Медицина

ПРОЦЕСИ ДЕТОКСИКАЦІЇ АМІАКУ

ПРОЦЕСИ ДЕТОКСИКАЦІЇ АМІАКУ ТА БІОСИНТЕЗУ СЕЧОВИНИ. СПЕЦІАЛІЗОВАНІ ШЛЯХИ МЕТАБОЛІЗМУ АМІНОКИСЛОТ. МЕХАНІЗМИ ГОРМОНАЛЬНОЇ РЕГУЛЯЦІЇ ОБМІНУ БІЛКІВ

 

Аміак – високотоксичний продукт білкового метаболізму. Основним джерелом утворення аміаку є метаболізм амінокислот, їх трансамінування з наступним окисним дезамінуванням глутамінової кислоти ферментом глутаматдегідрогеназою. Аміак також утворюється при дезамінуванні амідів, амінів, азотистих основ нуклеотидів (рис. 1).

Рис. 1. Джерела аміаку.

 

У головному мозку значна кількість аміаку утворюється при дезамінуванні АМФ ферментом аденозиндезаміназою, при цьому утворюється інозинмонофосфат (ІМФ). Певна кількість аміаку всмоктується в кров з кишечника, де він утворюється з азотвмісних сполук під впливом ферментів мікрофлори.

Аміак є особливо токсичним для мозку, інші тканини є менш чутливими або нечутливими до аміаку.

Існує декілька гіпотез, які пояснюють механізм нейротоксичності аміаку. В мітохондріях мозку надлишок аміаку стимулює відновлювальне амінування a-кетоглутарату глутаматдегідрогеназою:

NH3 + a-кетоглутарат + НАДФН+Н+ ® Глутамат + НАДФ+ + Н2О.

Ця реакція виснажує пул  ключового метаболіту циклу трикарбонових кислот - a-кетоглутарату і, як наслідок, призводить до пригнічення процесів окисного фосфорилювання та зниження рівня АТФ в мозку. Проте, ця гіпотеза не пояснює, чому такий механізм не працює в інших тканинах, які є менш чутливими до аміаку. Більш ймовірною є гіпотеза, що пояснює токсичність аміаку зниженням вмісту в мозку глутамату, який є збудливим нейромедіатором. Глутамін, що синтезується і зберігається в гліальних клітинах, транспортується в нейрони, де гідролізується до глутамату. Аміак інгібує глутаміназу і знижує рівень глутамату в нейронах. Згідно ще однієї гіпотези, нейротоксичність аміаку можна пояснити дисфункцією нейрональних мембран, оскільки підвищений рівень аміаку призводить до підвищеної проникності мембран для іонів К+ і СІ-.

З органів і тканин аміак транспортується в основному в печінку, а також в нирки, за допомогою двох основних механізмів:

1. Під впливом ферменту глутамінсинтетази в органах, де аміак утворюється, він взаємодіє з глутаміновою кислотою, в результаті чого синтезується глутамін:

 

 

Найбільше глутаміну утворюється в мозку і м’язах. З цих та інших органів він легко проходить через клітинні мембрани в кров, звідки захоплюється печінкою та нирками (рис. 2). У печінці під впливом ферменту глутамінази відбувається гідроліз глутаміну до глутамату і вільного аміаку:

 

 

Аміак знешкоджується у печінці шляхом синтезу сечовини.

 

Рис. 2. Схема метаболізму аміаку.

 

Глутамін, який захоплюється нирками, також розщеплюється в глутаміназній реакції. Аміак, що утворюється при цьому, екскретується з сечею у формі іону амонію (NH4+). Це один із механізмів, за допомогою якого нирки підтримують сталість рН в організмі і запобігають розвитку ацидозу.

2. При інтенсивній м’язовій роботі частина амінокислот може використовуватися як паливо, при цьому в процесі метаболізму вони втрачають аміногрупу в реакціях трансамінування з a-кетоглутаровою кислотою. Утворюється глутамінова кислота, яка дальше передає аміноазот на піруват і утворюється аланіну:

Глутамат + Піруват « a-кетоглутарат + аланін.

Деградація білків і, відповідно, катаболізм амінокислот у м’язах також посилюються при голодуванні, травмах, опіках, септицемії.

Аланін легко дифундує з м’язів в кров, переноситься в печінку, де піддається зворотньому трансамінуванню з утворенням глутамату і пірувату. Піруват використовується у процесі глюконеогенезу, синтезується глюкоза, яка транспортується назад у м’язи, а глутамат піддається окисному дезамінуванню під впливом глутаматдегідрогенази з утворенням аміаку, який знешкоджується у циклі сечовини (рис. 2).

 

БІОСИНТЕЗ СЕЧОВИНИ

Сечовина синтезується у циклічному біохімічному шляху, який вперше був описаний у 1932 р. Г.Кребсом і К.Хенселайтом. Одна аміногрупа у молекулі сечовини походять від вільного аміаку, який утворюється при гідролізі глутаміну чи окисному дезамінуванні глутамату, а інша - від амінокислоти аспартату.

Цикл сечовини починається і закінчується орнітином, складається з п’яти реакцій і вимагає 5 ферментів (рис. 3).

 

Описание: http://intranet.tdmu.edu.ua/www/tables/0922.jpg

Рис. 3. Біосинтез сечовини.

У першій реакції, яка каталізується ферментом карбамоїлфосфатсинтетазою І, аміак конденсується з бікарбонатом за участю двох молекул АТФ, в результаті чого утворюється карбамоїлфосфат:

Одна молекула АТФ у цій реакції активує бікарбонат, а інша служить донором фосфатної групи карбамоїлфосфату. Карбамоїлфосфатсинтетаза І знаходиться в матриксі мітохондрій, вона використовує аміак як донор азоту і її активність залежить від N-ацетилглутамату. Останній є позитивним ефектором карбамоїлфосфатсинтетази І.

Існує також карбамоїлфосфатсинтетаза ІІ, яка локалізується в цитоплазмі, використовує для синтезу карбамаїлфосфату амідну групу глутаміну, її активність не залежить від N-ацетилглутамату, а утворений нею карбамаїлфосфат іде на синтез піримідинів.

У другій реакції карбамоїльна група переноситься ферментом орнітинкарбамаїлтрансферазою на амінокислоту орнітин, в резуль­таті утворюється цитрулін:

 

Цитрулін транспортується з матриксу мітохондрій в цитоплазму, де під впливом ферменту аргініносукцинатсинтетази конденсується з аспартатом з утворенням аргініносукцинату:

 

 

У цій реакції молекула АТФ розпадається до АМФ і пірофосфату, що еквівалентно гідролізу двох молекул АТФ.

У четвертій реакції аргініносукцинат розщеплюється ферментом аргініносукцинатліазою до аргініну і фумарату:

 

В останній реакції аргінін розщеплюється аргіназою до орнітину і сечовини:

 

 

Аргіназа знаходиться тільки в гепатоцитах, тобто розщеплення аргініну і утворення сечовини можливе тільки в печінці. Орнітин повертається в матрикс мітохондрій і запускає новий цикл синтезу сечовини. У внутрішній мембрані мітохондрій знаходиться спеціальний орнітин/цитрулін білок-переносник.

Фумарат, який утворюється в аргініносукцинатліазній реакції, є проміжним метаболітом циклу трикарбонових кислот, в якому він перетворюється до малату, а потім до оксалоацетату. Одним із шляхів метаболізму оксалоацетату є його трансамінування з утворенням аспартату. Останній може знову вступати в цикл сечовини.

Через фумарат існує тісний взаємозв’язок між циклом лимонної кислоти і циклом утворення сечовини (рис. 4). Крім того в циклі трикарбонових кислот утворюються СО2 і АТФ, які також необхідні для утворення сечовини.

 

 

Рис. 4. Взаємозв’язок між циклом трикарбонових кислот і циклом утворення сечовини.

 

Регуляція циклу сечовини

N-Ацетилглутамат є необхідним активатором для карбамаїлфосфатсинтетази І – ферменту який лімітує швидкість синтезу сечовини. N-Ацетилглутамат синтезується з ацетил-КоА і глутамату, аллостеричним активатором цієї реакції є аргінін.

Тому концентрація N-ацетилглутамату в печінці підвищується після білкової дієти, яка забезпечує поступлення і субстрату для його синтезу – глутамату, і регулятора синтезу – аргініну.

Білкова дієта прискорює синтез сечовини також внаслідок збільшення кількості аміаку, що утворюється при дезамінуванні амінокислот. Отже, при вживанні великої кількості білка або при розпаді білків організму (травма, опіки) вміст сечовини в крові і її екскреція з сечею зростають, і, навпаки, при зменшенні надходження білка з їжею чи при порушенні всмоктування амінокислот в кишечнику рівень сечовини в крові і сечі знижується.

Сечовина є основним продуктом знешкодження аміаку у людей і ссавців (такі організми називаються уреотелічні), птахи і наземні рептилії виводять аміак у формі сечової кислоти (урикотелічні організми), більшість організмів, які живуть у воді, виводять аміак у вигляді іонів амонію.

Сечовина – нейтральна, водорозчинна сполука, з печінки вона переходить в кров, транспортується до нирок, де фільтрується і екскретується з сечею. Частина сечовини реабсорбується в ниркових канальцях назад в кров. За добу доросла людина виділяє з сечею близько 20-35 г сечовини.

