Что можно обнаружить в клетках печени карликовые шимпанзе

Болезни печени у животных

Потеря аппетита, понос, судороги, пожелтение белков глаз и кожи – симптомы больной печени у животных. Такие проявления – опасный знак. Орган умеет быстро восстанавливаться, поэтому выраженные симптомы говорят, что его работа серьезно нарушена. Если вовремя не оказать помощь, питомец умрет.

Как работает печень

Печень – самая крупная железа организма, основная задача которой обезвреживать и выводить из тела яды (в т.ч. продукты метаболизма), лишние гормоны, медиаторы, витамины. Для этого она:

Чем больше ядов в организме, тем тяжелей печени. Токсины убивают ее клетки (гепатоциты), на регенерацию нужно время. Пока новая клетка растет, нагрузка на расположенные рядом ткани увеличивается.

Если ядов слишком много, гепатоциты могут массово погибнуть, тогда на их месте появляется соединительная ткань. Она хоть и затягивает дыру, выполнять работу печени неспособна. Начинается интоксикация организма, которая может спровоцировать летальный исход.

Другие функции печени

Обезвреживание ядов основная, но не единственная задача печени. Она:

Печень перерабатывает билирубин – пигмент, образующийся после распада эритроцитов. Это очень токсичное вещество, которое орган обезвреживает, и в составе желчи отправляет переваривать пищу. Затем пигмент попадает в кал и покидает организм.

Избыток билирубина в крови – причина пожелтения слизистых у животных. Пигмент отправляется не в желчь, а в плазму, поэтому кал, которому он придает темный окрас, обесцвечивается. Моча становится цвета пива, поскольку билирубин приходится выводить почкам.

Симптомы больной печени у животных

Сбои в печени негативно сказываются на работе всех органов и систем. Этим объясняются первые симптомы болезни – усталость, плохое настроение, снижение активности, раздражительность, агрессия. Постепенно ухудшается аппетит, собака резко теряет вес, появляется жажда, выделения из глаз. Может подняться температура.

Со временем развиваются симптомы, характерные для больной печени:

Причины болезни печени у животных

Печень разрушает токсины с помощью окислительных процессов, поэтому в ней скапливаются свободные радикалы. В большом количестве они опасны, поскольку повреждают железу, замедляют регенерацию клеток.

Чем тяжелее яды, которые орган должен обезвредить, тем больше печень вырабатывает свободных радикалов, тем выше риск повреждения гепатоцитов. Выход – снизить контакт кошки или собаки с токсинами.

Проблемы с печенью у питомцев вызывают лекарства и химикаты:

Кто в зоне риска

Дисфункция печени часто встречается у старых собак и кошек. Также среди причин – ожирение, длительное голодание, стресс, татуировки, микрочипы. Проблемы с печенью могут быть спровоцированы:

Печень может дать сбой из-за резкой смены питания (напр., при переводе с натуралки на готовый корм), передозировки витаминами, минералами. Отравление могут вызывать дешевые корма.

Некоторые породы собак имеют генетическую предрасположенность к болезни печени:

У этих пород наследственное заболевание, связанное с накоплением меди в печени. С помощью этого вещества железа вырабатывает некоторые ферменты, но избыток меди вызывает повреждение белков, которые ее связывают. Результат – воспаление железы, цирроз.

Основные болезни печени у животных

Существует много патологий, причина которых является печень. Болезни можно поделить на 3 группы:

Гепатит

Чаще всего собаки сталкиваются с инфекционным (вирусным) гепатитом – воспаление печени. Патология протекает тяжело, быстро, часто заканчивается смертью питомца. Другие виды гепатита, который бывает у животных, вызывают глисты, бактерии. Воспаление печени может быть следствием болезней поджелудочной железы, пищеварительной системы.

Гепатоз

Гепатоз чаще бывает у кошек. Патология развивается из-за скопления жира в клетках печени, что приводит к ее дистрофии. Болезнь – следствие ожирения, гормональных сбоев, плохого питания, которые вызывают воспаление печени. Патология опасна, если ее не лечить, часто переходит в цирроз.

