Мыши-алкоголики помогут людям
Ученые из Института теоретической и экспериментальной биофизики Пущинского научного центра РАН открыли способ быстро и эффективно снизить уровень аммиака в крови при гипераммониемии - смертельно опасном недуге, от которого крайне редко вылечивают. Неужели достижение пущинских ученых не интересуют тех, кто выделяет деньги на исследования в нашей стране?
Елена Косенко со своей аспиранткой Людмилой Тихоновой.
«Ребенку 4 дня жизни, поставлен предварительный диагноз - гипераммониемия + аминоацидопатия + органическая ацидурия. Мальчик находится в отделении интенсивной терапии с первого дня. Он не усваивает белок, исключили грудное вскармливание. Ему вводят аминокислоты и глюкозу, промывают желудок и кишечник, но концентрация аммиака нарастает, идет потеря веса. Первые две беременности закончились нормальными родами, но смертью обоих мальчиков на 5-6-е сутки жизни от отека мозга. Генетические исследования в первых двух случаях не проводились. Каковы могут быть прогнозы по развитию малыша, если он останется жив? Заранее благодарю за ответ». Это сообщение Елена Косенко, доктор биологических наук, главный научный сотрудник лаборатории метаболического моделирования и биоинформатики ИТЭБ РАН, отыскала на форуме врачебных консультаций дискуссионного клуба русского медицинского сервера. В ответе говорилось, что «высоковероятен диагноз в вашем случае - недостаточность орнитинтранскарбамилазы, это одно из нарушений цикла мочевины. В Москве диагностикой этого заболевания занимаются в Медико-генетическом научном центре».
Спасти такого ребенка будет крайне сложно, если вообще возможно, считает Елена Косенко, потому что упущено время. Пока доедут до Москвы, проведут диагностику.
Гипераммониемией называют нарушение, при котором резко, в 2-3 раза, повышается уровень аммиака в крови. А это сильнейший нейротоксин, то есть он действует на мозг как яд, вызывая судороги, затем кому, отек мозга и гибель. Счет идет буквально на часы, если не предпринимать срочных мер.
В принципе, аммиак сам по себе в малой концентрации постоянно находится в организме человека, выполняя массу жизненно важных функций, а избыток его обезвреживается в цикле мочевины исключительно в печени. Остатки аммиака, которые не попали в цикл, удаляет особый фермент - глутаминсинтетаза. Если же печень больна, то аммиак накапливается в крови и отравляет организм. Гипераммониемия может возникать и после трансплантации органов, она случается у вегетарианцев при употреблении биодобавок, у бегунов на длинные дистанции, у стариков при плохом питании, у детей и взрослых от передозировки некоторых лекарств, к примеру, парацетамола. Каждый год в европейских странах от гипераммониемий умирают около пятисот тысяч человек. Но самый опасный случай - врожденный недостаток ферментов цикла мочевины. Из ста тысяч новорожденных на свет появляются 3-4 ребенка с этим заболеванием. Спасти удается немногих.
Высокая смертность связана с тем, что гипераммониемия возникает неожиданно. Ее сложно распознать. Любой случай излечения считается большой удачей и немедленно становится достоянием научной общественности. На западе существует экспресс-диагностика крови на содержание аммиака, но нет надежного препарата, способного прямо и длительно снижать яд в тканях и крови. У нас же пока биохимический анализ крови на содержание аммиака не делают. Нет ни диагностики заболевания, ни статистики. Распознать гипераммониемию и лечить от нее могут только в Москве.
Мыши не спиваются
То, что аммиак в большом количестве ядовит, доказал еще сто лет назад наш знаменитый соотечественник Иван Павлов. Он экспериментировал с собаками и выяснил, что белковая пища - а это мясо, рыба, яйца, молоко, если ее не обрабатывает печень, буквально отравляет организм. И ядовитым агентом служит аммиак, который образуется при разложении белков. Догадываетесь, почему к старости, когда печень уже барахлит, диетологи рекомендуют поменьше есть белковой пищи?
Елена Косенко занялась темой токсичности аммиака давно, еще во время работы над кандидатской диссертацией. Тогда она проводила опыты на мышах: поила их спиртом и наблюдала, как они становятся алкоголиками. Затем, проверив результаты экспериментов, она заметила, что у мышей-алкоголиков уровень аммиака в крови высокий. Будучи лишены горячительного, мыши быстро приходили в норму, уровень аммиака в крови у них снижался. Животные не привыкали к алкоголю навсегда, в отличие от человека.
