Нарушения белкового обмена. Болезни, обусловленные нарушением синтеза функционирования белков

(учебно-методическое пособие для самостоятельной работыстудентов)

координационным методическим Советом Казанского государственного медицинского университета

ПАТОЛОГИЯ БЕЛКОВОГО ОБМЕНА (учебно-методическое пособие для самостоятельной работы студентов). Казань 2006. - 20 с.

Составители: проф. М.М.Миннебаев, Ф.И.Мухутдинова, проф. Бойчук СВ., доц. Л.Д.Зубаирова, доц. А.Ю.Теплов.

Рецензенты: проф. А.П.Цибулькин проф. Л.Н.Иванов

В связи с многообразием функций белков, их своеобразной «вездесущностью» белковый обмен является достаточно ранимым звеном в обмене веществ. Соответственно, при многих патологических процессах первичные и вторичные нарушения в различных звеньях белкового обмена занимают существенное место в их патогенезе и в конечном итоге определяют степень реализации защитно-приспособительных реакций и адаптивных механизмов.

Методпособие составлено с учетом соответствующего раздела программы патологической физиологии.

Введение

Все белки находятся в состоянии непрерывного активного метаболизма - распада и синтеза. Обменом белка обеспечивается вся пластическая сторона жизнедеятельности организма. В зависимости от возраста имеет место положительный и отрицательный азотистый баланс. В молодом возрасте преобладает положительный азотистый баланс (усиленный рост), а в зрелом и пожилом возрастах - состояние динамического азотистого равновесия, то есть стабилизирующий синтез, поддерживающий морфологическую целостность организма. В более пожилом возрасте - преобладание катаболических процессов. Регенерационный синтез, встречающийся в патологии, тоже является примером положительного азотистого баланса. За недельный период времени в печени обновляется до 50% азота, а в скелетной мускулатуре за это же время обновляется лишь 2,5%.

Патология белкового обмена - это патология соответствия процессов синтеза и распада белков. Основная патология белкового обмена - общая белковая недостаточность, которая характеризуется отрицательным азотистым балансом. Наряду с возможностью развития этой общей формы нарушения белкового обмена, такое же нарушение может иметь место и в отношении отдельных видов белков (нарушение синтеза какого-либо вида белка в целом организме или в каком-нибудь органе).

Межуточное звено в белковом обмене - нарушение обмена аминокислот. К патологии белкового обмена относится также нарушение образования и выведения конечных продуктов в белковом обмене (то есть патология собственно азотистого обмена).

Общая белковая недостаточность

Она может иметь алиментарное происхождение, или вследствие нарушения нейроэндокринных механизмов синтеза и распада, или клеточных механизмов синтеза и распада. Возникновение алиментарной общей белковой недостаточности объясняется:

1. Запасные формы белков в организме отсутствуют (как это имеет место в углеводном и жировом обменах);

Азот животной клеткой усваивается лишь в форме аминогрупп, аминокислот;

Углеродные скелеты независимых аминокислот имеют отличительную структуру и не могут быть синтезированы в организме. Отсюда белковый обмен зависит от поступления аминокислот извне с пищей. Обмен аминокислот взаимосвязан с обменом энергетических веществ. Продукты аминокислот также могут быть использованы как энергетический материал - это глюкогенные и кетогенные аминокислоты. С другой стороны, синтез белков всегда сопряжен с использованием энергии.

Если поступление энергетических материалов не обеспечивает потребность организма, то на энергетические нужды используются белки. Так, при поступлении лишь 25% всего необходимого энергетического материала (глюкозы, жиров), весь поступивший с пищей белок используется как энергетический материал. В этом случае анаболическая ценность белков равна нулю. Отсюда, недостаточное поступление жиров, углеводов приводит к нарушению обмена белков. Витамины В 6 , В 12 , С, А являются коферментами ферментов, осуществляющие биосинтетические процессы. Отсюда - витаминная недостаточность тоже вызывает нарушения в обмене белков.

При недостаточности поступления белков или переключение их на энергетические рельсы (как результат недостаточного поступления жиров или углеводов) происходят следующие явления:

1. Резко ограничивается интенсивность анаболических процессов активного метаболизма белковых структур и уменьшается количество выделяющегося азота;

2. Перераспределение эндогенного азота в организме. Это факторы приспособления к недостатку белка.

Избирательная белковая недостаточность (белковое голодание) - в этих условиях на первый план выступает ограничение выведения азота и перераспределение его в организме. При этом выявляется неоднородность нарушений в белковом обмене в разных органах: активность ферментов ЖКТ

резко ограничивается, а синтез катаболических процессов не нарушается. При этом белки сердечной мышцы все же страдают меньше. Активность ферментов дезаминирования падает, а ферменты трансаминирования свою активность сохраняют значительно дольше. Образование эритроцитов в костном мозгу длительное время сохраняется, а образование глобина в структуре гемоглобина нарушается очень рано. В эндокринных железах - развиваются атрофические изменения. В клинике в основном встречается неполное белковое голодание.

Причинами неполного белкового голодания (частичной недостаточности) являются: а) нарушение усвоения белков; б) непроходимость ЖКТ; в) хронические заболевания с понижением аппетита. При этом белковый обмен нарушается как в результате недостаточного их поступления, так и использования белков как энергетического материала. На этом фоне приспособительные процессы в какой-то мере компенсирует белковый дефицит, поэтому белкового истощения долго не развивается и азотистый баланс длительное время сохраняется (безусловно, хотя и на низком уровне). В результате снижения метаболизма белков, структура и функция многих органов нарушается (происходит потеря белка структур печени, кожи, скелетной мускулатуры). Следует отметить, что при этом имеет место относительное сохранение синтеза одних белков при нарушении синтеза других видов белков. Ограничивается синтез плазменных белков, антител, ферментов (в том числе пищеварительного тракта, что ведет к вторичному нарушению усвоения белков). Как результат нарушения синтеза ферментов углеводного и жирового обменов нарушаются метаболические процессы в обмене жиров и углеводов. Приспособление к неполному белковому голоданию лишь относительное (в особенности у растущих организмов). У молодых организмов приспособительное снижение

интенсивности белкового обмена (замедления метаболизма) менее совершенно, чем у взрослых. В условиях регенерации и реконвалесценции длительное время не наблюдается полного восстановления структуры и, длительно не заживают раны. Таким образом, при длительном неполном голодании может наступить выраженное белковое истощение и гибель. Неполное белковое голодание встречается часто с нарушением усвоения

белков, что имеет место при любых комбинациях изменений скорости гидролиза, продвижения пищевых масс и всасывания этих продуктов - чаще всего при различных формах нарушения секреторной функции ЖКТ, деятельности поджелудочной железы и при патологии стенки тонкого кишечника. Функция желудка в гидролизе белков заключается:

1. Эндопептидаза - пепсин - разрывает внутренние пептидные связи, в результате чего образуются полипептиды.

2. Резервирующая роль и порционное поступление пищевой массы в нижележащие отделы ЖКТ (этот процесс нарушается при ускорении перистальтики). Эти две функции желудка нарушаются при ахилических состояниях, при снижении активности пепсина (или мало секретируется пепсиногена): уменьшается набухание пищевых белков, и пепсиноген плохо активируется. В конечном итоге возникает относительная недостаточность гидролиза белков.

Нарушение усвоения белков в верхних отделах ЖКТ может быть: при недостатке панкреатического сока (панкреатит). Причем, нарушение активности трипсина может быть первичное или вторичное. Может иметь место недостаточная активность и недостаточное количество кишечного сока, так как в нем содержится энтерокиназа, активирующая превращение трипсиногена в трипсин, химотрипсиногена в химотрипсин. Недостаточная активность или количество трипсина в свою очередь приводит к нарушению действия и кишечных протеолитических ферментов - экзопептидаз кишечного сока: аминополипептидаз и дипептидаз, которые отщепляют отдельные аминокислот.

