Pathobiochemie von Kohlenhydratstoffwechsel 3. Dr. Zsuzsanna Neogrády Dr. Gábor Mátis Veterinärmedizinische Universität Budapest Abteilung für Biochemie Glykogenosen • Mit dem Name Glykogenose wird eine Gruppe autosomal rezessiven Krankheiten bezeichnet, die sich durch Mangel an einem bestimmten Enzym oder reduzierte Aktivität eines der Enzyme, die sich an der Glykogen-Synthese und dem Glykogen-Abbau beteiligen, auszeichnen; • es kommt zur Speicherung des Glykogens in verschiedenen Geweben des Organismus. • Glykogenosen werden nach dem Enzym mit gestörtem Glykogenstoffwechsel in Kategorien eingeteilt. Die einzelnen Störungen werden mit römischer Zahl bezeichnet. • Die klinischen Symptome der einzelnen Glykogenose-Typen unterscheiden sich nach dem defekten Enzym und der Stelle der Glykogenakkumulation. • http://www.genomia.cz/de/test/gsd/ Glycogenose Typ I.: von Gierke-Krankheit • Glukose-6-Phosphatase-Mangel (Leber, Nieren) • Biochemische Rolle von Glukose-6-Phosphatase: glucose-6-phosphatase glucose-6-phosphate glucose Glycogenose Typ I.: von Gierke-Krankheit • Definition • Der Morbus von Gierke ist eine Glykogen-Speicherkrankheit, die durch einen Mangel des Enzyms Glukose-6Phosphatase gekennzeichnet ist. Damit kann das beim Glykogenabbau anfallende Glukose-6-Phosphat nicht mehr dephosphoryliert werden und nicht die Leber- und Nierenzellen verlassen. • Klinik • Symptome dieser Erkrankung sind Hepatomegalie und später Nephromegalie, Hypoglykämie, Hyperlipidämie, Hyperurikämie, Acetonämie und Hornhautdystrophie. Im weiteren Verlauf der Erkrankung treten hämorrhagische Diathesen und Leberinsuffizienz auf. Autosomal-rezessiv vererblich ist. http://flexikon.doccheck.com/de/Glykogenspeicherkrankheit Glycogenose Typ I.: von Gierke-Krankheit: Pathogenese Mangel des Enzyms Glukose-6-Phosphatase Hund (gesund) 1. Akkumulierung von Glukose-6-Phosphat • Allosterische Aktivierung von Glykogen Synthase Hund Glykogenese (↑ stimuliert) (krank) • Hemmung von Glykogen Phosphorylase GlykogenoLeber mit intensiven • lyse (↓ gehemmt) Glykogenspeicherun g • Glykogen akkumuliert: Leber, Skelettmuskel, Herzmuskel, Gehirn 2. Hemmung der Blutzucker Produktion: gehemmte Produktion aus Glykogen (Glykogenolysis), Laktat und Aminosäure (Glukoneogenese) Hypoglykämie, Ketose, Lipolyse und Lipidmobilisierung (↑ stimuliert) Hyperlipidämie, FFA ↑ Glycogenose Typ I.: von Gierke-Krankheit: Symptome • Die Erkrankung manifestiert sich schon nach Geburt: Hypoglykämie und Azidose • Die gestörte Glucosefreisetzung führt auch zu einer vermehrten Glykogenablagerung in der Leber, was mit Vergrößerung der Leber (Hepatomegalie) verbunden ist. • Häufig bestehen eine Muskelschwäche und eine Wachstumsverzögerung. • Blutzucker kann auch manchmal normal sein, • aber bei intensiven Muskelaktivität: Hypoglykämie Glycogenosis type I.: von Gierke-Krankheit: Glykogen Akkumulierung im Leber, Hepatomegalie Glykogenose Typ I.: von Gierke-Krankheit: Therapie, Prognose • Keine spezifische, effektive Therapie • Symptomatische Behandlung: 1. Hypoglykämischer Spasmus (eine unkontrollierte Bewegung eines Muskels) Glukose i.v. 2. Energiemangel spezifisches Diät: kleine Mengen von kohlenhydratreichen Diät, vielmals täglich • Prognose: nicht gut Glycogenose Typ II.: Pompe-Krankheit • Lysosomale Exo-Amylo-1.4-GlukosidaseMangel Spaltung von Glukoseeinheiten