[Медкниги]Тюрин Ю.А., Мустафина И.Г., Давыдов В.С. — Биохимические основы наследственных нарушений обмена веществ



ГОУ ВПО «Казанский государственный медицинский университет Федерального агентства по здравоохранению и социальному развитию»
Кафедра биологической химии













БИОХИМИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ НАСЛЕДСТВЕННЫХ НАРУШЕНИЙ
ОБМЕНА ВЕЩЕСТВ


учебно-методическое пособие













Казань-2009




ББК 28.902
УДК 577.1(075.8)


Печатается по решению Центрального координацинно-методического совета Казанского государственного медицинского университета

Составители:
Тюрин Ю.А. – ассистент, кандидат мед. наук, Мустафин И.Г - зав. кафедрой биологической химии, доктор мед. наук., Давыдов В.С.- доцент, кандидат мед. наук.


Рецензенты:
зав. кафедрой общей и органической химии,
доктор химических наук, профессор Л.Е. Никитина

доктор медицинских наук, профессор кафедры фармакологии
Р.Х. Хафизьянова



Биохимические основы наследственных нарушений обмена веществ. Учебно-методическое пособие. Тюрин Ю.А., Мустафин И.Г., Давыдов В.С. – Казань: КГМУ, 2009. – 30 с.


Учебно-методическое пособие «Биохимические основы наследственных нарушений обмена веществ» предназначено для студентов медицинских и фармацевтического факультетов в качестве вспомогательного пособия, знакомящего будущих специалистов с биохимическими основами некоторых наследственных нарушений обмена веществ человека, согласно действующей программе («Программа по биологической химии для студентов медицинских вузов», Москва, 2000, МЗ РФ).


©Казанский государственный медицинский университет, 2009


ОГЛАВЛЕНИЕ

Введение
4

Наследственная патология пигментного обмена
4

Метаболизм билирубина в норме
4

Наследственные нарушения метаболизма билирубина
5

Синдром Жильбера
6

Синдром Криглера-Найяра
6

Синдром Дубина-Джонсона
7

Наследственная патология обмена углеводов
7

Гликогенозы
7

Болезнь Гирке
8

Болезнь Помпа
9

Болезнь Форбса или болезнь Кори
9

Галактоземия
9

Врождённый недостаток лактазы
11

Наследственные нарушения обмена аминокислот
12

Фенилкетонурия
12

Алкаптонурия
15

Альбинизм
16

Наследственные нарушения обмена пуриновых оснований
17

Недостаточность гипоксантин-фосфорибозилтрансферазы
18

Наследственные нарушения обмена липидов
19

Семейная гиперхолестеролемия
19

Наследственные заболевания, связанные с отложением [ Cкачайте файл, чтобы посмотреть ссылку ] в различных органах и тканях
20

Сфинголипидозы
21

Болезнь Гоше
22

Болезнь Нимана-Пика
23

Болезнь Тея-Сакса
24

Приложение
26

Список литературы
29






Введение.
В основе большинства наследственных болезней лежит генетически обусловленное отсутствие синтеза определённых белков (например, дефект синтеза рецепторных белков при семейной гиперхолистеролемии), или утрата белком ферментативной активности, что в конечном итоге приводит к нарушению метаболизма в обмене веществ. Как правило, большинство наследственных метаболических расстройств могут возникать из-за одного или нескольких генетических дефектов.
Многие формы наследственных болезней обмена веществ у человека встречаются редко, но их значение для медицинской практики значительно: последствия многих приводят к тяжёлым расстройствам здоровья, и в ряде случаев их удается избежать, если диагноз поставлен на ранней стадии развития заболевания (как правило, у новорождённых детей) и назначено адекватное лечение.
Большинство наследственных метаболических расстройств проявляются в младенчестве или в детстве. Диагностикой этих заболеваний непосредственно занимаются врачи педиатры и сотрудники клинических биохимических лабораторий.
В связи с этим будущему врачу-специалисту необходимо уметь чётко представлять биохимические основы наследственных нарушений обмена веществ (метаболизма), которые органично входят в курс изучения биохимии человека, преподаваемого студентам в медицинских вузах.
В учебном пособии изложены основные вопросы «Программы по биологической химии для студентов медицинских вузов», (Москва, 2005) МЗ РФ, касающиеся биохимических основ некоторых наследственных нарушений в обмене веществ человека.

Наследственная патология пигментного обмена

Наследственная патология пигментного обмена, прежде всего, связана с нарушением метаболизма билирубина, а также нарушением обмена гемопротеинов и порфиринов.
Метаболизм билирубина в норме. Билирубин образуется из гема, который высвобождается из гемоглобина при разрушении эритроцитов в процессе их жизнедеятельности в ретикулоэндотелиальной системе. Железо гема используется организмом повторно, а тетрапиррольное кольцо гема разлагается до билирубина. Другими источниками билирубина являются такие белки, содержащие гем, как миоглобин и цитохромы. Свободный билирубин нерастворим в воде, в крови транспортируется в связанной с альбумином форме. В печени он захватывается гепатоцитами при участии специфических белков переносчиков. Затем билирубин в гладком эдоплазматическом ретикулуме (ЭР) гепатоцита подвергается конъюгации с глюкуроновой кислотой с образованием диглюкуронида билирубина. Этот процесс катализирует фермент глюкуронилтрансфераза (КФ 2.4.1.17). Конъюгированный (связанный) билирубин растворим в воде и секретируется в жёлчные канальцы, попадает в тонкую кишку. Секреция билирубина в жёлчные канальцы ограничивает скорость его обмена в целом (приложение, схема 1). В кишечнике билирубин под действием бактериальных ферментов переходит в бесцветный уробилиноген. Некоторое количество уробилиногена всасывается в кишечнике и попадает в портальную кровь. Печень метаболизирует его не полностью и небольшое количество уробилиногена попадает в системную циркуляцию крови и выводиться с мочой в норме. Большая часть образующегося уробилиногена окисляется в толстом кишечнике до коричневого пигмента – уробилина, который экскретируется с фекалиями.
Ежедневно у взрослого человека образуется примерно 300 мг билирубина, здоровая печень способна метаболизировать и экскретировать в 10 раз больше. В норме присутствующий в плазме билирубин примерно на 95% не конъюгирован, связан с альбумином, не фильтруется почками в состав мочи и поэтому в моче здорового человека обычными качественными пробами не определяется.
Наследственные нарушения метаболизма билирубина.
Среди наследственных нарушений метаболизма билирубина у человека выделяют следующие синдромы: Жильбера, Криглера-Найяра I и II тип, Дубина-Джонсона, которые манифестируют такими клинико-лабораторными симтомптомами, как гипербилирубинемия и желтуха.
Желтуха - частое проявление заболевания печени, характеризующееся пожелтением кожи и слизистых оболочек из-за отложения билирубина. Визуально желтуха может не определяться до тех пор, пока концентрация билирубина в плазме не превысит верхней границы нормы (гипербилирубинемия) (20 мкмоль/л) более чем в 2,5 раза, т.е. не станет выше 50 мкмоль/л. Гипербилирубинемия может быть результатом:
повышенного образования билирубина (например, гемолиз эритроцитов);
нарушения его метаболизма (например, синдром Жильбера);
снижения его выведения в кишечник (например, обструкция желчных протоков);
сочетание вышеуказанных причин.













