Биохимия. ЭКЗАМЕНАЦИОННЫЕ ВОПРОСЫ ПО БИОЛОГИЧЕСКОЙ ХИМИИ. Экзаменационные вопросы по биологической химии для студентов лечебного, педиатрического и медикопрофилактического факультетов
 Скачать 6.22 Mb.
|
|
| Виды мутаций | Изменения в структуре ДНК | Изменения в структуре белка |
| ЗАМЕНА | | |
| Без изменения смысла кодона | Замена одного нуклеотида в кодоне | Белок не изменён |
| С изменением смысла кодона (миссенс-мутация) | | Происходит замена одной аминокислоты на другую |
| С образованием терминирующего кодона (нонсенс-мутация) | | Синтез пептидной цепи прерывается, и образуется укороченный продукт |
| ВСТАВКА | | |
| Без сдвига «рамки считывания» | Вставка фрагмента ДНК из 3 нуклеотидов или с числом нуклеотидов, кратным 3 | Происходит удлинение полипептидной цепи на одну или несколько аминокислот |
| Со сдвигом «рамки считывания» | Вставка одного или нескольких нуклеотидов, не кратных 3 | Синтезируется пептид со «случайной» последовательностью аминокислот, так как изменяется смысл всех кодонов, следующих за местом мутации |
| ДЕЛЕЦИЯ | | |
| Без сдвига «рамки считывания» | Выпадение фрагмента ДНК из 3 нуклеотидов или с числом нуклеотидов, кратным 3 | Происходит укорочение белка на одну или несколько аминокислбт |
| Со сдвигом «рамки считывания» | Выпадение одного или нескольких нуклеотидов, не кратных 3 | Синтезируется пептид со «случайной» последовательностью аминокислот, так как изменяется смысл всех кодонов, следующих за местом мутации |
Частота мутаций. Считается, что средняя частота возникновения мутаций в структурных локусах (областях локализации гена в хромосоме или в молекуле ДНК) человека колеблется в пределах от 10-5 до 10-6 на одну гамету за каждое поколение. Однако эта величина может значительно варьировать для разных генов (от 10-4 для генов с высокой скоростью мутаций до 10-11 для наиболее устойчивых участков генома). Столь существенные колебания в частоте возникновения мутаций обусловлены характером мутационного повреждения, механизмом возникновения мутации, протяжённостью кодирующей области мутантного гена, функциями белка, закодированного в этом гене. Так, для гена гемоглобина скорость замещения одного основания другим лежит в интервале μ = 2,5×10-9-5×10-9замен в гамете за одно поколение. Чтобы представить себе, что означают эти цифры, распространим эту скорость мутаций на весь геном человека - 3×109 пар оснований. Умножив размер генома на скорость μ, мы получим, что геном за одно поколение может получить от 7 до 15 мутаций, т.е. это значит, что каждая гамета содержит такое количество изменений в ДНК по сравнению с родительской ДНК. А поскольку у каждого шадивидуума клетки диплоидны и получаются при слиянии 2 гамет, то мутаций тоже в 2 раза больше. Спрашивается, каким же образом человечество справляется с такой мутационной нагрузкой? Отвечая на этот вопрос, следует помнить, что кодирующие части генов, изменения в которых наиболее опасны, занимают не более 10% генома. Ситуация облегчается ещё и тем, что далеко не каждая мутация в кодирующей области имеет фенотипическое проявление. Многие попадают в 3'-положение кодонов и, таким образом, являются "молчащими", так как благодаря вырожденности генетического кода они не приводят к аминокислотным заменам, другие оказываются в доменах, несущественных для функционирования белков. Потомству передаются мутации, происходящие в гаметах, а их процент совсем невелик.
113. Генетическая гетерогенность. Полиморфизм белков в популяции человека (варианты гемоглобина, гликозилтрансферазы, группоспецифических веществ и др).