von Ende der Glykogenkette • Erbung: autosomal rezessiv • Enzymmangel lysosomale Abbau von Glykogen gehemmt GlykogenAkkumulierung und Energiemangel Muskelschwäche Glycogenose Typ II.: Pompe-Krankheit • Hunde- Pompe-Krankheit bekannt, um auf Schweden Lapphunds aufzutreten und jetzt wurde es auch von Finnischem Lapphunds aufgedeckt. • Ermangeln die betroffenen Welpen und die infantilen Anfangpatienten Lysosomale Exo-Amylo-1.4-Glukosidase Enzym. • Normalerweise gliedert dieses Enzym das gespeicherte Glycogen in Glukose innerhalb der Lysosomen auf. Wenn das Enzym nicht richtig arbeitet, akkumuliert Glycogen innerhalb der Zellen aller Gewebe. • In Pompe-Krankheit gliedert Glycogen nicht natürlich auf und Aufspeicherung beeinflußt am schwersten Gewebefunktion der Muskeln. Glycogenose Typ II.: Pompe-Krankheit: Symptome Hunde und Katze unter 1 Jahr, manchmal Grosstiere (Nutztiere) Zwei Forme können beobachtet sein: • 1. Kardiomegalie: grosse Menge von Glykogen akkumuliert in Herzmuskel, abnormale EKG Funktion von Herz- und Atemmuskel geschädigt schnelles Tod • 2. Neuromuskuläre Form: Glykogen akkumuliert in Gehirn Erkrankung von Zentral Nerven System Glycogenose Typ II.: Pompe-Krankheit: Symptome Neuromuskuläre Form Kardiomegalie Glycogenose Typ II.: Pompe-Krankheit:Therapie, Prognose • Keine spezifische, effektive Therapie • Symptomatische Behandlung, wenn es möglich ist • Prognose: im allgemeinen schlecht, ein bischen besser bei Neuromuskulären Form Glycogenose Typ III.: Cori-Forbes-Krankheit • Mangel des Enzyms: Amylo-1,6Glucosidase (Debranching enzyme) • Biochemische Rolle des Enzyms: Abbau die Verzweigungen des Glykogens während Glykogenolyse • (Glykogen Phosphorylase spaltet nur 1,4-glykosidische Bindungen Abbau von Glykogen Glykogen Phosphorylase oder Lysosomale ExoAmylo-1,4 Glucosidase spaltet α(1,4) Bindungen Amylo-1,6-Glucosidase spaltet α(1,6) Bindungen Glycogenose Typ III.: Cori-Forbes-Krankheit Bei Akita, curly-coated Retriewer und Deutsche Schäferhund wurde die Krankheit geschrieben Glycogenose Typ III.: Cori-Forbes-Krankheit: Pathogenese, Symptome Enzymemangel Partielle Abbau von Glykogen is möglich durch Glykogen Phosphorylase • Zwei Monate alte Hund: Symptome von Muskelerkrankungen • Hypotonie und Muskelschwäche • Hepatomegalie • Hypoglykämie in Falle von Hungern • Glykogenablagerungen in Leber, Niere und Myokard • Wachstumsverzögerung: Kleinwuchs, Skelettmyopathie • Hyperlipidämie • später Kardiomyopathie • Die Krankheit hat üblicherweise einen leichten Verlauf. Glycogenose Typ III.: Cori-Forbes-Krankheit http://en.wikipedia.org/wiki/File:Glycogen_storage_disease_in_liver_-_high_mag.jpg • Die Biopsie zeigt hypertrophische Hepatocyten und portale Fibrose. Glycogenose Typ III.: Cori-Forbes-Krankheit: Type, Therapie • Typ A: Enzymmangel im Leber und Muskel • Typ B: Enzymmangel nur im Leber, so keine Muskelsymptomen (Herz, Skelett) können beobachtet sein. • Therapie: symptomatisch Glukose i.v., Leberschutztherapie. • Ernährungstherapie: kohlenhydratreich, viele kleine Mahlzeiten, bei Myopathie: proteinreich Glycogen Storage Disease (GSDllla) http://www.laboklin.co.uk/laboklin/showGeneticTest.jsp?testID=8156D • • • Breed Curly Coated Retriever . The Disease Glycogen storage disease is a glycogen metabolism disorder caused by deficiency of the glycogen debranching enzymes (AGL) and this results in accumulation of glycogen in the liver and other organs. Glycogn Storge Disease Type llla (GSDlla) affects Curly Coated Retriever. Clinical Signs Affected dogs show less symptoms in early life but older dogs exhibit exercise intolerance, lethargy, episodic hypoglycemia and prolonged recovery from exercise and collapse. CarrierGenotype: N / GSD [ Heterozygous ]The dog carries one copy of the mutant gene and one copy of the normal gene.The dog will never develop Glycogen Storage Disease (GSDllla) but since it carries the mutant gene, it can pass it on to its offspring with the probability of 50%. Carriers should only be bred to clear dogs. Avoid breeding carrier to carrier because 25% of their offspring is expected to be affected (see table above) AffectedGenotype: GSD / GSD [ Homozygous mutant ] The dog carries two copies of the mutant gene and therefore it will pass the mutant gene to its entire offspring.The dog will develop Glycogen Storage Disease (GSDllla) and will pass the mutant gene to its entire offspring Sample Requirements Whole blood in EDTA tube (0.5 - 1 ml) or Buccal Swabs. Turnaround within 7 working days Price £ 55.00 (including VAT) Glykogenose Typ IV.: Andersen-Krankheit http://themedicalbiochemistrypage.org/glycogen.php Mangel der Amylo-1,4 1,6 Transglukosidase (branching enzyme) Biochemische Rolle der Enzym: Formierung von 1,6-glykosidischen Bindungen Verzweigungen in Glykogen Molekul Der Enzym transportiert einen terminalen Fragment von 6-7 Glukose Einheiten (von einem Polymer mit mindestens 11 Glucose Einheiten) an einen internalen Glukose Einheit (bei C-6 Hydroxyl Position). Glykogenose Typ IV.: Andersen-Krankheit • Mangel der Amylo-1,4 1,6 Transglukosidase (branching enzyme) Transglukosidase= =Branching enzyme Glykogenose Typ IV.: Andersen-Krankheit http://www.genomia.cz/de/test/gsd/ Die Glykogenose bei Norwegischen Waldkatzen wird durch eine Mutation verursacht. Das abnormale Glykogen wird bei Katzen in den Myozyten (Muskelzellen), Hepatozyten (Leberzellen), Nieren und Neuronen gespeichert, was zur tödlichen Beschädigung der Organe führt. Die betroffenen Kitten sterben sehr bald nach der Geburt meistens in Folge der Hypoglykämie. Tiere, die überleben, unterliegen innerhalb von 5 Monaten der progressiven neuromuskulären Degeneration. Die betroffenen Pferden sterben in der pränatalen Phase oder überleben höchstens 18 Wochen und sterben an Hypoglykämie oder Herzversagen. Glycogenose Type IV.: Andersen-Krankheit • Die abnormale Struktur von Glykogen ist durch den Defekt des Glykogen Branching Enzyms Amylo-1,4 1,6 Transglukosidase verursacht. Dank der unzureichenden Verzweigung des Glykogens wird seine Löslichkeit erheblich reduziert. Abnormaler Glykogen wird in verschiedenen Organen (Leber, Muskel, Nieren, Neuronen) akkumuliert. • Weder Glykogen Phosphorylase, noch Exo-Amylo-1,4 Glukosidase kann die abnormale Struktur von Glykogen spalten. Glycogenose Typ IV.: Andersen-Krankheit http://www.humpath.com/IMG/jpg/gsd_4_b.jpg • Akkumulierung von Glykogen mit abnormaler Struktur • Färbung – H&E basophil – Toluidinblau (metachrom) – PAS (rötlich) positiv – Dieses Glykogen ist ähnlich wie Amylopektin aufgebaut, welches zu einem hohen Prozentsatz in der pflanzlichen Stärke vorliegt. Normalerweise ist Glykogen stark verzweigt. Beim Andersen-Krankheit liegt jedoch nur ein schwach verzweigtes Polysaccharid vor. Glykogenose Typ IV.: Andersen-Krankheit: Symptomen, Therapie Die Prognose von Morbus Andersen insgesamt sehr schlecht. 