В последующие годы исследовательница вместе с коллегами изучила разные формы отравления мышей аммиаком. Они имитировали у мышей не только алкоголизм, но и состояние после трансплантации, когда уровень аммиака резко повышается, и организм гибнет в течение 15 минут. Повторяли опыты Павлова, запуская аммиак в ткани минуя печень. Моделировали хроническое отравление аммиаком как у больных вирусным гепатитом. Ученые установили причины гибели мозга при этих состояниях. Оказалось, что большое содержание аммиака препятствует образованию глюкозы в печени, а ведь глюкоза - это источник энергии для мозга. Недаром мы любим сладенькое, а перед экзаменами налегаем на шоколадки. Если нет глюкозы, то голодающему мозгу снова приходит на помощь печень. Она достает «энзэ» - кетоновые тела. Долго на них не протянуть, но хотя бы выиграть время. Вот только аммиак мешает печени синтезировать и кетоновые тела. Поэтому при острой гипераммониемии мозг быстро гибнет. То, что аммиак служит ядом для мозга, знали со времен Павлова, а то, что он отравляет еще и печень, открыли в наше время в ИТЭБ РАН.
Эритроциты-почтальоны
Первую статью по гипераммониемии Елена Косенко опубликовала в начале 2000-х. После этого ее сразу пригласили на работу в испанский исследовательский центр цитологии в Валенсии, построенный на частные средства принца, а теперь короля Филиппа VI. Там работала одна из научных групп, которая изучала токсичность аммиака. Этой проблемой занимались в Канаде и США. В России же гипераммониемию изучали только в Пущино. В то время предлагались различные варианты борьбы с заболеванием, но было ясно, что нужно средство, которое напрямую снижало бы уровень яда в крови.
У меня зрела мысль, что фермент глутаминсинтетазу, которая нейтрализует аммиак, нужно добавить в какую-то капсулу и запустить в кровь, - рассказывает Елена Александровна. - И тут на глаза попалась очень старая работа, где авторам удалось добавить какой-то фермент в эритроциты.
Эритроциты - это красные кровяные тельца, которые насыщают организм кислородом. А что если в них внедрить глутаминсинтетазу? Исследовательница принялась за опыты. Сначала она работала с образцами человеческой крови, но кровь человека плохо действует на мышей, которым ее вливали уже с ферментом, поэтому пришлось полностью перейти на кровь грызунов. Вскоре удалось внедрить фермент в эритроциты, но в крови такие клетки не удерживались. Их быстренько распознавали и уничтожали макрофаги - иммунные клетки, выполняющие работу дворников, они чистят кровь от всяких инородных тел. Целых три года Косенко искала способ обмануть макрофагов и удержать измененные эритроциты в кровеносном русле. В итоге ей это удалось. Все это время исследование поддерживал ИТЭБ, испанцы, куда исследовательница периодически приезжала работать, и гранты от зарубежных фондов. Последнюю научную работу с описанием открытия она опубликовала в 2008 году. Больше финансирование ей найти не удалось. В Испании начался кризис, институт в Валенсии оказался на грани закрытия. А в России эта тема не популярна.
Сейчас все увлеклись наночастицами, как средствами доставки лекарств. Но ведь они токсичны, - поясняет Елена Косенко.
В одной из свежих научных статей на эту тему сказано, что наночастицы находятся в тканях полгода. Как они взаимодействуют с организмом? К каким последствиям приводят? Никто не знает, все это требует тщательных исследований.
Эритроциты гораздо безопаснее, - уверяет исследовательница. Хотя и этот способ нуждается в проверке и многочисленных доклинических исследованиях. Не до конца ясно, как будут вести себя в крови эритроциты, наполненные ферментом, как отреагирует организм на такое лечение. Чтобы все это изучить, нужно переоборудовать лабораторию: создать стерильные условия, приобрести прибор для приготовления образцов крови и много чего еще, включая реактивы.
Пройдет время, и ученые поймут, что наночастицы не выводятся из организма. Делать с их помощью диагностику можно, но как средства доставки лекарств они не подойдут, - считает исследовательница.
