым участником процесса гниения белков. В связи с этим можно предположить, что функциональная активность фагоцитирующих лейкоцитов нарушается из-за изменения белковых молекул при непосредственном участии E. сoli. Однако, диаминоксидаза способна окислять кадаверин до аммиака и альдегида, что приводит к его инактивации. При заболеваниях, в патогенезе которых доминирует нарушение белкового обмена, в частности снижение энзиматическойактивности ряда ферментов, таких как холера, тяжелые гастроэнтериты и цистинуриякадаверин выводится с мочой в неизмененном виде.

Отечественными учеными выявлено, что кадаверин в кишечнике хозяина является одной из причин, определяющих изменение физико-химических показателей среды обитания микроорганизмов. Если защитные механизмы хозяина оказываются недостаточными, кадаверин может способствовать нарушению проницаемости кишечной стенки и создавать «ворота» для проникновения токсинов в организм хозяина [2,20].

Другими авторами показано что, при экспериментальном моделировании газовой среды кишечника, в котором осуществляется развитие патологического процесса (адгезия, колонизация, токсинопродукция),холерные вибрионы реагируют на неблагоприятные условия окружающей среды увеличением продукции кадаверина. При этом количество продуцируемого кадаверина в определенной степени коррелирует с патогенностью культур. Так, синтез кадаверина выше у эпидемически значимых и потенциально эпидемически значимых штаммов, чем у штаммов, лишенных генов токсино- и пилепродукции. Установлено, что уровень продукции внеклеточного кадаверина выше, чем внутриклеточного, но соотношение этих показателей зависит от концентрации кислорода и углекислоты в окружающей среде. В условиях газовой среды тонкого кишечника (10–12% О2, 5%СО2) оно практически равно (1:1,5), а в условиях толстого кишечника (1% О2, 10–12%СО2) преобладает синтез внеклеточного кадаверина (4:1).

Внутриклеточный кадаверин, «запечатывающий» пориновые каналы микробных клеток, образуется, в основном, при условии высокой концентрации кислорода (10–12 %), а при выраженной гипоксии (менее 1% О2) и повышении уровня углекислого газа (9-13%) его количество резко снижается [1,9].

В целом, кадаверин можно рассматривать как неспецифический адаптоген для микроорганизмов, поддерживающий их жизнедеятельность и метаболизм в стрессовых условиях, что лежит в основе их инвазии в эукариотическую клетку и участии в патогенезе ряда заболеваний. Можно предположить, что инактивация кадаверина приведет к снижению патогенного потенциала микроорганизмов.

Применение в научных исследованиях

Известно о химической модификации кадаверина, которая получила широкое применение в микробиологии - дансилкадаверин (N-(5-аминопентил)-5-диметиламино-1-нафталенсульфонамид).

Dansylcadaverine.png

Рисунок 3. Химическая формула дансилкадаверина.

Это вещество применятся как ингибитор трансаминаз; флуоресцентный зонд, ковалентно связывающийся с трансаминазами на плазматической мембране клетки. Он также практикуется для ингибированиярецептор-опосредованного эндоцитоза, т.к. трансаминазы играют важную роль в организацииклатриновыхпузырьков.Монодансилкадаверин блокируетэндоцитозальфа-2 макроглобулина, эпидермального фактора роста, а также вируса везикулярного стоматита.В живых клетках используется как меткааутофагальныхвакуолей[1,5,17].


Библиографическая ссылка

Морозов И.А. КАДАВЕРИН КАК УЧАСТНИК ВЗАМООТНОШЕНИЙ ПРО- И ЭУКАРИОТИЧЕСКИХ КЛЕТОК // Международный студенческий научный вестник. – 2018. – № 6.;
URL: http://eduherald.ru/ru/article/view?id=19376 (дата обращения: 15.09.2019).

Предлагаем вашему вниманию журналы, издающиеся в издательстве «Академия Естествознания»
(Высокий импакт-фактор РИНЦ, тематика журналов охватывает все научные направления)

«Фундаментальные исследования» список ВАК ИФ РИНЦ = 1.252