Біосинтез та катаболізм нуклеотидів

БІОСИНТЕЗ ТА КАТАБОЛІЗМ ПУРИНОВИХ ТА ПІРИМІДИНОВИХ НУКЛЕОТИДІВ. ВИЗНАЧЕННЯ КІНЦЕВИХ ПРОДУКТІВ ЇХ ОБМІНУ. ПОРУШЕННЯ ОБМІНУ НУКЛЕОТИДІВ

 

СТРУКТУРНІ КОМПОНЕНТИ НУКЛЕЇНОВИХ КИСЛОТ

Нуклеїнові кислоти – це високомолекулярні сполуки, що складаються із мономерних одиниць – нуклеотидів, і тому їх також називають полінуклеотидами (табл. 1).

 

Таблиця 1. Компоненти нуклеотидів

 

Кожний нуклеотид містить три різних компоненти: азотисту основу (пуринову або піримідинову), пентозу і фосфорну кислоту (рис. 1.)

 

 

Рис. 1. Структура аденозинмононуклеотиду

 

Головні азотисті основи – компоненти нуклеїнових кислот: пуринові – аденін (А) і гуанін (Г), піримідинові – урацил (У), цитозин (Ц), тимін (Т) (рис. 2).

Рис. 2. Будова азотистих основ.

 

Крім зазначених вище основних п’яти азотистих основ (двох пуринових та трьох піримідинових), до складу деяких нуклеїнових кислот входять у відносно незначних кількостях додаткові (мінорні) азотисті основи та відповідні їм мінорні нуклеотиди.

Найбільша кількість мінорних нуклеотидів зустрічається в молекулах транспортних РНК (тРНК) — до 5 % загального нуклеотидного складу. До мінорних нуклеотидів належать метильовані похідні звичайних азотистих основ, зокрема, 1-метиладенін, 2-метиладенін, 6-диметиладенін, 1-метилгуанін, 7-метилгуанін, 1-метилурацил, 5-оксиметилурацил, 3-метилцитозин тощо. ДНК людини містять значну кількість 5-метилцитозину, інформаційні РНК — N-метильовані похідні аденіну та гуаніну. Нуклеотидом незвичайної структури, що входить до складу тРНК, є псевдоуридин — нуклеотид (рис. 3), в якому рибоза приєднана до урацилу в 5-му положенні, тобто не нітроген-карбоновим, а карбон-карбоновим зв’язком.

Такі основи у молекулах нуклеїнових килот у багатьох випадках є специфічними сигналами, які відіграють важливу роль у реалізації генетичної інформації чи забезпеченні її зберігання. Біологічні функції мінорних нуклеотидів до кінця не з’ясовані.

 

Рис. 3. Будова псевдоуридину.

 

Нуклеотиди в складі ДНК містять вуглевод D-2-дезоксирибозу, а в РНК — D-рибозу (рис. 4). Обидві пентози знаходяться у Р-фуранозній формі:

Рис. 4. Будова пентоз: 1 – D-рибоза, 2 – D-2-дезоксирибоза.

 

Атоми карбону в пентозах нумеруються цифрами зі штрихом, щоб відрізнити їх від атомів карбону в азотистих основах. При з'єднанні рибози чи дезоксирибози з азотистою основою утворюється нуклеозид (рис. 5).

Рис. 5. Структура нуклеозиду.

 

Зв’язок між пентозою і азотистою основою йде від першого атома карбону пентози до першого атома нітрогену піримідину або дев'ятого атома нітрогену пурину. Зв’язок називається глікозидним.

Нуклеотиди – це фосфорні ефіри нуклеозидів. Зв'язок утворюється за рахунок взаємодії фосфату з гідроксилом у положенні С-5' пентози. При гідролізі нуклеїнових кислот можуть утворюватися і нуклеозид-3'-монофосфати (рис. 6).

Рис. 6. Структура нуклеозид-3'-монофосфату.

 

Залежно від будови пентози, нуклеотиди поділяють на рибонуклеотиди і дезоксирибонуклеотиди. Наявність залишків фосфорної кислоти в складі нуклеотидів надає їм кислотних влативостей, тому їх вважають кислотами, як і полімери – нуклеїнові кислоти.

Далі наведена номенклатура нуклеозидів і нуклеотидів (табл. 2) і формули чотирьох головних дезоксирибонуклеотидів (структурних одиниць ДНК) (рис. 7) і чотирьох головних рибонуклеотидів (структурних одиниць РНК) (рис. 8).

 

Таблиця 2. Номенклатура нуклеозидів та нуклеотидів

 

 

Рис. 7. Будова дезоксирибонуклеотидів.

 

 

Рис. 8. Будова рибонуклеотидів.

 

В організмі, крім нуклеозидмонофосфатів, знаходяться нуклеозиддифосфати і нуклеозидтрифосфати.

У синтезі нуклеїнових кислот беруть участь саме нуклеозидтрифосфати (рис. 9).

Рис. 9. Будова аденозинтрифосфату.

 

Система АТФ-АДФ-АМФ відіграє особливу роль у біоенергетиці, у всіх живих організмах АТФ виступає як депо для зберігання і перенесення енергії (табл. 3).

Аналогічно до АТФ, інші нуклеозидтрифосфати також містять два високоенергетичні зв'язки між фосфатними залишками і використовуються в обміні речовин.

 

Таблиця 3. Функції нуклеотидів

 

Наприклад, ЦТФ має відношення до біосинтезу фосфоліпідів. УТФ використовується для синтезу і взаємоперетворень різних вуглеводів, ГТФ необхідний для синтезу білків. У склад коферментів НАД, НАДФ, ФАД, КоА, ФАФС входять аденілові нуклеотиди. Окрему групу складають циклічні нуклеотиди, в яких фосфатний залишок утворює складноефірні зв'язки з 3'- і 5'-гідроксильними групами рибози (рис. 10):

Рис. 10. Будова циклічних нуклеотидів.

 

Циклічні аденозинмонофосфат (цАМФ) і гуанозинмонофосфат (цГМФ) відіграють дуже важливу роль в обміні речовин, через них реалізується регуляторна роль ряду гормонів. цАМФ і цГМФ утворюються із АТФ і ГТФ під дією ферментів аденілатциклази і гуанілатциклази.

Відщеплення пірофосфату від нуклеозидтрифосфату призводить до замикання шестичленного кільця. При розщепленні циклічних нуклеотидів під дією фосфодіестерази утворюються відповідні нециклічні нуклеотиди — нуклеозид-5'-монофосфати.

 

НУКЛЕОПРОТЕЇНИ

 

Нуклеопротеїни — складні білки, комплекси нуклеїнових кислот з білками (табл. 4).

 

Таблиця 4. Складові компоненти нуклеопротеїнів

 

Залежно від типу нуклеїнової кислоти, нуклеопротеїни поділяються на дезоксирибонуклеопротеїни та рибонуклеопротеїни.

Стійкість нуклеопротеїнових комплексів забезпечується нековалентною взаємодією. Прикладом специфічної взаємодії можуть служити нуклеопротеїнові комплекси рРНК — субодиниці рибосом; неспецифічна електростатична взаємодія характерна для хромосомних комплексів ДНК — хроматину з гістонами і комплексів ДНК-протаміни головок сперматозоїдів деяких тварин.

Нуклеопротеїни дисоціюють на білки і нуклеїнові кислоти при дії агентів, що руйнують або ослабляють нековалентні зв'язки:

1)  підвищені концентрації солей або сечовини, що збільшують іонну силу розчину;

2)  іоногенні поверхнево-активні речовини;

3)  деякі полярні органічні сполуки (формамід і диметилформамід, фенол тощо).

 

При утворенні нуклеопротеїнів відбуваються істотні конформаційні зміни нуклеїнових кислот і, в деяких випадках, білків, що утворюють нуклеопротеїновий комплекс. Ці зміни істотніші у разі утворення дезоксирибонуклеопротеїнів.

На відміну від одноланцюжкової РНК, здатної утворювати вторинні і третинні структури за рахунок антипаралельного комплементарного спарювання суміжних відрізків ланцюга, дволанцюжкова ДНК такої можливості не має, в порівнянні з компактними глобулами РНК.

Проте взаємодія ДНК з білками (гістонами і протамінами) за рахунок електростатичної взаємодії приводить до утворення значно щільніше упакованих нуклеопротеїнових комплексів — хроматину, що забезпечує компактне зберігання ДНК і, відповідно, спадкової інформації у складі хромосом еукаріот. З іншого боку, велика конформаційна рухливість РНК і її каталітичні властивості пов’язані з великою різноманітністю рибонуклеопротеїнів, що виконують різні функції.