Она верит, что изобретенный ею способ борьбы с гипераммониемией перспективен и найдет своих продолжателей.
Гипераммониемия - это метаболическое нарушение, характеризующееся повышенеим аммиака в крови. Аммиак является токсичным соединением, находящимся в крови в относительно небольших концентрациях (11,0-32,0 мкмоль/л). Симптомы аммиачного отравления проявляются при превышении этих пределов всего в 2-3 раза. Предельно допустимый уровень аммиака в крови 60 мкмоль/л. При повышении концентрации аммиака до предельных величин может наступить кома и смерть. При хронической гипераммониемии развивается умственная отсталость.
Токсичность аммиака обусловлена следующими обстоятельствами:
Приобретенная (вторичные) гипераммониемия развивается вследствие заболеваний печени и вирусных инфекций. В крайне тяжелых случаях она проявляется как тошнота, рвота, судороги, нечленораздельная речь, затуманивание зрения, тремор, нарушение координации движений.
Наследственные формы гипераммониемии вызваны генетическим дефектом любого из пяти ферментов синтеза мочевины. Соответственно ферменту заболевание делится на пять типов. Первичными признаками гипераммониемий являются сонливость, отказ от пищи, рвота, беспокойство, судороги, нарушение координации движений, тахипноэ, дыхательный алкалоз. Могут развиться печеночная недостаточность, легочные и внутричерепные кровоизлияния.
Наиболее частой является гипераммониемия типа II, связанная с недостатком орнитин-карбамоилтрансферазы. Заболевание рецессивно, сцеплено с Х-хромосомой. У матери также наблюдается гипераммониемия и отвращение к белковым продуктам. При полном дефекте фермента наследственные гипераммониемии имеют раннее начало (в период до 48 часов после рождения).
Гипераммониемия - это наследственное заболевание обмена веществ, проявляющееся в недостаточности цикла ферментов мочевины, приводящее к отравлению организма аммиаком.
Аммиак является токсичным соединением, находящимся в крови в относительно небольших концентрациях (11,0-32,0 мкмоль/л). Симптомы аммиачного отравления проявляются при превышении этих пределов всего в 2-3 раза. Предельно допустимый уровень аммиака в крови 60 мкмоль/л. При повышении концентрации аммиака (гипераммониемия) до предельных величин может наступить кома и смерть. При хронической гипераммониемии развивается .
Транзиторной гипераммониемией называется также пограничное состояние, присущее новорожденным детям в период адаптации к внеутробной жизни, проявляющееся обычно на вторые – трети сутки жизни. Этот вид гипераммониемии встречается чаще всего у недоношенных детей с задержкой внутриутробного развития, с частотой до пятидесяти процентов рождений, однако иногда регистрируется и у доношенных малышей. Часть детей не проявляет симптоматики клинической картины гипераммониемии: признаки угнетения центральной нервной системы (вялость, понижение мышечного тонуса, приступы апноэ, ослабленная реакция зрачков на свет, отказ от еды, ступор и кома), а также расстройства дыхательной функции, желтуха, и обезвоживание. Причиной вызывающей гипераммониемию называют кислородное , или гипоксию, во время беременности и в процессе родов.
Приобретенные формы
Приобретенная (вторичные) гипераммониемия развивается вследствие и вирусных инфекций. В крайне тяжелых случаях она проявляется как , судороги, нечленораздельная речь, затуманивание зрения, нарушение координации движений.
Наследственные формы
Наследственные формы гипераммониемии вызваны генетическим дефектом любого из пяти ферментов синтеза мочевины. Соответственно ферменту заболевание делится на пять типов. Первичными признаками гипераммониемий являются сонливость, отказ от пищи, рвота, беспокойство, судороги, нарушение координации движений, тахипноэ, дыхательный . Могут развиться , легочные и внутричерепные кровоизлияния.
Наиболее частой является гипераммониемия типа II, связанная с недостатком орнитин-карбамоилтрансферазы. Заболевание рецессивно, сцеплено с Х-хромосомой. У матери также наблюдается гипераммониемия и отвращение к белковым продуктам. При полном дефекте фермента наследственные гипераммониемии имеют раннее начало (в период до 48 часов после рождения).
Лабораторным критерием заболевания является накопление глутамина (в 20 и более раз) и аммиака в крови, ликворе и моче.