Амилоидоз

Болезнь характеризуется нарушением белкового обмена, когда в тканях откладывается амилоид – волокнистое вещество, и вызывает гибель клеток. Патология может поразить разные органы, в т.ч. печень.

Цирроз

Болезнь развивается медленно, в основном заканчивается смертью. По мере гибели клетки печени замещаются соединительной тканью, и она не может справляться со своими задачами. Животное умирает от интоксикации, тромбоза, внутреннего кровотечения.

Характерный признак цирроза – асцит, скопление жидкости в брюшной полости. Она давит на диафрагму, вызывает застой крови, язвы, повышение давления в районе печени, другие проблемы.

Причины цирроза у животных:

Рак печени

Рак – это состояние, когда клетки начинают патологически делится и не умирают. Они вытесняют здоровые ткани, но заменить их не могут, что приводит к гибели организма. Рак печени часто развивается как вторичное заболевание, когда в железу попадают злокачественные клетки из опухоли, которая расположена в другой части тела.

Реже рак возникает в самой печени. Обычно он является следствием цирроза. Еще одной причиной может быть долгое воздействие канцерогенных факторов (напр., тяжелых металлов).

Диагностика

Обнаружив симптомы недомогания, отведите питомца к врачу. Чтобы поставить диагноз, нужно сделать общий и биохимический анализ крови, рентген, УЗИ, лапароскопию. При подозрении на рак или цирроз может понадобиться биопсия (забор клеток больного органа на анализ).

Терапия

Для лечения и восстановления функций печени врач назначает лекарственные препараты таких групп:

При циррозе врач может назначить инъекции глюкозы, инсулина, витаминов. Убрать асцит помогут мочегонные средства. Для снятия воспаления назначают гормональные препараты. При онкологии нужна химиотерапия, операция.

К сожалению, цирроз и рак печени часто заканчиваются летальным исходом, но продлить жизнь питомца, облегчить боль терапия способна.

Диета

Лечение любого заболевания печени подразумевает диету. Правильное питание снизит нагрузку на железу, что способствует выздоровлению, а если исцеление невозможно, улучшит самочувствия. Давайте пищу легкую, но питательную, насыщенную всеми полезными веществами. Продукты не должны раздражать органы пищеварительного тракта.

Рацион обсудите с ветеринаром. Он посоветует нужный корм, если животное на «натуралке», порекомендует полезные продукты. Если у собаки медная гепатопатия, врач назначит диету с низким содержанием меди, повышенным количеством цинка.

Поддержка печени при применении токсичных препаратов

Печени полезны пробиотики – препараты, содержащие «хорошие» бактерии. Они вытесняют из кишечника патогенные микроорганизмы, стимулируя рост полезной флоры. В процессе жизнедеятельности микробы образуют вещества, которые:

Пробиотики можно использовать не только для лечения, но и профилактики болезни печени у животных. Они снизят нагрузку на железу во время интенсивной терапии. Хорошие отзывы о таких препаратах:

Пробиотики поддержат печень, если вы хотите защитить питомца от клещей с помощью таблетки. Одновременно не забудьте обеспечить собаке качественное питание. Важно: при хронических или острых поражениях печени Нексгард, Бравекто, Симпарика и другие препараты этой группы запрещены.

Профилактика

Следите за питанием питомца. Не кормите собаку или кошку продуктами со стола. Покупайте только качественные, проверенные корма. Если питомец на натуралке, давайте сырое нежирное мясо, вареную рыбу, свежие овощи и фрукты. Зелень протирайте или готовьте на пару, чтобы лучше усваивалась. Избегайте сосисок, колбас, не давайте гнилой, плохой корм.

Источник

Куда девалась уриказа?

Куда девалась уриказа?

