MITOCHONDRIËLE AANDOENINGEN. Wat zijn mitochondriën?

Transcriptie

1 MITOCHONDRIËLE AANDOENINGEN Wat zijn mitochondriën? Alle organen in ons lichaam zijn opgebouwd uit cellen. Hierin zitten elementen die organellen genoemd worden, elk met hun eigen specifieke functies, die bovendien nog verschillen tussen de organen. Iedere cel heeft tussen de nul (rijpe rode bloedcel) en een paar duizend (spier, lever) organellen die mitochondriën genoemd worden. De mitochondriën zijn boon- of staafvormig, met een diameter van 0,5 µm en een lengte van 1-7 µm. In gekweekte fibroblasten vormen de mitochondriën een netwerk. Sinds circa 1945 is het mogelijk om mitochondriën uit verschillende organen intact te isoleren en hun functies te bestuderen. De stofwisseling is een ingewikkeld samenspel van vele chemische reacties. Om de stofwisseling goed te laten verlopen zijn enzymen (eiwitten die bepaalde chemische reacties versnellen) noodzakelijk. Eén van de functies van de mitochondriën is het omzetten van voedingsstoffen in energie. Dit onderdeel van de stofwisseling wordt de energiehuishouding genoemd. Door de stofwisseling worden de voedingsstoffen koolhydraten, vetten en eiwitten gedeeltelijk afgebroken, respectievelijk tot pyruvaat, vetzuren en aminozuren, en getransporteerd naar de mitochondriën. Daar wordt de energie van de binding tussen twee koolstofatomen omgezet in een gemakkelijk bruikbare vorm van energie, genaamd ATP (adenosinetrifosfaat). De energie waarmee de eindstandige fosfaatgroep van het ATP-molecuul is gebonden, kan worden gebruikt om het hart en de spieren te laten werken, voor transportprocessen, warmteproductie en om moleculen te maken die de we nodig hebben om ons lichaam goed te laten functioneren. Mg 2+ ATP + H 2 O ADP + fosfaat + energie Naar rechts wordt deze reactie ATPase genoemd en naar links ATP-synthase (of complex V, zie verderop). Bij sommige reacties, zoals de vetzuuractivering tot acyl-coa, worden de twee eindstandige fosfaatgroepen afgesplitst. Mg 2+ ATP + H 2 O AMP + pyrofosfaat + energie Dit wordt een aflopende reactie door de volgreacties Mg 2+ AMP + ATP 2 ADP Enzym: adenylaat kinase Pyrofosfaat + H 2 O 2 fosfaat Enzym: pyrofosfatase ADP is een signaalstof die aangeeft dat er mitochondriële energie nodig is en AMP doet dat in sterkere mate. Mede hierdoor is onder normale condities de ATP-concentratie in de organen vrijwel constant, ook wanneer de oxydatieve fosforylering verlaagd is. Dan is ADP verhoogd. Hoe meer een orgaan afhankelijk is van mitochondriële energie, des te kwetsbaarder dit orgaan is voor mitochondriële problemen. In de hartspier, de hersenen de zenuwcellen, wordt bijna alle energie geleverd door de mitochondriën. Voor de afbraak van glycogeen, zetmeel en suikers tot melkzuur en ATP zijn de mitochondriën niet nodig, maar tot CO 2 wel, en dat levert veel meer ATP. De ATP-synthese in de mitochondriën vindt plaats door de verbranding van pyruvaat, vetzuren en aminozuren en verbruikt zuurstof, terwijl ADP plus fosfaat wordt omgezet in ATP. Dit proces wordt ook de oxidatieve fosforylering genoemd. De enzymen die hiervoor nodig zijn, bestaan elk uit meerdere eiwitten en worden complexen genoemd. Er zijn vijf complexen: complex I, II, III, IV en V. De eerste vier van deze complexen samen worden de ademhalingsketen genoemd. De complexen zijn in de wetenschappelijke literatuur onder meer namen bekend. Zo wordt complex I ook wel NADH dehy-

2 drogenase of co-enzym Q reductase genoemd. In de volgende tabel staat meer informatie over de naamgeving van de verschillende complexen. De complexen van de oxydatieve fosforylering Elk complex bestaat uit meerdere eiwitten. Er zijn vele eiwitten betrokken bij de oxidatieve fosforylering. Dit is een overzicht van de verschillende complexen (links) met de verschillende synoniemen waaronder ze ook bekend zijn (rechts). NADH dehydrogenase Complex I Coënzym Q (CoQ) reductase NADH: CoQ oxidoreductase Succinaat dehydrogenase Complex II Succinaat: CoQ oxidoreductase Cytochroom c reductase Complex III Cytochroom bc 1 CoQ: cytochroom c oxidoreductase Cytochroom c oxidase Complex IV Cytochroom aa 3 