З крові невелика кількість сечовини також дифундує в кишечник, де розщеплюється до СО2 і NH3 уреазою кишечних бактерій. Частково аміак, що утворюється в кишечнику, всмоктується в кров і через ворітну вену попадає в печінку, де знову знешкоджується у циклі синтезу сечовини. У пацієнтів з нирковою недостатністю фільтрація сечовини в нирках сповільнюється, її вміст в сечі знижується, а в крові зростає. У цьому випадку більше сечовини попадає з крові в кишечник. Дія інтестінальної уреази на цю сечовину стає клінічно важливим джерелом розвитку гіперамоніємії у таких пацієнтів.

Гіперамоніємія. Концентрація аміаку в плазмі крові в нормі становить 25-40 мкмоль/л. Крім ниркової недостатності причиною гіперамоніємії є хвороби печінки (алкогольне чи інфекційне ураження гепатоцитів, цироз, рак) та генетичні дефекти ферментів синтезу сечовини. При цирозі печінки гіперамоніємія різко наростає внаслідок шунтування портальної крові, що несе аміак з кишечника, в системну циркуляцію. Може розвинутися печінкова енцефалопатія. У таких випадках корисним є призначення хворим антибіотиків, які пригнічують мікрофлору кишечника і, як наслідок, утворення в кишечнику аміаку (наприклад, неоміцину), а також застосування дисахариду лактулози. Кишечні бактерії катаболізують лактулозу в органічні кислоти, які, в свою чергу, перетворюють NH3 в NH4+, таким чином знижується всмоктування NH3 в систему ворітної вени.

Описані генетичні дефекти всіх п’яти ферментів циклу синтезу сечовини, а також ферменту синтезу N-ацетилглутамату. Найбільш частим є дефіцит карбамаїлфосфатсинтетази і орнітинкарбамаїлтрансферази.

Гіперамоніємія розвивається в перші тижні після народження, що призводить до енцефалопатії і сповільненя розумового розвитку. Лікування включає обмеження білка в дієті і призначення сполук, що здатні ковалентно зв’язувати амінокислоти, утворюючи азотвмісні молекули, які екскретуються з сечею.

При тяжких хворобах печінки чи вираженому дефіциті ферментів циклу синтезу сечовини вміст аміаку в крові може підніматися до 1000 мкмоль/л. Енцефалопатія при гіперамоніємії пояснюється набряком мозку і набуханням астроцитів внаслідок інтрацелюлярного нагромадження глутаміну, яикй викликає осмотичне переміщення води в клітини. Інші симптоми гіперамоніємії – сонливість, тремор, блювота, порушення зору і мови, в тяжких випадках – кома і смерть. Гостра гіперамоніємія, незалежно від причини, є невідкладним медичним станом, що потребує негайних заходів, направлених на зниження рівня аміаку (гемодіалізу, обмінної трансфузії, перітонеального діалізу).

 

СПЕЦІАЛІЗОВАНІ ШЛЯХИ ОБМІНУ АМІНОКИСЛОТ

Двадцять основних амінокислот організму людини, які присутні в тканинах або в складі білків, або у вільному стані, метаболізуються у специфічних біохімічних шляхах. У процесі катаболізму від амінокислот видаляється аміногрупа у реакціях дезамінування або трансамінування, в результаті чого утворюється вуглецевий скелет, який трансформується в метаболіти, що можуть перетворюватися в глюкозу, жирні кислоти, кетонові тіла або окислюватися в циклі трикарбонових кислот. Вуглецевий скелет 20 основних амінокислот перетворюється всього в сім молекул (рис. 5):  

§                     піруват,

§                     ацетил CoA,

§                     ацетоацетил CoA,

§                     a-кетоглутарат,

§                     сукциніл CoA,

§                     фумарат,

§                     оксалоацетат.

Для деяких амінокислот шляхи їх катаболізму до вищенаведених молекул є дуже простими і складаються з однієї або двох реакцій, для інших – надзвичайно складними (понад 10 реакцій).

Амінокислоти, які метаболізуються до ацетил-КоА або ацетоацетил-КоА називаються кетогенними, тому що вони є попередниками кетонових тіл і жирних кислот. Амінокислоти, які деградують до пірувату, a-кетоглутарату,  сукциніл-КoA, фумарату чи оксалоацетату називаються глюкогенними амінокислотами, оскільки дані метаболіти циклу трикарбонових кислот і піруват можуть перетворюватися до фосфоенолпірувату і далі до глюкози. В організмі людини і тварин відсутні біохімічні шляхи синтезу глюкози з ацетил-КоА або ацетоацетил-КоА.

З 20 амінокислот тільки лейцин і лізин є чисто кетогенними амінокислотами. Ізолейцин, фенілаланін, триптофан і тирозин є одночасно і кетогенними, і глюкогенними. Решту 14 амінокислот є глюкогенними.

 

 

Рис. 5. Схема включення вуглецевих скелетів амінокислот у цикл Кребса.

 

Обмін аланіну

Аланін належить до замінних глюкогенних амінокислот. В організмі синтезується шляхом трансамінування з піровиноградної кислоти (фермент – аланінамінотрансфераза):

 

Катаболізується аланін у зворотній реакції, перетворюючись у піруват, який декарбоксилюється до ацетил-КоА і розпадається в циклі трикарбонових кислот, або перетворюється до оксалоацетату і використовується для глюконеогенезу.

 

Обмін глутамінової кислоти і глутаміну

 

Глутамінова кислота і глутамін є замінними глюкогенними амінокислотами. Глутамінова кислота утворюється з a-кетоглутарової кислоти  у реакціях трансамінування або у реакції відновного амінування a-кетоглутарату (фермент – глутаматдегідрогеназа) (рис. 6).

 

Рис. 6. Схема синтезу і розпаду глутамату і глутаміну.

Катаболізм глутамату відбувається у зворотніх реакціях трансамінування і окисного дезамінування. В обох випадках утворюється a-кетоглутарат, який або розкладається в циклі трикарбонових кислот, або через оксалоацетат використовується для синтезу вуглеводів (рис. 6).

Глутамін синтезується з глутамату шляхом приєднання аміаку під дією глутамінсинтетази.

У нирках і печінці глутамін гідролізується ферментом глутаміназою до глутамінової кислоти і аміаку (рис. 6). Такі перетворення забезпечують функцію глутаміну, як переносника аміаку в організмі.

Важливим метаболітом глутамінової кислоти є g-аміномасляна кислота (ГАМК). ГАМК утворюється в мозку при декарбоксилюванні глутамату ферментом глутаматдекарбоксилазою:

 

 

ГАМК є основним гальмівним нейромедіатором центральної нервової системи людини і тварин.

Функція ГАМК полягає в зниженні нейронної активності і пригніченні збудження в нервових клітинах, попередженні поступлення в рухові центри мозку сигналів, пов’язаних зі станом тривоги, страху або стресу. ГАМК покращує покращує обмінні процеси в мозку, пам’ять і увагу, її дефіцит виявлено у хворих на епілепсію і шизофренію.

Крім ГАМК, глутамінова кислота є попередником для синтезу трипептиду глутатіону (див. нижче), аміноксислот проліну, орнітину та аргініну.

 

Обмін аспарагінової кислоти і аспарагіну

 

Аспарагінова кислота і аспарагін належать до замінних глюкогенних амінокислот. Синтезується аспарагінова кислота у реакції трансамінування (фермент – аспартатамінотрансфераза) з метаболіту циклу трикарбонових кислот оксалоацетату. Катаболізм аспартату також починається реакцією його трансамінування з a-кетоглутаровою кислотою:

 

 

Аспарагінова кислота бере участь в утворенні піримідинових основ, є донором азоту для біосинтезу сечовини, пурину, виконує роль нейромедіатора в центральній нервовій системі.

Аспарагін є важливим продуктом азотистого обміну, резервом азоту; знешкоджує аміак, що утворюється в процесі перетворення білків.

Під впливом аспарагінсинтетази до аспартату приєднується аміак і утворюється аспарагін. Гідроліз аспарагіну назад до аспартату і аміаку каталізується ферментом аспарагіназою:

 

 

Обмін гліцину

 

Гліцин – замінна глюкогенна амінокислота, бере участь в численних синтетичних шляхах, а також може окислюватися з виділенням енергії. Найважливішими фізіологічно-активними сполуками, які утворюються з гліцину, є глутатіон, холін, креатин, порфірини, пурин, гіпурова кислота, кон’югати жовчних кислот, білки (рис. 7).

 

Рис. 7. Схема синтезу гліцину і шляхи його використання.

 

Синтезується гліцин за допомогою ферменту серингідроксіметилтрансферази з іншої замінної амінокислоти – серину:

 

 

Дана реакція є зворотньою, тобто катаболізм гліцину може відбуватися шляхом його перетворення в серин, який в подальшому конвертується в піруват, а останній деградує в циклі лимонної кислоти.

Іншим шляхом розпаду гліцину є його окислення до аміаку і діоксиду вуглецю ферментом гліцинсинтазою. У цьому випадку один атом вуглецю гліцину виділяється у формі СО2, а інший у вигляді метиленової групи зв’язується з тетрагідрофолатом і в подальшому використовується для синтетичних процесів.

Реакція окислення гліцину гліцинсинтазою є зворотньою, тобто гліцин може частково відновлюватися з аміаку і діоксиду вуглецю, використовуючи відновлювальні еквіваленти НАДН + Н+ і метилентетрагідрофолат як донор атому вуглецю.