Полиморфизм белков. Поскольку большинство нормальных клеток человека диплоидны, то они содержат две копии каждой хромосомы, одна из которых получена от отца, а вторая от матери. Эти две копии одной и той же хромосомы называют гомологичными. В ДНК каждой хромосомы содержится более тысячи генов. Соответствующие друг другу гены в гомологичных хромосомах называют аллелями. Аллели могут быть идентичными и содержат одинаковую последовательность нуклеотидов. В этом случае индивидуум, имеющий такие аллели, будет гомозиготенпо данному признаку. Если аллели различаются по последовательности нуклеотидов в ДНК, то говорят о гетерозиготном наследовании гена. В этом случае индивидуум будет иметь 2 белковых продукта гена, различающихся по аминокислотной последовательности. У каждого человека существует только 2 разных аллеля одного гена, тогда как в популяции людей вариантов аллелей может быть огромное множество. Как уже говорилось ранее, изменчивость структуры ДНК, а следовательно разнообразие аллелей, обусловлено мутационным процессом и рекомбинациями в гомологичных хромосомах половых клеток. Если в ходе мейоза рекомбинации сопровождаются обменом участками ДНК, меньшими по размеру, чем ген, то такой процесс может приводить к появлению новых, прежде не существовавших аллелей. А поскольку рекомбинации - более частые события, чем мутации в кодирующих участках гена, то разнообразие вариантов аллелей обусловлено главным образом ими. Существование в популяции 2 и большего числа аллелей одного гена называют "аллеломорфизм", или "полиморфизм", а белковые продукты, образующиеся в ходе экспрессии этих вариантов гена - "полиморфы". Разные аллели встречаются в популяции с разной частотой. К полиморфам относят только те варианты, распространённость которьж в популяции не меньше 1%. В процессе эволюции отдельные гены амплифицируют с образованием копий, а их структура и положение могут изменяться в результате мутаций и перемещений не только внутри хромосомы, но и между хромосомами. Со временем это приводит к появлению новых генов, кодирующих белки, родственные исходному, но отличающиеся от него определёнными свойствами и занимающие в хромосомах разные генные локусы (или места). К родственным белкам относят изобелки, представляющие собой варианты белков, выполняющие одну и ту же функцию и обнаруживаемые в пределах одного вида организмов. Так, в группе из 2000 генов человека, кодирующих факторы транскрипции и транскрипционные активаторы, идентифицировано 900, относящихся к семейству белков, имеющих "цинковые пальцы". Существует 46 генов фермента глицеральдегид-3-фосфатдегидрогеназы, осуществляющего единственную окислительную реакцию в метаболическом пути катаболизма глюкозы до пирувата. Выявлены семейства родственных белков, возникшие в ходе эволюции из одного "предкового" гена, или гена-предшественника. Такие семейства составляют:
гены миоглобина и протомеров гемоглобинов;
группа протеолитических ферментов: трипсин, химотрипсин, эластаза, гшазмин, тромбин и некоторые другие белки и ферменты.
Группы крови. Другой важный пример полиморфизма белков, связанный с проблемой переливания крови, - существование в популяции людей 3 аллельных вариантов гена фермента гликозилтрансферазы (А, В и 0). Этот фермент принимает участие в синтезе олигосахарида, локализованного на наружной поверхности плазматической мембраны и определяющего антигенные свойства эритроцитов. Варианты фермента А и В имеют разную субстратную специфичность: вариант А катализирует присоединение к олигосахариду N-ацетилгалактозамина, а вариант В - галактозы. Вариант О кодирует белок, лишённый ферментативной активности. В результате структура олигосахаридов, расположенных на поверхности эритроцитов, будет разной. Антитела к антигенам А и В обычно имеются в сыворотке крови людей, на поверхности эритроцитов которых отсутствует соответшвующий антиген, т.е. индивидуумы с антигенами А на поверхности эритроцитов продуцируют в сыворотку крови антитела к В-антигенам (анти-В), а люди с В-антигенами антитела к антигенам А (анти-А). В сыворотке крови анти-А и анти-В обычно присутствуют в высоких титрах и при появлении соответствующих антигенов способны активировать ферменты системы комплемента. При переливании крови руководствуются правилом, согласно которому кровь донора и реципиента не должна содержать антигены и антитела, реагирующие между собой: например, реципиенту, имеющему в сыворотке крови анти-А, нельзя переливать кровь от донора, содержащего на эритроцитах антигены А. При нарушении этого правила происходит реакция антиген-антитело. Это вызывает агглютинацию (склеивание) эритроцитов и их разрушение ферментами комплемента и фагоцитами. У индивидуумовгетерозигот, имеющих группу крови АВ (IV), на эритроцитах присутствуют А- и В-антигены, функционируют 2 варианта глйкозилтрансферазы (А и В), а следовательно антитела не образуются. Этих людей можно рассматривать как "универсальных" реципиентов, которым безопасно вводить эритроциты от доноров, имеющих любые группы крови. Однако люди с группой крови IV не могут безопасно получать сыворотку крови от этих доноров, так как она содержит антитела к А- и/или В-антигенам. В то же время индивидуумы, имеющие 0 (I) группу крови, - гомозиготы по неактивному варианту гликозилтранеферазы 0, и поверхность их эритроцитов лишена антигенов. Такие люди являются "универсальными" донорами эритроцитарной массы, так как их эритроциты можно вводить людям с группами крови А, В, 0 или АВ. В то же время сыворотка крови этих доноров содержит антитела к А- и В-антигенам и может использоваться только для пациентов 0 (I) группы крови.