ATP synthetase Complex V ATP synthase FoF1-ATPase Er zijn meerdere elektronentransportenzymen actief in de ademhalingsketen, zoals: Acyl-CoA dehydrogenasen ETF ETF dehydrogenase Dihydroörotaat dehydrogenase Glycerol-3-P dehydrogenase Acyl-CoA: CoQ oxidoreductasen Elektron transport flavoproteïne ETF: CoQ oxidoreductase Dihydroörotaat: CoQ oxidoreductase Glycerol-3-fosfaat: CoQ oxidoreductase Zoals u kunt concluderen uit de namen van de complexen, zijn NADH, co-enzym Q en cytochroom c ook nodig voor de oxidatieve fosforylering. NADH is de gereduceerde vorm en NAD+ de geoxydeerde vorm van nicotinamide dinucleotide (bevat nicotinamide = vitamine B3). NAD+ wordt omgezet in NADH door de werking van dehydrogenasen. Zo katalyseren complex I, lactaat dehydrogenase en pyruvaat dehydrogenase de volgende reacties: NADH + H + + CoQ NAD + + CoQH 2 Lactaat + NAD + Pyruvaat + NADH + H + Pyruvaat + CoASH + NAD + Acetyl-CoA + NADH + H + Co-enzym Q (CoQ, Q-10, ubichinon) is een lipide (vettige, waterafstotende) stof die een aantal stappen in de biosynthese gemeenschappelijk heeft met cholesterol. Toch geven cholesterolverlagende

3 stoffen, die een van die gemeenschappelijke stappen remt, meestal geen problemen met CoQ. De gereduceerde vorm is co-enzym QH 2 (CoQH 2, ubichinol). Het roodgekleurde cytochroom c is het kleinste cytochroom. Deze enzymen bewerkstelligen elektronentransport door de lading van hun ijzer-ion (Fe 2 +, Fe 3 +) te veranderen. De cytochromen worden onderscheiden door de namen van hun heem-groepen, die cursief worden geschreven. Het is dus cytochroom c (en niet c of C). Acyl-CoA ETF ETF DH NADH Complex I CoQ Complex III Cytochroom c Complex IV O 2 Succinaat Complex II De ademhalingsketen Hierbij betekent A B, A reduceert B. Dat betekent dat A-elektronen of H-atomen geeft aan B. De stof A waar de pijl vandaan komt, wordt daarbij geoxydeerd. Elk mitochondrion of mitochondrium bevat een groot aantal van deze ademhalingsketens, die zich bevinden in het mitochondriële binnenmembraan. De somreacties van de oxydatie van NADH en van succinaat door de ademhalingsketen zijn: 2 NADH + 2 H + + O 2 2 NAD H 2 O Succinaat + O 2 Fumaraat + 2 H 2 O De energie die hierbij ontstaat wordt gebruikt om ATP te maken uit ADP + fosfaat. ADP + fosfaat ADP + H 2 O. Dit wordt mogelijk gemaakt door het rondpompen van protonen. De complexen I, III en IV pompen die naar buiten bij een reductie-oxydatiestap en complex V pompt ze naar de binnenste ruimte van het mitochondrion terug, en maakt daarbij ATP. Dit ATP kan in de mitochondriën en (vooral) er buiten in de cel worden gebruikt voor energieleverantie. ATP wordt geëxporteerd door het binnenmembraan door het transportenzym de adenine nucleotide-translocator. Dit ruilt ADP buiten het mitochondrion voor de ATP erin. De import van fosfaat geschiedt met de fosfaat-translocator, en alle geladen stoffen (ionen) die nodig zijn in het mitochondrion hebben een eigen transportenzym, om ze te transporteren door het binnenmembraan. Langeketenvetzuren worden met carnitine (L-carnitine) geïmporteerd in de mitochondriën. Carnitine is een stof die in vlees en melk zit en die bij de mens wordt gemaakt in de lever en de nieren. In geval van een tekort aan carnitine kunnen de mitochondriën geen vetzuren meer oxyderen. Dit veroorzaakt een energietekort bij vasten. L-carnitine wordt door het lichaam zelf gemaakt, maar voor baby s is het een vitamine. Een tekort aan carnitine kan ontstaan door een erfelijke afwijking, door een medicijn (bijvoorbeeld Depakine dat bij epilepsie wordt voorgeschreven), een ketogeen dieet, dat rijk is aan vetzuren of hemodialyse. Deze behandelingen putten de voorraad carnitine in de lever uit, wat voorkomen kan worden door de patiënten die deze behandelingen ondergaan extra carnitine te geven. Als de lever geen vetzuren kan verbranden, kan het lichaam niet vasten en wordt het ziek als het dat wel doet. Bij een gecontroleerde, niet te lange vastentest worden stofwisselingsproducten zoals organische zuren en carnitine-esters, bepaald die specifiek kunnen zijn voor de aandoening. Zij helpen bij de diagnostiek van de patiënten.