Истина где-то рядом ©

коллаж автора статьи

Автор

Редакторы

Статья на конкурс «био/мол/текст»: Эта загадочная пропажа произошла около 17 миллионов лет назад, когда на нашей планете жили древние человекообразные обезьяны. Исчез фермент. «А что в этом загадочного? — спросите вы. — Такое регулярно случается: одни белки рождаются, другие перестают работать». А я отвечу вам, что герой этой истории — фермент, отсутствующий у человекообразных обезьян, — необходим другим млекопитающим. Например, трансгенные мыши, не способные его синтезировать, живут всего месяц. Безусловно, загадка исчезновения такого белка не осталась без внимания ученых.

Конкурс «био/мол/текст»-2019

Эта работа опубликована в номинации «Свободная тема» конкурса «био/мол/текст»-2019.

Генеральный спонсор конкурса и партнер номинации «Сколтех» — Центр наук о жизни Сколтеха.

Спонсор конкурса — компания «Диаэм»: крупнейший поставщик оборудования, реагентов и расходных материалов для биологических исследований и производств.

Спонсором приза зрительских симпатий выступила компания BioVitrum.

Как же это произошло?

Уриказа, или уратоксидаза, — древний фермент, который нашли у представителей всех доменов жизни: бактерий, архей и эукариот. У животных она работает в печени и участвует в катаболизме пуринов. Уриказа катализирует превращение малорастворимой мочевой кислоты (моноурата натрия, а для краткости — урата) в 5-гидроксиизоурат — короткоживущее соединение, быстро переходящее в водорастворимые аллантоин, мочевину и аммиак, которые успешно выводятся из организма. В связи с отсутствием уриказы, у человекообразных обезьян физиологическая концентрация мочевой кислоты в крови в несколько раз выше, чем у других млекопитающих [1].

Человекообразные обезьяны — не единственные животные без уриказы (рис. 1). Среди позвоночных ее не имеют птицы, большинство рептилий и кенгуровая крыса — житель пустыни. Тут история особая: у этих животных мочевая кислота вообще является основным конечным продуктом всего азотистого обмена. Такие организмы называются урикотельными. Альтернативные варианты — уреотелия (выделение мочевины) и аммонителия (выделение аммиака) — требуют растворения конечных продуктов обмена в большом количестве воды. Мочевая кислота является менее токсичным соединением и может выделяться в более концентрированном виде [2–4]. Тем не менее большинство млекопитающих предпочитает с ней не связываться и выделять более растворимые азотистые соединения, расходуя воду. У мышей с поврежденным геном уриказы кристаллы урата забивают почечные канальцы, в большинстве случаев в течение месяца приводя к нарушениям функции почек, не совместимым с жизнью [5].

Рисунок 1. Катаболизм пуринов у разных организмов. Большинство млекопитающих выделяют в качестве конечного продукта пуринового обмена аллантоин, а человекообразные обезьяны и сам человек — мочевую кислоту. Закрашенные стрелки обозначают, что некоторые промежуточные реакции опущены.

Итак, фермент, без которого не может жить мышь [6], отсутствует у человека и его ближайших родственников. Ген уриказы остался на месте, а белка нет. Пропажу обнаружили в 1980-х [7], но распутать клубок удалось только 30 лет спустя. Ученые предположили, что процесс выключения фермента шел постепенно, параллельно с развитием адаптаций к высокой концентрации урата в крови. Исследователи проверили эту гипотезу с помощью метода восстановления предковых генов: определили аминокислотные последовательности древних уриказ на эволюционной линии человека, синтезировали соответствующие белки и проверили их каталитическую активность.

Сначала на основании последовательностей генов уриказы семнадцати ныне живущих видов млекопитающих ученые построили эволюционное дерево и определили последовательности генов восьми предковых уриказ. Самый древний ген принадлежал общему предку человека и свиньи, жившему 94,2 миллиона лет назад, а самый молодой (уже неработающий) — общему предку человека и шимпанзе возрастом всего лишь 6,3 миллиона лет.

