Регуляция и патология аминокислотного обмена

Регуляция и патология аминокислотного обмена.
Болезни, связанные с белковой недостаточностью в
питании человека.
Согласно данным Всемирной организации здравоохранения ~ 2,4%
всех новорожденных детей на нашей планете страдают наследственными
заболеваниями. Около ~ 40% ранней детской смертности и инвалидности с
детства обусловлены наследственной патологией.
Рассмотрим
некоторые
из
таких
заболеваний.
Причина
их
возникновения и развития обусловлена в частности мутацией гена (вставка,
замена,
делеция),
процессов
хромосомной
транскрипции,
абберацией,
трансляции
нарушением
или
регуляции
посттрансляционной
модификацией ферментов, ответственных за метаболизм АМК.
В результате организм либо теряет способность синтезировать данный
фермент,
либо
образуется
дефицит
фермента,
либо
синтезируется
аномальный фермент, отличающийся по структуре от нативного.
Следствием врожденного дефекта отмена АМК является накопление в
тканях промежуточных или побочных (неспецифических) продуктов обмена,
осуществляющих токсическое действие на организм и в первую очередь на
ЦНС.
Остановимся на ряде наследственных заболеваний, связанных с
нарушением обмена некоторых АМК.
Заболевания, связанные с нарушением Фен и Тир.
Фенилкетонурия
В норме в печени только 10% Фен превращается в фенилпируват и
далее – в фениллактат, фенилацетилглутамин (рис. 1).
Рис. 1. Пути катаболизма фенилаланина при дефекте
фенилаланин-4-монооксигеназы.
Однако
этот
путь
становится
доминантным
при
нарушении
превращения Фен в Тир, катализируемого фенилаланин-4-монооксигеназой,
коферментом которой является тетрагидробиоптерин (Н4БП) (рис. 2).
Причина фенилкетонурии (ФКУ) – дефект по гену фенилаланин-4монооксигеназы либо мутации генов, контролирующих синтез Н4БП.
В связи с этим различают 2 формы ФКУ.
Классическая ФКУ.
Мутации гена фенилаланин-4-монооксигеназы. Частота заболевания –
1:10000 новорожденных. Наследуется по аутосомно-рецессивному типу.
Наблюдается снижение или полное отсутствие активности фермента, что
приводит к повышению концентрации Фен
• в крови – в 20-30 раз (норма 1,0-2,0 мг/дл)
• в моче – в100-300 раз (норма 30 мг/дл)
и к повышению концентрации фенилпирувата и фениллактата
• в моче – 300-600 мг/дл (норма – отсутствует)
Рис. 2. Пути превращения фенилаланина и тирозина в разных тканях.
Вариантная ФКУ.
(коферментзависимая
гиперфенилаланинемия,
«злокачественная»
ФКУ) – следствие мутаций генов, контролирующих синтез Н4БП. Частота
заболевания 1-2:1 млн. новорожденных. Заболевание характеризуется ранней
смертностью.
Клинические проявления – близкие, с проявлением классической ФКУ.
Характеризуется нарушением метаболизма трех АМК Фен, Тир, Трп, что
усиливает тяжесть заболевания. Тяжелые проявления ФКУ связаны с
токсическим действием на клетки мозга высоких концентраций Фен,
фенилпирувата, фениллактата. Накопление фенилпирувата приводит к
ингибированию ряда ферментов, связанных с метаболизмом пирувата.
Высокие концентрации фенилаланина ограничивают транспорт Тир и Трп
через гематоэнцефалический барьер и тормозят синтез нейромедиаторов
(дофамина, норадреналина, серотонина). Прогрессирующее нарушение
умственного и физического развития у детей, больных ФКУ, можно
предотвратить
диетой
с
очень
низким
содержанием
или
полным
исключением Фен.
Диагностика
1. детекция наличия дефектного гена у гетерозиготных родителей с
помощью:
a. теста на толерантность к Фен (чувствительность теста ~
100%). В норме уровень Тир в крови после Фен-нагрузки
выше, чем у гетерозиготных родителей.
