Основы клинико-биохимической аналитики

При избытке белка дополнительные аминокислоты подвергаются энергетической утилизации с образованием большого конечного продукта (аммиака и мочевины), создавая нагрузку на органы утилизации(печень) и экскреции (почки). Избыток белка не ведет к ожирению. Есть данные о развитии гипертрофииэпителия нефронов. При избытке некоторых аминокслот возможное прямое токсическое воздействие, например, избыток метионина может привести к избытку гомоцистеина, который может обусловить возникновение гепатонекрозов, гемолитической анемии и миокар-диодистрофии или избыток триптофана вызывает избыток серотонина, который не безразличен для ЦНС. Структурно схожие аминокислоты могут подавлять утилизацию друг друга (например, лейцин - изолейцина).

Нарушение обмена гемоглобина

Нарушения синтеза белковой части (гемоглобинопатии) и нарушения синтеза гема (талассемии). Разрушения -порфирии и гипербилирубинемии.

Лекция № 3

Патобиохимия углеводного обмена. Клинико-диагностическое значение показателей, характеризующих углеводный обмен

План:

Биологическая роль углеводов в организме и общая схема их метаболизма.

Регуляция обмена углеводов.

Патобиохимия углеводного обмена.

Клинико-диагностическое значение показателей, характеризующих углеводный обмен.

1. Общая схема обмена углеводов в организме

БИОЛОГИЧЕСКАЯ РОЛЬ УГЛЕВОДОВ - в организме животных обнаружены все виды углеводов (моно, олиго и полисахариды). Они выполняют ряд важных биологических функций.

Энергетическая. Углеводы являются основным поставщиком энергии в организме, в том числе почти единственным источником энергии для деятельности головного мозга. Эту функцию выполняют моносахариды (глюкоза, фруктоза и др.).

Пластическая. Углеводы участвуют в синтезе сложных ферментов, белков, входят в состав клеточных мембран, участвуют в построении клеток опорно-двигательного аппарата (это гетерополисахариды, глюкозамин, гексо-уроновые кислоты, хондроэтинсерная кислота), синтезе нуклеиновых кислот (рибозы).

Защитная. Углеводы входят в состав слизи, различных веществ, секретируемых железами, способствуют обезвреживанию и выведению токсических веществ из организма (глюкоуроновая кислота).

Депонирующая. Углеводы являются запасными питательными веществами, откладываясь в печени в виде гликогена, который при голодании распадается до глюкозы.

Специфическая (сигнальная). Некоторые углеводы, связанные с белками, определяют групповую специфичность крови.

В растительных кормах углеводы более всего представлены крахмалом, клетчаткой, сахарозой, лактозой. А в животных - гликогеном, другими животными полисахаридами.

Из моносахаров углеводы рационов представлены - глюкозой, маннозой (в целлюлезах), галактозой (в лактозе) и фруктозой (в сахарозе). У травоядных количество углеводов в рационах полностью покрывает энергетические затраты организма, а плотоядных животных часть энергетических затрат покрывается за счет жиров и аминокислот.

Деполимеризация частично углеводов происходит в полости рта, где они подвергаются главным образом действию а-амилазы слюны и более полно в тонком кишечнике. Образовавшиеся моносахариды всасываются через стенку тонкого кишечника в кровь. Всасывание моносахаридов происходит с неодинаковой скоростью, и этот процесс является физиологически активным и энергозависимым. Скорость всасывания галактозы выше, чем глюкозы и фруктозы. Пентозы всасываются еще медленнее. Следует заметить, что в крови находится главным образом глюкоза и небольшое количество других моносахаридов. Около 65% всосавшейся глюкозы поступает к органам и тканям, в первую очередь к клеткам ЦНС, кишечника, мышц, почек. Поступая по воротной вене в печень, глюкоза превращается в гликоген. Способность печени поглощать глюкозу и синтезировать из нее гликоген, а затем расщеплять его до глюкозы носит название гликогенной функции печени.

Глюкоза, поступающая из крови в органы и ткани, подвергается в них различным превращениям, приводящим к ее распаду с освобождением потенциальной энергии. Химическое превращение глюкозы, начиная с процесса ее фосфорилирования и кончая образованием конечных продуктов распада: углекислого газа и воды, носит название тканевого (внутриклеточного), или промежуточного обмена углеводов.

Расщепление глюкозы в тканях может протекать двумя путями: анаэробным (без участия кислорода) и аэробным (в присутствии кислорода, при условии достаточного насыщения им тканей). Промежуточный обмен углеводов.

Анаэробный путь расщепления глюкозы носит название гликолиза. Если же начальным продуктом анаэробного распада углеводов является гликоген, то говорят о процессе гликогенолиза. Это короткий ферментативный путь расщепления глюкозы до пировиноградной и молочной кислот. Энергетически он малоэффективен, имеет большое значение в органах, функционирующих в условиях гипоксии.

Аэробный путь распада углеводов является наиболее важным в энергетическом отношении. Установлены 2 основных механизма аэробного расщепления глюкозы: непрямой и прямой.

Непрямой путь расщепления глюкозы преобладает. Это так называемый цикл трикарбоновых кислот, или цикл Кребса (рис. 33). В цикле Кребса происходит полное расщепление молекулы глюкозы до углекислого газа и воды и выделяется 38 молекул АТФ. Это есть основной путь пополнения энергии в организме.

И аэробное, и анаэробное расщепление углеводов протекает на определенных этапах при участии одних и тех же ферментов: киназ, фосфатаз, дегидрогеназ и т. д. Отличительная особенность обмена углеводов при их аэробном распаде заключается в том, что в присутствии кислорода конечный продукт анаэробного распада -- молочная кислота -- подвергается дальнейшим превращениям. С помощью фермента лактатдегидрогеназы молочная кислота окисляется до пировиноградной кислоты. Пировиноградная кислота занимает одно из центральных мест в обмене углеводов. Она участвует в многочисленных реакциях, важных для процессов тканевого обмена веществ. Пировиноградная кислота подвергается аэробному декарбоксилированию с образованием двууглеродного остатка (ацетил), который при участии ко-энзима А (КоА) в виде ацетил-КоА передается щавелево-уксусной кислоте - первому продукту цикла Кребса.