Белки главного комплекса гистосовместимости и трансплантационная несовместимость.При формировании клеточного иммунного ответа узнавание Т-лимфоцитами чужеродного антигена происходит только если он расположен рядом с гликопротеинами, присутствующими на собственной клеточной мембране. Эти гликопротеины называют белками главного комплекса гистосовместимости, или МНС-белками. Существуют 2 класса этих белков: молекулы класса I и П. МНС-белки класса I обнаружены практически во всех содержащих ядро клетках, включая Т-киллеры, тогда как МНС-белки класса II найдены главным образом в клетках, участвующих в иммунном ответе, в антиген-представляющих В-клетках и Т-хелперах, но не в Т-киллерах и макрофагах. Строение МНС-белков кодирует семейство генов, расположенных на коротком плече хромосомы 6 и занимающих участок ДНК длиной более 6000 пар нуклеотидов. Это семейство состоит из серии тесно сцепленных генов, ответственных за синтез МНС-белков и некоторых компонентов системы комплемента. Гены комплекса отличаются чрезвычайно высоким полиморфизмом. Число разных аллелей достигает нескольких миллионов. Белки МНС-системы считают самой полиморфной системой человека. Вариабельность МНС-белков обеспечивает трансплантационную несовместимость. Клетки трансплантата имеют набор этих белков, отличный от МНС-белков реципиента (во всех случаях, кроме генетически идентичных близнецов), и это приводит к развитию реакции клеточного иммунитета, в результате которой трансплантированная ткань отторгается. Исследования показали, что полиморфизм различных белков настолько велик, что можно говорить о биохимической индивидуальности и уникальности каждого человека.
114. Биохимические основы возникновения и проявления наследственных болезней (разнообразие, распространение).
Каждый генетический локус характеризуется определённым уровнем изменчивости, т.е. присутствием различных аллелей у разных индивидуумов. Аллели генов делят на 2 группы - нормальные, или аллели "дикого" типа, для которых функция гена не нарушена, и мутантные, приводящие к нарушению работы гена. "Плохой" аллель кодирует синтез белка, функция которого сильно нарушена и при гомозиготном наследовании фенотипически проявляется как наследственная болезнь. Наследственные болезни - следствие мутаций, произошедших в гаметах или зиготе. Такие мутации могут быть первичными, если возникли в гаметах или в процессе формирования зиготы, или вторичными, если мутантный ген возник раньше и был передан последующему поколению по наследству.
Первичные мутации, как правило, не сопровождаются возникновением болезни, так как происходят обычно в одной из хромосом, и индивидуум, получивший такую мутацию, становится гетерозиготным носителем повреждения в гене. Мутантный ген в гетерозиготном состоянии часто не проявляется как болезнь и существенно не снижает жизнеспособность организма. Это способствует его распространению в популяции. При вторичных мутациях, если каждый из родителей является носителем мутантного гена, будучи гетерозиготой, возможно рождение детейгомозигот по дефектному аллелю,, В таком случае развивается наследственная болезнь, часто сопровождаемая очень тяжёлым течением. Согласно данным Всемирной организации здравоохранения, около 2,4% всех новорождённых на земном шаре страдают теми или иными наследственными нарушениями. Около 40% ранней младенческой смертности и инвалидности с детства обусловлены наследственной патологией.
