Митохондриални заболявания
Гербиц, Клаус-Дитер; Гемпел, Клаус; Бауер, Матиас Ф.
По-голямата част от разграждането на мастните киселини и аминокиселините се локализира интрамитохондриално. Нарушенията на тези метаболитни пътища водят до метаболитни заболявания, които засягат най-вече новороденото, по-рядко по-големите деца или възрастните. Ензимните дефекти се характеризират с повишени метаболити, които се натрупват пред засегнатия ензим. Днес технологията на тандемната спектрометрия дава възможност да се определи голям брой от тези диагностично новаторски метаболити от няколко микролитра кръв. В много случаи това позволява да се постави правилната диагноза, без да се налага да се прибягва до сложни и понякога инвазивни методи. Тази прегледна статия представя начина на действие на тандемната мас спектрометрия, третира биохимията, патобиохимията и терапията на разграждане на избрани мастни киселини и аминокиселини и демонстрира значението на новата технология, използвайки типични примери.
Ключови думи: тандемна мас спектрометрия, вродено метаболитно нарушение, окисление на мастни киселини, органоацидурия, метаболизъм на аминокиселини
Митохондриални болести: масспектрометрия на вродени нарушения на метаболизма на мастните и аминокиселините
Основни части от мастните и аминокиселинните пътища за разграждане са разположени в митохондрия. Дефектите по тези пътища могат да причинят метаболитни заболявания на новороденото, бебето или възрастния. Дефицитите на ензими блокират метаболизма при определени стъпки и водят до натрупване на специфични субстрати. Тандемната масова спектрометрия (TMS) сега предлага нов и неинвазивен метод, подходящ за измерване на натрупаните и индикативни метаболити в много малки кръвни проби. TMS позволява да се потвърди бързо причиняващият болестта ензимен дефект, който преди е трябвало да бъде идентифициран чрез инвазивни и разширени биохимични процедури. Тази статия за преглед демонстрира ползите от тандемната масова спектрометрия в диагностиката и терапията на мастни и аминокиселинни нарушения. Биохимията и патобиохимията на тези вродени грешки в метаболизма и тяхното потвърждение се демонстрират от типични случаи на заболяване.
Ключови думи: тандемна мас спектрометрия, вродени грешки в метаболизма, окисление на мастни киселини, органични киселини, метаболизъм на аминокиселини
Болести на транспортната система карнитин/ацил-карнитин
Дефицит на карнитин-палмитил трансфераза: Дефицитът на карнитин-палмитил трансфераза (CPT) се дели на мускулен дефицит, който засяга CPT II (®) и главно в ранна възраст (OMIM 255110), рядко и при новородени (OMIM 600649) и по-рядко срещания инфантилен чернодробен тип, при който активността на черния дроб CPT I () отсъства напълно (OMIM 255120). Дефицитите на CPT, които се появяват в детска възраст, се характеризират с тежка хипогликемия и хипокетонемия, дефицитът на CPT-II за възрастни се проявява чрез рабдомиолиза, предизвикана от упражнения.
Дефицит на карнитин транслоказа:
Дефицитът на карнитин транслоказа (Ї) (OMIM 212138) засяга действителния транспортен протеин, което води до пренасяне на мастни киселини от цитозолната страна на вътрешната митохондриална мембрана в матрицата, където се осъществява действителното β-окисление. Болестта обикновено е трудна клинично и се характеризира с некетотична хипогликемия, мускулна слабост и най-вече кардиомиопатия (9).
Как се цитира тази статия:
Dt Дrztebl 1999; 96: A-3035-3042
[Брой 47]
Beaudet AL, Sly WS, Valle D, eds.: Метаболитните и молекулярни основи на наследственото заболяване. Ню Йорк: McGraw-Hill, 1995; 1501-1533.
14. Tang NLS, Ganapathy V, Wu X et al.: Мутациите на OCTN2, органичен транспортер на катион/карнитин, водят до дефицитно усвояване на клетъчен карнитин при първичен дефицит на карнитин. Hum Mol Genet 1999; 8: 655-660.
15. Wilcken B, Leung KC, Hammond J, Kamath R, Leonard JV: Бременност и фетален дълговерижен 3-хидроксиацил коензим А дехидрогеназен дефицит. Lancet 1993; 341: 407-408.
Адрес за автора
Професор доктор. мед. Клаус-Дитер Гербиц
Институт по клинична химия, молекулярна диагностика и митохондриална генетика
Изследователска група за диабет в болница Мюнхен-Швабинг
Kцlner Platz 1
80804 Мюнхен
Транспорт на мастни киселини и b-окисление. Дълговерижните мастни киселини от разцепването на триглицеридите се активират до ацил-КоА естери след преминаване през плазмената мембрана (PM). Естерите на CoA се превръщат в ацил-карнитин чрез CPT I (виж съкращенията в текста), транспортират се през вътрешната мембрана с помощта на карнитин/ацил-карнитин транслоказа и се превръщат обратно в ацил-CoA от CPT II. Натриево-зависимият карнитин-транспортер в плазмената мембрана (OCTN2) предоставя свободен карнитин за този процес. В-окислението на мастните киселини протича в митохондриалната матрица. Крайните им продукти FADH2 и NADH се окисляват в дихателната верига, докато ацетил-КоА се въвежда в цитратния цикъл.