 

Дезоксирибонуклеопротеїни

Хроматин — комплекс ДНК з гістонами в клітинах еукаріот.

За рахунок електростатичної взаємодії нитка ДНК здійснює подвійний оберт навколо октамеру гістонного комплексу H2a, H2b, H3 і H4, утворюючи нуклеосоми, сполучені ниткою ДНК. При приєднанні до комплексу гістону H1 шість нуклеосом утворюють кільцеподібний комплекс, в результаті відбувається конденсація хроматину з утворенням фібрилярної структури, яка далі при приєднанні топоізомерази II і ряду допоміжних білків здатна конденсуватися в гетерохроматин. ДНК, зв'язана в такому нуклеопротеїновому комплексі, не транскрибується.

Окремим важливим класом дезоксирибонуклеопротеїнів є вірусні нуклеопротеїни.

Рибонуклеопротеїни

У клітинах в основному містяться такі типи рибонуклеопротеїнів (РНП):

1)  Нуклеопротеїнові комплекси рибосомних РНП (рРНП) — субодиниці рибосом — органел, на яких відбувається трансляція мРНК. Рибосоми є агрегатами з двох різних рРНП-субодиниць.

2)  Малі ядерні рибонуклеопротеїни (мяРНП) — нуклеопротеїнові комплекси малих ядерних РНК.

3)  Нуклеопротеїнові комплекси мРНК — матричні рибонуклеопротеїни (мРНП).

 

Травлення нуклеопротеїнів

 

У процесі травлення нуклеїнові кислоти їжі розпадаються до нуклеотидів і нуклеозидів, які всмоктуються клітинами слизової кишечника.

Але наявність їх у їжі не обов'язкова, оскільки майже всі клітини організму можуть синтезувати нуклеотиди. Нуклеїнові кислоти гідролізуються під дією нуклеаз підшлункового соку (табл. 5).

 

Таблиця 5. Ферменти, які беруть участь у процесі травлення нуклеопротеїнів

 

Розрізняють рибонуклеази (РНКази) і дезоксирибонуклеази (ДНКази). Продуктами гідролізу є оліго- і мононуклеотиди. Фосфодіестерази слизової кишечника розщеплюють олігонуклеотиди до мононуклеотидів. Вільні нуклеотиди гідролізуються кишковими фосфатазами до нуклеозидів і фосфорної кислоти. Нуклеозиди абсорбуються і в клітинах слизової кишечника можуть розщеплюватись до вільних азотистих основ.

Тканинні нуклеази, нуклеотидази, нуклеозидази і нуклеозидфосфорилази поетапно розщеплюють клітині нуклеїнові кислоти до вільних азотистих основ, які перетворюються далі у кінцеві продукти – сечову кислоту із пуринів та сечовину і бета-амінокислоти із піримідинів.

 

БІОСИНТЕЗ ПУРИНОВИХ НУКЛЕОТИДІВ

 

Біосинтез пуринових нуклеотидів de novo

 

Дослідження сполук, що містять мічені ізотопи 14С і 15N, дозволили виявити попередники нуклеотидів. Встановлено, що пуринове ядро нуклеотидів (рис. 11) синтезується із атомів амінокислот гліцину, глутаміну, аспартату, СО₂ і одновуглецевих груп, які також утворюються із амінокислот і переносяться тетрагідрофолієвою кислотою.

 

Рис. 11. Пуринове кільце.

 

На рисунку 12 показано походження атомів, які утворюють пуринове ядро.

 

Рис. 12. Походження атомів пуринового ядра.

 

Другий компонент нуклеотидів — рибозофосфат — утворюється в пентозо-фосфатному циклі із глюкози. Пуринове кільце синтезується на рибозо-5-фосфаті шляхом поступового нарощування атомів нітрогену і карбону і замикання кілець. Біосинтез пуринових нуклеотидів у загальному однаковий як для ссавців, так і для птахів, дріжджів і бактерій. Весь шлях біосинтезу включає 11 послідовних реакцій, у ході яких здійснюється поступове включення попередників нуклеотидів і нарощування циклічної структури, що завершується утворенням інозинової кислоти (табл. 6).

З останньої в наступних реакціях утворюються аденілова і гуанілова кислоти.

Таблиця 6. Реакції, що призводять до утворення ІМФ

 

Першою реакцією на шляху утворення пуринових нуклеотидів є утворення 5-фосфорибозил-1-пірофосфату (ФРПФ). Субстратами цієї реакції є АТФ і рибозо-5-фосфат:

 

 

Утворений фосфорибозилпірофосфат взаємодіє із глутаміном

 

 

На стадії 3 відбувається реакція між рибозофосфатаміном та гліцином. Вона каталізується рибозофосфатгліцинамідсинтетазою. Наслідком цієї реакції є гліцинамідрибонуклеотид. На утворення амідного зв'язку використовується одна молекула АТФ:

 

Нарощування ланцюга відбувається в трансформілазній реакції, яка проходить між альфа-аміногрупою залишку гліцину та N-метилентетра-гідрофолієвою кислотою. Реакція супроводжується утворенням форміл-гліцинамідрибонуклеотиду (стадія 4):

 

У наступній реакції (5) утворений амідний зв'язок рибонуклеотиду при наявності АТФ перетворюється в амідинову групу. Продуктом цієї реакції є N-формілгліцинамідинрибонуклеотид:

 

Перетворення одержаного продукту призводить до формування циклічного імідазольного кільця 5-аміноімідазолрибонуклеотиду (6 реакція):

 

 

Подальші перетворення цього напівпродукту супроводжуються формуванням 6-членного піримідинового кільця, з'єднаного з імідазольним, тобто утворенням пуринового скелета. Цей процес відбувається таким чином: спочатку в результаті карбоксилювання 5-аміноімідазолрибонуклеотиду утворюється 5-аміноімідазол-4-карбоксинуклеотид (7 стадія):

 

 

У восьмій реакції карбоксильна група цього продукту реагує із NH₂ аспарагінової кислоти з утворенням 5-аміноімідазол-4-ГЧ-сукциніл-арбоксиамідрибонуклеотиду. Ця реакція вимагає енергії АТФ і здійснюється під впливом специфічної синтетази:

 

 

У наступній реакції вуглецевий скелет аспарагінової кислоти відокремлюється у вигляді фумарової кислоти й утворюється 5-аміноімідазол-4-карбоксиамідрибонуклеотид (реакція 9), тобто із аспарагінової кислоти в пуринове кільце входить тільки атом азоту.

 

 

Останній атом вуглецю пуринового кільця буде у вигляді формілу, що походить із N 10-формілтетрагідрофолієвої кислоти (реакція 10).

 

 

Утворений 5-формілімідоімідазол-4-карбоксиамідрибонуклеотид зазнає дегідратації, циклізується і перетворюється в пуриновий нуклеотид — інозинову кислоту (реакція 11).

 

 

Донором аміногрупи при синтезі АМФ служить аспартат, а для ГМФ — глутамін (рис. 13). Реакції амінування вимагають затрати енергії; при синтезі АМФ використовується ГТФ, при утворенні ГМФ — АТФ (табл. 7).

Розглянутий шлях утворення пуринових нуклеотидів із простих ациклічних попередників називається синтезом de novo. На іншому шляху, названому запасним, використовуються вільні пуринові основи, які утворюються при розпаді нуклеїнових кислот чи нуклеотидів.

 

 

Таблиця 7. Синтез пуринових нуклеотидів із інозинової кислоти

 

 

Регуляція синтезу пуринових нуклеотидів

 

Біосинтез пуринових нуклеотидів регулюється за принципом зворотного зв'язку (рис. 13). Регуляторною є рання реакція взаємодії 5-фосфорибозил-1-дифосфату з глутаміном. Активність ферменту алостерично гальмується кінцевими продуктами ланцюга реакій — ІМФ, АМФ і ГМФ.

 

Рис. 13. Реакції синтезу АМФ і ГМФ із інозинової кислоти. Пунктирними лініями позначено гальмування синтезу.

 

Другий регуляторний механізм діє на пізніших стадіях. АМФ гальмує реакцію синтезу із ІМФ аденіло-сукцинату, а ГМФ — ксантилової кислоти.

