Дефекты гликозилирования

Синдром Уолкера-Варбурга.

   Это наиболее  тяжелая форма нарушения О-маннозилирования, для которой характерна гибель  больного на первом году жизни.  Диагностическими критериями являются  сочетание врожденного порока  головного мозга, обычно описываемой  как Cobblestone (англ. «булыжник») комплекс, мышечной дистрофии и структурных  аномалий глазного яблока ( микроофтальмия  и катаракта ). Cobblestone комплекс  представляет собой комбинацию  лизэнцефалии второго типа, агенезии  мозолистого тела, гипоплазию мозжечка, и увеличение желудочков.

Muscle-eye-brain disease

   Это относительно  мягкая форма врожденной мышечной  дистрофии по сравнению с синдромом  Уолкера-Варбурга и характеризуется  мышечной дистрофией, вовлечением  глаз (врожденная миопия и глаукома, гипоплазия сетчатки без врожденной  катаракты), задержкой развития и  структурными дефектами мозга  разной степени выраженности  от микроцефалии до Cobblestone комплекса.

Врожденная  мышечная дистрофия  Фукуямы

   Практически  все известные случаи данного  заболевания описаны в Японии. Подобно muscle-eye-brain diseases и синдрому  Уолкера-Варбурга, врожденная мышечная  дистрофия Фукуямы также характеризуется  поражением мышц и головного  мозга, правда менее тяжелым.  Глазное яблоко вовлекается редко.

Врожденная  мышечная дистрофия  тип 1С и limb-girdle muscular dystrophy

  Это два заболевания причиной, которых является мутация в одном гене - гене фукутин-связанного белка, причем мутация более тяжелая у пациентов с врожденной мышечной дистрофией типа 1С. При этих заболеваниях интеллект и томография мозга в норме. Различия состоят в том, что при врожденный мышечной дистрофии клинические проявления ведущие к невозможности ходить являются врожденными, тогда как при limb-girdle muscular dystrophy type 2I, мышечная слабость появляется в подростковом возрасте или даже у взрослых, при этом способность ходить сохранена. Было описано четыре пациента с более тяжелой формой врожденной мышечной дистрофией типа 1С, с отставанием развития, аномалиями мозга на МРТ различной степени выраженности от мозжечковых кист до Cobblestone лизэнцефалии. Последний из описанных пациентов имел также микрофтальмию и диагноз синдрома Уолкера-Варбурга.

Врожденная  мышечная дистрофия  тип ID

  Недавно был описан единственный пациент с врожденным началом мышечной дистрофии, тяжелой задержкой развития, и изменениями белого вещества мозга на МРТ  

N- и O- связанные  дефекты гликозилирования

ВНГ-IIc

   При ВНГ-IIc могут присутствовать оба N- и  O- связанные дефекты гликозилирования. Описано пять пациентов с ВНГ-IIc. Изначально эта форма заболевания  описывалась, как недостаточность  лейкоцитарной адгезии второго  типа, у этих пациентов отмечались  рецидивирующие бактериальные инфекции  и их персистенция, лейкоцитоз  в периферической крови. Кроме  того у них отмечалась тяжелая  задержка роста и отставание  в развитии, гипотония, микроцефалия и дисморфичность включающая в себя плоское лицо с низкой широкой переносицей и длинными ресницами.

COG7 недостаточность

   Описаны  два сибса с дефектом COG7, субъединицей сохраненного олигомерного комплекса Гольджи. Этот комплекс важен для работы транспортной системы комплекса Гольджи и его дефект ведет к нарушению многих путей гликозилирования. Эти сибсы были дисморфичны с диспластичными низко расположенными ушами, микрогнатией, и короткой шей. У них также отмечалась складчатая кожа, скелетные аномалии, гипотония, гепатоспленомегалия, нарастающая желтуха, судороги и ранняя смерть.

Cutis laxa TYPE I

   Описаны три пациента с задержкой развития, микроцефалией, глухотой, и пахигирией на томограммах мозга. У этих пациентов отмечалось аномальное изоэлектрическое фокусирование трансферрина, вызванное дефектом N-связанного гликозилирования. К тому же у них имелась аномалия гликозилирования О-гликозилированного белка апопротеина C-III.

Выводы

   Область  дефектов гликозилирования быстро  расширяется, что связанно с  повышением уровня клинических  знаний и биохимических технологий. Клинический спектр дефектов, как  N- так и О-связанного гликозилирования  чрезвычайно широк, перспективен  клинический скрининг для этих  дефектов в различных клинических  ситуациях. Следует отметить, что найдено около 500 генов, участвующих в синтезе и функционировании гликопротеинов и похоже, что еще большее количество дефектов предстоит идентифицировать. Подводя суммарный итог нужно отметить также роль биологии гликозилирования в изучении этих заболеваниях. 

