Студопедия

Главная страница Случайная страница

КАТЕГОРИИ:

АвтомобилиАстрономияБиологияГеографияДом и садДругие языкиДругоеИнформатикаИсторияКультураЛитератураЛогикаМатематикаМедицинаМеталлургияМеханикаОбразованиеОхрана трудаПедагогикаПолитикаПравоПсихологияРелигияРиторикаСоциологияСпортСтроительствоТехнологияТуризмФизикаФилософияФинансыХимияЧерчениеЭкологияЭкономикаЭлектроника






Я. Генная инженерия




Генная инженерия —- это направление в молекулярной генетике по разработ­ке методов конструирования нужных генов и внедрению их в клетку хозяина с целью изменения ее генетических свойств,

В настоящее время методы генной инженерии используются для генети­ческого конструирования видов, т. е, соединения генов разных организмов (вируса и бактерии, вируса и эукарнотов), направленного улучшения наследственных качеств организма (селекция), промышленного получения белков, являющихся продуктом действия пересаженных в клетку генов и т. д.

Методы генной инженерии включают следующие основные стадии:

1) получение интересующего гена, т. е. фрагмента ДНК;

2) соединение этого гена с так называемой векторной молекулой, спо­собной доставить ген в клетку хозяина и тем обеспечить репликацию чу­жеродного гена;

3) введение полученной гибридной ДНК в клетку реципиента;

4) отбор клеток, где размножается (клонируется) введенный чужерод­ный ген.

Получение интересующего гена. Получают требуемые гены или химиче­ским, или ферментативным способом. Прямой химический синтез геиа можно провести, если известна последовательность в нем нуклеотидов. Успехи химии позволяют получить подобным способом ген практически любой длины. Во втором случае предварительно или выделяют в очищенном виде мРНК из тканей (так получены мРНК глобина, овальбумина, иммуноглобулинов и т. д,)^ или синтезируют химическим путем нужную мРНК. Далее МРНК используют как матрицу для ферментативного, синтеза комплементарной ДНК (кДНК) с помощью обратной транскрипции. Для этой цели использу­ется РНК-зависимая ДНК-полимераэа, или обратная транскрнптаза, Сначала с помощью обратной траскрнптаэы на мРНК образуется однонитевая кДНК, а затем с помощью ДНК-полимеразы достраивается вторая нить кДНК-

Получение гибридной ДНК. Вектором называется часть гибридной ДНК. обеспечивающая проникновение и репликацию ее в клетке-хозяине. В ка­честве вектора применяются плазмиды, умеренные фагн, вирусы. Гибридную ДНК получают путем разрезания молекулы вектора специальными фермен­тами (рестриктазамн) и соединения его с чужеродным геном с помощью ДНК-лнгазы, '


Перенос гибридной ДНК и клонирование генов. После получения гиб ридной ДНК ее вносят в среду, где находятся клетки-реципиенты. Наиболее частым объектом является кишечная палочка. Для улучшения проникнове­ния гибридной ДНК в клетки их обрабатывают различными способами (например, растворами СаС1г). Клетки, в которых начинается размножение генов, транскрибирование и транслирование, отбираются. Индикатором функ­ционирования пересаженного гена является соответствующий белок. Зна­чительная часть этих белков выделяется во внеклеточную среду, их легко можно получить, например, осадив клетки центрифугированием. Подобными методами была осуществлена пересадка многих генов, в том числе гена ин­сулина, соматотропина, овальбумина и др. Это открывает возможность про­мышленного получения белковых лекарственных препаратов генноинженерным методом.



ГЛАВА 24. РЕГУЛЯЦИЯ БИОСИНТЕЗА БЕЛКОВ

Белки определяют жизнедеятельность клетки. Поэтому клетка должна тонко регулировать не -синтез белков вообще, а необходимого в данный момент ассортимента белков.

Белки, которые синтезируются с постоянной скоростью, называются конститутивными, а синтезирующиеся с резко изменяющейся в зависимости от разных условий скоростью — адаптивными или индуцибельными. Консти­тутивные белки (в том числе и ферменты) содержатся в клетках примерно в постоянных количествах независимо от того, есть ли в них потребность. Количество молекул индуцибельных (адаптивных) белков варьирует в боль­ших пределах. Очевидно, что- синтез конститутивных белков не регулируется, а индуцибельных, напротив, подвержен тонкой регулировке.

Если регуляция на уровне фермента может изменять только функцио­нальные возможности еамого фермента (интенсивна по своей природе), то регуляция синтеза белков (переноса генетической информации) изменяет количество молекул данных белков (или ферментов) и является экстенсивной.

Стимуляция биосинтеза белков, сопровождающаяся увеличением их коли­чества, называется индукцией, а подавление синтеза белков — репрессией. Очевидно, в клетках имеются вещества, сигнализирующие о состоянии метаболизма внутри клетки или в организме. Это позволяет включать или выключать синтез белков. Такими веществами у прокариотов могут быть поступающие в клетку питательные вещества, метаболиты и некоторые внут­риклеточные регуляторы (типа циклических нуклеотидов). У многоклеточных, особенно сложноорганизованных, помимо автономных внутриклеточных ре­гуляторов значительное место занимают внеклеточные регуляторы синтеза белков, которые подчиняют деятельность генетического аппарата биосинтеза белков конкретной клетки ткани или органа задачам целого организма.



I. Регуляция биосинтеза белков у прокариотов

Впервые схема регуляции биосинтеза белков у микроорганизмов была предложена французскими учеными Жакобом и Моно в 1961 г. Она была разработана на примере работы лактозного оперона у кишечной палочки.

В принципе регулировать синтез белков можно, контролируя активность разных транскриптонов (оперонов) у бактерий. Механизм этой регуляции 320


г


 

 


О S| S> S-, г

II —

Ксщяилф DI'"0'

О Si S; S,

г " ;т

£

Hi) ' . Il

t „s

©00


 

 


V

Инлукгор PunpecLOp Нгзк-щцяь


 

 


6e.ua (по Жакобу и Моно)

выглядит следующим образом. В бактериях имеется группа белков, назы­ваемых репрессорами, которые контролируют транскрипцию ра-игых оперонов Участок ДНК, определяющий структуру репрессоров, назван ген-регулятором или цистрон-регулятором. Он может быть расположен не'рядом с промотором, а совсем в другом участке хромосомной ДНК бактерии.

Рис. 70 Регуля!.

Все репрессоры связываются с оператором оперона и блокируют трано- крииции определенных мРНК, а с ними и возможность синтеза соответ­ствующих белков. Способность связываться с оператором зависит от конфор- мации репрессора, которая может быть активной или неактивной Только в активной форме репрессор способен образовывать слабые связи с операто ■ 1—271 321
ром и блокировать синтез мРНК и белка, в неактивной форме он не может соединяться с оператором. Вещества, которые инактивируют репрессор, назы­ваются индукторами, а вещества, переводящие его из неактивного состоя­ния в активное, — корепрессорами. Следовательно, репрессор имеет участки связывания корепрессора н индуктора. Корепрессорами и индукторами яв­ляются питательные вещества, конечные продукты обмена и т. д., которые через репрессор сигнализируют о необходимости увеличить или ослабить синтез белков в клетке.