Таким чином, за цим механізмом надлишок АМФ чи ГМФ пригнічує власний синтез із ІМФ, але не впливає на синтез іншого нуклеотиду (табл. 8).

 

Таблиця 8. Регуляція синтезу пуринових нуклеотидів

 

 

Біосинтез пуринових нуклеотидів із азотистих основ

 

Розглянутий біосинтез пуринових нуклеотидів із простих попередників — синтез de novo — потребує значних витрат метаболічної енергії у формі макроергічних зв’язків АТФ і ГТФ і відбувається не у всіх тканинах. Синтез пуринових нуклеотидів de novo відбувається, головним чином, у печінці, а запасний шлях – у позапечінкових тканинах, де економно повторно використовуються вільні пуринові основи. Зокрема в еритроцитах, лейкоцитах, клітинах головного мозку відбувається утворення нуклеотидів із “готових” вільних пуринових основ — аденіну, гуаніну та 6-оксипурину (гіпоксантину). Джерелом пуринових основ для такого синтезу є пурини, які утворюються з нуклеотидів, синтезованих у печінці, та нуклеотидів, які постійно вивільняються в результаті катаболізму (гідролітичного розщеплення) нуклеїнових кислот і нуклеотидів власних тканин та таких, що надходять у складі харчових продуктів. Цей механізм більш швидкого біосинтезу пуринових нуклеотидів шляхом повторного включення в метаболізм вільних азотистих основ отримав назву “шлях реутилізації”.

Цей шлях включає реакції, під час яких основи аденін, гуанін чи гіпоксантин взаємодіють із 5-фосфорибозил-1-дифосфатом. Аденінфосфорибозил-транфераза каталізує утворення АМФ:

Гіпоксантин-гуанін-фосфорибозилтрансфераза каталізує дві реакції

Перетворення пуринових нуклеозидмонофосфатів у три фосфати каналізують специфічні кінази:

Ці реакції відбуваються в цитоплазмі і відрізняються від синтезу АТФ у ході окиснювального фосфорилюваня.

 

КАТАБОЛІЗМ ПУРИНОВИХ НУКЛЕОТИДІВ

 

Розпад пуринових нуклеотидів включає реакції відщеплення фосфатного залишку, рибози й аміногрупи у вигляді аміаку, що призводить до утворення із АМФ гіпоксантину, а із ГМФ — ксантину (рис. 14).

 

 

Рис. 14. Катаболізм пуринових нуклеотидів.

 

Фермент ксантиноксидаза каталізує окиснення гіпоксантину в ксантин і ксантину в сечову кислоту (рис. 15):

 

Рис. 15. Реакції окиснення гіпоксантину в сечову кислоту.

 

Сечова кислота є кінцевим продуктом розпаду пуринів у людей (а також приматів, птахів, змій, ящірок) і виводиться з організму.

У більшості інших видів тварин пуринове кільце розкривається під час подальшого окиснення сечової кислоти з утворенням алантоїну. У риб і амфібій алантоїн розщеплюється далі до алантоїнової кислоти чи сечовини. У птахів і деяких рептилій майже весь азот амінокислот виводиться у вигляді сечової кислоти, оскільки вони не утворюють сечовину. Ці реакції можуть служити ілюстрацією відмінностей обміну речовин у різних видів тварин. Примати у процесі еволюції втратили ферменти розщеплення пуринового ядра.

І.Я. Горбачевський запропонував теорію утворення сечової кислоти в організмі ссавців, обґрунтувавши положення, що сечова кислота є кінцевим продуктом окислення пуринів як складових компонентів нуклеїнових кислот.

 

 

Іван Якович Горбачевський (1884–1942) – український біохімік, доктор медичних наук, професор, декан медичного факультету Карлового університету в Празі, перший міністр здоров’я Австро-Угорщини, завідувач кафедри хімії і ректор Українського вільного університету в Празі, професор хімії Падебрадської господарської академії.

Працюючи на посаді асистента кафедри фізіології і хімії, він вивчав травлення білків, роль соляної кислоти у травленні еластину і довів, що у білках містяться амінокислоти.

Це дало йому підставу стверджувати, що останні є тими цеглинами, з яких сконструйовано білки. І.Я. Горбачевський вперше у світі, на 28 році життя, синтезував сечову кислоту із гліцину та сечовини. Публікація цієї праці викликала великий ажіотаж серед науковців. Експеримент І.Я. Горбачевського продемонстрував світові, що органічні речовини живого організму можна штучно одержувати синтетичним шляхом. Трохи пізніше І.Я. Горбачевський запропонував теорію утворення сечової кислоти в організмі ссавців, обґрунтувавши положення, що сечова кислота є кінцевим продуктом окислення пуринів як складових компонентів нуклеїнових кислот.

Одночасно він відкрив фермент ксантиноксидазу, необхідну для перетворення пуринових основ до сечової кислоти. І.Я. Горбачевський вперше почав вивчати метаболізм нуклеїнових кислот і показав, що порушення пуринового обміну призводить до хвороби подагри. Він також запропонував гіпотезу, що в основі хвороби пелагри, яку він спостерігав у своїх земляків на Поділлі, лежить неповноцінне харчування, що було підтверджено з відкриттям антипелагричного вітаміну (вітаміну РР).

В наступні роки І.Я. Горбачевський опрацьовував нові способи синтезу сечової кислоти, вперше синтезував креатин, запропонував способи виявлення нуклеїнових кислот, білків, аміаку.

 

 

 

 

Іван Якович Горбачевський початкову освіту отримав у с. Зарубинці, що на Тернопільщині, а в 1864 р. почав навчання в Тернопільській гімназії. Вже з цього часу він цікавиться природничими науками. У старших класах розпочинає активну діяльність в товаристві "Громада", а в період 1871—1872 pp. навіть головує в товаристві.

Після закінчення гімназії в 1872 р. І. Горбачевський обирає медичний шлях і поступає на лікарський факультет Віденського університету. Наукова діяльність Горбачевського бере свій початок з 1874 p., коли він розпочинає наукову роботу в Інституті хімії проф. Шнайдера. У 1875 p. молодий Горбачевський працює в Інституті проф. Брікке, але згодом він все більше схиляється до галузі лікарської хімії.

Першою темою, яку розпочав вивчати І. Горбачевський, було дослідження вестибулярного нерва. За першу свою опубліковану працю він був запрошений в 1875 р. асистентом до Інституту лікарської хімії при Віденському університеті, керівником якого на той час був проф. Е. Людвіг. Також під час навчання в університеті І. Горбачевський веде активну діяльність у студентському товаристві "Січ", навіть двічі обирається головою товариства. Саме в цей час доля зводить його у Відні з М. Драгомановим.

У 1877 р. І. Горбачевський закінчує університет і тривалий час займається науковою і педагогічною діяльністю в Інституті лікарської хімії. У 1879 р. молодий вчений публікує свою працю "Про продукти розкладу, які утворюються під дією соляної кислоти на альбуміноїди". Можна з упевненістю стверджувати, що з цього часу починається клінічний напрям діяльності вченого. Наступною науковою роботою стала низка дослідів з вивчення еластину. Але поряд з цими дослідженнями І. Горбачевський починає вивчення такого складного і цікавого на той час питання, як синтез сечової кислоти. У результаті він отримав синтетично сечову кислоту під час нагрівання таких вихідних субстанцій, як амінокислота, гліцин і сечовина. На той час це було блискучим досягненням в галузі науки, а тому в 1883 р. І. Горбачевского було запрошено до Празького чеського університету на посаду професора медичного факультету з одночасним отриманням звання неординарного професора. А через рік він отримує звання вже ординарного професора лікарської хімії з одночасним викладанням фармакології.

У Празькому університеті І. Горбачевский започатковує новий напрям медицини — лікарську хімію. Основними напрямами діяльності вченого на той час було вивчення властивостей сечової кислоти, її утворення та метаболізм. Одночасно він бере участь у діяльності Крайової санітарної ради.

Для плідної роботи і досконалих результатів І. Горбачевський створює належні умови для досліджень в Інституті лікарської хімії. Одночасно продовжує пошуки нових методів синтезу сечової кислоти, після чого друкує працю "Про синтез сечової кислоти і метилсечової кислоти". Пізніше, в 1885 p., світ побачила ще одна стаття про синтез креатину, а також про методику волюмометричного визначення азоту в різних рідинах організму.

Упродовж 1886—1888 pp. І. Горбачевський активно продовжує дослідження в галузі синтезу сечової кислоти, в результаті чого з'ясовує шляхи її утворення в людському організмі, а також публікує відомості про нові методи утворення сечової кислоти.