1. Leber: Herausragendes Symptom ist eine sich ständig vergrößernde Leber (Hepatomegalie), aus der sich schnell eine Leberzirrhose entwickelt. 2. Vergrösserung von Milz (Splenomegalie). 3. Muskel: Akkumulierung von Glykogen in Muskel Muskelhypotonie (Mangel an Muskelspannung), Muskelschwäche, Muskelatrophie und Herzinsuffizienz. 4. Auch neurologische Symptome treten auf. Therapie: kann keine ursächliche Behandlung erfolgen. Glycogenose Typ VII.: Tarui-Krankheit • Mangel von Enzym: Phosphofruktokinase I. • Biochemische Rolle der Enzym: Schlüsselenzym der Glykolyse. phosphofructokinase fructose-6-phosphate fructose-1.6-bisphosphate Steps of Glukolyse Glykogenose Typ VII.: Tarui-Krankheit • Mangel der Phosphofruktokinase Enzym: • in jungen (8 Monaten alten) Englisher/ Amerikanischer Springer Spaniel oder Cocker Spaniel Hunden (rezessive Allel in 10% von gesunden Tieren!!), in Whippet, oder Mischlingsrassen Glycogenose Typ VII.: Tarui-Krankheit: Pathogenese, Symptomen, Therapie 1. Gehemmte Glykolyse: Erythrocyten und Skelettmuskel sind geschädigt 2. Glykogen Akkumulierung: im Leber, Muskel, Gehirn Symptomen: • Erythrozyten Hämolyse hämolytischer Anämie (Gelbsucht) und Hyperurikämie • Muskelkrämpfe und Myoglobinurie nach körperlicher Anstrengung. Nach längerer Belastung kommt es zur Muskelermüdung bzw. - Schwäche und Steifheit der Muskeln. • Nach kohlehydratreichen Mahlzeiten ist die Belastungsintoleranz besonders ausgeprägt. • Hepatomegalie Leberdisfunktion • Therapie: Vermeidung von zu starker körperlicher Belastung. Mitochondriale Myopathien • • • Mitochondriopathien sind sehr vielgestaltige Erkrankungen Mitochondriopathien sind Erkrankungen, bei denen ein Defekt in den Mitochondrien vorliegt, der in der Regel eine genetische Ursache hat. Funktionsstörungen der Mitochondrien betreffen insbesondere Zellen, die einen hohen Energiebedarf haben, wie z.B. die Muskel- und Nervenzellen. Es kann zu einer mitochondrialen Myopathie (Muskelerkrankung) kommen. Aber auch andere Zellen und Gewebe können betroffen sein, so z.B. das Auge oder der Leber kommen ebenfalls vor. Erniedrigte mitochondriale Energie Production während biologischen Oxidation oder Kohlenstoff-Stoffwächsel • Skelettmuskel: Energiemangel + Muskelermüdung Akkumulierung der Milchsäure und Pyruvate Metabolische Azidose + Ausscheidung der Milchsäure und Pyruvate. • https://www.dgm.org/muskelerkrankungen/mitochondriale-myopathien Mitochondriale Myopathien: 1. Mangel von Pyruvatdehydrogenase • Rolle von Pyruvatdehydrogenase Komplex pyruvate dehydrogenase pyruvate acetyl~CoA • Erforderliche Faktoren: Liponsäure, NAD+, FAD, TPP, HS~CoA Funktion von Pyruvatdehydrogenase Mangel der Pyruvatdehydrogenase Clumber und Sussex spaniel, in UK und USA. Skelettmuskel: anstrengungsabhängige Schwäche, Laktazidose Mangel der Pyruvatdehydrogenase Eine autosomal-rezessiv Erkrankung gefunden in Clumber und Sussex Spaniel. Dieses Enzym-Komplex ist in jeder Zelle des Körpers vorhanden und bei der Umwandlung von Nahrung in Energie beteiligt. Es ist daher wichtig, nicht nur für die Funktion der Zellen, sondern auch für das Überleben. • Symptomen • Geringen Toleranz der körperliche