При энтероколитах, сопровождающихся снижением сокоотделения, ускоренной моторикой и нарушением всасывания слизистой тонкого кишечника, развивается комплексная недостаточность усвоения белка. Особое значение имеет ускоренная перистальтика, так как нарушается контакт химуса и кишечной стенки (этим самым нарушается пристеночное пищеварение, которое важно для отщепления аминокислот и последующего всасывания). Процесс всасывания в кишечнике активный процесс: 1. Адсорбция аминокислот на поверхности слизистой кишечника; мембрана эпителиальных клеток содержит

много липидов, что снижает отрицательный заряд слизистой. 2. Ферменты, участвующие в транспорте аминокислот (фосфоамидаза, возможно также и трансфераза) через эпителий кишечника, вероятно, имеет групповую принадлежность (то есть для разных групп аминокислот существуют разные транспортные системы, так как между аминокислотами при всасывании создаются конкурентные взаимоотношения). При энтероколитах отечное состояние слизистой, ускорение моторики и ослабление энергетического обеспечения процесса всасывания нарушают всасывание в кишечнике. Таким образом, нарушается качественная сбалансированность поступающих аминокислот (неравномерное во времени всасывание отдельных аминокислот, нарушение соотношения аминокислот в крови - дисбаланс). Развитие дисбаланса между отдельными аминокислотами при патологии усвоения возникает потому, что всасывание отдельных аминокислот идет в разное время в процессе пищеварения по мере отщепления аминокислот. Скажем, тирозин и триптофан отщепляются уже в желудке. Весь переход в аминокислоты пищевых белков осуществляется за 2 часа (за это время они уже в крови появляются), а при патологии этот период удлиняется. Из крови аминокислоты попадают в клетки, где или используются для синтеза или же дезаминируются. А для прохождения синтеза нужно, чтобы все партнеры аминокислот были одновременно вместе и в определенных соотношениях. При нарушении процессов же всасывания нарушается это соотношение и аминокислоты идут не на синтез белков, а по пути дезаминирования и деградируют. Наступает аминокислотный дисбаланс. Такое явление наступает и при питании только одним видом пищевого белка (однообразное питание). Состояние дисбаланса и нарушение синтеза может проявиться в развитии интоксикации (при перегрузке организма какими-либо отдельными видами аминокислот, они оказывают токсический эффект, или в результате избыточного дезаминирования). Отдельные аминокислоты при распаде образуют токсические продукты. В конце концов, возникает общий дефицит белка как результат недостаточного поступления его или нарушения переваривания и всасывания и т.д. Другой стороной дисбаланса является нарушение белкового обмена при избирательной

недостаточности отдельных аминокислот (имеется в виду, незаменимых) и тут преимущественно нарушается синтез белка, в составе которого данная аминокислота преобладает. Это аминокислотная недостаточность. Итак, алиментарные нарушения белкового обмена могут быть связаны с количественным недостатком, качественным однообразием, количественным дефицитом отдельных аминокислот, с количественным преобладанием отдельных аминокислот - все они объединяются в понятии дисбаланс.

Нарушения нейрогуморальных процессов также могут лежать в основе нарушения процессов синтеза и распада белка. У высокоразвитых животных регуляция синтеза белка осуществляется нервной системой и гормонами. Нервная регуляция идет двумя путями: 1. Прямого воздействия (трофическая). 2. Через опосредованные воздействия - через гормоны (изменение функции эндокринных желез, гормоны которых имеют непосредственное отношение к обмену белка).

Классификация видов белкового синтеза и гормональная

Белки являются теми химическими соединениями, деятельность которых ведет к формированию нормальных признаков здорового организма. Прекращение синтеза того или иного белка или изменение его структуры ведет к формированию патологических признаков и развитию болезней. Назовем несколько заболеваний, обусловленных нарушением структуры или интенсивности синтеза белков.

Классическая гемофилия обусловлена отсутствием в плазме крови одного из белков, участвующих в свертывании крови; у больных людей наблюдается повышенная кровоточивость
Серповидноклеточная анемия обусловлена изменением первичной структуры гемоглобина: у больных людей эритроциты имеют серповидную форму, число эритроцитов уменьшено в результате ускоренного процесса их разрушения; гемоглобин связывает и переносит меньшее, чем в норме, количество кислорода.
Гигантизм обусловлен повышенным количеством гормона роста; больные имеют чрезмерно высокий рост.
Дальтонизм обусловлен отсутствием пигмента колбочек сетчатки, участвующем в формировании восприятия цвета; дальтоники не различают некоторые цвета.
Диабет связан с так называемой недостаточностью гормона инсулина, которая может быть обусловлена разными причинами: уменьшением количества или изменением строения выделяемого инсулина, уменьшением количества или изменением структуры рецептора инсулина. У больных людей наблюдается повышенное количество глюкозы в крови и развиваются сопутствующие этому патологические признаки.
Злокачественная холестеринемия обусловлена отсутствием в цитоплазматической мембране клеток нормального рецепторного белка, узнающего транспортный белок, переносящий молекулы холестерина; в организме больных нужный клеткам холестерин не проникает в клетки, а в больших количествах скапливается в крови, откладывается в стенке кровеносных сосудов, что ведет к их сужению и быстрому развитию гипертонии в раннем возрасте.

Прогрессирующая ксеродерма обусловлена нарушением работы ферментов, которые в норме осуществляют восстановление в клетках кожи участков ДНК, повреждающихся УФ-лучами; больные не могут находиться на свету, так как в этих условиях у них возникают многочисленные кожные язвы и воспаление.

8. Муковисцидоз обусловлен изменением первичной структуры белка, формирующего в наружной плазматической мембране канал для ионов СГ; у больных в воздухоносных путях скапливается большое количество слизи, что ведет к развитию заболеваний органов дыхания.

2. Протеомика

Ушедший XX век характеризовался возникновением и бурным развитием научных дисциплин, которые расчленяли биологическое явление на составляющие его компоненты и стремились объяснить явления жизни через описание свойств молекул, в первую очередь биополимеров, входящих в состав живых организмов. Этими науками были биохимия, биофизика, молекулярная биология, молекулярная генетика, вирусология, клеточная биология, биоорганическая химия. В настоящее время развиваются научные направления, которые пытаются, исходя из свойств составляющих, дать целостную картину всего биологического явления. Для этой новой, интегративной стратегии познания жизни требуется громадный объем дополнительной информации. Науки нового века - геномика, протеомика и биоинформатика уже начали поставлять для нее исходный материал.

Геномика биологическая дисциплина, изучающая структуру и механизм

функционирования генома в живых системах. Геном - совокупность всех генов и межгенных участков любого организма. Структурная геномика изучает строение генов и межгенных участков, играющих большое значение в регуляции активности генов. Функциональная геномика изучает функции генов, функции их белковых продуктов. Предметом изучения сравнительной геномики являются геномы разных организмов, сравнение которых позволит понять механизмы эволюции организмов, неизвестные функции генов. Геномика возникла в начале 90-х годов XX века вместе с проектом "Геном человека". Задача этого проекта состояла в том, чтобы определить последовательность всех нуклеотидов в геноме человека с точностью до 0,01%. К концу 1999 года полностью раскрыто строение генома многих десятков видов бактерий, дрожжей, круглого червя, дрозофилы, растения арабидопсиса. В 2003 году расшифрован геном человека. Геном человека содержит около 30 тысяч белок-кодирующих генов. Только для 42% из них известна их молекулярная функция. Оказалось, что с дефектами генов и хромосом связано лишь 2% всех наследственных заболеваний; 98% заболеваний связаны с нарушением регуляции нормального гена. Гены проявляют свою активность в синтезируемых белках, выполняющих в клетке и организме различные функции.

В каждой конкретной клетке в определенный момент времени функционирует определенный набор белков - протеом. Протеомика - наука, изучающая совокупность белков в клетках при разных физиологических состояниях и в разные периоды развития, а так же функции этих белков. Между геномикой и протеомикой есть существенная разница - геном стабилен для данного вида, тогда как протеом индивидуален не только для разных клеток одного организма, но и для одной клетки в зависимости от ее состояния (деление, покой, дифференцировка т.д.). Множество протеомов, свойственное многоклеточным организмам, создает огромную трудность их изучения. Пока даже неизвестно точное число белков в человеческом организме. По некоторым оценкам их сотни тысяч; лишь несколько тысяч белков уже выделены, еще меньшая их часть подробно изучена. Идентификация и описание белков - это чрезвычайно сложный технически процесс, требующий комбинации биологических и компьютерных методов анализа. Однако разрабатываемые в последние годы методы выявления продуктов активности генов – молекул иРНК и белков - позволяют надеяться на быстрый прогресс в этой области. Уже сейчас созданы методы, позволяющие одновременно выявлять сотни клеточных белков одновременно и сравнивать белковые наборы в разных клетках и тканях в норме и при разных патологиях. Одним из таких методов является использование биологических чипов, позволяющих обнаруживать в изучаемом объекте сразу тысячи разных веществ: нуклеиновых кислот и белков. Открываются большие возможности для практической медицины: имея протеомную карту, подробный атлас всего комплекса белков, врачи наконец получат долгожданную возможность лечить само заболевание, а не симптомы.