З 1889 р. І. Горбачевський починає вивчати утворення сечової кислоти в організмі ссавців. На основі досліджень вчений доводить, що сечова кислота утворюється у процесі розпаду ядрових елементів клітини.

У 1890 р. І. Горбачевський отримує посаду декана лікарського факультету Празького чеського університету.

З 1894 р. об'єктом своїх досліджень вчений обирає сечові камені і проводить аналіз їх складу.

У 1873 р. у Львові було створене Наукове товариство ім. Т. Г. Шевченка (НТШ). І. Горбачевський був одним із засновників НТШ і Математично-природописно-лікарської секції, входив до складу авторів "Збірника математично-природописно-лікарської секції".

У 1898 р. І. Горбачевський публікує відомості про ще одне досягнення своєї наукової діяльності — "Загальний метод добування нуклеїнового квасу з органів".

Стрімкий розвиток промисловості в Чехії сприяв зосередженню уваги вченого на санітарно-гігієнічному стані у країні, а також на охороні здоров'я працівників.

Початок XX ст. проф. Горбачевский зустрів зі значними науковими надбаннями. Так, у 1902 р. він уже був членом багатьох товариств, зокрема Вільнюського медичного товариства, Краківського лікарського товариства, товариства "Січ" у Відні, товариства хімічного промислу у Чехії, Королівського чеського наукового товариства, НТШ. Разом з І. Пулюєм він засновує об'єднання "Українська громада" з метою підтримання українських студентів, що навчалися у Празі. У цьому ж році І. Горбачевский отримує посаду ректора Празького чеського університету. Впродовж 1904—1908 pp. він видає чотири томи свого підручника з біохімії. А в 1906 р. отримує запрошення увійти до складу найвищої санітарної ради при міністерстві внутрішніх справ у Відні.

У 1908 р. І. Горбачевський доповідає про результати досліджень над білками (представляє новий метод визначення білків) і за величезний внесок у науку отримує членство в Палаті Панів у Відні.

З 1909 р. увагу вченого привертає така невивчена тема, як вітаміни.

З початком у 1914 р. Першої світової війни під керівництвом І. Горбачевського було створено Комітет допомоги українським біженцям з Галичини, який складався з трьох секцій: організаційної, шкільної і секції Українських Січових Стрільців.

31 серпня 1917 р. І. Горбачевський стає першим в історії Австро-Угорської держави українським міністром народного здоров'я.

За роки війни вчений переважно займався вивченням вітамінів. Він проводив дослідження в галузі дії метилового алкоголю на організм, а також дослідження санітарно-гігієнічного характеру.

Але діяльність в Міністерстві народного здоров'я вимагала від ученого максимальної віддачі, а тому в 1917 р. він змушений був залишити кафедру в Інституті лікарської хімії у Празі і переїхати до Відня. На жаль, у зв'язку з політичними подіями на посаді міністра І. Горбачевський перебував недовго — до листопада 1918 р.

У 1921 р. І. Горбачевський знову повертається до Праги. Там він бере активну участь у створенні Українського вільного університету у Празі. На той час це був єдиний український університет у всьому світі. На 1923/24 навчальний рік проф. Горбачевського було обрано ректором університету. У наступні роки вчений викладає на природописно-математичному відділі органічну, неорганічну, загальну і фізіологічну хімію, хімію металів та хімію циклічних сполук.

У 1925 р. у Празі було створено Український Академічний Комітет, до складу якого входив і проф. Горбачевський, з метою проведення Першого Українського наукового з'їзду, який і відбувся 3—7 жовтня 1926 р. Головою з'їзду було обрано академіка Горбачевського.

На початку 30-х років поряд з громадською і науковою діяльністю вчений веде активну педагогічну діяльність. Одночасно з роботою в Українському вільному університеті він викладає в Українській господарській академії органічну хімію, а в Українському вищому педагогічному інституті ім. М. Драгоманова — неорганічну хімію.

На період з 1931 по 1935 навчальні роки І. Горбачевського знову обирають ректором Українського вільного університету. А в березні 1932 р. під його безпосереднім керівництвом проходить Другий Український науковий з'їзд. Ця подія свідчила про величезну наукову та навчальну діяльність Українського вільного університету, інших українських наукових закладів.

Варто також відзначити діяльність І. Горбачевського щодо створення в 1925 р. товариства "Музей визвольної боротьби України" з метою збереження документальних і речових свідчень про визвольну боротьбу України. Матеріали до музею від українців надходили не тільки з Праги, а й з інших країн світу. Відкриття музею відбулося 27 жовтня 1930 р. У музеї були створені такі відділи: військовий, табірного життя, архівів Союзу Визволення України, політично-дипломатичний, еміграційний, академічної праці й студентського життя за кордоном, театрально-мистецький, хоровий, музичний, сокільського й січового руху, видавництв, періодики. У рік святкування свого 10-річчя музей дістав у подарунок власну будівлю — Український Дім у Празі.

У 1939 р. під керівництвом І. Горбачевського у Празі було організовано Комітет оборони Карпатської України при Центральному союзі українських організацій Чехо-Словацької Республіки.

Друга світова війна внесла розлад у роботу і плани видатного вченого. Брак продуктів харчування і неможливість слідкувати за своїм здоров'ям призвели до послаблення організму Івана Горбачевського.

24 травня 1942 р. він помер у Празі від уремії — хвороби, яку всебічно вивчав упродовж тривалого часу.

В організмі людини щоденно утворюється 0,5-1 г сечової кислоти, яка виводиться головним чином через нирки. У нормі в людини з сечею виділяється 1,6 – 3,54 ммоль/добу (270-600 мг/добу) сечової кислоти.

Метод визначення сечової кислоти в сечі грунтується на здатності сечової кислоти відновлювати фосфорно-вольфрамовий реактив у фосфорно-вольфрамову синю, інтенсивність забарвлення якої пропорційна вмісту сечової кислоти. Кількість фосфорно-вольфрамової синьої визначається шляхом титрування червоною кров’яною сіллю. Остання окиснює фосфорно-вольфрамову синю і синє забарвлення зникає.

Із сечею виділяються також проміжні продукти пуринового обміну (20-50 мг на добу): ксантин, гіпоксантин та інші. Застосування деяких лікарських речовин (теобромін, кофеїн), а також споживання значної кількості кави, какао, чаю призводять до появи в сечі метилпохідних пуринових основ.

Кліренс сечової кислоти характеризує об’єм крові, здатний очиститися в нирках від сечової кислоти за 1 хв. У нормі цей показник дорівнює 9 мл/хв. У нормі метаболізм уратів в нирках визначається 4 механізмами: клубочковою фільтрацією, реабсорбцією, канальцевою секрецією та постканальцевою реабсорбцією. На відміну від нирок реабсорбція уратів у шлунково-кишковому тракті пасивна й залежить від концентрації уратів в просвіті кишечника .

 

ПОДАГРА

 

Подагра – це спадкова хвороба. У хворих на подагру виявлено підвищення активності фосфорибозил-пірофосфат-синтетази, недостатність глюкозо-6-фосфатази, гіпоксантин-гуанін-фосфорибозилтрансферази (ГГФТ).

Сечова кислота і її солі (урати) погано розчинні у воді. Навіть нормальна концентрація сечової кислоти в крові (чоловіки — 0,24-0,50 ммоль/л, жінки — 0,16-0,40 ммоль/л) і у міжклітинній рідині наближується до межі розчинності. Тому незначне збільшення вмісту сечової кислоти в крові призводить до перенасичення розчину. Підвищення концентрації сечової кислоти в крові називається гіперурикемією.

Білки плазми стабілізують перенасичений розчин сечової кислоти, але місцева дія певних факторів (розпад білків чи інших стабілізувальних чинників) призводить до кристалізації сечової кислоти і її солей у суглобах, хрящах, сечовивідних шляхах.

Кристалізація уратів у суглобах призводить до типової картини подагри. Хвороба супроводжується гострим запаленням суглобів, найчастіше дрібних (рис. 16).

 

 

Рис. 16. Подагричний артрит.

 

Надлишок уратів зумовлює утворення каменів у нирках (рис. 17).

 

 

Рис. 17. Камінці у нирках при подагрі.

 

Утворенню кристаликів сечової кислоти і відкладанню їх у тканинах сприяють зниження місцевого рН та травми.