Следует особенно отметить, что на уровне образования ацетилкоэнзима А возможен переход различных видов обмена веществ друг в друга. Поэтому цикл Кребса является универсальным метаболическим механизмом, свойственным не одному только углеводному обмену. Он совершается в большинстве тканей, но особенно выражен в печени и почках.

Прямой путь окисления глюкозы - пентозофосфатньй. Он состоит из 6 повторяющихся циклов последовательного отщепления от молекулы глюкозы каждого из входящих в ее состав углеродных атомов, с образованием в каждом отдельном цикле молекул углекислого газа и воды. В ходе прямого окисления глюкозы в организме образуются моносахариды - пентозы, которые используются в синтезе нуклеиновых кислот, и восстановленного НАД. Энергетическая эффективность окисления глюкозы в пентозофосфатном цикле почти не отличается от таковой в цикле трикарбоновых кислот: образуется 36 молекул АТФ. Особенно важно, что образовавшийся НАДФ используется для различных восстановительных синтезов.

2. Регуляция обмена углеводов

Выделяют три уровня регуляции обмена глюкозы: нервный, гормональный и тканевой. Снижение концентрации глюкозы в крови до нижней границы нормальных величин приводит к рефлекторному возбуждению высших метаболических центров, расположенных в гипоталамусе, куда поступают нервные импульсы из хеморецепторов клеток тканей и органов, находящихся в состоянии углеводного (энергетического) голодания. Из ЦНС по нервным путям возбуждение передается в симпатическую нервную систему, а затем в печень, в результате чего активируется фермент фосфорилаза печени, распадается гликоген с образованием глюкозы. При достижении нормального уровня глюкозы крови импульсы ослабевают, и процесс расщепления гликогена уменьшается. Повышение уровня глюкозы до верхней границы нормальных величин вызывает импульсы по парасимпатическим нервным волокнам. Они поступают в поджелудочную железу, и из С-клеток островкового аппарата выделяется гормон инсулин. Инсулин способствует усвоению глюкозы тканями, и уровень ее в крови понижается.

В регуляции обмена углеводов принимают участие также гормоны желез внутренней секреции. Поджелудочная железа секретирует два гормона с противоположным действием: инсулин и глюкагон. Инсулин снижает уровень глюкозы в крови, а глюкагон -- повышает. Все другие известные на сегодняшний день гормоны способствуют повышению концентрации глюкозы в крови, то есть являются антагонистами инсулина.

Гормоны коркового слоя надпочечников -- гликокортикоиды (кортизол, кортизон, кортикостерон) -- повышают концентрацию глюкозы в крови путем активации глюконеогенеза. Гормоны мозгового слоя надпочечников -- катехоламины (главным образом адреналин) -- повышают уровень глюкозы в крови за счет расщепления в печени гликогена под влиянием активной фосфорилазы. Адреналин, в отличие от глюкагона, активирует не только печеночную фосфорилазу, но и фосфорилазу мышц. Из мышечного гликогена образуется молочная кислота, которая большей частью ресинтезируется в гликоген печени, восполняя в известной степени затраченные его количества при компенсации гликемии. Гормон передней доли гипофиза -- кортикотропин (адренокортикотропный гормон, АКТГ) -- стимулирует секрецию глюкокортикоидов и тем самым активирует глюконеогенез и повышает уровень глюкозы в крови.

Под тканевой регуляцией уровня глюкозы понимают участие печени и почек в обмене углеводов. В печени содержится запас глюкозы в виде гликогена. При распаде гликогена освободившаяся глюкоза прежде всего поступает в головной мозг, нервные клетки, кишечник и другие ткани как источник энергии. При достаточной насыщенности организма углеводами все избыточное количество глюкозы, поступающее с пищей, может задерживаться в печени и депонироваться в виде гликогена.

3. Патобиохимия углеводного обмена.

Нарушение всасывания углеводов. Для усвоения поли- и дисахаридов необходимо их расщепление в кишечнике до моносахаридов. Нарушение образования или выделения сока поджелудочной железы, содержащего фермент а-амилазу, влечет за собой расстройство всасывания углеводов. Это может наблюдаться при поражениях ткани поджелудочной железы (панкреатиты) и при закупорке ее выводного протока (камни, опухоли). Наличие в кале не переваренных зерен крахмала является одним из показателей нарушения усвоения полисахаридов. Нарушение всасывания моносахаридов, в частности глюкозы, может быть обусловлено патологическим процессом в самой стенке тонкого кишечника. Нормальный процесс всасывания моносахаридов (глюкозы, галактозы, фруктозы) связан с их фосфолирированием и дефосфолирированием в эпителии кишечника. При воспалении слизистой оболочки кишечника, злокачественном перерождении ее, отравлении ферментативными ядами, блокирующими процесс фосфолирирования моносахаридов, нарушается всасывание углеводов. Патология всасывания углеводов особенно легко развивается новорожденных животных.

Нарушение образования и расщепления гликогена. Отложение углеводов в печени и мышцах в виде гликогена способствует созданию депо углеводов в организме. Уменьшение отложения гликогена может наблюдаться либо при повышенном распаде его, либо при нарушении его образования.

Усиленное расщепление гликогена (гликогенолиз) обычно происходит при повышении энергетических затрат в организме: мышечные нагрузки, голодание, состояние стресса. Распад гликогена в печени и мышцах активируется гиперпродукцией гормонов щитовидной железы, мозгового слоя надпочечников, гипофиза. Уменьшение отложения гликогена наблюдается при гипоксических состояниях, гипо- и авитаминозах, нарушении функции желез внутренней секреции (сахарный диабет, тиреотоксикоз, недостаточность коры надпочечников). Торможение процесса образования гликогена и повышенное его расщепление нередко сочетаются вместе. Такое сочетание, приводящее к значительному истощению запасов гликогена, наблюдается при патологических процессах в печени (гепатиты, злокачественные новообразования и т. п.), тиреотоксикозе, тяжелых инфекциях и интоксикациях, голодании, шоке любой этиологии.

Своеобразным нарушением обмена гликогена является гликогеноз. Это заболевание встречается в раннем возрасте и характеризуется ненормальной стабильностью гликогена, недостаточностью его расщепления.

