Karnitīna 100 gadi. No atklāšanas līdz klīniskajiem pielietojumiem

Karnitīna atklāšana un izpēte

L-karnitīns (tālāk tekstā - karnitīns) pirmo reizi tika izdalīts no muskuļaudu ekstraktiem 1905. gadā. Īpaši jāatzīmē, ka to paveica latviešu fiziologs un bioķīmiķis profesors Roberts Krimbergs (1874-1941).

R. Krimbergs karnitīnu izolēja no Lībiga gaļas ekstrakta (liellopu gaļas ekstrakts) noskaidroja tā molekulformulu, un veica pētījumus par muskuļaudu ekstraktvielu ietekmi uz gremošanas, sirds un asinsvadu sistēmām, strādājot Maskavas Universitātes Fizioloģiskās ķīmijas katedrā sava skolotāja, ievērojamā krievu bioķīmiķa Vladimira Guļeviča vadībā. 1920. gadā profesors atgriezās Latvijā un, strādādams Latvijas Universitātes Medicīnas fakultātē, organizēja un veica zinātniskus pētījumus, arī par acetilkarnitīnu. [1; 2]

Karnitīna nosaukums atvasināts no vārda carne (miesa, gaļa - latīņu val.), tādējādi norādot uz tā izdalīšanas avotu. Ar karnitīnu saistītie pētījumi turpinājās ar mainīgiem panākumiem, un tikai 20 gadus vēlāk tika noteikta karnitīna ķīmiskā struktūra. Interesanti, ka bioloģiskā aktivitāte piemīt dabā sastopamajam L-karnitīnam, bet otrs optiskais izomērs D-karnitīns darbojas pretēji un organismā bloķē L-karnitīna efektus.

Tā kā tika konstatēts, ka muskuļaudi satur daudz karnitīna, parādījās dažādas hipotēzes par tā nozīmi normālajā fizioloģijā. Karnitīnam gadu gaitā piedēvētas visdaudzveidīgākās īpašības, tai skaitā - apetītes un proteīnu sintēzes stimulēšana, svara pieauguma veicināšana priekšlaicīgi dzimušiem zīdaiņiem, tauku satura pieauguma stimulēšana govs pienā [3], tomēr ne visi šie pieņēmumi vēlāk apstiprinājās eksperimentāli. Kādu laiku karnitīnu uzskatīja par vitamīnu, jo tika pierādīts, ka 1948. gadā atklātais vitamīns BT patiesībā ir karnitīns. [4] Šis atklājums atkal piesaistīja zinātnieku interesi karnitīna bioķīmiskās darbības mehānismu un fizioloģiskās lomas izpētei.

Pagājušā gadsimta piecdesmitajos un sešdesmitajos gados, strauji attīstoties bioķīmisko pētījumu metodēm, tika atklāti karnitīna metabolisma un transporta proteīni, kā arī noskaidrota karnitīna loma garo ķēžu taukskābju oksidācijas procesos. Pēc tam tika atklātas arī iedzimtas slimības, kas saistītas ar karnitīna metabolisma traucējumiem un karnitīna trūkumu muskuļu šūnās to normālas funkcionēšanas nodrošināšanai. Joprojām aktīvi turpinās pētījumi par karnitīna un no tā atvasināto savienojumu iespējamo farmakoloģisko aktivitāti. [5]

Karnitīns šūnu enerģijas metabolisma reakcijās

Enerģijas iegūšanai muskuļu šūnas izmanto gan taukskābes, gan ogļhidrātus. Pēc to uzņemšanas šūnās notiek specifiski katabolisma procesi, kuru rezultātā rodas kopīgs metabolīts - acilkoenzīms A, kas, oksidējoties mitohondrijos noritošajā Krebsa ciklā un tālāk ar elpošanas ķēdes palīdzību, nodrošina šūnas ar enerģiju ATF veidā. Normālos apstākļos šūna enerģiju iegūst galvenokārt taukskābju oksidācijas rezultātā. Tomēr skābekļa trūkuma apstākļos glikozes oksidēšana šūnai ir izdevīgāka nekā taukskābju izmantošana, jo šim procesam nepieciešams mazāks skābekļa daudzums. [6; 7] Karnitīns ir viens no faktoriem, kas nosaka garo ķēžu taukskābju izmantošanas intensitāti un līdz ar to arī šo taukskābju ieguldījumu šūnu enerģētiskajā metabolismā.

