ХАРАКТЕРИСТИКА МИТОХОНДРИЙ И МИТОХОНДРИАЛЬНЫХ БОЛЕЗНЕЙ

Митохондрии

Митохондрии впервые описаны Р. Альтманом в 1894 г., однако окончательное название «митохондрии» им дал К. Бенда в 1897 г. Митохондрии состоят из четырех компонентов: матрикс, окруженный внутренней мембраной (кристы и трубочки), межмембранное пространство и наружная мембрана. В матриксе содержатся кольцевая митохондриальная ДНК (мтДНК), специфические мРНК, тРНК и

собственные рибосомы, которые по размерам меньше, чем рибосомы цитоплазмы клетки. Митохондрии присутствуют во всех клетках, кроме зрелых эритроцитов. Их число в одной клетке может достигать нескольких сотен. Много митохондрий в ооцитах и, наоборот, в сперматозоидах их всего четыре, и они, как сказано выше, не проникают в яйцеклетку при оплодотворении.

Основная функция митохондрий – физико-химические реакции, связанные с тканевым дыханием и синтезом АТФ (аденозинтрифосфат), происходящим благодаря сопряжению процессов окисления и фосфорилирования. АТФ запасает и хранит энергию для окисления. Его синтез происходит на внутренних мембранах митохондрий, площадь которых многократно больше площади внешней мембраны за счет крист (гребней), выступающих в пространство матрикса.

Кроме указанных процессов, у митохондрий имеются функции: превращение лимонной кислоты; синтез аминокислот, гема, витаминов, липидов и пиримидинов; окисление жирных кислот. Обеспечение такого многообразия функций требует присутствия в митохондриях большого количества полипептидов, синтезируемых самой соматической клеткой (около 10\%).

Геном митохондрий полностью расшифрован (см. главу 2).

Хемиосмотическая теория

Важной вехой в развитии биоэнергетики митохондрий стала хемиосмотическая теория, предложенная П. Митчеллом в 1961 г. Согласно этой теории, формирование запасов энергии в митохондриях происходит в результате электрохимической активности протонов, их перемещения из матрикса через внутреннюю мембрану в межмембранное пространство с помощью протонного насоса, функционирование которого зависит от переноса электронов по дыхательной цепи митохондрий в ходе окисления.

В дыхательной цепи митохондрий участвуют пять комплексов субъединиц, кодируемых как ядерной ДНК, так и мтДНК. Их общее количество достигает 10-35 и 1-7 субъединиц соответственно. При этом небольшая по размерам молекула мтДНК кодирует 13 полипептидов, входящих в состав четырех из пяти ферментных комплексов. Из них 7 полипептидов включены в комплекс I (NADH-дегидрогеназа с коэнзимом Q оксидоредуктазы), 1 полипептид служит субъединицей комплекса III (коэнзим Q с цитохром-с-оксидоредуктазой); 3 полипептида являются субъединицами комплекса IV (цитохром-с-оксидазы) и 2 полипептида – субъединицами комплекса V (АТР-синтетазы).

В свою очередь, субъединицы белков комплекса II (в том числе сукцинатдегидрогеназа) кодируются исключительно генами ядерной ДНК. Все белки митохондрий, кодируемые ядерной ДНК, синтезируются в рибосомах цитоплазмы и транспортируются в одно из четырех структурных образований: внутреннюю и наружную мембраны, матрикс и межмембранное пространство. На рис. 72 приведена схема пространственного расположения пяти комплексов дыхательной цепи митохондрий.

Митохондриальные болезни Общие данные

МТБ – это обширная группа заболеваний, обусловленных разобщением процессов окисления и фосфорилирования в митохондриях. Поэтому их часто называют болезнями окислительного фосфорилирования или OXPHOS-болезнями.