Механизм индукции рассмотрим на примере регуляции транскрипции лактозного оперона (рис. 70), который несет информацию о структуре трех ферментов (fJ-галактозидазы, p-галактозидпермеазы и р-галактозндацетила- зи), участвующих в превращении пякточы Лактоза, поступающая в клетки, является индуктором. Она связывается с репрессором лактозного оперона и переводит его в неактивную форму, не способную связываться с оператором. Благодаря этому репрессор, который при связывании с оператором частично закрывает примыкающий участок промотора, не мешает присоединению РНК- полимеразы к промотору, ' а следоватёльнб, и транскрипции. Рёпрессоры являются примером отрицательных регуляторов транскрипции и синтеза белка. Однако в отсутствие репрессора нужны положительные регуляторы, помогающие РНК-полнмеразе связаться с промотором и запустить транскрип­цию. Эту роль положительного регулятора лактозного оперона (и других оперонов, регулирующих катаболизм глюкозы) выполняет цАМФ. цАМФ связывается со специальным белком, называемым белком — активатором ка- таболитноео гена (сокращенно:БАК).. 'Комплекс цАМФ —БАК присоединяет­ся к промотору рядок" с местом'^сёязывзния' ЙНК-полимеразы и облёгчает ей начало транскрипции структурных .генов. Рибосомы тут же связываются с мРНК и синтезируют три ферментных белка, необходимых для катаболизма лактозы. К этому можно добавить, 'что индукция синтеза белка сопутству­ет любым ситуациям, при которых количество цАМФ в клетке будет повы­шаться.

Механизм репрессии. Расщепление ферментами лактозы снижает ее концент­рацию и приводит к образованию глюкозы. При распаде глюкозы образуется какой-то метаболит, который угнетает образование цАМФ из АТФ. Дефицит цАМФ снижает связывание БАК, что затрудняет присоединение РНК-полиме- разы с промотором. Полное исчерпание лактозы в среде снижает ее действие на репрессор. Он становится активным, связывается с оператором и блоки­рует-транскрипцию. Синтез белков останавливается (см. рис. 70).

Другие опероны отвечают не только на отрицательные (репрессоры), но и на положительные (типа цАМФ—БАК) регуляторы. Характерной особен­ностью бактерий является очень короткое время жизни мРНК (они быстро разрушаются), что дает возможность им быстро приспосабливать свой набор белков к резким изменениям внешней среды (условия питания, действие химических и физических факторов).

2. Регуляция синтеза белков у эукариотов

Механизм регуляции синтеза белка у эукариотов, особенно высших, менее изучен, чем у прокариотов. У высших животных и растений хроматин, ор­ганизованный в хромосомы,- устроен значительно сложнее, чем у бактерий.

К тому же локализация хроматина в ядре, окруженном ядерной мембраной, значительно усложняет процесс передачи генетической информации, транс­крибированной с определенных генов хромосом, в цитоплазму, где происходит синтез белка. Усложнена и обратная связь — влияние метаболитов и прочих химических регуляторов цитоплазмы на активность генов (что легко осуществ­ляется у бактерий). У высших эукариотов не найдено регуляторных белков типа репрессоров бактерий, которые сочетают в себе функции распозна­вателя химических сигналов метаболизма (специфически связывают свои метаболиты) и регулятора транскрипции оперонов.

Очевидно, в клетках высших организмов стало трудно сочетать эти обязанности, особенно при наличии барьера в виде ядерной мембраны, по­этому сформировались две группы специальных белков. Вероятно, по одну сторону барьера — в цитоплазме — формировалась группа специальных бел­ков, реагирующих на химические регуляторы и йесущих «сведения» об из­менениях метаболизма в ядро, а по другую сторону ядерной мембраны — в хромосомах ядра — регуляторы транскрипции генов. Это, видимо, привело •к разделение .функций регуляторных белков (а возможно, и других био­молекул). Одни из них выполняют функцию регуляторов транскрипции генов хроматина и.локализованы в ядре, а другие реагируют на изменения ме­таболизма в цитоплазме и несут «сведения» об этих изменениях в ядро, где взаимодействуют с белками—регуляторами транскрипции.

Регуляторы активности генов

Как известно, в , организации структуры хроматина принимает участие ДНК в комплексе с гистонами, негнстоновыми белками и небольшим коли­чеством РНК- Существует мнение, что хромосомные белки выполняют не только структурную функцию, но и регуляторную, облегчая или затрудняя транскрипцию' определенных генов хроматина с помощью ДНК-зависимой РНК-полимеразы.

Гистоны,,как оказалось, являются негативными регуляторами транскрип­ции (подобно репрессорам у бактерий). Они, имея положительный заряд, связываются с отрицательно заряженными фосфатами ДНК и блокируют транскрипцию, т. е. не дают использовать участки ДНК в качестве матрицы для копирования. Деблокировка транскрипции (или дерепрессия) возможна, если ослабляется связь гистонов с ДНК. Помогают ослабить ее молекулы, нейтрализующие положительный заряд гистонов при связывании с ними, и модификация гистонов, которая изменяет их заряд и конфигурацию. Модн, фикацня гистонов происходит путем ферментативного присоединения фосфат­ных (фосфорилированиё гистонов), ацетильных (ацетилирование гистонов) и метильных (метилирование гистонов) групп. При модификации • гистонов облегчается транскрипция и увеличивается ДНК-зависимый синтез РНК-

Очевидно, гистоны участвуют в регуляции транскриптонов хроматина, однако они не могут обеспечить специфичность регуляции генов, так как их число ограничивается всего пятью молекулами (трудно предположить, чтобы всего пять гистонов могли избирательно регулировать транскрипцию столь разнообразных генов). Видимо, регуляторные функции гистонов не- специфичны или специфичны для каких-то однотипных транскриптонов, например для рРНК и тРНК-


Негистоновые белки более разнообразны (насчитывается около 500— 600 фракций негистоновых белков), поэтому считается, что они играют роль специфических регуляторов транскрипции. Негистоновые белки, как правило, несущие отрицательный заряд, могут тем не менее связываться непосред­ственно с ДНК, причем не вообще с любыми ее участками, а специфически. Негистоновые белки являются позитивными регуляторами, так как облегчают транскрипцию в месте связывания с ДНК. Правда, еще неясен молекулярный механизм включения транскрипции негистоновыми белками. Особенно эф­фективно активируют транскрипцию фосфорилированные негистоновые белки Приобретая больший отрицательный заряд, они нли образуют комплекс с положительно заряженными гистонами, оттесняя их в данном участке от ДНК, или дестабилизируют молекулу ДНК, в^аимидейчвуя непосредственно с ней. В том и другом случае транскрипция облегчается

Третий тип регуляторов транскрипции — молекулы низкомолекулярной стабильной ядерной РНК (векторной РНК), которые находятся в ядре (не покидая его) в комплексе с белком (РНП). Такой рибонуклеопротеид вклю­чает избирательно гены путем комплементарного взаимодействия с акцептор­ными участками транскриптонов. Регуляторная функция этиХ молекул изу­чается.

