Нарушения обмена полисахаридов. Среди нарушений углеводного об-
мена значительное место принадлежит врожденным наследственным заболеваниям – гликогенозам. Данная группа болезней вызвана необычным накоплением гликогена в печени, сердечной мышце и скелетной мускулатуре, нефроцитах и клетках селезенки. Характерный признак – гипогликемия при высоком содержании гликогена в тканях, который не поддается мобилизации адреналином и глюкагоном.
Гликоген, накапливаясь в тканях, вызывает их перерождение, дегенерацию и гибель. Наблюдаются мышечная слабость, задержка роста, ожирение, поражение печени и почек. Причиной развития патологических изменений являются ферментативные нарушения, причем различные типы гликогенозов являются следствием снижения активности определенных ферментов.
Гликогеноз I типа (болезнь Гирке). В основе заболевания – дефект глюкозо-6-фосфатазы в гепатоцитах. Ограничение дефосфорилирования глюкозы приводит к уменьшению ее выхода в кровь (переносчика глюкозо- 6-фосфата через мембрану в клетках нет). Глюкозо-6-фосфат вовлекается в метаболизм по гликолитическому и пентозофосфатному пути, в связи с чем увеличивается продукция лактата, снижается пул АТФ, ускоряется распад нуклеотидов до мочевой кислоты. Гипогликемия, обусловленная недостаточным поступлением глюкозы в кровь, сопровождается снижением уровня инсулина, что ускоряет липолиз и освобождение жирных кислот.
Наличие гиперлактатемии, гиперурикемии и гипогликемии позволяет заподозрить болезнь Гирке. Уточнение диагноза можно провести, используя глюкагоновый тест, то есть отсутствие гипергликемической реакции на введение глюкагона.
Течение заболевания характеризуется гипотрофией с гепатомегалией, гипогликемией, гиперлактатемией, гиперурикемией и кровоточивостью. Характерно выражение лица – «вид китайской куклы».
Гликогеноз II типа (болезнь Помпе, генерализованный гликогеноз). Причина заболевания – дефект α-1,4-глюкозидазы (лизосомальной кислой мальтазы). В отсутствие фермента гликоген накапливается в лизосомах, а позднее – и в цитозоле. Болезнь проявляется уже в раннем возрасте, наблюдаются слабость, медленная прибавка в весе, цианотичность. Один из наиболее тяжелых гликогенозов характеризуется поражением печени, мышц, почек, нервной системы. Диагноз устанавливается только по исследованию биоптатов печени или мышцы и регистрации отсутствия кислой мальтазы. Возможно пренатальное установление дефекта по результатам исследования амниотических клеток.
Как в случае гликогеноза первого типа, так и в случае гликогеноза второго типа строение гликогена обычное.
Гликогеноз III типа (болезнь Кори и Форбса). В основе заболевания лежит дефект амило-1,6-глюкозидазы, нарушающей отщепление ветвлений в молекуле гликогена. Наблюдается сильное ветвление гликогена в
91
клетках, запасающих гликоген. Лабораторные показатели близки к болезни Гирке, только в отличие от гликогеноза первого типа введение галактозы или фруктозы повышает гликемию, так как глюкозо-6-фосфатаза функционирует. Проба с глюкагоном не вызывает гипергликемию, но и не увеличивает содержание лактата в плазме крови. В биоптатах печени снижена активность амило-1,6-глюкозидазы.
Гликогеноз IV типа (болезнь Андерсона, амилопектиноз). Болезнь развивается из-за дефекта ветвящего фермента – амило-1,4;1,6- трансглюкозидазы. Фермент лимитирует рост наружных ветвей, в его отсутствие гликоген отличается очень длинными цепями с редкими короткими ветвлениями. Заболевание сопровождается развитием цирроза печени, желтухой и печеночной недостаточностью. Позднее появляется мышечная слабость. Наличие печеночной недостаточности в качестве единственного признака требует исключения галактоземии и наследственной непереносимости фруктозы, тирозинемии и болезни Вильсона. Диагноз уточняют, исследуя активность ветвящего фермента в лейкоцитах.