Тандемна спектрометрия (TMS)
Мас спектрометрията е известна от 30 години и позволява да се определят масите на йонизирани молекули с висока точност (5). Идентификацията се основава на факта, че йони с различно тегло се отклоняват в различна степен в електромагнитно поле. През последните години решителните технически подобрения допринесоха масовата спектрометрия да се превърне във важен метод в лабораторията за метаболизъм:
- въвеждането на "меки" йонизационни методи като електроспрей метода
- разработването на мощни анализатори на маса (квадруполи)
- последователната връзка на два аналитични квадрупола ("тандем" MS)
Структура на тандемен масспектрометър:
Масспектрометърът се състои от източник на йони, в който от пробата се генерира лъч газообразни йони, анализатор на масата, който разделя йоните според техния коефициент маса/заряд, и детектор, който осигурява мас спектър с относителните интензитети на отделните йони (графика 6). За йонизация пробата се напръсква през фина игла, към която се прилага високо напрежение (йонизация с електроспрей). Масовият анализ на йоните се извършва в така наречените квадруполи. В тандемен масспектрометър два квадрупола (Q1 и Q2) са прикрепени един зад друг. Сблъскващата се клетка е разположена между Q1 и Q2, в която йони са фрагментирани в зависимост от тяхната молекулна структура. Тази подредба позволява да се идентифицират специфични метаболити въз основа на масата на непокътнатата молекула и характерен фрагмент. Предимството на този тандемен принцип пред по-ранните прости спектрометри е, че спектрите на метаболитите могат да се определят от сложна матрица като серум без предварително хроматографско разделяне.
Нарушения на пътищата за разграждане на аминокиселините на митохондриите. Разграждането на аминокиселините с разклонена верига левцин, изолевцин и валин, както и лизин и триптофан се извършва в по-голямата си част в митохондриалната матрица. Крайните продукти или се въвеждат в цитратния цикъл (ацетил-КоА и сукцинил-КоА) или се използват като кетонни тела (ацетоацетат) за осигуряване на енергия. Редукционните еквиваленти FADH2 и NADH се използват в дихателната верига за производство на енергия, точно както при окисляването на мастни киселини.
Дефицит на MCAD. Показан е нормален спектър на карнитин, който обхваща диапазона от свободен карнитин (m/z = 218) до C18 карнитинов естер (m/z = 484; m/z = маса/заряд, z = 1). На абсцисата е дадена масата на непокътнатия карнитинов естер, на ординатата интензитетът на йоните. Нормалният спектър на карнитин се състои от около 70% свободен карнитин (218), така наречените ацилни карнитини по същество се състоят от ацетил карнитин (260). При дефицит на MCAD има намалено разграждане на мастните киселини C6-C10. Следователно в карнитиновия спектър на новородено обикновено има увеличение на С6-карнитин (316), С8-карнитин (344), а също и С10: 1-карнитин (370); Тази мононенаситена мастна киселина се произвежда от четири цикъла на b-окисление на С18: 1, олеинова киселина, по-често срещана диетична мастна киселина; тези четири цикъла се катализират от VLCAD.
Пропионова киселина и метилмалонова киселина. При пропионовата ацидурия, в допълнение към свободния и ацетил карнитин се появява и пропионил карнитин (274), който иначе се среща само в следи. Карнитиновият спектър на четиригодишно дете с метилмалонова ацидурия, което вече е на диета с ниско съдържание на изолевцин и валин и което е допълнено с карнитин, също показва метилмалонил-карнитин (374). Свободният карнитин се увеличава поради терапията с карнитин.
Дефицит на HMG-CoA лиаза и глутарна ацидурия тип I. 6-годишно дете с известен дефицит на HMG-CoA лиаза, което вече е било лекувано със специална диета с ниско съдържание на амино и карнитин, е изследвано на интервал без симптоми. Изоставането пред метаболитния блок се проявява в серума в специфично увеличение на 3-хидрокси-изовалерил-карнитин (318) и 3-метилглутарил-карнитин (402). Глутарил-КоА, произведен от разграждането на лизин и триптофан, се намира в GA I като глутарил-карнитин (388). Други забележими пикове в диапазона на къси, средни и дълговерижни мастни киселини не могат да бъдат открити, което изключва GA тип II.
Схематично представяне на тандемния спектрометър с електроразпръскване