б. методов ДНК-диагностики
2. тесты по обнаружению концентрации Фен в крови и моче
больного ребенка практически сразу после рождения.
Наследственные нарушения метаболизма Тир
В ходе метаболических превращений Тир могут наблюдаться ряд
нарушений, имеющих наследственный характер:
Алкаптонурия («черная моча»)
Причина заболевания – дефект гена диоксигеназы гомогентизиновой
кислоты. Частота заболевания 2-5:1 млн. новорожденных. Заболевание
наследуется по аутосомно-рецессивному типу. Характерно выделение с
мочой большого количества гомогентизиновой кислоты, которая, окисляясь
на воздухе, образует темные пигменты алкаптоны.
Клиническими проявлениями заболевания, кроме потемнения мочи на
воздухе, являются пигментация соединительной ткани носа, ушей (охроноз)
и артрит.
Диагностика
отсутствует.
гетерозиготных
носителей
дефектного
гена
пока
Альбинизм.
Известны мутации в различных генах, кодирующих биосинтез
меланинов помимо тирозиназы. За исключением доминантной формы,
остальные формы наследуются по аутосомно-рецессивному типу.
При альбинизме глаз и кожи, негативном по тирозиназе наблюдается –
врожденный
дефект
гена
тирозиназы,
катализирующей
превращение
тирозина в диоксифенилаланин (ДОФА). В результате – нарушение синтеза
пигментов меланинов в меланоцитах. Частота заболевания 1:20000.
Клинические проявления – отсутствие пигментации кожи, сетчатки
глаз и волос, снижение остроты зрения, возникновение светобоязни.
3 типа тирозинемии (2 из которых носят наследственный характер)
Тирозиноз (тирозинемия типа I)
Причиной
заболевания,
вероятно,
фумарилацетоацетатгидролазы,
является
катализирующей
дефект
гена
расщепление
фумарилацетоацетата на фумарат и ацетоацетат.
Острая
форма
тирозиноза
характерна
для
новорожденных.
Клинические проявления – диарея, рвота, задержка в развитии. Из-за
развивающейся недостаточности печени наблюдается смертность детей в
возрасте 6-8 месяцев. При хронической форме – в возрасте 10 лет. Для
лечения используют диету с пониженным содержанием Тир и Фен.
Синдром Рихнера-Ханхорта (тирозинемия типа II)
Причина
–
дефект
фермента
тирозинаминотрансферазы,
катализирующей образование n-оксифенилпировиноградной кислоты из
тирозина путем трансаминирования. Характерно повышение концентрации
тирозина в крови.
Клинические проявления – поражения глаз и кожи, умеренная
умственная отсталость, нарушения координации движения.
Тирозинемия новорожденных (кратковременная)
Возникает
в
результате
снижения
гидроксифенилпируватдиоксигеназы,
гидроксифенилпируват
в
активности
фермента
превращающего
гомогентизиновую
кислоту
в
nn-
присутствии
аскорбиновой кислоты. В крови наблюдается повышение концентрации nгидроксифенилпирувата, Тир, Фен. При лечении назначают витамин С и
бедную белком диету.
Нарушения метаболизма тирозина вносят вклад в развитие болезни
Паркинсона, развивающейся при недостаточности дофамина в черной
субстанции мозга. Частота заболевания 1:200 среди людей старше 60 лет.
При этом заболевании снижена активность тирозингидроксилазы и ДОФАдекарбоксилазы.
(скованность
Наблюдается
движений),
(непроизвольное
ригидность
дрожание).
гематоцефалический
три
барьер,
Так
в
как
основных
симптома:
акинезия
(напряжение
мышц),
дофамин
проникает
терапии
не
используют
тремор
через
препараты
–
предшественники дофамина (производные ДОФА) – леводопа, мадопар,
наком. Кроме того, для подавления инактивации дофамина используют
ингибиторы МАО (депренил, ниаламид, пиразидол и др.).