Геномика и протеомика оперирует с такими огромными массивами информации, что возникла острая потребность в биоинформатике - науке, которая собирает, сортирует, описывает, анализирует и перерабатывает новую информацию о генах и белках. Используя математические методы и вычислительную технику, ученые строят генные сети, моделируют биохимические и иные клеточные процессы. Через 10-15 лет геномика и протеомика достигнут такого уровня, что станет возможным изучать метаболом - комплексную схему взаимодействий всех белков в живой клетке. Эксперименты на клетках и организме будут заменены на опыты с компьютерными моделями. Появится возможность создания и применения индивидуальных лекарственных средств, разработки индивидуальных профилактических мероприятий. Особенно сильное влияние новые знания окажут на биологию развития. Станет возможным получать целостное и вместе с тем достаточно детализированное представление об индивидуальных клетках, начиная от яйцеклетки и сперматозоида и вплоть до дифференцированных клеток. Это позволит впервые на количественной основе следить за взаимодействием индивидуальных клеток на разных стадиях эмбриогенеза, что всегда было заветной мечтой ученых, изучающих биологию развития. Открываются новые горизонты в решении таких проблем как канцерогенез и старение. Достижения геномики, протеомики и биоинформатики окажут решающее влияние на теорию эволюции и систематику организмов.
3. Белковая инженерия
Физические и химические свойства природных белков часто не удовлетворяют условиям, в которых эти белки будут использоваться человеком. Требуется изменение его первичной структуры, которое обеспечит формирование белка с иной, чем прежде, пространственной структурой и новыми физико-химическими свойствами, позволяющими и в иных условиях выполнять присущие природному белку функции. Конструированием белков занимается белковая инженерия. Для получения измененного белка используют методы комбинаторной химии и осуществляют направленный мутагенез - внесение специфических изменений в кодирующие последовательности ДНК, приводящие к определенным изменениям в аминокислотных последовательностях. Для эффективного конструирования белка с заданными свойствами необходимо знать закономерности формирования пространственной структуры белка, от которой зависят его физико-химические свойства и функции, то есть необходимо знать как первичная структура белка, каждый его аминокислотный остаток влияет на свойства и функции белка. К сожалению, для большинства белков неизвестна третичная структура, не всегда бывает известно, какую именно аминокислоту или последовательность аминокислот нужно изменить, чтобы получить белок с нужными свойствами. Уже сейчас ученые с помощью компьютерного анализа могут предсказывать свойства многих белков, исходя из последовательности их аминокислотных остатков. Подобный анализ значительно упростит процедуру создания нужных белков. Пока же для того, чтобы получить измененный белок с нужными свойствами, идут в основном иным путем: получают несколько мутантных генов и находят тот белковый продукт одного из них, который обладает нужными свойствами.

Для направленного мутагенеза используют разные экспериментальные подходы. Получив измененный ген, его встраивают в генетическую конструкцию и вводят ее в прокариотические или эукариотические клетки, осуществляющие синтез белка, кодируемого этой генетической конструкцией. Потенциальные возможности белковой инженерии заключаются в следующем.

Изменив прочность связывания преобразуемого вещества - субстрата - с ферментом, можно повысить общую каталитическую эффективность ферментативной реакции.
Повысив стабильность белка в широком диапазоне температур и кислотности среды, можно использовать его в условиях, при которых исходный белок денатурирует и теряет свою активность.
Создав белки, способные функционировать в безводных растворителях, можно осуществлять каталитические реакции в нефизиологических условиях.

4.Изменив каталитический центр фермента, можно повысить его специфичность и уменьшить число нежелательных побочных реакций

5.Повысив устойчивость белка к расщепляющим его ферментам, можно упростить процедуру его очистки.

б.Изменив белок таким образом, чтобы он мог функционировать без обычного для него неаминокислотного компонента (витамина, атома металла и т.п.), можно использовать его в некоторых непрерывных технологических процессах.

7.Изменив структуру регуляторных участков фермента, можно уменьшить степень его торможения продуктом ферментативной реакции по типу отрицательной обратной связи и тем самым увеличить выход продукта.

8.Можно создать гибридный белок, обладающий функциями двух и более белков. 9.Можно создать гибридный белок, один из участков которого облегчает выход гибридного белка из культивируемой клетки или извлечение его из смеси.

Познакомимся с некоторыми достижениями генной инженерии белков.

1.Заменив несколько аминокислотных остатков лизоцима бактериофага Т4 на цистеин получен фермент с большим числом дисульфидных связей, благодаря чему этот фермент сохранил свою активность при более высокой температуре.

2.Замена остатка цистеина на остаток серина в молекуле р-интерферона человека, синтезируемого кишечной палочкой, предотвращала образование межмолекулярных комплексов, при котором примерно в 10 раз уменьшалась противовирусная активность этого лекарственного средства.

3.Замена остатка треонина в положении 51 на остаток пролина в молекуле фермента тирозил-тРНК-синтетазы повысило каталитическую активность этого фермента в десятки раз: он стал быстрее присоединять тирозин к тРНК, переносящей эту аминокислоту в рибосому в ходе трансляции.

4.Субтилизины - богатые серином ферменты, расщепляющие белки. Они секретируются многими бактериями и широко используются человеком для биодеградации. Они прочно связывают атомы кальция, повышающие их стабильность. Однако в промышленных процессах присутствуют химические соединения, которые связывают кальций, после чего субтилизины теряют свою активность. Изменив ген, ученые удалили из фермента аминокислоты, участвующие в связывании кальция, и заменили одну аминокислоту на другую с целью повышения стабильности субтилизина. Измененный фермент оказался стабильным и функционально активным в условиях, близких к промышленным.

5.Была показана возможность создания фермента, функционирующего по типу рестриктаз, расщепляющих ДНК в строго определенных местах. Ученые создали гибридный белок, один фрагмент которого узнавал определенную последовательность нуклеотидных остатков в молекуле ДНК, а другой расщеплял ДНК в этом участке.

6.Активатор тканевого плазминогена - фермент, который используют в клинике для растворения сгустков крови. К сожалению, он быстро выводится из системы кровообращения и его приходится вводить повторно или в больших дозах, что приводит к побочным эффектам. Внеся три направленные мутации в ген этого фермента, получили долгоживущий фермент, обладающий повышенным сродством к разрушаемому фибрину и с такой же фибринолитической активностью, как у исходного фермента.

7.Произведя замену одной аминокислоты в молекуле инсулина, ученые добились того, что при подкожном введении этого гормона больным, страдающим диабетом, изменение концентрации этого гормона в крови было близко к физиологическому, возникающему после приема пищи.

8.Существует три класса интерферонов, обладающих противовирусной и противораковой активностью, но проявляющих разную специфичность. Заманчиво было создать гибридный интерферон, обладающий свойствами интерферонов трех типов. Были созданы гибридные гены, включающие в себя фрагменты природных генов интерферонов нескольких типов. Часть этих генов, будучи встроенными в бактериальные клетки, обеспечивали синтез гибридных интерферонов с большей, чем у родительских молекул, противораковой активностью.

9.Природный гормон роста человека связывается не только с рецептором этого гормона, но и с рецептором другого гормона - пролактина. Для того, чтобы избежать нежелательных побочных эффектов в процессе лечения, ученые решили устранить возможность присоединения гормона роста к пролактиновому рецептору. Они добились этого, заменив некоторые аминокислоты в первичной структуре гормона роста с помощью генетической инженерии.

10. Разрабатывая средства против ВИЧ-инфекции, ученые получили гибридный белок, один фрагмент которого обеспечивал специфическое связывание этого белка только с пораженными вирусом лимфоцитами, другой фрагмент осуществлял проникновение гибридного белка внутрь пораженной клетки, а еще один фрагмент нарушал синтез белка в пораженной клетке, что приводило к ее гибели.

Таким образом, мы убедились в том, что, изменяя специфические участки белковой молекулы, можно придавать новые свойства уже существующим белкам и создавать уникальные ферменты.

Белки являются основной мишенью для лекарственных средств. Сейчас известно около 500 мишеней для действия лекарств. В ближайшие годы их число возрастет до 10 000, что позволит создать новые, более эффективные и безопасные лекарства. В последнее время разрабатываются принципиально новые подходы поиска лекарственных средств: в качестве мишеней рассматриваются не одиночные белки, а их комплексы, белок-белковые взаимодействия и фолдинг белков.