Затем синтезировали последовательности восстановленных генов, наработали в бактериях белки (в случаях, когда ген кодировал работающий белок) и измерили их активность. Наиболее активным оказался самый древний из восстановленных белков: он с двукратным преимуществом победил уриказу свиньи — одну из самых активных уриказ современных млекопитающих. А вот активность уриказы древнего примата, который жил 42,6 миллиона лет назад, составляла уже 0,6 от активности свиного фермента и продолжала снижаться. Получается, что фермент стал «портиться», когда приматы только начали свой эволюционный путь. В миоцене (20–15 млн лет назад) уриказа окончательно потеряла работоспособность (рис. 2) [1].

Рисунок 2. Кристаллическая структура уриказы общего предка человека и свиньи, полученной методом восстановления предковых последовательностей, и изменение активности фермента на эволюционной линии человека

Зная последовательности гена во всех узлах эволюционного дерева, можно восстановить историю происходивших с этим геном событий. За 74 миллиона лет, ведущих от самого древнего рассмотренного предка к предку человекообразных обезьян, в уриказе поменялись 10 аминокислот. (То есть в гене произошло 10 нуклеотидных замен, приводящих к изменению аминокислоты, — так называемых несинонимичных замен. Замены — это мутации, распространившиеся во всех особях популяции.) За это время фермент практически потерял свою активность. А потом ген уриказы и вовсе превратился в псевдоген: в нем произошла замена одного из кодонов на стоп-кодон, заставляющий рибосому закончить синтез белковой молекулы раньше времени. Появление внутренних стоп-кодонов не всегда приводит к псевдогенизации [8], но с уриказой случилось именно это.

Ancestral gene resurrection: восстановление (или воскрешение) предковых генов

Общая схема восстановления предковых генов (или реконструкции предковых последовательностей) представлена на рисунке 3. Этот подход позволяет экспериментально исследовать свойства белков организмов, живших миллионы лет назад.

Рисунок 3. Реконструкция предковой последовательности белка — схематичное описание подхода

Идею о возможности узнать и синтезировать последовательности белков из прошлого впервые высказали отцы молекулярной систематики Лайнус Полинг и Эмиль Цукеркандль в 1963 году [9]. В 1971 году Уолтер Фитч сделал важный шаг к осуществлению этой идеи, разработав первый филогенетический алгоритм восстановления предковых нуклеотидных последовательностей на основании последовательностей ныне живущих организмов. Этот алгоритм был основан на принципе максимальной экономии: наиболее вероятен эволюционный сценарий, требующий минимального числа событий. В 1980-х годах появились компьютерные программы, реализующие этот подход. А в 1990-е годы развитие методов синтеза ДНК позволило воссоздавать предковые белки и изучать их свойства в лаборатории. Первым таким белком стала рибонуклеаза жившего 5–10 миллионов лет назад общего предка буйвола и быка [10].

Точность метода максимальной экономии снижается с эволюционным расстоянием: изменений становится слишком много, чтобы однозначно определить порядок событий. Поэтому восстановление последовательностей в глубоких узлах эволюционного дерева было невозможным, пока в 1995 году Зихенг Янг не предложил метод, использующий принцип максимального правдоподобия. В каждом внутреннем узле филогенетического дерева для каждого возможного предкового состояния (в случае ДНК «состояние» — это нуклеотид) алгоритм Янга вычисляет правдоподобие этого состояния — вероятность того, что современные последовательности стали бы такими, какие они есть на самом деле, при условии правильности данного предкового состояния, филогенетического дерева и статистической эволюционной модели. C помощью этого метода удалось восстановить последовательность фактора элонгации трансляции EF-Tu общего предка бактерий, жившего миллиард лет назад [10]. Но предела совершенству нет, и методы определения предковых последовательностей и их последующего синтеза совершенствуются. К слову сказать, синтезировать могут даже целые геномы [11].

URAT1: не исчез, но стал другим

Параллельно со снижением активности уриказы интересные изменения происходили и в другом белке, взаимодействующем с мочевой кислотой, — URAT1. Этот молекулярный переносчик возвращает в наш кровоток 90% мочевой кислоты, поступающей в почки. В экспериментах in vitro ученым удалось показать, что URAT1 человека и бабуина имеют большее сродство к мочевой кислоте, чем URAT1 крысы и мыши. При этом максимальная скорость работы переносчика у приматов ниже, чем скорость работы такового у грызунов. Поэтому при опасном повышении концентрации мочевой кислоты в организме скорость ее обратного транспорта не увеличивается, и она активней выводится почками.