Bewegung. • Herz-und Lungen-Komplikationen. • Die Erkrankung ist auch mit neurologischen Problemen verbunden. • Bei höheren Belastungen gibt es einen völligen Zusammenbruch der Hunde Körper. • Therapie • Rechtzeitige Einführung der sogenannten ketogene Diät: Futter mit hohen Fett- und minimalen Kohlenhydratgehalt. Mitochondriale Myopathien: 2. Mangel von Cytochrom Oxidase • Erniedrigte Cytochrom Oxidase Aktivität und mitochondrielle mRNA Gehalt • Biochemische Rolle von Cytochrom Oxidase Specifische Detektierung und Struktur von Cytochrom Oxydase http://elib.tiho-hannover.de/dissertations/loebertv_2003.pdf Etablierung von Laktat- und Pyruvatmessung im Plasma und Liquor cerebrospinalis zur Diagnostik von mitochondrialen Erkrankungen beim Hund INAUGURAL-DISSERTATION Vorgelegt von Vanessa Löbert aus Lünen, Hannover 2003 Blaue Fluoreszens: specifische Detektierung von Cytochrom Oxidase Struktur von Cytochrom Oxydase Mitochondriale Myopathien: Mangel von Cytochrom Oxidase • Häufig bei Bobtail Hundenrasse: • der Fall eines Bobtails, welcher mit anstrengungsabhängiger Schwäche und Laktazidose vorgestellt wurde. Bei diesem Hund wurde ein partieller Cytochromoxidasedefekt diagnostiziert. Mitochondriale Myopathien: Mangel von Cytochrom Oxidase • Symptomen: Skelettmuskel: anstrengungsabhängige Schwäche, in Ruhe erhöhte Laktat- und Pyruvatwerte, welche nach Belastung noch weiter anstiegen. • Metabolische Azidose, Laktazidose, Ausscheidung von Pyruvat und Laktat. • Muskel Biopsie: Licht- und Elektronenmikroskopie: eine erhöhte Anzahl von morphologisch abnormalen Mitochondrien Die progressive Retinaatrophie (PRA) http://animaleyecare.net/diseases/pra/ • Mangel von Phosphodiesterase Typ 6 • Biochemische Rolle von Enzym: signifikante Rolle in Kaskadmechanism von Sehen (im Netzhaut): erhöhte cGMP Konzentration cGMP GMP Phototransduktion in Photorezeptoren von Stäbchen http://openwetware.org/wiki/BIO254:Phototransduction • • • Decreased levels of cGMP cause the closing of cGMP-gated ion channels which will lead to membrane hyperpolarization. (A) The molecular structure of rhodopsin, the pigment in rods. Rhodopsin is a G-protein coupled receptor consisting of opsin (a seven transmembrane domain protein) and 11-cis-retinal (a covalently bound chromophore). (B) The second messenger cascade of phototransduction. 1. Light stimulation of rhodopsin in the receptor disks leads to the activation of a G-protein (transducin). 2. The GTP-bound alpha subunit of transducin activates a phosphodiesterase (PDE). 3. The activated phosphodiesterase hydrolyzes cGMP into GMP, reducing its concentration in the outer segment and leading to the closure of sodium channels in the outer segment membrane. (Neuroscience, Purves et al., 2001) Rhodopsin=G-Proteingebundene Rezeptor Rhodopsin 3. PDE hydrolysiert cGMP, so cGMP-Konzentration erniedrigt 1. Licht stimuliert Rhodopsin, dadurch G2. Aktives G- Protein Protein (Transducin) wird aktiviert cGMPaktiviert sein Phosphodiesterase (PDE) 4. Durch cGMP Erniedrigung Na+ Kanal wird geschlossen und Membran wird hyperpolarisiert sein. Die progressive Retinaatrophie (PRA): Pathogenese http://www.augen.de/tieraugenheilkunde/die-progressive- retinaatrophie-pra Die PRA gehört mit zu den wichtigsten erblichen Augenerkrankungen des Hundes (und der Katze). Sie ist bei vielen Hunderassen