Мітохондріальні захворювання

Гербіц, Клаус-Дітер; Гемпель, Клаус; Бауер, Матіас Ф.

мітохондріальні


Більша частина розщеплення жирних кислот та амінокислот локалізується внутрішньомітохондріально. Порушення цих метаболічних шляхів призводять до метаболічних захворювань, які здебільшого вражають новонароджених, рідше старших дітей або дорослих. Дефекти ферменту характеризуються збільшенням метаболітів, які накопичуються перед ураженим ферментом. Сьогодні технологія тандемної мас-спектрометрії дозволяє визначити велику кількість цих діагностично нових метаболітів з кількох мікролітрів крові. У багатьох випадках це дозволяє поставити правильний діагноз без необхідності вдаватися до складних, а іноді і інвазивних методів. Ця оглядова стаття представляє режим роботи тандемної мас-спектрометрії, розглядає біохімію, патобіохімію та терапію деградації виділених жирних кислот та амінокислот та демонструє важливість нової технології на типових прикладах.
Ключові слова: тандемна мас-спектрометрія, вроджений метаболічний розлад, окислення жирних кислот, органоацидурія, метаболізм амінокислот

Мітохондріальні хвороби: мас-спектрометрія вроджених порушень метаболізму жирової та амінокислот
Основні частини шляхів розкладання жиру та амінокислот знаходяться в мітохондріях. Дефекти на цих шляхах можуть спричинити метаболічні захворювання новонароджених, немовлят або дорослих. Дефіцит ферментів блокує метаболізм на певних етапах і призводить до накопичення конкретних субстратів. Тандемна мас-спектрометрія (TMS) тепер пропонує новий і неінвазивний метод, придатний для вимірювання накопичених та орієнтовних метаболітів у дуже малих зразках крові. TMS дозволяє швидко підтвердити хвороботворний ферментативний дефект, який раніше потрібно було виявляти за допомогою інвазивних та тривалих біохімічних процедур. Ця оглядова стаття демонструє переваги тандемної мас-спектрометрії у діагностиці та терапії жирових та амінокислотних розладів. Біохімія та патобіохімія цих вроджених помилок метаболізму та їх підтвердження демонструються типовими випадками захворювання.
Ключові слова: тандемна мас-спектрометрія, вроджені помилки метаболізму, окислення жирних кислот, органічні ацидурії, метаболізм амінокислот


Хвороби транспортної системи карнітин/ацил-карнітин
Дефіцит карнітин-пальмітилтрансферази: Дефіцит карнітин-пальмітил трансферази (СРТ) поділяється на м’язовий дефіцит, який вражає СРТ II (®), і головним чином у ранньому дорослому віці (OMIM 255110), рідко також у новонароджених (OMIM 600649) та менш поширений інфантильний тип печінки, при якому активність печінки CPT I () повністю відсутня (OMIM 255120). Дефіцити КПТ, що виникають у дитячому віці, характеризуються важкою гіпоглікемією та гіпокетонемією, дефіцит CPT-II у дорослих проявляється рабдоміолізом, зумовленим фізичними вправами.
Дефіцит транслокази карнітину:
Дефіцит транслокази карнітину (Ї) (OMIM 212138) впливає на фактичний транспортний білок, що спричинює перенесення жирних кислот з цитозольної сторони внутрішньої мембрани мітохондрій у матрикс, де відбувається фактичне β-окислення. Захворювання, як правило, важко клінічно і характеризується некетотичною гіпоглікемією, м’язовою слабкістю та переважно кардіоміопатією (9).


Як цитується ця стаття:
Dt Дrztebl 1999; 96: A-3035-3042
[Випуск 47]

Beaudet AL, Sly WS, Valle D, eds.: Метаболічні та молекулярні основи спадкової хвороби. Нью-Йорк: McGraw-Hill, 1995; 1501-1533.
14. Tang NLS, Ganapathy V, Wu X et al.: Мутації OCTN2, органічного транспортера катіону/карнітину, призводять до дефіцитного поглинання клітинного карнітину при первинному дефіциті карнітину. Hum Mol Genet 1999; 8: 655-660.
15. Wilcken B, Leung KC, Hammond J, Kamath R, Leonard JV: Вагітність та дефіцит 3-гідроксиацилового коферменту дегідрогенази А у плода. Lancet 1993; 341: 407-408.


Звернення до автора
Професор доктор мед. Клаус-Дітер Гербіц
Інститут клінічної хімії, молекулярної діагностики та мітохондріальної генетики
Дослідження групи діабету в лікарні в Мюнхені-Швабінг
Келнер Плац 1
80804 Мюнхен

Транспорт жирних кислот та b-окислення. Довголанцюгові жирні кислоти з розщеплення тригліцеридів активуються до ефірів ацил-КоА після проходження через плазматичну мембрану (ПМ). Ефіри CoA перетворюються в ацил-карнітин за допомогою CPT I (див. Скорочення в тексті), транспортуються через внутрішню мембрану за допомогою транслокази карнітин/ацил-карнітин і перетворюються назад в ацил-CoA за допомогою CPT II. Залежний натрію транспортер карнітину в плазматичній мембрані (OCTN2) робить вільний карнітин доступним для цього процесу. B-окислення жирних кислот відбувається в матриксі мітохондрій. Їх кінцеві продукти FADH2 і NADH окислюються в дихальному ланцюзі, тоді як ацетил-КоА вводиться в цитратний цикл.