Основа лечения гипераммониемий сводится к ограничению белка в диете, уже это позволяет предотвратить многие нарушения мозговой деятельности.
Токсичность аммиака обусловлена следующими обстоятельствами:
1. Связывание аммиака при синтезе глутамата вызывает отток α-кетоглутарата из цикла трикарбоновых кислот, при этом понижается образование энергии АТФ и ухудшается деятельность клеток.
2. Ионы аммония NH4+ вызывают защелачивание плазмы крови. При этом повышается сродство гемоглобина к кислороду (эффект Бора), гемоглобин не отдает кислород в капиллярах, в результате наступает гипоксия клеток.
3. Накопление свободного иона NH4+ в цитозоле влияет на мембранный потенциал и работу внутриклеточных ферментов – он конкурирует с ионными насосами для Na+ и K+.
4. Продукт связывания аммиака с глутаминовой кислотой – глутамин – является осмотически активным веществом. Это приводит к задержке воды в клетках и их набуханию, что вызывает отек тканей. В случае нервной ткани это может вызвать , кому и смерть.
5. Использование α-кетоглутарата и глутамата для нейтрализации аммиака вызывает снижение синтеза γ-аминомасляной кислоты (ГАМК), тормозного медиатора нервной системы.
Для лечения назначают:
Как правило, подобное состояние не требует какого-либо специфического лечения, однако в отдельных тяжелых случаях новорожденным с патологической гипераммониемией делается заменное , процедура диализа и назначается симптоматическая терапия.
Аммиак является токсичным соединением, находящимся в крови в относительно небольших концентрациях (11,0-32,0 мкмоль/л). Симптомы аммиачного отравления проявляются при превышении этих пределов всего в 2-3 раза. Предельно допустимый уровень аммиака в крови 60 мкмоль/л. При повышении концентрации аммиака (гипераммониемия ) до предельных величин может наступить кома и смерть. При хронической гипераммониемии развивается умственная отсталость.
Токсичность аммиака обусловлена следующими обстоятельствами:
1. Связывание аммиака при синтезе глутамата вызывает отток α-кетоглутарата из цикла трикарбоновых кислот , при этом понижается образование энергии АТФ и ухудшается деятельность клеток.
2. Ионы аммония NH 4 + вызывают защелачивание плазмы крови. При этом повышается сродство гемоглобина к кислороду (эффект Бора ), гемоглобин не отдает кислород в капиллярах, в результате наступает гипоксия клеток.
3. Накопление свободного иона NH 4 + в цитозоле влияет на мембранный потенциал и работу внутриклеточных ферментов – он конкурирует с ионными насосами для Na + и K + .
4. Продукт связывания аммиака с глутаминовой кислотой – глутамин – является осмотически активным веществом. Это приводит к задержке воды в клетках и их набуханию, что вызывает отек тканей. В случае нервной ткани это может вызвать отек мозга, кому и смерть.
5. Использование α-кетоглутарата и глутамата для нейтрализации аммиака вызывает снижение синтеза γ-аминомасляной кислоты (ГАМК), тормозного медиатора нервной системы.
Приобретенная (вторичная) гипераммониемия развивается вследствие заболеваний печени и вирусных инфекций . В крайне тяжелых случаях она проявляется как тошнота, рвота, судороги, нечленораздельная речь, затуманивание зрения, тремор, нарушение координации движений.
Например, на фоне избыточного содержания белка в пище или при кишечном кровотечении (появление белка в нижних отделах кишечника) микрофлора кишечника активно продуцирует аммиак, который способен переходить в кровь воротной системы. Если у больного имеется сопутствующий цирроз печени (при котором развиваются коллатерали между воротной веной и большим кругом кровообращения), то развивается гипераммониемия.
Вирусные инфекции могут приводить к снижению синтеза ферментов орнитинового цикла и, в результате, к гипераммониемии.
Наследственные формы гипераммониемии вызваны генетическим дефектом любого из пяти ферментов синтеза мочевины. Соответственно ферменту заболевание делится на пять типов. Первичными признаками гипераммониемий являются сонливость, отказ от пищи, рвота, беспокойство, судороги, нарушение координации движений, тахипноэ, дыхательный алкалоз. Могут развиться печеночная недостаточность, легочные и внутричерепные кровоизлияния.