У механізмах перетворення гліцину важливе значення має коферментна форма фолієвої кислоти – тетрагідрофолієва кислота (FH4), яка забезпечує міжмолекулярне транспортування одновуглецевих радикалів.

Ще одним шляхом катаболізму гліцину є його окислення ФАД-залежною гліциноксидазою з утворенням гліоксилової кислоти.

Гліоксилова кислота може трансамінуатися до гліцину, відновлюватися до гліколату або окислюватися до оксалату. Оксалат виводиться з сечею. Зустрічається генетично детерміноване захворювання гіпероксалурія, при якому утворюється велика кількість оксалату. Оскільки кальцієва сіль оксалату погано розчинна у воді, її кристали відкладаються в нирках, викликаючи нефролітіаз і нефрокальциноз.

Первинна гіпероксалурія - метаболічний дефект рецесивного типу успадкування. Відрізняють два ензимних чинники захворювання, які локалізуються в печінці. Перший - дефіцит гліоксалат-аланінової амінотрансферази з надмірним виділенням гліколату (до 100 мг при нормі до 15 мг/добу), гліоксалату та оксалатів. Другий тип - ензимний дефіцит D-гліцератдегідрогенази із синтезом відсутньої у здоровому організмі D- гліцеринової кислоти та надлишком оксалатів. Наслідком дефіциту цих ферментів є перетворення щавелевої кислоти на оксалат та значне зростання останнього в крові та сечі.

Надлишок концентрації оксалатів у крові призводить до відкладення кристалів (депозитів) в суглобах, кістках, стінках судин та легенях, що супроводжується ураженням цих органів із больовим, набряковим та запальним синдромами. Внаслідок надлишку оксалатів у проксимальних канальцах епітелій останніх руйнується, що призводить до склерозу. Імовірно, одночасно спостерігається процес відкладення оксалатів у клубочках і, як результат, утворення оксалатних конкрементів та внутрішньонефронного кальцинозу.

Клінічні ознаки захворювання у вигляді болів у животі, уражень суглобів та виникнення сечового синдрому (масивна оксалатурія, еритроцитурія та протеїнурія) виявляються в дитячому віці. За наявності бактеріурії та нейтрофільної лейкоцитурії документують інфекцію сечових шляхів. Абактеріальна мононуклеарна лейкоцитурія, що супроводжується зниженням концентраційної функції нирок, свідчить про розвиток інтерстиціального ниркового процесу.

Діагноз первинної гіпероксалурії ставиться на підставі надмірної концентрації оксалатів у крові понад 10 мкмоль/л, збільшеного виділення оксалатів із сечею та утворення оксалатного уролітіазу (у подальшому нефрокальцинозу) у вигляді кальцію оксалату моногідрату (вівіліту) на відміну від вторинної гіпероксалурії (вівіліт+веделіт). В різні строки від дебюту захворювання, що пов'язано з фенотипічними проявами оксалозу, розвивається ХНН, яка від 30 до 60% встановлюється раніше, ніж діагноз первинної гіпероксалурії. Патогномонічним є також відсутність бактерії Oxalobacter forminges, яка викликає деградацію оксалатів в кишечнику. Підвищена абсорбція оксалатів в кишечнику виявляється за допомогою тесту 13С2-оксалату. Радикальні методи лікування відсутні. Запобіжними засобами зменшення відкладення оксалатів у сечових шляхах є призначення гіпооксалатної дієти, магне-В6, цистону, уролесану, ортофосфату та стимуляція діурезу. Враховуючи наявність ензимного дефекту, профілактично-лікувальні засоби повинні використовуватись постійно.

 

Обмін серину

 

Серин належить до глюкогенних замінних амінокислот.

Синтез серину з 3-фосфогліцерату, який є проміжним метаболітом гліколізу, вимагає окислення 3-фосфогліцерату до 3-фосфогідроксіпірувату, трансамінування останнього глутаматом з утворенням 3-фосфосерину і гідролізу останнього до серину:

 

 

Серин перетворюється до пірувату цитозольною сериндегід­ра­тазою. Із серину може також утворюватися гліцин, який в подальшому окислюється до аміаку і діоксиду вуглецю або до гліоксилової кислоти.

Реакція перетворення серину на гліцин є зворотньою, тобто за певних умов серин може синтезуватися з гліцину ферментом серингідроксіметилтрансферазою, при цьому як донор вуглецевого залишку використовується метилентетрагідрофолат (N5,N10-СН2-FH4).

Важливою функцією серину є його участь у синтезі фосфоліпідів – фосфатидилсерину і фосфатидилетаноламіну.

Загальна схема метаболізму серину і його взаємозв’язок з обміном гліцину наведена на рис. 8.

 

Рис. 8. Схема метаболізму серину і гліцину.

 

Обмін треоніну

 

Треонін – незамінна глюкогенна амінокислота. Треонін зазвичай метаболізується до пірувату, проте проміжний метаболіт у цьому шляху може піддаватися тіолізу коензимом А з утворенням ацетил-КоА і гліцину.

У іншому метаболічному шляху треоніндегідратаза перетворює треонін до a-кетобутирату. Комплекс, подібний до піруватдегідрогенази, метаболізує a-кетобутират до пропіоніл-КоА (рис. 9). 

 

 

Рис. 9. Схема метаболізму треоніну.

 

Обмін лізину

 

Лізин – незамінна кетогенна амінокислота. В процесі метаболізму лізин перетворюється до ацетоацетил-КоА.

На першому етапі лізин взаємодіє з a-кетоглутаратом з утворенням сахаропіну, який розпадається на семіальдегідну сполуку і глутамат (фермент a-аміноадіпіксеміальдегідсинтаза). Семіальдегід окислюється до дикарбонової a-аміноадіпової кислоти, яка в подальших шести реакціях перетворюється на ацетоацетил-КоА (рис. 10).

 

Рис. 10. Схема метаболізму лізину.

 

Зрідка зустрічається вроджений дефіцит a-аміноадіпіксеміальдегідсинтази, при якому лізин і сахаропін виділяються з сечею. Дане захворювання, як правило, не проявляється ніякими клінічними симптомами.

Більш серйозним є генетично детерміноване захворювання, що характеризується порушенням всмоктування в кишечнику і реабсорбції в ниркових канальцях лужних амінокислот (лізину, аргініну і орнітину). Концентрація лізину, аргініну і орнітину в плазмі крові знижується. У таких пацієнтів розвивається виражена гіперамонійемія після вживання білкової їжі. Іншими симптомами є втрата м’язової маси і остеопороз.

Вважається, що лізину притаманна противірусна дія, особливо щодо вірусів, які викликають герпес і гострі респіраторні інфекції. Лізин бере участь у формуванні колагену, його використовують у відновлювальний період після операцій і травм. Лізин покращує засвоєння кальцію з крові і його транспорт в кісткову тканину, підвищує імунну відповідь організму, зокрема, активність нейтрофілів, знижує рівень тригліцеридів в плазмі крові.

Лізин є попередником для синтезу карнітину – сполуки, яка транспортує жирні кислоти в матрикс мітохондрій, де вони окислюються з утворенням енергії, тобто лізин підтримує рівень АТФ в клітині.

 

Обмін аргініну

 

Аргінін синтезується в циклі сечовини з амінокислоти орнітину і також поступає в організм з білками їжі. Під час росту у молодому віці та при деяких патологічних станах (наприклад, ендотеліальній дисфункції) ендогенної продукції аргініну для організму недостатньо, тому він належить до частково замінних амінокислот.

З аргініну утворюються такі важливі метаболіти як оксид азоту, креатинфосфат, спермін. Гідролізується аргінін під дією аргінази до орнітину і сечовини.

Описаний спадковий дефект аргінази, який характеризується аргінінемією, високим рівнем аміаку в крові, затримкою психомоторного розвитку, м'язовою гіпертонією, парезами й паралічами, гепатомегалією, пригніченням ЦНС.

 

Синтез і біологічна роль оксиду азоту

 

Оксид азоду (NO) – високореактивна двохатомна газова молекула з неспареним електроном (вільний радикал). Синтезується NO з аргініну в реакції, що каталізується NO-синтазою (NOS). Косубстратами у цій реакції є молекулярний кисень і НАДФН:

 

Є три ізоформи NOS, які відрізняються локалізацією в тканинах, транскрипційною регуляцією і чутливістю до внутрішньоклітинного Са2+. Дві ізоформи NOS – ендотеліальна (еNOS) і нейрональна (nNOS), є конститутивними ферментами (cNOS), і третя ізоформа є індуцибельним ферментом (iNOS).

cNOS ізоформи знаходяться в ендотелії судин, нейронах та багатьох інших клітинах і їх активність регулюється  Са2+ і кальмодуліном. В ендотелії судин агоністи, такі як ацетилхолін чи брадікінін, активують еNOS шляхом збільшення внутрішньоклітинної концентрації  Са2+.

NO, який утворюється у васкулярному ендотелії, підтримує базальний тонус судин, викликаючи релаксацію гладеньких м’язів і, як наслідок, вазодилятацію. Механізм дії органічних нітратів, які використовуються для лікування ішемічної хвороби серця, наприклад, нітрогліцерину, полягає в їх денітруванні з наступним звільненням NO, що призводить до розширення коронарних судин. NO, що утворюється cNOS в нейрональній тканині, функціонує як нейротрансмітер.

iNOS знаходиться в макрофагах і нейтрофілах і є Са2+-незалежною. Бактеріальні ендотоксини, цитокіни, деякі ксенобіотики можуть індукувати і викликати експресію iNOS в багатьох типах клітин. У стимульованих макрофагах і нейтрофілах NO, а також інші вільні радикали беруть участь у знешкоджені фагоцитованих бактерій. Надмірна продукція NO при ендотоксемії викликає гіпотензію і може призвести до септичного шоку.