На подагру частіше хворіють чоловіки (співвідношення чоловіки/жінки становить 20:1). У чоловіків у нормі спостерігається більш високий рівень сечової кислоти в плазмі крові. Пік захворюваності в чоловіків припадає на вік 35–50 років, у жінок — 55–70 років, проте подагра може розвиватися і в більш молодому віці та спостерігається навіть у дітей.

З літературних джерел відомо, що в жінок репродуктивного віку високий рівень естрогенів сприяє підтриманню в нормі ниркового кліренсу уратів. У постменопаузальному періоді рівень сечової кислоти в них такий самий, як і в чоловіків відповідного віку, тому вивчення особливостей розвитку гіперурикемії в даної категорії жінок набуває все більшої актуальності.

Незважаючи на те що подагра є одним із найдавніших захворювань людини, частота діагностичних помилок при її встановленні залишається дуже високою. Оскільки одним із проявів подагри є гіперурикемія, що виникає і при інших патологічних станах, ця патологія потребує детального вивчення.

 

Короткі історичні відомості

 

Вперше патологічний стан, що нагадував подагру, був описаний Гіпократом у V ст. до н.е. Цей давньогрецький лікар та реформатор античної медицини називав дане захворювання «хворобою багатих людей». Перший випадок сімейної подагри описав Сенека в І ст. до н.е., а в ІІІ ст. Гален подає перші відомості про тофуси. Термін «подагра» був запропонований Вільгардуеном у ХІІІ ст. З давніх часів відомі й інші назви подагри: «хвороба королів» та «хвороба геніїв».

Англійський лікар Е. Orowan (1956) намагався пояснити розвиток подагри у геніїв, оскільки ще в давнину було відмічено, що на подагру хворіють великі полководці та правителі, зокрема Олександр Македонський, Карл ХІІ, Петро І, а також такі відомі особистості, як Мікеланджело, Рубенс, Рембрандт, Стендаль, Галілей, Дарвін, Ньютон, Лейбніц, Ренуар…

Загадковий зв’язок між досягненнями геніїв та подагрою пояснювали тим, що сечова кислота за своєю хімічною структурою близька до стимуляторів розумової діяльності кофеїну та теоброміну, тому накопичення сечової кислоти в крові (гіперурикемія) сприяє покращенню роботи мозку людини.

Класичний клінічний опис подагри здійснив у 1685 році англійський лікар Т. Sydenham у книзі «Трактат про подагру». Даючи характеристику больовому синдрому при даній патології, він порівняв ці відчуття з болями від зажиму в пресі.

Історичний екскурс наукових досягнень:

— 1883 р. — A.W. Gorrod показав, що для подагри характерна гіперурикемія.

— 1899 р. — К. Freudweiler виявив кристали уратів у суглобовій рідині під час гострого подагричного артриту.

— 1947 р. — J. Vague описав 2 типи відкладення жиру (андроїдний і геноїдний), звернувши увагу на те, що андроїдне ожиріння частіше зустрічається при подагрі, цукровому діабеті, ішемічній хворобі серця.

— 1958 р. — J.H. Laragh, B.J. Oren повідомили про сечогінний ефект гіперурикемічних засобів.

— 1961 р. — D. MacCarty i Hollander підтвердили роль кристалів натрієвої солі сечової кислоти в розвитку гострих приступів подагри.

— 1967 р. —W.N. Kelly і співавт. виявили дефіцит гіпоксантин-гуанін-фосфорибозил-трансферази (ГГФТ) у хворих із подагрою, а A. Myers на популяції з 6000 чоловік показав, що існує пряма кореляція надмірної ваги з частотою виявлення гіперурикемії та розвитком коронарної патології.

— 1987 р. — E.W. Campion відзначив, що щорічна захворюваність на подагру в осіб із рівнем сечової кислоти в межах 0,415–0,530 мкмоль/л становить 0,5 %, а якщо її рівень перевищує 0,535 мкмоль/л, захворюваність сягає 4,5 %.

Дані щодо поширеності подагри та гіперурикемії суперечливі. Поширеність подагри в різних регіонах варіює в широких межах — від 0,01 % до 0,37 % і багато в чому пов’язана з особливостями харчування населення. Високий рівень захворюваності характерний для індустріально розвинутих країн, проте в них відзначається неоднакова частота подагри в популяції: 0,05% в Японії; 0,15–0,17 % у Китаї; 0,65 % у Німеччині. Поширеність гіперурикемії становить 5–12 % .

За даними інших науковців, поширеність подагри становить від 0,06 до 3 % дорослого населення; поширеність гіперурикемії — від 2 до 20 %. При цьому виявлено регіони з найбільш високою частотою гіперурикемії — 60 % (Філіппіни, Нова Зеландія, острови Тихого океану) .

В Україні поширеність подагри становить 0,4 % дорослого населення, поширеність гіперурикемії — 15–20 %. У результаті епідеміологічного обстеження шахтарів віком від 18 до 62 років, які проживають у східному регіоні України, подагру діагностовано у 2,3 %. Прогностично несприятливим вважається розвиток хвороби у віці до 30 років.

Виділяють три форми порушення пуринового обміну: 1) метаболічна форма; 2) ниркова форма; 3) змішана форма. При метаболічній формі підвищується синтез сечової кислоти, оскільки в організм з їжею надходить велика кількість субстратів утворення пуринів.

Первинна гіперпродукція пов’язана з дефектом ферментів. Вторинна гіперпродукція зумовлена підвищеним розпадом клітин при алкоголізмі, гемобластозах, хронічному гемолізі.

При нирковій формі зменшена екскреція сечової кислоти пов’язана з порушеною канальцевою реабсорбцією. Дефекти екскреції можуть бути зумовлені порушенням функції нирок, зменшенням об’єму позаклітинної рідини, дією алкоголю та лікарських засобів, артеріальною гіпертензією. При змішаній формі одночасно підвищується синтез сечової кислоти та знижується її екскреція.

За типом порушення обміну сечової кислоти та пуринів подагра класифікується таким чином: 1) первинне порушення обміну сечової кислоти та пуринів (нормальна екскреція сечової кислоти відзначається в 80–90% випадків первинної подагри; підвищена екскреція — 10–20 %; ідіопатична подагра становить 99 % первинної подагри); 2) вторинне порушення обміну сечової кислоти та пуринів (дефіцит глюкозо-6-фосфатази — хвороба Гірке; хронічний гемоліз, лімфопроліферативні захворювання); 3) нирковий механізм порушення (ендогенні метаболіти, хронічна ниркова недостатність, тривалий прийом медикаментів) .

Гіперурикемія може бути спадкова, що проявляється у вигляді подагри або хвороби Леш-Ніхана (це так звані первинні гіперурикемїї), і набута (вторинна).

На сьогодні в літературі існує велика кількість наукових джерел, присвячених вивченню гіперурикемії, зокрема, існує взаємозв’язок між рівнем сечової кислоти та розвитком метаболічного синдрому, ожирінням, інсулінорезистентністю, артеріальною гіпертензією, прийомом діуретиків і низьких доз ацетилсаліцилової кислоти, надлишковим уживанням алкоголю, літнім віком та нирковою недостатністю (табл. 9).

Надмірне надходження в організм продуктів, що містять багато пуринів (кава, чай, залозисті тканини, дріжджі), викликає аліментарну гіперурикемію.

 

Таблиця 9. Причини змін концентрації сечової кислоти

у крові та сечі

 

При гіперурикемії підвищується концентрація сечової кислоти в синовіальній рідині, виникає її кристалізація та проникнення в хрящ і синовіальну оболонку, де сечова кислота відкладається у вигляді голкових кристалів сечокислого натрію.

Синовіальні клітини продукують цитокіни (інтерлейкін-1, -6, -8, фактор некрозу пухлини). Імуноглобуліни та компоненти комплементу обволікають урати, стимулюючи фагоцитарну активність нейтрофілів. Кристали пошкоджують нейтрофіли, а лізосомальні ферменти, що виділяються в синовіальну порожнину, сприяють розвитку запалення.

Безсимптомна гіперурикемія — стан, що супроводжується підвищенням рівня сечової кислоти в крові за відсутності симптомів організації кристалів у будь-якому органі (без ознак подагри). Результати  досліджень засвідчують, що в кожного шостого чоловіка та кожної третьої жінки при гіперурикемії (сечова кислота в межах 7–7,9 мг%) розвивалась подагра, а при гіперурикемії понад 8 мг% частота розвитку подагри у чоловіків досягала 36,7 % .