Схема регуляции белкового синтеза

Регуляция синтеза белков у эукариотов может осуществляться на уровне транскрипции и трансляции. В первом случае проявляется избирательность действия разных регуляторов на отдельные гены, а с ним и специфика регу­ляции метаболизма клетки, который как раз определяется набором соответ­ствующих белков. Регуляция на уровне трансляции больше отражается на скорости синтеза отдельных белков в рибосомах, чем на их составе, ибо при трансляции лишь механически воспроизводится программа мРНК.

Механизм действия индукторов представляется следующим образом. Индукторы (например, гормоны) поступают в ядро и взаимодействуют с молекулами-регуляторами транскрипции или активируют их модификацию. Тем самым различные индукторы могут включать «свои» гены в разных участках хромосом путем инактивации репрессорного действия гистонов (за счет прямого связывания с ними или активирования ферментов, осуществ­ляющих их фосфорилирование, ацетилирование или метилирование) или модификации (например, с помощью фосфорилироваиия) негистоновых белков, или посредством взаимодействия с векторными РНП. Возможны и другие пока неизвестные механизмы, в частности прямое взаимодействие индуктора с участком ДНК. Любой из этих механизмов облегчает связывание РНК- полимеразы с промотором и образование РНКовых копий транскрнптона.

Интересно, "что при действии индукторов белкового синтеза, например гормонов, транскрипция генов рРНК и тРНК несколько опережает транскрип­цию с участков ДНК, содержащих информацию о структуре специфических белков. В этом имеется определенная целесообразность: сначала увеличи­вается мощность аппарата для сборки белка (тРНК, рРНК и рибосомы), а затем поступает мРНК для реализации синтеза белка.

После прекращения действия индуктора происходит отщепление моди­фицирующих групп от гистонов, и гистоны, вновь соединяясь с ДНК, прекра- 324 щают транскрипцию. Негистоновые белки претерпевают аналогичные измене­ния; они вновь связываются с хроматином, а часть их подвергается распаду и заменяется новыми молекулами, поступающими из цитоплазмы.

В отличие от прокариотов у эукариотов блокада транскрипции не озна­чает прекращения синтеза белка. У эукариотов более стабильны молекулы мРНК, которые у прокариотов быстро гидролизуются. Консервация мРНК у эукариотов дает возможность использовать ее в качестве матрицы для сборки белка в рибосомах и после того, как образование новых копий мРНК при транскрипции заблокировано.

Регуляция синтеза белка на уровне трансляции возможна путем дей­ствия регуляторов на белковые факторы, контролирующие в рибосомах инициацию, элошацию и терминами*»трансляции, и на. различные функцио­нальные участки рибосом.

Негенетическая регуляция количества белка в клетках

Количество белка зависит не только от скорости его синтеза в клетках, но и от скорости его распада, т. е. обновления. Есть белки, которые недолго суще­ствуют после синтеза. Например, полупериод жизни (т. е. время, за которое распадается половина данного вещества) синтетазы б-аминолевуленовой кис­лоты составляет около часа, лактатдегидрогеназы — около 16 дней, аль- долазы и гликогёнфосфорнлазы — около 50 дней, а эластин — гликопротеид соединительной ткани — образуется только эмбриональными фнбробластами и, очевидно, не обновляется.

Все вещества, которые повышают стабильность белков (кофакторы, - субстраты и др.), сохраняют продолжительность их жизни, что ведет к увели­чению, количества белка. Это явление увеличения количества белка за счет повышения стабильности его молекул или снижения распада получило назва­ние субстратной или негенётической индукции (хотя индукции как таковой здесь не наблюдается). Процесс регуляции количества белков в клетке играет большую роль, и его нужно учитывать при оценке действия природных ре­гуляторов и лекарств, которые могут больше влиять именно на фазу распада белков, чем на их синтез.

3. Нематричный синтез белка

Как уже говорилось, нематричный синтез белка неэкономичен и громоздок, поскольку для образования каждой новой пептидной связи требуется отдельный фермент. В клетках прокариотов имеются полиферментные систе­мы для синтеза коротких полипептидов, например грамицидина и некоторых других полипептидных антибиотиков. У эукариотов нематричный синтез опи­сан для дн- и трипептидов. Например, таким способом образуются дипеп- тиды — карнозин и ансерин, и трипептид глутатион, являющийся кофер­ментом ряда окислительных ферментов.

4. Препараты, влияющие на синтез белка Препараты, влияющие на синтез белка, широко используются в практике. Индукторы применяются с целью стимуляции синтеза белка в поврежденных

или ослабленных длительным бездействием (атрофичных) органах. Этот эффект индукторов облегчает восстановление функций клеток пораженного органа.

Ингибиторы синтеза белка применяются в противоположных целях: для подавления деления и роста клеток.

Препараты, усиливающие синтез белка. Препараты этой группы являются индукторами синтеза белка и относятся к так называемым анаболическим средствам. Анаболические средства бывают гормональные и негормональ­ные. Наиболее обширна группа препаратов гормональной природы. Среди них наиболее выраженной способностью к индукции синтеза белка (действуя на уровне транскрипции) обладают анаболические стероиды (метандростено- лон, феноболин и самый активный ретаболил), являющиеся производными мужских половых гормонов (андрогенов) и применяющиеся только с целью стимуляции синтеза белка в организме. Выраженной анаболической актив­ностью обладает инсулин, причем этот белковый гормон, очевидно, активи­рует синтез белка на уровне трансляции.

К не гормональным анаболическим средствам, получившим применение в практике, относятся предшественники нуклеотидов и нуклеиновых кислот. Например, оротат калия (оротовая кислота является ключевым соединением в биосинтезе пиримидиновых нуклеотидов), инозин (или гипоксзнтинрибо- зид). Механизм анаболического действия, очевидно, связан не только с ис­пользованием их как структурного материала для синтеза нуклеиновых кислот, но главным образом с тем, что они сами или ближайшие их продукты обмена служат индукторами синтеза белка. Возможно, таким образом дей­ствуют и другие промежуточные продукты обмена нуклеотидов и нуклеиновых кислот.

Ингибиторы синтеза белка — более обширная группа препаратов, исполь­зуемая при биохимических исследованиях и в практической медицине. Все ингибиторы синтеза белка можно разделить на ингибиторы: а) транс­крипции; б) процессинга и транспорта РНК," в) трансляции. Хотя некоторые препараты действуют на несколько этапов переноса генетической информации

Ингибиторы транскрипции п<? механизму делятся на три группы: ингибиторы ДНК-зависимых РНК-полимераз, блокирующие ДНК- матрицу и искажающие информацию синтезируемой РНК.

В качестве примера препаратов первой группы можно назвать: а-амани- тин (яд бледной поганки), избирательно ингибирующий РНК-полнмеразу Ш (ответственную за транскрипцию мРНК); антибиотики рифамицины, блоки­рующие ядрышковую РНК-полимеразу I (отвечает за транскрипцию рРНК) и обратную транскриптазу. а-Аманитин используется при биохимических иссле­дованиях, а рифамицины—как антибактериальные прелзраты'в медицин­ской практике.

