Karnozyna po raz pierwszy została wyizolowana i opisana w 1900 roku przez rosyjskiego badacza V. Gulewicza. Jest dipeptydem syntetyzowanym z L-histydyny i β-alaniny. Reakcja katalizowana jest przez syntetazę karnozynową, w której bierze udział ATP:
L-histydyna + β-alanina + ATP -> karnozyna + AMP+ PP
Karnozyna i jej metabolity ulegają ciągłym przemianom. Metylacja karnozyny powoduje powstanie anseryny i ophidyny, podczas dekarboksylacji histydyny powstaje histamina. β-alanina stanowi element koenzymu Q10. Karnozyna występuje naturalnie w mózgu, nerkach i mięśniach szkieletowych ryb, ptaków i ssaków. Stanowi 0,2-0,5% masy mięśni poprzecznie prążkowanych. Jej zawartość w organizmie zależy od płci (wyższy poziom u mężczyzn), wieku (stężenie karnozyny obniża się wraz z wiekiem) i diety (u osób na diecie wegetariańskiej poziom karnozyny w mięśniach szkieletowych jest niski). Badania na szczurach wykazały, że dieta bogata w histydynę zwiększa poziom karnozyny w mięśniach szkieletowych. Synteza karnozyny w mięśniach zależy od dostępności aminokwasów: alaniny i histydyny w organizmie. Karnozyna może być transportowana przez membranę komórkową za pomocą transporterów z rodziny oligopeptydów sprzężonych z protonami (rodzina POT lub SLC15).
Karnozyna wykazuje działanie antyoksydacyjne: unieczynnia rodniki nadtlenkowe i hydroksylowe, bierze udział w wygaszaniu tlenu singletowego, hamuje peroksydację lipidów. Właściwości przeciwutleniające karnozyny wynikają z obecności pierścienia imidazolowego i wiązania peptydowego między β-alaniną i histydyną. Wykazano, że doustne podawanie karnozyny przez okres 3 miesięcy poprawia ogólny stan skóry, zmniejsza zmarszczki. Działa synergistycznie z α-tokoferolem. W badaniach u osób dializowanych łączne podawanie karnozyny z α-tokoferolem zmniejsza stres oksydacyjny i chroni przed chorobami sercowo-naczyniowymi. Głównym produktem peroksydacji lipidów jest dialdehyd malonowy (MDA), który można uznać za biologiczny wskaźnik stresu oksydacyjnego. MDA jest związkiem o dużej aktywności biologicznej, inaktywuje enzymy wpływa pośrednio na procesy syntezy białek. Ma działanie kancerogenne i mutagenne. Karnozyna obniża stężenie MDA zależnie od dawki.
Działanie przeciwutleniające karnozyny potwierdzono w badaniach na modelach zwierzęcych. Ochronny wpływ karnozyny na komórki wątrobowe wykazano w badaniu na szczurach, u których wywołano etanolem przewlekłe uszkodzenie wątroby. Karnozyna hamowała uszkodzenie oksydacyjne, wydzielanie mediatorów zapalnych. Zwiększała ekspresję katalazy, poziom glutationu (GSH) oraz aktywność peroksydazy glutationowej.
Karnozyna jest naturalnie występującym supresorem uszkodzenia oksydacyjnego w neuronach węchowych. De Marchis i wsp. odkryli karnozynę w dojrzałych neuronach receptora węchowego, w komórkach glejowych i neuronowych komórkach progenitorowych mózgu szczurów. Sunderman i wsp. wykazali, że karnozyna chroni neurony węchowe poprzez kompleksowanie metali (np. Al, Bi, Cu, Mn, Zn). Leki przeciwpadaczkowe: topiramat, gabapentyna, wigabatryna zwiększają poziom karnozyny w mózgu człowieka.
Karnozyna jest opisywana jako związek zapobiegający starzeniu się. W 1994 roku McFarland i Holliday dodawali karnozynę do hodowli ludzkich fibroblastów. Stwierdzili znaczne wydłużenie życia komórek Jest to spowodowane hamowaniem przez karnozynę mechanizmu skracania telomerowych odcinków DNA.