Muskuļaudi nav spējīgi sintezēt karnitīnu un uzņem to no asinsrites ar aktīvā transporta palīdzību, izmantojot citoplazmatiskajās membrānās esošos karnitīna transporta proteīnus (KTP). [8] Taukskābju katabolisma sākuma posmā brīvās taukskābes tiek aktivētas, veidojot acil-koenzīmu A (Acil-KoA) acil-koenzīma A-ligāžu ietekmē. Tālāk no karnitīna un Acil-KoA ar mitohondriju ārējās membrānas enzīma, karnitīna palmitoiltransferāzes I (KPT-I), palīdzību tiek sintezēts atbilstošais acilkarnitīns (Acil-K). Pēc tam acilkarnitīna transportā iesaistās mitohondriju ārējā membrānā esošā taukskābju translokāze FAT/CD36, kas nogādā acilkarnitīnu pie nākamā transporta enzīma (1. attēls).

Karnitīna-acilkarnitīna  translokāze (KAKT), kas atrodama mitohondriju iekšējā membrānā, iznes tai cauri acilkarnitīnu. Nākamais enzīms, karnitīna palmitoiltransferāze II (KPT-II), veic KPT-I funkcijai pretēju reakciju, t. i., no acilkarnitīna mitohondriju iekšienē atkal izveido acil-KoA, kas tālāk b-oksidācijas reakcijās sašķeļas līdz acetil-KoA.

Jāatzīmē, ka KPT-I reakcija ir viens no garo ķēžu taukskābju oksidācijas ātrumu noteicošajiem posmiem, jo, samazinoties karnitīna koncentrācijai, palēninās arī garo ķēžu taukskābju transports mitohondrijos un to tālākā oksidācija. Turpretim īso ķēžu taukskābes (C1-C8) cauri mitohondriju membrānām difundē pašas bez karnitīna palīdzības (Acil-KoA veidā). Ja šūnās uzkrājas aktivētas garo ķēžu taukskābju molekulas (acilkarnitīns, Acil-KoA), tās bremzē vairāku enzīmu aktivitāti, arī ATF transportu no mitohondrijiem uz citosolu un līdzīgi kā deterģenti tieši bojā membrānas. [9] Šāda situācija audos veidojas nepietiekamas skābekļa apgādes gadījumā.

Karnitīns regulē kā garo ķēžu taukskābju transportu mitohondrijos, tā arī acetil-KoA/KoA attiecību un līdz ar to piruvātdehidrogenāzes (PDH) kompleksa aktivitāti. [10] Intensīvas fiziskās slodzes apstākļos PDH darbības rezultātā, oksidējot piruvātu, veidojas ļoti daudz acetil-KoA, ko nevar pietiekami efektīvi iesaistīt Krebsa ciklā. Karnitīns, darbojoties enzīmam karnitīna acetiltransferāzei (KAT), stājas KoA vietā, veidojot acetilkarnitīnu. Šādā veidā tiek nodrošināts pietiekams brīva KoA daudzums, lai netraucēti noritētu PDH kompleksa un Krebsa cikla reakcijas. [11] Var secināt, ka karnitīnam ir būtiska loma ne tikai garo ķēžu taukskābju oksidācijā, bet arī ogļhidrātu metabolismā. Līdz ar to karnitīna koncentrācijas izmaiņas ļauj tieši modulēt enerģijas iegūšanas procesus audos, ietekmējot taukskābju un ogļhidrātu īpatsvaru ATF sintēzes nodrošināšanā.

Karnitīna avoti

Karnitīna homeostāze organismā tiek nodrošināta, pateicoties tā absorbcijai no pārtikas, biosintēzei, kā arī intensīvai reabsorbcijai no glomerulu filtrāta nieru proksimālajos kanāliņos. [12] Papildus tam normālos apstākļos organisms nodrošina augsti regulētu karnitīna aktīvā transporta sistēmu, kurai pateicoties, karnitīna koncentrācija muskuļu audos (tai skaitā - sirds audos) ir vairākus desmitus reižu lielāka nekā asinīs. [8]