Ко второй группе относятся вещества, связывающиеся нековалентно с матрицей ДНК и мешающие работе РНК-полимер азы. Например, актиноми- цин D (используется в биохимических исследованиях), а также антибиотики оливомицин, дактиномицин и растительные алкалоиды винбластин и вин- кристин, которые применяются в медицине как противоопухолевые препараты.

К третьей группе можно отнести, например, 5-фтороурацил, включающий­ся в мРНК вместо природного нуклеотида и приводящий в негодность синте­зируемую матрицу РНК-

Ингибиторы процессинга и транспорта мРНК- Потен­циальными ингибиторами синтеза белка на этом этапе могут быть ингибиторы внутриядерных РНКаз, РНК-лигаз, осуществляющих различные фазы созре­вания мРНК- Препятствует присоединению полиаденилового фрагмента к мРНК кордицепин (3-дезоксиаденозин), который можно назвать ингибитором транспорта мРНК, поскольку полнадениловый фрагмент облегчает транспорт ее из ядра в цитоплазму.

Ингибиторы трансляции (т. е. синтеза белка в рибосомах). В качестве примера можно назвать антибиотики, применяемые как антибак­териальные препараты.

Хлорамфеникол действует на бактериальные 70S рибосомы и рибосомы митохондрий и хлоропластов эукариотов (на 80S рибосомы он не влияет). Хлорамфеникол связывается с 50S субчастицей рибосом и блокирует пепти- дилтрансферазную реакцию, вызывая преждевременный обрыв синтезируемой полипептидной цепи.

Линкомицин близок к действию хлорамфеникол а на 80S рибосомы.

Эритромицин (и другие антибиотики макролиды) ингибирует транслока­цию пептидил-тРНК из участка А в П-участок 50S субъединнцы бактериаль­ных рибосом (т. е. блокирует третий шаг элонгации трансляции).

Тетрациклины более избирательно влияют на 70S, чем на 80S рибосомы. Блокируют связывание мРНК и аминоацил-тРНК с малой субчастицей рибо­сом, т. е. фазу инициации и элонгации' синтеза белка в рибосомах.

Стрептомицин влияет на 70S рибосомы бактерий и не оказывает действия на 80S рибосомы. Специфически связывается с белком малой субчастицы и нарушает правильное считывание мРНК. Синтез белка при этом прекращает­ся или образуется дефектный белок, не способный функционировать.

В лабораторных исследованиях применяется циклогексимид (актидион)к действующий исключительно на 80S рибосомы эукариотов. Он связывается с большей субчастицей рибосом и тормозит транслокацию. В высоких кон­центрациях блокирует РНК-полимеразу I, т. е. действует на транскрип­цию.

ГЛАВА 25. МОЛЕКУЛЯРНАЯ ПАТОЛОГИЯ

1. Нарушения переноса генетической информации

Изменения генетического кода. Изменения генетической программы ДНК клеток называются мутациями. Различают хромосомные мутации (изменение числа хромосом, хромосомные аберрации) и молекулярные, или генные, му­тации.

Существуют следующие варианты генных мутаций: !) транзиция, или замена пар оснований,

2) делеция, или выпадение одной пары или групп пар оснований (нуклео­тидов);

3) вставка одной пары или групп пар оснований (нуклеотидов),-

4) изменение местоположения отдельных участков ДНК- Генные мутации вызывают изменения генетического кода, нарушая порядок чередования ну­клеотидов в ДНК и функцию транскриптонов. Если изменения происходят в структурных генах, то может образоваться дефектный белок, не способный полностью или частично выполнять свою функцию в зависимости от того, как изменившийся порядок чередования аминокислот в полипептидной цепи отра­зится на трехмерной структуре белка. Мутации ,в структурных генах РНК могут привести к образованию дефектных тРНК и рРНК, что скажется на осуществляемых ими функциях (узнавании и транспорте соответствующих аминокислот и сборке рибосом).

Мутация 2 промоторе нарушают связывание РНК-полимеразы. что б конечном счете приводит или к недостаточному образованию нормального белка, или к полному прекращению его синтеза. Мутации в акцепторной зоне (операторе у прокариотов) приводят к переходу от регулируемого синтеза индуцируемого белка к нерегулируемому, т. е. конститутивному.

Мутации бывают спонтанными и вызванными различными факторами. Спонтанные ошибки очень редки. При репликации они-составляют оцин оши­бочный нуклеотид на 10~fi—10~9 нуклеотидов, при транскрипции — на Ю-— 10~6 и при трансляции — на Ю-4 нуклеотидов. Факторы, вызывающие мута­ции, называются мутагенами. Бывают природные мутагены, повышающие частоту спонтанных мутаций, и чужеродные. К природным относятся пероксидные соединения, альдегиды, свободные радикалы и т. д. К чуже­родным мутагенам относятся как химические вещества (алкилирую- щие соединения, азотистая кислота, гицроксиламин, окислители и многие другие), так и физические (ионизирующие излучения) и биологические фак­торы (например, вирусы способствуют образованию в клетке энзимов, повреж­дающих ее ДНК).

Генетические нарушения и окружающая среда. Мутагены окружающей среды чрезвычайно многочисленны, что приводит к постоянному накоплению в последующих поколениях наследственных болезней. Высокой мутагенной активностью обладает радиоактивное излучение. Фоновая радиация среды постоянно повышается, за последние 30 лет она возросла на 10%, что увели­чило частоту мутаций у людей. В мире рождается до 15 000 детей с генети­ческими дефектами только из-за испытаний ядерного оружия в атмосфере. Поэтому борьба за запрещение ядерного оружия является борьбой за здо­ровье будущих поколений.

Загрязнение окружающей среды различными химическими отходами про­мышленных предприятий, химическими средствами защиты растений (приме­няемыми в сельском хозяйстве) отрицательно сказывается на генетической программе всех живых организмов. В настоящее время пересматривается безвредность пищевых добавок. Некоторые пищевые добавки' (консерванты, вкусовые вещества и т. д.) оказались мутагенами, поэтому проходят подроб­ное испытание на мутагенную активность.

Многие лекарственные средства могут обладать выраженной мутагенной активностью и поэтому должны быть «просеяны» через сито предварительных генетических испытаний. Попытки использовать препараты без обстоятельной проверки на мутагенную активность обернулись в ряде капиталистических стран подлинной катастрофой. Особенно опасно применение химических ле­карственных веществ в период беременности, поскольку, проникая через пла­центу, они могут вызвать пороки эмбрионального развития, уродства (подоб­ное действие препаратов называется тератогенным, т. е. способным вызвать уродства).

Для предотвращения отрицательного мутагенного влияния препаратов в СССР организованы в государственных масштабах всесторонние испытания лекарственных веществ на тератогенную активность и ограничены показания к назначению лекарств в период беременности. Накопленный материал сви­детельствует о том, что многие снотворные, наркотические и успокаивающие средства в лечебных дозах не обладают мутагенным влиянием на клетки плода. Не предатавляют опасности антибиотики, сульфаниламиды, витамин­ные препараты в терапевтических дозах. Возможен риск проньленин гемато­генного действия у противоопухолевых препаратов, частично у кортикостерои- дов и антигистаминных средств. Всесторонняя работа по охране генетической программы человека станет одним из обязательных условий дальнейшего социального прогресса.

