Наследственные болезни обмена аминокислот (ФКУ, алкаптонурия, альбинизм и др.)

В основе многих заболеваний лежат нарушения функционирования ферментов в клетке - энзимопатии. Различают первичные (наследственные) и вторичные (приобретённые) энзимопатии. При первичных энзимопатиях дефектные ферменты наследуются, в основном, по аутосомнорецессивному типу. Гетерозиготы, чаще всего, не имеют фенотипических отклонений. Первичные энзимопатии обычно относят к метаболическим болезням, так как происходит нарушение определённых метаболических путей.

Фенилкетонурия (ФКУ). Фенилаланин (ФА) принадлежит к числу незаменимых аминокислот. Только часть ФА используется для синтеза белков; основное количество этой аминокислоты окисляется до тирозина. Реакцию гидроксилирования ФА катализирует фермент – фенилаланингидроксилаза. Причина ФКУ – недостаточность этого фермента. В результате этого нарушения ФА не превращается в тирозин, из которого образуется фенилпировиноградной кислоты (ФПВК), которая выделяется с мочой и потом, вследствие чего от больных детей исходит "мышиный" запах. Высокая концентрация ФПВК приводит к нарушению формирования миелиновой оболочки вокруг аксонов в ЦНС. ФПВК является нейротропным ядом, в результате чего повышаются возбудимость, тонус мышц, развиваются гиперрефлексия, тремор, судорожные эпилептиформные припадки. Позже присоединяются нарушения высшей нервной деятельности, умственная отсталость, микроцефалия. У больных детей наблюдается слабая пигментация из-за нарушения синтеза меланина. Диагностика заболевания осуществляется биохимическими методами: ещё до развития клинической картины в моче определяется ФПВК, в крови - высокое содержание фенилаланина. В родильных домах обязательно проводится скрининг-тест на фенилкетонурию.

Алкаптонурия. Нарушено окисление гомогентизиновой кислоты в тканях (гомогентизиновая кислота - промежуточный метаболит катаболизма тирозина). У таких больных наблюдают недостаточность фермента окисления гомогентизиновой кислоты - диоксигеназы гомогентизиновой кислоты, приводящей к развитию заболевания. В результате увеличиваются концентрация гомогентизиновой кислоты и выведение её с мочой. В присутствии кислорода гомогентизиновая кислота превращается в соединение чёрного цвета - алкаптон. Поэтому моча таких больных на воздухе окрашивается в чёрный цвет. Алкаптон также образуется и в биологических жидкостях, оседая в тканях, коже, сухожилиях, суставах. При значительных отложениях алкаптона в суставах нарушается их подвижность.

Альбинизм. При альбинизме нарушен синтез в меланоцитах пигментов - меланинов. Меланин находится в коже, волосах, радужке, пигментном эпителии сетчатки глаза и влияет на их окраску. При альбинизме наблюдают слабую пигментацию кожи, светлые волосы, красноватый цвет радужки глаза из-за просвечивающих капилляров. Проявление альбинизма связано с недостаточностью фермента тирозингидроксилазы (тирозиназы) - одного из ферментов, катализирующего метаболический путь образования меланинов.

Болезнь Хартнупа. Причина - недостаточность белков-переносчиков триптофана в кишечной стенке и почечных канальцах. Наблюдаются:повышенное образование индикана, который превращается в индиго синего цвета – симптом «голубых пеленок»; аминоацидурия; признаки пеллагры. нарушение психики. Лечение: полноценная белковая диета, прием никотинамида, предохранение от УФО.

ТВОРЧЕСКАЯ РАБОТА СТУДЕНТОВ. Тема реферативного сообщения/презентации -«Энзимопатии обмена аминокислот. Генетический скрининг новорожденных».

Лекция № 3. Конечные продукты обмена простых белков.

План лекции:

1. Реакции образования аммиака в организме. Токсичность аммиака.

2. Способы обезвреживание аммиака в организме. Орнитиновый цикл. Диагностическое значение определения мочевины.

3. Обмен креатина. Синтез креатина, образование креатинфосфата и креатинина. Диагностическое значение определения креатина, креатинина и креатинкиназы.

