Prof. Dr. Mehmet Akif Çürük Tıbbi Biyokimya Anabilim Dalı BEYİN BİYOKİMYASI Prof. Dr. Mehmet Akif Çürük Ç.Ü.Tıp Fakültesi Tıbbi Biyokimya Anabilim Dalı

Beyin Bütün organların düzenli çalışmasını sağlar Erişkin vücut ağırlığının %2 sini beyin oluşturur Beyin sabit hızda enerji kullanır İstirahat halinde vücut bazal oksijeninin %20 kullanır Başlıca yakıtı glukozdur (150 g/gün)

Beyin Biyokimyası Glikoz gereksinimi sürekli olarak kan dolaşımından sağlanır. Beyin ve sinir hücrelerinin günlük gereksinimi 150 gr kadardır. Glukoz oksidasyonu karbon dioksit ve su ile sonuçlanır

Beyin Biyokimyası Beyinde glikojen deposu çok azdır. Önemli miktarda trigliserit deposu da yoktur Kan yolu ile gelen yağ asitleri kan-beyin engelini geçemez.

Uzun süreli açlıkta beyin keton cisimciklerini kullanmaktadır. Beyinde glukoneogenez yapılamadığından amino asitlerden enerji temin edilemez. Kanda glukoz düzeyi <50 mg/dL altına düştüğü zaman; Baş dönmesi, sayıklama ve ölüm gerçekleşmektedir.

KARBOHİDRAT METABOLİZMASI Glukoz’un %90’ı enerji üretmek için glikoliz ve TCA da kullanılarak CO2 ve H2O metabolize olur. Geri kalan %10’u lipit, amino asit, nükleik asit ve protein metabolizmasında kullanılmaktadır. Glukoz transportu GLUT transport proteinleri ile gerçekleşmektedir.

Beyinde kapiller, endotel hücreleri çok sıkı bağlantılıdır Kan dolaşımından BOS’a glukoz aktarılması endoteldeki transport proteinleri aracılığı ile olmaktadır Süreklilik gösteren bazal membrandan geçmektedir. Glukozun ayrıca nörotransmitter sentezine de katkısı bulunmaktadır.

Tiamin eksikliğinde nörolojik yakınmalar başlamaktadır Tiamin eksikliğinde nörolojik yakınmalar başlamaktadır. Bu piruvattan asetil CoA oluşumundaki yetersizliğe neden olmaktadır. Piruvat  Asetil CoA (Piruvat dehidrogenaz: Tiamin PP) Bütün beyin hücrelerinde yağ asitleri ve steroid sentezi için NADPH pentoz fosfat yolundan sağlanmaktadır. Beyindeki önemli inositol bileşiklerin öncülü miyoinositol de glukozdan sağlanmaktadır.

AMİNOASİT ve PROTEİN METABOLİZMASI Beyin amino asit metabolizmasına aktif bir şekilde katılmaktadır. Nörotransmitterlerin de novo sentezlerinde, amino asit havuzlarının sürekli desteklenmesi gerekmektedir. Beyinde glutamat ve aspartat ile türevleri (N-asetil aspartat, glutamin, glutatyon, GABA) plazmadan daha yüksek konstrasyonda bulunmaktadır.

Beyinde bulunan glutamat, 2-oksalo glutarat dan glutamat dehidrogenaz ile sentezlenir. Aspartat ise aspartat transaminaz ile sentezlenir. Her ikiside krebs döngüsü ara bileşiğidir. Astroglial hücrelerdeki glutamin setetaz ile glutamattan glutamin sentezlenir.

Nöral hücrelerde bulunan glutaminaz ile glutaminden elde edilen glutamat uyarıcı nörotransmiter olarak görev yapmaktadır. Glutamin, inhibitör etkisi olan GABA nın da öncülüdür.

NÜKLEİK ASİT METABOLİZMASI Beyinde karbamoil fosfat sentetaz bulunmadığı için CO2, amonyak veya glutamin kullanılarak de novo primidin sentezi yapılamamaktadır. Primidinleri de novo sentezleyemeyen beyin UMP, UTP ve CTP oluşturmakta ve nükleik asit, lipit ve polisakkarit metabolizmasında kullanmaktadır. Pürinlerin de novo sentezinde görevli tüm enzimler beyin dokusunda bulunduğu için pürin sentezi yapılabilmektedir. Bütün pürin, pirimidin ve türevleri kan beyin bariyerini geçebilmektedir.