Гликогеноз V типа (болезнь Мак-Ардля). Гликогеноз мышц развивается за счет недостаточности мышечной гликогенфосфорилазы. Болезнь проявляется около 30 лет и характеризуется болями в мышцах, мышечной слабостью после умеренной физической нагрузки. Дефект диагностируется на основании результатов изучения активности ферментов в сыворотке крови после дозированной физической нагрузки. При наличии заболевания увеличивается активность в крови креатинфосфокиназы, альдолазы и лактатдегидрогеназы, уровень лактата не превышает нормы. Уровень лактата возрастает в плазме крови при потреблении мышечными клетками глюкозы, а в данном случае используется энергия расщепления жирных кислот.
Гликогеноз VI типа (болезнь Херса, печеночный гликогеноз). В основе заболевания – нарушение активации печеночной гликогенфосфорилазы. Самый легкий по течению вариант гликогеноза. Участок нарушения активации у разных больных может быть различным: дефект активации протеинкиназы А, киназы фосфорилазы или самой гликогенфосфорилазы. У большей части больных фиксируется отсутствие киназы фосфорилазы. Диагноз подтверждается по тесту с глюкагоном, который не сопровождается гипергликемией, и оценкой активности фосфорилазного комплекса в лейкоцитах. Гипогликемия выявляется не всегда, строение гликогена обычное.
Гликогеноз VII типа (болезнь Тэрье). Напоминает болезнь Мак-Ардля, так как мышечная нагрузка вызывает боли в мышцах, сопровождается лактат- и пируватемией, возможна миоглобинурия. В мышцах обнаруживается дефицит фосфофруктокиназы, что приводит к общему нарушению обмена углеводов. Диагноз устанавливают по снижению фосфофруктокиназной активности в эритроцитах.
92
Гликогеноз VIII типа (болезнь Хойджина). Причина – низкая активность гликогенфосфорилазы в гепатоцитах, может рассматриваться как уточненный вариант болезни Херса.
Нарушения обмена мукополисахаридов (глюкозоаминогликанов) – мукополисахаридозы – патология, характеризующаяся отложением в разных тканях глюкозоаминогликанов. Причиной заболевания служат дефекты специфических лизосомных гидролаз. В условиях физиологической нормы в деградации глюкозоаминогликанов, участвуют различные лизосомные гликозидгидролазы. При дефекте какой-либо из этих гидролаз нарушается процесс утилизации глюкозоаминогликанов и продукты их неполного расщепления накапливаются почти во всех тканях (болезни накопления). Мукополисахаридозы отличаются прогрессирующим течением с различной степенью тяжести. Общие признаки разных форм: деформация черт лица и суставов, изменения скелета, поражения печени, селезенки, сердца, кровеносных сосудов. Наблюдается задержка умственного и психомоторного развития. Лабораторно регистрируется экскреция с мочой различных продуктов обмена глюкозоаминогликанов: гепарин- и дерматансульфатов, кератансульфатов, снижение активности разных для различных форм лизосомальных ферментов (α-L-идуронидазы, идуронатсульфатазы, N-сульфамидазы, N-ацетилглюкозаминидазы идругих).
2.2. Нарушение обмена белков [3, 10,11,15]
Белки – основные биополимеры, которые используются для строительства клеток и организмов. Кроме строительной, белки выполняют огромное количество важнейших функций: каталитическую, регуляторную, двигательную, транспортную, рецепторную, защитную и другие. Нарушения белкового обмена ведут к значительным патологическим изменениям метаболизма и развитию часто весьма тяжелых заболеваний.
Нарушение переваривания и всасывания белков. В желудочно-
кишечном тракте человека белки расщепляются под действием разнообразных протеолитических ферментов желудочного, панкреатического и кишечного пищеварительных соков. Основные заболевания, связанные с нарушением переваривания и всасывания белков, обусловлены либо воспалительными процессами (гастриты, колиты, панкреатиты), либо врожденной недостаточностью некоторых ферментов, расщепляющих белки (целиакия). При целиакии наблюдается появление в крови пептидов и усиление выведения их с мочой. Пептидурия характерна также для абсцессов, гангрен, когда усиливается распад белков тканей организма.
Раньше других в кишечнике в свободном виде появляются ароматические аминокислоты и триптофан. В норме имеется определенный разрыв между временем появления аминокислот в кишечнике и их всасыванием в
93
кровь. Этот разрыв не превышает двух часов, что не отражается на скорости процессов синтеза белков в тканях. При патологических процессах нередко происходит разрыв во времени между всасыванием незаменимых аминокислот и их появлением в кишечнике, достигающий 5-6 часов, что сопровождается нарушением синтеза белков в тканях. Чаще всего наблюдается после резекции желудка.