Нарушение промежуточного обмена углеводов. Распад углеводов в организме человека складывается из двух фаз: анаэробной и аэробной. В условиях недостаточного снабжения организма кислородом начинает преобладать анаэробная фаза. Это приводит к избыточному накоплению пировиноградной и молочной кислот. Повышенное содержание молочной кислоты (гиперлактатанидемия) наблюдается при усиленной мышечной работе, разнообразных гипоксических состояниях (значительное уменьшение дыхательной поверхности легкого, нарушение кровообращения, сердечно-сосудистая недостаточность, анемии, гипо- и авитаминозы, понижение атмосферного давления кислорода, тяжелые инфекции и интоксикации). Нарушение обмена углеводов с преобладанием анаэробного гликолиза ведет к менее эффективному использованию их энергии. Накопление молочной кислоты к тому же приводит к изменению кислотно-основного равновесия, смещая его в кислую сторону. Определенная часть молочной кислоты, образующаяся в процессе обмена углеводов (главным образом в мышцах), в печени превращается в глюкозу и гликоген. При недостаточности содержания в организме витамина bi наступает нарушение межуточного обмена углеводов, проявляющееся в накоплении пировиноградной кислоты. Одновременно происходит и накопление молочной кислоты, так как часть избытка пировиноградной кислоты восстанавливается в молочную.

Нарушение регуляции углеводного обмена, прежде всего, связано с изменением уровня глюкозы в крови и выражается гипергликемией, глюкозурией и гипогликемией (об этом ниже).

4. Определение глюкозы в крови и моче, ПВК и МК.

Диагностическое значение. Увеличение содержания глюкозы в крови выше пределов нормы носит название «гипергликемия», появление же глюкозы в моче именуется глюкозурией. Если в результате проведенных исследований выявляется повышение концентрации глюкозы в крови и наличие глюкозы и кетоновых тел в моче, этого достаточно для подтверждения диагноза сахарного диабета (СД). Заболевания других внутренних органов не дают всей триады: гипергликемии, глюкозурии и кетонурии. Присутствие кетоновых тел в моче свидетельствует о грубых нарушениях не только углеводного, но и липидного обмена, что имеет место главным образом при заболеваниях поджелудочной железы. Таким образом, определение содержания глюкозы в крови, моче и выявление гипер- и гипогликемии, глюкозурии имеют важное клинико-диагностическое значение.

Гипергликемия. Повышение уровня глюкозы в крови обусловлено множеством причин, в соответствии с которыми различают две основные группы гипергликемий (ГГК):

инсулярные -- связанные с недостаточным содержанием в организме инсулина или обусловленные неэффективностью его действия;

экстраинсулярные (внеинсулярные) -- не зависящие от влияния инсулина.

Иначе говоря, гипергликемии подразделяются на панкреатические, возникающие при поражении поджелудочной железы и ее инсулярного аппарата, и непанкреатические, включайте алиментарные, нервные, печеночные и гормональные (при гиперпродукции гормонов, приводящих к повышению содержания глюкозы в крови).

Наиболее существенное значение в формировании ГГК имеют следующие процессы: усиленный распад гликогена; повышенный неоглюкогенез (образование глюкозы из продуктов распада липидов и белков, т.е. неуглеводов); торможение синтеза гликогена; снижение утилизации глюкозы тканями под влиянием гормональных антагонистов инсулина: соматотропина, глюкагона, адреналина, кортикотропина, глюкокортикоидов, тироксина, тиротропина.

Алиментарные гипергликемии отмечаются при избыточном поступлении глюкозы в кровь.

«Печеночные» гипергликемии встречаются при диффузных поражениях печени.

Стойкая и выраженная гипергликемия чаще всего сопровождает сахарный диабет. Принято выделять инсулинза-висимый сахарный диабет и инсулиннезависимый сахарный диабет.

На уровень глюкозы в крови влияет и состояние клубочковой фильтрации.

Гипергликемия вызывает гликозилирование различных белков -- гемоглобина, альбумина, белков базальной мембраны, что приводит к изменению их свойств, повышению иммуногенности и развитию сосудистых поражений.

Избыток глюкозы «вступает» на сорбитоловый путь обмена, что приводит к отложению сорбита в мембранах клубочков почек (это обусловливает повышение почечного порога для глюкозы, исчезновение ее из мочи), в хрусталике глаза (вследствие чего развивается катаракта), в стенках сосудов (формируется артериолосклероз).

Уровень глюкозы в крови повышается также при некоторых заболеваниях печени, гемохроматозе (пигментном циррозе печени).

Выделяют гипергликемии центрального происхождения -- вследствии механического, токсического, гипоксическо-го раздражения клеток головного мозга. Неврогенные ГГК наблюдаются при травме головного мозга, внутричерепном кровоизлиянии, энцефалите, шоке, тяжелой интоксикации, лихорадке, энцефалопатиях и некоторых других состояниях.

Повышение концентрации глюкозы в крови отмечается в результате парентерального введения углеводов, а также при введении гормональных препаратов -- кортикостероидов, кортикотропина; диуретиков, гипотензивных средств, салицилатов и других препаратов, блокирующих процессы фосфорилирования глюкозы.

Гипогликемия (ГПГ) - снижение содержания глюкозы в крови -- чаще всего связана с абсолютным или относительным повышением уровня инсулина в крови.

Гиперинсулинемия ингибирует гликогенолиз и тормозит процессы глюконеогенеза. Снижение продукции глюкозы в условиях продолжающейся утилизации ее мозгом и другими тканями приводит к гипогликемии.

Первичная гиперинсулинемия наблюдается при заболеваниях поджелудочной железы, сопровождающихся гиперсекрецией инсулина (гиперплазия бета-клеток островков Лангерганса, дегенерация альфа-клеток и др.). Выявляется прежде всего при инсулинпродуцирующих опухолях островков поджелудочной железы.

Вторичная гиперинсулинемия развивается у больных с поражением печени, желудочно-кишечного тракта, центральной нервной системы, а также при недостаточной выработке контринсулярных гормонов.

Внепанкреатическая гипогликемия отмечается в результате нарушения баланса между выраженностью процессов гликогенолиза и глюконеогенеза в печени при острых и хронических гепатитах, циррозах, острой и подострой дистрофии печени, отравлениях мышьяком, фосфором, при длительной механической желтухе, застойной печени, первичном или метастатическом раке печени.