Наиболее частой является гипераммониемия типа II , связанная с недостатком орнитин-карбамоилтрансферазы . Заболевание сцеплено с Х-хромосомой, встречается с частотой от 1:14000 до 1:50000 (по разным данным). У матери также может наблюдаться гипераммониемия и отвращение к белковым продуктам. При полном дефекте фермента наследственные гипераммониемии имеют раннее начало (в период до 48 часов после рождения).
Лабораторным критерием гипераммониемий является накопление глутамина (в 20 и более раз) и аммиака в крови, ликворе и моче.
Основа лечения гипераммониемий сводится к ограничению белка в диете, уже это позволяет предотвратить многие нарушения мозговой деятельности.
Также используют глутамат (связывающий аммиак) и фенилацетат, образующий с глутамином водорастворимый комплекс, который выводится с мочой. Учитывая, что часть аммиака способна вступать в синтез глицина, также используют бензойную кислоту, образующую с глицином гиппуровую кислоту, которая также выводится с мочой.
1. Аммиак превращается в мочевину только в печени, поэтому при заболеваниях печени (гепатиты, цирроз и др.) или наследственных дефектах ферментов обезвреживания аммиака наблюдается повышение содержания аммиака в крови (гипераммониемия), которое оказывает токсическое действие на организм.
Гипераммониемия сопровождается следующими симптомами:
Тошнота, рвота;
Головокружение, судороги;
Потеря сознания, отек мозга (в тяжелых случаях).
Все перечисленные симптомы обусловлены действием аммиака на центральную нервную систему и прежде всего на головной мозг.
2. Механизмы токсического действия аммиака связаны с тем, что:
Аммиак вызывает снижение концентрации α-кетоглутарата, так как
сдвигает реакцию, катализируемую глутаматдегидрогеназой, в сторону образования глутамата:
Это вызывает угнетение ЦТК (гипоэнергетическое состояние) и обмена аминокислот (трансаминирования); высокие концентрации аммиака вызывают синтез глутамина из глутамата в нервной ткани:
снижение концентрации глутамата подавляет обмен аминокислот и синтез нейромедиаторов, в частности, γ-аминомасляной кислоты (ГАМК),
основного тормозного медиатора:
Это нарушает проведение нервного импульса, вызывает судороги. Накопление глутамина в нервных клетках повышает осмотическое давление и, в больших концентрациях, может вызвать отек мозга;
В крови и цитозоле аммиак превращается в ион NH 4 +:
Накопление
NH 4 +
нарушает трансмембранный перенос
одновалентных катионов Na+ и К+, что также
влияет на проведение нервных импульсов.
3. Известно пять наследственных заболеваний, обусловленных дефектом пяти ферментов орнитинового цикла (табл. 9.5). Нарушение орнитинового цикла наблюдается при гепатите и некоторых других вирусных заболеваниях; так, например, вирус гриппа подавляет синтез карбамоилфосфатсинтетазы I.
Все нарушения орнитинового цикла приводят к значительному повышению в крови концентрации:
Аммиака;
Глутамина;
Аланина.
Диагностика различных типов гипераммониемии производится путем определения:
Метаболитов орнитинового цикла в крови и моче;
Активности фермента в биоптатах печени.
Основным диагностическим признаком служит повышение концентрации аммиака в крови. Однако в большинстве хронических случаев уровень аммиака может повышаться только после белковой нагрузки или в течение острых осложненных заболеваний.
Для снижения концентрации NH 3 в крови и облегчения состояния больных рекомендуется:
Малобелковая диета;
Введение метаболитов орнитинового цикла (аргинина, цитруллина, глутамата), которые стимулируют выведение аммиака в обход нарушенных реакций (рис. 9.13), например, в составе фенилацетилглутамина и гиппуровой кислоты.
1. Углеродный скелет восьми заменимых аминокислот (Ала, Асп, Асн, Сер, Гли, Про, Глу, Глн) и цистеина может синтезироваться из глюкозы (рис. 9.15).
α-Аминогруппа вводится в соответствующие α-кетокислоты с помощью реакции трансаминирования. Универсальным донором α-аминогруппы является глутамат.
Непосредственно путем трансаминирования метаболитов ОПК с глутаматом синтезируются:
Рис.