Характеристики транспортных белков

Белки, с помощью которых происходит транспорт веществ через клеточную мембрану, можно разделить на два основных типа.

Первый тип — канальные белки — образует поры, где создаются условия для прохождения определенных ионов. Пример такого белка — хлорный канал CFTR, нарушение работы которого приводит к муковисцидозу [13].

Второй тип, к которому относится герой этой истории URAT1, — это белки-переносчики. Они избирательно связывают молекулы субстрата и переносят их через мембрану за счет изменения своей конформации. Кинетика такого процесса напоминает ферментативную реакцию. И для ферментов, и для переносчиков важными характеристиками являются сродство к субстрату и максимальная скорость реакции (в случае переносчиков ее иногда называют транспортной способностью) [14].

Максимальная скорость переноса/реакции (V_max) скорость при бесконечной концентрации субстрата. На графике 4 это асимптота, к которой стремится скорость при повышении [S]. Максимальная скорость зависит только от активности фермента [15]. Сродство переносчика/фермента к субстрату его способность связывать субстрат, часто выражается через константу Михаэлиса (K_m). Она соответствует концентрации субстрата, при которой скорость переноса/реакции равна половине максимальной. Чем лучше переносчик/фермент «ловит» субстрат, тем более низкой должна быть концентрация для достижения половины максимальной скорости. То есть тем ниже его K_m [15].

Рисунок 4. Зависимость скорости ферментативной реакции (или процесса переноса через мембрану) от концентрации субстрата описывается уравнением Михаэлиса—Ментен

Зависимость скорости переноса (как и скорости ферментативной реакции) от концентрации субстрата, как правило, имеет форму гиперболы. При низких концентрациях скорость ограничена поступлением молекул субстрата в активный центр фермента. Поэтому при повышении концентрации субстрата переносчик (или фермент) меньше «простаивает», и скорость переноса (реакции) растет. Но с дальнейшим увеличением количества субстрата, скорость все меньше зависит от его концентрации, и все больше — от активности переносчика (или фермента) [15]. Самая известная модель, описывающая такую зависимость, — модель Михаэлиса—Ментен (рис. 4).

Таким образом, нормальный уровень мочевой кислоты в крови быстро восстанавливается: URAT1 играет роль «предохранителя», не дающего сывороточной концентрации мочевой кислоты подняться до опасных значений, когда в организме начинают образовываться кристаллы урата. Исследователи синтезировали предковые последовательности URAT1 на линии приматов и изучили их активность. Оказалось, что на эволюционной линии, ведущей к человекообразным обезьянам, белок испытал два важных функциональных преобразования (рис. 5). Примерно 42 миллиона лет назад сродство URAT1 к мочевой кислоте возросло на порядок, а максимальная скорость снизилась вчетверо. Уриказа в это время потеряла около 70% своей каталитической активности. Затем, около 27 миллионов лет назад, когда каталитическая активность уриказы была уже всего 10% от исходной, произошло еще одно четырехкратное падение скорости работы URAT1. И только после этого уриказа перестала работать совсем [17]. Возможно, именно преобразования URAT1 позволили некоторым обезьянам остаться без уриказы. Хотя не исключено, что у этой истории есть еще много героев, пока остающихся в тени.

Рисунок 5. Изменения относительных значений максимальной скорости работы URAT1 и его сродства к мочевой кислоте и параллельное снижение активности уриказы на линии человекообразных обезьян. Активность уриказы и скорость URAT1 для общего предка приматов и грызунов приняты за 100 единиц, а сродство его URAT1 к мочевой кислоте — за 1 единицу. Положение на эволюционном дереве предковых точек 1–5 с измеренными характеристиками белков показано справа. Серый прямоугольник обозначает отсутствие уриказы.