Тепловой шок развивающегося мозга и гены, детерминирующие эпилепсию

Н. Е. Чепурнова

Московский государственный университет им. М.В. Ломоносова

Этиология и патогенез фебрильных судорог

Каждый новый шаг в решении фундаментальных биологических проблем помогает понять вековые проблемы заболеваний человека, их природу и вновь обращает нас к наследcтвенным факторам. "Неисчерпаемая наследственная биохимическая гетерогенность не может не повлечь за собой, – писал В.П. Эфроимсон, – неисчерпаемую наследственную гетерогенность психическую..." . Это справедливо для выраженности неврологических и психических заболеваний.

Эпилепсия проявляется в популяции человечества в 2-4%, наибольшую опасность она представляет в детском возрасте. Фебрильные судороги (ФC) составляют до 85% всех судорожных синдромов, наблюдаемых у детей. Общее количество детей в возрасте от 6 месяцев до 6 лет, больных ФС, составляет от 2 до 5% (9% в Японии), наибольшее число таких детей наблюдается в Гуаме – 15%. Более половины приступов ФС отмечаются в течение второго года жизни ребенка, пик частоты приходится на возраст от 18 до 22 месяцев. Судороги могут провоцироваться заболеваниями, протекающими с температурой выше 39-41 ºС, но врачи всегда предполагали наличие скрытой генетической предрасположенности у ребенка к пароксизмальным состояниям, если повышение температуры вызывает ФС. Мальчики заболевают в четыре раза чаще, чем девочки. Высказаны предположения об аутосомальном доминантном наследовании, аутосомальном рецессивном наследовании ФС, но не исключается и полигенное или мультифакториальное наследование . Генетическая гетерогенность эпилепсии проявляется на разных уровнях. Она выявляется в разнообразии клинических черт фенотипа, наследуемых признаков (паттернов), первичных продуктов гена, среди которых могут оказаться факторы развития и дифференцировки нейронов, ферменты, белки-рецепторы, белки-каналы, наконец, продукты другого гена. Неодинаковы и нарушения генетического кода, при этом может быть вовлечено несколько локусов в разных хромосомах.

По данным национальной программы США (California Comprehensive Epilepsy Program), от 2 до 2,5 млн американцев страдают эпилепсией. За 10 лет исследований американских семей у больных эпилепсией определено шесть различных локусов в разных хромосомах. При картировании хромосом принято обозначать первой цифрой ее номер; буквами плечи p или q, последующими цифрами сегменты регионов (подробнее см. ). Выяснено, что за юношескую миоклоническую эпилепсию ответственны локусы в хромосомах 6p и 15q; за классическую юношескую эпилепсию с большими припадками и смешанную с абсансами в хромосоме 6p (абсансы – внезапно наступающие кратковременные выключения сознания продолжительностью 2-15 с). Два локуса определены для детской абсансной эпилепсии (пикнолепсии), протекающей с тяжелыми припадками, – в 8q24 и для переходящей в ювенильную миоклоническую эпилепсию – в 1p. У больных в итальянских семьях выявлены другие локусы: для идиопатической (от греч. idios – собственный; pathos – страдание; идиопатическая – первично возникающая без внешних причин) генерализованной эпилепсии – в хромосоме 3p, а для генерализованной эпилепсии с фебрильными судорогами и абсансами – также в хромосоме 8q24.

Ген, определяющий развитие ФС, оказался в других областях 8-й и 19-й хромосом, нежели ранее определенные ДНК-маркерами. Их положение указывает на связь ФС с другими генетически определяемыми формами эпилепсии.

Изучение семей с наследованием ФС определило генетический компонент и аутосомное доминированное наследование. В работах японских генетиков при обследовании 6706 детей в возрасте трех лет в провинции Фучу Токио с населением около 182 000 человек показано, что у 654 детей отмечались ФС. Новые интересные факты получены С. Берковичем в результате многолетних исследований семей в Австралии. Было открыто, что главный ген ФС расположен в 8q13-21 и связан с синтезом белка Na+-канала. Особенности иммунного статуса у детей египтян, перенесших ФС, позволили предположить, что генетически обусловленные ФС наблюдались у детей с антигеном HLA-B5, низким уровнем иммуноглобулина IgA и низким содержанием Т-лимфоцитов. Все это позволяет говорить об обратной связи: у детей была не только предрасположенность к ФС, но и повышенная чувствительность к острым инфекциям, протекающим с лихорадкой, которая становится физиологической причиной судорог. Сочетание синдромов внутриутробной энцефалопатии с наследственно-семейной отягощенностью по эпилепсии только усугубляет исход ФС. Поскольку главным условием возникновения ФС у ребенка является повышение температуры, следует рассмотреть гипертермию как фактор эпилептогенеза.

Роль центра терморегуляции гипоталамуса в инициации фебрильных судорог

Почему длительное повышение температуры так опасно для развивающегося мозга ребенка? Облегчение возникновения ФС определяется низким уровнем тормозного медиатора – гамма-аминомасляной кислоты (ГАМК) и отсутствием полноценных рецепторов к нему, а также снижением в мозгу по тем или иным причинам уровня АТФ, особенно под влиянием гипоксии. У ребенка повышается уровень продуктов перекисного окисления липидов, нарушается микроциркуляция мозга, гипертермия мозга сопровождается отеком. Все нейрохимические системы торможения нейронов, и прежде всего гипоталамических, незрелые. В мозгу еще только устанавливаются связи между клетками головного мозга, ответственными за постоянство температуры тела.

Центр регуляции температуры находится в переднем отделе гипоталамуса. Более трети нейронов этой области являются терморецепторами, к ним же по нервным путям поступает информация от периферических терморецепторов кожи и внутренних органов. Приблизительно треть этих клеток – тепловые рецепторы, они увеличивают частоту разрядов с повышением температуры крови (0,8 имп " с-1 " °С-1), менее 5% клеток – холодовые рецепторы. Недавно в опытах на изолированных срезах мозга показано, что повышение температуры омывающей крови изменяет скорость деполяризации нейронов, определяемой свойствами Na+-каналов мембраны, при этом одновременно уменьшаются межспайковые интервалы, что частично зависит от K+-каналов. В итоге частота разрядов клетки резко увеличивается. При неразвитости тормозных систем это приводит к гипервозбудимости, возникновению пароксизмальных возбуждений, охватывающих моторную кору, появлению судорог.

Теплопродукция и теплоотдача – два важных физиологических механизма сохранения температуры в оптимальном для организма интервале. Но именно эти периферические механизмы у ребенка также незрелы и не могут купировать нарастающую гипертермию.

Моделирование фебрильных судорог у новорожденных животных

Разработанные модели ФС на новорожденных животных – крысятах – помогли выявить уязвимые, критические периоды развития мозга, пороги температур, при которых наступают ФС, изучить отдаленные последствия ФС, изучить действие противосудорожных лекарств. Работая совместно с Пак Джин Кью в Тэджоне (Южная Корея), мы установили, что уникальные возможности для предотвращения или снижения тяжести ФС у крысят дает системное введение определенной комбинации гинзенозидов, биологически активных веществ, выделенных из корня женьшеня. Из всех методик, разработанных физиологами: эндогенная гипертермия, внешнее согревание воздухом, СВЧ-, инфракрасными лучами, мы выбрали простое нагревание лампой накаливания. По мере повышения температуры тела наблюдается постепенное развитие внешних признаков моторных судорог, тяжесть которых определяли по общепризнанной шкале П. Мареша и Г. Кубовой. Гипертермию прекращали при появлении у крысят тонико-клонических судорог с потерей позы, а при отсутствии ФС – по прошествии 15 мин. Для измерения инфракрасного излучения с интактной поверхности кожи животного применяли метод термовидения – инфракрасный детектор Inframetrics 522L.

Нейроэндокринная регуляция фебрильных судорог

В реакции мозга на гипертермию участвует нейрогормон аргинин-вазопрессин (АВП). В пользу этой гипотезы К. Питмана говорят следующие факты: у крыс линии Brattleboro с генетически обусловленным недостатком АВП и у пассивно иммунизированных к этому пептиду крыс судорожный ответ на повышенную температуру наступает при более высоких ее значениях, чем у животных с нормальным уровнем его синтеза. Электростимуляция нейронов, синтезирующих АВП, способствует прекращению лихорадки. С одной стороны, клинические данные свидетельствуют об увеличении уровня АВП в плазме крови у детей после судорожных припадков, с другой – перфузия АВП через прозрачную перегородку мозга у животных приводит к снижению повышенной температуры тела. Гипотеза позволяет говорить об открытии эндогенного антипиретика (от греч. pyretos – жар, лихорадка, pyretica – лекарственное средство, вызывающее лихорадку). Парадоксально, но оказалось, что функция антипиретика сочетается у нейрогормона АВП с проконвульсивным эффектом.