Purinler Adenine phosphoribosyl transferase ile AMP Adenine + PRPP  AMP + PPi Hypoxanthine-guanine phosphoribosyl transferase (HGPRT) Guanine + PRPP  GMP + PPi Hypoxanthine + PRPP  IMP + PPi

Hipoksantin-guanin fosforiboziltransferaz (HPRT) eksikliği Biyokimyasal bozukluk Guanine + PRPP  GMP + PPi Hypoxanthine + PRPP  IMP + PPi HPRT tüm dokularda bulunan sitozolik enzim, Beyinde yüksek aktivite gösterir. Sentez ve kurtarma arasında önemli rol oynamakta Sentezin feedback kontrol eksikliği sonucu Hipoksantin veya guanin siklusunda yetersizlik Aşırı ürik asit üretimi ile sonuçlanmaktadır.

Klinik bulgular Kristalüri, akut renal bozukluk ve gut Bütün örneklerde yüksek ürik asit düzeyi Genetik defektin şiddetine bağlı olarak 5 farklı klinik fenotipte görülür 4 klinik fenotip nörolojik gelişime bağlı olarak değişik klinik bulguları görülmektedir.

Lesch-Nyhan sendromu Lesh-Nyhan tipi sendromda kendine zarar verme (self-mutilation) ile birlikte Spastik yürüyüş, hafif nörolojik anormalisi olup hastaların nörolojik problemler yoktur. Kısmi defekt söz konusudur Hastalarda artmış ürik asit düzeyi, gut, renal bozukluk, böbrek taşları görülür.

Additional Gout Foot Sites: Inflamation In Joints Of Big Toe, Small Toe And Ankle Gout-Early Stage: No Joint Damage Gout-Late Stage: Arthritic Joint

Lesch-Nyhan sendromu Spastisite, kendine zarar verme (compulsive self-multilation) ve gelişimsel reterdasyon Temel motor anormalileri kas hipotonisi oluşturur Postnatal büyüme bozuklukları Hastalar tek başlarına oturamaz ve hareket edemez Bazı hastalarda megablostik anemi de gelişir

Lesch-Nyhan sendromlu hastalar

LİPİT METABOLİZMASI Lipit içeriği bakımından en zengin organlardan beyinde, Hücresel ve intrasellüler membranlar ile miyelin kılıfta yaygındır Nöronal ve glial membranlarda gri madde bulunmaktadır, Nöronal ve glial membranlar ile miyelinin bileşenleri arasında beyaz madde yer almaktadır. Gri madde ile karşılaştırıldığında beyaz maddenin galaktolipit içeriği yüksek fosfolipit içeriği ise düşüktür. Beyaz maddenin %75-80 kadarını oluşturan plazmalojen (etanolamin fosfolipitleri) , gri madde de %50 civarında bulunmaktadır.

Lipitler beyinde diğer organlarda olduğu gibi benzer biyosentez ve katabolizma yollarını izlemektedir Yetişkin beyininde lipit bileşimi sabit olması, lipit dönüşümünün proteinlere göre yavaş olduğunu göstermektedir Kolesterol, serebrozidler, fosfotidiletanolamin ve sfingomiyelin yavaş metabolize olmaktadır Glukoz ve yağ asitlerinden sentezlenen fosfatidilkolin ve fosfoinozitol daha hızlı metabolize olmaktadır Yetişkin beyninde serebrozidlerin %90 kadarı miyelin kılıfta bulunmaktadır.

AÇLIKTA KC de yağ asitleri oksidasyonu sonucunda oluşan asetil-KoA, TCA’ya girebilir veya keton cisimciklerini (asetoasetat, aseton, D-β-hidroksibütirat) oluşturabilir Diğer keton cisimlerine göre çok küçük miktarda üretilen aseton akciğerlerde nefes yolu ile atılır Asetoasetat, β-hidroksibütirat KC den kan yoluyla ekstrahepatik dokulara taşınır, TCA da oksitlenerek dokulara (iskelet ve kalp kası, renal korteks ve beyin) yüksek enerji sağlar.