Причины и следствия

Предполагают, что описанные изменения могли происходить под давлением отбора на повышение содержания мочевой кислоты в организме. По одной из гипотез, увеличение концентрации урата в печени за счет снижения активности уриказы помогло нашим предкам, питающимся фруктами, эффективнее накапливать жиры. Оказалось, что, если научить клетки из печени человека синтезировать уриказу предка человека и свиньи, накопление триглицеридов в ответ на фруктозу в этих клетках понижается [1]. Дело в том, что фруктоза способствует образованию триглицеридов как минимум двумя путями, и в одном из них задействован урат (рис. 6). Первая реакция прямого производства жиров из фруктозы — ее фосфорилирование с участием молекулы аденозинтрифосфата (АТФ). Потеряв один из трех фосфатов, аденозин в несколько реакций превращается в мочевую кислоту. А та, в свою очередь, каким-то образом активирует фермент NADPH-оксидазу, которая образует супероксидные радикалы в митохондриях и вызывает окислительный стресс, который тормозит цикл Кребса на этапе цитрата, что приводит к его накоплению и выходу в цитоплазму. А цитрат уже служит субстратом для синтеза триглицеридов. Если уриказа работает, мочевой кислоты становится меньше, поэтому и жиров образуется меньше [18].

Рисунок 6. Классический и альтернативный пути синтеза жиров в ответ на поступление фруктозы. Классический путь — прямое образование триглицеридов из фруктозы с помощью последовательных ферментативных реакций. В альтернативном пути задействована мочевая кислота, которая образуется в ходе фосфорилирования фруктозы. Мочевая кислота способствует возникновению в митохондриях окислительного стресса, в результате которого в цитоплазму поступает цитрат — субстрат для синтеза триглицеридов.

По этой же гипотезе, в позднем миоцене, когда на нашей планете стремительно менялся климат, и влажные тропические леса остались только у экватора, окончательная потеря уриказы могла дать нашим предкам, питающимся фруктами, преимущество при сокращении источников пищи [6].

Другая гипотеза, напротив, связана со способностью мочевой кислоты обезвреживать активные формы кислорода в просвете сосудов — то есть работать как антиоксидант (про вред и пользу активных форм кислорода можно узнать из [20]): ионы урата успокаивают активные радикалы, отдавая им электроны. Согласно этой гипотезе, повышение уровня урата в крови человекообразных обезьян происходило как компенсация потери способности синтезировать витамин С, тоже являющийся антиоксидантом [21].

Также есть сведения о способности мочевой кислоты активировать иммунный ответ при паразитарных инфекциях [22]. Однако слишком высокое содержание урата в сыворотке крови — гиперурикемия — может пагубно сказываться на здоровье человека. Большая концентрация мочевой кислоты может стать причиной подагры, синдрома лизиса опухоли, ожирения, диабета, нарушений функции почек, сердечно-сосудистых заболеваний [1], [22].

Восстановление предковых последовательностей уриказы не только пролило свет на процесс ее исчезновения, но и помогло найти потенциальное лекарство от гиперурикемии. Для контроля этого состояния сейчас применяют рекомбинантную уриказу, которая вобрала в себя активный центр свиного фермента — самой действенной уриказы млекопитающих — и окружение из фермента бабуина (pig-baboon chimera, PBC). Однако такой белок живет всего несколько минут и требует дополнительных стабилизирующих навесок, раздражающих человеческую иммунную систему. При введении в культуру клеток печени человека разных вариантов гена уриказы оказалось, что древний фермент, работавший 90 млн лет назад, почти в три раза более активен в них, чем PBC. А при введении в организм крысы предковый белок был в 100 раз более живучим, чем химерная уриказа [1]. Метод применения предковых уриказ для терапии гиперурикемии запатентован США в 2015 году [23], но сведений о его дальнейшем развитии пока нет.

Возвышенное заключение

Что приносит нам отсутствие уриказы — пользу или вред? Ответ очевиден: и то, и другое. Уриказа могла бы работать в клетках человека, но эволюция выбрала иной путь, и нам остается только догадываться, почему. И радоваться, что мы такие, какие есть.

Источник