Содержание лекционного материала:

1. Реакции образования аммиака в организме. Токсичность аммиака.

Источники аммиака в организме:

a) Дезаминирование аминокислот.

b) Дезаминирование биогенных аминов.

c) Дезаминирование пуриновых и пиримидиновых азотистых оснований.

d) Гниение аминокислот в кишечнике.

Катаболизм аминокислот в тканях происходит постоянно со скоростью ∼100 г/сут. При этом в результате дезаминирования аминокислот освобождается большое количество аммиака. Значительно меньшие количества его образуются при дезаминировании биогенных аминов и нуклеотидов.

Часть аммиака образуется в кишечникев результате действия бактерий на пищевые белки (гниение белков вкишечнике) и поступает в кровь воротной вены. Концентрация аммиака в крови воротной вены существенно больше, чем в общем кровотоке. В печени задерживается большое количество аммиака, что поддерживает низкое содержание его в крови. Концентрация аммиака в крови в норме редко превышает 25-40 мкмоль/л.

Аммиак - токсичное соединение. Даже небольшое повышение его концентрации оказывает неблагоприятное действие на организм, и прежде всего на ЦНС. Так, повышение концентрации аммиака в мозге до 0,6 ммоль вызывает судороги. К симптомам гипераммониемии относят тремор, нечленораздельную речь, тошноту, рвоту, головокружение, судорожные припадки, потерю сознания. В тяжёлых случаях развивается кома с летальным исходом.

2. Способы обезвреживание аммиака в организме.

2.1. Локальный – в тканях. Основной реакцией связывания аммиака, протекающей во всех тканях организма, является синтез глутамина под действием глутаминсинтетазы:

Глутамин легко транспортируется через клеточные мембраны путём облегчённой диффузии (для глутамата возможен только активный транспорт) и поступает из тканей в кровь. Основными тканями-поставщиками глутамина служат мышцы, мозг и печень. С током крови глутамин транспортируется в почки и печень.

В мозге и некоторых других органах может протекать восстановительное аминирование α-кетоглутаратапод действием глутаматдегидрогеназы, катализирующей обратимую реакцию. Однако этот путь обезвреживания аммиака в тканях используется слабо, так как глутаматдегидрогеназа катализирует преимущественно реакцию дезаминирования глутамата.

2.2. Образование аммонийных солей. В почкахпроисходит гидролиз глутамина под действием глутаминазы с образованием аммиака. Образующийся аммиак нейтрализует кислые продукты обмена и в виде аммонийных солей, которые экскретируются с мочой:

2.3. Орнитиновый цикл. Диагностическое значение определения мочевины.

Мочевина - основной конечный продукт азотистого обмена,в составе которого из организма выделяется до 90% всего выводимого азота. В норме концентрация мочевины в сыворотке/плазме крови – 2,61-8,35 ммоль/л (уреазный метод).

Мочевина выводится из организма с мочой. Азот мочевины составляет 85-90% от общего азота мочи. В норме у взрослых выводится мочевины с мочой 20-35 г/сут (330-580 ммоль/сут).

При повышении количества потребляемых с пищей белков экскреция мочевины увеличивается. Мочевина синтезируется только в печени. В 40-х годах XX века немецкие биохимики Г. Кребс и К. Гензелейт установили, что синтез мочевины представляет собой циклический процесс, состоящий из нескольких стадий, ключевым соединением которого, замыкающим цикл, является орнитин. Поэтому процесс синтеза мочевины получил название "орнитиновый цикл",или "цикл Кребса-Гензелейта".

Суммарное уравнение синтеза мочевины:

NH₃ + Аспартат + СО₂ + 3 АТФ + 2 Н₂О → Мочевина + Фумарат + 2 АДФ +

+ 2Н₃РО₄ + АМФ + 2 ФФ_н

В первой реакции процесса аммиак связывается с СО₂ с образованием карбамоилфосфата, при этом затрачиваются 2 молекулы АТФ. Реакция происходит в митохондриях гепатоцитов под действием фермента карбамоилфосфатсинтетазы I. Карбамоилфосфат затем включается в орнитиновый цикл и используется для синтеза мочевины.

