泌尿系统尿酸结石研究中的化学基础欧阳健明1,2 郑辉1(1暨南大学生物矿化与结石病防治研究所 广州 510632; 2中国科学院化学研究所 北京 100080)摘 要 尿酸结石是指尿酸及其盐在泌尿系统的异常矿化和积聚。
本文从尿酸结石研究中涉及的化学问题入手,讨论了pH、过饱和度、尿大分子抑制剂和基因突变等方面对尿酸结石形成的分子机理,从抑制尿酸结石成核、生长和聚集的角度,讨论了尿酸结石的化学模型和动物实验模型。
关键词 尿酸 泌尿系结石 生物矿化Chemical B asis in I nvestigation of U ric Acid Stones in U rinary SystemOuyang Jianming1,2,Zheng Hui1(1Institute of Biomineralization and Lithiasis Research,Jinan University,G uangzhou510632; 2Institute of Chemistry,Chinese Academy of Sciences,Beijing100080)Abstract Uric acid stone is referred as the abnormal biomineralization and aggregation of uric acid and urates.In this paper,the chemical problems and m olecular mechanisms in the formation of uric acid stones were discussed from the points of pH,supersaturation,urinary macrom olecule inhibitors and gene mutation etc.The chemical m odels and animalexperiment m odels of uric acid stones were als o discussed from the points of nucleation,growth and aggregation of uric acid crystals.K ey w ords Uric acid,Urinary stone,Biomineralization泌尿系结石是生物体内病理矿化的产物,包括肾结石、输尿管结石、膀胱结石和尿道结石。
尿酸结石常见于肾和输尿管,其发病率随国家与地区的不同而不同,占泌尿系结石的5%～40%[1],如美国的尿酸结石占5%～10%[2],国内为14%～24%[3],仅次于草酸钙结石。
笔者最近的研究表明[4,5],广东省泌尿系结石患者中尿酸结石的比例为30%,与20年前相比呈现明显增加的趋势。
人体中尿酸的来源有三种:饮食、人体自身合成和组织分解。
饮食来源主要是由人体摄入的肉类、鱼类、禽类等富含嘌呤的食物分解而来,虽然受个体影响差异较大,但这类来源的尿酸百分比不大。
人体合成的尿酸主要在肝细胞中进行,其反应步骤复杂,包括次黄嘌呤核苷酸(I MP)的生成以及腺嘌呤核苷酸(AMP)、鸟嘌呤核苷酸(G MP)的合成。
组织分解的尿酸来源于人体正常的新陈代谢产生的嘌呤核苷酸,经由I MP分解为尿酸。
尿酸结石复发率高,其反复发作可导致肾功能衰竭,甚至危及病人生命。
近年来,来自医学、化学和生物等不同领域的学者对尿酸结石的研究已经有了较大的进展,本文从化学的角度综述了尿酸结石研究中的最新成果。
1 尿酸结石的理化性质尿酸即2,6,8-三氧嘌呤,易异构为其三羟基化合物(图1),因此,呈弱酸性。
纯尿酸结石难溶于水,易溶于碱。
当尿液中的尿酸超过其饱和度(416μm olΠL)时,即沉积而成结石[6,7]。
欧阳健明 男,42岁,教授,主要从事生物矿化和纳米技术研究。
E-mail:toyjm@国家自然科学基金(20471024)、广东省科技攻关(2005B30701003)和中国科学院有机固体实验室开放基金资助项目2005-07-11收稿,2005-12-17接受图1 尿酸及其异构体的分子结构Fig.1 Molecular structure of uric acid and its isomer尿酸及其盐的溶解度与pH 和温度密切相关,如图2所示。
随着温度从25℃增加到32℃、37℃和42℃,无水尿酸(H 2U )和二水尿酸(H 2U ・2H 2O )的溶解度均依次增加(图2左边)。
当溶液pH 从2增加到615时,H 2U 和H 2U ・2H 2O 的溶解度逐渐增加,并在pH =5以后开始形成尿酸盐;尿酸盐如尿酸钾(KH U )、尿酸钠(NaH U )、尿酸铵(NH 4H U )和尿酸钙[Ca (H U )2]的溶解度则随pH 的增加而减小,但在pH =7左右时基本稳定(图2右边)。
图2 在合成尿液中pH 和温度对尿酸及其盐溶解度的影响[8]Fig.2 E ffect of pH and temperature on solubility of uric acid and its salts in artificial urine [8]尿酸结石的主要组分为无水尿酸(UAA ),但也存在二水尿酸(UAD )、尿酸铵和尿酸钠,少数情况下含有磷酸盐或Π和一水草酸钙。