4 Erfelijkheid van mitochondriële aandoeningen Veel mitochondriële aandoeningen gaan gepaard met een mutatie (een fout) in het erfelijke materiaal (DNA). Elke cel, behalve rode bloedcellen en thrombocyten, heeft een kern waarin het DNA zit dat uit twee strengen bestaat die verbonden zijn door circa 3,5 miljard baseparen. Deze baseparen vormen de vier letters van het DNA-alfabet: A, C, G en T. Deze baseparen zitten vast aan suikergroepen (desoxyribose) die onderling verbonden zijn door difosfaat-esters. Het DNA geeft de informatie over het RNA, en dat codeert weer voor de aminozuurvolgorde van de eiwitten van de cel. Het mitochondrion bevat enkele moleculen mitochondrieel DNA met elk baseparen. Het mitochondriële DNA codeert voor slechts enkele mitochondriële eiwitten. Patiënten met erfelijke mitochondriële aandoeningen kunnen een fout hebben in het kern-dna of in het mitochondriële DNA. Zo kan het zijn dat er een letter is veranderd (puntmutatie) of dat er een aantal letters verdwenen zijn (deletie). Een mitochondriële puntmutatie, bijvoorbeeld m.3460g>a geeft weer: de positie op het mitochondriële DNA van de mens (basepaar 3460 van de16.569) gevolgd door de letter die er hoorde te staan (letter G) en de letter die er nu staat (letter A). Mitochondriën krijgt men altijd van de moeder. Mannen geven een mutatie in het mitochondriële DNA (vrijwel) niet door, en vrouwen wel. Deleties overerven niet. Mutaties in kern-dna overerven meestal autosomaal recessief of X-gebonden. Diagnostiek van mitochondriële aandoeningen De Franse medicus A. Munnich bedacht de vuistregel dat men aan een mitochondriële ziekte moet denken wanneer er twee of meer organen zijn aangedaan in het lichaam. Bijvoorbeeld een stoornis in de hersenen in combinatie met zwakte van skeletspieren. Volwassenen presenteren zich met een bepaald syndroom, terwijl dit bij kinderen vaak minder duidelijk is. Bovendien kan er sprake zijn van een orgaanspecifieke ziekte waarbij er een defect bestaat in de mitochondriën van slechts één orgaan. De diagnose van een mitochondriële ziekte is niet eenvoudig. De principes waarop de diagnostiek berust, vindt u hieronder. De aangedane organen Bij mitochondriële ziekten zijn vaak, maar niet altijd, de spieren aangedaan, al dan niet in combinatie met hart, lever, nieren, hersenen, pancreas etc. De functie van de organen is te testen met specifieke testen, zoals een inspanningsonderzoek voor spierziekte en een vastentest bij leverziekte. Voor de hersenen bestaat er geen dergelijke test, omdat het brein altijd werkt. Structurele afwijkingen van de hersenen worden in kaart gebracht met CT-scan (computertomografie) of Waterstof-NMR (1Hkernspin magnetische resonantie). ATP en fosfaat kunnen in de levende organen worden gemeten met Fosfor-NMR (31 P-kernspin magnetische resonantie. De ATP-synthese kan zo worden gemeten in de levende spier in combinatie met een inspanningsonderzoek. De benodigde apparatuur is weinig aanwezig in de centra wegens de hoge kosten. Familie-anamnese Familie-anamnese geeft antwoord op de vraag of er familieleden zijn met analoge problemen. Onderzoek Onderzoek van metabolieten, stofwisselingsproducten in lichaamsvloeistoffen, zoals bloedplasma, urine en liquor, geeft een aanwijzing over de aard van het defecte enzym. Melkzuur ofwel lactaat, is vaak verhoogd in plasma en liquor bij defecten in de oxidatieve fosforylering. Acylcarnitines en organische zuren worden bepaald in plasma en urine, onder meer bij onderzoek van stofwisselingsdefecten in bloed van pasgeborenen, en geven aanwijzingen over de aard van defecten in de mitochondriële