Некоторые белки (трудноусвояемые) могут всасываться в неизменном виде и попадать в лимфу (сырой яичный альбумин), что влечет за собой развитие аллергической реакции. Такие явления характерны для детей. В этом случае выведение чужеродного белка с мочой служит защитной реакцией организма. Кроме яичного альбумина аллергические реакции часто вызывают около 15 белков сырого молока, при кипячении они денатурируют и их переваривание облегчается. Пищевые аллергии доминируют в первые 12 месяцев жизнивсвязи снесовершенством процессов перевариванияиих регуляции.
Нарушение обмена аминокислот. У людей имеют место возрастные изменения потребности организма в отдельных аминокислотах. Для нормального роста и развития детей пища должна содержать кроме 8 незаменимых аминокислот (фен, тре, мет, лиз, лей, изо, три, вал) еще цистеин и тирозин, так как они синтезируются на основе незаменимых метионина и фенилаланина, а поступление последних с пищей не покрывает этих затрат. Дети нуждаются также в относительно больших количествах лизина, треонина, валина и лейцина, чем взрослые. Условно заменимые для взрослого человека аминокислоты аргинин и гистидин для детей переходят в разряд незаменимых, так как скорость их синтеза не покрывает потребности в них растущего организма.
Потребности человека в отдельных незаменимых аминокислотах зависят также от физиологического состояния организма. В период беременности, лактации, заживления ран, восстановления кровопотерь, воспалительных процессах организму человека требуется большее количество полноценных в пищевом отношении белков (животного происхождения). Недостаток некоторых аминокислот в пище сказывается на самочувствии: недостаток лизина ведет к повышению чувствительности к шуму, тошноте, головокружениям; недостаток аргинина – нарушению сперматогенеза; валина и триптофана – потере аппетита, тошноте. Метионин обладает липотропным действием и препятствует отложению жиров в печени и почках.
Полное исключение белков из пищи сопровождается усиленным распадом собственных белков организма, потерей веса, дистрофией, перерождением печени. Недостаток тирозина может покрываться за счет фенилаланина, а цистеина – за счет метионина. При некоторых патологиях обмена аминокислот это становится невозможным. Например, при фенилпировиноградной олигофрении не происходит превращение фенилаланина в тирозин, и тирозин становится незаменимой аминокислотой.
94
Аминокислоты крови. На высоте пищеварительных процессов уровень аминного азота в крови достигает 2-4 мг%. Однако, аминокислоты быстро удаляются из крови, захватываясь клетками тканей. Аминокислоты крови можно подразделить на две группы: (1) идущие на построение белков; (2) не входящие в состав белков (α-аминомасляная, γ-аминомасляная, β-аланин, гомосерин и др.). Среди свободных аминокислот крови наибольшее количество приходится на глутамин, в значительных количествах обнаруживаются также аланин, цистин, цистеин, валин, треонин, лизин, лейцин, изолейцин, глутаминовая кислота, пролин. Обычно спектры разных людей в значительной степени совпадают, но зависят от возраста.
Увеличение содержания свободных аминокислот отмечается в активной фазе ревматизма, при системной красной волчанке, тяжелой форме тиреотоксикоза (Базедова болезнь), диатезах, опухолях. Снижение характерно для активной формы туберкулеза, а также для периода выздоровления от травм (за счет усиления репаративных процессов).
Выведение аминокислот с мочой. В моче здорового человека обнаруживаются незначительные количества всех содержащихся в плазме крови аминокислот. Экскреция имеет возрастные особенности: у детей – следовые количества, в старости – больше. При изучении процессов реабсорбции аминокислот в почечных канальцах было показано, что аргинин, глутаминовая кислота и лизин труднее поддаются обратному всасыванию, чем аланин, валин, глицин, изолейцин, триптофан, фенилаланин и метионин.
Важным показателем состояния аминокислотного обмена служит азот аминокислот мочи, с возрастом содержание его нарастает, в период половой зрелости – max – 200 мг/сутки, затем снижается до 30-150 мг/сутки, что и является нормой. С мочой больше всего выводится глицина и гистидина, мало глутаминовой и аспарагиновой кислот, пролина, метионина и аргинина. Увеличение выделения аминного азота с мочой указывает на патологию и требует установления причин.