В наших экспериментах, выполненных с Соросовским студентом А.А. Пономаренко, были получены новые факты о проэпилептическом влиянии АВП на примере ФС в раннем постнатальном онтогенезе мозга крысят. АВП действительно значимо укорачивает время появления генерализованных, гипертермически вызываемых судорог на 3-й и 5-й дни после рождения, отчетливо увеличивается их продолжительность по сравнению с таковыми у животных контрольной группы. На 9-й постнатальный день при сочетании гипертермии и введения АВП в опытной группе фебрильный эпилептический статус продолжительностью более 2 ч закончился гибелью всех крысят, получавших АВП. Такие события, приводящие к летальному исходу, не могут не контролироваться на гормональном и нейрохимическом уровнях. Необходимо было выяснить, какие регуляторы усугубили действие высокой температуры.

АВП – это антидиуретический гормон, который сохраняет воду в организме, поэтому его секреция зависит от водно-солевого баланса, но, кроме того, его выделение управляется недавно открытым пептидом, активирующим аденилатциклазу гипофиза (сокращенно по первым латинским буквам – РАСАР). Эффект последнего не зависит от повышения или понижения концентрации солей в крови.Только в 1999 г. Номурой было доказано, что РАСАР стимулирует транскрипцию гена АВП в клетках тех ядер гипоталамуса, которые ответственны за регуляцию водно-солевого обмена и питьевое поведение. Наши опыты показали, что при введении РАСАР крысятам он может действовать через секрецию АВП в момент гипертермии (см. рис. 2). Были обнаружены разнонаправленные изменения экспериментального фебрильного судорожного приступа у крысят после применения высоких (0,1 мкг на крысу) и низких (0,01 мкг на крысу) доз РАСАР. Эффект зависит и от возраста крысенка, то есть зрелости гипоталамуса.

Итак, АВП сочетает функции эндогенного антипиретического агента и индуктора судорожной моторной реакции при быстром повышении температуры тела, а один из регуляторов его секреции – РАСАР – может ускорять эти процессы. Представляется вероятным прямое действие АВП и РАСАР на мембраны нервных клеток через рецепторы к ним (рис. 3). Но нельзя исключить и другие пути регуляции, например через рилизинг-фактор гипоталамуса – кортиколиберин. Клетки, синтезирующие РАСАР, посылают свои аксоны к телам нейросекреторных клеток гипоталамуса, синтезирующих кортиколиберин. Выделение кортиколиберина в кровь провоцирует эпилептические припадки.

Внутриклеточная защита нейронов – белки теплового шока

В некоторых случаях генетически детерминированной нейропатологии молекулярные события являются вторичными . Не составляют исключения и фебрильные судороги. Значительное превышение температуры тела приводит к экспрессии генов огромного количества белков, получивших название "белки теплового шока" (БТШ). Транскрипция БТШ начинается спустя несколько минут после нагревания. Эта реакция всегда рассматривалась как защитная против летального исхода в результате теплового шока. Новейшие подтверждения этой теории получены в Институте рака в Копенгагене. В культуре ткани показано, что сильный тепловой стресс вызывает апоптоз (от греч. apoptosis – опадание листьев или лепестков с цветка – генетически

запрограммированная смерть одной или нескольких клеток, подробнее см. ), но стресс средней силы (а гипертермию относят к стрессу средней силы) благодаря сохранению способности клетки к синтезу БТШ защищает их и от апоптоза и от некроза. Это свойство позволит использовать БТШ in vivo (в клинике) для защиты сердца и мозга от ишемии, легких от сепсиса, более того, они могут применяться в антираковой терапии. БТШ могут быть применены и при срочной защите мозга при возникновении ФС у детей.

Синтез БТШ является неспецифической стрессорной реакцией. В клетках и тканях организма БТШ индуцируются многими факторами помимо гипертермии, а именно: ишемией, перекисным окислением, действием цитокинов (цитокины – эндогенные белковые регуляторы, принимающие участие в наиболее эффективном проявлении иммунного ответа), мышечным стрессом, депривацией глюкозы, нарушениями уровня Са2 + и pH. Голландские физиологи в Неймегене недавно показали, что защитные реакции в виде экспрессии БТШ наблюдаются у больных паркинсонизмом в поздней стадии болезни с развитием деменции и при болезни Альцгеймера. Обнаружена прямая корреляция между экспрессией БТШ и тяжестью протекания болезни Альцгеймера, особенно при поражении гиппокампа.

Таким образом, при ФС происходит экспрессия генов БТШ, но такая неспецифическая защита не всегда достаточна для сохранения тормозных клеток, особенно в гиппокампе. Поэтому существует угроза отдаленных последствий в виде мезиального гиппокампального склероза, вызывающего височную эпилепсию. Если при этом генетическая предрасположенность к височной эпилепсии складывается с предрасположенностью по ФС, прогноз болезни особенно тяжел.

Вопрос о последствиях ФС в виде развития височной эпилепсии важен для последующей судьбы ребенка. Основная дискуссия в клинике развернулась по вопросу, погибают ли клетки в результате ФС, или они погибают по другим причинам (например, в результате нарушения защитного синтеза БТШ, развития апоптоза). Молекулярно-биологические исследования в лаборатории К. Уастерлайна в Лос-Анджелесе показали, что судорожные процессы в развивающемся мозгу задерживают его развитие, и в частности рост аксонов, так как судорога нарушает экспрессию гена маркера конуса нарастания аксона – белка GAP-43.

Хирурги, оперирующие височную область для лечения височной эпилепсии, отмечают, что многие их пациенты имели в детстве эпизоды ФС. Однако это ретроспективная оценка. Новейшие исследования в Канаде показали, что положительная семейная история и ФС являются неразрывными факторами развития височной эпилепсии. Можно предположить, что, чем продолжительнее были приступы ФС, тем дольше генерализованная судорога охватывала мозг ребенка и тем больше нервных клеток погибало. Как ни мал процент таких детей (только у 1,5-4,6% детей с ФС в последующем развивается эпилепсия), они на всю жизнь будут обречены на страдания и лечение по причине гибели гиппокампальных тормозных клеток вследствие гипертермии.

Генетика калиевых и натриевых каналов и эпилепсия

Причинами пароксизмальных состояний могут быть изменения строения и функций Na+-, Ca2 +-, Cl--, K+-каналов. Канал – одна молекула белка, она характеризуется строгой селективностью в отношении вида пропускаемого иона, имеет воротное устройство, которое управляется потенциалом на мембране (рис. 4, а). Возникновение и проведение нервных импульсов зависит от состояния ионных каналов. Последние десять лет изучаются наследственные заболевания нервной системы, получившие новое название – "каналопатия". Нарушения связывают с локализацией генов в хромосомах: 19q13.1 (Na+-канал), 12р13, 20q13.3, 8q24 (К+-канал), 7q (Cl--канал). Раскрытие молекулярной структуры каналов помогло понять особенности наследования эпилепсии.

Нервный импульс есть следствие перемещения через мембранные каналы Na+ в клетку, а K+ из клетки. Входящие по ионному градиенту положительно заряженные ионы Na+ создают деполяризующий мембрану ток, уменьшающий мембранный потенциал до нуля, а затем перезаряжающий мембрану до + 50 мВ. Так как состояние этих каналов зависит от знака заряда на мембране, положительный потенциал мембраны способствует инактивации натриевых каналов и открытию калиевых каналов. Теперь выходящие из клетки ионы K+ создают ток, перезаряжающий мембрану и восстанавливающий ее потенциал покоя. Нарушения Na+-каналов приводят к изменению деполяризации клетки, а нарушения K+-каналов – к нарушению поляризации. Открытие в 1980 г. Д. Брауном и П. Адамсом низкопороговых М-токов через неинактивирующиеся KCNQ2/KCNQ3-калиевые каналы помогло понять природу предрасположенности к эпилепсии. М-токи изменяют возбудимость клетки и предотвращают возникновение эпилептической активности нейрона. Нарушение генов KCNQ2/KCNQ3-калиевых каналов ведет к заболеванию "семейные неонатальные судороги", возникающему у ребенка на 2-3-й дни после рождения. Недавно синтезированное лекарство ретигабин помогает больным эпилепсией за счет того, что открывает KCNQ2/KCNQ3-каналы в мембранах нейронов. Это пример того, как фундаментальное изучение каналов помогает синтезировать новые лекарства против каналопатий.

