Центральный постулат генетики (Уотсон и Крик): ДНКРНКбелок. В 70-е годы был обнаружен фермент - ревертаза (обратная транскриптаза), который позволяет по иРНК синтезировать участок ДНК (РНКДНК). Этот процесс называется обратной транскрипцией.

Трансляция (биосинтез белка)

Трансляция - перевод генетического текста иРНК в последовательность АК в белке.

Необходимый комплекс факторов:

1. строительный материал (20 АК);

2. молекулы тРНК (61 вид тРНК). 61 кодону соответствует 20 АК. 1 тРНК распознает более 1 кодона;

3. ферменты: аминоацил-тРНК-синтетаза - обеспечивают узнавание и связывание АК со своей тРНК (20);

4. молекула мРНК. У эукариот иРНК имеет так называемый 'кэп' (от англ. - кепка, шапка) в области 5^'-конца. Кэп представлен метил-ГТФ, необходимой для узнавания иРНК рибосомой и участвует в трансляции;

5. рибосомы, как место синтеза белка. Каждая рибосома состоит из малой и большой субъединиц. У прокариот они более мелкие - 70S: малая субъединица - 30S, большая - 50S. (S- скорость осаждения). У эукариот- 80S: малая - 40S, большая- 60S. Рибосома содержит рРНК, а также около 80 различных белков, в том числе и ферментов.

6. энергия АТФ и ГТФ;

7. ионы Мg^2+, необходимые для активации ферментов;

8. белковые факторы трансляции - специфические белки различных этапов трансляции.

Этапы трансляции:

1. рекогниция - "распознавание";

2. инициация - "начало";

3. эллонгация - "продолжение, удлинение";

4. терминация - "прекращение";

5. процессинг - "созревание".

1. Рекогниция. Происходит связывание АК со своей тРНК:

АК+тРНК(над стрелкой - аминоацил-тРНК-синтетаза, АТФ) аминоацил-тРНК +АМФ+2Ф_н

Количество этих реакций зависит от количества АК.

2. Инициация. Состоит из 7 фаз:

а) подготовка рибосомы к трансляции. Рибосома (30S) взаимодействует с фактором инициации 3 (ФИ-3), в результате разделяется на малую и большую субъединицы. Малая субъединица находится в комплексе с ФИ-3;

б) подготовка РНК-матрицы к трансляции. мРНК эукариот в области 5'-конца имеет особую структуру - КЭП, представленную метил-ГТФ. В этой фазе происходит присоединение к КЭПу КЭП-связываемых белков. Они обозначают на мРНК место прикрепления рибосомы;

в) подготовка инициаторной аминоацил-тРНК. Кодон, с которого начинается считывание генетической информации, представлен триплетом АУГ - метионин. В качестве инициаторной будет выступать МЕТ-тРНК:

МЕТ-тРНК+ГТФ+ФИ-2 инициаторный метионин-тРНК;

г) образование инициирующего комплекса. При этом инициаторная МЕТ-тРНК взаимодействует с малой субъединицей рибосомы с образованием инициирующего комплекса. Этому процессу способствует белковый ФИ-3, связанный с рибосомой;

д) связывание мРНК с инициирующим комплексом:

инициирующий комплекс+ ФИ-1+ 5'-конец мРНК. При этом:

АТФАДФ+Ф_н;

е) поиск и комплементарное взаимодействие со стартовым кодоном. При этом происходит скольжение малой субъединицы рибосомы до момента обнаружения кодона АУГ и комплементарного взаимодействия с ним антикодона МЕТ-тРНК;

ж) формирование 80S-рибосомы. Большая субъединица присоединяется к комплексу, образующемуся на 6 стадии, что сопровождается затратой энергии ГТФ (ГТФГДФ+Ф_н). Для этой реакции используется ГТФ, находящаяся в составе инициирующего комплекса. В образовавщейся рибосоме выделяют 2 участка:

- Р-участок, в котором находится МЕТ-тРНК. Здесь будет происходить образование пептидных связей - сайт Р;

- А-участок (аминоацильный участок) - служит для присоединения аминоацильной-тРНК.

В завершении этой фазы происходит высвобождение белковых факторов ФИ-1, ФИ-2, ФИ-3 и КЭП-связанных белков.