Karnozyna wykazuje właściwości antyproliferacyjne. Pierwsze doniesienie o efekcie przeciwnowotworowym karnozyny opisali w 1986 roku Nagai i Suda, którzy stosowali karnozynę (50 mg/kg/dzień) podczas leczenia guza gruczołu piersiowego. Dziesięć lat później Holliday i McFarland wykazali, że ludzkie fibroblasty wzrastały normalnie w obecności karnozyny, a jednocześnie dochodziło do hamowania wzrostu komórek nowotworowych. Dodatkowo karnozyna zmniejszała aktywność glikolityczną komórek. Duża aktywność glikolityczna w komórkach nowotworowych potrzebna jest do zapewnienia prawidłowego metabolizmu intensywnie proliferującym komórkom. Komórki nowotworowe nawet w obecności tlenu metabolizują glukozę głównie w procesie fermentacji mleczanowej, do minimum ograniczając fosforylację oksydacyjną. Zjawisko to nazwano efektem Warburga. Karnozyna powoduje wydalanie pośrednich produktów glikolizy (fosforanu glicerolu i fosforanu dihydroksyacetonu), a tym samym zmniejsza wytwarzanie ATP.
Iovine i wsp. zbadali aktywność antyproliferacyjną karnozyny w komórkach raka okrężnicy HCT16. Karnozyna hamowała produkcję ATP (zależnie od dawki – od 5 do 300 mM). Autorzy zaobserwowali zdolność karnozyny do hamowania reaktywnych form tlenu (ROS), które są wywoływane przez onkogen KRAS powodujący proliferację komórek.
Karnozyna może zapobiegać chorobom neurodegeneracyjnym, takim jak choroba Parkinsona. W chorobie tej następuje obumieranie barwnikonośnych neuronów w części zbitej istoty czarnej. Obserwuje się zwyrodnienie i zanik neuronów dopaminergicznych oraz – z różnym nasileniem – neuronów noradrenergicznych, serotoninergicznych i cholinergicznych. Przyczyny wystąpienia tej choroby upatruje się zarówno w czynnikach środowiskowych, jak i genetycznych. Zwiększona produkcja ROS powoduje tworzenie się złogów patologicznych białek, takich jak alfa-synukleina (ASN), które tworzą agregaty zwane ciałami Lewy’ego. Obumieranie dopaminergicznych neuronów istoty czarnej związane jest ze stopniowym spadkiem zawartości dopaminy (DA) w prążkowiu. Zwiększony proces agregacji ASN powoduje zmienione strukturalnie białko – parkina. Dysfunkcja parkiny wpływa na funkcjonowanie mitochondriów, zwiększa peroksydację lipidów i białek. Karnozyna hamuje uszkodzenie białek (m.in. fibrylację alfa-synukleiny wywołanej przez rodniki hydroksylowe). Przeprowadzono badania, w których pacjentom z chorobą Parkinsona podawano L-dopę z karnozyną. Stwierdzono znaczną poprawę objawów neurologicznych: zmniejszenie sztywności rąk i nóg oraz drżenia rąk.
Do chorób neurodegradacyjnych należy również choroba Alzheimera. Karnozyna może stanowić potencjalny lek w leczeniu tej choroby. Zwyrodnienie i obumieranie neuronów związane jest z powstawaniem blaszki beta-amyloidowej. Następuje uwolnienie dużych ilości tlenku azotu zaburzającego funkcje komórek. Beta-amyloid indukuje procesy apoptozy komórek, powoduje zaburzenie metabolizmu białek tau, które biorą udział we wzroście aksonów i polarności neuronów. To niekorzystne zjawisko może zmniejszać karnozyna. Beta-amyloid selektywnie hamuje aktywność proteasomu 26S. Proteasomy są to kompleksy enzymatyczne odpowiedzialne za degradacje nieprawidłowych białek. Karnozyna powoduje zahamowanie procesów biochemicznych, które wpływają na ich niski poziom. Maskuje grupy karbonylowe utlenionych białek, może zatem ułatwiać ich proteolizę. Poza tym ułatwia proces ubikwitynacji zmodyfikowanych oksydacyjnie białek i stymuluje aktywność degradacyjną proteasomów. Neurotoksycznośc beta-amyloidu oraz tworzenie się złogów potęgują metale: cynk i miedź. Karnozyna wykazuje właściwości chelatujące jony metali (żelaza, miedzi, cynku i kobaltu). Wiążąc jony cynku i miedzi zmniejsza ich toksyczność, może nawet dojść do rozpadu złogów.
W badaniach klinicznych z podwójnie ślepą próbą Chez i wsp. podawali 31 dzieciom chorym na autyzm przez 8 tygodni karnozynę w dawce 800 mg na dobę. Do oceny wykorzystano skalę oceny autyzmu Gilliam Autism Rating Scale oraz testy słownictwa. W porównaniu z grupą która otrzymywała placebo zaobserwowano statystycznie istotną różnice w skali autyzmu oraz w testach słownictwa z zastosowaniem jednego słowa. Mechanizm działania karnozyny nie jest do końca poznany, ale przypuszczalnie poprawia ona funkcjonowanie układu nerwowego w płatach skroniowych i czołowych kory mózgu.