Среди МТБ выделяют четыре класса, включая один класс ненаследственных (приобретенных) и три класса наследственных МТБ. Первый класс – приобретенные болезни, связанные с токсическим действием на митохондрии. Второй класс – болезни, обусловленные дефектами

Рис. 72. Митохондриальная дыхательная цепь (по Васильеву В.Б., 2005). Число субъединиц указано под стрелками. Протоны Н+ перекачиваются из матрикса в межмембранное пространство с помощью комплексов I,II,IV. Возвращение в матрикс осуществляется комплексом V (АТР-синтетазы) и сопровождается образованием АТР. Коэнзим Q10 (СоО_) и цитохром с Cyt c) – протеины, кодируемые яДНК

ядерной ДНК: дефицит субстратов транспорта; дефицит субстратов утилизации; нарушение цикла Кребса; нарушение процессов окисления и фосфорилирования; дефекты дыхательных цепей; дефекты белков, импортируемых в митохондрии. Третий класс – болезни, обусловленные дефектами мтДНК: точковые мутации генов, кодирующих структурные белки; большие по размерам делеции генов структурных белков. Четвертый класс – болезни, связанные с интергеномными дефектами. Сюда относится одно аутосомно-доминантное заболевание, ассоциированное с множественными делециями мтДНК. Механизмы патогенеза

При OXPHOS-болезнях в митохондриях нарушаются один или сразу несколько биохимических процессов.

•  Транспорт субстратов, контролируемый транслоказами, которые переносят глутамат, дикарбоновые кислоты, длинно- и среднецепочечные жирные кислоты, ионы кальция.

•  Окисление субстратов мультиферментным пируватдегидрогеназным комплексом; дефицит этого комплекса развивается вследствие мутаций, обусловливающих накопление пирувата, переходящего в лактат и проявляющегося лактат-ацидозом.

•  Цикл трикарбоновых кислот (цикл Кребса), центральный путь метаболизма углеродсодержащих молекул, ведущий к полному аэробному разложению пирувата.

•  Работа дыхательной цепи – из-за появления изолированных и сочетанных ее дефектов. Известно, что дыхательная цепь митохондрий состоит из пяти мультиферментных комплексов, из которых четыре осуществляют транспорт электронов, а пятый катализирует АТР. Эта цепь находится под двойным контролем (со стороны ядерной и мтДНК). В ней участвуют пять цитохромов. При этом электроны транспортируются в дыхательную цепь, а освобождающаяся энергия прокачивает протоны через внутреннюю мембрану в межмембранное пространство митохондрий. Очевидно, что в любом из перечисленных звеньев дыхательной цепи митохондрий может возникнуть дефект.

•  Сопряжение процессов окисления и фосфорилирования, процессов энергетического обмена в митохондриях. Показано, что нарушения процессов энергетического обмена в митохондриях обусловливают не только развитие OXPHOS-болезней (их 21 нозология), но и развитие многих МБ и БНП, симптоматика которых тесно связана с энергетической недостаточностью тканей и орга-

нов, сильно зависящих от запасов АТР. Среди таких органов и тканей: головной мозг, островки Лангерганса, сердечная мышца, скелетная мускулатура, сетчатка глаз и др. Дегенеративные изменения на фоне сниженного синтеза АТР также происходят в митохондриях пожилых людей при развитии болезней Альцгеймера и Паркинсона, кардиомиопатий и сахарного диабета. Кроме того, в последние годы отмечено, что к механизмам процессов старения и связанных с ними дегенеративных изменений относятся 4 события, сопровождающих нарушения окислительного фосфорилирования, в том числе:

•  дестабилизация митохондрий как главного источника энергии для всех тканей и органов;

•  существенное сокращение запасов АТР в митохондриях;

•  появление и накопление мутаций в ядерной ДНК и мтДНК, участвующих в сопряжении процессов окисления и фосфорилирования в митохондриях;

•  возрастное снижение интенсивности процессов окисления и фосфорилирования в митохондриях.

Характерной особенностью МТБ у детей является отсутствие какой-либо симптоматики в первые годы жизни, что объясняется гетероплазмией или одновременным присутствием в клетках растущего организма сотен митохондрий, содержащих как нормальную, так и мутантную мтДНК. С возрастом количество мутантной мтДНК в клетках нарастает, и когда оно достигает некоего «порогового уровня», энергетический метаболизм таких клеток уже не обеспечивает потребности энергоемких тканей и органов в АТР, что ведет к их дегенерации и появлению OXPHOS-болезней.