3. Элонгация. Состоит из 3-х фаз:

а. присоединение следующей аминоацил-тРНК в соответствии со смыслом следующего кодона матрицы. Процесс требует энергии ГТФ ГДФ + Ф_н+Q и белкового фактора - фактор элонгации-1 (ФЭ-1);

б. пептизация. Между АК-остатками образуются пептидные связи (между АК-1 и АК-2). Данную реакцию катализирует пептидил-трансфераза. Этот фермент разрушает связь между первой АК и ее тРНК. Первая тРНК покидает рибосому. В результате в амино-ацильном участке рибосомы находится растущий пептид, а Р-участок освобождается;

в. транслокация или перемещение. Рибосома перемещается на 1 кодон в направлении 3'-конца тРНК. При этом пептдтл-тРНК остается на месте и происходит внутририбосомный переход растущего пептида из А-участка рибосомы в Р-участок. Для данного процесса необходимы энергия ГТФ ГДФ + Ф_н+Q и белковый фактор - ФЭ-2. Основным результатом является освобождение А-участка рибосомы, в который может поступить следующая аминоацил-тРНК.

Процесс элонгации протекает циклически с 1 по 3 фазу до момента обнаружения стоп-кодона. При достижении рибосомой нонсенс-кодона элонгация прекращается и наступает терминация.

4. Терминация. Нонсенс-кодон распознается белковыми R-факторами (факторы освобождения) в А-участке рибосом. В результате действия R-факторов обеспечивается диссоциация элементов трансляционного аппарата и в цитоплазму высвобождаются рибосома, иРНК, полипептид. СЭС между пептидом и тРНК гидролизуется с затратой энергии:

ГТФ ГДФ + Ф_н+Q.

иРНК в дальнейшем может использоваться повторно для трансляции (до разрушения ее иРНКазами).

Собственно, трансляция включает 3 этапа: инициация, элонгация, терминация.

5. Процессинг белка. Это совокупность изменений в структуре белка (полипептида), которые заканчиваются формированием структурно и функционально зрелой белковой молекулы. Процессинг может быть 2-х видов:

- котрансляционный, протекающий во время трансляции;

- посттрансляционный - химическая можификация белка происходит после трансляции.

Включает несколько видов химической модификации:

- ограниченный протеолиз - это отщепление либо пептидного фрагмента, либо N-концевой АК (МЕТ);

- реакция ацетилирования - присоединение ацетильного остатка;

- фосфорилирование - присоединение остатка фосфорной кислоты с образованием сложных белков (фосфопротеины);

- гликозилирование АК с образование гликопротеинов и протеогликанов;

- гидроксилирование АК - присоединение - ОН группы. Наиболее часто данному процессу подвергаются ПРО и ЛИЗ с образованием гидроксипролина (ОПР) и гидроксилизина (ОЛИ). Этот процесс необходим при образовании коллагена;

- окисление АК;

- образование вторичной, третичной и четвертичной структур - характерно для олигомерных белков. При образовании данных структур белок сворачивается - процесс фолдинга. Для этого необходимы специализированные белки - шапероны. Они ускоряют сворачивание белков, исправляют некорректные формы вторичной, третичной структур. Может наблюдаться патология фолдинга: существуют т.н. отрицательные шапероны. Их присутствие в клетке приводит к неправильному фолдингу, что выражается в гибели клеток.

Адресование белков

После синтеза и процессинга белки должны быть правильно размещены в клетке либо правильно выделены на экспорт. Этим управляют особые механизмы адресования белков.

В структуре белка имеется т.н. сигнальный участок, содержащий информацию о принадлежности данного белка к определенной органелле клетки или о выделение белка на экспорт. Функцию сигнального участка выполняет фрагмент аминокислотной последовательности либо углеводный компонент.

Принципы адресования заключаются в процессе распознавания белков определенными органеллами. При этом распознание сигнального участка происходит только в случае, если он "пришел" в правильное место.

Гидрофобные АК сигнального участка направляет белок в ЭПР (мембранная структура); гидрофильные АК - в жидкие среды клетки (цитоплазма) или во внутренне пространство органелл; углеводный компонент адресует белок в кровь или лимфу.