 

Клініка та діагностика подагри

Гострий подагричний артрит найчастіше розпочинається з ураження одного або декількох суглобів нижніх кінцівок переважно першого плюснефалангового, середньотарзальних або колінних суглобів.

Найчастіше в ранкову пору виникає біль, набряк, які з часом наростають і сягають піку протягом 24–48 годин. Больовий синдром при подагричному артриті різко виражений (рис. 18).

 

 

Рис. 18. Артрит малих суглобів при подагрі.

 

Гостра полісуглобова форма подагри трапляється рідше, але характеризується тяжкою клінічною картиною. Загострення хвороби часто супроводжується підвищенням температури тіла та лейкоцитозом, тому в цей період необхідно проводити диференціальну діагностику. Часті рецидивуючі гострі приступи зумовлюють розвиток хронічної вузликової подагри.

Відкладання уратів можливе під шкірою, при цьому утворюються подагричні вузлики — тофуси, які є нешкідливими, але спотворюють хворого (рис. 19).

 

 

Рис. 19. Подагричні тофуси.

 

Тофуси можуть з’являтися на завитку вуха, над ліктьовими та міжфаланговими суглобами, над остеоартритичними вузликами Гебердена або Бушара відповідно в дистальних і проксимальних міжфалангових суглобах, особливо в жінок літнього віку, внаслідок відкладення кристалів моноурату натрію.

Вузликова подагра при тяжкому перебігу призводить до розвитку ерозій та деструкції суглобів.

 

Лікування та профілактика подагри й гіперурикемії

На сьогодні ще немає одностайної думки експертів про необхідність лікування «асимптомної» гіперурикемії або безтофусної подагри. Це знайшло відображення в останніх рекомендаціях Європейської протиревматичної ліги (EULAR) щодо лікування подагри, де показаннями до зниження рівня сечової кислоти в плазмі крові є рецидивуючі суглобові атаки, наявність артропатії, тофусів або типових рентгенографічних змін у кістках. Лікування при гіперурикемії полягає у відновленні балансу між продукцією сечової кислоти та її виведенням. Базисна терапія передбачає застосування урикодепресивних і урикозуричних засобів, а в разі наявності уролітіазу — уриколітичних препаратів.

До нефармакологічних методів, які доповнюють, але не замінюють базисне лікування подагри, належать заходи щодо зменшення маси тіла, дотримання низькопуринової дієти, обмеження вживання алкоголю (особливо пива та вина, які містять молібден, що є кофактором ксантиноксидази), фіто-, бальнео-, фізіотерапія.

Відповідно до рекомендацій EULAR алопуринол є основним урикодепресивним препаратом для зниження рівня сечової кислоти при хронічній гіперурикемії (рис. 20). Цей препарат структурний аналог гіпоксантину, що є конкурентним інгібітором ксантиноксидази.

 

 

Рис. 20. Алопуринол.

 

Прийом алопуринолу викликає зниження рівня сечової кислоти в крові й сечі. Алопуринол, інгібуючи ксантиноксидазу, пригнічує утворення сечової кислоти. За цих умов збільшується утворення ксантину і гіпоксантину, які мають кращу розчинність і виводяться з сечею.

Фебуксостат — новий непуриновий антагоніст ксантиноксидази, що застосовують для зниження рівня сечової кислоти. Його ефективність порівнюють з алопуринолом.

Вважають, що фебуксостат може бути корисним пацієнтам із хронічною нирковою недостатністю, у яких утримується підвищений рівень сечової кислоти, оскільки він переважно виділяється печінкою.

Приблизно в 60 % пацієнтів, які перенесли приступ подагри, протягом 12 місяців розвивається рецидив захворювання, тому в міжприступний період пацієнти повинні особливу увагу приділити дієтичному харчуванню, зокрема, обмежити споживання червоного м’яса та морепродуктів, алкогольних напоїв, збільшити вживання молочних продуктів. У багатьох хворих заміна діуретиків іншими гіпотензивними препаратами дозволяє знизити рівень гіперурикемії.

Сприяють розчинності уратів солі літію та препарат антуран.

При подагрі із дієти виключають продукти з високим вмістом нуклеотидів, наприклад печінку, а також чай і каву, що містять пурини теобромін і кофеїн. Мало пуринів містять молоко, сир, яйця.

Літературні дані свідчать про те, що є ще дуже багато аспектів даної проблеми, які на сьогодні не досліджено.

 

СИНДРОМ ЛЕШ-НІХАНА

Синоніми синдрому Леш-Ніхана:

·                     Дефіцит гіпоксантингуанінфосфорибозілтрансферази

·                     Первинна Х–зчеплена гіперурікемія

 

Діагностичні критерії

Синдром Леш–Ніхана обумовлений порушенням метаболізму пуринових основ в результаті генетично обумовленого дефіциту ферменту гіпоксантин-гуанінфосфорибозілтрансферази (ГФРТ).

ГФРТ здійснює перетворення пуринових основ – гуаніну і гіпоксантину в відповідні мононуклеотиди- ІМФ і ГМФ при участі 5-фосфорибозил-1-пірофосфату (рис. 21).

Ці реакції вважаються альтернативними шляхами метаболізму для гіпоксантину і гуаніну, що приводить до утворення сечової кислоти, кінцевого продукту пуринового обміну, яка надалі виділяється незміненою з сечею.

Субстрати і продукти реакції є регуляторами інших ферментів пуринового обміну, отже ГФРТ багатоступінчато впливає на пуриновий метаболізм.

 

Рис. 21. Схема метаболізму пуринових нуклеотидів.

 

Повну втрату активності гена ГФРТ зазвичай знаходять у хлопчиків з виразним синдромом Леш-Ніхана (рис. 22), хоча неврологічна симптоматика присутня приблизно в 20 % пацієнтів з частковим дефіцитом гена ГФРТ.

В інших осіб з частковим дефіцитом виявляють тільки гіперурикемію і подагру.

 

Рис. 22. Хлопчик із синдром Леш-Ніхана.

 

Крім того, внаслідок блокування запасного шляху синтезу ГМФ і ІМФ зменшується їх вміст, а значить, сповільнюється гальмування біосинтезу пуринових нуклеотидів de novo. Таким чином, при відсутності ГГФТ у хворих підвищуються біосинтез і безперервний потік пуринів через ксантин до сечової кислоти.

Для дітей з таким генетичним дефектом характерні не тільки подагричні симптоми, але й розумова відсталість, агресивність, часто спрямована на самого себе (табл. 10).

Причини нейрофізіологічних порушень у дітей з хворобою Леш-Ніхана невідомі.

Нейрохімічні дослідження виявили наполовину знижений рівень дофаміну. Цей специфічний дефіцит в системі базальних ядер дофаміну може бути причиною розвитку поведінкових порушень. Ця зона мозку є високозалежною від активності ГФРТ в підтриманні функції синапсів і є регулятором пуринових нуклеотидів.

 

Таблиця 10. Сипмтоми синдрому Леш-Ніхана

 

У пацієнтів з дефіцитом ГФРТ також розвивається подагра. Це прямо пов’язано з активацією de novo пуринового синтезу. Надлишок пуринів перетворюється в сечову кислоту. Наявний частковий дефект адренокортикальної 11ß-гідроксилази.

 

Клінічні ознаки

При народженні зріст нормальний, але після другого року життя одночасно з неврологічними змінами з'являється затримка зросту. Може траплятись затримка кісткового віку, статевого розвитку, мікроцефалія.

Неврологічна симптоматика. Пацієнти не розпізнаються клінічно, доки не з’являється неврологічна симптоматика. Помірна затримка моторного розвитку і гіпотонія стають помітними приблизно з 4-6-місячного віку. Деякі діти мають вивих кульшових суглобів. Також виявляють неспецифічні неврологічні ознаки, включаючи опістотонус (89%), клонус стоп (58%), виражену дистонію (21%). Хоча самопошкодження є присутнє у всіх випадках, винятки можливі. Середній вік прояву для аутоагресії з пошкодженнями є приблизно 2 роки, можлива широта розходжень (4 місяці – 4 роки). Самопошкодження найчастіше проявляються укусами губ, язика, пальців рук. Біль є відчутним, але ушкодженням можна перешкоджати фізичними обмеженнями. Інші порушення поведінки включають удари головою і підборіддям, які приводять до ушкоджень вух і носа, і агресивну поведінку по відношенню до інших людей (кусання, биття, брикання, щипання). Розумова відсталість проявляється інтелектуальним недорозвитком різного ступеню (IQ 40-80), але описані випадки нормального інтелекту.