Мы уже упоминали два локуса, ответственные за ФС. Новые исследования показали вовлеченность еще одной области 19q13.1, ответственной за синтез b1-субъединицы Na+-канала. Мутации в этой области определяют возникновение фебрильных судорог в сочетании с генерализованной эпилепсией. Na+-канал состоит из одной a- (образующей пору) и двух b-субъединиц, последние модулируют процесс инактивации канала, то есть работу a-субъединицы (см. рис. 4, а). Влияние на воротную систему a-субъединицы зависит от структуры экстраклеточного домена b1-субъединицы. Отвечающий за b1-субъединицу ген SCN1B был обоснованно выбран для исследований, поскольку действие основных противосудорожных средств фенитоина и карбамазепина заключается в инактивации натриевых каналов. Более того, уже было извеcтно, что мутации этого гена в мышечной клетке приводят к пароксизмальным возбуждениям (миотония, периодический паралич), а в сердечных клетках – к увеличению интервала QT в ЭКГ. Именно в области дисульфидного мостика происходит мутация, приводящая к его разрушению и изменению структуры экстраклеточного домена b1 (рис. 4, б). Перенос гена в ооцит Xenopus laevis и индукция синтеза дефектного канала позволили электрофизиологически исследовать мутантный канал и доказать, что он инактивируется медленнее (см. рис. 4, б). Очень важно, что у таких больных нет изменений в клетках сердечной мышцы и скелетной мускулатуре, а мутация наблюдается только для нейронной изоформы Na+-каналов. Данная мутация была выявлена в результате исследований австралийских генетиков. Было проведено изучение шести генераций семей (378 человек), проживающих в основном в Тасмании и имеющих семейные истории по ФС в сочетании с генерализованной эпилепсией. Эти работы открыли новый путь для изучения идиопатических форм эпилепсии, которые могут быть результатом еще неизвестных форм каналопатий.

Не менее важны нарушения синтеза белков-рецепторов к медиаторам. Аутосомное доминантное наследование ночной лобной эпилепсии связывают с хромосомой 20 (локализация гена в q13.2 – q13.3), а проявление этой формы эпилепсии – с мутацией S248F генетического кода a4-субъединицы Н-холинорецептора. Изменению подвергается "стенка" белка-канала, его трансмембранный 2-й сегмент, в котором аминокислота серин замещена на фенилаланин. Были обнаружены и нарушения в регуляции экспрессии гена b-субъединицы белка NMDA-рецептора к возбуждающему медиатору – глутамату, выброс которого клетками мозга инициирует эпилептический приступ. Если в процессе редактирования иРНК произойдет замена глютамина на аргинин в мембранном домене, возникшее нарушение альтернативного сплайсинга (подробнее см. ) уже достаточно для существенного повышения возбудимости нейронов гиппокампа.

Наследование "эпилепсии горячей воды"

В одном из постерных докладов индийских неврологов на конгрессе по эпилепсии в Осло в 1993 г. мы неожиданно увидели что-то напоминающее средневековую китайскую казнь: неподвижной крысе капали на голову горячую воду, пока не наступал тяжелый эпилептический припадок. Непредвзятое изучение этого доклада показало, что создаваемые мучения крысы вызваны желанием понять тяжелый недуг, который именно в многонаселенной Индии охватывает почти 7% всех больных эпилепсией и составляет 60 случаев на 100 тыс. заболеваний. Этот феномен близок гипертермически вызываемым судорогам, рассмотренным выше.

Случай появления эпилептического припадка при мытье головы горячей водой впервые был описан в Новой Зеландии в 1945 г. Больной человек при мытье головы (а в традициях индусов эта процедура повторяется раз в 3-15 дней) горячей водой при температуре 45-50°С испытывает ауру, галлюцинации, заканчивающиеся парциальными или генерализованными судорогами с потерей сознания (мужчины чаще, чем женщины в 2-2,5 раза). Есть возможность измерить наиболее близко температуру мозга, введя специальный электротермометр внутрь слухового канала близко к барабанной перепонке. Оказалось, что у больных температура мозга в начале мытья головы очень быстро поднимается (каждые 2 мин на 2-3°С) и очень медленно

снижается после прекращения мытья. Их мозг медленно (10-12 мин) "остывает", тогда как у здоровых добровольцев, участвующих в таких экспериментах, мозг "остывает" практически мгновенно после прекращения купания. Естественно возник вопрос: какие отклонения в терморегуляции являются причиной болезни и не определены ли они генетически? Истинную причину раскрыли исследования близнецов и данные семейного анализа. Оказалось, что в Индии до 23% всех случаев "эпилепсия горячей воды" повторяется в следующих поколениях.

ФС, как мы уже говорили, являются следствием аутосомального доминантного наследования в одном локусе хромосомы – 8q13-21. При "эпилепсии горячей воды" изменения одного локуса недостаточны для объяснения всего комплекса болезни. Появление больного фенотипа (обоего пола) может быть связано с аутосомальной рецессивной мутацией, ведущей к этому заболеванию. Наблюдения за пятью поколениями нескольких семей в Индии показало, что болезнь возникает у детей близкородственных родителей, например в браке между племянниками. В южной Индии сохранились традиции таких близкородственных браков, чем, по-видимому, и можно объяснить высокий процент больных по сравнению с другими штатами.

Заключение

Нейрогенетический подход позволил окончательно установить генетическую предрасположенность к фебрильным судорогам. Вот отчего не у каждого ребенка, длительно находящегося при очень высокой температуре (40-41°С), возникают моторные судороги. Главный ген ФС связан с мембранными механизмами возбудимости нейрона, с контролем синтеза белка-канала, через который проходят ионы Na+. Создается деполяризационное возбуждение нейрона. Неудивительно, что "гены" этих нарушений, относящиеся к ФС, несколько "стоят в стороне" от специфических генов, ответственных за другие формы эпилепсии. Внешней причиной ФС является перегревание, возникающее под влиянием либо эндогенных пиретиков (например, при инфекционном заболевании), либо действительно под влиянием повышения температуры среды. В ответ на гипертермию первой включается физиологическая оборона – функциональная система поддержания температуры в оптимальном диапазоне. Она направлена на снижение температуры тела. В вегетативные центры идут нервные сигналы – команды, направленные на отдачу тепла и снижение теплопродукции. Клетки гипоталамуса, имея возможность измерять температуру крови, сами по механизмам обратной связи следят за результатами этих команд. Так как они являются нейросекреторными и выделяют либерины и статины, они могут одновременно запускать сложные биохимические изменения за счет регуляции секреции гормонов гипофиза. К вегетативным регуляциям практически одновременно подключаются эндокринные механизмы и поведенческие защитные реакции. Выброс синаптического АВП как антипиретического вещества приводит к усилению судорожного ответа. Секреция АВП, в свою очередь, усиливается нейропептидом РАСАР, активизирующим энергетику клеток гипофиза. К сожалению, эта защитная попытка снизить температуру тела заканчивается провокацией судорог. Генетическая предрасположенность, низкий судорожный порог приводят к необратимому развитию событий. Возникает пароксизмальная патологическая судорожная активность нейронов сначала в гиппокампе, миндалине, ассоциативных отделах коры, а затем и в моторной коре. При всех видах судорог основной причиной остается нарушение соотношения выделения возбуждающего (глутамат) и тормозного (ГАМК) медиаторов. Это нарушение является предпусковым механизмом. Неограничиваемое в нервных сетях возбуждение охватывает отделы мозга, ответственные за тонус и движения, и приводит к судорогам. Перед этим происходит потеря сознания, так как патологическое возбуждение охватывает структуры ствола мозга и таламуса. Конечно, мозг обладает и другими защитными механизмами, это компенсаторная экспрессия ранних онкогенов (c-fos, c-jun), накопление цАМФ, секреция тиролиберина, длительное выделение тормозного медиатора. Однако требует дальнейшего исследования вопрос, почему при генетической предрасположенности к ФС эти механизмы неэффективны.