KC

İskelet kası kalp kası renal korteks beyin

Niemann-Pick hastalığı Sifingomiyelin molekülünün yıkılamaması sonucu oluşan genetik bir hastalıktır. Sifingomiyelinaz enzim eksikliği sonucu meydana gelmektedir. Lipit ile dolmuş dalak ve büyümüş KC Ciddi mental gerilik Erken yaşta ölümle sonuçlanır.

Niemann-Pick hastalığı Sinir dokusu membranlarının yapısında bulunan Sifingomiyalinaz enzim ile SifingomiyalinSeramid+Fosforil kolin seramidSifingosin+ Serbest yağ asiti

Gaucher hastalığı Beta glukosidaz enzim eksikliği sonucu oluşan otosomal resesif bir hastalıktır. Artmış glukoserebrozidler Dalak ve KC büyümesi Ciddi mental gerilik Osteoporoz Sıklıkla ölüm ile sonuçlanır

Fabry hastalığı Alfa galaktozidaz enzim eksikliği sonucu meydana gelen X’e bağlı resesif bir hastalıktır. Böbrek ve kalp yetmezliği Kırmızı-Mor deri döküntüleri Alt ekstremitelerde ağrı ile seyreder.

Farber hastalığı Seraminidaz enzim eksikliği sonucu meydana gelen otosomal resesif bir hastalıktır. Ağrılı eklem bozuklukları Deri altı nodüller Dokularda granülomlar Erken yaşta ölüm sonuçlanır.

Tay-Sach hastalığı Heksozaminidaz A enzim eksikliği sonucu meydana gelen otosomal resesif bir hastalıktır. Artmış gangliosidler Ciddi mental gerilik Körlük Kas zayıflığı ile Ölümcül bir hastalıktır.

Krabbe hastalığı Beta galoktozidaz enzim eksikliği sonucu meydana gelen otosomal resesif bir hastalıktır. Artmış galaktoserebrozidler Mental gerilik Körlük, sağırlık Total miyalin yokluğu Erken yaşta ölümcül bir hastalıktır.

BEYİN-OMURİLİK SIVISI (BOS) BİYOKİMYASI

BOS, beyin ve omuriliği dış travmalardan korur.

BOS’un kimyasal bileşimi, Kan plazması bileşiminden oldukça farklıdır: 1) BOS, proteinden oldukça fakirdir 2) BOS, plazma lipidlerini içermez. 3) BOS’un Na içeriği plazmaya eşdeğer; 4)K içeriği düşüktür ve klorür plazmadakinden yüksektir 5) BOS’ta glukoz konsantrasyonu, plazmadakinden düşüktür; (%40-70 mg arasında değişir) 5) BOS’ta amino asit düzeyleri, plazmadakinden düşüktür. 6) BOS enzimleri lokal olarak sentezlenirler; kandaki enzimler BOS’a geçmezler. 7) BOS pH’ı kan pH’ı civarındadır.

İnsanlarda BOS, lumbal ponksiyon ile elde edilir İnsanlarda BOS, lumbal ponksiyon ile elde edilir. BOS, hekim tarafından steril şartlarda ve en az biri steril tüp olmak üzere 2-3 test tüpüne alınır. Tüplerden biri hiç bekletilmeden bakteriyolojik analiz için gönderilmelidir.

BOS analizi, subaraknoid kanamalarını, beyin ve omurilik zarlarını tutan iltihabi hastalıkların tanı, ayırıcı tanı ve tedavilerinin takibinde büyük öneme sahiptir. BOS incelemesinde şu sıra izlenir: - Gözle muayene - Bakteriyolojik inceleme - Sitolojik inceleme Biyokimyasal analiz BOS’un gözle incelenmesi: BOS, normalde kaya suyu berraklığında ve renksiz bir sıvıdır.

BOS’un kırmızı veya kırmızı-kahverengi görünümü, ventriküler veya subaraknoidal kanama veya ponksiyon sırasında venlerin travmaya uğraması ile ilgili olabilir. Ponksiyon sırasında venlerin travmaya uğraması sonucu karışan kan, BOS’un santrifüjü sırasında dibe çöker, üst kısım renksiz ve berraktır. BOS’un sarı görünümü, eski beyin kanaması, BOS dolaşımını bozan tümör, indirekt bilirubin düzeyinde artış nedeniyle olabilir. BOS’un bulanık oluşu, aşırı miktarda lökosit bulunmasına bağlıdır. Biyokimyasal inceleme için uygun değildir. BOS, bakteriyel menenjitte hafif bulanık ve iltihaplıdır.