Таким чином, патофізіологія оксиду азоту – це двосічний меч.

Недостатня продукція NO призводить до розвитку гіпертензії, атеросклерозу, імпотенції, схильності до інфекцій. Надлишкове утворення NO викликає септичний шок, запальні захворювання, відторгнення трансплантатів, геморагічний інсульт і канцерогенез.

 

Обмін сірковмісних амінокислот (метіоніну і цистеїну)

 

Обмін метіоніну

Метіонін належить до незамінних глюкогенних амінокислот. В клітинах метіонін використовується для синтезу білків, а також є основним донором метильних (-СН3) груп у реакціях метилування. При надлишку метіоніну його вуглецевий скелет трансформується до сукциніл-КоА, який піддається катаболізму в циклі трикарбонових кислот з утворенням енергії або використовується для глюконеогенезу.

У реакціях метилування безпосереднім донором метильних груп є не метіонін, а його похідне – S-аденозилметіонін, який утворюється при взаємодії метіоніну з АТФ під впливом ферменту метіонін-аденозилтрансферази:

 

 

Сульфонієвий іон у складі S-аденозилметіоніну є високореактивним і тому метильна група під дією специфічних метилтрансфераз може легко переноситися на ряд субстратів, тобто відбувається метилування останніх.

Зокрема, метилування етаноламіну призводить до утворення холіну, норадреналіну – до утворення адреналіну, глікоціаміну – креатину.

Шляхом метилування за участю S-аденозилметіоніну утворюються також такі біологічно активні сполуки як карнітин, ансерин, саркозин, мелатонін, тимідин тощо.  

S-аденозилметіонін, втрачаючи метильну групу, перетворюється на S-аденозилгомоцистеїн, який під впливом ферменту S-аденозилгомоцистеїнгідролази розщеплюється на аденозин і гомоцистеїн (рис 11).

Рис. 11. Роль метіоніну в реакціях трансметилювання і його регенерація.

 

У свою чергу гомоцистеїн може знову перетворюватися назад до метіоніну або ферментом бетаїнгомоцистеїнметилтрансферазою, яка як донор метильних груп використовує бетаїн, або ферментом гомоцистеїнметилтрансферазою (метіонінсинтетазою), донором метильних груп для якої є N5-метилтетрагідрофолієва кислота, а коферментом - похідне вітаміну В12 метилкобаламін. В результаті цикл метилування замикається (рис. 12).

Утворений метіонін може повторно використовуватися в реакціях метилування, проте частина його втрачається в катаболічних шляхах (утворення сукциніл-КоА), тому він повинен постійно надходити з їжею.

 

Рис. 12. Цикл метилування.

МАТ - метіонін-аденозилтрансфераза, S-АГГ - S-аденозилгомоцистеїнгідролаза, МС – метіонінсинтетаза, БГМТ – бетаїнгомоцистеїнметилтрансфераза.

 

Інший механізм утилізації гомоцистеїну - шлях транссульфування. У цьому шляху гомоцистеїн спочатку під впливом ферменту цистатіонін-b-синтази конденсується з серином з утворенням цистатіоніну, а потім останній розщеплюється цистатіонін-g-ліазою до a-кетобутирату і цистеїну. Обидва ферменти є піридоксальфосфат-залежними, тобто катаболізм гомоцистеїну шляхом транссульфування вимагає забезпеченості вітаміном В6.

 

Описані спадкові порушення ферментів метіонін-аденозил­трансферази, цистатіонін-b-синтази і цистатіонін-g-ліази.

Дефіцит метіонін-аденозилтрансферази призводить до гіперметіонінемії, а цистатіонін-g-ліази – до цистатіонінурії, при цьому клінічні симптоми для для даних патологій не описані. Недостатність цистатіонін-b-синтази супроводжується гіпергомоцистеїнемією і гомоцистинурією.

Гомоцистинурія описана в 1962 р. Карсеном і Нейлом. До нинішнього часу описано більше 100 хворих. В основі захворювання є відсутність чи зниження активності ферменту цистатіонінсинтетази, він потребує в якості кофактора вітамін В12, а в якості субстрату - фолієву кислоту. Гомоцистеїн є проміжним продуктом розпаду метіоніну й у нормі не міститься у плазмі і сечі, але дефекти на трьох різних етапах ферментації можуть призвести до гомоцистинемії і гомоцистинурії. Існує класична гомоцистинурія, піридоксинчутлива і піридоксинрезистентна. Захворювання є аутосомно-рецесивним, частина складає 1:200000 населення.

Клінічні прояви гомоцистинурії різні, однак найбільш характерні такі: розумова відсталість, ектопія кришталиків, кісткові деформації, тромбоемболії і серцево-судинна патологія. Такі діти при народженні виглядають здоровими.

Діагноз встановлюють у віці 3-х років, коли виявляють підвивих кришталика, але в більшості випадків яскрава клініка розвивається до 10 років. Батьки помічають, що під час швидкого руху головою райдужки дитини тремтять. Потім приєднуються й інші очні симптоми: міопія, астигматизм, глаукома. катаракта, відшарування сітківки, атрофія зорового нерва. Аномалії скелета у таких дітей виявляються особливо часто. Насамперед звертає увагу диспропорційність статури у вигляді укорочення тулуба, подовження кінцівок, помірно виражений остеопороз кісток, сколіоз, викривлення гомілки, деформації грудної клітки, високе піднебіння, порожниста стопа. У цих дітей блакитні очі і специфічна еритема у формі метелика (палаючі вилиці) й еритематозна плямистість кінцівок. Часто прогресує розумова відсталість, однак у деяких хворих інтелект не порушений. Близько 10-15 % хворих страждають на судоми. Наступним ускладненням цього захворювання є тромбоемболія судин різного діаметра, зокрема головного мозку, вона може проявлятися в будь-якому віці.

Діагностика захворювання полягає у виявленні гомоцистину в сечі. Проводять пробу з нітропрусидом, а також паперову хроматографію амінокислот. Визначають вміст амінокислот у плазмі.

Лікування включає: великі дози вітаміну В6 і фолієвої кислоти, дієтотерапію - продукти з низьким вмістом метіоніну. Припустимий вміст метіоніну - 29-45 мг на 1 кг маси 1 раз на добу. Замість коров’ячого молока можна використовувати козяче, котре містить менше метіоніну, а також кобиляче молоко.

Показником ефективності лікування гомоцистинурії є рівень метіоніну в крові до 0,01 г/л і відсутність гомоцистину в крові. Зважаючи на те, що наркоз підвищує ризик внутрішньосудинної коагуляції, важливо мати на увазі, що планові операції хворим на гомоцистинурію під загальним наркозом протипоказані, як і ангіографії.

 

Клінічні прояви, зумовлені гіпергомоцистеїнемією, включа­ють аномалії скелету, сповільнення розумового розвитку, ектопію кришталика, розвиток атеросклерозу і схильність до артеріальних та венозних тромбоемболій. Гіпергомоцистеїнемія є незалежним фактором ризику оклюзивних захворювань судин.

Приблизно в чверті пацієнтів з атеросклерозом виявлено дефіцит цистатіонін-b-синтази і, як наслідок, гіпергомоцистеїнемію. Оскільки для процесів реметилування гомоцистеїну необхідна N5-метилтетрагідрофолієва кислота і метилкобаламін, а у його транссульфуванні бере участь піридоксальфосфат, то недостатнє надходження фолату і вітамінів В12 та В6 з їжею чи порушення утворення їх активних коферментних форм також призводить до гіпергомоцистеїнемії (рис. 13).

Насичення організму фолатом, вітамінами В12 і В6 запобігає підвищенню рівня гомоцистеїну в крові і може знизити частоту захворюваності і смертності від атеросклеротичних уражень судин, зумовлених гіпергомоцистеїнемією.

 

Рис. 13. Обмін метіоніну

 

Синтез креатину. Метіонін, а точніше його активне похідне S-аденозилметіонін, бере участь у синтезі креатину – сполуки, яка у вигляді креатинфосфату відіграє важливу роль у енергозабезпеченні м’язового скорочення. Для синтезу креатину також необхідні амінокислоти гліцин і аргінін.

На першому етапі, який відбувається в нирках, гуанідинова група аргініну переноситься на гліцин з утворенням гуанідиноацетату (глікоціаміну) і орнітину (фермент: аргінін-гліцин амідинотрансфераза):

 

 

З нирок глікоціамін з кров’ю поступає в печінку, де під впливом ферменту гуанідинацетатметилтрансферази метилюється за участю S-аденозилметіоніну до креатину:

 

 

З печінки креатин транспортується у м’язи і мозок, де фосфорилується ферментом креатинкіназою до креатинфосфату:

 

 

Креатинфосфат є формою зберігання енергії у м’язах і нервовій тканині. Під час м’язового скорочення, коли необхідне швидке забезпечення енергією, фосфатна група з креатинфосфату під дією креатинкінази терміново передається на АДФ і, таким чином, відбувається регенерація АТФ.