2. Молекулярная патология

Понятие «молекулярная патология» или «молекулярные болезни» было вве­дено в 1949 г. Полингом. Появление его было связано с успехами молеку­лярной генетики, в частности с раскрытием тайны причин заболевания, назы­ваемого серповидноклеточной анемией. Под молекулярными болезнями приня­то понимать заболевания, основной причиной которых является генетически , обусловленное нарушение функции белков. Иными словами, молекулярная болезнь развивается вследствие образования или дефектного белка (пол­ностью или частично утратившего свои функции), или-явно недостаточного количества нормального белка, не способного из-за этого выполнять в полном объеме свои функции в организме. Молекулярные болезни по существу можно назвать протеинопатаями, т. е. «болезнями» специфических белков.

Протеинопатии можно разделить на две большие группы: ферментные (фермёнтопатии, или энзимопатии) и неферментные. Первая группа связана с дефектами ферментных белков, приводящими к нарушению определенного звена метаболизма, а вторая — с дефектами неферментных белков, выполняю­щих прочие функции, например транспортную, рецепторную, иммунологиче­скую и т. д. Это приводит к нарушению конкретных процессов, зависящих от данного неферментного белка. Возможна и смешанная протеинопатия, если поврежденный белок совмещает каталитические и какие-либо другие функции.

Внешние проявления, так называемые манифестные признаки, протеино- патий зависят прежде всего от степени нарушения функциональных способ­ностей данного белка и значимости выполняемых им функций для жизнедея­тельности клеток организма. Цепь вторичных проявлений нарушенных функ­ций белка дезорганизует метаболизм клеток, тканей и органов, что приводит к формированию болезненного состояния организма в целом с присущими данной болезни симптомами (схема 5).

Схем a S, Развитие молекулярных болезней

 

Понятие о фериентопатиях, или «врожденных» нарушениях обмена ве­ществ, упоминалось еще в 1909 г. Гарродом. Важнейшим признаком фермен- топатий является блокированиецепи и превращений веществ, вызванное недоста­точностью фермента. Например, в клетке происходит цепь превращений суб­стратов (из А в D), катализируемых ферментами (Е,, Е2, Е3):

Недостаточность, например, Е2 блокирует эту цепь превращений, что приводит к метаболической ситуации, когда содержание веществ до блока повышается, а после него уменьшается (или они вообще не образуются):

е2

блок

Болезнь развивается только в следующих случаях.

1. Если накопившееся вследствие блокады фермента вещество В токсично для клеток или накопление его столь велико, что оно занимает значи­тельную часть внутриклеточного пространства и является как бы механиче-

Фенилаланин им > Тирозип > 3,4-Дигидрокснфенилалашш

' t еЬ:

Фенплпируват Гидроксифеиилпируввт Меланин

/ ^1... Фенпдлактат Фенила цетат

Алкаптон

Гомогкнтнзиновая

кисиота

Фу ые рилаце»оу к сусная

со2 + Н20

Рис. 71. Схема генетических нарушений обмена фенилаланина и тирозина

в тканях организма' /—фенил него иурня (дефект феиилаланянгидроксилазы); Ч — альбинизм (де­фект тнроэинаэы), iii — тирозинения (дефект п-гидроксифенилпируватоксндаэы);

iv — алкаптонурня (дефект гомогеитнэннатоксидааы)

ской помехой для осуществления специфических функций клеток. Подобное избыточное накопление (болезни накопления) возможно только для макромо­лекул, не способных покинуть клетку путем диффузии.

2. Если вещества (С и D), которые не могут образоваться из-за блокады фермента, жизненно важны для клеткй и не могут синтезироваться другим (окольным) путем.

Во всех остальных ситуациях — когда накапливающиеся метаболиты не­токсичны или дефицит веществ, возникающий в результате блокады химиче­ских превращений, может быть восполнен или заменен, ферментопатия не приводит к развитию молекулярной болезни'. Она протекает бессимптомно и обнаруживается при обследовании случайно.

Рассмотрим некоторые примеры молекулярных болезней, связанных с дефектами конкретных ферментов.

Ферментопатин аминокислотного обмена

Нарушения обмена фенилаланина и тирозина. Наиболее часто встречается четыре вида молекулярных болезней, связанных с обменом фенилаланина и тирозина. Причиной их являются блоки на разных этапах обмена этих амино­кислот (рнс. 71).


Фенилкетонурия, или фенилпировиноградная олигофрения (рис. 71, /),— молекулярная болезнь, связанная с дефектом фенилаланингидрок- с и л а з ы. При этом заболевании наблюдается блокада превращения фенил­аланина в тирозин. Вследствие этого накапливаются фенилаланин и продукты его превращений — фенилпнруват, фениллактат и фенилацетат. Повышается содержание этих веществ в крови и выделение их с мочой. Обычно заболева­ние выявляют по повышению фенилаланина в крови и фенилпировиноградной кислоты в моче.

Предполагают, что фенилпировиноградная кислота или сама является токсическим соединением для клеток мозга, или, накапливаясь, действует на обмен других важных для деятельности нервной системы веществ (например, серотонина, содержание которого снижается). В результате у детей с этой ферментопатией развивается тяжелое отставание умственного развития (сла­боумие), приступы cyAQpor.

Альбинизм (рис. 71, //) — молекулярная болезнь, связанная с дефектом тирозиназы. При этой ферментопати'и нарушено превращение диокси- фенилаланина (ДОФА) в ДОФА-хинон и далее в меланин (пигмент черного цвета). Меланин находиich в коже, волосах, радужке и пигментном эпителии сетчатки глаза и определяет их окраску. Характерными признаками этого заболевания являются слабая пигментация кожи, светлые волосы, краснова­тый цвет радужки глаз (из-за просвечивающих капилляров). Серьезных нару­шений это состояние не вызывает. Лишь приходится избегать прямого солнеч­ного света.

Тирозинемия (рис. 71, III) — ферментопатия, связанная с дефектом п-г идроксифенилпируватоксндазы. При этом заболевании не образуется гомогентизиновая кислота из предшественников, вследствие чего содержание тирозина и n-гидроксифенилпировиноградной кислоты в крови и выделение их с мочой повышается. У детей, больных тирозинемией," наблюда­ется отставание в развитии.

Алкаптонурия (рис. 71, /V) — ферментопатия, связанная с дефектом гомогентизинатоксндазы. При этой болезни нарушено окисление гомогентизиновой кислоты в тканях, вследствие чего содержание ее в жид­костях организма и выделение с мочой повышается. В присутствии кислорода гомогентизиновая кислота полимеризуется с образованием черного пигмента — алкаптона. Поэтому моча таких больных тут же на воздухе темнеет (у детей пеленки окрашиваются в черный цвет). Алкаптон может образоваться и в биологических жидкостях, оседая в тканях, коже, сухожилиях, хрящах носа, ушей и суставов. При значительных отложениях пигмента в суставах наблю­даются нарушения их подвижности.

Гомоцистинурия — ферментопатия, связанная с недостатком ци ста­тно н и н-Р-с и н т а з ы, что препятствует превращению гомоцистеина в цис- татионнн. Гомоцистеин накапливается в тканях, в крови и выделяется с мочой в повышенных количествах. У детей при этом заболевании наблюдаются за­держка умственного развития, периодические судороги.