Рис. 1. Кристаллическая структура одного из доменов фермента глюкуронилтрансферазы человека (КФ 2.4.1.17).

Синдром Жильбера. Синдром Жильбера - хроническое расстройство, обусловленное недостаточностью печёночного фермента глюкуронилтрансферазы (КФ 2.4.1.17), рис.1. Этот синдром был впервые описан французским врачом Н. Жильбером в 1907 году. Данный синдром редко проявляется желтухой в возрасте до 20 лет. Встречается у 3-10% населения. При развитии данного синдрома активность глюкуронилтрансферазы у пациентов составляет около 30% от нормы (частичная недостаточность)*.
*Частичная недостаточность данного фермента связана с нарушением экспрессии гена глюкуронилтрансферазы UGT1A1 из-за двух дополнительных нуклеотидов в промоторном участке, что препятствует связыванию фактора транскрипции IID и приводит к подавлению экспрессии гена.
При синдроме Жильбера желтуха выражена слабо, общий билирубин составляет от 21 до 86 мкмоль/л. Тип наследования неизвестен.
Синдром Криглера-Найяра. Существуют две формы данного синдрома:
- I тип (описан Криглером и Найяром) представляет собой тяжёлое заболевание, вызванное полным отсутствием активности глюкуронилтрансферазы**.
- II тип протекает значительно легче, обусловлен частичной недостаточностью глюкуронилтрансферазы.
**Одним геном UGT1A1 кодируется несколько изоферментов глюкуронилтрансферазы, которые образуются в результате альтернативного сплайсинга. Мутация в одном из общих экзонов этого гена приводит к инактивации сразу нескольких изоферментов и к полному отсутствию активности фермента в тканях. Синдром Криглера-Найяра II типа обусловлен мутацией в экзоне, кодирующим только один изофермент, вследствие этого фенотипически регистрируется частичная недостаточность фермента.
Синдром Криглера-Найяра I типа встречается редко. Диагностируется, как правило, у грудных детей при развитии гипербилирубинемии за счёт накопления в крови непрямого билирубина, его концентрация может достигать от 340 до 770 мкмоль/л. Из-за полного отсутствия активности глюкуронилтрансферазы в печени не образуется конъюгированный билирубин (прямой, связанный), поэтому он не экскретируется в желчь, которая не окрашивается и обесцвечивается. При данном типе заболевания регистрируется высокая смертность детей на первом году жизни от билирубинового поражения мозга. Наследуется по аутосомно-рецессивному типу.
Синдром Криглера-Найяра II типа может не проявляться до подросткового возраста, неврологические нарушения наблюдаются редко. Непрямой билирубин колеблется от 103 до 340 мкмоль/л. В желчи содержится незначительное количество конъюгированного билирубина. Наследуется по аутосомно-доминантному типу.
Синдром Дубина-Джонсона. Встречается в популяции редко. В основе заболевания лежит нарушение экскреции билирубина в желчь. Общий билирубин составляет от 51 до 257 мкмоль/л, с преобладанием прямого билирубина. Желтуха выражено слабо, возникает эпизодически. В моче больных выявляется связанный (прямой) билирубин. Продолжительность жизни больных не изменена. Передается по аутосомно-рецессивному типу.

Наследственная патология обмена углеводов

Из наследственных нарушений метаболизма углеводного обмена в данном разделе будут рассмотрены наследственные заболевания, обусловленные нарушением обмена полисахарида гликогена (т.н. болезни накопления), а также ряд наследственных заболеваний человека, характеризующихся нарушением усвоения моносахарида галактозы (галактоземии) и дисахарида лактозы (недостаточность лактазы или непереносимость лактозы).
Гликогенозы. Наследственные болезни, связанные с накоплением в паренхиматозных органах, прежде всего в печени гликогена. Накопление нормального или аномального гликогена (гликогеноз) обусловлено недостаточностью одного из нескольких ферментов, участвующих в гликогенезе и/или гликогенолизе. В данном разделе будут рассмотрены гликогеноз 1 типа или болезнь Гирке, гликогеноз 2 типа – болезнь Помпе и гликогеноз 3 типа – болезнь Форбса. В настоящее время у человека описано 7 типов гликогенозов.
Болезнь Гирке (гликогеноз 1 типа). Заболевание описанно Гирке в 1929 году, однако, ферментный дефект был установлен Кори только в 1952 году. Встречается это нарушение с частотой 1 на 50000. Заболевание обусловлено дефектами ферментной системы печени, осуществляющей переход глюкозо-6-фосфата в глюкозу (рис.2).


Рис. 2. Реакция катализируемая глюкозо-6-фосфатазой (КФ 3.1.3.9).