Тандемна мас-спектрометрія (TMS)
Мас-спектрометрія відома вже 30 років і дозволяє визначати маси іонізованих молекул з високою точністю (5). Ідентифікація заснована на тому, що іони різної ваги відхиляються в різному ступені в електромагнітному полі. Рішучі технічні вдосконалення за останні кілька років сприяли тому, що мас-спектрометрія стала важливим методом у лабораторії метаболізму:
- впровадження методів "м'якої" іонізації, таких як метод електророзпилення
- розробка потужних аналізаторів маси (квадруполів)
- послідовне з'єднання двох аналітичних квадруполів ("тандем" МС)


Структура тандемного мас-спектрометра:
Мас-спектрометр складається з джерела іонів, в якому із зразка генерується пучок газоподібних іонів, аналізатора маси, який розділяє іони відповідно до їх коефіцієнта маси/заряду, та детектора, який забезпечує мас-спектр із відносною інтенсивністю окремих іонів (графічний 6). Для іонізації зразок розпорошується через тонку голку, до якої подається висока напруга (іонізація електророзпиленням). Масовий аналіз іонів відбувається в так званих квадруполях. У тандемному мас-спектрометрі два квадруполі (Q1 і Q2) прикріплені один за одним. Клітина зіткнення розташована між Q1 і Q2, в якій іони фрагментовані залежно від їх молекулярної структури. Це розташування дозволяє ідентифікувати конкретні метаболіти на основі маси інтактної молекули та характерного фрагмента. Перевага цього тандемного принципу в порівнянні з попередніми простими спектрометрами полягає в тому, що спектри метаболітів можна визначати за складною матрицею, такою як сироватка, без попереднього хроматографічного розділення.

Порушення шляхів деградації амінокислот мітохондрій. Розпад амінокислот з розгалуженим ланцюгом лейцин, ізолейцин та валін, а також лізин та триптофан відбувається здебільшого в матриксі мітохондрій. Кінцеві продукти або вводяться в цитратний цикл (ацетил-КоА та сукциніл-КоА), або використовуються як кетонові тіла (ацетоацетат) для забезпечення енергії. Відновні еквіваленти FADH2 і NADH використовуються в дихальному ланцюзі для виробництва енергії, як і при окисленні жирних кислот.

Дефіцит MCAD. Показаний нормальний спектр карнітину, який охоплює діапазон від вільного карнітину (m/z = 218) до ефіру карнітину C18 (m/z = 484; m/z = маса/заряд, z = 1). На абсцисі дана маса інтактного ефіру карнітину, на ординаті - інтенсивність іонів. Нормальний спектр карнітину складається приблизно з 70% вільного карнітину (218), так звані ациларнітини по суті складаються з ацетилкарнітину (260). При дефіциті MCAD спостерігається знижений розпад жирних кислот C6-C10. Отже, у спектрі карнітину новонародженого зазвичай спостерігається збільшення С6-карнітину (316), С8-карнітину (344), а також С10: 1-карнітину (370); ця мононенасичена жирна кислота виробляється за допомогою чотирьох циклів b-окислення С18: 1, олеїнової кислоти, більш поширеної дієтичної жирної кислоти; ці чотири цикли каталізуються VLCAD.

Пропіонова ацидурія та метилмалонова ацидурія. При пропіоновій ацидурії, крім вільної та ацетил-карнітину, зустрічається пропіоніл-карнітин (274), який інакше зустрічається лише в слідах. Спектр карнітину у чотирирічної дитини з метилмалоновою ацидурією, яка вже перебуває на дієті з низьким вмістом ізолейцину та валіну і яка отримує добавку карнітину, також показує метилмалоніл-карнітин (374). Вільний карнітин збільшується завдяки терапії карнітином.

Дефіцит ліази HMG-CoA та глутарова ацидурія типу I. 6-річну дитину з відомим дефіцитом ліази HMG-CoA, яку вже лікували спеціальною дієтою з низьким вмістом амінокислот та карнітином, обстежували з відсутністю симптомів. Відставання перед метаболічним блоком виявляється в сироватці крові у специфічному збільшенні 3-гідрокси-ізовалерил-карнітину (318) та 3-метилглутарил-карнітину (402). Глютарил-КоА, що продукується розщепленням лізину та триптофану, міститься в ГА I як глутарил-карнітин (388). Інших помітних піків в діапазоні коротких, середніх та довголанцюгових жирних кислот виявити не вдається, що виключає ГА типу II.

Схематичне зображення тандемного спектрометра електророзпилювача