Triptofāna hidroksilāze un serotonīna sintēze

Triptofāns ir viena no neaizvietojamajām aminoskābēm, tas ir, organisms to pats nesintezē un saņem tikai ar olbaltumvielām saturošu pārtiku. Lielākā daļa uzņemtā triptofāna tiek iestrādāta jaunos proteīnos vai novirzīta kinurenīna ceļā, un tikai neliela daļa nonāk serotonīna sintēzē.

Reakcija, ko katalizē triptofāna hidroksilāze, ir monooksigenēšana. No skābekļa molekulas viens atoms tiek pievienots triptofāna indola gredzena piektajā pozīcijā, bet otrs aiziet ūdenī. Elektronus šai reakcijai piegādā tetrahidrobiopterīns, kas pats pārvēršas oksidētā formā un pēc tam ar atsevišķa fermenta palīdzību tiek atjaunots. Aktīvā centra dzelzs jons darbojas kā vieta, kur skābeklis tiek aktivēts.

Būtiski ir tas, ka normālā triptofāna koncentrācijā audos ferments nav piesātināts ar substrātu. Tirozīna hidroksilāze savu substrātu tirozīnu saņem pārpilnībā, tāpēc dopamīna sintēze no tirozīna daudzuma praktiski nav atkarīga. Ar triptofānu ir citādi: ja triptofāna pieejamība audos krītas, serotonīna sintēze krītas līdzi. Tieši uz šī principa balstās eksperimentālā akūtā triptofāna izsīkšanas metode, ko pētniecībā izmanto, lai īslaicīgi samazinātu smadzeņu serotonīna līmeni.

1. Triptofāns ar asinīm nonāk audos un caur lielo neitrālo aminoskābju pārnesēju iekļūst šūnā.
2. Triptofāna hidroksilāze ar tetrahidrobiopterīna un skābekļa līdzdalību veido 5-hidroksitriptofānu.
3. Aromātisko aminoskābju dekarboksilāze no 5-hidroksitriptofāna atšķeļ oglekļa dioksīdu un veido serotonīnu.
4. Serotonīns tiek iesūknēts sekrēcijas pūslīšos vai, epifīzē, virzīts tālāk melatonīna sintēzē.
5. Nostrādājušais serotonīns tiek sašķelts ar monoamīnoksidāzi līdz 5-hidroksiindoletiķskābei, kas izdalās ar urīnu.

TPH1 gēns atrodas 11. hromosomā un tiek izteikts galvenokārt tievās un resnās zarnas enterohromafīnajās šūnās, epifīzē, ādā, tuklajās šūnās un dažos citos perifēros audos. Tieši enterohromafīnās šūnas saražo lielāko daļu visa organisma serotonīna, un šis serotonīns pārsvarā nemaz nedarbojas kā neirotransmiters, bet gan regulē zarnu kustīgumu, sekrēciju un tiek uzkrāts trombocītos.

TPH2 gēns atrodas 12. hromosomā un tiek izteikts smadzeņu stumbra šuves jeb raphe kodolu neironos, kā arī zarnu paša nervu pinuma neironos. No raphe kodoliem serotonīnerģiskās šķiedras izplatās praktiski pa visu smadzeņu garozu, limbisko sistēmu, hipotalamu un muguras smadzenēm. Šis ir tas serotonīns, par kuru runā saistībā ar garastāvokli, miegu, sāpju modulāciju un trauksmi.

Abas sistēmas viena otru gandrīz neietekmē, jo serotonīns pats par sevi asins un smadzeņu barjerai cauri neiet. Zarnās saražotais serotonīns smadzenēs nenokļūst, un smadzenēs saražotais neizplūst asinīs. Šī atdalītība ir gan bioloģiski svarīga, gan farmakoloģiski izdevīga.

Triptofāna hidroksilāzes molekula sastāv no trim daļām: regulatorā domēna molekulas sākumā, katalītiskā domēna vidusdaļā un neliela gala fragmenta, ar kuru molekulas savienojas cita ar citu. Darbojas ferments nevis kā atsevišķa molekula, bet kā vairāku vienādu apakšvienību komplekss.