Ферментная система, осуществляющая переход глюкозо-6-фосфата в глюкозу, содержит не менее 5 субъединиц: 1) глюкозо-6-фосфатаза (КФ 3.1.3.9); 2) Ca2+-связывающий белок; 3) белки переносчики (транслоказы - Т1, Т2 и Т3), которые обеспечивают переход глюкозо-6-фосфата, фосфата и глюкозы через мембрану эндоплазматического ретикулума.
Недостаточность (дефект) глюкозо-6-фосфатазы (гликогеноз типа Ia) и дефект транслоказы (гликогеноз типа Ib) имеют сходные биохимические нарушения. В результате этих дефектов образование глюкозы из гликогена путём глюконеогенеза заблокировано (приложение, схема 2). У детей с этим нарушением возможно развитие тяжёлой гипогликемии голодания (резкое снижение уровня глюкозы в крови между периодами кормления), поскольку единственным источником глюкозы является пища. В печени больных при недостаточности глюкозо-6-фосфатазы происходит накопление гликогена, что вызывает её резкое увеличение и уплотнение – гепатомегалию. Гликоген также откладывается в тромбоцитах, что приводит к расстройству их функции – увеличивается склонность к кровотечениям. Блокирование глюконеогенеза из-за недостаточности этого фермента приводит к накоплению лактата и развитию ацидоза. При этом расстройстве усиливается синтез жиров, что сопровождается гиперлипедемией. Ни адреналин, ни глюкагон не вызывают увеличения содержания глюкозы в крови.
Диагноз этого метаболического нарушения ставиться на основании исследования биоптата печени на активность этого фермента.
Болезнь Помпа (гликогеноз 2 типа) обусловлен наследственным дефицитом лизосомальной (кислой) альфа-1,4-глюкозидазы (КФ 3.2.1.20), катализирующей расщепление гликогена, предотвращая его накопление в лизосомах. Высокая активность данного фермента выявляется в печени, плаценте, поджелудочной железе, коже. При этом заболевании происходит накопление гликогена в клеточных лизосомах. Поражается сердечная и нерво-мышечная ткань.
Болезнь Форбса или болезнь Кори (гликогеноз 3 типа, лимитдекстриноз), характеризуется отсутствием деветвящего фермента амило-альфа-1,6-глюкозидазы (КФ 3.2.1.33). Расщепление гликогена доходит до декстринов, которые накапливаются в повреждённых тканях. Гликогеноз 3 типа наиболее благоприятен в прогностическом отношении, так как путём расщепления боковых цепей до 1,6 точек ветвления организм может получать значительные количества глюкозы.

Галактоземия.
Галактоземия – врождённый метаболический дефект, не позволяющий усваивать галактозу. Галактоза необходима для образования цереброзидов, гликопротеидов и молока во время лактации. Избыток галактозы в норме у человека быстро превращается в глюкозу (приложение, схема 3).
Впервые заболевание описано в 1908 году Reuss. Первая подробная клинико-биохимическая картина этой болезни была дана в 1935 году H. Mason. При данном заболевании у человека отмечается дефект трех ферментов:
галактозо-1-фосфатуридилтрансферазы (КФ 2.7.7.12);
галактокиназы (КФ 2.7.1.6);
УДФ-Глюкозо-4-эпимеразы (КФ 5.1.3.2).
Наиболее распространенная форма галактоземии обусловлена недостаточностью галактозо-1-фосфатуридилтрансферазы (гексозо-1-фосфатуридилилтрансфераза). При недостаточности этого фермента блокируется реакция превращения галактозо-1-фосфата в глюкозо-1-фосфат, с образованием уридиндифосфат-галактозы (УДФ-галактозы):
Галактозо-1-фосфат + УДФ-глюкоза Глюкозо-1-фосфат + УДФ-галактоза
Что приводит к накоплению в крови и тканях галактозы и галактозо-1-фосфата, обладающих токсическим действием.
УДФ-галактоза подвергается [ Cкачайте файл, чтобы посмотреть ссылку ], катализирует реакцию фермент УДФ-глюкозо-4-эпимераза:
УДФ-галактозаУДФ-глюкоза
Затем УДФ-глюкоза расщепляется с образованием глюкозо-1-фосфата, реакцию катализирует УДФ-глюкоза-пирофосфорилаза:
УДФ-глюкоза + ПирофосфатГлюкоза-1-фосфат +УТФ
При недостаточности галактозо-1-фосфатуридилтрансферазы заболевание дебютирует в детском возрасте при употреблении молока и проявляется рвотой, диареей, увеличением печени (гепатомегалией), повреждением почечных канальцев (синдром Фанкони), гипогликемией. Заболевание наследуется по аутосомно-рецессивному типу.
Недостаточность фермента УДФ-галактозо-4-эпимеразы, вызывает сходные проявления у больного, что и при недостаточности галактозо-1-фосфатуридилтрансферазы, но встречается ещё реже с частотой 1:1000000.
Недостаточность фермента галактокиназы приводит к блокированию фосфорилирования галактозы (рис. 3), что вызывает увеличение её концентрации в плазме крови и моче больных. Встречается с частотой 1:40000. Поскольку при дефиците галактокиназы блокируется образование галактозо-1-фосфата, он не накапливается в тканях, что не приводит к токсическому эффекту этого соединения на почки, клетки печени и мозг, у некоторых пациентов развивается катаракта.




























Рис.3. Реакция катализируемая галактокиназой (КФ 2.7.1.6).
Диагноз галактоземии лабораторно подтверждается при определении в моче хроматографическим методом галактозы и доказательства недостаточности соответствующих ферментов в эритроцитах больного ребенка, которое обязательно проводят всем новорождённым детям, родные братья или сестры которых больны галактоземией.
Врождённый недостаток лактазы. Недостаточность лактазы или непереносимость лактозы - врождённое заболевание, наследуется по аутосомно-рецессивному типу. Заболевание характеризуется непереносимостью молочного сахара – лактозы, обусловленное отсутствием активности в тонком кишечнике фермента лактазы (lactase или lactase-phlorizin hydrolase, КФ 3.2.1.108)*, которая катализирует реакцию гидролитического расщепления дисахарида лактозы на моносахариды – галактозу и глюкозу в процессе пристеночного пищеварения (см. приложение, схема 5). Частота врождённой недостаточности лактазы составляет примерно 1 на 60 тыс. человек. Выделяют детский и взрослый (очень редкий, называемый hypolactasia) тип врождённой недостаточности лактазы.
Детский тип врождённой недостаточности лактазы* проявляется при грудном вскармливании с раннего возраста при введении продуктов содержащих лактозу (например, молоко), с ярко выраженных симптомов желудочно-кишечных расстройств в виде вздутия живота (метеоризма), водянистой диареи, дегидратации, ацидоза, катастрофической потери веса. Однако, у таких детей активность других дисахаридаз кишечника (сахаразы, изомальтазы, мальтазы) не изменена и соответствует норме. Активность кишечной лактазы в биоптатах и дуоденальном содержимом у больных детей снижена и составляет от 0 до 10 U/ г. белка.
При исключении лактозы (молочного сахара) из питания больного ребёнка развитие таких детей остается нормальным.
*Кишечная лактаза, кодируется LCT геном, состоящим из 17 экзонов. Причины врождённой недостаточности лактазы, установленные в настоящее время, обусловлены различными мутациями гена лактазы - LCT gene (Q268H, G1363S, S1666fsX1722, S218fsX224), что приводит к синтезу фермента, не обладающего каталитической активностью. (Am. J. Hum. Genet. 2006.,V.78, P. 339–344).