只有3%的尿酸结石中含有高达95%的二水尿酸[6]。
二水尿酸很容易转变为热力学较稳定的无水尿酸,这种转化特性也同样存在于结石的形成过程中。
尿酸结石中含有约2%的细丝状有机基质,从而形成晶体边缘的连续网状结构。
图3 无水尿酸(A)和二水尿酸(B)的晶体习性和结构[7]Fig.3 Crystal h abit and structure of anhydrous uric acid (A)and uric acid dehydrate (B)[7]无水尿酸晶体的晶胞参数为:a =141464(3)!,b =71403(2)!,c =61208(1)!,β=65110(5)°。
在37℃饱和溶液中生成的无水尿酸晶体主要为分层结构,层与层之间存在6156!的空隙(图3中的a 3区域)。
同一层内尿酸分子间以头碰头、尾对尾的方式形成氢键,但层与层之间没有氢键;二水尿酸的层状结构与无水尿酸相似,其晶胞参数为:a=71237(3)!,b=61363(4)!,c=171449(11)!,β=90151(1)°。
但由于二水尿酸的结晶水也参与形成氢键,其相邻层的空隙达到8173!(见图3B)[7]。
二水尿酸可缓慢脱水为多晶的无水尿酸。
根据不同的形成机制,尿酸结石又可分为Ⅰ型和Ⅱ型两类[6]:Ⅰ型尿酸结石主要是由尿酸微晶生长而成,即先由无水尿酸微晶形成结石核心(图4A),然后按照一定的规律长大而成,因此,这类尿酸结石中较少含有从尿液中沉积的大粒子,其内部是由呈放射状排列的柱状结晶组成(图4B),而柱状结晶为粘结在一起的片状无水尿酸晶体。
图4 Ⅰ型尿酸结石的核心(A)及尿石内部的柱状无水尿酸晶体(B)[6]Fig.4 Core ofⅠtype calculi(A)and columnar UAA crystals forming the interior of theⅠtype stones(B)[6]而Ⅱ型尿酸结石主要是由尿液中的尿酸和少量的其它物质共同沉降而成(图5A),主要组分为无水尿酸、大块的二水尿酸、有机物和一水草酸钙颗粒。
这类尿酸结石没有明确的核心结构,二水尿酸晶体表面有平行纵向裂纹(图5B),可转化成无水尿酸。
图5 Ⅱ型尿酸结石(沉积结石)内部的无序结构(A)及原生二水尿酸晶体(B)[6]Fig.5 I nterior of a sedimentary stone exhibiting a structure w ithout any app arent order(A)and large blocks oforiginally UAD trans formed later into UAA,observed in the interior of a sedimentary stone(B)[6]2 尿酸结石形成的化学基础211 低pH尿引发尿酸结石尿酸在37℃时的p K=5135,其在尿液中的溶解度决定于尿液的pH(参见图2)。
当pH<515时,所a有正常人尿中的尿酸都呈过饱和状态;当pH<510时,即析出纯尿酸结石;在生理pH713时,绝大多数尿酸以尿酸钠的形式存在,而尿酸钠可溶于水,约2Π3通过肾小球滤过,经尿液排出;而在pH>714时,尿酸盐可促进磷酸盐结石的形成。
可见,低pH尿是尿酸结石形成的最主要原因。
虽然非尿石患者体内也间歇地产生尿酸,但其一天的尿pH范围变化大,在418～710之间(图6),尿液的周期性碱化可以充分保护他们免受尿酸结石的痛苦[9]。
而尿酸结石患者的尿pH则保持在比较低的水平(418～515),因而易形成尿酸结石。
图6 尿酸结石患者和非尿石患者一天中尿pH的变化[9]Fig.6 Diurnal variation in urinary pH in norm al subjects and in uric acid stone formers[9]212 高尿酸尿和尿量不足引发尿酸结石形成嘌呤代谢紊乱所致高尿酸尿症和高尿酸血症,使尿液中的尿酸量剧增,从而引起尿酸结石并诱发含钙结石形成。
正常人尿液中的尿酸含量在170～500mgΠL的范围内。
当尿酸浓度超过550mgΠL时,即为高尿酸尿症,尿酸结石患者尿液中的尿酸含量最高达到1200mgΠL[6]。
不但夏天天气炎热,汗腺排泄增多,导致尿量减少,尿液中尿酸浓度急剧上升,而且冬季饮水量降低也容易导致尿量不足而引发尿酸结石。
213 基因突变引发尿酸结石根据文献报道[2,9],美国的尿酸结石占尿石的5%～10%,德国占25%,以色列则高达3915%。
这种明显的地理和人种差异与遗传基因和周围环境息息相关。
基因突变是在分子层面上引发尿酸结石形成的本质原因之一。
尿酸肾结石与基于关键转化酶基因突变引起的各种先天性代谢缺陷有关。
罕见的遗传性次黄嘌呤磷酸核糖转移酶(HPRT)基因部分缺陷后,会导致尿结石病和肾衰竭。
HPRT基因定位于染色体Xq26227。
此外,属于X染色体,位于染色体Xq22～24的遗传性磷酸核糖焦磷酸合成酶1(PPS-1)基因活性过高也会造成原发性尿酸增多,引发尿酸结石[10]。
Craig[11]认为,意大利撒丁岛上的居民患尿酸肾结石与人类染色体10q21-q22有关,而染色体10q21-q22是一段新发现的基因。