У м’язах і нервовій тканині також відбувається повільне неферментативне дефосфорилування і дегідратація креатинфосфату з наступною циклізацією молекули і утворенням креатиніну:

 

 

Креатинін не виконує ніякої корисної функції і елімінується з організму шляхом ниркової фільтрації і частково за допомогою канальцевої секреції. Визначення вмісту креатиніну в крові і сечі є чутливим тестом фільтраційної здатності нирок. Виділення креатиніну з сечею пропорційне масі м’язової тканини і залежить від віку і статі.

Креатинурія – це посилене виділення креатину з сечею, зустрічається при лихоманці, голодуванні, цукровому діабеті, травматичних пошкодженнях м’язів, м’язовій дистрофії і гіпертиреоїдизмі.

 

Обмін цистеїну

Як було показано вище, цистеїн синтезується з амінокислоти метіоніну, яка постачає –SH групу, і амінокислоти серину, яка надає для синтезу вуглецевий скелет і аміногрупу. Цистеїн належить до замінних глюкогенних амінокислот.

Метаболізується цистеїн кількома шляхами залежно від потреб клітини. Основним метаболітом є цистеїнсульфінова кислота, яка в подальшому трансамінується до неорганічного сульфіту і піровиноградної кислоти або перетворюється до гіпотаурину і таурину (рис. 14):

 

Рис. 14. Обмін цистеїну.

 

Таурин знаходиться у вільному стані у великій кількості в клітинах різних органів, особливо багато його в сітківці ока і центральній нервовій системі. В печінці таурин кон’югується з жовчними кислотами і може стимулювати виділення жовчі і екскрецію холестеролу. Він також відіграє важливу роль у знешкодженні токсичних речовин та регуляції внутрішньоклітинного кальцію.

Неорганічний сульфіт окислюється до сульфатів під впливом ферменту сульфітоксидази. Зустрічається генетично детермінована недостатність цього ферменту, яка призводить до неврологічних порушень, розумової відсталості, церебральної атрофії, дислокації кришталика ока, посиленого виділення сульфітів і тіосульфатів із сечею. Оскільки сульфітоксидаза містить молібден, дефіцит цього металу може викликати пригнічення активності даного ферменту.

Неорганічні сульфати виділяються з сечею, а також можуть взаємодіяти з АТФ, при цьому утворюється 3-фосфоаденозин-5-фосфосульфат (ФАФС):

SO42- + АТФ ® ФАФС + АДФ + ФФ.

 ФАФС є донором сульфатних груп у реакціях сульфування, наприклад, при утворенні ефірів сірчаної кислоти з токсичними речовинами (фенолом, індоксилом), стероїдами, а також використовується у реакціях біосинтезу компонентів сполучної тканини - глікозаміногліканів.

Нещодавно було відкрито десульфуразний шлях обміну цистеїну, з яким асоціюється продукція важливої регуляторної газової молекули гідроген сульфіду (H2S). На сьогодні відомо, що H2S відіграє досить значну роль у регуляції судинного тонусу та агрегації тромбоцитів, скоротливості міокарду, нейротрансмісії, секреції інсуліну.

Важливим шляхом метаболізму цистеїну є синтез глутатіону. Спершу цистеїн конденсується із глутаматом в реакції, яка каталізується γ-глутамілцистеінлігазою, а потім до дипептиду приєднується гліцин. Глутатіон (γ-глутаміл-цистеїніл-гліцин) – трипептид, присутній у високій концентрації у всіх клітинах тварин і людини:

 

 

Завдяки наявності γ-глутамільного зв’язку та реактивної сульфгідрильної групи глутатіон бере участь у численних реакціях метаболізму, забезпечуючи тим самим нормальний перебіг ряду фізіологічних та біохімічних процесів. Зокрема, глутатіон підтримує функціональну активність біологічних мембран, бере участь в механізмах передачі нервових імпульсів, у синтезі білка та ДНК, в модулюванні конформаційного стану білкових молекул і регуляції активності ферментів, у механізмах транспорту амінокислот та у синтезі простагландинів, у підтриманні відновленого стану заліза (Fe2+) у гемоглобіні. Проте найбільш важливими функціями глутатіону є його участь у процесах детоксикації ксенобіотиків і відновлення органічних пероксидів та пероксиду водню. Глутатіон може кон’югувати з електрофільними метаболітами ксенобіотиків та ендогенних субстратів за участю глутатіон-S-трансферази з утворенням глутатіонових кон’югатів, які в подальшому перетворюються у тіоефіри – меркаптурати. Реакція взаємодії глутатіону з гідропероксидами, яка відбувається під впливом ферменту глутатіонпероксидази, призводить до утворення нешкідливих органічних спиртів, що підлягають подальшому метаболізму. Глутатіон при цьому окислюється, тобто внутрішньоклітинний пул глутатіону складається з його відновленої (GSH) та окисленої (GSSG) форм. Зворотнє відновлення GSSG до GSH каталізується ферментом глутатіонредуктазою, коферментом для якої є НАДФН.

При відщепленні атомів водню від тіолових груп двох молекул цистеїну, тобто при їх окисленні, між атомами сірки утворюється місток (дисульфідний зв’язок) і утворюється молекула цистину:

 

 

У вільному стані цистин знаходиться у клітинах в невеликій кількості, проте формування молекул цистину у складі білка має важливе значення, оскільки дисульфідні зв’язки відіграють вагому роль у підтриманні вторинної і третинної структур молекул білка.

Цистинурія – це спадкове захворювання, що характеризується порушенням реабсорбції в ниркових канальцях цистину, лізину, орнітину і аргініну (ці чотири амінокислоти мають одинаковий механізм транспорту). Оскільки цистин нерозчинний у воді, клінічно цистинурія проявляється утворенням цистинових каменів в сечовивідних шляхах, тобто сечокам’яною хворобою.

 

Обмін амінокислот з розгалуженими ланцюгами

(валіну, лейцину та ізолейцину)

 

Валін, лейцин та ізолейциннезамінні амінокислоти. На першому етапі катаболізму один і той же фермент каталізує трансамінування всіх трьох амінокислот з утворенням відповідних розгалужених α-кетокислот, які в подальшому піддаються окисному декарбоксилюванню, в результаті чого утворюються ацил-КоА тіоефіри. Реакція окисного декарбксилювання каталізується ферментним комплексом мітохондрій – дегідрогеназою розгалуженого ланцюга. Ацил-КоА тіоефіри дегідрогенуються і утворюються відповідні  ненасичені ацил-КоА тіоефіри. З цього моменту катаболізм кожної амінокислоти іде своїм специфічним шляхом. Лейцин перетворюється на ацетоацетат і ацетил-КоА, ізолейцин – на сукциніл-КоА (попередник у глюкогенному шляху) і ацетил-КоА, катаболізм валіну призводить до утворення сукциніл-КоА (рис. 15). Таким чином, лейцин є кетогенною амінокислотою, ізолейцин – глюкогенною і кетогенною, а валін – чисто глюкогенною амінокислотою.

 

 

Рис. 15. Схема катаболізму амінокислот з розгалуженим ланцюгом.

 

Хвороба кленового сиропу – спадкове захворювання, зумовлене порушенням окисного декарбоксилювання розгалужених a-кетокислот, що виникає внаслідок дефекту гену, який відповідає за синтез дегідрогенази розгалуженого ланцюга. В крові і внутрішніх органах збільшується вміст валіну, лейцину та ізолейцину і відповідних розгалужених a-кетокислот. Сеча таких хворих має характерний запах кленового сиропу. Хвороба проявляється в немовлят, розвивається кетоацидоз, затримується фізичний і розумовий розвиток дитини, можлива летаргія. Невчасне розпізнавання хвороби призводить до втрати свідомості,  коми і смерті. Немовлята з дефектом дегідрогенази розгалуженого ланцюга мають бути переведені на спеціальну дієту з низьким вмістом валіну, лейцину та ізолейцину.

 

Описание: 0303_DADI_WILLSB

 

Рис. 16. Дитина з хворобою кленового сиропу

 

Обмін фенілаланіну і тирозину

 

Фенілаланін належить до незамінних амінокислот. Приблизно три чверті фенілаланіну, що поступає в організм, гідроксилюється ферментом фенілаланінгідроксилазою з утворенням тирозину, тому останній є замінною амінокислотою.

 Гідроксилювання фенілаланіну відбувається в основному в печінці, а також в нирках, ця реакція є незворотньою і вимагає коферменту тетрагідробіоптерину. Утворений тирозин трансамінується ферментом тирозинамінотрансферазою, в результаті чого утворюється р-гідроксіфенілпіруват, який під впливом 4-гідроксіфенілпіруватоксидази у складній реакції, що включає окислення, декарбоксилювання, переміщення бокового ланцюга і гідроксилювання, перетворюється до гомогентизинової кислоти. Аскорбінова кислота є необхідною для нормального перебігу цієї реакції.

Ароматичне кільце гомогентизинової кислоти розщеплюється гомогентизатоксидазою з утворенням фумарилацетоацетату, який, у свою чергу розпадається до фумарату і ацетоацетату (фермент фумарилацетоацетатгідролаза) (рис. 17).

Фумарат утилізується в циклі трикарбонових кислот, або використовується для глюконеогенезу, а ацетоацетат іде на синтез ліпідів чи кетонових тіл. Тому фенілаланін і тирозин є одночасно і кетогенними, і глюкогенними амінокислотами.       

 

Рис. 17. Схема метаболізму фенілаланіну і тирозину.

 

Фенілкетонурія. Недостатність фенілаланінгідроксилази або тетрагідробіоптерину призводить до фенілкетонурії – найбільш поширеного спадкового захворювання, зумовленого генетично детермінованим дефіцитом ферменту амінокислотного обміну (рис. 18).