Гистидинемия — заболевание, связанниое с дефектом гистидазы, катализирующей окислительное дезаминироваиие гистидина. Наблюдается выраженное повышение содержания гистидина в крови и частично в моче. При этой молекулярной болезни наблюдается поражение функций централь­ной нервной системы (судорожные явления, шатающаяся походка).

Кетонуряя разветвленных аминокислот, или болезнь «моча с запахом кленового сиропа», является следствием недостаточности декарбокси- лазы кетопроизводных разветвленных аминокислот, т. е. валина, лейцина и изолейцина:

валин | аиииотрен«ф«ра.ш а-КСТОКНСЛОТЫ двхзрбохсилаэы ПрОНЗВОДНЫе

.пейцнн I-------------------- *- разветвленных »- кетокислот,

изолейшш f аминокислот 1&лок ! связанные с КоА-®'

332 ' '-- 1


В результате нарушения окислительного декарбоксилирования происхо­дит повышение содержания в крови разветвленных аминокислот и их кетопро- изводных, а также выделение их с мочой. Моча таких больных имеет харак­терный запах кленового сиропа. Клинически у такйх детей наблюдается рвота, периодические судороги, слепота, мышечная ригидность..

Таблица 28. Классификация заболеваний, вызванных нарушениями в обмене гликогена (по Е. J1. Розенфельд)


 

 


Увеличение печени (гепатоме- галия); отставание в росте, развитии: гипогликемия, сопро­вождающаяся судорогами; ги­пергликемия, к его нем ия и ке- тоиурия

'Увеличение сердца (кардиоме

но нарастающей сердечно легочной недостаточяостью.1 Смертельный исход наступает в детском возрасте Клинические признаки сходны с болезнью Гирке (особенно при печеночной форме), но ме­нее выряжены

Печень, се- шцы, яерв- лейкоциты Печень, мы- лейкоциты Печень, ми­лей коциты
Генералнзо- щечная Печеноч на я, генерал hso-

Гепатомегалня и спленомега- лия, нарастающая печеночная


 

 


Прогрессирующая м иопати я и болезненные судороги мышц еле физических упражнений фоне быстрой общей утом- емости (вследствие парушен- й мобилизации гликогена

I1UU)

Гепатоыегалия с умеренной ги-' погликемией, кетои^мней и аин-

Мыщечная слабость, особенно рн повышенных мышечных агрузках Болевые ощущения в мышцах при физической нагрузке (на­поминает клияичеснуад картину болезни Мак-Ардля) Клиническая картина сходна с болезнью Хере а Гепатомегалия (но без призна

(«яетяящий фермент») Фосфорила-
Печеночиая, Печеночная, Мышечная Печеиочиля Печеночная.
Киназа фос­фор ил азы В Протеинкн-
Печень, ыы-

Гипогликемия с судорогами, жемия, рвота, нарушение умственного развития


Ферментопатии углеводного обмена

Глнкогенозы. Довольно часто встречаются ферментопатии, связанные с нару­шением обмена гликогена, что выражается или в накоплении гликогена в органах (болезни накопления), или в его отсутствии. Ферментопатии, вызы­вающие накопление гликогена, называются гликогенозами, а препятствующие его депонированию — агликогеноэами. В зависимости от места преимуще­ственного отложения гликогена существует три формы болезни: печеночная, мышечная и генерализованная (т. е. гликоген накапливается почти во всех органах). Вследствие накопления гликогена происходит «механическое» нару­шение функций данных тканей и органов и развивается гипогликемия в тех

ний, связанных с нарушением обмена гликогена, и их краткая характеристика приведены в табл. 28.

Галактоземии — молекулярная болезнь, вызванная дефектом галактозо- 1-фосфат-уридилтрансферазы. Это приводит к накоплению галактозо-1-фос- фата, в норме быстро превращающегося в уридиндифосфатгалактозу и далее по путям превращения глюкозы. Галактозо-1-фосфат токсичен для организма. Поскольку галактоза, входящая в лактозу, потребляется в больших количе­ствах ребенком с молоком матери, то при наличии ферментопатии у него быстро накапливается токсическое производное галактозы. Ребенок теряет в весе, замедляется его умственное и физическое развитие, увеличивается печень, развивается помутнение хрусталика глаза. Если не приостановить кормление молоком, то дети обычно погибают. У таких больных необходимо исключить из пищи галактозу.

Ферментопатии липидного обмена

Заболевания, вызванные нарушениями липидного обмена, принято называть липидозами. Большинство липидозов являются ферментопатиями, имеющими генетическую природу. Большинство липидозов проявляются в виде болезней накопления, т. е. в клетках или жидких средах организма обнаруживается ненормально большое количество липидов, связанных с дефектом ферментов, расщепляющих соответствующие липиды (табл. 29).

Прочие ферментопатии

Фактически могут быть дефекты любого фермента, хотя не всегда они прояв­ляются клинически. Например, акаталазия — болезнь, связанная с недоста­точностью каталазы во всех тканях, у одних протекает тяжело (с язвами на слизистых), у других мало проявляется (очевидно, у них разложение перок­сида водорода компенсируется другими ферментами).

Многочисленные молекулярные болезни, например, наблюдаются при де­фектах белков системы свертывания крови, которые являются протеиназами. При генетическом дефекте их наблюдается нарушение свертывания крови

Неферментные протеи но пат и и

Гемоглобинопатии являются классическим примером неферментных протеино- патий, связанных с генетическим дефектом субъединиц гемоглобина. Среди

Таблица 29. Примеры заболеваний, вызванных ферментопатия ми липидного обмена
Название болезни Дефектный фермент Нарушение обмена липидов Клинические признаки
Болезнь Вольмаиа Кислая триацилгли- _ Накопление трнацилгли- Ге п атосп л еноме г а л и я,
  церннлипаза "" цериядв; , холестерина в ксартоматоз (отложе-
    клетках-внутренних орга-  
      виде белых пятен)
Болезнь Ниман— Пи­ Сфингомиелиназа Накопленне сфннгомиелн- Прогрессирующее от­
ка (сфингомиединоз)   на в клетках ретикуло- ставание в умственном
    эидотелнальной системы, н физическом разви­
      тии. Постепенная поте­
    го мозга и других внут- ря слуха, зрения н т.л
    оеиних органов  
Болезнь Гоше (це- Кислая fj-глюкозида- Накопление глнколипидов Примерно та же кар
реб роз н д л нп он доз) за (глюкоцероброзн- (глюкоцереброзидов) в
  даза) клетках ретнкуло-эидоте-  
    лиальной системы  
Болезнь Тея — Сакса Гексоамияндаза А Накопление так называе­ То же
(GMj-ганглиоз идо з,   мого GMj-ганглиознда в  
I тип)   (в 100—300 раз в сравне-  
    нии с нормой)  
Болезнь Краббе (гло­ [5-Галактозидаэа (це- Церамидгалактозид  
боид ная лейкодистро- р а м н д гал акт оз идаз а)    
фи,}      

 