verbreitet. Diese progressive Erkrankung mit autosomal rezessivem Erbgang tritt erst ab einem bestimmten Lebensalter auf: Mangel von Phosphodiesterase Typ 6 - Erhöhung von cGMP – keine Membranhyperpolarisierung und keine Fototransduktion! Die PRA betrifft die innerste Schicht des Auges, d.h. die Netzhaut, in welcher sich die für das Sehen so wichtigen Nervenzellen befinden. Hierbei unterscheidet man die Zapfen für das Tagsehen und die Stäbchen für das Nachtsehen. Die PRA beginnt mit dem langsamen Absterben der Stäbchen; im weiteren Verlauf degenerieren auch die Zapfen. Die betroffenen Hunde verlieren also typischerweise zuerst ihre Sehfähigkeit im Dunkeln und anschliessend auch die Fähigkeit, bei Tageslicht zu sehen. Die PRA führt in allen Fällen zur totalen Erblindung beider Augen. Nach den neuen Theorien, in den degenerativen Vorgängen von Stäbchen und Zapfen die oxidative Stress auch eine wichtige Rolle spielt. Die progressive Retinaatrophie (PRA): Symptomen http://www.augen.de/tieraugenheilkunde/die-progressive-retinaatrophie- pra • • • • • • 1. Die frühe Form mit einem schlechten Dämmerungssehen im Alter von sechs Monaten und einer vollständigen Erblindung im Alter von ein bis zwei Jahren (z.B. Irish Setter, Gordon Setter, Collie, Rauhhaardackel, Shetland Sheepdog, Abessinier- und Perserkatzen). 2. Die mittlere Form mit ersten Symptomen im Alter von ein bis zwei Jahren und der Erblindung im Alter von drei bis fünf Jahren (z.B. Zwergschnauzer, Tibet Terrier und Labrador). 3. Die späte Form mit schlechtem Nachtsehen im Alter von drei bis fünf Jahren und dem Endstadium im Alter von sechs bis neun Jahren (z.B. Pudel, engl. und amerik. Cocker). Es gibt allerdings noch einige spezifische Zwischenformen. Dementsprechend zeigt die Symptomatik einen typischen Verlauf. Unsicherheit oder auch Ängstlichkeit Stark geweitete Pupillen und ein außergewöhnlich starkes „Leuchten“ der Augen in der Dunkelheit auffallen. Die progressive Retinaatrophie (PRA): Diagnose • Untersuchung mit dem indirekten Ophthalmoskop: schnell und einfach • Die Diagnose „PRA“ kann durch eine Elektroretinographie (ERG) durchgeführt werden. Nur mit Hilfe des ERG kann die Funktion der Netzhaut untersucht werden. • DNA-Analyse zur Bestimmung des „PRA-Gens“. • DNA-Analyse für Labradoren ist verbindlich in Ungarn wegen der Häfigkeit des Vorkommens! http://animaleyecare.net/diseases/pra/ Die progressive Retinaatrophie (PRA): Krank: Diagnose PRA http://www.augen.de/tieraugenheilkunde/die-progressive-retinaatrophie-pra • Ophtalmoskopie: • Links: Netzhaut eines fortgeschritten an PRA erkrankten Hundes: hyperreflektives (stark leuchtendes) tapetum lucidum, atrophierte (dünne) Gefäße, blass-graue Papille (Sehnervenaustritt) • Rechts: gesunde Netzhaut eines Hundes Krank: PRA Gesund Die progressive Retinaatrophie (PRA): Therapie • Es handelt sich bei der PRA um eine nicht heilbare, fortschreitende Sehverschlechterung, die im Endstadium immer zur Erblindung führt. • Es sind bis heute weder Medikamente noch operative Möglichkeiten bekannt, mit denen der PRA vorgebeugt, sie behandelt, aufgehalten oder gar geheilt werden könnte. Nach den neuen Theorien, in den degenerativen Vorgängen von Stäbchen und Zapfen die oxidative Stress auch eine wichtige Rolle spielt. Eben darum, die antioxidante Behandlung vielleicht aussichtsvoll sein könnte….