Следует отметить, что накопление мутантных копий в мтДНК объединяет эти болезни с болезнями экспансии нуклеотидных повторов, в основе которых лежит накопление кодирующих и некодирующих кодонов (три-, тетра- и пентаплетов) в ядерной ДНК, и в случае превышения их «порогового уровня» развивается полная или динамическая мутация (см. главу 27). Чем старше человек, тем OXPHOS-болезни, как правило, тяжелее протекают и заканчиваются летальным исходом.

Причины МТБ хорошо изучены: это точковые мутации и обширные делеции в мтДНК или ядерной ДНК, в которой возникают межгеномные сигнальные эффекты, прямо или косвенно приводящие к феномену деплеции или истощения митохондрий.

Основные симптомы

Основные симптомы МТБ связаны с поражением нервной системы, что обусловлено высокой потребностью в энергии нервной ткани и высокой чувствительностью нейронов к недостатку их энергоснабжения. Характерны раннее начало болезни на втором-третьем году жизни ребенка, прогрессирующее течение и вовлечение многих систем организма. Симптомы со стороны ЦНС: атаксия, задержка психомоторного развития, миоклонус-эпилепсия, мышечная гипотония или гипертония, а также деменция и инсультоподобные состояния. Часто поражаются: сердце (кардиомиопатия, нарушение проводимости миокарда) и органы зрения (атрофия зрительных нервов, катаракта, наружная офтальмоплегия, пигментная дегенерация сетчатки). Возможны: гепатомегалия, диарея, нанизм, непереносимость белков, поражение поджелудочной железы и других органов, тубулопатия.

Лабораторные данные: ацидоз, изменение соотношения пируват/ лактат с преобладанием пирувата (в норме оно равно 20). Отмечается повышение концентрации кетоновых тел.

Отдельные формы митохондриальных болезней ARP-синдром

ARP-синдром – это синдром атаксии, нейропатии и пигментного ретинита. Описан в 1990 г. Симптоматика проявляется с трехлетнего возраста. Характерны: атаксия, деменция, задержка развития, слабость в проксимальных отделах конечностей, сенсорная нейропатия, судороги, пигментный ретинит. Молекулярно-генетический дефект – точковая мутация мтДНК.

Атрофия Лебера

Наследственная оптическая нейроретинопатия Лебера (LHON) характеризуется быстро нарастающей слепотой у лиц в возрасте до 20 лет, вызванной двусторонней атрофией зрительного нерва. В дальнейшем развивается ретробульбарная нейропатия. При исследовании глазного дна выявляются отек диска зрительного нерва и поражение сосудов сетчатки (микроангиопатия). У больных наблюдаются двигательные, неврологические и психические расстройства: гиперрефлексия, дистония, нарушения координации, периферическая нейропатия, тремор. Преобладают больные мужского пола.

При КТ выявляется общая атрофия коры головного мозга. На ЭКГ – нарушения сердечной проводимости и сократимости. Молекулярно-генетический дефект – точковая мутация. Описаны

четыре типа мутаций мтДНК, наиболее частой из которых является замена гуанина на аденин в положении 11 778. Это основание входит в состав нуклеотидов гена, кодирующего четвертую субъединицу НАДН-дегидрогеназы. Такая замена развивается в ряде случаев у пациентов с гетероплазмией, имеющей тенденцию к гомоплазмии по мутантной мтДНК. При этом в ходе трансляции мутантной мтДНК аргинин в положении 340 заменяется на гистидин.

Также предполагается существование Х-сцепленного фактора, модифицирующего экспрессию дефекта мтДНК. Аналогичный дефект отмечался при миссенс-мутациях мтДНК, и всего были выделены три критерия, позволяющих считать такие мутации непосредственно связанными с атрофией Лебера.