Гликирование  белков

    Гликирование (присоединение сахара) есть разновидность посттрансляционной модификации белков. В процессе гликирования происходит изменение стереохимической конфигурации жизненно важных макромолекул - гликоконъюгатов (ГК), что ведёт к модификации межклеточного узнавания, нарушениям иммунного ответа, ассоциации и агрегации отдельных клеток, возникновению новообразований.

    Установлено, что к ГК относятся транспортные белки, ферменты, гормоны, антитела, другие биологически важные вещества. Наиболее значимой в нарушении углеводного обмена является свободная фракция НвА1с. У здоровых людей эта фракция составляет 4-8% общего (недиабетический диапазон, как правило, менее 6,5%) (28). В настоящее время принято, что по содержанию в крови НвА1с, всегда повышенном при СД, степень компенсации заболевания и, соответственно, риск осложнений следует определять по следующим критериям (39,41,53): норма 4,8-7,8%, 7,8-10% - субкомпенсация СД, более 10% - декомпенсация СД. В основном, степень гликирования зависит от концентрации глюкозы, поэтому повышается гликирование при гипергликемических эпизодах при СД и/или при нарушении толерантности (переносимости) глюкозы.

    Гликирование может протекать в виде как ферментативного, так и неферментативного процесса. В преобразованиях ГК принимают участие в определённой последовательности сотни разнообразных ферментов. Изменение активности одного из них в цепи ферментативных реакций может привести к нарушениям в этих процессах. Большинство ферментов относятся к классам трансфераз и гидролаз.

   Неферментативное гликирование приводит к появлению разнообразных токсичных продуктов и реактивных предшественников, которые участвуют, например, в патогенезе сахарного диабета (СД) и болезни Альцгеймера, а также в процессах нормального старения организма.  

Процессы  гликирования белков при хронической гипергликемии

    Сахарный диабет - это синдром хронической гипергликемии, развивающийся в результате воздействия генетических и экзогенных факторов. Является одним из наиболее частых эндокринных заболеваний человека, включая детей и подростков. 50% СД диагностируется ранее четырнадцатилетнего возраста. У людей, даже хорошо контролируемых, неизбежно накапливаются гликированные протеины в тканях. Общеизвестно, что они играют большую роль в развитии диабетических осложнений и развитии аналогичных симптомов при нормальном старении. На сегодняшний день известно, что процесс физиологического старения кожи имеет следующий механизм - нарушение структуры эластических волокон вызывает их скручивание и деградацию, что приводит к повреждению стенок микрососудов с последующим их расширением и атрофией в зависимости от функционального состояния их клеток.

В исследованиях  на культурах клеток продемонстрировано, что при высоких концентрациях  глюкоза с помощью фермента альдозоредуктазы превращается в сорбитол. Кроме того, сорбитол не диффундирует через мембрану клетки, что и является причиной повышения внутриклеточной его  концентрации. Накопление сорбитола  в клетке приводит к осмотическому  стрессу. Именно этим объясняется нарушение  зрения, часто наблюдаемое у больных  сахарным диабетом при манифестации заболевания вскоре после начала инсулинотерапии. Нарушение углеводного  обмена и гипергликемия, которая  развивается до клинических проявлений сахарного диабета, приводят к увеличению обмена глюкозы по полиоловому пути и накоплению сорбитола и осмотическому отеку хрусталика глаза. Нарушается способность хрусталика к аккомодации. Однако нарушения зрения не наблюдается, так как мышцы глаза полностью компенсируют такую недостаточность хрусталика, которая развивается в течение длительного времени. Манифестация сахарного диабета и применение инсулинотерапии сравнительно быстро приводят к компенсации сахарного диабета и, естественно, к ингибированию полиолового пути обмена глюкозы и снижению концентрации сорбитола в хрусталике, т.е. к восстановлению функции хрусталика. Однако восстановление функции глазных мышц запаздывает, что и проявляется ухудшением зрения. Учитывая, что такие нарушения совпадают с началом инсулинотерапии, больные расценивают этот факт как побочное действие вводимого инсулина. Указанные явления со стороны зрения проходят самостоятельно через несколько дней. Перед началом инсулинотерапии больных необходимо предупредить о возможном ухудшении зрения и что это не связано с побочным действием инсулина и не требует лечения. Тем не менее, повышение содержания сорбитола в хрусталике при длительной декомпенсации диабета может способствовать развитию катаракты, которая у больных диабетом развивается в более молодом возрасте по сравнению с лицами без диабета.

    Исследования на животных с экспериментальным диабетом подтверждают значение повышенного образования сорбитола в патогенезе осложнений диабета. Нарушение функции периферических нервов и повышение скорости клубочковой фильтрации, которая наблюдается у животных с различными моделями диабета, нормализуется после назначения таким животным сорбинила — ингибитора альдозоредуктазы. Однако применение ингибиторов альдозоредуктазы для лечения поздних осложнений диабета не сопровождается столь значительными положительными эффектами, которые выявляются у диабетических животных.