Снижение концентрации глюкозы в крови часто наблюдается у больных животных при неукротимой рвоте, анорек-сии, уремии, обильной лактации и глюкозурии у беременных. Гипогликемия может возникать при поражении желудка и кишечника, при хирургическом удалении части тонкого кишечника; при нарушении всасывания глюкозы в кишечнике (энтериты, энтероколиты, синдром мальабсорбции, целиакия, муковисцидоз, дисбактериозы, длительные поносы), лихорадке, интенсивной физической нагрузке, голодании, переохлаждении.

Гипогликемия сопровождает многие эндокринные заболевания, в том числе гипофизарную и надпочечниковую недостаточность, гипофункцию щитовидной железы (микседема). Она встречается и при сахарном диабете: быстрое снижение концентрации глюкозы в крови больных животных приводит к развитию гипогликемической комы, тогда как при медленном уменьшении ее коматозное состояние не возникает.

Гипогликемия может быть центрального при энцефалите, опухоли мозга.

Встречается и спонтанная гипогликемия, возникающая после кратковременной алиментарной гипергликемии, вызванной обильным потреблением корма, богатой углеводами.

Гипогликемия, сопровождающаяся кетозом, обнаруживается у новорожденных животных (поросят) вследствие дефицита аминокислоты аланина, отравлениях хлороформом и его солями недостатке в организме микроэлементов, ацидозе, гипокенезии, остеодистрофии..

Для дифференциальной диагностики гипогликемических состояний используют различные нагрузочные пробы -- тесты толерантности к глюкозе, пробы с адреналином, преднизолоном и др.

Глюкозурия. В моче здоровых животных глюкоза практически не обнаруживается. Профильтровавшись через мембраны клубочков, глюкоза вновь реабсорбируется в проксимальных канальцах нефронов. В этом процессе принимают участие ферменты гексокиназа (глюкокиназа), фосфорилирующая глюкозу, и щелочная фосфатаза. Под влиянием последней происходит отщепление остатка фосфорной кислоты и глюкоза поступает в кровоток.

В том случае, когда гипергликемия достигает величины почечного порога, может присоединиться глюкозурия. Однако появление глюкозы в моче зависит не только от концентрации ее в крови. Это определяется также соотношением между количеством профильтровавшейся и реабсорбируемой в канальцах клубочков глюкозы за 1 мин.

Почечный порог глюкозы зависит от многих факторов: величины гипергликемии, продолжительности ее, состояния почек и многих других причин.

Различают две группы глюкозурии: гипергликемическую и нормогликемическую.

Гипергликемическая глюкозурия наблюдается при эндокринных заболеваниях (сахарный диабет, тиреотоксикоз); поражении центральной нервной системы (травмы, опухоли головного мозга, энцефалиты); заболеваниях поджелудочной железы (панкреатиты, опухоли); болезнях печени (гепатиты, циррозы, гемохроматоз); заболеваниях сердечнососудистой системы; интоксикации (воспаление легких, инфекционные заболевания, диспепсии новорожденных, ожоги, отморожения); лечении глюкокортикоидами и адренокортикотропным гормоном. Потребление корма, богатой углеводами, может вызвать алиментарную глюкозурию, которая исчезает через 2--3 ч после появления.

Нормогликемическая глюкозурия связана, главным образом, с нарушением реабсорбции глюкозы в почечных канальцах. Основными причинами ее являются интоксикация ртутью, окисью углерода, стрихнином, снотворными препаратами, хлороформом, морфином, кодеином и др. Нормогликемическая глюкозурия встречается при гломерулонефрите, хроническом пиелонефрите, нефросклерозе; беременности.

Выделение глюкозы с мочой сопровождается высоким диурезом, поскольку глюкоза как осмотически активное вещество увлекает с собой жидкость. Этому способствует и снижение реабсорбции воды в почечных канальцах.

Хотя глюкоза (как и белок) в моче здоровых животных обычными методами исследования не выявляется, она может обнаруживаться в ней при некоторых физиологических состояниях (физиологическая глюкозурия): при потреблении большого количества углеводов (алиментарная глюкозурия), а также от воздейстния некоторых лекарственных препаратов (преднизолона, кофеина и др.)

При обнаружении глюкозы в моче следует установить ее содержание в крови: тем самым можно составить представление о величине порога реабсорбции глюкозы.

К наиболее важным в диагностическом отношении метаболитам углеводного обмена следует отнести пировино-градную и молочную кислоту.

Пировиноградная кислота (ПВК) -- один из центральных метаболитов углеводного обмена. Она образуется в процессе распада гликогена и глюкозы в тканях, при окислении (дегидрировании) молочной кислоты (МК), а также в результате превращения ряда аминокислот. При окислительном декарбоксилировании ПВК возникает ацетил-КоА, который вступает в цикл Кребса. Окисление ацетил-КоА в цикле трикарбоновых кислот обеспечивает синтез АТФ.

ПВК -- один из основных субстратов гликонеогенеза. Она принимает участие в биосинтезе N-ацетилнейраминовой кислоты, глюкозы, гликогена, оказывает большое влияние на протекание процессов обмена веществ в центральной нервной системе.

Молочная кислота, будучи конечным продуктом гликолиза и гликогенолиза, образуется в организме в результате восстановления пировиноградной кислоты в анаэробных условиях. С током крови она поступает в печень, где снова может быть превращена в глюкозу или гликоген.

Клиника-диагностическое значение исследования пировиноградной кислоты в крови. Содержание ПВК увеличивается при гипоксических состояниях, вызванных тяжелой сердечно-сосудистой, легочной, кардиореспираторной недостаточностью, анемиями; при злокачественных новообразованиях, остром гепатите (в поздних стадиях) и других заболеваниях печени (наиболее выражено в терминальных стадиях цирроза печени), токсикозах, инсулинзависимом сахарном диабете, уремии, гепатоцеребральной дистрофии, а также после введения камфары, стрихнина, адреналина и при больших физических нагрузках, тетании, судорогах (при эпилепсии).

К увеличению уровня ПВК приводят В1-витаминная недостаточность, токсическое действие ацетилсали-циловой кислоты (аспирина), вызывающее при введении в большой дозе метаболический ацидоз; отравления ртутью, мышьяком, сурьмой.