Самопошкоджуюча поведінка зустрічається не тільки при синдромі Леш-Ніхана, але й при інших станах, які включають неспецифічну розумову відсталість, аутизм, синдром Ретта, синдром Корнелії деЛанге, Туретта синдром, сімейну дизавтономію, нейроакантоз і деякі психічні стани. Але кусання пальців та губ більш характерне для синдрому Леш-Ніхана. Описані особи з станами, подібними за клінічними ознаками до синдрому Леш-Ніхана, але без дефекту ферменту.

Протилежно, в удавано здорових пацієнтів з гематурією, епізодами олігурії і азотемії знаходять варіанти гена ГФРТ. Повідомлено про незвичайні варіанти з легкою розумовою відсталістю, спастичною ходою, ознаками пірамідальної недостатності, затримкою зросту, проксимальним розташуванням великого пальця.

Дослідження гена ГФРТ ферменту в фібробластах шкіри, лізаті волосяних стержнів чи клонах лімфоцитів можна використати для ідентифікації гетерозиготних і гемізиготних станів.

Підвищення співвідношення сечова кислота/креатинін в ранковій сечі в 2-5 разів використовують як скринінг-тест для виявлення осіб з недиференційованими неврологічними ознаками. Це співвідношення сечі є важливим для підтвердження Леш-Ніхана синдрому і інших гіперурикемічних станів.

Сироваткові урати підвищені, але не вище 10 % в періоді дитинства.

Синдром Леш-Ніхана є Х–зчепленим захворюванням, в більшій мірі обмеженим чоловічою статтю.

Мутації гена є гетерогенні і можуть впливати на вираження ферменту, каталізуючи активність чи стабільність протеїну. Більшість виявлених мутацій (71 %) є міссенс, нонсенс і фрамшіфт мутації, малі делеції і інсерції. Будь-яка виявлена мутація підтверджена в геномній ДНК ампліфікацією полімеразної ланцюгової реакції і секвенуванням екзона, в якому мутація розміщена.

Ризик для членів сім’ї:

·  Батько ураженого хлопчика не є носієм мутантного гена і не має захворювання.

·  Жінка, яка має ураженого сина і родича по материнській лінії, є облігатним носієм.

·  Жінка, яка має більш ніж одного ураженого сина і яка не має мутації гена ГФРТ, що є присутнім в її синів, може мати гермінативний мозаїцизм.

·  Жінка, яка має ураженого сина, виявленого вперше в її родині, може мати 2/3 шанс бути носієм, а її син -1/3 можливість мати нову гермінативну мутацію.

·  Жінка-носій має 50 % ризик передачі мутації гена ГФРТ при кожній вагітності. Сини, які успадкували мутацію, будуть уражені, дочки є носіями. Таким чином при кожній вагітності жінка-носій має 25 % ризик мати ураженого сина і 25 % дочку-носія, і 50 % – мати здорових дітей.

·  Мати з одним ураженим сином, негативною сімейною історією і відсутньою мутацією гена ГФРТ в хлопчика, має реальний ризик мати ураженого сина і дочку – носія, тому що можливий гермінативний мозаїцизм.

·  Чоловіки з Леш-Ніхана синдромом – не фертильні. Але у чоловіків із збереженою репродуктивною функцією всі його дочки є облігатні носії і жоден з його синів не є ушкодженим.

Коли відомо, що хвороба в сім'ї спричинена мутаціями в гені ГФРТ, показано визначення активності ГФРТ ферменту і мутацій гена з допомогою молекулярно-генетичних методів у плодів чоловічої статті. Зазвичай отримують проби ворсин хоріона в 10-12 тижнів гестації і амніоцитів в 16-18 тижнів. Дослідження активності ГФРТ в культурах амніоцитів і ворсин хоріона є методом вибору, якщо мутація відома.

Прогноз несприятливий, так як неефективне лікування неврологічних розладів. Тривалість життя:

·                      до четвертої декади з постійним контролем;

·                      менш ніж п’ять років без лікування.

Лікування аллопуринолом зменшує концентрацію сечової кислоти, прояви подагричних артритів і тофусів, але воно неефективне при неврологічних порушеннях. Ниркові камені можна лікувати літотрипсією.

 

БІОСИНТЕЗ ПІРИМІДИНОВИХ НУКЛЕОТИДІВ

 

Піримідинові нуклеотиди, як і пуринові, синтезуються із простих сполук, а саме з СО₂, глутаміну, аспартату і рибозо-5-фосфату. Але у цьому випадку спочатку утворюється шестичленне піримідинове кільце (рис. 23), а потім до нього приєднується рибозофосфат.

 

Рис. 23. Піримідинове кільце.

 

Реакції біосинтезу піримідинових нуклеотидів

У першій реакції шляху під дією карбамоїлфосфатсинтетази II із амідної групи глутаміну, СО2 і АТФ утворюється карбамоїлфосфат.

Фермент локалізований у цитоплазмі клітин різних тканин. Карбамоїлфосфат утворюється як проміжний продукт і у процесі біосинтезу сечовини під дією карбамоїлфосфатсинтетази І. Цей фермент локалізований тільки у мітохондріях печінки і використовує як субстрат вільний аміак, а не глутамін. Карбамоїлфосфатсинтетаза II є регуляторним ферментом на метаболічному шляху синтезу піримідинових нуклеотидів і активність її гальмується кінцевим продуктом — уридинмонофосфатом (УМФ). На активність карбамоїлфосфатсинтетази І УМФ не впливає. Таким чином, особливості внутрішньоклітинного розподілу ферментів і регуляторних механізмів дозволяють процесам синтезу сечовини і піримідинових нуклеотидів функціонувати незалежно і паралельно один одному, відповідно до потреб організму.

 

Утворення УМФ

1. Цитоплазматичний карбамоїлфосфат взаємодіє з аспартатом під дією аспартаткарбамоїлтрансферази. Активність цього ферменту регулюється ЦТФ за механізмом зворотного зв'язку в прокаріотів, але не у тварин.

 

 

2. Утворення дигідрооротової кислоти в результаті дегідратації уреїдосукцинату (фермент —дигідрооротаза).

 

 

3. Утворення оротової кислоти в результаті дегідрування дигідрооротату (фермент – НАД-залежна дигідрооротатдегідрогеназа).

 

4. Сполучення оротової кислоти з 5-фосфорибозил-1-пірофосфатом з утворенням оротидилової кислоти (оротидин-5'-монофосфату, ОМФ); фермент, що каталізує реакцію, — оротатфосфорибозилтрансфераза.

 

5. Декарбоксилювання оротидилової кислоти до уридилової кислоти (уридин-5'-монофосфату, УМФ) — фермент ОМФ-декарбоксилаза:

 

Утворення УДФ, УТФ та ЦТФ

 

Із УМФ шляхом фосфорилювання утворюються УДФ і УТФ.

УМФ, що синтезувався, використовується для утворення інших піримідиннуклеотидів, зокрема піримідинових нуклеозидтрифосфатів (УТФ, ЦТФ) та дезоксирибонуклеозидтрифосфатів (дЦТФ, ТТФ), що використовуються в синтезі РНК і ДНК:

1.  Утворення УДФ та УТФ відбувається в результаті послідовного фосфорилювання УМФ нуклеозидмонофосфокіназами та нуклеозиддифосфокіназами (аналогічно розглянутому вище фосфорилюванню пуринових нуклеотидів):

2.  Утворення ЦТФ відбувається в результаті амінування УТФ — реакції, в якій беруть участь глутамін (донор аміногрупи) та АТФ:

 

Регуляція синтезу піримідинових нуклеотидів

Контроль швидкості біосинтезу піримідинових нуклеотидів забезпечується на рівні двох регуляторних ферментів (табл. 11):

1) карбамоїлфосфатсинтетази, яка забезпечує постачання біосинтетичного шляху одним із перших субстратів — карбамоїлфосфатом (цей пункт регуляції є основним у вищих тварин (ссавців), включаючи організм людини); алостеричним інгібітором ферменту є УТФ — кінцевий продукт біосинтетичного шляху; разом з тим, ФРПФ — інтермедіат пуринового синтезу — збільшує активність ферменту, що є одним з механізмів забезпечення координованого синтезу пуринів та піримідинів;

2) аспартаткарбамоїлтрансферази, яка каталізує синтез уреїдоянтарної кислоти (цей механізм регуляції має місце переважно у E.Coli та інших бактерій); алостеричним інгібітором ферменту є ЦТФ, активатором — АТФ.