В числе трех морфологических и биохимических признаков синдрома LHON значатся: гетероплазмия с нарастанием доли мутантной мтДНК; более высокая доля мутантной мтДНК у больных пациентов, чем в митохондриях здоровых лиц; замена эволюционно консервативной аминокислоты, постоянно присутствующей в нормальном белке.

При анализе семейных родословных у больных часто встречаются точковые мутации мтДНК, последовательно накапливающиеся в поколениях одной семьи, что, по-видимому, происходит в результате снижения эффективности переноса электронов в целом в дыхательной цепи митохондрий.

Болезнь Кирнс-Сэйра

Болезнь Кирнс-Сэйра известна с 1958 г. Большинство случаев спорадические. Характерно начало в первом десятилетии жизни. Основные симптомы: гиперпаратиреоидизм, мозжечковые нарушения (атаксия), нарушение сердечной проводимости, пигментная ретинопатия, прогрессирующая офтальмоплегия. Реже встречаются: гипопаратиреоз, изолированный дефицит гормона роста, низкий рост, сахарный диабет, снижение слуха, судороги, УО. Диагноз ставится при обнаружении лактат-ацидоза и определении в биоптате мышц РКМВ.

При ДНК-анализе выявляются крупные делеции мтДНК (предполагается, что это результат мутации в зиготе).

Болезнь Лея

Болезнь Лея – это подострая некротизирующая энцефаломиелопатия с атаксией, гипотензией, мышечной слабостью, нарушениями дыхания, недостаточной массой тела, пониженной остротой

зрения и слуха. Болезнь манифестирует в период новорожденности или на первом году жизни. Наблюдаются как бессимптомные, так и тяжелые формы. Выделяют неонатальную и позднюю формы. Неонатальная форма характеризуется респираторным дистресссиндромом, мышечной гипотонией, судорогами, трудностями вскармливания. Смерть наступает в первые недели или на первом году жизни ребенка.

Поздняя форма характеризуется апноэ, атрофией зрительных нервов и косоглазием, задержкой роста, мозжечковыми нарушениями, рвотой, судорогами, тетрапарезом.

Молекулярно-генетический дефект – делеция мтДНК, приводящая к дефициту пируватдегидрогеназного комплекса и цитохром С-оксидазы.

Доминантно наследуемая митохондриальная миопатия

Доминантно наследуемая митохондриальная миопатия наиболее часто встречается как форма МТБ с поздним началом. Она манифестирует на третьем десятилетии жизни с проявления офтальмоплегии и слабости мышц верхних и нижних конечностей.

В дальнейшем присоединяется двусторонняя катаракта.

MELAS-синдром

MELAS-синдром также называют синдромом митохондриальной миопатии, энцефалопатии, молочнокислого ацидоза (лактатацидоза) и инсультоподобных эпизодов. Описано более 70 случаев. Синдром развивается до 40-летнего возраста. Характерны: деменция, инсультоподобные приступы, мигренеподобные боли, судороги. Нередки: гемианопсия и гемипарезы, мышечная слабость в конечностях, низкий рост, снижение слуха. У всех больных выявляются лактат-ацидоз и РКМВ в биоптатах мышц. У каждого третьего больного обнаруживаются кальцификаты базальных ганглиев, а у каждого десятого – прогрессирующая наружная офтальмоплегия.

Молекулярно-генетический дефект – точковая мутация мтДНК.

MERRF-синдром

MERRF-синдром – это прогрессирующая миоклональная эпилепсия с РКМВ. Описано 25 случаев. Основные симптомы: деменция, мозжечковые нарушения (прогрессирующая атаксия), нарушение глубокой чувствительности, приступы генерализованных судорог, снижение слуха. Иногда выявляются атрофия зрительных нервов и низкий рост.

На аутопсии – губчатая дегенерация задних отделов головного мозга и спиноцеребеллярного тракта. В биоптате мышц – РКМВ. Молекулярно-генетический дефект – точковая мутация мтДНК (см. также главу 27).

MIMYCA-синдром

MIMYCA-синдром – это синдром кардиомиопатии или миопатии без вовлечения ЦНС. Молекулярно-генетический дефект – точковая мутация мтДНК.