Содержание ПВК в спинномозговой жидкости резко повышается при травматических заболеваниях ЦНС, воспалительных процессах -- менингите, абсцессе мозга.

Все факторы, обусловливающие увеличение концентрации ПВК, обычно приводят к возрастанию уровня молочной кислоты.

Клиника-диагностическое значение определения содержания молочной кислоты в крови. Молочная кислота является конечным продуктом гликолиза и гликогенолиза. Значительное количество ее образуется в мышцах. Из мышечной ткани МК с током крови поступает в печень, где используется для образования гликогена. Кроме того, часть молочной кислоты из крови поглощается сердечной мышцей, утилизирующей ее в качестве энергетического материала.

Уровень МК в крови увеличивается при гипоксических состояниях (вследствие неадекватной доставки кислорода к тканям), в том числе вызванных внезапно развившимся большим кровотечением, тяжелой анемией, острой застойной сердечной недостаточностью, циркуляторным коллапсом и другими заболеваниями сердечно-сосудистой системы, сопровождаюшимися цианозом (лактатацидоз); при экстракорпоральном кровообращении, остром гнойном воспалительном поражении тканей (особенно много МК накапливается в воспалительном экссудате), острых гепатитах, циррозе печени, почечной недостаточности, злокачественных новообразованиях, сахарном диабете, легкой степени уремии, инфекциях (особенно пиелонефрите), остром септическом эндокардите, полиомиелите, тяжелых заболеваниях сосудов, лейкозах, интенсивных и продолжительных мышечных нагрузках, эпилепсии, тетании, столбняке, судорожных состояниях, гипервентиляции.

Уровень лактата быстро нарастает и в неправильно хранящихся (без охлаждения) пробах биоматериала.

Лекция 3. Патобиохимия липидного обмена. Клинико-диагностическое значение показателей, характеризующих липидный обмен

3.1 Биологическая роль и особенности метаболизма липидов

Липиды -- разнообразные по химическому строению вещества. Они характеризуются способностью растворяться в эфире, хлороформе, других жировых растворителях и только незначительно (и не всегда) -- в воде, а также формировать вместе с белками и углеводами основной структурный компонент живых клеток.

Роль липидов в организме:

форма депонирования энергии (триацилглицериды, свободные жирные кислоты);

структурные компоненты клеточных мембран (свободный холестерол и фосфолипиды);

липиды участвуют в процессах терморегуляции, предохранении жизненно важных органов (например, почек) от механических воздействий (травм), потери белка, в создании эластичности кожных покровов, защите их от избыточного удаления влаги;

некоторые из липидов являются биологически активными веществами, обладающими свойствами модуляторов гормонального влияния (простагландины) и витаминов (полиненасыщенные жирные кислоты). Более того, липиды способствуют всасыванию жирорастворимых витаминов A, D, Е, К, выступают в роли антиокислителей (витамины А, Е и др.), во многом регулирующих процесс свободнорадикального окисления физиологически важных соединений, обусловливают проницаемость клеточных мембран по отношению к ионам и органическим соединениям, служат предшественниками ряда стероидов с выраженным биологическим действием: желчных кислот, витаминов группы D, половых гормонов, гормонов коры надпочечников.

Особенности метаболизма липидов:

наличие ресинтеза липидов в энтероцитах;

транспортировка по организму в виде липопротенов - комплексов липидов с особыми алобелками, синтезируемыми в печени, и частично в кишечнике (рис);

создание больших резервных запасов.

2. Патобиохимия липидного обмена Классификация нарушений обмена липидов строится на причинах их возникновения и по звену нарушения:

Нарушения поступления, всасывания и переваривания липидов отмечают при.

алиментарном дефиците или заболеваниях поджелудочной железы, печени и стенки кишечника - в данном случае наблюдается недостаток липидов в организме и блокируется энергетическая и структурные функции липидного обмена прежде всего, происходит истощение жировых депо.

алиментарном избытке - наблюдается накопление жиров в депо и органах;

алиментарном дисбалансе:

ограниченное потребление углеводов или ИЗСД - когда жирные кислоты вовлекаются распад для покрытия энергодефицита, а следовательно увеличивается продукция кетокислот;

при избытке углеводов липиды интенсивно откладываются в депо, за счет увеличения липолиза из метаболитов углеводов;

нарушении промежуточного обмена липидов:

наиболее значимые нарушения отмечаются при заболеваниях печени снижается синтез липопротеинов, желчных кислоти др.;

ПОЛ;

местные нарушения обмена липидов (жировая инфильтрация, декомпозиция и трансформация - как следствие избытка липидов).

3. Клинико-биохимическая диагностика нарушений

липидного обмена.

Биохимическая диагностика нарушений обмена липидов строится на определении содержания транспортных метаболитов липидного обмена в плазме крови.

Липемия - содержание общих липидов в плазме крови.

Группу «общих липидов» плазмы составляют нейтральные жиры (триацилглицерины), фосфорилированные производные их основных предшественников (фосфолипиды); свободный и эфиросвязанный холестерол; гликолипиды, неэстерифицированные (свободные) жирные кислоты. Подавляющее большинство перечисленных соединений (среди них прежде всего фосфолипиды, холестерол, триацилглицерины) в виде липопротеинов. Большая же часть свободных, или неэстерифицированных, жирных кислот дает комплексы с альбумином плазмы.

Гиперлипидемия (гиперлипемия) - увеличение концентрации общих липидов плазмы как физиологическое явление может наблюдаться через 1 - 4 ч после кормления. Алиментарная гиперлипемия выражена тем сильнее, чем ниже уровень липидов в крови больного животных натощак.

При обильном поступлении липидов с кормами плазам становится опалесцирующей. Выраженная липемия наблюдается у коров с патологией обмена веществ и алиментарным бесплодием, при концентратом типе кормления. Повышенное содержание липидов в крови, как правило, обнаруживается у животных, болеющих острым или хроническим нефритом, -- в случае если заболевание сопровождается отеками (вследствие накопления в плазме ЛПНП и ЛПОНП). Гиперлипемия -- постоянное явление у больных животных с циррозом печени, с острым гепатитом (особенно в желтушном периоде).

Гиполипемия - встречается реже и указывает на алиментарное голодание.