Наследственные нарушения обмена аминокислот
Фенилкетонурия. Термин фенилкетонурия (ФКУ) был введён Пенроузом и Квостелем в 1937 году для обозначения этого заболевания и используется до настоящего времени.
Фенилкетонурия (ФКУ) является наиболее распространенной аминоацидопатией. Частота ФКУ среди новорожденных по данным массового скрининга в различных странах составляет в среднем 1:10000, однако значительно варьирует в зависимости от популяции: от 1:4560 в Ирландии, до 1:100000 в Японии. По Mc Kusick выделяется несколько типов фенилкетонурии:
Фенилкетонурия I типа (классическая ФКУ);
Фенилкетонурия II типа (атипичная ФКУ);
Фенилкетонурия III типа.

Фенилкетонурия I типа.
Фенилкетонурию I типа (классическая форма) впервые описал в 1934 году норвежский биохимик и психиатр А. Феллинг. Лишь спустя 19 лет другой исследователь Джервис (1953) после проведённой серии экспериментов пришёл к раскрытию биохимической основы этого заболевания – блокирование реакции гидроксилирования L-фенилаланина и превращения его в L-тирозин вследствие дефицита фермента фенилаланин - 4 – гидроксилазы (КФ 1.14.16.1)*, который гидроксилирует фенилаланин с образованием тирозина (рис. 4.).

Рис.4. Реакция катализируемая ферментом фенилаланилгидроксилазой (КФ 1.14.16.1), превращение L-фенилаланина в L-тирозин. Кофактором фермента является тетрагидробиоптерин и ионы Fe2+.

*Рецессивная мутация гена, расположенного в 12-ой хромосоме, кодирующего фенилаланингидроксилазу, наследуется по аутосомно-рецессивному типу, оба пола поражаются с одинаковой частотой. Заболевание проявляется только у гомозигот.
В связи с тяжестью клинических проявлений и возможностью профилактического лечения ФКУ рекомендована ранняя диагностика этого заболевания среди новорожденных. В настоящее время проба с хлорным железом - FeCl3 (проба Феллинга) используется в виде бумажных тест полосок для обнаружения с первых дней жизни в моче больных детей деривиата фенилаланина (фенилпировиноградной кислоты).
В настоящее время установлено, что фенилгидроксилирующая система у человека представляет собой сложный комплекс, состоящий из нескольких ферментов и коферментов:
1) фенилаланингидроксилаза (КФ 1.14.16.1), локализована в цитозоле клеток, высокая активность в клетках печени, эпидермальных тканях (меланоциты);
2) дигидроптеридинредуктаза (КФ 1.5.1.34);
3) дигидрофолатредуктаза (КФ 1.5.1.3);
4) кофактор: тетрагидроптеридин.
В результате блокирования основного катаболического пути превращения фенилаланина при ФКУ, происходит накопление фенилаланина и продуктов его дезаминирования и окислительного декарбоксилирования (фенилпирувата, фениллактата, фенилацетата) в крови. Высокие уровни фенилаланина в крови при ФКУ в раннем детстве приводит к нарушению процессов миелинизации в ЦНС, что является одним из биохимических факторов приводящих к нарушению умственного развития детей (олигофрении). Метаболиты фенилаланина – фенилпируват, фениллактат обладают токсическим действием на ЦНС.
Ребенок с фенилкетонурией выглядит при рождении здоровым. Отставание в психическом развитии может происходить постепенно и стать очевидным через несколько месяцев. Установлено, что нелеченный ребенок теряет около 50 баллов IQ к концу первого года жизни. Отставание психического развития обычно довольно выражено, и большинство детей нуждаются в социальной помощи. Об актуальности данного заболевания, свидетельствует проблема материнской ФКУ, лишь недавно появившаяся в России. Наблюдается высокая частота умственной отсталости среди потомства женщин, страдающих ФКУ и не получающих диету в зрелом возрасте.
У многих пациентов с фенилкетонурией светлые волосы и голубые глаза, что связано с недостаточностью синтеза меланина из тирозина, образование которого при фенилкетонурии блокировано.
Фенилкетонурия II типа
Впервые атипичная ФКУ была описана Smith I. в 1974 году, а Kaufman S.и др. в 1975 году обнаружили дефицит дигидроптеридинредуктазы при этом состоянии. Заболевание наследуется по аутосомно-рецессивному типу. Генный дефект локализуется в коротком плече 4 хромосомы, участке 4р15.3. В результате недостаточности дигидроптеридинредуктазы (КФ 1.5.1.34) нарушается восстановление активной формы тетрагидробиоптерина, участвующего в качестве кофактора в гидроксилировании фенилаланина, тирозина и триптофана. Вследствие этого развиваются метаболические блоки на путях превращения фенилаланина в тирозин, а также образования предшественников нейромедиаторов катехоламинового и серотонинового ряда L-ДОФы и 5-окситриптофана, что подтверждается резким снижением содержания в тканях и жидкостях больного организма (в том числе в мозге и цереброспинальной жидкости) их конечных продуктов - гомованилиновой и 5-оксиндолуксусной кислот.
Фенилкетонурия III типа
Этот вариант болезни впервые описан Kaufman S. и др. в 1978 году. Заболевание наследуется по аутосомно-рецессивному типу и связано с недостаточностью 6-пирувоилтетрагидроптеринсинтазы, участвующей в процессе синтеза тетрагидробиоптерина из дигидронеоптеринтрифосфата. Ключевую роль в патогенезе играет дефицит тетрагидробиоптерина. Развивающиеся при этом расстройства сходны с нарушениями, наблюдаемыми при ФКУ II.
Диагноз ФКУ устанавливается при обнаружении у новорождённого ребёнка высоких концентраций фенилаланина в крови на 6-10 день после рождения и при положительном результате скринигового теста на фенилпировиноградную кислоту. Во многих странах мира все новорождённые обследуются на ФКУ.
Алкаптонурия. Наследственное заболевание, связанное с расстройством обмена аминокислоты тирозина и экскрецией с мочой большого количества (до 4-8 г/сутки) гомогентизиновой кислоты (2,5-дигидрофенилуксусной кислоты). Дефицит (недостаточность) оксидазы гомогентизиновой кислоты (КФ 1.13.11.5)*, (рис. 5.) приводит к тому, что гомогентизиновая кислота не переходит в другой метаболит – малеилацетоацетат (рис. 6.) и выводится с мочой. Вследствие окисления гомогентизиновой кислоты кислородом воздуха образуются окрашенные пигменты, придающие тёмный цвет мочи больных алкаптонурией.