Синдром Альпера

Синдром Альпера – это прогрессирующая детская полидистрофия. Характерны: деменция, дисфункция печени, слепота, спазмы, судороги, обусловленные специфической дегенерацией тканей головного мозга.

Молекулярно-генетический дефект не установлен. Синдром Вольфрама

Синдром Вольфрама характеризуется манифестацией в возрасте от одного года до второго десятилетия жизни. Характерны: атрофия зрительных нервов, задержка психомоторного развития, отставание в росте, пигментная дегенерация сетчатки, сахарный диабет.

Молекулярно-генетический дефект – делеция мтДНК.

Синдром Пирсона

Для синдрома Пирсона характерны: гипопластическая анемия и панцитопения раннего детского возраста в сочетании с атрофией селезенки и фиброзом поджелудочной железы. Болезнь обусловлена делецией мтДНК.

Хроническая прогрессирующая наружная офтальмоплегия Хроническая прогрессирующая наружная офтальмоплегия клинически напоминает синдром Кирнс-Сэйра. Сочетается с блефароптозом, параличом наружных мышц глазного яблока и расстройствами ЦНС. Молекулярно-генетический дефект не установлен.

Подходы к диагностике

Клиническое проявление отдельных форм МТБ может изменяться, например, в случаях «обменов» симптомами между разными нозологиями, что затрудняет их диагностику. Только в последние годы, когда были идентифицированы разные типы мутаций мтДНК, удалось систематизировать нозологии с учетом обусловливающих их развитие молекулярных механизмов, связанных с расстройствами процессов окисления и фосфорилирования в митохондриях, и каждый синдром стал определяться в зависимости от конкретной мутации. Молекулярно-

генетическая диагностика МТБ направлена на идентификацию мутаций мтДНК, включая выявление нуклеотидных замен в генах, кодирующих полипептиды (миссенс-мутации); нуклеотидных замен в генах, кодирующих тРНК; делеций и вставок в мтДНК; мутаций, изменяющих число копий мтДНК. Важными для диагностики являются морфологические изменения в мышечной ткани – РКМВ. Этот признак более свойственен состояниям, обусловленным крупными делециями мтДНК. Основными диагностическими тестами служат:

•  обнаружение в биоптатах тканей гетероплазии или неравномерного распределения митохондрий с мутантной ДНК по тканям в эмбриональном периоде, что ведет к поражению мышц, печени и др.;

•  выявление при ДНК-анализе в клетках разных тканей протяженных делеций или точковых мутаций мтДНК, которые реплицируются быстрее и поэтому быстро накапливаются;

•  повышение концентрации метаболитов (в крови и мышечных биоптатах), являющихся биохимическими маркерами нарушений окислительного фосфорилирования;

•  нарушение активности ферментов дыхательной цепи митохондрий в мышечном биоптате (дефицит дегидрогеназы, цитохромс-оксидазы).

Подходы к лечению

Лечение МТБ в основном симптоматическое. Оно направлено на снятие явлений ацидоза и выведение лактата. Применяемая терапия: жирная диета (без карбонгидратов), витамины С, К и У, кокарбоксилаза, коэнзим Q.

В последние годы был разработан патогенетический подход: стимуляция продукции АТР и снижение токсического воздействия патологических метаболитов.

Такое лечение ведется в соответствии с утвержденными протоколами, предусматривающими ряд обязательных назначений:

•  купирование церебрального лактат-ацидоза дихлоацетатом (таблетки или внутривенные инъекции): соответственно 15 мг несколько раз или 200 мг один раз в день;

•  прием коэнзима Q10 в дозе 100 мг (на три порции в день) с добавлением сукцината или прием идебенола (сходен с коэнзимом Q10);

•  витаминотерапия аскорбатом (витамин С) в дозе 1 г в день, менадионом (витамин КЗ) в дозе 40-80 мг в день, тиамином (300 мг в день), рибофлавином (100 мг в день) и витамином Е (антиоксидант) по 500 мг 2 раза в день.

Оцените статью
yamedik
Добавить комментарий
Adblock
detector