Основная роль в развитии сосудистых осложнений диабета  принадлежит неферментативному  аутоокислительному гликозилированию и окислительному стрессу, вызванному нарушением углеводного обмена. Указанные  нарушения способствуют усилению процессов  пероксидации липидов и изменению  качественных характеристик липопротеидов  с их накоплением в пенистых клетках, являющихся основой атеросклеротического поражения крупных сосудов. Модифицированные липопротеиды также принимают участие  в повреждении эндотелиальных клеток, способствуя развитию микроангиопатии. 

Поздние осложнения сахарного  диабета

  Поздние осложнения сахарного диабета связаны прежде всего с повреждением кровеносных сосудов (диабетические ангиопатии). Основной механизм повреждения тканей - гликирование белков, неферментативная реакция глюкозы со свободными аминогруппами белковой молекулы (Лиз, Арг, N-концевая аминокислота).

    При этом образуется нестабильная альдиминовая группировка, которая может превращаться в ряд других, более стабильных соединений ("ранние продукты гликозилирования"). Понятно, что при этом функции белка могут быть нарушены в результате изменения заряда белковой молекулы, ее конформации или блокирования активного центра. У больных диабетом в состоянии гипергликемии содержание одного из гликозилированных гемоглобинов - HBA1c - в течение 2 -3 недель увеличивается в 2 - 3 раза.

    Степень гликозилирования разных белков неодинакова; в основном она зависит от скорости обновления данного белка. В медленно обменивающихся белках накапливается больше модифицированных аминогрупп. Кроме того, в таких белках происходят дальнейшие изменения углеводных остатков - перестройки структуры, окислительные превращения, в результате которых образуются разнообразные "поздние продукты гликозилирования" (ППГ), часто коричневого цвета, флуоресцирующие, и некоторые из них обладают высокой реакционной активностью и способностью дополнительно повреждать белки, в т. ч. образовывать поперечные сшивки между молекулами белков. К медленно обменивающимся белкам относятся многие белки соединительно-тканных образований, межклеточного матрикса, базальных мембран. К тому же белки этих структур непосредственно контактируют с межклеточной жидкостью, в которой концентрация глюкозы такая же, как в крови (в клетках она обычно гораздо ниже в результате использования глюкозы в метаболических процессах). В этих структурах ППГ накапливается с возрастом, и накопление сильно ускоряется при сахарном диабете.

    ППГ-белки могут гидролизоваться макрофагами или межклеточными протеолитическими системами с образованием ППГ-пептидов, часто длиной около 30 аминокислотных остатков. ППГ-белки, и особенно образующиеся в результате их гидролиза ППГ-пептиды, попадают и в кровоток. Концентрация ППГ-пептидов в крови резко повышается при почечной недостаточности разного происхождения, в том числе при диабетической нефропатии.

    ППГ проявляют многообразную биологическую активность: повышают проницаемость эндотелиальных клеток, соединяются с рецепторами макрофагов, эндотелиальных и мезангиальных клеток, активируют макрофаги к секреции цитокинов, подавляют образование NO и ингибируют расширение сосудов. В крови больных диабетом обнаруживаются антитела к ППГ-пептидам.

    При сахарном диабете инсулин-глюкагоновый индекс снижен. Это связано не только с уменьшением секреции инсулина, но и с увеличением секреции глюкагона (инсулин ингибирует секрецию глюкагона). В результате ослаблена стимуляция процессов складирования и усилена стимуляция мобилизации запасов, усилена настолько, что печень, мышцы, жировая ткань даже после приема пищи функционируют в режиме постабсорбтивного состояния.  Продукты переваривания, а также их метаболиты, вместо того, чтобы складироваться в форме гликогена и жиров, циркулируют в крови. Вероятно, в какой-то мере происходят и затратные циклические процессы типа одновременно протекающих гликолиза и глюконеогенеза, или синтеза и распада жиров и т.п.

    Для всех форм сахарного диабета характерна сниженная толерантность к глюкозе, т.е. гиперглюкоземия после приема пищи или даже и натощак. При концентрации глюкозы в крови больше 180 мг/дл наступает глюкозурия. Повышена концентрация в крови липопротеинов, свободных жирных кислот, кетоновых тел. В свою очередь гиперглюкоземия является основной причиной как острых, так и поздних осложнений диабета.

    Коматозные состояния (острые осложнения) при диабете развиваются в результате нарушения обмена глюкозы и жиров,  при сахарном диабете могут быть разного патогенеза. Различают три основные формы:

1. кетоацидотическая  кома, с абсолютной инсулиновой  недостаточностью 

2. гиперосмолярная  кома, с умеренной недостаточностью  инсулина 

3. лактатацидотическая  кома, с выраженной гипоксией,  сепсисом, сердечно-сосудистым шоком.

    Кроме того, при инсулинотерапии сахарного диабета может быть гипогликемическая кома, связанная с передозировкой инсулина. Первые три состояния могут развиваться не только при сахарном диабете, но и при действии многих других факторов (токсических, инфекционных и др.).