Рис. 5. Кристаллическая структура человеческой оксидазы гомогентизиновой кислоты (КФ 1.13. 11.5). Фермент является гексамером, содержащим атомы Fe2+



















Рис.6. Реакция, катализируемая ферментом оксидазой гомогентизиновой кислоты (КФ 1.13.11.5) превращение гомогентизиновой кислоты в 4 – малеилацетоацетат. Кофактором фермента являются ионы Fe2+.

Впервые это заболевание описал Scribonius в 1584 году. В 1859 году Boedeker H. назвал алкаптоном вещество, содержащееся в моче и обуславливающее потемнение мочи при соприкосновении с кислородом воздухом в результате окисления гомогентизиновой кислоты.
Алкаптонурия распознается сразу после рождения из-за характерного окрашивания пелёнок ребёнка в черный цвет. Кроме этого у этих больных описано повреждение хрящевой ткани с развитием артритов. Алкаптонурия распространена в Доминиканской республике, Чехословакии, Германии, США, Индии.
*Ген оксидазы гомогентизиновой кислоты человека (HGD) локализован на длинном плече 3 хромосомы. У больных алкаптонурией в гене HGD выявлены нуклеотидные замены (missense мутации), сплайсинговые, интронные мутации, инсерции и делеции. Наследуется по аутосомно-рецессивному типу. Частота заболевания по данным разных авторов колеблется от 1:1000000 до 1:10000000.
Альбинизм. Группа генетических заболеваний, характеризующихся дефицитом или полным отсутствием синтеза пигмента меланина. Обусловлено это заболевание отсутствием каталитической активности фермента тирозиназы (КФ 1.14.18.1), катализирующей три реакции в цепи биосинтеза меланина:
гидроксилирование L-тирозина в 3,4-диоксифенилаланин (ДОФА);
окисление ДОФА в ДОФА-хинон;
окисление 5,6-диоксииндола в индол-5,6-хинон.
В основе данного заболевания вследствие нарушения биосинтеза меланина лежит врождённое отсутствие пигмента в коже и ее придатках, радужной и пигментной оболочках глаза. Полный альбинизм известен среди всех рас и народов. Несколько чаще альбинизм встречается среди североамериканских негров, индейцев народности Цуни (штат Аризона, США), индейцев Мексики, обитателей Сицилии.

Наследственные нарушения обмена пуриновых оснований

К наследственным нарушениям обмена пуриновых нуклеотидов, прежде всего относят недостаточность фермента гипоксантин-фосфорибозилтрансферазы (КФ 2.4.2.8)* (рис.7), кофактором фермента являются ионы Mg2+. Фермент катализирует обратимую реакцию превращения гипоксантина в инозинмонофосфат и гуанина в гуанозинмонофосфат, т.е. стадию на метаболическом пути регенерации пуриновых нуклеотидов по механизму фосфорибозилирования свободных пуриновых оснований (рис.8).













Рис.7. Кристаллическая структура гипоксантин-фосфорибозилтрансферазы (КФ 2.4.2.8) человека. Фермент является тетрамером, состоящим из 4 полипептидных цепей A, B, C, D. Лигандами фермента являются пирофосфат, ионы Mg2+ и гуанозин-5-фосфат.



















Рис.8. Реакция, катализируемая ферментом гипоксантин-фосфорибозилтрансферазой (КФ 2.4.2.8)

При низкой активности этого фермента у больных гипоксантин и гуанин не используется повторно для синтеза нуклеотидов, а превращаются в мочевую кислоту, что приводит к развитию у человека общих клинических синдромов, получивших название: подагра (гиперурикемия, уролитиаз).
*Мутации структурного гена гипоксантин-фосфорибозилтрансферазы приводят к отсутствию активности фермента во всех клетках организма. Ген картирован на Х хромосоме. Наследование Х-сцепленное рецессивное. Большинство гетерозиготных женщин имеют нормальные показатели уровня мочевой кислоты в крови.
Недостаточность гипоксантин-фосфорибозилтрансферазы приводит к развитию острого подагрического артрита, уролитиаза (камнеобразованию в почках), без психических и неврологических нарушений (первичная [ Cкачайте файл, чтобы посмотреть ссылку ]а). Полное отсутствие активности этого фермента приводит к более тяжёлому поражению, получившему название синдром Леша-Нихена (вторичная подагра), проявляющегося только у мальчиков, для которых характерны повышенное содержание мочевой кислоты в крови и моче, спастические параличи, анемия, умственная отсталость, приступы агрессивного поведения со стремлением к самоповреждению.

Наследственные нарушения обмена липидов.

Из наследственных (врождённых) нарушений метаболизма липидов в этом разделе будут рассмотрены нарушения обмена холестерола – (семейная гиперхолестеролемия) и группа наследственных заболеваний, связанных с [ Cкачайте файл, чтобы посмотреть ссылку ] сложных липидов и накоплением [ Cкачайте файл, чтобы посмотреть ссылку ] в различных органах и тканях ([ Cкачайте файл, чтобы посмотреть ссылку ])15.