Karnozyna może wpływać na pracę układu sercowo-naczyniowego. Poprawia kurczliwość mięśnia sercowego, zmniejsza napięcie naczyniowe poprzez regulowanie stężenia wapnia. Jony wapnia odgrywają podstawową rolę w pobudzaniu i regulacji skurczu komórek mięśnia sercowego. Karnozyna może chronić serce przed uszkodzeniem w warunkach niedokrwienia i reperfuzji. W badaniach Rusakova i Dolgikha u szczurów wywołano śmiertelną utratę krwi. Po 4- i 6-minutowej śmierci klinicznej wykonano resuscytację. Stwierdzono peroksydację lipidów, obniżenie aktywności enzymów przeciwutleniających oraz aktywację glikolizy beztlenowej w mięśniu sercowym. Dochodziło również do niestabilności hemodynamicznej. Podanie karnozyny pozajelitowo w dawce 25 mg/kg podczas resuscytacji zmniejszyło metaboliczne i hemodynamiczne zaburzenia czynności serca.
Jednym z pierwszych opisanych efektów fizjologicznych działania karnozyny był przejściowy spadek ogólnoustrojowego ciśnienia tętniczego krwi po podaniu dożylnym u psów. Hipotensyjne działanie było potwierdzone u innych ssaków. Karnozyna może hamować rozwój procesów patologicznych w nerkach. Według wielu badaczy jest naturalnym inhibitorem enzymu konwertazy angiotensyny. Może uczestniczyć w regulacji ciśnienia tętniczego. Działanie hipotensyjne zależy od podanej dawki. W Japonii badano nefroprotekcyjne działanie karnozyny u szczurów z niewydolnością nerek spowodowanego niedokrwieniem. Po dożylnym i doustnym podaniu karnozyny stwierdzono zmniejszenie histopatologicznych cech uszkodzenia cewek, zmniejszenie stopnia dysfunkcji nerek. Związane jest to z zarówno z antyoksydacyjnym działaniem karnozyny jak i hamującym wpływem na aktywność układu współczulnego (wzmożona aktywacji tego układu wiąże się ze zwiększonym uwalnianiem noradrenaliny).
mgr farm. Michał Tułaza,
dr n. farm. Aleksandra Karmańska,
dr hab. prof. UM Bolesław Karwowski
Zakład Bromatologii, Uniwersytet Medyczny w Łodzi
Piśmiennictwo:
- Guiotto A., Calderan A., Ruzza P.,Borin G. Carnosine and Carnosine-Related Antioxidants: A Review. Current Medicinal Chemistry, 2005, 12 :2293-2315.
- Budzeń S., Rymaszewska J., Baran E.J. The Biological Role of Carnosine and Its Possible Applications in Medicine Metal Complexes of Carnosine .Biochemistry . 2000; 65, (7): 789-797
- McFarland G.A., Holliday R.: Further evidence for the rejuvenating effects of the dipeptide L-carnosine on cultured human diploid fibroblasts. Gerontol., 1999; 34: 35-45
- Hipkiss AR. Carnosine and protein carbonyl groups: a possible relationship. Biochemistry 2000; 65: 771–778.
- Chez M.G, Buchanan C.P, Aimonovitch M.C, Becker M., Schaefer K., Black C., Komen J. Double-blind, placebo-controlled study of L-carnosine supplementation in children with autistic spectrum disorders. J Child Neurol 2002; 17: 833–837
- Roberts P.R, Zaloga G.P. Cardiovascular effects of carnosine. Biochemistry 2000; 65: 856–861
- Kiliś-Pstrusińska K. Karnozyna i karnozynaza a choroby nerek. Postepy hig. Med. Dośw. 2012;66:215-221.
- Zięba R. Karnozyna- aktywność biologiczna i perspektywy zastosowania w farmakoterapii. Wiadomości lekarskie 2007; 60, (1-2):73-79.
- Rusakov VV, Dolgikh VT. Reperfusion injury of myocardial biomembranes after acute fatal hemorrhage and their correction with carnosine. Biokhimiia 1992; 57: 1393–1397
- Iovine B, Iannella M.L, Nocella F, Pricolo M.R., Bevilacqua M.A. Carnosine inhibits KRAS-mediated HCT116 proliferation by affecting ATP and ROS production. Cancer Lett. 2012 315: 122–128.
- Boldyrev A.A., Aldini G., Derave W. Physiology and pathophysiology of carnosine. Physiol Rev 2013; 93:1803-1845.