Патофизиологические механизмы, обусловливающие сдвиги в содержании всей фракции общих липидов, в большей или меньшей степени определяют выраженное изменение концентрации составляющих ее подфракций: холе-стерола, общих фосфолипидов и триацилглицеринов.

Холестеролемия (холестерин) представляет собой вторичный одноатомный ароматический спирт (З-окси-5-холестенен), в молекуле которого имеется общее всем стершим полициклическое ядро циклопентанпергидрофенантре-на.

Он обнаруживается во всех тканях и жидкостях животного организма: как в свободном состоянии, так и в виде сложных его эфиров -- соединений спиртовой группы холестерола с жирными кислотами (преимущественно ненасыщенными, например линоленовой).

В организме животных выделяется два основных фонда холестерола: структурный, представленный свободным холестеролом плазматических мембран, и метаболически активный, гетерогенный по фракционному составу эфи-росвязанного холестерола. Он обнаруживается в основном в липопротеинах плазмы крови, коре надпочечников, сурфак-танте легких.

В плазме крови холестерол находится главным образом в составе ЛПНП и ЛПОНП, причем 60--70% его представлено в форме сложных эфиров, а 30--40% -- свободного, неэстерифицированного холестерола. Свободный и эстерифицированный холестерол составляет фракцию общего холестерола. Гиперхолестеролемия -

первичная - алиментарные причины; и вторичная. Она наблюдается при застое желчи, поражениях почек (гломерулонефрите, нефротическом синдроме с отеками, хронической почечной недостаточности), злокачественных опухолях поджелудочной железы и подагре, эндокринных расстройствах (изолированном дефиците соматотропина, гипотиреозе, сахарном диабете, ожирении (в 50--80% случаев), авитаминозе В. Увеличение содержание холестерина в крови коров отмечается в первые 3 месяца лактации.

Гипохолистеролемия. Снижение уровня ХС плазмы наблюдается у больных животных при голодании, у страдающих синдромом мальабсорбции, при поражении центральной нервной системы, хронической недостаточности сердечно-сосудистой системы, кахексии, гипертиреозе, острых инфекционных, остром панкреатите, острых гнойно-воспалительных процессах в мягких тканях, лихорадочных состояниях, легочном туберкулезе, пневмонии неспецифической, саркоидозе органов дыхания, бронхите, анемии, гемолитической желтухе, остром гепатите, злокачественных опухолях печени, других онкологических заболеваниях (раке кишечника), ревматизме.

Определение липоидного фосфора или фосфолипидов - на их долю приходится 1/3 от общих липидов. Биологическая роль (структура биомолекул, процессы свертывания крови). Повышенное содержание - встречается при сахарном диабете, циррозе печени, нарушении свертывания крови, а так же может указывать на процессы протекающие с разрушением клеточных мембран. Снижение при вирусных гепатитах, гипотиреозах.

Липопротеинемия. Липопротеины транспортная форма липидов в организме. Табл. ХМ - синтезируются в энтероцитах и гепатоцтах, представлены преимущественно ТГ. ЛПОНП - синтезируются в гепатоцитах и энтероцитах. ЛПНП - синтезируются в печени и плазме. ЛПВП - в плазме.

Клинически важно установление соотношение между фракциями липопротеинов, для диагностики болезней печени и атеросклероза. У некоторых животных существует риск развития атеросклероза (нпр. морские свинки, свиньи) Исследования липидного обмена показало, что у первых основная часть холестерина плазмы приходится на липопротеины низкой плотности (Р-липопротеины), которые обладают высокой атерогенностью.

У вторых (устойчивых) основная часть холестерина плазмы содержится в липопротеинах высокой плотности (а-липопротеинах). Обычно рассчитывают коэффициент атерогенности представляющий отношение:

ЛПНП + ЛПОНП

ЛПВП

Кетонемия - содержание в крови кетоновых тел. Нарушение липидного обмена может приводить к накоплению в организме кетоновых или ацетоновых тел (кетоз). К кетоновым телам относят ацетоуксусную кислоту (ацетоацетат) -СН3СОСН2СООН, Р- гидроксимасляную кислоту ф-гидроксибутират) - СН3СНОНСН2СООН и ацетон - СН3СОСН3.

Кетоновые тела являются естественными продуктами обмена веществ, образующимися своими метаболическими путями и имеющими важное энергетическое значение. Кетоновые тела синтезируются из ацетил-KoA, образующегося в результате Р-окисления свободные жирных кислот, из глюкозы или в результате ацилирования уксусной кислоты, образующейся в значительном количестве в рубце жвачных животных, а также в процессе метаболизма аминокислот.

При ненарушенном обмене веществ и достаточном количестве углеводов ацетил-KoA окисляется в цикле Кребса и образующиеся сравнительно небольшие количества кетоновых тел будут утилизироваться в тканях.

При «патологическом» кетозе происходит нарушение обычных метаболических путей и их взаимосвязей, приводящих к преобладанию процесса синтеза кетоновых тел над их утилизацией и резкому накоплению их в биологических жидкостях. В тяжелых случаях может развиваться «кетоацидоз». Ацетоуксусная и Р-гидроксимасляная кислоты являются довольно сильными органическими кислотами (рК=3,8) и они полностью диссоциированы при pH организма. Значительное накопление кетоновых тел может превышать буферную емкость систем крови и привести к понижению рН.

Кетоз может наблюдаться не только при нарушении липидного, но и других обменов, однако в любом случае биохимической основой накопления кетоновых тел является резкое увеличение образования ацетил-КоА.

Нарушение обмена кетоновых тел приводит к резкому увеличению их в крови (гиперкетонемия). Она обычно сопровождается увеличением их в моче (кетонурия) и в молоке (кетолактия). Если в крови здоровых коров содержится, например, 2- 7мг % кетоновых тел, молоке 6-8 мг %, рубцовой жидкости 2-4 мг %, моче 7-10 мг % то при кетозе оно может увеличиваться в крови до 50- 150 мг %, моче 250-300 мг %, молоке до 20-30 мг %, содержимом рубца 40-80 мг %. Наличие положительной корреляции между тел в крови и молоке. Позволяет для ранней диагностики кетозов проводить исследование молока.