Нарушения обмена холестерола.

В данном разделе будет рассмотрена патология обмена холестерола относящаяся к первичным (наследственным) дислипопротеинемиям. Наиболее тяжёлой формой наследственной дислипопротеинемии является семейная гиперхолестеролемия, обусловленная увеличением содержания общего холестерола в крови (для гомозигот до 20,3 ммоль/л, для гетерозигот до 10,8 ммоль/л).
Семейная гиперхолестеролемия (недостаточность рецепторов для липопротеинов низкой плотности - ЛПНП, наследственная гиперхолестеролемия) наследуется по аутосомно-доминантный типу. Молекулярный дефект, определяющий развитие этого заболевания, был описан Брауном (Brown M. S., 1981) и оказался связанным с дефектом рецепторного белка, участвующего в поглощении ЛПНП из крови.**
**Локализуется рецептор на поверхности гепатоцитов и связывает липопртотеины низкой плотности (ЛПНП), холестерол-транспортные белки, обеспечивая их проникновение внутрь клетки путем эндоцитоза. В клетке ЛПНП распадаются внутри лизосом и высвобождают холестерол, который может быть использован для синтеза стероидных гормонов, липидов мембран. Мутации гена, кодирующего рецептор ЛПНП, локализованного в коротком плече 19 хромосомы, приводят к нарушению процессов деградации ЛПНП. Первая мутация в гене рецептора ЛПНП была выявлена Wingerde в 1981 году.
Поскольку поступление холестерола ЛПНП в клетки снижено, его содержание в плазме крови быстро нарастает. Повышенная концентрация холестерола может быть обнаружена ещё у детей в пуповинной крови. У гомозигот рецепторы для ЛПНП фактически отсутствуют и концентрация холестерола ЛПНП в плазме крови превышает величины, характерные для здоровых лиц более чем в 3 раза. Концентрация триглицеридов остается в пределах нормы.
Из наследственных нарушений метаболизма это патологическое состояние характеризуется особенно высокой смертностью. В связи с развитием сердечно-сосудистых заболеваний возраст таких пациентов редко превышает 20 лет. У гетерозиготных носителей аномального гена число рецепторов для ЛПНП снижено приблизительно на 50% и содержание холестерола ЛПНП в плазме крови приблизительно в 2 раза выше, чем у здоровых людей. У этих больных степень риска развития сердечно-сосудистых заболеваний повышается в 10 раз. У гомозигот ксантомы* сухожилий и ксантелазмы* развиваются в раннем детстве, но у гетерозиготных носителей только после 20 лет.
*Ксантома (xanthoma) - возникает в коже при нарушении холестеринового обмена. Множественная узелковая ксантома наблюдается чаще на разгибательных участках конечностей, волосистой части головы, узелки, размером от макового зерна и больше, отличаются своим золотисто-желтоватым цветом и розовато-фиолетовым венчиком по периферии, имеют мягкую, плотную или келоидную консистенцию. Течение хроническое. Ксантелазма (xanthelasma) - это плоская ксантома, наблюдается чаще у женщин, страдающих диабетом, гиперхолестеролемией, как правило, располагается на веках в виде небольших желтоватых бляшек, несколько возвышающихся над кожей. Могут располагаться группами, спонтанного исчезновения не происходит.
В семьях с моногенным типом наследования имеется четкое различие между клинически здоровыми гомозиготными и гетерозиготными индивидуумами, в противоположность тому, что имеет место при более распространенном полигенном типе заболевания. В большинстве стран моногенная гиперхолестеролемия составляет менее 5% всех случаев первичной гиперхолестеролемии.
Наследственные заболевания, связанные с отложением [ Cкачайте файл, чтобы посмотреть ссылку ] в различных органах и тканях – это группа болезней, в основе которых лежит накопление избыточных количеств [ Cкачайте файл, чтобы посмотреть ссылку ] и [ Cкачайте файл, чтобы посмотреть ссылку ]* в клетках паренхиматозных органов и нервной ткани.
*Сфинголипиды являются структурными компонентами клеточных мембран, в частности, миелиновых оболочек нервных волокон, поэтому нарушение постоянно протекающих процессов синтеза, распада этих липидов в лизосомах клеток создает патологическую основу поражения большинства жизненно важных органов, включая серое и белое вещества головного мозга. Дефекты распада сфинголипидов связаны с недостаточностью соответствующих ферментов.
К ним относят большую группу наследственных заболеваний получивших название [ Cкачайте файл, чтобы посмотреть ссылку ] (табл. 1). В клиническом аспекте сфинголипидозы характеризуются прогрессирующими умственными и двигательными расстройствами, поражением костной системы, паренхиматозных органов (печень, селезёнка, почки), кожи и сетчатой оболочки глаза.
Табл.1
Сфинголипидозы человека.
Название заболевания
Недостаточность фермента
Накапливающийся сложный липид

Фукозидоз
альфа-Фукозидаза
Cer-Glc-GalNAc-Cal-:-Fuc Н-Изоантиген

Генерализованный ганглиозидоз
GM1-бета-Галактозидаза
Cer-Glc-Gal(NeuAc)-GalNAc-:-Gal Ганглиозид GM1

Болезнь Тея-Сакса
Гексозаминидаза А
Cer-Glc-Gal-(NeuAc)-:-GalNAc Ганглиозид GM2

Вариант болезни Тея-Сакса, или болезнь Сандхоффа
Гексозаминидазы А и В
Cer-Glc-Gal-Gal-:-GalNAc Глобозид + ганглиозид GM2

Болезнь Фабри
альфа-Галактозидаза
Cer-Glc-Gal-:-Gal Глоботриаозилцерамид

Церамидлактозидлипидоз
Церамидлактозидаза (бета-галактозидаза)
Cer-Glc-:-Gal Церамидлактозид

Метахроматическая лейкодистрофия
Арилсульфатаза
Cer-Gal-:-OSO3 3-Сульфогалактозилцерамид