No pārtikas karnitīns organismā tiek galvenokārt uzņemts ar gaļas un piena produktiem. Iespējama arī tā biosintēze no olbaltumvielās esošā lizīna un metionīna, kas pamatā notiek aknās, nierēs un vīriešiem arī sēkliniekos, kur kā starpprodukts veidojas g‑butirobetaīns (GBB). [13] Ir zināms, ka neveģetāras diētas gadījumā apmēram 25% no nepieciešamā karnitīna daudzuma organismā tiek sintezēti, bet atlikušos 75% cilvēks uzņem ar pārtiku. Interesanti, ka sievietēm plazmā karnitīna līmenis ir par apmēram 20% mazāks nekā vīriešiem. [14] No pārtikā lietojamiem produktiem visvairāk karnitīnu satur liesa liellopu gaļa (tabula). Mazākos daudzumos karnitīns atrodams arī daudzos citos pārtikas produktos.

Biopieejamība

Līdz ar pastiprināto interesi par karnitīna efektiem, aktuāls kļūst jautājums par tā biopieejamību un lietošanas formām.

Pēc orālas uzņemšanas karnitīna absorbcija notiek divējādi - pateicoties aktīvajam transportam transportproteīnu ietekmē, kā arī pasīvās difūzijas ceļā. [8] Pētījumi pierādījuši, ka L-karnitīna absolūtā biopieejamība 1-6 g lielas orālās devas gadījumā ir tikai 5-18%, kamēr ar pārtikas produktiem uzņemtā L-karnitīna biopieejamība var sasniegt pat 75%. [16] Tāpēc, ja papildus uzņem L-karnitīnu kā farmakoloģisku līdzekli karnitīna deficīta ārstēšanai vai kā uztura bagātinātāju, jāatceras, ka, jo vairāk L-karnitīna orāli uzņems, jo salīdzinoši mazāka daļa no tā uzsūksies. Jāņem vērā arī tas, ka, papildus lietojot karnitīna racemātu (salīdzinoši vienkāršāk rūpnieciski iegūstams un lētāks L- un D-karnitīna maisījums), ne tikai netiks sasniegti iecerētie efekti, jo D-karnitīns bloķē L-karnitīna uzņemšanu organismā, bet varētu tikt novērotas tādas toksiskas blakusparādības kā miastēnija un sirds aritmijas. [17] Perorāli lietojot lielas karnitīna devas (>6 g), parādās nepatīkama ķermeņa smaka, iespējams, palielinoties trimetilamīna koncentrācijai sviedros. [18]

Karnitīna izmantošanas iespējas klīnikā

Karnitīna papildus uzņemšana zāļu vai uztura bagātinātāju veidā mūsdienās ir ļoti aktuāls, bet neviennozīmīgi vērtēts jautājums (2. attēls).

Par pamatotu būtu jāuzskata karnitīna lietošanu tā deficīta gadījumā, kas iestājas iedzimtu slimību (mutācijas, piemēram, karnitīna transportproteīnu gēnos), zāļu lietošanas (piemēram, valprojskābe - epilepsijas ārstēšanai) vai nieru mazspējas slimniekiem dialīzes rezultātā. [15; 19; 20]

Tā kā karnitīns no toksikoloģijas viedokļa ir samērā drošs produkts (liekais vienkārši izskalosies no organisma), aizvien populārāka kļūst tā pievienošana dažādu uztura bagātinātāju kokteiļu un citu produktu sastāvam, cerot, ka karnitīna ievadīšana organismā aktivizēs taukskābju oksidāciju un varētu būt saistīta ar svara samazināšanos un kosmētiskiem efektiem. Tomēr karnitīna efektivitāte, izmantojot to svara zaudēšanai, nav pierādīta nevienā klīniskajā pētījumā. [21] Līdzīga situācija vērojama attiecībā uz karnitīna lietošanu fiziskās aktivitātes uzlabošanai. Tas varētu būt saistīts ar salīdzinoši mazo karnitīna biopieejamību normālas tā homeostāzes apstākļos. Rezultātā papildus uzņemtais karnitīns nenonāk līdz mitohondrijiem, kur tas tiešām varētu iesaistīties taukskābju metabolisma procesos. Pēdējā laikā cerības tiek saistītas ar jaunām pieejām karnitīna koncentrācijas palielināšanai, kas ļautu pilnīgāk izmantot karnitīna farmakoloģiskos efektus taukskābju oksidēšanas procesos un ar tiem saistītajās klīniskajās izpausmēs. [11]