При рассмотрении вопроса о том, в чем же проявляется это предрасположение, эта особая «предуготованность» к появлению эпилептических припадков, столь резко снижающая порог корковой возбудимости, приходится, конечно, прежде всего думать о каких-то особенностях обмена веществ, свойственных этим больным. В этом отношении в настоящее время собран уже очень большой и отчасти противоречивый материал. Сопоставление его приводит, во- первых, к тому выводу, что все еще не вполне ясным представляется ведущий момент в этих нарушениях обмена и все еще не удалось определить химическую структуру того предположительного вещества, накопление которого будто бы приводит к эпилептическому припадку, а во-вторых, сопоставление это приводит к тому выводу, что чуть не все биохимические исследования, проделанные при эпилепсии, неизменно обнаруживали чрезвычайную изменчивость и нестойкость получающихся показателей, что, по-видимому, и является до настоящего времени единственной, точно установленной биохимической характеристикой эпилепсии.

Рассмотрим отдельные частности этой большой проблемы - биохимических аномалий, свойственных больным, страдающим эпилепсией.

Как мы видели выше, еще со времени первых работ И. П. Павлова с экковским свищом придавалось особое значение именно накоплению в крови карбаминовой кислоты, что могло рассматриваться как причина появления эпилептических припадков на почве аутоинтоксикации.

Этой же проблеме был посвящен ряд последующих работ. Так, И. Ф. Случевский в ряде своих работ поддерживал точку зрения, согласно которой ведущим в происхождении эпилепсии является накопление в крови азотистых соединений, продуктов нарушения мочевинообразовательной функции печени - аммиака, углекислого и карбаминовокислого аммония. А. С. Борзунова в ряде экспериментов показала, что 10% раствор смеси углекислого и карбаминовокислого аммония, введенный внутривенно кроликам, кошкам и собакам, неизменно приводит по истечении 10-20 секунд к развитию судорожного припадка. Внутривенное вливание такой аммонийной смеси (3-5 мл) вызывает у больных эпилепсией припадок, во всех своих проявлениях вполне характерный для каждого из них.

Изложенные данные привели ряд авторов к тому выводу, что для больных эпилепсией наиболее типично нарушение мочевинообразовательной функции печени и что ведущим при эпилепсии является именно нарушение белкового обмена, нарушения же других видов обмена (основного, углеводного, водно-солевого, холестеринового) представляют лишь вторичные изменения. Однако такая обобщающая точка зрения разделяется далеко не всеми исследователями. В то время как по данным одних авторов у больных, страдающих эпилепсией, содержание свободного аммиака в крови оказывалось увеличенным, Роже указывает, наоборот, что вариации содержания в крови общего азота, мочевины, аминокислот, мочевой кислоты и креатина у больных эпилепсией не выходят за пределы нормальных. В то же время ряд авторов обнаружили в этом отношении значительные вариации. Так, М. К. Кокин, изучая кровь больных, страдающих эпилепсией, среди других особенностей установил резкие колебания в содержании азота и мочевины. Е. М. Губарев и Е. Н. Маркова также отметили большие скачки при исследовании содержания остаточного азота в крови больных эпилепсией. Сходные выводы вытекают и из исследований Л. Я. Шаргородского: количество выделяемого с мочой азота характеризуется при эпилепсии значительной вариабильностью по сравнению с нормой, в то время как средняя величина выведения азота существенно не отличается от нормальной.

К. И. Гуркина и Р. В. Конникова сообщают об очень характерной для эпилепсии положительной реакции гидролиза белкового амидного азота крови.

М. С. Шейман находил у больных эпилепсией высокий процент содержания белков крови - 9,1% против 8,54% у контрольных, здоровых - и колебания количества белков крови, значительно превышающие те, которые свойственны норме. Кроме того, по М. С. Шейману, при эпилепсии меняется и соотношение альбуминов и глобулинов. Средняя величина содержания альбуминов несколько повышена (5,5 % против 5,35% в норме); еще больше повышено среднее количество глобулинов (3,6% против 3,06% в норме), вследствие чего коэффициент альбумины: глобулины оказывается при эпилепсии более низким, чем в норме (1,52 против нормального 1,82). Также, по данным Д. А. Маркова и Т. М. Гельмана, у больных эпилепсией в межприпадочном периоде наблюдается увеличение белка в сыворотке крови (до 8,5-9%) и четкий сдвиг в сторону альбуминов.

Чрезвычайно лабильным при эпилепсии оказалось и кислотно-щелочное равновесие, которому большинство авторов придают исключительно важное значение. Характерно, что в отношении этого пункта поддерживались мнения прямо противоположные. Так, по мнению одних авторов, возникновению судорожного припадка способствует ацидоз, а по мнению других - алкалоз. В. К. Хорошко, упоминая об этих разногласиях, указывал, что в основном для эпилепсии следует считать типичным не столько алкалоз или ацидоз, сколько именно большую вариабильность и неустойчивость кислотно-щелочного равновесия, что и является, по-видимому, причиной имеющихся в литературе столь больших разногласий по этому поводу. Также Бигвуд считает особенно характерной для эпилепсии именно неустойчивость кислотно-щелочного равновесия: рН колеблется от 7,26 до 7,48 против нормальных колебаний от 7,33 до 7,39. Л. Я. Шаргородский и Я. С. Рабинович также могли в своих исследованиях обнаружить при эпилепсии колебания кислотно-щелочного равновесия, далеко превосходящие то, что наблюдается в норме. Указывалось, что такого рода колебания наблюдались и вне зависимости от припадков. Я. С. Рабинович, а также А. А. Арутюнов обращали внимание на низкую величину резервной щелочности крови, наблюдаемую при эпилепсии.

Основной обмен, по Я. С. Рабиновичу, может быть при эпилепсии как пониженным, так и повышенным и может оставаться нормальным. Такие же указания находим мы и у других авторов.

Значительные изменения обнаружены были и в отношении минерального обмена. Так, М. С. Шейман обнаружил в сыворотке крови больных эпилепсией значительные колебания в содержании кальция. Колебания эти почти в 2 раза превышали колебания, свойственные норме. При этом среднее содержание кальция оказалось относительно высоким (12,2 мл%). Количество калия было не изменено, хотя вариабильность калия, по сравнению с вариабильностыо кальция, оказалась еще более значительной. Коэффициент К/Са в сыворотке крови больных эпилепсией был, таким образом, понижен (1,56 вместо 2,0). Пониженным оказался и коэффициент отношения кальция спинномозговой жидкости и кальция сыворотки крови - вместо нормальных 0,57, он оказался равным 0,43. Увеличение кальция в крови больных эпилепсией отмечал п Я. С. Рабинович. Д. А. Марков и Т. М. Гельман наблюдали приблизительно у 15-20% страдавших эпилепсией в межприпадочном периоде повышение в сыворотке крови уровня кальция и калия. Резкие колебания калия и кальция отмечал М. К. Кокин.

Так же точно характерной для эпилепсии оказалась большая против нормы вариабильность содержания в крови неорганического фосфора, с наклонностью к снижению во внеприпадочном периоде.

В отношении содержания в крови при эпилепсии хлора и хлоридов имеются значительные разногласия. Одни авторы находили в крови увеличение хлоридов, другие, как И. Ф. Случевский, А. С. Борзунова и К. И. Шахриманян, находили содержание хлора и хлоридов пониженным. Имеются указания на то, что при эпилепсии повышается кислотность желудочного сока.

Немало разногласий возникло также в отношении углеводного обмена, нарушения которого многими исследователями признаются имеющими важное значение в происхождении эпилепсии. Проверка этого вопроса показала, что хотя средние цифры сахара крови во вне- припадочном состоянии и не отличаются сколько-нибудь значительно от того, что свойственно норме, тем не менее и здесь типичными оказываются значительные колебания этих цифр. Нагрузка глюкозы во внеприпадочном периоде может давать кривые различных типов как нормального, так и гипо- или гипергликемического характера.

Много исследований было посвящено содержанию холестерина в крови, поскольку на возможную связь эпилептических припадков с гипохолестеринемией имеются определенные клинические указания (учащение припадков во время менструаций, уменьшение их во время беременности, при жирной диете). Исследования эти приводили к противоречивым результатам. Якоби нашел резкие колебания холестерина в крови больных, страдавших эпилепсией, причем колебания эти не удавалось поставить в связь с припадками. Е. В. Шмидт, изучивший этот вопрос, также подчеркивает, что для эпилепсии очень характерна лабильность содержания холестерина в крови и во внеприпадочное время. На такие колебания содержания холестерина указывают и другие авторы.