Болезнь Краббе
бета-Галактозидаза
Cer-:-Gal Галактозилцерамид

Болезнь Гоше
бета-Глюкозидаза
Cer-:-Glc Глюкозилцерамид

Болезнь Нимана-Пика
Сфингомиелиназа
Cer-:-P-холин Сфингомиелин

Болезнь Фарбера
Церамидаза
Ацил-:-Сфингозин Церамид

Сфинголипидозы - врожденные нарушения метаболизма [ Cкачайте файл, чтобы посмотреть ссылку ], обусловленные отсутствием [ Cкачайте файл, чтобы посмотреть ссылку ], катализирующих процессы их распада, среди этой группы будут рассмотрены, следующие заболевания:
Болезнь Гоше;
Болезнь Нимана-Пика;
Болезнь Тея-Сакса.
Болезнь Гоше. Впервые заболевание описал в 1882 году французский студент медик Филипп Шарль Эрнст Гоше (Gaucher P. C. E.). Внутриклеточный липоидоз, характеризующийся накоплением цереброзидов в клетках ретикулоэндотелиальной системы – макрофагах, которые принимают соответствующую морфологию, получивших название клеток Гоше или «клеток накопления», (рис. 9). Болезнь Гоше встречается с частотой от 1:40000 до 1:60000 у представителей почти всех этнических групп, а в популяции евреев Ашкенази частота этого заболевания достигает 1:450.
Накопление цереброзидов ([ Cкачайте файл, чтобы посмотреть ссылку ]) в клетках обусловлено наследственным дефицитом глюкоцереброзидазы* (glucocerebrosidase, [ Cкачайте файл, чтобы посмотреть ссылку ]) - лизосомного фермента катализирующего гидролитический распад
·-D-глюкозилцерамида на
·-D-глюкозу и [ Cкачайте файл, чтобы посмотреть ссылку ] Заболевание наследуется по аутосомно-рецессивному типу.










Рис. 9. Клетки Гоше.

*[ Cкачайте файл, чтобы посмотреть ссылку ]локализуется на 1 хромосоме человека в позиции q21 ([ Cкачайте файл, чтобы посмотреть ссылку ]). Недостаточность энзима обусловлена различными мутациями гена. Первая мутация в гене глюкоцереброзидазы человека была выявлена в 1987 году Tsuji S. Список идентифицированных мутаций в гене глюкоцереброзидазы представлен missense мутациями, nonsense мутациями, сплайсинговыми мутациями, а также делециями и инсерциями. Интенсивный поиск и открытие мутаций данного гена было осуществлёно японскими, американскими исследователями за период с 1989 по 1997 гг.
Основные проявления болезни Гоше обусловлены накоплением клеток, перегруженных «шлаками» и нарушением функции этих клеток. Накопление этих клеток в различных органах приводит к увеличению их размеров (увеличение печени и селезёнки) и нарушению структуры и функции этих органов. Критическим при этом заболевании является нарушение функции макрофагов, перегруженных «шлаками», что приводит к анемии, кровоточивости (тромбоцитопения), частым переломам костей из-за их хрупкости. Это связано с тем, что макрофаги в организме регулируют многие жизненно важные процессы: кроветворение, свертывание крови, обмен костной ткани и многое другое. Основные симптомы у больных с болезнью Гоше - это увеличение печени и селезёнки, анемия, тромбоцитопения, хронические боли в костях (остеоалгии), повышение температуры – лихорадка, поражение суставов и частые переломы.
Клинически различают три типа болезни Гоше: тип I (взрослый тип), тип II (инфантильный тип), тип III (ювенальный тип).
Диагноз болезни Гоше устанавливается на основании биохимического аналаза включающего определение активности глюкоцереброзидазы в лейкоцитах крови. Снижение активности кислой глюкоцереброзидазы менее 30% от нормального уровня является основанием для биохимического подтверждения диагноза, основанного на клинических данных. Характерным биохимическим маркёром болезни Гоше является повышение активности хитотриозидазы в сыворотке крови больных в 1000 и более раз.
Болезнь Нимана-Пика. Болезнь Ниманна Пика ([ Cкачайте файл, чтобы посмотреть ссылку ] Niemann-Pick disease) это [ Cкачайте файл, чтобы посмотреть ссылку ] в основе которого лежит недостаточность активности кислой сфингомиелиназы* (сфингомиелинфосфодиестераза, acid sphingomyelinase, КФ [ Cкачайте файл, чтобы посмотреть ссылку ]). Данный лизосомный фермент катализирует реакцию распада [ Cкачайте файл, чтобы посмотреть ссылку ] на [ Cкачайте файл, чтобы посмотреть ссылку ] и фосфохолин в мембранах лизосом. Его недостаточность приводит к избыточному накоплению [ Cкачайте файл, чтобы посмотреть ссылку ], а как следствие к нарушению липидного метаболизма, включая накопление [ Cкачайте файл, чтобы посмотреть ссылку ] и других клеточных липидов. Заболевание наследуется по аутосомно-рецессивному типу. Различают три типа данного заболевания: типы A, B связаны с недостаточной активностью кислой сфингомиелиназы, а тип C обусловлен мутациями генов NPC1 или NPC2, которые кодируют белок [ Cкачайте файл, чтобы посмотреть ссылку ], отвечающей за транспорт холестерола и липидов внутри клетки.
*[ Cкачайте файл, чтобы посмотреть ссылку ] [ Cкачайте файл, чтобы посмотреть ссылку ] кислой [ Cкачайте файл, чтобы посмотреть ссылку ] приводят к недостаточной активности данного энзима. Ген локализуется на 11 хромосоме человека в позиции p15.4-p15.1. В 1992 году Schuchman клонировал и секвенировал ген сфингомиелиназы. Кодирующая область гена состоит из 1116 нуклеотидов, некодирующие 5' и 3'области состоят из 468 нуклеотидов. Ген разделяется 5 интронами на 6 экзонов. Размер экзонов варьирует от 77 до 773 пар нуклеотидов, а интронов от 153 до 1059 пар нуклеотидов. Регуляторная область гена включает отдельные промоторные элементы - четыре SP-1 связывающих сайта, два TATA-box, два CAAT-box, два NF-1 и один AP-1 связывающих сайта. Во втором интроне локализуется Alu элемент. Интригующим обстоятельством в строении данного гена является наличие трех дополнительных открытых рамок считывания (ORFs), предположительно кодирующих полипептиды из 101, 104, и 158 аминокислот