К настоящему времени на хромосомах человека выявлено около 800 генов, мутации в которых приводят к развитию различных наследственных болезней. Количество моногенных заболеваний (т.е. вызванных мутациями в определённом гене) ещё больше и равно примерно 950 в результате существования так называемых "аллельных серий", т.е. групп болезней, клинически сильно отличающихся друг от друга, но обусловленных мутациями в одном и том же гене. Например, мутации в гене рецептора с тирозинкиназной активностью retмогут вызывать 4 различных наследственных заболевания. Более половины генов, в которых найдены мутации, вызывающие наследственные, заболевания охарактеризованы методами молекулярного анализа. Наибольшую по размеру группу составляют ферменты (31% от общего числа). За этой группой следуют белки, модулирующие функции белков и участвующие в правильном сворачивании полипептидных цепей (14%). На каждой хромосоме в среднем идентифицировано около 30 структурных генов, мутации в которых вызывают наследственные болезни. Однако распределены эти гены по хромосомам неравномерно. Так, например, на хромосоме 2 их в 3 раза меньше, чем на хромосоме 1. Наибольшее число мутантных генов (более 100) установлено на Х-хромосоме. Хорошо изученными наследственными заболеваниями, связанными с нарушением синтеза α- или β-цепей НЬ, являются талассемии. Синтез α- и β-цепей в норме регулируется таким образом, что все молекулы протомеров используются на синтез тетрамера α2β2 Талассемии возникают как результат мутаций, включающих замены или делеции одного или нескольких нук-леотидов, а иногда и целого гена, кодирующего структуру одного из протомеров. Эти болезни классифицируют по 4 типам: так, в случае, если одна из цепей не синтезируется, то их обозначают как α0- или β0-талассемии, а если синтез какой-либо из цепей снижен, то α+- или β+-талассемии.
α-Талассемии возникают при нарушении синтеза α-цепей. В геноме каждого индивидуума существует 4 копии гена α-глобина (по 2 копии на каждой хромосоме), поэтому встречаются несколько видов недостаточности ос-цепей. Если дефектна одна из 4 копий, то фенотипически это не проявляется, и такого человека рассматривают как "молчащего носителя" талассемии. При дефекте в 2 копиях гена у носителя мутации обнаруживают слабовыраженные признаки болезни, а при дефекте в 3 копиях развивается гемолитическая анемия. При полном отсутствии синтеза α-цепей (т.е. дефектны все 4 копии гена) наступает внутриутробная гибель плода, так как не образуются фетальные формы Нb, а тетрамеры γ4 обладают высоким сродством к кислороду и не способны функционировать как транспортные белки.
β-Талассемии развиваются в результате снижения синтеза β-цепей Нb, для которых на каждой хромосоме имеется по одному гену. Синтез НbА начинается после рождения ребёнка. При дефекте в одной из копий гена недостаточность Нb проявляется в слабой степени и не требует специального лечения. Однако при полном выключении синтеза β-цепей развивается тяжёлая форма анемии, и таким пациентам проводят либо периодическую трансфузию крови, либо пересадку костного мозга.
Со многими моногенными наследственными заболеваниями читатель познакомится практически во всех последующих разделах учебника. Здесь же хотелось бы только отметить, что наряду с болезнями, наследственная природа которых ярко выражена, существует множество болезней, характеризующихся семейной предрасположенностью. Это такие широко распространённые заболевания, как сахарный диабет, подагра, атеросклероз, шизофрения и ряд других. В отличие от моногенных болезней, эти заболевания относят к мультифакторным. Поэтому исследования, направленные на выявление белков, аллельные формы которых ответственны за предрасположенность к заболеванию, являются задачами настоящего и будущего времени.
115. Основные системы межклеточной коммуникации: эндокринная, паракринная, аутокринная регуляция.
По расстоянию от клетки—продуцента гормона до клетки-мишени различают эндокринный, паракринный и аутокринный варианты регуляции.
• Эндокринная, или дистантная, регуляция. Секреция гормона происходит в жидкие среды организма. Клетки-мишени могут отстоять от эндокринной клетки сколь угодно далеко. Пример: секреторные клетки эндокринных желёз, гормоны из которых поступают в систему общего кровотока.
• Паракринная регуляция. Продуцент биологически активного вещества и клетка-мишень расположены рядом. Молекулы гормона достигают мишени путём диффузии в межклеточном веществе. Например, в париетальных клетках желёз желудка секрецию Н+ стимулируют гастрин и гистамин, а подавляют соматостатин и Пг, секретируемые рядом расположенными клетками.
•Аутокринная регуляция. При аутокринной регуляции клетка—продуцент гормона имеет рецепторы к этому же гормону (другими словами, клетка—продуцент гормона в то же время является его мишенью). Примеры: эндотелины, вырабатываемые клетками эндотелия и воздействующие на эти же эндотелиальные клетки; Т-лимфоциты, секретирующие интерлейкины, имеющие мишенями разные клетки, в том числе и Т-лимфоциты.