Regulācija notiek vairākos līmeņos. Ātrākais ir fosforilēšana: proteīnkināze A regulatorajā domēnā pievieno fosfātgrupu, pēc tam pie fermenta piesaistās 14-3-3 grupas proteīns, un ferments kļūst stabilāks un aktīvāks. Lēnākais līmenis ir gēna izteiksmes maiņa, ko epifīzē spēcīgi ietekmē diennakts ritms: tumsā fermenta daudzums un aktivitāte pieaug, jo naktī epifīzei serotonīns ir vajadzīgs melatonīna ražošanai.

Ferments ir jutīgs arī pret savu produktu un pret oksidatīvo vidi. Ja tetrahidrobiopterīna krājumi izsīkst vai tas tiek oksidēts, fermenta darbība apstājas, kaut arī pats proteīns ir neskarts. Laboratorijās TPH mērķtiecīgi bloķē ar p-hlorfenilalanīnu, kas ir klasisks eksperimentāls serotonīna sintēzes inhibitors.

Serotonīnerģiskie neironi smadzeņu stumbrā rodas ļoti agri augļa attīstībā, vēl pirms izveidojas lielākā daļa smadzeņu garozas savienojumu. Šajā periodā serotonīns darbojas ne tikai kā signālviela, bet arī kā augšanas faktors, kas ietekmē neironu migrāciju un sinapšu veidošanos. Tāpēc TPH2 darbība agrīnajā attīstībā ir daudz plašāka nekā vēlāk pieauguša cilvēka smadzenēs.

Epifīzes TPH1 aktivitāte bērnībā ir augsta, un melatonīna izdalīšanās naktī ir izteikta. Ar gadiem epifīze pakāpeniski kalcificējas, melatonīna nakts maksimums kļūst zemāks un plakanāks, un tieši ar to daļēji skaidro gados vecāku cilvēku sekluko un fragmentētāko miegu. Tas nav slimība, bet gan normālas novecošanās daļa.

Zarnu enterohromafīno šūnu darbība ir atkarīga arī no zarnu mikrobioma, jo daži baktēriju vielmaiņas produkti stimulē šo šūnu serotonīna izdali. Šī saikne ir aktīvi pētīta, bet vēl nav pārtapusi drošos ārstēšanas ieteikumos, tāpēc apgalvojumi par zarnu baktēriju tiešu ietekmi uz garastāvokli caur serotonīnu joprojām ir hipotēžu līmenī.

Tiešas, izolētas triptofāna hidroksilāzes iedzimtas nepietiekamības kā atsevišķas slimības ikdienas praksē nav. Toties pastāv veselas grupas stāvokļu, kuros šis ceļš ir traucēts netieši vai pārmērīgi aktīvs.

Pirmā grupa ir tetrahidrobiopterīna vielmaiņas iedzimtie defekti. Tie kavē visas trīs aminoskābju hidroksilāzes vienlaikus, tāpēc bērnam attīstās kustību traucējumi, muskuļu tonusa svārstības diennakts laikā un attīstības aizture. Šādus bērnus ved pie bērnu neirologa un medicīniskās ģenētikas speciālista, un ārstēšana bieži ietver tieši 5-hidroksitriptofāna un levodopas nozīmēšanu, tas ir, fermenta produkta aizvietošanu.

Otrā grupa ir neiroendokrīni audzēji ar karcinoīdo sindromu. Audzēja šūnas satur ļoti daudz TPH1 un saražo lieku serotonīnu, kas izraisa caureju, sejas pietvīkumu un laika gaitā arī sirds labās puses vārstuļu bojājumu. Šos pacientus ārstē onkologs kopā ar gastroenterologu un endokrinologu.

Trešā ir psihiatrija. TPH2 gēna variantus pēta saistībā ar depresiju, trauksmi un impulsivitāti, taču neviens atsevišķs variants slimību neizskaidro un ģenētisku testu šajā nolūkā klīniski nelieto. Depresijas diagnoze paliek klīniska, to nosaka psihiatrs, un nekāds asins analīžu rādītājs to neaizstāj.