Тип А самый тяжёлый тип, который дебютирует у детей в грудном возрасте и характеризуется увеличением печени и селезёнки ([ Cкачайте файл, чтобы посмотреть ссылку ]), прогрессирующим поражением [ Cкачайте файл, чтобы посмотреть ссылку ]. Характеризуется высокой смертностью детей в младенчестве. Наиболее часто встречается этот тип болезни Ниманна-Пика у выходцев из центральной и восточной [ Cкачайте файл, чтобы посмотреть ссылку ] ([ Cкачайте файл, чтобы посмотреть ссылку ]) примерно 1:40000.
Тип B - умеренный, проявляется гепатоспленомегалией, задержкой роста и нарушением лёгочной функцией с развитием респираторных инфекций. Другие показатели включают повышенный уровень [ Cкачайте файл, чтобы посмотреть ссылку ] и [ Cкачайте файл, чтобы посмотреть ссылку ] в [ Cкачайте файл, чтобы посмотреть ссылку ], [ Cкачайте файл, чтобы посмотреть ссылку ]. Больные чаще доживают до взрослого возраста.
Тип С - проявляется в грудном возрасте или у взрослых. Симптомы включают тяжёлые печёночные нарушения, проблемы с дыханием, задержку в развитии, припадки, повышенный мышечный тонус ([ Cкачайте файл, чтобы посмотреть ссылку ]), нарушение координации движения, питания и движения глаз в вертикальной плоскости. Больные доживают до взрослого возраста. Частота заболевания 1:150000.
Болезнь Тея-Сакса. Болезнь Тея-Сакса или [ Cкачайте файл, чтобы посмотреть ссылку ] (Tay-Sachs disease) - наследственное заболевание с преимущественным поражением [ Cкачайте файл, чтобы посмотреть ссылку ], характеризуется прогрессирующим снижением зрения в сочетании с деградацией интеллекта до идиотии и разнообразными неврологическими расстройствами. Первые случаи этого заболевания описаны Tay в 1881 году и Sachs в 1887 году. Заболевание проявляется в виде двух форм: тип 1 (инфантильный), который заканчивается летальным исходом ещё в младенчестве, тип 2 (ювенальный), характеризуется более благоприятным прогнозом и большей выживаемостью больных до зрелого возраста. Заболевание наследуется по аутосомно-рецессивному типу.
Болезнь Тея-Сакса обусловлена отсутствием активности гексозаминидазы* (beta-hexosaminidase, beta-N-acetyl-hexosaminidase, КФ 3.2.1.52) в клеточных лизосомах. Данный энзим катализирует катаболизм GM2-ганглиозида. У больных при этом заболевании происходит накопление субстрата реакции - GM2-ганглиозида в основном клетках центральной нервной системы.
*Отсутствие активности данного энзима обусловлено мутациями гена гексозаминидазы локализованного на 15 хромосоме человека в позиции q23-q24. В настоящее время за 10 летний период изучения мутационного поражения в гене гексозаминидазы человека было выявлено более 40 мутаций (идентифицированы missense, nonsense мутации, инсерции).

















Приложение











Схема 1. Обмен билирубина и его экскреция печенью. Свободный билирубин (непрямой), связанный билирубин (прямой).







.
Схема 2. Образование глюкозы при гликогенолизе и глюконеогенезе. Глюкозо-6-фосфат является важным промежуточным метаболитом образования глюкозы как при гикогенолизе, так и при глюконеогенезе.










Схема 3. Метаболический путь превращения галактозы в глюкозу. УДФ- уридиндифосфат, УТФ- уридинтрифосфат.
.
Схема 4. Метаболический путь превращения фенилаланина в тирозин. Показан участок действия фенилаланингидроксилазы, фермента дефицит которого наблюдается при фенилкетонурии.













Схема 5. Расщепление дисахарида лактозы ферментом из класса гидролаз - лактазой (КФ3.2.1.108) локализованного в клеточной мембране энтероцитов в норме. (Глю) - глюкоза, (Гал)- галактоза.














Список литературы
Биохимия. Учебник для ВУЗов. /Под ред. Е. С. Северина. – М.: ГЭОТАР-МЕД, 2003. – 784с.

Березов Т.Т., Коровкин Б.Ф. Биологическая химия. Изд. 3-е. – М.: Медицина, 1998. – 704 с.

Интернет ресурсы: www. medbiol.ru, www.brenda-enzymes.info/index.php4.

Элиот В., Элиот Д. Биохимия и молекулярная биология. – М.: НИИ биомед. Химии РАМН, 2000. – 372 c.

Boll W., Wagner P., Mantei N. Structure of the chromosomal gene and cDNAs coding for lactase-phlorizin hydrolase in humans with adult-type hypolactasia or persistence of lactase. // Am. J. Hum. Genet. 1991., V.48., P. 889–902.

Gremse D.A., Bucuvalas J. C ,Baluster W. F. Efficacy of cornstarch therapy in type III glycogen-storage disease. // Am. J. Clin.Nutr. 1990., V.52 (4)., P.671-674

Lomer M. C. E., Parkes G. C., Sanderson J. D. Review article: lactose intolerance in clinical practice – myths and realities. // Aliment Pharmacol Ther., 2008., V. 27, P. 93–103.

Mistry P. K., Cox T. M. The glucocerebrosidase locus in Gaucher's disease: molecular analysis of a lysosomal enzyme.// J. Med. Genet., 1993., V. 30., P. 889-894.

Naim H. Y. Molecular and cellular aspects and regulation of intestinal lactase-phlorizin hydrolase. // Histol Histopathol. 2001., V.16., P. 553–561.

Schuchman E. H. The pathogenesis and treatment of acid sphingomyelinase-deficient Niemann–Pick disease.// J. Inherit. Metab. Dis., 2007., V. 30., P. 654–663.

Tropak M. B., Reid S. P., Guiral M., Withers S. G., Mahuran D. Pharmacological enhancement of
·-hexosaminidase activity in fibroblasts from adult Tay-Sachs and Sandhoff patients. // The Journal of Biological Chemistry., 2004., V. 279, N.14, Issue 2, P.13478–13487.




























































































13PAGE 15


13PAGE 14415





15

Приложенные файлы

  • doc 6064167
    Размер файла: 688 kB Загрузок: 0

Добавить комментарий