116. Роль гормонов в системе регуляции метаболизма. Клетки-мишени и клеточные рецепторы гормонов
Роль гормонов в регуляции обмена веществ и функций. Интегрирующими регуляторами, связывающими различные регуляторные механизмы и метаболизм в разных органах, являются гормоны. Они функционируют как химические посредники, переносящие сигналы, возникающие в различных органах и ЦНС. Ответная реакция клетки на действие гормона очень разнообразна и определяется как химическим строением гормона, так и типом клетки, на которую направлено действие гормона. В крови гормоны присутствуют в очень низкой концентрации. Для того чтобы передавать сигналы в клетки, гормоны должны распознаваться и связываться особыми белками клетки - рецепторами, обладающими высокой специфичностью. Физиологический эффект гормона определяется разными факторами, например концентрацией гормона (которая определяется скоростью инактивации в результате распада гормонов, протекающего в основном в печени, и скоростью выведения гормонов и его метаболитов из организма), его сродством к белкам-переносчикам (стероидные и тиреоидные гормоны транспортируются по кровеносному руслу В комплексе с белками), количеством и типом рецепторов на поверхности клеток-мишеней. Синтез и секреция гормонов стимулируются внешними и внутренними сигналами, поступающими в ЦНС.Эти сигналы по нейронам поступают в гипоталамус, где стимулируют синтез пептидных рилизинг-гормонов (от англ,release -освобождать) - либеринов и статинов, которые, соответственно, стимулируют или ингибируют синтез и секрецию гормонов передней доли гипофиза. Гормоны передней доли гипофиза, называемые тройными гормонами, стимулируют образование и секрецию гормонов периферических эндокринных желёз, которые поступают в общий кровоток и взаимодействуют с клетками-мишенями. Поддержание уровня гормонов в организме обеспечивает механизм отрицательной обратной связи. Изменение концентрации метаболитов в клетках-мишенях по механизму отрицательной обратной связи подавляет синтез гормонов, действуя либо на эндокринные железы, либо на гипоталамус. Синтез и секреция тропных гормонов подавляется гормонами эндокринных периферических желёз. Такие петли обратной связи действуют в системах регуляции гормонов надпочечников, щитовидной железы, половых желёз. Не все эндокринные железы регулируются подобным образом. Гормоны задней доли гипофиза (вазопрессин и окситоцин) синтезируются в гипоталамусе в виде предшественников и хранятся в гранулах терминальных аксонов нейрогипофиза. Секреция гормонов поджелудочной железы (инсулина и глюкагона) напрямую зависит от концентрации глюкозы в крови. В регуляции межклеточных взаимодействий участвуют также низкомолекулярные белковые соединения - цитокины. Влияние цитокинов на различные функции клеток обусловлено их взаимодействием с мембранными рецепторами. Через образование внутриклеточных посредников сигналы передаются в ядро, где происходят активация определённых генов и индукция синтеза белков. Все цитокины объединяются следующими общими свойствами:
синтезируются в процессе иммунного ответа организма, служат медиаторами иммунной и воспалительной реакций и обладают в основном аутокринной, в некоторых случаях паракринной и эндокринной активностью;
действуют как факторы роста и факторы дифференцировки клеток (при этом вызывают преимущественно медленные клеточные реакции, требующие синтеза новых белков);
обладают плейотропной (полифункциональной) активностью.
Биологическое действие гормонов проявляется через их взаимодействие с рецепторами клеток-мишеней. Для проявления биологической активности связывание гормона с рецептором должно приводить к образованию химического сигнала внутри клетки, который вызывает специфический биологический ответ, например изменение скорости синтеза ферментов и других белков или изменение их активности. Мишенью для гормона могут служить клетки одной или нескольких тканей. Воздействуя на клетку-мишень, гормон вызывает специфическую ответную реакцию. Например, щитовидная железа - специфическая мишень для тиреотропина, под действием которого увеличивается количество ацинарных клеток щитовидной железы, повышается скорость биосинтеза тиреоидных гормонов. Глюкагон, воздействуя на адипоциты, активирует липолиз, в печени стимулирует мобилизацию гликогена и глюконеогенез. Характерный признак клетки-мишени - способность воспринимать информацию, закодированную в химической структуре гормона.
Рецепторы гормонов. Начальный этап в действии гормона на клетку-мишень - взаимодействие гормона с рецептором клетки. Концентрация гормонов во внеклеточной жидкости очень низка и обычно колеблется в пределах 10-6-10-11 ммоль/л. Клетки-мишени отличают соответствующий гормон от множества других молекул и гормонов благодаря наличию на клетке-мишени соответствующего рецептора со специфическим центром связывания с гормоном.