 

Описание: http://intranet.tdmu.edu.ua/www/tables/0906.jpg

 

Рис. 18. Порушення обміну фенілаланіну і тирозину.

 

Оскільки фенілаланін не перетворюється на тирозин, відбувається його акумуляція в тканинах і крові (гіперфенілаланінемія), в результаті активується альтернативний трансаміназний механізм метаболізму фенілаланіну, що призводить до утворення великої кількості фенілпірувату:

 

Фенілпіруват може частково перетворюватися до феніллактату і фенілацетату:

 

 

Всі три кислоти (фенілпіровиноградна, фенілмолочна, фенілоцтова) накопичуються в крові і виділяються з сечею.

Сеча набуває характерного «мишачого» запаху. Частота класичної фенілкетонурії – приблизно 1 на 10000 новонароджених, приблизно у 2-3 % немовлят гіперфенілаланінемія зумовлена дефіцитом тетрагідробіоптерину.

Найбільш характериними клінічними симптомами при фенілкетонурії є неврологічні і психічні розлади, розумова відсталість, підвищена збудливість, судоми, мікроцефалія, гіпопігментація волосся і райдужки, катаракта (рис. 19).

Дієта з різким обмеженням вмісту фенілаланіну вводиться з моменту підтвердження діагнозу класичної фенілкетонурії. Повністю виключають продукти тваринного походження, вміст рослинного білка ретельно нормують з урахуванням маси тіла та віку дитини.

 

Описание: 1155

Рис. 19. Фенілкетонурія у новонародженого.

 

Дефіцит харчового білка і мікроелементів, що виникає внаслідок тривалого застосування обмежувальної дієти, компенсують призначенням спеціальних продуктів харчування - сумішей амінокислот або білкових гідролізатів з низьким вмістом фенілаланіну.

 

Тирозиноз. Відсутність або дефіцит тирозинамінотрансферази призводить до розвитку тирозинемії ІІ типу, яка характеризується гіпертирозинемією і тирозинурією (рис. 18, 20).

Клінічні прояви можуть включати ерозії і бляшки рогівки, ураження шкіри, сповільнення розумового розвитку. Серйознішим захворюванням є тирозинемія І типу, яка викликається дефіцитом фумарилацетоацетатгідролази.

У цьому випадку мають місце ураження печінки, дисфункція ниркових канальців, явища рахіту, полінейропатія. Накопичення фумарилацетоацетату, який є алкілуючим агентом, призводить до алкілування ДНК і туморогенезу. Дієта дітей з такими вадами повинна містити мінімальну кількість тирозину і фенілаланіну.

 

Рис. 20. Обмін фенілаланіну.

 

Тирозинемія І типу, також відома як гепаторенальна тирозинемія, є найбільш важкою формою тирозинемії. Це захворювання спричинене дефіцитом ферменту фумарилацетоацетат гідролази. Тирозинемія І типу успадковується за аутосомно-рецесивним типом. По всьому світу, це захворювання уражає приблизно 1 особу зі 100000. Цей тип тирозинемії найбільше поширений у Квебеку (Канада). Захворюваність в Квебеку складає приблизно 1 особа на 16000. В той час як, в Сагеней-Лак-Сен-Жан (регіон Квебека) на тирозинемію І типу хворіє 1 особа на 1846. Варто зазначити, що носієм цього захворювання в цих регіонах є 1 особа з 20 та 1 особа з 31 відповідно.

 Фумарилацетоацетат гідролаза є останнім ферментом в катаболізмі тирозину, який гідролізує фумарилацетоацетат до фумарової, янтарної та ацетооцтової кислоти. Фумарилацетоацетат накопичується в гепатоцитах та клітинах проксимального ниркового канальця, викликаючи окислювальний стрес і пошкодження ДНК, що призводять до загибелі клітин і неправильної експресії гена, яка змінює важливі метаболічні процеси, такі як синтез білка і глюконеогенез. Збільшення рівня фумарилацетоацетатів пригнічує попередні стадії катаболізму тирозину спричиняючи його накопичення в організмі. Сам тирозин є не токсичним для печінки або нирок, але викликає дерматологічні і нервові проблеми.

 Тирозинемія І типу зазвичай проявляється в дитинстві у вигляді відхилень фізичного розвитку та гепатомегалії. Первинними ознаками захворювання є прогресуюча дисфункція печінки і нирок. Захворювання печінки викликає цироз, кон’юговану гіпербілірубінемію, підвищення альфа-фетопротеїну, гіпоглікемію та порушення коагуляції. Це може  бути причиною появи жовтяниці, асциту і крововиливів. Існує також підвищений ризик виникнення гепатоцелюлярної карциноми (найбільш розповсюджена пухлина печінки). Ниркова дисфункція представлена синдромом Фанконі: нирковим тубулярним ацидозом, гіпофосфатемією та аміноацидурією. Також можливими є такі прояви хвороби як кардіоміопатія, неврологічні і дерматологічні порушення.

 Основним препаратом для лікування тирозинемії І типу є нітізінон (орфадин). Нітізінон – це препарат, який пригнічує фермент 4-гідроксифенілпіруватдиоксигеназу, другий фермент у ланцюзі деградації тирозину. Таким чином, інгібування діяльності цього ферменту, запобігає накопиченню токсичного фумарил ацетоацетат. Раніше, основним методом лікування була трансплантація печінки, яка й досі використовується, проте лише у випадках, коли  лікування нітізіноном виявилось не ефективним.

Тирозинемія ІІ типу (також відома як "очношкірна тирозинемія", або " синдром Річнера-Хангарта") є аутосомно-рецесивним захворюванням, яке починає розвиватись у віці від 2 до 4 років, коли в ділянці акупунктурних точок (долонь і ступні) з’являються болючі мозолі.

Тирозинемія ІІ типу обумовлена дефіцитом ферменту тирозинамінотрансферази, який кодується геном ТАТ. Тирозинамінотрансфераза є першою в серії з п'яти ферментів, які перетворюють тирозин на більш дрібні молекули, що виводяться з організму через нирки або використовуються в реакціях утворення енергії. Ця форма розладу може супроводжуватися ураженнями очей, шкіри і порушеннями психічного розвитку. Симптоми часто з’являються  у ранньому дитинстві і включають надмірну сльозоточивіть, ненормальну чутливість до світла (світлобоязнь), біль і почервоніння очей, та болючі пошкодження шкіри на долонях і ступнях. Близько половини людей з ІІ типом тирозинемії є розумово відсталими. Це захворювання зустрічається рідше, ніж у 1 особи на 250000

Тирозинемія ІІІ типу – це рідкісне захворювання, обумовлене дефіцитом ферменту 4-гідрокси феніл піруватдиоксигенази, який кодується геном HPD. Цей фермент у великій кількості знаходиться в печінці, а у менших кількостях зустрічається у нирках. Це один із серії ферментів, необхідних для розщеплення тирозину. 4-гідроксифенілпіруватдиоксигеназа перетворює побічні продукти тирозину, а саме 4-гідроксифенілпіруватна гомогентизинову кислоту. Особливими рисами тирозинемії III типу є незначна розумова відсталість, судоми і періодичні втрати рівноваги та координації (атаксія). Це захворювання є дуже рідкісним, зафіксовано лише кілька випадків цієї хвороби.

 

Алкаптонурія – рідкісне спадкове метаболічне захворювання, що розвивається внаслідок генетичного дефекту гомогентизатоксидази.

Вміст гомогентизинової кислоти збільшується в крові і вона виділяється з сечею.

На повітрі гомогентизинова кислота аутоокислюється до відповідного хінону, який полімеризується з утворенням пігменту чорного кольору (рис. 21).

Темна сеча – це єдиний симптом на ранніх етапах розвитку хвороби.

 

Описание: http://trialx.com/curetalk/wp-content/blogs.dir/7/files/2011/05/diseases/Alkaptonuria-3.jpg

 

Рис. 21. Колір сечі при алкаптонурії: А – норма; В – алкаптонурія.

 

При тривалій хворобі гомогентизинова кислота в крові і тканинах повільно окислюється до темного пігменту, який відкладається в хрящах, кістках та інших сполучнотканинних структурах (охроноз) (рис. 22).

 

Описание: http://www2.bjui.org/BJUI_IMAGES/cute_editor/case_reports/case%202%20image%204.jpgОписание: ojos271202Описание: ojos271202

 

Рис. 22. Охроноз.

 

У пацієнтів, особливо чоловіків, на пізніх стадіях хвороби майже завжди розвивається артрит (рис. 23), вражаються хребет та великі судини.

Описание: http://img.ehowcdn.com/article-new/ehow/images/a06/9r/vm/ochronosis-arthritis-800x800.jpg

Рис. 23. Артрит – часте ускладненням охронозу при алкаптонурії.

 

Більшість тирозину, який не інкорпорується в білки, метаболізується до ацетоацетату і фумарату, як описано вище. Проте, певна його кількість використовується для синтезу катехоламінів (дофаміну, норадреналіну, адреналіну), гормонів щитовидної залози (тироксину і трийодтироніну) і пігменту меланіну (рис. 24).

Синтез катехоламінів починається з окислення тирозину ферментом тирозингідроксилазою, яка, як і фенілаланінгідроксилаза, потребує кофактора тетрагідробіоптерину. Утворюється дигідроксіфенілаланін (ДОФА), який декарбоксилюється піридоксальзалежною ДОФА-декарбоксилазою до дофаміну. Дофамін є активним нейротрансміттером. В деяких частинах мозку метаболічний шлях перетворення тирозину на цьому закінчується. В мозковій речовині надниркових залоз дофамін перетворюється до гормонів норадреналіну і адреналіну.