Аминоацидурия является следствием (1) повышения содержания аминокислот в плазме; (2) снижения почечного порога реабсорбции аминокислот почками; или (1) и (2) вместе. Повышенная экскреция аминокислот наблюдается при ряде патологических состояний. Заболевания печени (гепатиты, циррозы, острая желтая дистрофия, болезнь Боткина) отличает повышение содержания аминокислот в крови и моче. Больше всего выделяется с мочой γ-аминомасляной кислоты, одновременно увеличивается выделение этаноламина. Это является важным диагностическим тестом заболеваний печени, так как нарушается процесс дезаминирования γ-аминомаслянной кислоты и синтеза фосфолипидов. Аминоацидурия наблюдается также при болезнях, характеризующихся распадом тканей: раковых опухолях, ожогах, тяжелых травмах и инфекциях, гемолитических анемиях, мышечных дистрофиях, гипертиреозах. Аминоацидурия, харак-
95
терная для заболеваний почек, сопровождается также глюкозурией, протеинурией, она получила название – аминовый диабет.
Нарушение обмена конкретных аминокислот. Имеются наследствен-
ные заболевания, обусловленные недостатками определенных ферментов и нарушением обменных процессов ряда аминокислот.
А). Нарушение обмена цистина и цистеина Встречается в двух формах. Цистинурия характеризуется отсутствием
нарушений в промежуточном обмене цистина и цистеина. В крови концентрация цистина в норме, однако с мочой выделяется до 2 г в сутки. Причина – нарушение реабсорбции цистина из первичной мочи. Цистин плохо растворим в воде, при выведении выпадает в осадок, формируя камни в почках, мочеточниках и мочевом пузыре. В организме развивается цистиноз – отложение кристаллов цистина в тканях, особенно в ретикулоэндотелиальной системе, селезенке, соединительной ткани, коже, лимфоузлах, костном мозге, роговице, конъюнктиве. В печени накапливаются и цистин, и цистеин. Тяжелое заболевание, сопровождаемое нарушением обменных процессов в многих органах и тканях.
Цистеинурия – врожденная аномалия обмена цистин-цистеин. Обычно наблюдается повышенное выведение цистеина с мочой без особых клинических проявлений.
Б). Нарушения обмена фенилаланина и тирозина
Превращение фенилаланина в тирозин осуществляется в клетках печени и мышц с помощью фермента фенилаланин-4-гидроксилазы. Механизм реакции сложен, требует присутствия Fe2+, восстановленных производных птеридина. Образование фенилаланина из тирозина у человека не происходит. Метаболизм фенилаланина и тирозина представлен на рис. 2.1. Встречаются следующие заболевания, связанные с нарушением обме-
на фенилаланина и тирозина – тирозиноз, алкаптонурия, фенилкетонурия, фенилпировиноградная олигофрения, альбинизм и другие.
Тирозиноз. Заболевание связано с недостаточностью фермента тирозинаминотрансферазы, осуществляющей трансаминирование тирозина в глутаминовую кислоту. В крови накапливаются и интенсивно выводятся с мочой тирозин и продукт его расщепления – параоксифенилпировиноградная кислота. Клинически наблюдается поражение печени (опухоль).
Алкаптонурия – редкая врожденная патология, вызванная недостатком фермента гомогензитиноксигеназы, катализирующей следующую реакцию:
Гомогентизинат + О2 ↔ 4-малеилацетоацетат
Наблюдается выделение гомогентизиновой кислоты с мочой, которая, окисляясь кислородом воздуха, превращается в алкаптохром, имеющий
96
темно-коричневую окраску. Обнаруживается в раннем детстве по пеленкам, окрашенным в темно-коричневый цвет.
Гомогентизиновая кислота в тканях может переходить в алкаптохром, что приводит к окрашиванию кожи, хрящей, сухожилий в коричневый цвет. Клинических проявлений в детском возрасте нет, потом развивается охроноз за счет накопления в тканях продукта полимеризации гомогентизиновой кислоты – алкаптона.