них довольно широко распространено заболевание, названное серповидно- клеточной анемией. При этой болезни гемоглобин (HbS) отличается от нор­мального гемоглобина НЬА тем, что в HbS место глутаминовой кислоты (ше­стая аминокислота с N-конца в полипептидной цепи 0-субъединицы) занимает «алии. а-Субъединицы у HbS по составу те же, что и у НЬА. Следовательно, в структурном гене, кодирующем р-субъединицу гемоглобина, у больных сер- повидноклеточной анемией происходит мутация в шестом кодогене, выражаю­щаяся в замене Т на А (т. е. транзиция):

Норма Се р nos идиохлеточ в ая

6-й кодоген ДНК — ЦТТ— —ЦАТ—

6-й *кодон мРНК —ГАА— —ГУА—

Оконца Глутаминовая Валнн

Подобная замена в полипептидной цепи сказывается на физико-химических свойствах гемоглобина. Валнн (неполярная аминокислота) придает меньшую растворимость дезоксигемоглобину, поэтому он образует крнсталлоподобиые структуры. Эритроциты при этом принимают форму серпа (отсюда и название болезни), становятся хрупкими, не способными выполнять функции по транс­порту кислорода. Распад эритроцитов приводит к анемии (малокровию); ка­пилляры, где оксигемоглобин отдает кислород, могут закупориваться эритро­цитами, что ведет к омертвению участков тканей. Это заболевание можетпри- вести к неблагоприятному исходу.

Транспортные протеинопатии, связанные с дефектами белков, участвую- ших в транспорте веществ через мембрану, сопровождаются потерей клетками и организмом в целом данных веществ. Например, встречаются следующие наследственные заболевания.

Аминоацидурия — дефект белков одной из транспортных систем амино­кислот в почках, где происходит их реабсорбция, сопровождается потерей их с мочой в 3—5 раз больше нормы.

Цистинурия — дефект белка, транспортирующего цистин, приводит к повышенному выделению с мочой преимущественно цистина и образованию цистиновых камней в почках.

Фруктозурия, глюкозурия и пентозурия, связанные с дефектом соответ­ствующих мембранных транспортных белков в почках, сопровождаются поте­рей соответствующих моносахаридов (фруктозы, глюкозы или пентоз). Иногда эти протеинопатии называют почечным диабетом.

Возможны дефекты транспортных белков крови, и следствием этих дефек­тов является нарушение переноса соответствующих веществ (липидов, гор­монов, витаминов и т. д.).

Врожденные дефекты образования антител, называемые агаммаглобули- немиямн, сопровождаются нарушением защитных реакций организма, связан­ных с недостатком антител.

3. Принципы лечения и профилактики молекулярных болезней По подсчетам специалистов ежегодно на земном шаре рождается около 16 млн. детей с наследственными дефектами. Многие из этих болезней проте­кают тяжело и заканчиваются смертельным исходом. Их лечение основывает­ся на следующих принципах.

1. Частичное или полное исключение из пищи субстрата блокированной ферментной реакции. Подобный способ применяется, например, при лечении феинлкетонурии (бедная фенилаланином диета), галактоземии (исключение пищевой галактозы).

2. Обогащение пищи веществами, отсутствующими при нарушении соб­ственного обмена. Например, при оротатацидурии нарушается синтез орото- вой кислоты — предшественника пиримидиков, что ведет к тяжелой мегалоб- ластической анемии. Обогащение пищи цитидиловой кислотой при этом забо­левании позволяет обойти блок в обмене веществ и смягчить симптомы забо­левания.

3. Обогащение организма кофакторами при дефекте апофермеита слож­ного* фермента. Этот способ применяется при врожденных нарушениях обмена витаминов. При дефекте апофермеита с ним хуже связывается кофермент н наблюдается недостаточность активного холофермента.. Преодолеть это со­стояние можно в ряде случаев введением значительных доз витаминов и ко­ферментов.

4. Связывание и выведение из организма накапливающихся токсических продуктов метаболизма. Например, связывание накапливающейся в тканях меди при болезни Вильсона—Коновалова (дефект медьпереносящего 'белка — церрулоплазмина) и выведение ее нз организма .(путем введения пеницилл' амина).

5. Частичное «исправление» патологических белков путем их модифика­ции. Например, введение веществ (цианата натрия или калия, ацетилсалици­ловой кислоты, цистеамина), вызывающих модификацию валина в HbS у больных- серповидноклеточной анемией, уменьшает осаждаемость -гемогло­бина в эритроцитах и продлевает срок их службы.

6. Диетическое «исправление» дефекта обмена веществ. Эта пищевая коррекция\нарушенного обмена применяется при дефектах, связанных с нару­шениями водно-солевого, кислотно-щелочного баланса, когда можно приме­нять соответствующие солевые растворы или вещества, нормализующие кис­лотно-щелочной баланс.

7. Заместительное введение фермента, недостающего в организме. В принципе этот способ лечения применим для любой ферментопатии, хоти существуют трудности с получением очищенных ферментов и, главное, с мето­дом введения их в организм. Сейчас разрабатываются специальные лекар­ственные формы—липосомы, в которые помещают фермент. Фермент захва­тывается тканями путем эндоцитоза. Можно также использовать трансплан­тацию тканей в качестве источника дефицитных ферментов.

8. Исключение внешних факторов, провоцирующих проявление молеку­лярной болезни. Многие лекарственные препараты усугубляют течение фер- ментопатий, поэтому применение их исключают при соответствующем заболе-

9. Использование генной инженерии, т. е. лечение путем пересадки нор­мального гена. Принцип подобного лечения в эксперименте разработан. Была сделана попытка использования этого метода в клинике при лечении больных Р-талассемией (дефект синтеза (J-субъединиц гемоглобина). Им был переса­жен в клетки костного мозга ген, несущий информацию о структуре Р-цепи гемоглобина. Метод очень перспективен, но неясны результаты «поведения» пересаженных генов и векторов в клетках человека.

Профилактика молекулярных болезней зависит и от социальных меро­приятий: охраны окружающей среды от загрязнений, прекращения использо­вания отравляющих химических веществ, испытаний и применения радиаци­онного оружия, выполнения правил техники безопасности при работе с источ­никами ионизирующего излучения, запрещения применения пищевых и лекар­ственных мутагенов и т. д.

Д. РЕГУЛЯЦИЯ И АДАПТАЦИЯ ОБМЕНА ВЕЩЕСТВ

В процессе жизнедеятельности клеткам приходится непрерывно приспосабли­вать свой обмен веществ к условиям внешней среды. Для управления обме­ном веществ существуют вещества-регуляторы, которые должны отвечать по крайней мере двум требованиям; служить неким индикатором изменений в обмене веществ и в то же время включать имеющиеся в клетках механизмы, регулирующие скорость и направление химических превращений. Как извест­но, скорость и направление биохимических процессов определяются фермера­ми клетки. Поэтому регуляторы могут направить в нужное русло биохимиче­ские процессы, влияя'на активность и количество ферментов, принадлежащих к разным путям обмена и находящихся в разных частях клетки. Отсюда ста­новится понятным одно из важнейших качеств регуляторов: действуя в малых количествах, вызывать существенные сдвиги в метаболизме клеток.