3.2 Принципы клинической энзимодиагностики. Компартментализация ферментов. Изоферменты

Диагностическая энзимология основывается на 3 основных принципах в трактовке результатов.

Первый из них касается тех ферментов, которые выполняют свойственные им функции, находясь внутри клеток, а в жидкости организма попадают вследствие нарушения проницаемости клеточных мембран или даже их разрушения в результате патологического процесса. Характер и тяжесть патологического процесса определяют, какие ферменты и в каком количестве будут выходить в межтканевую жидкости, а оттуда с током лимфы в кровь и мочу. Если повреждена только наружная клеточная мембрана - выходят в основном ферменты цитоплазмы, при более глубоких поражениях клетки и повреждении мембран клеточных органелл (митохондрий, лизосом, ядер и др.) в крови появляются соответствующие ферменты. При остром процессе с гибелью большого числа клеток количественные изменения будут выражены более резко, чем при вяло текущем хроническом процессе. Эти изменения позволяют судить о глубине поражения и динамике повреждения.

Второй принцип в энзимодиагностике основывается на определении тех ферментов, которые реализуют свою биохимическую функцию, будучи секре-тированными из клеток в плазму крови. Понижение их активности служит признаком повреждения секретирующего органа.

Третий принцип - обнаружение ферментопатий, т.е. таких состояний, когда в результате генетических нарушений организм полностью или частично неспособен синтезировать какой-либо фермент.

Вследствие трудности непосредственного определения количества фермента, об их концентрации судят по величине активности, что позволяет обнаруживать очень небольшие количества ферментов.

Хотя активность ферментов - это способность исследуемого материала ускорять течение соответствующей биохимической реакции, а концентрация - это количество специфического белка в единице объема, согласно международной договоренности между этими понятиями, ставят знак равенства. В клинической биохимии пользуются практически всегда значениями активностей (таблица 25).

С целью унификации результатов лабораторных исследований была принята международная (интернациональная) единица ферментативной активности, которая выражается количеством микромолей превращенного субстрата или продукта реакции за 1 минуту. В этом случае активность фермента выражается количеством международных единиц в одном литре (МЕ/л или ИЕ/л). В системе СИ единицей активности фермента является катал, характеризующийся количеством молей превращенного субстрата или продукта реакции в секунду. Так как это очень большая величина (катал = 60000000 ИЕ), то практические расчеты проводятся с его миллиардной частью - нанокаталом (1 ИЕ=16,67 нкат). В тоже время нужно иметь в виду, что введение международной единицы и катала не решает полностью проблему унификации единиц ферментативной активности, так как различие в условиях проведения эксперимента (рН, температура, природа и концентрация субстрата, концентрация кофермента и др.) сказываются на конечном результате.

Основные пути обмена веществ являются общими для всех живых клеток. Однако в процессе эволюции произошло образование большого числа качественных и количественных модификаций этих основных форм. В организме животных дифференциация на органы и ткани сопровождалась определенными биохимическими изменениями в клетках этих органов и тканей. Эти различия носили как количественный характер, выражающийся в различной интенсивности протекающих в клетках процессов, так и качественный , обусловленный наличием в тканях реакций присущих главным образом клеткам определенных типов. Так, например, практически во всех тканях животных происходит окисление глюкозы в присутствии кислорода, но скорости этого процесса в различных тканях различны. В тоже время биосинтез стероидных гормонов происходит только в коре надпочечников, гонадах и плаценте.

Дифференциация органов и тканей в процессе роста и развития приводит к тому, что клетки специализируются в каком-то одном направлении, теряют универсальность и в них осуществляется синтез ограниченного числа ферментов необходимых для осуществления той функции, для которой предназначен данный орган или ткань.

Определяя активность ферментов в гомогенатах органов и тканей получают картину их распространения в организме животного. Некоторые ферменты обладают низкой органной специфичностью и широко распространены в тканях, отличаясь только концентрацией, другие более специфичны и обнаруживают активность только в одном или в ограниченном числе источников (таблица 26).

Наибольший интерес представляют те ферменты, которые специфичны для определенных органов и тканей. Фермент может иметь диагностическое значение и в том случае, когда он широко распространен, но изоферментный спектр клеток различных органов и тканей будет неодинаков, как например, в случае фермента лактатдегидрогеназы.

С развитием метода дифференциального ультрацентрифугирования, была изучена клеточная локализация ферментов. Этот метод дает возможность разделить клеточный гомогенат на четыре фракции: ядерную, митохондриальную, микросомальную и надосадочную (растворимую). Анализ отдельных фракций показывает, что ферменты, как правило, связаны с отдельным типом частиц, хотя в некоторых случаях однотипные ферменты могут обнаруживаться в различных фракциях.

В митохондриях содержатся все ферменты цикла Кребса, а также ферменты окисления жирных кислот и окислительного фосфорилирования. Это структурная специфичность может быть относительна. Если окисление жирных кислот и окислительное фосфорилирование исключительно митохондириальные процессы, то окисление пировиноградной кислоты может происходить и в других частях клетки. Однако исключительно высокая активность этого процесса в митохондриях указывает, что именно эти частицы являются ответственными за осуществление цикла Кребса. Необходимо также иметь в виду, что ферменты катализирующие одну и туже реакцию и находящиеся в различных фракциях могут отличаться по своим характеристикам. Например, аспартатаминотрансфераза обнаруживается как в митохондри-альной, так и растворимой фракциях, но эти ферменты различаются по сродству к субстрату, электрофоретической подвижностью и детерминируются различными генами. Ферменты сукцинатдегидрогеназы различаются по каталитической активности, один из них в качестве кофактора имеет НАД+, а другой - НАДФ+. В митохондриях находятся обе формы, а в цитоплазме - только НАДФ-зависимая сукцинатдегидрогеназа. Это существование функционально однотипных ферментов является, очевидно, приспособлением к особенностям метаболизма существующим в отдельных частях клетки.

Лизосомы содержат группу гидролитических ферментов имеющих оптимум рН около 5: катепсины, коллагеназу, глюкозидазы, эстеразы, рибонуклеазу, дезоксирибонуклеазу. Эти ферменты изолированы лизосомальной мембраной, что предотвращает в обычных условиях аутолиз (это происходит когда клетки погибают). При патологических процессах, под действием лекарственных веществ, токсинов бактерий и др. лизосомы могут разрушаться, что ведет к характерному повреждению клеток и тканей. Лизосомальные ферменты играют роль в воспалительных процессах. Считается, что такой антивоспалительный агент как кортизон, оказывает свое действие, стабилизируя лизосомальную мембрану.