Нарушения обмена триптофана (Трп).
Трп – незаменимая АМК имеет 2 пути метаболических превращений –
серотониновый
(до
образования
серотонина)
и
кинурениновый
(с
образованием как промежуточного продукта – кинуренина) (рис. 3). Второй
путь приводит к синтезу НАД (никотинамиддинуклеотида), что уменьшает
потребность организма в потреблении витамина РР, из которого, как вы
знаете, образуется НАД.
Рис. 3. Пути превращения триптофана.
В «серотониновом» пути метаболизма Трп цепь метаболических
превращений
открывается
фенилаланин-4-монооксигеназой.
Следует
отметить, что фенилаланин-4-монооксигеназа, участвующая в метаболизме
Фен как мы уже рассмотрели, обладает специфичностью и по отношению к
Трп,
образуя
5-окситриптофан,
(см.
схему
выше),
который
затем
декарбоксилируется до серотонина. Поэтому дефект гена фенилаланин-4монооксигеназы также как и наследственные нарушения синтеза Н4БП
приводят не только к развитию ФКУ, но и к нарушениям «серотонинового»
пути метаболизма триптофана прежде всего к нарушению синтеза
серотонина и затем мелатонина.
Нарушение синтеза серотонина имеет большое значение для организма
так как серотонин стимулирует сокращение гладкой мускулатуры, обладает
сосудосуживающим действием, регулирует АД, температуру тела, дыхание,
обладает антидепрессантным действием.
Кроме того, серотонин превращается в мелатонин – гормон эпифиза,
регулирующий суточные и сезонные изменения метаболизма организма и
участвующий в регуляции репродуктивной функции. Мелатонин обладает
антиоксидантным действием и может ингибировать процессы ПОЛ.
В норме по серотониновому пути окисляется ~ 1% Трп. Но важность
его очень велика и нарушения этого пути представляют большую опасность
для организма. Так, при злокачественных новообразованиях ~ 60% Трп
окисляется по серотониновому пути. При этом наблюдается снижение
образования из Трп НАД, симптомы пеллагры, а также отрицательный
азотистый баланс.
Однако 95% Трп в норме окисляется по кинурениновому пути, который
начинается с окисления Трп под действием гемсодержащего фермента
триптофан-2,3-диоксигеназы
с
образованием
формилкинуренина,
распадающегося при участии формамидазы на муравьиную кислоту и
кинуренин, окисляемый далее в 3-оксикинуренин. Дальнейшие превращения
3-оксикинуренина связаны с пиридоксалевым ферментом кинурениназой,
гидролизующей его на аланин и 3-оксиантраниловую кислоту, которая через
ряд промежуточных продуктов превращается в хинолиновую кислоту, т.е. в
непосредственный предшественник рибонуклеотида никотиновой кислоты с
последующим образованием НАД. Недостаточность витамина В6 приводит к
утрате способности к катаболизму 3-оксикинуренина. В этом случае идет
образование в норме отсутствующего метаболита – ксантурената, уровень
которого в моче млекопитающих и человека появляется при недостаточном
содержании в пище витамина В6.
Ксантуренат, может оказывать токсическое действие на β-клетки
панкреатических островков, являясь одним из патогенетических факторов
развития диабета.
Болезнь,
связанная
с
наследственным
нарушением
транспорта
триптофана носит название болезни Хартнупа. Характерно появление сыпи
на коже, мозжечковой атаксии и умственной отсталости. Моче больных
содержит
значительно
повышенные
количества
индолилацетата,
индолилацетилглутамина и триптофана. Возможна терапия высокими дозами
ниацина (витамин РР).