Биологическая роль орнитинового цикла

Орнитиновый цикл в печени выполняет 2 функции:

· превращение азота аминокислот в мочевину, которая экскретируется и предотвращает накопление токсичных продуктов, главным образом аммиака;

· синтез аргинина и пополнение его фонда в организме.

Нарушение реакций обезвреживания аммиака может вызвать повышение содержания аммиака в крови- гипераммониемию, что оказывает токсическое действие на организм. Причинами гипераммониемии могут выступать как генетический дефект ферментов орнитинового цикла в печени, так и вторичное поражение печени в результате цирроза, гепатита и других заболеваний.

Все нарушения орнитинового цикла приводят к значительному повышению в крови концентрации аммиака, глутамина и аланина.

Гипераммониемиясопровождается появлением следующих симптомов:

• тошнота, повторяющаяся рвота;
• головокружение, судороги;
• потеря сознания, отёк мозга (в тяжёлых случаях);
• отставание умственного развития (при хронической врождённой форме).

Клинико-диагностическое значение исследования концентрации мочевины в сыворотке крови и моче.

Определение концентрации мочевины в сыворотке крови используется для оценки функции печени и выделительной функции почек. Критическая концентрация мочевины в крови: ˃28,0 ммоль/л. Причины увеличения концентрации мочевины в сыворотке крови:острые или хронические заболевания почек; обтурация мочевыводящих путей; снижение тока крови через почечные клубочки (застойная сердечная недостаточность, обширные ожоги, тяжелая диарея и рвота, инфаркт миокарда и др.); повышенный катаболизм белков (длительное голодание, кровотечения в ЖКТ, инфекции, канцерогенез, сахарный диабет и др.); снижение концентрации Cl^-. Причины снижения концентрации мочевины в сыворотке крови: функциональная недостаточность печени (гепатит, цирроз, отравления мышьяком и др.); энзимопатии синтеза мочевины; повышенная скорость клубочковой фильтрации, обусловленная беременностью, чрезмерным объемом внутривенных инфузий, неадекватной секрецией антидиуретического гормона; мальабсорбция (целиакия). Влияющие факторы. Увеличение концентрации: диета с высоким содержанием белка, прием нефротоксичных лекарств, повышенный распад тканей при гипертиреозе, приеме глюкокортикоидов. Уменьшение концентрации:вегетарианская диета.

Определение концентрации мочевины в моче позволяет контролировать азотистый баланс у больных в тяжелом состоянии, получающих зондовое энтеральное и парентеральное питание. Корректно оценить азотистый баланс с использованием этого теста можно лишь при отсутствии тяжелой печеночной или почечной патологии. Увеличением концентрации мочевины в моче, указывающим на отрицательный азотистый баланс, сопровождаются: послеоперационный период, лихорадка; гипертиреоз; тяжелые острые или хронические соматические заболевания. Уменьшением, указывающим на положительный азотистый баланс, сопровождаются: беременность; период роста у детей; период восстановления после тяжелых заболеваний.

3. Обмен креатина. Синтез креатина, образование креатинфосфата и креатинина. Диагностическое значение определения креатина, креатинина и креатинкиназы.

Синтез креатина. Креатин необходим для образования в мышцах высокоэнергетического соединения - креатинфосфата. Синтез креатина идёт в 2 стадии с участием 3-х аминокислот: аргинина, глицина и метионина. В почкахобразуется гуанидинацетат при действии глицинамидинотрансферазы.Затем гуанидинацетат транспортируется в печень,где происходит реакция его метилирования:

SAM – S-аденозилметионин – активная форма метионина – донор СН₃-группы.

Креатин с кровотоком переносится в мышцы и клетки мозга,где из него образуется высокоэнергетическое соединение - креатинфосфат.

Эта реакция легко обратима и катализируется ферментом креатинкиназой. Обнаружено три изоферментные формы креатинкиназы (КК-ВВ – мозговой тип, КК-МВ – сердечный тип, КК-ММ – мышечный тип). Измерение активности общей креатинкиназы и ее изоферментов используется в лабораторной диагностике.