Микросомальная фракция представляет собой смесь продуктов разрушения мембранной системы. В микросомаль-ной фракции находятся ферменты участвующие в биосинтезе холестерина, фосфолипидов, глицеридов. Особенно интересна группа ферментов осуществляющих биотрансформацию ксенобиотиков и эндогенных соединений. Эти реакции важны и в клиническом отношении, так как этим путем выводятся как естественно образующиеся продукты метаболизма (билирубин, гормоны и др.) так и многие чужеродные вещества ( например, лекарственные препараты).

В ядре обнаружено около 40 ферментов, многие из которых участвуют в реализации генетической информации.

На скорость выхода ферментов из клеток действует несколько факторов. Во-первых концентрационный градиент (разность концентраций ферментов в клетках и внеклеточной жидкости). Величина концентрационного градиента колеблется для различных ферментов и типов клеток в широких пределах. Соотношение внеклеточной и внутриклеточных активностей в клетках печени для аспартат и аланинаминотрансферазы составляет 1:10000, для сорбитолдегидрогеназы 1:50000. Концентрация лактатдегидрогеназы в клетках печени примерно в 3000 раз выше, чем вне клеток, а в эритроцитах - только в 200 раз.

Вторым фактором, влияющим на скорость выхода ферментов из клеток, является размер и масса молекул ферментов. Диффузия ферментов происходит тем быстрее, чем меньше размеры и масса молекул. Третий фактор - внутриклеточная локализация ферментов. Наиболее легко при незначительном повреждении клеток в кровь будут выходить ферменты цитоплазмы, тогда как при некрозе клеток будут обнаруживаться ферменты и митохондриальной и ядерной фракций.

Нарастание содержания ферментов в крови зависит от числа и степени повреждения клеток, а также скорости повреждения клеток. Повреждение большого числа клеток в короткие сроки приводит к резкому повышению уровня ферментов в крови. Например, при отравлении четыреххлористым углеродом экспериментальных животных можно получить увеличение активности ферментов «печеночного» пула в десятки и сотни раз вследствие разрушения сразу большого числа клеток. В то же время при циррозе, даже при значительном поражении печени, увеличение активности ферментов в сыворотке крови будет незначительным, так как скорости активного повреждения клеток будут небольшие.

На содержание ферментов крови влияет также скорость удаления их из кровотока. Ферменты небольшой молекулярной массы, типа а - амилазы могут быть удалены через почки. Однако механизм удаления большинства высокомолекулярных ферментов неизвестен. Очевидно их распад катализируют специфические протеазы, обуславливающие определенную скорость разрушения фермента.

В клинико-биохимических исследованиях чаще всего реализуется первый принцип, т.е. исследуются клеточные ферменты, поступившие в кровь из органов и тканей при патологии. Для исследования активности ферментов используется чаще всего сыворотка или плазма крови. Интерпретация полученных данных основывается обычно на том, что для сыворотки крови характерны низкие значения содержания ферментов, по сравнению с их концентрацией внутри клеток.

Уровень содержания ферментов в клетках отражает процессы биосинтеза и выхода ферментов в кровь при обычном обновлении клеток. Клеточная пролиферация и повышенный ферментативный синтез, повреждения или повышение проницаемости клеточных мембран приводит к усилению выхода ферментов во внеклеточные жидкости, а затем и в кровь. Развивается гиперферментемия.

Значительно реже при патологии происходит уменьшение ферментативной активности в сыворотке крови (гипо-ферментемия). Это касается тех ферментов, которые будучи синтезированы в каком-либо органе реализуют свою функцию в крови. Например, фермент лецетинхолестеринацилтрансфераза (ЛХАТ) находясь в плазме этерифицирует молекулы холестерина, перенося на них жирные кислоты, находящиеся в р - положении молекулы лецетина. При поражении паренхимы печени активность фермента резко снижается. К числу плазмоспецифических относится также холинэстера-за, разрушающая ацетил-холин и родственные ему вещества. При поражении клеток печени, и нарушении их синтетической функции происходит снижение активности этого фермента в сыворотке крови. К этой группе относятся также ферменты свертывающей системы крови синтезируемые в печени и проявляющие свое действие, будучи секретированными в кровь.

Исследования активности органоспецифических ферментов в плазме или в сыворотке используют для решения вопроса о том, какой орган в какой степени затронут патологическим процессом. Некоторые ферменты высокоспецифичны, поэтому увеличение их активности в сыворотке крови позволяет по одному этому признаку сделать правильное заключение о характере заболевания. Например, резкое повышение активности фермента орнитинкарбомоилтрансфера-зы, который синтезируется только в печени, свидетельствует о поражении гепатоцитов. Трипсин вырабатывается только в поджелудочной железе, поэтому увеличение активности его в крови, свидетельствует о поражении этого органа.

Другие ферменты менее специфичны, так как они могут происходить из различных органов и тканей. Органоспе-цифичность некоторых клинически значимых ферментов представлена в таблице 26.

В клинико-биологических исследованиях широко используют, как те, так и другие ферменты. Определение высокоспецифических ферментов имеет наибольший смысл при дифференциальной диагностике, когда четко сформулирована альтернатива. Однако обратной стороной специфичности является узость. Определяя специфические ферменты, можно подтвердить или опровергнуть только данную гипотезу. Во многих случаях оправданы и менее специфические тесты. Исследуя менее специфические показатели можно сразу вычленить целую группу заболеваний.

Каждая ткань имеет свой ферментный профиль, т.е. набор ферментов наиболее характерных для данного органа или ткани и определенным образом изменяющаяся при патологии. При разрушении клеток и перехода ферментов в кровь может происходить перестройки ферментного профиля ткани связанная с неравномерной отдачей ферментов цитоплазмы и клеточных структур, адсорбцией ряда ферментов на разрушенных тканях, инактивацией и разрушением некоторых ферментов. Потому ферментный спектр сыворотки крови характеризующий ту или иную патологию (биохимический синдром) может отличаться от ферментного профиля ткани.