Регуляция биосинтеза белка

Клетки многоклеточного организма содержат одинаковый набор ДНК, но белки синтезируются разные. Например, соединительная ткань активно синтезирует коллаген, а в мышечных клетках такого белка нет. В эритроцитах содержится Нb, и информация о Нb содержится во всех клетках. С возрастом скорость синтеза изменяется.

Прокариоты.

Теория регуляции биосинтеза у прокариот была разработана в 1961 г. Ф. Жакобом и Ж. Моно. Основные положения теории:

1. неоднородность генетического материала. В геноме имеются:

- структурные гены, которые кодируют синтез структурных белков или ферментов;

- регуляторные гены. Обеспечивают регуляцию считывания информации со структурных генов.

2. регуляция биосинтеза происходит на этапе транскрипции;

3. регуляция осуществляется путем репрессии (подавление транскрипции) и индукции (разрешение транскрипции).

Пр.: работа лактозного оперона.

В клетках микробов имеется фермент лактаза, участвующий в расщеплении лактозы до галактозы и глюкозы. Этот фермент в их клетках вырабатывается только при наличии субстрата - лактозы. Регуляция осуществляется с помощью лактозного оперона. Так, если в среде нет лактозы, то ген-I кодирует синтез белка-репрессора. Белок-репрессор взаимодействует с оператором и в результате РНК-полимераза не может осуществлять транскрипцию. Этот тип регуляции называется репрессией.

Если в среде присутствует лактоза, то она препятствует взаимодействию белка-репрессора с операторм, РНК-полимераза считывает информацию и образуется мРНК лактазы. Т.о. лактоза является индуктором, т.е. веществом, препятствующим взаимодействию белка-репрессора с оператором, в результате чего усиливается и облегчается транскрипция гена лактазы.

У прокариот первичные транскрипты генов (мРНК) используются в синтезе белка еще до завершения процесса транскрипции. У них нет ядерной мембраны.

Эукариоты. Основные уровни регуляции биосинтеза:

1. на уровне транскрипции. Варианты:

- групповая репрессия генов белками - гистонами;

- амплификация генов - увеличение числа копий заданного участка ДНК или гена. Достигается в результате многократного синтеза ДНК в одном и том же репликативном пузыре. В этом случае транскрипция будет возможна сразу с нескольких копий гена, что увеличивается скорость транскрипции. Эта регуляция изучается у опухолевых клеток, которые способны к амлификации;

- регуляция сигналами-усилителями. Сигналы-усилители - энхансеры - выступающий участок ДНК, который может быть значительно удален от промотора. Под действием энхансера наблюдается более чем 200-кратное увеличение скорости транскрипции. Действует неспецифично, усиливая транскрипцию многих генов.

Пр.: действие гормонов коры надпочечников: глюкокортикоиды проникают внутрь клетки, где взаимодействуют с рецептором, посредством чего проникают в ядро, где присоединяются к ДНК и превращают участок ДНК в энхансер. При этом запускается синтез ферментов, характерных для действия глюкокортикоидов. Данный механизм работает только у эукариот.

2. регуляция на уровне процессинга иРНК:

- разрешение или запрещение процессинга. Так, не все пре-иРНК превращаются в зрелые иРНК: пре-иРНК иРНК;

- дифференциальный (альтернативный) процессинг. В клетках эукариот возможен многовариантный процессинг, поэтому утверждение 1 ген1 белок для них не всегда справедливо. Это происходит в результате потери некоторых экзонов.

Пр.: С-клетки щитовидной железы и нейроны имеют одинаковый ген, который в С-клетках кодирует выработку кальцитонина (регулирует уровень Са ²⁺), а в нейронах дифференцирует процессинг белка CGRP-пептид (регулирует АД).

3. на уровне стабильности и активности иРНК. Чем больше иРНК находится в стабильном состоянии в цитоплазме, тем большее количество молекул белка на ней может быть синтезировано. Поэтому в цитоплазме иРНК консервируются путем взаимодействия с белками-информатионами, образуя комплексы - информосомы.

4. регуляция на уровне трансляции:

- тотальная репрессия или активация трансляции при изменении активности и количества белковых факторов (ФИ и ФЭ);

- избирательная дискриминация иРНК, например, при инфицировании клетки вирусом транслируется вирусная РНК, а РНК хозяина дискриминируется.