5 acyl-coa stofwisseling, zoals vetzuuroxidatiestoornissen, propionyl-coa carboxylase deficiëntie, glutaryl-coa dehydrogenase deficiëntie en vele andere enzymdeficiënties. Spiermorfologie Bij een spierbiopsie wordt een kleine hoeveelheid spier afgenomen uit bijvoorbeeld het bovenbeen. Dit stukje spier wordt in het laboratorium ontleed. Een klein deel wordt ingevroren, in plakjes (coupes) gesneden en onderzocht op morfologische afwijkingen die bekend zijn bij mitochondriële aandoeningen, zoals ragged-red fibres (verscheurde rode vezels), vetdruppels en mitochondriële kleuringen op complex II, IV en V. Hierdoor is het ook mogelijk om andere ziekten, die een beeld kunnen geven dat (soms) lijkt op een mitochondriële aandoening zoals spierdystrofie of de ziekte van Pompe, uit te sluiten. Elektronenmicroscopie kan structurele veranderingen zichtbaar maken in de cel en de mitochondriën. Biochemie Hoewel stoornissen in complex I, IV en I+IV het meeste voorkomen, zijn alle combinaties mogelijk, en kunnen meerdere complexen zijn aangedaan. Bij mutaties in mtdna zijn meestal de complexen I, III, IV en V aangedaan die subunits bezitten die door mtdna worden gecodeerd. Complex II en CS zijn dan vaak verhoogd. De oxidatieve fosforylering kan worden vastgesteld door het meten van zuurstofopname, ATP-synthese of decarboxylering van radioactieve (met 14C gemerkte) substraten in een vers, niet ingevroren, homogenaat van spier, of andere organen, gekweekte fibroblasten, lymfocyten. Vrijwel alle mitochondriële enzymcomplexen en enzymen zijn ook te meten in ingevroren homogenaten, die kort voor de bepaling worden ontdooid. Door het ontbreken van controlemateriaal en de grote celheterogeniteit worden hersenen alleen na het overlijden onderzocht, maar dan kunnen de fragiele complexen van de oxidatieve fosforylering al drastisch in activiteit zijn verlaagd. DNA-onderzoek Als de symptomen typisch zijn voor een bepaald syndroom wordt er bloed afgenomen om te kijken of de bijbehorende mutatie aanwezig is in het erfelijke materiaal in de lymfocyten. Een dergelijk onderzoek kan ook worden gedaan in weefsels, haarwortels, wangslijm. Geschat wordt dat in Europa en de Verenigde Staten 1:8500 mensen een ziekte heeft die veroorzaakt wordt door een mutatie in mitochondriaal DNA. Hieronder staat een lijst van de eerst ontdekte, meest voorkomende mitochondriële DNA-mutaties met hun kenmerken. Mutaties in mitochondriaal DNA (mtdna) Mitochondriële aandoening Afkorting Kenmerken Chronische Progressieve Externe Ophthalmoplegie Kearns-Sayre Syndroom CPEO KSS Hangende oogleden, zwakte van de uitwendige oogspieren, inspanningsintolerantie Zie CPEO, en bovendien, hartritmestoornissen, tunnelvisie, korte gestalte en hormoonafwijkingen Leber Hereditaire Opticus Neuropathie LHON Blindheid Maternale overgeërfde Diabetes en Doofheid Syndroom Mitochondriële Encefalomyopathie, Lactaat Acidose en Stroke (insult)-achtige episodes Myoclonische Epilepsie en Ragged Red Fibers MIDDS MELAS MERFF Diabetes Mellitus (suikerziekte) en doofheid Epileptische aanvallen, migraineachtige hoofdpijn, hartspierzwakte en verhoogd lactaat Epileptische aanvallen, coördinatiestoornissen, doofheid, kleine gestalte, hartritmestoornissen, hartspierzwakte