В отношении водного обмена, имеющего, как известно, столь большое значение в патогенезе эпилептического припадка, выяснилось, что и в межприпадочное время здесь могут быть обнаружены аномалии. Так, Н. С. Иванова обнаружила у этих больных очень частое снижение водовыделительной функции, а также концентрационной способности почек. У некоторых больных такое снижение достигало значительной степени. В то же время при пробе Мак Клюр-Олдрича скорость рассасывания внутрикожного пузыря оказалась у этих больных нормальной. В. Е. Литвинова обнаружила и в отношении этой последней величины при эпилепсии колебания, значительно превосходящие те, которые наблюдаются в норме.

Имеются указания на ряд других биохимических сдвигов, характерных для эпилепсии. Так, значительные колебания были обнаружены у этих больных в отношении содержания билирубина крови. В крови больных эпилепсией отмечено снижение содержания каталазы и повышение - антикаталазы, а также повышение и высокая лабильность антитриптического титра. Антитоксическая функция печени оказалась у больных, страдающих эпилепсией, пониженной. В. К. Хорошко придавал большое значение повышению свертываемости крови, которое может быть определено и у больных вне припадков.

Целый ряд работ был сделан в смысле попыток выяснить, не обладает ли кровь больных эпилепсией каким-либо специальным токсическим действием. В этом отношении представляют интерес опыты, поставленные Панье. Он вводил морским свинкам через сонную артерию по 3 мл сыворотки крови, полученной от больных эпилепсией. Оказалось, что эти животные, в отличие от тех, которым вводилась сыворотка не эпилептиков, часто обнаруживали непосредственно после пункции характерные миоклонии, иногда появлявшиеся в виде последовательных серий. Эта токсичность сыворотки значительно варьировала у одного и того же больного, иногда исчезая после судорожного припадка. Нагревание сыворотки до 58° полностью уничтожало это ее токсическое свойство.

Очень интересные данные о токсичности крови больных эпилепсией сообщил недавно М. К. Кокин. Выяснилось, что кровь больных эпилепсией оказывает токсическое действие на изолированное сердце лягушки. Автор поставил, кроме того, сложные эксперименты с изучением того, как на поведение собаки в специальном лабиринте влияет введение крови людей, страдающих эпилепсией. Оказалось, что по сравнению с контрольными собаками, которым вводилась кровь здоровых доноров, поведение этих собак резко ухудшалось. У собаки, которой повторно вводилась кровь больного, отмечались судорожные подергивания, двигательное беспокойство, походка делалась шаткой, иногда наблюдались непроизвольное мочеиспускание и дефекация. Собака была то вялой и малоподвижной, то громко и злобно лаяла и рвалась с цепи. Все это свидетельствовало о глубоких нарушениях высшей нервной деятельности, которые могут развиваться у собак под влиянием введения им крови больных, страдающих эпилепсией.

Говоря об изменениях крови при эпилепсии, следует также подчеркнуть, что Е. К. Сепп указывал на очень часто наблюдавшуюся при эпилепсии эозинофилию. Он объяснял это тем, что эозинофилия является реакцией на денатурированный белок и возникает у больных эпилепсией в связи с нарушением у них дисперсности белков кровяной плазмы.

Были сделаны многочисленные попытки выяснить, не свойственны ли эпилепсии какие-либо специальные дисфункции со стороны эндокринной системы. Разными авторами публиковались целые списки различных желез внутренней секреции, которые будто бы повышают или же тормозят «судорожную готовность». Однако никакой достоверности в этих сопоставлениях не оказалось, хотя в то же время оставалось несомненным, что какая-то связь между функцией эндокринных желез и эпилепсией имеет место.

Были сделаны и отдельные попытки как-то увязать друг с другом разные и часто противоречивые данные в отношении биохимической характеристики эпилепсии. Приведем некоторые из таких высказываний.

И. Ф. Случевскому принадлежит интересная попытка увязать друг с другом различные особенности обмена, наблюдаемые у больных эпилепсией. Основываясь на работах своих сотрудников, он сопоставляет ряд сделанных наблюдений. Так, после удаления паращитовидных желез, для вызывания судорожного припадка у оперированных таким образом животных достаточно значительно меньшей дозы аммонийной смеси, - кстати же тетанические и эпилептические судороги очень похожи; нарушение мочевинообразовательной функции печени идет рядом и с аномалиями углеводного обмена; после экстирпации различных отделов поджелудочной железы припадки наступают только при очень больших дозах аммонийной смеси. Эти наблюдения И. Ф. Случевский ставит в связь с тем, что небольшие дозы инсулина у больных эпилепсией в состоянии вызывать у них судорожные припадки и что патологоанатомически при эпилепсии находили увеличение лангергансовых островков. Очевидно при эпилепсии имеется гиперфункция поджелудочной железы. Нарушение же углеводного обмена зависит от нарушения кислотно-щелочного равновесия. С этой точки зрения интересна связь припадков с повышенной кислотностью желудочного сока. Нарушение кислотно-щелочного равновесия ведет и к нарушению водно- солевого обмена. По-видимому, этим объясняются и низкие цифры содержания хлора и хлоридов в крови при эпилепсии. В основе гуморальных нарушений при эпилепсии лежит, таким образом, сложное координированное системное поражение внутренних органов. К последним должны быть отнесены: печень, поджелудочная железа, щитовидная и паращитовидные железы, надпочечники и железы желудка.

Иную схему взаимоотношения основных систем организма при эпилепсии представил В. К. Хорошко. С его точки зрения неустойчивость обмена веществ, неустойчивость кислотно-щелочного равновесия и неустойчивость сердечно-сосудистой регуляции приводит под влиянием нам еще не достаточно известных экзо- или эндогенных причин или к появлению каких-то токсических продуктов, обладающих спазмофильным действием, или к повышению восприимчивости нервных клеток в отношении нормально циркулирующих в крови продуктов обмена.

Е. А. Попов, обсуждая проблему травматической эпилепсии, построил схему постепенно кумулирующихся биохимических вредностей несколько иначе. В механизме судорожного припадка с этой точки зрения играют роль четыре основных фактора: сосудистый спазм, обогащение организма водой, алкалоз и аноксия. Все эти факторы действуют совместно в качестве звеньев единой патогенетической цепи.

Из этих основных факторов за последнее время особенно обращено внимание на аноксию как на важный эпилептогенный фактор, играющий определенную роль в качестве местного раздражающего момента.

Наряду с обнаружением общих биохимических изменений, имеющих место в организме больного, естественно, возник вопрос о наличии биохимических изменений в самом мозгу, а в тех случаях, где удается найти определенный участок мозга, из которого исходит эпилептический разряд, - вопрос о биохимической характеристике именно этих участков. Пенфилд предлагает гипотезу, согласно которой как атрофические, так и опухолевые корковые очаги приводят к стойкой или рецидивирующей ишемии нервных корковых клеток, и эта ишемия действует раздражающим образом, являясь причиной эпилептического разряда. Такие работы начали появляться только в последнее время в связи с развитием нейрохирургии (удаление больных участков мозга при операциях). Так, Тоуэр и Эллиот могли обнаружить в этих участках мозга измененное содержание ацетилхолина. Такие исследования обещают пролить новый свет на интересующий нас вопрос. При этом, конечно, уже заранее следует иметь в виду, что местные биохимические изменения мозга могут быть как причиной, так и результатом эпилептической активности этих отделов.

Как бы то ни было, проделанные до сих пор исследования указывают на наличие большого числа разного рода биохимических аномалий, свойственных организму больного эпилепсией. При этом, как мы видели, почти всегда оказывалось, что характеризуют эпилепсию не какие-либо стойкие биохимические изменения, идущие в определенном направлении, а прежде всего крайняя изменчивость вообще всех биохимических показателей. В. К. Хорошко указывал, что только жировой обмен при эпилепсии остается стойким.

Естественно возникает вопрос: как же конкретно трактовать эту изменчивость? Является ли она признаком того, что в организме больного эпилепсией накапливаются какие-то ядовитые вещества, концентрация которых периодически достигает порога, приводящего к эпилептическому разряду? Или, наоборот, в центральной нервной системе таких больных беспрестанно происходит серия очень мелких, так сказать, субклинических разрядов, выражением которых могут быть не только изменения электроэнцефалографии или хронаксии, но и периодические изменения обмена? В современной литературе можно найти представителей как той, так и другой точек зрения, причем в пользу каждой из них может быть представлен ряд достаточно веских соображений. Уже одна возможность двух столь противоположных точек зрения показывает нам, насколько еще неясной остается трактовка гуморальных аномалий, характеризующих организм больного эпилепсией.

Генетика калиевых и натриевых каналов и эпилепсия

Наследование "эпилепсии горячей воды"