Перетворення тирозину до меланіну вимагає фермента тирозинази  (мідьвмісна оксидаза), яка у пігментних клітинах (меланоцитах) окислює тирозин у двохступеневій реакції до ДОФА і ДОФА-хінону. Всі наступні реакції очевидно відбуваються шляхом неферментативного автоокислення у присутності атомів цинку з утворенням пігментів меланінів коричнево-чорного (еумеланін) або жовто-коричневого (феомеланін) кольору.

 

 

Рис. 24. Схема утворення катехоламінів, тироксину і меланіну з тирозину.

 

Альбінізм. Генетично детермінована відсутність або недостатність фермента тирозинази призводить до зниження продукції або відсутності меланіну в шкірі, волоссі, очах (рис. 25).

Зниження вмісту пігменту в шкірі зумовлює високу чутливість альбіносів до сонячного світла, підвищується ризик розвитку раку шкіри і сонячних опіків. Відсутність пігменту в райдужці ока призводить до фотофобії, знижується гострота зору, може розвинутися косоокість і ністагм.

 

Альбінізм - це відсутність пігменту в шкірі, волоссі, тканинах ока. Розрізняють повний альбінізм, при якому пігмент відсутній у всьому організмі, і частковий альбінізм, при якому пігмент відсутній тільки в окремих органах, наприклад в очах. При загальному альбінізмі вся шкіра, в тому числі і шкіра повік, має блідо-рожеве або молочно-біле забарвлення. Брови і вії білі. Зміни при альбінізмі не обмежуються шкірою, а проявляються більшою чи меншою недостатністю пігменту всередині ока: у радужці, в сітківці.

 

 

Описание: http://24.media.tumblr.com/tumblr_lixotwvdNs1qitj5zo1_400.jpg

Альбінізм - спадкове захворювання. В даний час відомо близько 5000 різних захворювань, виникнення яких в тій чи іншій мірі пов'язано зі спадковими (генетичними) факторами. В основі альбінізму лежить порушення утворення в клітинах шкіри, волосяних цибулинах і в оці чорного пігменту - меланіну. Зазвичай цей пігмент утворюється з речовини, яка називається тирозин, під впливом ферменту тирозинази. Це складний біохімічний процес, в якому бере участь багато різних речовин і ферментів. При альбінізмі є дефект в генах, що регулюють цей процес. Опубліковано близько 700 родоводів сімей, члени яких страждали на альбінізм. Спадкові захворювання мають тенденцію поширюватися в невеликих етнічних групах у зв'язку з великою частотою споріднених шлюбів. Виявлено осередки альбінізму в Північній Ірландії. У Південній Панамі серед племені Кариби куна були виявлені сотні альбіносів. Тропічне сонце дуже сильно обпікало альбінотичну шкіру і сліпило очі, тому альбіноси в цьому районі вели нічний спосіб життя. Їх прозвали "дітьми Місяця".

Очний альбінізм передається частіше за рецесивним типом, іноді за рецесивним типом, пов'язаному зі статтю. В останньому випадку жінка не має явних ознак захворювання, але є носієм патологічного гена і передає захворювання синові. Носії дефектного гена хоча і не хворіють, але в 85% випадків мають ознаки легкого порушення пігментації шкіри, волосся і очей: крапчастість райдужки, бліде очне дно, знебарвлені ділянки шкіри і волосся, веснянки. За перерахованими ознаками можна виявляти прихованих носіїв дефектних генів.

 Описание: http://drugline.org/img/ail/131_132_3.jpg

Рис. 25. Симптоми альбінізму.

 

Через альбінізм розвивається фотофобія - світлобоязнь, людина не може переносити яскраве світло і змушена носити темні окуляри або темні контактні лінзи з отвором в центрі. Дане відхилення пов'язано з відсутністю в організмі пігменту, який носить назву меланін. Меланін надає забарвлення нашій шкірі, волоссю, очам. Він міститься в судинній оболонці ока, завдяки чому світло потрапляє в око тільки через зіницю. Роль меланіну в оці дуже важлива. Недостатність пігменту в сітківці призводить до виникнення особливого зорового розладу - нікталопії. Людина, що страждає на цей розладом, погано бачить при денному освітленні і краще - при сутінковому освітленні.

Існують методи, що дозволяють знайти в гені мутацію, відповідальну за хворобу, або ідентифікувати ДНК-маркер, який генетично пов'язаний з хворим геном. За допомогою генетичних діагностичних тестів, заснованих на аналізі ДНК, можна виявляти генетичні дефекти в організмі на ранніх стадіях його розвитку і навіть ще до народження дитини. Неважкі непрогресуючі спадкові аномалії не є підставою для обмеження дітонародження, але це питання завжди краще вирішувати з фахівцем.

Молекулярна генетика дозволяє знайти дефектний ген і уточнити, який дефект в білковій молекулі є причиною відсутності пігменту в очах. Теоретично цілеспрямоване і виборче лікування можливо. Можлива реконструкція генів. Це дуже складні технології, при використанні яких проводиться розсічення молекули ДНК за допомогою ферментів, а потім зшивання з різних шматочків оновленою, удосконаленою ДНК. Зшивання проводиться за допомогою іншого ферменту. Ця нова ДНК може бути введена в клітину хворого, і там вона буде функціонувати.

Можливо, в майбутньому це можна буде зробити хворому - замінити дефектну ділянку гена на нормальну, але в даний час такі операції поки не робляться на людях. Це пов'язано з тим, що гени, як правило, тісно взаємодіють один з одним. При зміні в одному з них може змінитися і ще якась функція в організмі.

Дитина повинна уникати сонця, тому що в альбіносів високий ризик виникнення сонячних опіків і раку шкіри. Сильне світло шкодить її очам, тому в неї поганий зір. Вона змушена носити темні окуляри або контактні лінзи для захисту від світла.

 

Обмін триптофану

 

Триптофан є незамінною амінокислотою і попередником у синтезі таких фізіологічно активних сполук, як серотонін і нікотинамід (вітамін РР). З триптофану утворюється приблизно 50 % необхідного для організму нікотинаміду, решту надходить з їжею.

Катаболізм триптофану відбувається двома біохімічними шляхами. Основний, або окисний шлях, яким метаболізується близько 95 % амінокислоти, починається з його окислення ферментом триптофандиоксигеназою (піролазою) до формілкінуреніну. Від останнього відщеплюється мурашина кислота і утворюється кінуренін, який гідроксилюється до 3-гідроксикінуреніну.

Під впливом ПАЛФ-залежного ферменту кінуренінази 3-гідроксикінуренін розщеплюється на аланін і 3-гідроксиантранілову кислоту. 3-гідроксиантранілат потім перетворюється у серії реакцій до нікотинаміду у складі коферменту НАД.

Інша гілка перетворення 3-гідроксиантранілату призводить до утворення глутарил-КоА і в кінці до ацетил-КоА (рис. 26).

Рис. 26. Схема катаболізму триптофану.

 

Серотоніновий шлях метаболізму триптофану починається з його гідроксилювання до 5-гідрокситриптофану ферментом триптофангідроксилазою. Коферментом у цій реакції є тетрагідробіоптерин.

Декарбоксилювання 5-гідрокситриптофану ПАЛФ-залежною декарбоксилазою призводить до утворення серотоніну (5-гідокситриптаміну). Серотонін виконує функції нейротрансміттера в мозку, його дефіцит є одним з факторів формування депресивних станів і тяжких форм мігрені.

Серотонін також викликає скорочення гладеньких м’язів артеріол і бронхіол, підвищує функціональну активність тромбоцитів і їх схильність до агрегації, бере участь у процесах алергії і запалення, підсилює перистальтику кишечника і його секреторну активність.

 

 

Похідним серотоніну є мелатонін (N-ацетил-5-метокситриптамін):

 

 

Фермент ацетилтрансфераза, який необхідний для синтезу мелатоніну, присутній в епіфізі і сітківці ока.

Продукція мелатоніну стимулюється у темноті, він  є універсальним регулятором біологічних ритмів, впливає на процеси адаптації при зміні часових поясів, сповільнює процеси старіння, регулює кров’яний тиск і стимулює функціонування імунної системи.

Деградація серотоніну відбувається під впливом моноамінооксидази і альдегіддегідрогенази з утворенням кінцевого продукту 5-гідроксиіндолоцтової кислоти, яка виділяється з сечею. Екскреція 5-гідроксиіндолоцтової кислоти різко підвищується у хворих із карциноїдною пухлиною (найчастіше знаходиться в кишечнику і легенях), оскільки у таких пацієнтів більша половина триптофану, що поступає в організм, перетворюється в серотоніновому шляху.

Хвороба Хартнупа – спадкові розлади всмоктування в кишечнику і реабсорбції в ниркових канальцях триптофану та інших нейтральних амінокислот. Виникає дефіцит триптофану в організмі, що призводить до недостатнього синтезу нікотинової кислоти і серотоніну.

Хвороба проявляється пеллагроподібними змінами шкіри, мозочковою атаксією, порушенням розумового розвитку, аміноацидурією, індиканурією.