 

Таблиця 11. Регуляторні ферменти синтезу піримідинових нуклеотидів

 

УТФ приєднує аміногрупу від глутаміну, перетворюючись у цитидинтрифосфат. Цю реакцію стимулює ГТФ. Крім вказаного ланцюга реакцій, може мати місце пряме включення вільних піримідинових основ у склад нуклеотидів за аналогічним механізмом, як для пуринових нуклеотидів.

Спадкове порушення синтезу піримідинів, відоме як оротацидурія, характеризується утворенням надлишку оротової кислоти і виведенням її з сечею (табл. 12).

Кількість виведеної оротової кислоти при цьому може сягати 1,0-1,5 г, що в 1000 разів більше, ніж у нормі.

Причиною є низька активність ферментів оротат-фосфорибозилтрансферази і декарбоксилази, які каталізують дві останні реакції синтезу УМФ.

Нестача піримідинових нуклеотидів буде сприяти підвищеному утворенню оротової кислоти, оскільки не відбуватиметься гальмування синтезу піримідинів кінцевим продуктом. Спостерігаються затримка росту і розумового розвитку дітей у ранньому віці, мегалобластична анемія. Вказані порушення розвиваються внаслідок нестачі піримідинових нуклеотидів, необхідних для синтезу нуклеїнових кислот.

Таблиця 12. Причини та симптоми оротацидурії

 

Прийом уридину чи цитидину призводить до зниження утворення й екскреції оротової кислоти, відновлює нормальний ріст і розвиток. Таке лікування повинно продовжуватись протягом усього життя людей із цим спадковим дефектом.

В таблиці 13 наведено відмінності біосинтезу пуринових і піримідинових нуклеотидів:

 

Таблиця 13. Відмінності біосинтезу пуринових і піримідинових нуклеотидів

 

КАТАБОЛІЗМ ПІРИМІДИНОВИХ НУКЛЕОТИДІВ

 

Розпад піримідинових основ, на відміну від пуринових, супроводжується розкриттям кільця (табл. 14).

 

Таблиця 14. Відмінності катаболізму пуринових і піримідинових нуклеотидів

 

Цитозин (рис. 24) на першій стадії дезамінується, перетворюючись в урацил.

Рис. 24. Піримідинова основа (цитозин).

 

Далі йде відновлення урацилу в дигідроурацил, розщеплення кільця і гідроліз до СО₂, NH₃ і бета-аланіну (рис. 25).

Розпад тиміну за таким же механізмом призводить до утворення бета-аміноізомасляної кислоти.

 

Рис. 25. Метаболізм піримідинових нуклеотидів.

 

Аміак і СО₂ використовуються для синтезу сечовини. Бета-аланін може включатись у структуру коферменту А (рис. 26). Гама-аміноізомасляна кислота перетворюється через метилмалонову кислоту в сукциніл-КоА.

 

Рис. 26. Продукти катаболізму піримідинових нуклеотидів.

 

БІОСИНТЕЗ ДЕЗОКСИРИБОНУКЛЕОТИДІВ

 

Біосинтез РНК різних класів вимагає наявності пуринових (АТФ, ГТФ) та піримідинових (ЦТФ, УТФ) рибонуклеотидів, тоді як для біосинтезу генетичних ДНК необхідні дезоксирибонуклеотиди пуринового — дАТФ, дГТФ — та піримідинового — дЦТФ, дТТФ (ТТФ) ряду. Попередниками дезоксирибонуклеотидів у клітинах є рибонуклеотиди у формі нуклеозиддифосфатів (НДФ) (переважно) та нуклеозидтрифосфатів (НТФ).

 

Механізм перетворення рибонуклеотидів на дезоксирибонуклеотиди

Перетворення НДФ на відповідні дНДФ досягається шляхом відновлення гідроксильної групи при С-2' рибози з утворенням 2'-дезоксирибози. Донором відновлювальних еквівалентів у цьому процесі є відновлений НАДФ (НАДФН + Н⁺):

Вказана реакція є складним біохімічним процесом, в якому беруть участь: низькомолекулярний (м.м. – 12 кД) SH-вмісний білок тіоредоксин і два окислювально-відновлювальні ферменти — тіоредоксинредуктаза та рибонуклеотидредуктаза, шо складають в сукупності електроно-транспортний ланцюг відновлення НДФ до дНДФ (рис. 27).

Рис. 27. Схема переносу відновлювальних еквівалентів від (НАДФН + Н⁺) на рибонуклеозиддифосфати.

 

Процес відновлення НДФ до дНДФ за рахунок протонів та електронів (НАДФН + Н+) складається з таких реакцій:

1) переносу гідрогену від (НАДФН + Н⁺) на ФАД флавінового ферменту тіоредоксинредуктази;

2) переносу гідрогену від відновленої тіоредоксинредуктази на SH-групи тіоредоксину;

3) переносу гідрогену від відновленого тіоредоксину на SH-групи рибонуклеотидредуктази;

4) переносу гідрогену від відновлених сульфгідрильних груп рибонуклеотидредуктази на НДФ з утворенням дНДФ.

 

Утворення дАТФ, дГТФ та дУТФ

За розглянутим механізмом іде утворення пуринових дезоксирибонуклеотидів:

АДФ → дАДФ

ГДФ → дГДФ

та піримідинового дезоксирибонуклеотиду дУДФ:

УДФ → дУДФ

дНДФ, які утворилися в цих реакціях, перетворюються на відповідні дНТФ (попередники в біосинтезі ДНК) в реакціях, що каталізуються нуклеозиддифосфокіназами:

дАДФ + АТФ → дАТФ,

дГДФ + АТФ → дГТФ,

дУДФ + АТФ → дУТФ.

Але до складу ДНК входить не уридиловий нуклеотид, а тимідиловий.

Утворення тимідилових нуклеотидів

Біосинтез тимідилових нуклеотидів, що також містять 2'-дезоксирибозу, починається з тимідилату (тимідин-5'-монофосфату, дТМФ, ТМФ). Безпосереднім попередником дТМФ є дезоксиуридин-5'-монофосфат (дУМФ), який утворюється з дезоксиуридин-5'-дифосфату (дУДФ) внаслідок його дефосфорилювання:

 

Перетворення дУМФ на дТМФ — заключний крок в утворенні нуклеотиду, що потрібний для біосинтезу ДНК — відбувається шляхом метилювання дУМФ у такій реакції:

Процес каталізується ферментом тимідилатсинтазою, коферментом якої є N⁵,N¹⁰-метилен-Н4-фолат, що в результаті реакції окислюється до дигідрофолату. Подальше функціонування фолату як коферменту вимагає регенерації тетрагідрофолату в реакції, що каталізується дигідрофолатредуктазою:

 

Н₂-фолат + НАДФН + Н⁺ → Н₄-фолат + НАДФ⁺.

 

Утворення тимідилових нуклеозидди- і трифосфатів – дТДФ (ТДФ), дТТФ (ТТФ) відбувається за рахунок їх фосфорилювання АТФ у кіназних реакціях:

дТМФ + АТФ → дТДФ + АДФ,

дТДФ + АТФ → дТТФ + АДФ.

Регуляція синтезу дезоксирибонуклеотидів здійснюється на рівні ферменту рибонуклеотидредуктази, активність якої стимулюють АТФ, дТТФ і дГТФ, гальмує дАТФ. Регуляторні механізми забезпечують біосинтез дезоксирибонуклеотидів у потрібних співвідношеннях для синтезу ДНК. Велика кількість дезоксирибонуклеотидів синтезується при розмноженні клітин, а в стані спокою процес сповільнюється. Ряд структурних аналогів піримідинів і пуринів, а також фолієвої кислоти є інгібіторами синтезу дезоксирибонуклеотидів. Тим самим вони блокують реплікацію ДНК і поділ клітин.

Великою швидкістю проліферації вирізняються ракові клітини, тому інгібітори синтезу нуклеотидів використовуються у хіміотерапії злоякісних пухлин. Зокрема, протипухлинну дію проявляють 5-фторурацил і 5-фтордезоксиуридин – інгібітори тимідилатсинтетази; структурні аналоги фолієвої кислоти аміноптерин і метотрексат – інгібітори дигідрофолатредуктази.