Сетевое издание
Международный студенческий научный вестник
ISSN 2409-529X

EXCESS COPPER AND ITS EFFECT ON BIOCHEMICAL PROCESSES IN THE HUMAN BODY

Musatova N.M. 1
1 FGBOU VO "Osu named after I.S. Turgenev"
The article presents the information accumulated in recent years on the biochemical role of the trace element copper, which is a catalytic component of a number of enzymes and a structural component of important proteins. Also the copper-containing protein- ceruloplasmin participates in the transfer of the chemical element from various organs. Modifications in the composition of enzymes can occur due to point genetic mutations. This leads to impaired ceruloplasmin function and its excretion from tissues. This will cause a change in the homeostasis of copper in the body, and the chemical element will begin to accumulate in internal organs. Copper ions become highly toxic and cause biological destructive changes in organs in high concentrations. The article deals with hepatocerebral dystrophy and biochemical changes in the body in Wilson Konovalov disease, its etiology and pathogenesis. The prevalence of this disease according to Orphanet is 1-9 cases per 100000 populations. Clinical symptoms are most severe in homozygous patients with 2 identical mutations, but individuals with different mutations in homologous chromosomes are more common. The specific symptoms of Wilson Konovalov disease are Kaiser-Fleischer Ring, proximal tubule dysfunction (Fanconi syndrome), and mixed jaundice of the hemolytic-parenchymatous type.
copper
biochemical role
ceruloplasmyn
wilson konovalov disease
transport protein
copper excess
atpase 7b

Введение

В составе клеток организма человека содержится множество химических веществ, которые можно разделить на две большие группы: органические и неорганические. Последние можно подразделить на макро, микро и ультрамикроэлементы. Одними из эссенциальных микроэлементов являются медь, железо, марганец и молибден. Они входят в состав большого количества ферментов и белков. Медь содержится в органах человека в очень малом количестве. Суточная норма для взрослых составляет 30 мкг\кг, а для детей – 40 мкг\кг. Она содержится в металлосодержащем ферменте- супероксиддисмутазе, который предотвращает отрицательное воздействие свободных радикалов на цитоплазму клеток, в дофамин-β-гидроксилазе, обеспечивая синтез нейромедиаторов, необходимых для проведения нервного импульса в синапсе. Обеспечивает нормальную работу нервной, мочеполовой и пищеварительной систем.

Цель исследования

Целью научной статьи является рассмотрение процессов обмена меди в организме с участием церулоплазмина, и биохимических изменений при накоплении избыточных ионов меди в результате нарушения процессов метаболизма.

Материалы и методы исследования

Медь попадает в организм вместе с пищей и всасывается в кишечнике, где с помощью белка DMT1 попадает в энтероцит и транспортируется в аппарат Гольджи. В аппарате Гольджи при накоплении ионов металла синтезируется фермент АТФаза 7А. Он участвует в выведении меди (с затратой аденозинтрифосфатов) из клетки в общий кровоток в комплексе с альбумином и транскуприном. После чего через воротную вену медь попадает в печень. Через мембрану гепатоцита медь проходит с помощью белка-транспортера Ctrl. Чтобы предотвратить аккумуляцию меди внутри печени активизируются элиминационные механизмы. Фермент АТФаза 7В участвует в образовании активной формы церулоплазмина из апо-церулоплазмина, а также присоединяет медь к белку, высвобождая ее из гепатоцитов с дальнейшей экскрецией с жёлчью [1, с.1254-1259].

Одним из ключевых элементов обмена меди является церулоплазмин- это медьсодержащий α2- гликопротеид, в состав которго входят: аминокислоты, углеводы и ионы меди. Белковая часть молекулы гомологична молекуле фактора V свертывания крови [2, с.180-189]. Углеводная часть состоит из глюкозамина, лактозы, мальтозы, фукозы и сиаловой кислоты. В активных центрах церулоплазмина содержится шесть атомов меди. Они подразделяются на три основные группы: ионы Ⅰ тип имеет четыре лиганда (два атома азота имидазольного кольца гистидина, атом серы цистеина и метионина). Ионы II и Ⅲ типа в качестве лигандов имеют четыре атома азота имидазольных колец гистидина.

Внутри молекулы целуроплазмина ионы меди транспортируются между активными центрами. Выделяют три вида активных центров: Т1Cu- синие, Т2Cu- не синие, Т3Cu- биядерные. Этот процесс протекает в 7 стадий. Вначале происходит восстановление: два синих центра и ион железа +2 восстанавливается до иона железа +3. Далее два электрона от первого Т1Cu и Fe+2 восстанавливают биядерный центр. После чего с оставшегося восставленного синего центра и центр Т3Cu электроны переносятся на центр Т2Cu [2, с 104-108.].

Молекулы церулоплазмина являются главными белками-переносчиками меди в организме. Нарушения, возникающие в этой системе, являются причиной патологических процессов, связанных с накоплением ионов меди в организме и его токсическим действием. Одним из таких нарушений является гепатоцеребральная дистрофия или болезнь Вильсона-Коновалова.