BOS’un mikrobiyolojik incelenmesi: Steril tüpe alınan BOS’dan, uygun besi yerlerine ekim yapılır. Daha sonra etken, kalan kısımdan uygun boyamalar yapılarak mikroskobik olarak görülmeye çalışılır.

BOS’un sitolojik incelenmesi: BOS, thoma lamı üzerine alınır ve mikroskobik olarak incelenir. Hücrelerin tipi ve sayısı tayin edilerek hastalığın tanı ve ayırıcı tanısına gidilir. BOS’ta hücre sayısının mm3 te 10’un üzerine çıkması patolojiktir. BOS’ta hücre sayısı artışı pleositoz olarak tanımlanır ve menenjiyal irritasyonun işaretidir

BOS’un biyokimyasal analizi:berrak ve kansız BOS’ta yapılmalıdır; Bulanık ve kanlı BOS biyokimyasal inceleme için uygun değildir. BOS’da glukoz, protein, klor, bazı enzim ve metabolit düzeyi ölçülür. BOS glukoz, protein, klorür düzeylerine göre menenjitlerin ayırıcı tanısı yapılabilir.

BOS’ta glukoz tayini, aç karnına yapılmalı ve kan glukozu ile birlikte değerlendirilmelidir. Kan glukoz seviyesi değiştikçe BOS glukoz düzeyi de 1-3 saat içinde değişir. BOS glukozu, normalde plazmadakinin %60-80’i kadardır. BOS’ta glukoz, intrakraniyal basınç artışı sendromunda, fonksiyonel mental hastalıklarda, diyabetes mellitusta artar. BOS’ta glukoz, süpüratif menenjitte, tüberküloz menenjitte, lösemik menenjitte, hipoglisemide azalır.

BOS’ta protein tayini, Kan-beyin bariyerinin geçirgenliğini saptamak için yapılır. BOS’ta globülin artışını saptamak için Pandy reaksiyonu gibi kalitatif testler ile elektroforez gibi kantitatif protein tayini için hassas testler yapılır. BOS’ta protein, normalde %15-45 mg kadardır. BOS’ta protein artışı, menenjitte, konvülsiyonlarda, beyin ve medülla spinalisin organik hastalıklarında, multipl sklerozda görülür.

BOS’ta Pandy reaksiyonu Bir saat camı içine yaklaşık 1 mL kadar Pandy ayıracı konur ve saat camı siyah bir zemin üzerine yerleştirilir. Saat camındaki Pandy ayıracı üzerine 1 damla BOS damlatılır. BOS damlatılmasıyla belirgin bulutlanma veya şiddetli bir bulanıklık gözlenmesi Pandy (+) olarak rapor edilir. Hafif bulanıklık gözlenmesi normaldir. Pandy (+) sonuç, BOS’ta globülin artışını gösterir. Pandy ayıracı hazırlamak için 8-10 g fenol 100 mL distile suda çözülür. Çözelti 37 C’deki etüvde birkaç saat ve sonra oda sıcaklığında bırakıldıktan sonra üst kısım kullanılır; Pandy ayıracı berrak olmalıdır, koyu renkli şişede saklanmalıdır.)

BOS’ta klorür, normalde plazmadakinden yüksektir. BOS’ta klorür azalması, piyojenik menenjitte görülür. Tüberküloz menenjitte de BOS’ta klorür düzeyi düşük olmakla birlikte özellikle çocuklarda erken evrede BOS klorür düzeyi değişmez

BOS’ta enzimler, plazmadaki değişikliklerden etkilenmez; plazma enzimleri kan-beyin engelini aşıp BOS’a geçemez. Konvülsif bozuklukların tanısı için CK, AST, LDH tayini yapılır. Santral sinir sistemi lipidozlarının tanısı için aldolaz tayini yapılır. .

Primer beyin tümörlerinin tanısı için glukoz fosfat izomeraz tayini yapılır. Metastatik tümörlerin tanısı için AST ve LDH tayini yapılır. Bakteriyel menenjitte, metastatik karsinomda, subaraknoidal kanamada, serebral enfarktüste BOS’ta LDH aktivitesi yüksektir