9.15. Пути биосинтеза заменимых аминокислот
2.
Частично заменимые аминокислоты Арг
и Гис
синтезируются
в небольших количествах, которые не
отвечают потребностям организма, что
особенно ощутимо в детском возрасте. Синтез
аргинина
происходит
в реакциях орнитинового
цикла. Гистидин
синтезируется
из АТФ и рибозы.
Условно заменимые аминокислоты Тир и Цис образуются с использованием незаменимых аминокислот:
Фенилаланин превращается в тирозин под действием фенилаланингидроксилазы;
Для образования цистеина необходима сера, донором которой является метионин. В синтезе используются углеродный скелет и α-аминогруппа серина.
ЕМА 9.9. ОБМЕН СЕРИНА И ГЛИЦИНА.
РОЛЬ ФОЛИЕВОЙ КИСЛОТЫ
Кроме путей обмена, характерных для большинства аминокислот, входящих в состав белков, почти для всех аминокислот существуют и специфические пути превращения. Рассмотрим обмен некоторых аминокислот, специфические пути превращения которых приводят к синтезу биологически важных продуктов и во многом определяют физиологическое состояние человека.
1. Серин - заменимая аминокислота, синтезируется из промежуточного
продукта гликолиза - 3-фосфоглицерата в последовательности реакций дегидрирования, трансаминирования и гидролиза под действием фосфатазы
В организме серин используется для синтеза:
Фосфолипидов (фосфатидилсерины, сфингомиелины);
Аминокислот (глицина, цистеина).
Основной путь катаболизма серина - его дезаминирование с образованием пирувата (см. тему 9.3).
2. Глицин образуется из серина под действием сериноксиметилтрансферазы. Коферментом этого фермента является тетрагидрофолиевая кислота (Н4-фолат),
которая присоединяет β-углеродный атом серина, образуя метилен - Н4-фолат
Глицин является предшественником:
Порфиринов (гема),
Пуриновых оснований,
Коферментов,
Глутатиона и др. Катаболизм глицина происходит
также с участием Н 4 -фолата, который связывает а-СН 2 -группу глицина (см. рис. 9.18).
3. Н 4 -фолат образуется в печени из фолиевой кислоты (фолата) с участием ферментов фолатредуктазы и дигидрофолатредуктазы (рис. 9.19). Коферментом этих редуктаз является NADPH.
Метиленовая группа -СН 2 - в молекуле метилен-Н 4 -фолата может превращаться в другие одноуглеродные группы:
Н
4
-фолат
способен
передавать эти группы на другие
соединения и играет роль промежуточного
переносчика одноуглеродных групп.
Одноуглеродные фрагменты используются для синтеза нуклеотидов и ряда соединений (см. рис. 9.18).
Рис.
9.17. Синтез серина из глюкозы
Рис.
9.18. Биологическая роль одноуглеродных
групп
Рис.
9.19. Схема синтеза Н
4
-фолата
в печени
4. Фолиевая кислота является витамином для человека и большинства млекопитающих (витамин В С или В 9 ). Она широко распространена в пищевых продуктах и синтезируется бактериями кишечника. Гиповитаминоз у человека возникает достаточно редко. Причинами его могут послужить:
Неправильное питание - недостаточное потребление овощей, фруктов и мясных продуктов;
Нарушение всасывания фолиевой кислоты в кишечнике;
Гепатит, цирроз и другие поражения печени, вызывающие снижение активности фолатредуктазы.
Гиповитаминоз фолиевой кислоты приводит к нарушению синтеза нуклеиновых кислот в организме, что сказывается прежде всего на быстро делящихся клетках крови, и развитию мегалобластной анемии.
5. Многие патогенные микроорганизмы способны синтезировать фолиевую кислоту из парааминобензойной кислоты, которая является составной частью фолата. На этом основано бактериостатическое действие сульфаниламидных лекарственных препаратов, которые являются структурными аналогами n-аминобензойной кислоты:
Препараты
являются конкурентными ингибиторами
ферментов синтеза фолиевой кислоты у
бактерий или могут использоваться как
псевдосубстраты, в результате чего
образуется соединение, не выполняющее
функции фолиевой кислоты, Это делает
невозможным деление клеток, бактерии
перестают размножаться и погибают.
Сульфаниламиды называют антивитаминами.