Креатинфосфат играет важную роль в обеспечении энергией работающей мышцы в начальный период.

Креатинин– это конечный продукт неферментативного превращения креатина и креатинфосфата, участвующих в энергообеспечении мышечного сокращения:

Креатинин выводится из организма через почки с мочой, относится к беспороговым веществам, которые поступают в мочу путем фильтрации и не реабсорбируются в канальцах. Нормы креатинина в сыворотке крови у взрослых: мужчины – 40-100 мкмоль/л, женщины – 44-88 мкмоль/л; креатинина в моче у взрослых - 4,4-17,7 ммоль/сут.

Клинико-диагностическое значение исследования концентрации креатина и креатинина в сыворотке крови и моче. Гиперкреатининемия – увеличение уровня креатинина в крови обусловлено как усиленным образованием, так и задержкой его в организме. Критическая концентрация креатинина в сыворотке крови: ˃400 мкмоль/л. Ретенционная гиперкреатининемия обусловлена нарушением (острым и хроническим) функции почек любого происхождения. Продукционная гиперкреатининемия отмечается при кишечной непроходимости, декомпенсации деятельности ССС, пневмонии, лихорадочных состояниях, гипертиреозе, голодании, усиленной мышечной работе. Снижение уровня креатинина в сыворотке крови коррелирует с уменьшением мышечной массы (мышечные дистрофии и атрофии, параличи и др.). Увеличение суточного выведения креатинина с мочойуказывает на увеличение почечной фильтрации и/или повышенное образование креатинина в скелетных мышцах. Увеличением концентрации сопровождаются: усиленная мышечная работа, лихорадочные состояния, пневмония, акромегалия, сахарный диабет, острые инфекционные заболевания. Уменьшение выведения креатинина с мочой наблюдается при мышечной атрофии, параличах, хронических заболеваниях почек, острой почечной недостаточности, голодании. В моче помимо эндогенного креатинина содержится экзогенный креатинин, поступающий в организм с мясной пищей. На концентрацию креатинина в крови и моче влияет характер диеты: преимущественно мясная диета приводит к увеличению, и наоборот, вегетарианская диета – к снижению концентрации креатинина в крови и моче.

Креатинемия (креатин + греч. haima кровь) — наличие в крови креатина. В плазме взрослого человека концентрации креатина в норме составляет 15,25—76,25 мкмоль/л. Повышение уровня креатина в крови (гиперкреатинемия) может быть при избыточном употреблении мяса, а также при заболеваниях мышечной системы, при кишечной непроходимости. поражениях печени. Креатинв моче взрослых людей в норме практически отсутствует. В первые годы жизни ребенка возможна «физиологическая креатинурия». По-видимому, появление креатина в моче детей раннего возраста обусловлено усиленным синтезом креатина, опережающим развитие мускулатуры. Некоторые исследователи к физиологическим явлениям относят и креатинурию стариков, которая возникает как следствие атрофии мышц и неполного использования образующегося в печени креатина. При концентрации креатина в плазме крови свыше 122,0 мкмоль/л он начинает выделяться с мочой. Наибольшее содержание креатина в моче наблюдается при патологических состояниях мышечной системы и прежде всего при миопатии, или прогрессирующей мышечной дистрофии. Принято считать, что креатин в моче (креатинурия) больных миопатией может появляться в результате нарушения в скелетной мускулатуре процессов его фиксации (удержания) и фосфорилирования. Если нарушен процесс синтеза фосфокреатина, то не образуется и креатинин; содержание последнего в моче резко снижается. В результате креатинурии и нарушения синтеза креатинина резко повышается креатиновый показатель мочи: (количество креатина + количество креатинина)/(количество креатинина). В норме этот показатель близок к 1,1.

ТВОРЧЕСКАЯ РАБОТА СТУДЕНТОВ. Тема реферативного сообщения презентации«Энзимопатии цикла синтеза мочевины. Лабораторная диагностика гипераммониемии».