Захворювання обумовлено порушенням обміну триптофану, описано D. Baron та ін в 1956 р., частота в популяції становить 1: 15 000. При патолого-анатомічних дослідженнях виявляються кахексія, гепатоспленомегалія, гострий ентероколіт. Гістологічно визначаються ранній цироз печінки з утворенням гігантських клітин, ендокардит, гіаліноз нирок. При дослідженні мозку встановлено зменшення клітин Пуркіньє в мозочку, а також периваскулярная гліальна інфільтрація.

Захворювання проявляється, як правило, в шкільному віці, проте в літературі описані випадки прояву патології в перші місяці життя. Характерна еритематозна, іноді пеллагроподібна висипка, що розташовується на відкритихділянках тіла (обличчя, руки).

Порушення з боку шлунково-кишкового тракту проявляються діареєю, на тлі якої виявляється неврологічна симптоматика ністагм, м'язова дистонія, підвищення сухожильних рефлексів, характерні короткочасні непритомні стани У віці 2-3 років патологія проявляється в період підвищеної інсоляції пароксизмом порушення рухів. Виражені емоційна лабільність, шкірні прояви у вигляді еритематозної висипки, нерідкі скарги на різку головний біль Порушення з боку шлунково-кишкового тракту виражаються в клініці спастичного коліту, больовому синдромі, діареї. Психічний розвиток дітей дещо затримується.

Діагноз грунтується на даних біохімічного дослідження, основними в яких є: генералізована аміноацидурією без гіпераміноацідеміі, підвищене виділення з сечею індольного сполук. В 10 і більше разів підвищена добова екскреція аміноазота, відзначається низька екскреція з сечею кінуреніна. Діагноз підтверджується навантажувальної пробою з триптофаном, зміст якого після навантаження в сироватці крові наростає повільно і так само повільно він екскретується.

При діагностиці це захворювання слід відрізняти від інших порушень обміну амінокислот, що супроводжуються синдромом гіпераміноацідуріі, пелагри, порфірії, новоутворень шлунково-кишкового тракту.

Лікування включає дієту з обов'язковим введенням в раціон фруктово-цукрових днів, призначення нікотинової кислоти та її аміду, а також натрію бікарбонату, який посилює виділення з організму індольного сполук. Доцільно обмежити перебування хворих на сонці. Додатково до дієтотерапії рекомендуються великі дози піридоксину та інші вітаміни групи В, сода, неоміцин. З віком поліпшується здатність організму дитини засвоювати триптофан, що робить прогноз при хворобі Хартнупа відносно сприятливим.

 

 

Обмін гістидину

 

Гістидин належить до незамінних глюкогенних амінокислот. Фермент гістидаза відщеплює вільний аміак від гістидину, в результаті чого утворюється урокаїнова кислота. Дві наступні реакції ведуть до утворення іміноглутамінової кислоти. Потім формімінова група від іміноглутамату переноситься на тетрагідрофолієву кислоту і утворюється глутамінова кислота (рис. 27).

Якщо має місце дефіцит фолієвої кислоти, іміноглутамат нагромаджується в крові і виводиться з сечею.

Гістидинемія - спадкове захворювання. Перші хворі на гістидинемію описані в 1961 р. Відомі кілька форм захворювання. При цьому відзначається дефіцит у печінці і шкірі ферменту гістидази, який у нормі перетворює гістидин на уроканінову кислоту. Внаслідок цього гістидин трансамінується в імідазол-піровиноградну кислоту, що разом зі збільшеною кількістю гістидину виявляється в сечі. Продукти аномального метаболізму гістидину завдають токсичного впливу на організм, у першу чергу, на нервову систему. Діагноз захворювання ставлять звичайно не раніше, ніж до кінця 1-го року життя чи навіть пізніше. Найтиповіше у клінічній картині - дефект мови. З описаних хворих 2/3 були розумово відсталими. Коефіцієнт інтелектуальності хворих коливається від 50 % до норми. При нормальному інтелекті відсутні будь-які ознаки захворювання, крім підвищення концентрації гістидину в крові. У типових випадках дитина народжується нібито здоровою, але в ранньому віці частіше за інших переносить інфекційні захворювання, буває низькорослою, у неї з'являються судоми і відхилення в ЕЕГ. У деяких випадках відзначають помірну чи глибоку розумову відсталість, інші хворі емоційно лабільні і важко навчаються. Успадкування аутосомно-рецесивне. Його частота дорівнює 1:20000.

Для діагностики хвороби застосовують пробу з хлоридом заліза, яка дає зелене забарвлення завдяки імідазолпіровиноградній кислоті. Важливою діагностичною ознакою цього захворювання є відсутність чи низька концентрація уроканінової кислоти в поті і сечі хворих після навантаження гістидином. Підтверджує діагноз безпосереднє визначення активності гістидази в роговому шарі шкіри або тканині печінки.

Лікування захворювання полягає в дієтотерапії, причому для кожної дитини потрібне індивідуальне лікувальне харчування, призначене залежно від віку дитини, концентрації гістидину в крові і клінічних проявів хвороби. Хворим можна вживати вершкове масло, олію, картоплю, моркву, буряк, цибулю, помідори та ін. Нормальний рівень гістидину в крові - основний критерій адекватності лікувального харчування.

Рис. 27. Катаболізм гістидину.

 

При декарбоксилюванні гістидину ферментом гістидиндекарбоксилазою утворюється фізіологічно активна сполука гістамін:

 

Гістамін відіграє важливу роль у розвитку алергічних реакцій і запалення, розширює судини, знижує кров’яний тиск, викликає спазм гладеньких м’язів бронхів, посилює секрецію соляної кислоти і пепсину в шлунку, пригнічує звільнення нейромедіаторів (ГАМК, ацетилхоліну, серотоніну, норадреналіну) в ЦНС.

Гістамін утворюється в організмі при декарбоксилюванні амінокислоти гістидину. Гістамін є одним з ендогенних факторів (медіаторів), що беруть участь у регуляції життєво важливих функцій організму і відіграють важливу роль в патогенезі ряду хвороб. У звичайних умовах гістамін знаходиться в організмі переважно в зв'язаному, неактивному стані. При різних патологічних процесах (анафілактичний шок, опіки, відмороження, сінна лихоманка, кропив'янка та інші алергічні захворювання), а також при надходженні в організм деяких хімічних речовин кількість вільного гістаміну збільшується. Вільний гістамін має високу активність: він викликає спазм гладких м'язів (включаючи м'язи бронхів), розширення капілярів і зниження АТ; застій крові в капілярах і збільшення проникності їх стінок викликає набряк навколишніх тканин і згущення крові. У зв'язку з рефлекторним збудженням мозкової речовини надниркових залоз виділяється адреналін, звужуються артеріоли і частішають серцеві скорочення. Гістамін викликає посилення секреції шлункового соку. Деякі кількості гістаміну містяться в ЦНС, де, як припускають, він відіграє роль нейромедіатора (або нейромодулятора). Не виключено, що седативну дію деяких ліпофільних антагоністів гістаміну (проникаючих через гематоенцефалічний бар'єр протівогистамінних препаратів, наприклад димедролу) пов'язана з їх блокуючим впливом на центральні гістамінові рецептори. В організмі існують специфічні рецептори, для яких гістамін є природним лігандом. В даний час розрізняють три підгрупи гістамінових (Н) рецепторів: Н 1 -, Н 2 - і Н 3-рецептори. Збудження периферичних Н,-рецепторів супроводжується спастичним скороченням бронхів, мускулатури кишечника та іншими явищами. Найбільш характерним для порушення Н 2-рецепторів є посилення секреції шлункових залоз. Вони беруть участь також в регуляції тонусу гладких м'язів матки, кишечника, судин. Разом з Н 1-рецепторами Н 2-рецептори відіграють роль у розвитку алергічних і імунних реакцій. Н 2-рецептори беруть участь також у медіації збудження в ЦНС. Останнім часом стали надавати велике значення стимуляції Нз-рецепторів у механізмі центральної дії гістаміну. Як лікарський засіб гістамін має обмежене застосування. Для медичного застосування препарат отримують шляхом бактеріального розщеплення гістидину або синтетичним шляхом.

Відкрито важливі природні дипептиди, що містять гістидин - карнозин  і ансерин.  Карнозин (b-аланілгістидин) знаходиться у великих кількостях у м’язах і тканинах мозку, має властивості антиоксиданта, знешкоджує активні форми кисню, а також ненасичені альдегіди. Ансерин (b-аланілметилгістидин) забезпечує спряженість процесів окислення і фосфорилювання у м’язовій тканині.

 

Обмін проліну

 

Пролін і гідроксипролін (утворюється в результаті посттрансляційної модифікації) є основними амінокислотами колагену. Пролін утворюється з глутамату і перетворюється на глутамат, тому належить до замінних глюкогенних амінокислот.

На першому етапі глутамінова кислота відновлюється до глутаматсеміальдегіду у реакції, що вимагає НАДФН+Н+ і АТФ. Глутаматсеміальдегід спонтанно циклізується до D-пірролін-5-карбоксилату, який надалі відновлюється НАДФН+Н+ до проліну. Пролін конвертується проліноксидазою назад до D-пірролін-5-карбоксилату, який знаходиться у рівновазі з глутаматсеміальдегідом. Останній або окислюється до глутамату, або трансамінується до орнітину (рис. 28). Орнітин може декарбоксилюватися орнітиндекарбоксилазою до путресцину, який служить джерелом для синтезу фізіологічно активних поліамінів спермідину і сперміну.

 

Рис. 28. Схема метаболізму проліну.