Фенилкетонурия. В основе заболевания – дефект фенилаланиноксидазы, что ведет к нарушению главного пути превращения фенилаланина в тирозин и ускорению второстепенного пути образования фенилпировиноградной, фенилмолочной и фенилуксусной кислот (рис.2.1). Избыток фенилпировиноградной кислоты тормозит транспорт тирозина через биомембраны и возникает его дефицит в клетках. Особенно опасным это становится для нервной ткани, так как на основе тирозина там осуществляется синтез катехоламинов и серотонина.
Метаболические превращения фенилаланина в тканях человека
Фенилаланин |
Фенилпируват |
|
Второстепенный путь |
|
|
Главный путь |
|
|
Тирозин |
Фениллактат |
Фенилацетат |
2,5-Оксифенилпируват Параоксифенилацетат
Параоксифенилпируват
Гомогентизиновая кислота
Малеилацетоацетат Фумарилацетоацетат
Фумарат Ацетоацетат
Рис.2.1. Метаболизм фенилаланина в клетках человека [10]
Ранние симптомы болезни: повышенная возбудимость, гиперактивность, запах плесени от пота и мочи, экземоподобные сыпи. Для обнаружения парафенилпировиноградной кислоты в моче проводят реакцию Феллинга (с хлоридом железа). Положительная реакция до года выявляет-
97
ся эпизодически, после года жизни становится постоянной. В крови повышено содержание фенилаланина до 200 мг/л. Ограничение фенилаланина в диете позволяет избежать развития умственной недостаточности.
Фенилпировиноградная олигофрения является разновидностью фенил-
кетонурии. Развивается из-за недостаточности дегидроптеридинредуктазы, катализирующей восстановление тетрагидробиоптерина. Ограничение содержания фенилаланина в диете не имеет успеха. Уточнению диагноза способствует обнаружение в моче только окисленных форм биоптерина. Характеризуется развитием умственной недостаточности.
Альбинизм. Врожденная аномалия обмена тирозина, возникающая за счет недостаточности о-дифенилоксидазы, катализирующей первую стадию превращения 3,4-дигидрооксифенилаланина в меланин (рис.2.2).
ТИРОЗИН
Тирозиназа
3,4-дигидроксифенилаланин (ДОФА) Трийодтиронин
(несколько стадий) Тетрайиодтиронин (тироксин)
ЭУМЕЛАНИНЫ
Норадреналин
Адреналин
Рис.2.2. Основные производные тирозина в клетках человека [10]
Нарушается синтез меланина в клетках кожи, радужной оболочке глаз. Меланомы характеризуются нарушением обмена тирозина и фенилаланина, при котором значительная их часть используется для синтеза меланина клетками опухоли. Возникающий недостаток данных аминокислот
ведет к нарушениям белкового обмена.
В). Нарушения обмена глицина и гистидина Глицин подвергается в организме человека многообразным превра-
щениям, но одной из важных реакций является образование метиленгидрофолата, необходимого как донор метильной группировки при синтезе азотистых оснований:
Глицин + НАД++ тетрогидрофолат →СО2 + метилентетрагидрофолат + НАДН + Н+
98
Дефицит фермента, катализирующего эту реакцию, полное его отсутствие в ткани мозга больных являются основой гиперглицинемии. Проявления характерны для периода новорожденности: отсутствие реакции на окружающее, отсутствие спонтанных движений, клонические судороги, икота и гипотрофия. У переживших период новорожденности – хронические судороги и задержка умственного развития. В моче обнаруживается большое количество глицина, превышающее нормальное в 10-20 раз. В крови уровень глицина в 3-4 раза выше нормы.