Болезнь Вильсона-Коновалова- тяжелое аутосомно-рецессивное заболевание. Оно возникает из-за точечной мутации в 13 хромосоме гена ATP7B. Аминокислота гистидин заменяется на глутаминовую кислоту [3, с.81]. Нарушается синтез белка АТФаза 7В, необходимого для связывания меди с церулоплазмином, и выведение меди из организма. Она накапливается в печени, головном мозге, селезенке, почках, роговице, хрусталике глаза и других внутренних органах, нарушая их функционирование и вызывая некротические процессы.

Клинические симптомы заболевания наиболее выражены у гомозиготных носителей мутации. При гетерозиготности клинические симптомы заболевания у индивидуума не проявляются, но они могут проявиться у половины его потомства. Наиболее распространенная форма наследования — это компаундгетерозиготность — наличие различных мутации в гомологичных хромосомах, каждая из которых унаследована от одного из родителей.

Биохимические изменения при болезни Вильсона Коновалова затрагивают каждую клетку организма. Ионы меди фиксируются на мембране эритроцитов, изменяя белково-липидные комплексы, и увеличивают проницаемость мембраны и осмотическую хрупкость. В результате снижается деформируемость эритроцитов, что может привести к гемолизу клеток.

Изменения в почках связаны с отложением меди в проксимальных извитых канальцах, что приводит к повреждению базальных мембран капсулы Шумлянского-Боумена. Затем развивается проксимальная канальцевая дисфункция (синдром Фанкони), проявляющаяся аминоацидурией, глюкозурией, гиперфосфатурией и гиперкальциурией.

Ионы меди также накапливаются в виде кольцеобразных структур вокруг радужки глаз на границе роговицы и склеры. Это Кольцо Кайзера — Флейшера имеет коричневый цвет с зелеными и желтыми оттенками. На ранних стадиях его можно определить при офтальмоскопии, на более поздних стадиях можно определить и невооруженным глазом.

У пациентов с болезнью Вильсона-Коновалова может встречаться любое поражение печени. Серьезные нарушения возникают в системе образования первичных желчных кислот. Это происходит из-за изменения последовательности синтеза, в результате чего накапливаются промежуточные метаболиты: глициновые и тауриновые конъюгаты, атипичные желчные спирты, сульфатиды и глюкурониды. Данные нарушения наблюдаются при 3β-гидрокси-Δ5 -C27-стероидоксиредуктазной недостаточности. Вторичный метаболитический дефект синтеза желчных кислот называется Синдром Цельвегера, он же будет связан с болезнью пероксисомного биогенеза [4, с. 35–40].

Концентрация ионов меди оказывает большое влияние на работу нервной системы. Ионы металла входят в состав дофамин-β-гидроксилазы, которая участвует в превращение дофамина, аскорбата и кислорода в норэпинефрин, дегидроаскорбат и воду. Также медь предохраняет нейроны от эксайтотоксического действия возбуждающего нейротрансмиттера- глутамата. При заболевании Вильсона-Коновалова, не связанная с церулоплазмином медь является нейротоксичной. Она свободно может проникать через гематоэнцефалический барьер в спинной и головной мозг и вызывать окислительный стресс, связанный с взаимодействием меди с белками Aß и Tau [5, с.44]. Токсическое действие увеличивает окислительные повреждения липидов, белков и ДНК, вызывая нейродегенеративные расстройства, такие как рассеянный склероз, болезнь Паркинсона, болезнь Хантингтона, болезнь Альцгеймера. Избыток меди также нарушает способность клеток микроглии выделять оксид азота, излишки которого смещает редокс-потенциал в прооксидантную сторону. Это приводит к уменьшению скорости ответной реакции нервной системы организма [6, c.1929-1938].

Токсическое действие избытка меди оказывает воздействие на защитные механизмы, которые обеспечивает супероксиддисмутаза – один из основных ферментов антиоксидантной системы. Эта система состоит из металлоферментов, которые можно разделить на две группы: изофермент Сu-СОД и изофермент Zn-СОД. Основная ее роль заключается в регуляции биоактивности монооксида азота, который реагирует с анион-радикалами кислорода с образованием высокотоксичного пероксинитрита, и поддержании их концентрации в клетке на низком уровне. Нарушения в антиоксидантной системе приводят к увеличению образования активного синглетного кислорода, который является наиболее реактогенной формой, от которого нет защитных механизмов в организме [7, с.3-6].

Выводы или заключение

Проведенный анализ литературы показывает, что гомеостаз меди лежит в основе нормального функционирования клеток организма, а нарушения обмена этого элемента влияют на формирование различных патологических состояний. Одним из них является гепатоцеребральная дистрофия или болезнь Вильсона-Коновалова. При этом возникают биохимические изменения, нарушающие работу нервной системы и синтеза желчных кислот, а также ослабляющих антиоксидантную систему защиты организма.

Главная причина заболевания лежит в нарушении синтеза АТФ-азы 7В, которая должна обеспечивать связь и экскрецию меди с церулоплазмином. Это означает, что роль церулоплазмина в метаболизме меди заключается не только своевременного предоставлении меди тканям, но и в выведения ее излишнего количества из клеток.