Нарушения обмена АМК с разветвленной цепью
«Болезнь кленового сиропа» - связана с нарушение обмена АМК с
разветвленной цепью: Лей, Иле и Вал. Обмен АМК с разветвленной цепью
осуществляется не в печени, как для большинства АМК, а в мышечной,
жировой тканях, почках и ткани мозга и включает трансаминирование под
действием специфической аминотрансферазы АМК с разветвленной цепью с
образованием соответствующих α-кетокислот, которые декарбоксилируются
с образованием ацил-КоА-производных жирных кислот под действием
высокоспецифичного дегидрогеназного комплекса.
«Болезнь
кленового
сиропа»
связана
с
нарушением
декарбоксилирования вследствие синтеза дефектного дегидрогеназного
комплекса α-кетокислот с разветвленной цепью, что приводит к увеличению
накопления в крови Лей, Иле, Вал, α-кетокислот и к их экскреции с мочой,
издающей запах кленового сиропа. Болезнь встречается редко, обычно – в
раннем детском возрасте, приводит к нарушению функции мозга и
летальному исходу, если не ограничивать или полностью не исключить
поступление с пищей Лей, Вал, Иле.
Наследственные дефекты всасывания АМК в почках.
Хорошо известны цистиноз и цистинурия.
Цистиноз (синдром Абдергальдена-Фанкони).
Основной метаболический дефект связан с врожденным нарушением
реабсорбции почти всех аминокислот (за исключением циклических) в
канальцах почек, следствием этого являются повышение содержания в моче
почти всех АМК – аминоацидурия (при этом экскреция АМК возрастает в 510 раз, тогда как цистина и цистеина в 20-30 раз). Наблюдается и
избирательное отложение цистина во многих тканях и органах.
Согласно полученным в последнее время данным, причиной болезни
является нарушение функции лизосом.
Цистинурия (цистин-лизинурия) – наследственное заболевание. Экскреция
с мочой цистина, лизина, аргинина и орнитина в 50 раз выше нормы.
Считается, что заболевание связано с нарушением обратного всасывания
цистина, лизина, аргинина и орнитина, который, возможно, происходит в
общем для них «участке» реабсорбции, поэтому вместо термина цистинурия
в настоящее время предпочитают термин цистин-лизинурия. В ходе
заболевания у больных могут образовываться цистиновые камни в почечных
канальцах.
5-Оксипролинурия
определяется
дефицитом
гена
5-оксопролиназы,
катализирующей реакцию превращения 5-оксопролина в глутаминовую
кислоту, в γ-глутамильном цикле, включающий синтез глутатиона (γглутамилцистеинилглицина - GSH) из глутаминовой кислоты, цистеина и
глицина
при
участии
ферментов
γ-глутамилцистеинсинтетазы
и
глутатионсинтетазы.
При этом 5-оксопролин образуется в результате того, что γглутамилтранспептидаза
(γ-глутамилтрансфераза),
локализованная
в
цитоплазматической мембране (почечных канальцах, слизистой оболочке
кишечника и др. тканей) переносит γ-глутамильную группу от GSH или
другого γ-глутамильного пептида на транспортируемую АМК (рис. 4).
Рис.3. γ-Глутамильный цикл.
Комплекс
γ-глутамил-АМК
после
переноса
через
биомембрану
распадается внутри клетки под действием γ-глутамилциклотрансферазы на
свободную АМК и 5-оксопролин. Благодаря возможности ресинтеза GSH,
требующего
затраты
АТФ,
цикл
может
повторяться
многократно,
транспортируя значительные количества АМК. Дефицит 5-оксопролиназы
делает это невозможным или малоэффектным.
Заболевание наследуется по аутосомально-рецессивному типу. В норме
недетектируемый в моче 5-оксопролин в случае заболевания выводится в
концентрации до 50 ммоль/сут. Клинические проявления: хронический
метаболический ацидоз, гемолитическая анемия, неврологические симптомы.
Повышение роста экскреции 5-оксопролина с мочой наблюдается также в
случае дефицита гена глутатионсинтетазы, может сопутствовать синдрому
гомоцистинурии.