Атомы α-углерода и азота глицина используются для синтеза порфиринового кольца гемоглобина. В сукцинат-глициновом цикле сукцинилКоА конденсируется с атомом α-углерода глицина, образуя α-амино-β- кетоадипат, последний декарбоксилируется и превращается в δ-аминолевулинат – предшественник порфирина. Нарушения метаболизма гемовых структур будут рассмотрены ниже. Молекула глицина целиком используется для синтеза пуринов, поставляя атомы углерода в положения 4,5 и 7 пуринового остова. При конъюгировании глицина с холевой кислотой образуется гликохолевая кислота. С бензоатом глицин образует гиппурат. Количественная оценка способности печени превращать бензоат в гиппурат использовалась ранее в качестве теста на функцию печени. Глицин участвует также в синтезе креатина, так как саркозиновый компонент креатина (N-метилглицин) является продуктом реакции глицина с S-аденозилметионином. Гистидинемия обусловлена дефицитом гистидазы (гистидин-NH2-лиазы), катализирующей первую реакцию в цепи превращений гистидина в 5-форминотетрагидрофолевую кислоту. Эти превращения осуществляются наряду с декарбоксилированием гистидина в гистамин. Проявляется к концу первого года жизни в виде частых инфекционных заболеваний, задержки роста и развития, затем дефекта речи из-за нарушения слуховой памяти. Лабораторно выявляется по увеличению содержания гистидина в моче и крови до 20-270мг/л при норме 4-10 мг/л.
Г. Нарушение обмена метионина и лизина Значение метионина определяется уникальной ролью инициатора
синтеза белков, ролью донора метильных групп (в форме S-аденозилметионина), участием в образовании цистеина и полиаминов через гомоцистеин и цистатионин. Реакция образования цистатионина катализируется цистатионин-β-синтетазой. Дефект этого фермента, блокируя образование цистатионина, сопровождается усиленным превращением метионина в гомоцистин. Развивается гомоцистинурия. Гомоцистин в избытке тормозит образование нормальных поперечных сшивок в коллагене, блокируя активные группы лизина и оксилизина. Из патологических проявлений для больных характерен остеопороз, в половине случаев – умственная отсталость.
Стойкая гиперлизинемия связана со значительным снижением активности лизин:α-кетоглутаратредуктазы, катализирующей две реакции в пре-
99
вращениях лизина – соединение лизина с кетоглутаровой кислотой (образование сахаропина) и редукцию сахаропина (появление аминоадипиновой кислоты). В типичных случаях наблюдаются глубокая задержка умственного развития, аутизм, низкорослость, глухота, судороги, разболтанность суставов. Главный лабораторный показатель – увеличение содержания лизина в крови и моче.
Болезнь «кленового сиропа» обусловлена карбоксилазной недостаточностью. В моче резкое увеличение алифатических аминокислот и кетокислот. Моча приобретает специфический запах, напоминающий запах кленового сока. Развивается тяжелое заболевание с поражением ЦНС и дегенеративными нарушениями.
Образованиеконечныхпродуктовазотистогообменаиегонарушения
Аммиак как продукт окислительного дезаминирования аминокислот обезвреживается в гепатоцитах в цикле мочевины (большая часть) и выводится с мочой в виде аммонийных солей (незначительная часть) почечными канальцами, где ионы кальция, натрия, калия заменяются на ионы аммония. В виде аммонийных солей могут также выводиться некоторые органические кислоты.
Количество аммиака в моче увеличивается при заболеваниях печени вследствие снижения скорости процессов мочевинообразования. У человека за сутки выводится 25-35 г мочевины. В норме содержание мочевины в плазме крови от 3 до 7 мМ/л. Снижение содержания мочевины характерно для циррозов, поскольку болезнь сопровождается поражением гепатоцитов.
Генетически обусловленные формы нарушения синтеза мочевины связаны с недостаточностью ферментов цикла мочевины. Остановимся на некоторых видах подобных заболеваний.
Недостаточность карбомилфосфатсинтетазы, катализирующей включение аммиака в орнитиновый цикл, проявляется в трех формах.
Молниеносное течение: в период новорожденности после кормления у ребенка развивается кома, нейропения, судороги. Подострая форма характерна для первых месяцев жизни и сопровождается рвотой, трудностями вскармливания, гипотрофией, задержкой развития. Поздняя форма развивается на втором году жизни, появлению явных симптомов могут предшествовать задержка развития, судороги. Биохимические диагностические тесты: гипераммониемия до 1-3 г/л, низкая активность карбомоилфосфатсинтетазы в лейкоцитах.
Недостаточность орнитинтранскарбамилазы, катализирующей кон-
денсацию карбомоилфосфата с орнитином. Проявляется в период новорожденности и сопровождается летальным исходом у мальчиков в 100% случаев и у девочек в 33% случаев. Основной скринирующий тест – гипераммониемия после еды, а в период новорожденности постоянно. При микроскопировании мочи – кристаллы оротовой кислоты. Ее появление связано
100