В зависимости от продолжительности эффекта, произведенного регулято­ром на метаболизм, различают срочную и долговременную регуляции, в осно­ве которых лежат совершенно разные механизмы. Срочная регуля­ция производит почти мгновенные изменения в обмене веществ. Механизм ее состоит е действии регулятора на транспорт веществ через мембраны (на транспортные системы мембран) и активность ферментов. Активность фермен­тов изменяется после воздействия регуляторов на их аллостерические или активные центры. Долговременная регуляция характеризуется длительными, устойчнзыми изменениями в обмене веществ и связана с влия­нием ре1улитира на количество ферментов в клетке.

В зависимости от места действия регуляторы можно условно разделить на две большие группы: внутриклеточные и внеклеточные.

Внутриклеточные регуляторы образуются в клетке и влияют на актив­ность и количество ферментов. У одноклеточных они образуются в ответ на изменения химического состава внешней среды или на поступление внутрь клетки, например, питательных веществ. У многоклеточных метаболизм от­дельных клеток не автономен, а подчинен задачам целого организма. Поэтому в ходе эволюции у многоклеточных сформировалась целая группа внеклеточ­ных регуляторов и регуляторных систем, которые координируют обмен ве­ществ в разных тканях и органах целого организма. Развитие системы вне­клеточных регуляторов повлекло за собой формирование воспринимающего их аппарата в рабочих (эффекторных) клетках. С этой целью в эффекторных клетках потребовались специальные белки-рецепторы (своеобразные биологи­ческие «антенны» для приема внеклеточных регуляторов). Часть рецепторов была «вынесена» на внешнюю поверхность клеточной мембраны, чтобы раз­личать регуляторы, не способные проникнуть сквозь нее. Другая часть рецеп­торов локализована в цитоплазме, где они взаимодействуют с проникающими внутрь клеток внешними регуляторами.

К внутриклеточным регуляторам можно отнести:

1) питательные вещества и метаболиты;

2) витамины и образующиеся из них коферменты;

3) группу внутриклеточных посредников — циклические нуклеотиды (цАМФ, цГМФ и, возможно, другие), ионы Са2+ и олигонуклеотиды, напри­мер 2', 5'-олиго-(А).

У млекопитающих питательные вещества и метаболиты служат регуля­торами главным образом активности ферментов. Генетическая регуляция ими количества ферментов строго не доказана.

Витамины являются смешанными регуляторами, они регулируют актив­ность ферментов (как компоненты активного центра), а часть из них, особен­но жирорастворимые витамины, действуют подобно внеклеточным регулято­рам активности и количества ферментов.

Группа внутриклеточных посредников, как правило, не имеет самостоя­тельного значения. Их «запуск» осуществляется внеклеточными регуляторами

Внеклеточные регуляторы отличаются местом образования и биологиче­скими свойствами. В организме человека и животных различают: гумораль­ную, эндокринную и нервную системы регуляции.

• Гуморальная система регуляции характеризуется тем, что химические вещества-регуляторы образуются во внеклеточных жидкостях, действуя на клетки в месте своего образования, и, как правило, недолго. Эволюииоино это наиболее древние внеклеточные регуляторы многоклеточных. Для их обра­зования используется простейший способ: отщепление от неактивной молеку­лы активного фрагмента-регулятора с помощью гидролитического фермента. Примером таких гуморальных регуляторов могут служить кинины (биологи­ческие активные полипептиды, образующиеся в результате гидролиза белков крови).

Эндокринная система регуляции отличается от гуморальной тем, что ее химические регуляторы образуются в специальных (эндокринных) клетках и органах и уже после этого достигают эффекторных клеток гуморальным путем (т. е. через биологические жидкости).

Для нервной регуляции характерен кабельный (электрический) способ передачи информации к эффекторным клеткам, действие на обмен и функцию которых происходит посредством медиаторов. Нервная регуляция отличается максимальной быстротой и целенаправленностью действующего сигнала. В организме нервная и эндокринная регуляции тесно связаны, поэтому их рассматривают как единую нейроэндокринную регуляцию.

ГЛАВА 26. ВИТАМИНЫ

1. Введение в витаминологию

Открытие витаминов было связано с изучением роли пищевых веществ в жиз­недеятельности организма. В 1880 г. русский ученый Н.И.Лунин впервые до­казал, что помимо известных составных частей пищи: белков, жиров, углево­дов, воды и минеральных веществ — нужны какие-то дополнительные факто­ры, без которых организм не может нормально существовать. По предложе­нию польского исследователя К. Функа, проводившего опыты по выделению нз рисовых отрубей активного начала (1911 —1912), эти дополнительные факто­ры пищи, были названы витаминами (в дословном переводе «амины жизни»), поскольку выделенное им из рисовых отрубей вещество содержало аминогруп­пу. С тех пор термин витамины укоренился в науке, хотя в химической струк­туре многих из них отсутствует аминогруппа и вообще азот.

Витамины — это необходимые для нормальной жизнедеятельности низко­молекулярные органические соединения, синтез которых у организмов данно­го вида отсутствует или ограничен.

Существует условное деление витаминных веществ на собственно витами­ны и витаминоподобные соединения. Последние похожи по биологическим свойствам на витамины, но требуются обычно в ббльших количествах. Следует напомнить, что не для любого организма одно и то же соединение служит витамином. Например, аскорбиновая кислота является для человека и мор­ской свинки витамином, поскольку не синтезируется у них, а для крыс, кроли­ков, собак она не является витамином, так Как она синтезируется у них в тканях.


Источником витаминов у человека служат пища и кишечные бактерии. Последние сами синтезируют многие витамины и являются важным источни­ком их поступления в организм.

В отличие от других пищевых веществ витамины участвуют в образова­нии коферментов, без которых невозможна нормальная функция соответству­ющих ферментов, или служат регуляторами биохимических процессов.

Классификация витаминов. По физико-химическим свойствам витамины делятся на две группы: жирорастворимые и водорастворимые. Для обозначе­ния каждого из этих двух групп витаминов существует буквенное обозначе­ние, химическое и физиологическое название (см. табл. 30). Отдельные вита­мины представляют собой группу близких по химической структуре соедине-

 

Таблица 30. Классификация витаминов и их производных

    Химические формы  
биологически не- биологически активные
производные j коферменты
А D Е К Ретинол Кальциферолы Токоферолы Нафтохиноны I.Жирораст ретиннлпальми- Эргокальцифе- рол (Dj), холе- кальциферол (D,) воримые витамины Ретинол, ретн- наль, ретнное- ' вая кислота 1,25-Дигид рок- си кальциферол а, ft, у, 6-Токо­феролы, TOKO- триенолы и их эфнры Филохииои (К,), менахинон (К,) Лнтиксеро- фтальмнческиЯ Антирахитиче- Антн стериль­ней Ант и геморра­гический

II. Витамяноподобиые жирорастворимые вещества

 

Убихинон (KoQ), убихи- нол (KoQ • Hj)


mylektsii.ru - Мои Лекции - 2015-2019 год. (0.036 сек.)Все материалы представленные на сайте исключительно с целью ознакомления читателями и не преследуют коммерческих целей или нарушение авторских прав Пожаловаться на материал