Ņemot vērā, ka taukskābju metabolisma normāla norise ir svarīga sirds šūnu enerģijas metabolisma nodrošināšanai, vairāki karnitīna efektu eksperimentālie un klīniskie pētījumi veikti kardiovaskulāro slimību jomā. [5] Tomēr arī šajā gadījumā līdz šim nav izdevies rast viennozīmīgu atbildi par karnitīna efektivitāti. Piemēram, lai gan CEDIM klīniskais pētījums parādīja karnitīna efektivitāti, samazinot mirstību terapijas sākumposmā, tomēr nemazināja nāves risku un sirds mazspēju sešos mēnešos pēc akūta miokarda infarkta. [22]

Turpinot pētījumus par jaunām karnitīna izmantošanas iespējām, pateicoties attīstītām analītiskajām metodēm, mūsdienās tiek noteikta tā koncentrācija dažādu slimību gadījumā. Piemēram, ir konstatēts, ka 2. tipa cukura diabēta slimniecēm ir par gandrīz 25% zemāks karnitīna līmenis nekā kontroles grupas sievietēm, un tāpēc tiek ieteikts diabēta slimnieku diētu papildināt ar L-karnitīnu, īpaši diabētisko komplikāciju gadījumā. [23; 24]

Tā kā vīriešu sēkliniekos iespējama karnitīna biosintēze, kā arī, ņemot vērā karnitīnam ilglaicīgi piedēvētās antioksidanta un vitamīna funkcijas, ir pētīti tā iespējamie efekti uz vīriešu reproduktīvo sistēmu. Lai arī pēdējos gados parādās arvien vairāk klīnisko un eksperimentālo pētījumu par karnitīna un tā esteru iespējamo efektu erektilās disfunkcijas un neauglības ārstēšanā, iegūtie rezultāti tomēr nesniedz pārliecinošu atbildi. [25] Ir dati, ka karnitīna koncentrāciju spermas plazmā varētu izmantot kā bioķīmisku auglības marķieri [26] un ka karnitīna terapija varētu uzlabot spermatozoīdu kustīguma rādītājus, tomēr līdz šim nav parādīta sakarība starp uzlabojuma parametriem un grūtniecības iestāšanos vai kādiem citiem klīniski nozīmīgiem galamērķiem. [25; 27]

Vēl viena no piedāvātajām iespējām karnitīna jaunam pielietojumam ir tā pievienošana Viskonsinas Universitātes šķīdumam aknu audu saglabāšanai transplantācijām. [28] Tiek pētīta karnitīna loma noguruma mazināšanā celiakijas pacientiem. [29] Ir pētījumi par iespējām lietot karnitīnu krūts vēža slimniekiem, kas saņem epirubucīna (antraciklīnu grupa) terapiju, lai mazinātu tā kardiotoksicitāti [30], kā arī monoterapijas veidā, jo tiek kavēta audzēja attīstība, iespējams, paaugstinot slāpekļa monoksīda līmeni, kas savukārt varētu mazināt audzēja šūnu attīstību veicinošo savienojumu veidošanos. [31]

Pētot cilvēka tīklenes epitēlija pigment­šūnas, karnitīns samazināja šūnu bojājumu, kas radies ūdeņraža peroksīda ietekmē, liecinot par tā izmantošanas iespējām redzes traucējumu terapijā. [32] Ir dati, kas liecina, ka karnitīns var pasargāt no gamma starojuma izraisītas kataraktas attīstības. [33] Karnitīna lietošana samazina patoloģiskas izpausmes arī spontāni hipertensīvo žurku modelī. [34] Žurkām, kas pakļautas hroniskam stresam un kuņģa bojājumu attīstībai, karnitīna lietošana novērš šos bojājumus, stiprinot kuņģa gļotādu un samazinot lipīdu peroksidāciju. [35]

Nobeigums

Lai gan noskaidrots, ka L-karnitīns ir bioloģiski aktīvs savienojums, kas iesaistīts daudzpusīgu fizioloģisko procesu norisēs organisma šūnās, tomēr daudzas L-karnitīnam piedēvētās pozitīvās īpašības līdz šim nav klīniski apstiprinātas. Iespējams, ka jauni pētījumi un uzlabota L-karnitīna produktu biopieejamība nākotnē varētu palīdzēt atrast efektīvākas tā izmantošanas iespējas.