6 Neuropathie Ataxie en Retinitis Pigmentosa Moederlijk overgeërfd Leigh Syndroom NARP MILS Stoornis van de gevoelszenuwen, coördinatiestoornissen, tunnelvisie, soms ontwikkelingsachterstand, epileptische aanvallen en spierzwakte Geestelijke en lichamelijke ontwikkelingsachterstand, epileptische aanvallen, verhoogd lactaat Mutaties in kern-dna Mitochondriële ziekten door mutaties in kern-dna zijn moeilijker te onderzoeken doordat er veel meer baseparen moeten worden onderzocht. Het aantal patiënten is vermoedelijk even groot als de groep patiënten met mutaties in mitochondriaal DNA. Ziekte van Leigh, door stoornissen in de oxidatieve fosforylering, met normaal mtdna. Ziekte van Leigh door pyruvaat dehydrogenase deficiëntie Ziekte van Barth, cardiolipine synthetase deficiëntie. Cardiolipine is een fosfolipide die alleen in het mitochondriële binnenmembraan voorkomt. Deze patiënten hebben vaak een ziekte van de hartspier: cardiomyopathie. Ziekten door depletie van (tekort aan) mitochondriaal DNA (mtdna). Tenslotte is het nuttig om te weten dat er ongeveer honderd aangeboren defecten bekend zijn van mitochondriële enzymen die weinig of niets met de oxidatieve fosforylering te maken hebben, en die ernstige ziekten kunnen veroorzaken. Onderzoek van metabolieten is vaak belangrijk om deze defecten te identificeren en om het effect van de behandeling te volgen. Behandeling van mitochondriële ziekten In vele overzichtsartikelen staat te lezen dat er geen medicijnen zijn die mitochondriële aandoeningen kunnen genezen, maar dat is gelukkig niet altijd zo. Er zijn vitamineresponsieve mitochondriële ziekten die sterk verbeteren door de toediening van bepaalde vitamines of vitamineachtige stoffen. Bij een carnitinedeficiëntie (-tekort) wordt L-carnitine gegeven. Co-enzym Q10 en vitaminesupplementen zoals thiamine (vitamine B1), riboflavine (B2), nicotinamide (B3), panthoteenzuur (B5), biotine (H), vitamine C, E en K worden met wisselend succes gegeven bij verschillende mitochondriële aandoeningen. Corticosteroïden worden bijna niet voorgeschreven vanwege de bijwerkingen, hoewel er een paar gevallen zijn waarbij verbetering van spierkracht is gemeld. Sommige patiënten met epilepsie zijn gebaat bij een ziekenhuisopname voor een ketogeen dieet. De behandeling is vaak gericht op begeleiding van de patiënt en behandeling van de verschillende symptomen. Zo wordt lactaatacidose behandeld met natriumbicarbonaat en kaliumcitraat. Het is belangrijk dat patiënten met een mitochondriële aandoening in een goede conditie blijven, omdat hun reserves kleiner zijn vanwege het slechter functioneren van hun mitochondriën. Vaak is de motoriek (lichaamsbeweging), de spraak en de cognitie (informatieverwerking in de hersenen) aangedaan. De behandeling van deze problemen vraagt om een multidisciplinaire aanpak. Spierzwakte en snelle vermoeidheid zijn ook vaak voorkomende problemen. Conditietraining om de spierkracht op peil te houden is belangrijk, maar nog belangrijker is dat de patiënten niet over hun grens heen gaan. Het is raadzaam om de training langzaam op te bouwen in het bijzijn van een therapeut die op de hoogte is van mitochondriële stofwisselingsziekten.

7 Voeding van patiënten met mitochondriële ziekten Voeding speelt een belangrijke rol in de aanpak van mitochondriële aandoeningen. Afhankelijk van de onderliggende problemen van de ziekte kunnen tekorten worden aangevuld met bijvoorbeeld vitamines zoals hierboven al genoemd werden. Een goede voeding zorgt voor normale groei en ontwikkeling, daarom is het belangrijk dat kinderen naast water en vezels voldoende eiwitten, vetten, koolhydraten, vitaminen en mineralen binnenkrijgen. Symptomen zoals spierzwakte en slikproblemen die vaak voorkomen bij mitochondriële aandoeningen kunnen ervoor zorgen dat kinderen niet voldoende voeding krijgen. Er kan bijvoorbeeld gekozen worden voor aangepaste voeding met een hoge calorische waarde en zo nodig in vloeibare vorm. Voor een groeiend aantal defecten werd er speciaal geprepareerde voeding ontwikkeld.