• Ilgstoša, ar pārtiku nesaistīta ūdeņaina caureja kopā ar sejas pietvīkuma lēkmēm ir iemesls vērsties pie ārsta izmeklējumiem, nevis lietot pretcaurejas līdzekļus pašam.
• Bērna kustību traucējumi, kas dienas gaitā izteikti mainās, prasa bērnu neirologa vērtējumu.
• Uztura bagātinātāji ar 5-hidroksitriptofānu kopā ar antidepresantiem var izraisīt serotonīna sindromu, tāpēc to kombinācija jāpārrunā ar ārstu.
• Nomākts garastāvoklis ilgāk par divām nedēļām, kas traucē ikdienas darbus, ir iemesls apmeklēt ģimenes ārstu vai psihiatru.

Pašu fermentu ikdienas praksē nemēra. Mēra to, ko tas saražojis, un to, kas no saražotā palicis pāri.

Serotonīna pārprodukciju vērtē pēc tā gala vielmaiņas produkta, 5-hidroksiindoletiķskābes, koncentrācijas diennakts urīnā. Pirms šīs analīzes vairākas dienas jāizvairās no banāniem, valriekstiem, ananāsiem, avokado un dažiem medikamentiem, jo tie rezultātu var viltus veidā paaugstināt. Papildus nosaka hromogranīnu A asinīs un audzēja meklēšanai izmanto datortomogrāfiju vai specifiskus radionuklīdu izmeklējumus.

Bērniem ar aizdomām par neirotransmiteru vielmaiņas defektu analizē cerebrospinālā šķidruma vielmaiņas produktus, tostarp 5-hidroksiindoletiķskābi un homovanilskābi, kā arī pterīnus. Šis izmeklējums prasa īpašu parauga savākšanas kārtību un tiek veikts tikai specializētos centros. Gēnu varianti tiek noteikti ar sekvencēšanu, bet parasti plašāka paneļa ietvaros, nevis atsevišķi.

Triptofāna hidroksilāzi bieži sajauc ar triptofāna dioksigenāzi un indolamīna dioksigenāzi. Tās arī sākas ar triptofānu, taču ved pilnīgi citā virzienā, kinurenīna ceļā, kura produkti ir saistīti ar imūnās atbildes regulāciju un nikotīnamīda sintēzi. Kad organismā ir izteikts iekaisums, kinurenīna ceļš pastiprinās un aizņem lielāku daļu pieejamā triptofāna.

Otrs sajaukšanas avots ir pats serotonīns un serotonīna atpakaļsaistes inhibitori. Antidepresanti no šīs grupas neietekmē serotonīna ražošanu un tātad arī nevis triptofāna hidroksilāzi; tie tikai kavē jau izdalītā serotonīna atgriešanos šūnā. Ražošana un pārstrāde ir divi dažādi regulācijas punkti.

Trešais ir melatonīns. Melatonīns rodas no serotonīna, bet tikai epifīzē un tikai tumsā, tāpēc serotonīna daudzums organismā kopumā par melatonīna daudzumu neko neizsaka.

Tas, ka serotonīns neiet cauri asins un smadzeņu barjerai, ir pārvērsts par praktisku zāļu izstrādes principu. Karcinoīdā sindroma caurejas ārstēšanai izmanto triptofāna hidroksilāzes inhibitoru, kas pats ir veidots tā, lai smadzenēs neiekļūtu. Rezultātā tas apslāpē serotonīna ražošanu zarnās un audzēja šūnās, bet smadzeņu serotonīna sistēmu atstāj neskartu, tāpēc netiek izraisīta depresija vai citas centrālas blakusparādības.

Šī ir reta situācija farmakoloģijā, kur vienu un to pašu fermentu var apzināti bloķēt vienā ķermeņa daļā un atstāt darboties otrā, izmantojot nevis fermenta atšķirības, bet gan barjeru starp abām vidēm. Tieši tāpēc jautājums „vai serotonīna līmenis ir augsts vai zems" bez norādes, kur tieši, fizioloģiski ir bezjēdzīgs.