- механизм повышения эффективности трансляции включает образование полисом - это комплекс нескольких рибосом с одной иРНК. Расстояние между соседними рибосомами составляет 80 нуклеотидов.

Нарушения матричных биосинтезов

ДНК человека содержит около 3 млрд. нуклеотидов. Точность их копирования зависит от точности: а) репликации, б) транскрипции, в) трансляции.

Факторы нарушения структуры ДНК: УФО, ионизация, химические агенты, спонтанные изменения (при фоновых излучениях).

Чаще всего происходит депуринизация (50'000 нуклеотидов за 70 лет жизни) - 40 % всех пуриновых нуклеотидов (за 70 лет). Реже - дезаминирование и депиримидирование.

Этим процессам препятствуют процессы репарации ДНК. Т.о., постоянство информации поддерживается с помощью репликации и репарации.

Изменчивость генотипа наблюдается в результате мутаций. Их молекулярной основой является нерепаративное изменение первичной структуры ДНК. Напр., при действии азотной к-ты изменяются Ц>У, Ц>Г, У>А - эти изменения репаративная система "не замечает".

Система репарации ДНК

Репаративная система состоит из трех ферментов: (1) эндонуклеаза, (2) экзонуклеаза, (3) ДНК-полимераза (репарирующая).

Механизм репарации ДНК:

1. ДНК-эндонуклеаза обнаруживает участок повреждения и вызывает в этом месте разрыв фосфодиэфирных связей.

2. ДНК-экзонуклеаза отщепляет с образовавшихся концов нуклеотиды, в том числе и поврежденные.

3. ДНК-полимераза репарирующая восстанавливает нуклеотиды по принципу комплементарности.

Генные мутации

Они затрагивают небольшие участки ДНК (на уровне генов). Виды генных мутаций:

1. Замена нуклеотидов или кодонов. Замена одного нуклеотида - точечная мутация.

1.1 Замена нуклеотида без изменения смысла кодона. Напр., ААА (лиз)> ААГ (лиз)

1.2 Замена нуклеотида с изменением смысла кодона. Напр., ААГ (лиз)> ГАГ (глу). Это миссенс-мутация.

1.3 Замена с образованием терминирующего кодона. Напр., ААА (лиз)> УАА (обрыв транскрипции). Это нонсенс-мутация.

2. Вставка.

2.1 Вставка одного или нескольких кодонов (т.е. триплетов), при этом не происходит сдвига рамки считывания. Напр., ААА ГЦА ГГА ЦЦА > ААА ГАГ ГЦА ГГА ЦЦА. В белке появляется одна или несколько "лишних" АК.

2.2 Вставка 1, 2 и др., но не кратного трем кол-ва нуклеотидов. Происходит сдвиг рамки считывания. Напр., ААА ГЦА ГГА ЦЦА > ААА ГАГ ЦАГ ГАЦ ЦА… Получается пептид со случайной аминокислотной последовательностью.

3. Делеция.

3.1 Выпадение одного или нескольких кодонов. Нет сдвига рамки считывания. Образуется белок, укороченный на одну или несколько АК.

3.2 Выпадение нуклеотидов 1, 2, но не кратного трем кол-ва. Сдвиг рамки считывания. Синтезируется пептид со случайной последовательностью АК.

Мутации, возникающие в половых клетках, передаются по наследству. Мутации соматических клеток могут приводить к раковому преобразованию клетки.

По биологическим последствиям мутации:

молчающие - не проявляются в обычных физиологических условиях, а проявляются в экстремальных условиях.

нейтральные - формируется нормальный белок (напр., при замене ГЛУ на АСП).

вредные (патогенные) - приводят к заболеванию (напр., при замене в гемоглобине в 6-м положении АК ГЛУ на ВАЛ развивается серповидно-клеточная анемия.

полезные - способствуют лучшей адаптации.

Ингибиторы матричных биосинтезов (Антибиотики)

а) ингибиторы, модифицирующие матрицы,

б) модифицирующие рибосомы,

в) инактивирующие ферменты.

Ингибиторы трансляции применяются против прокариот (это антибактериальные препараты). К ингибиторам транскрипции и репликации чувствительны и прокариоты, и эукариоты - они используются для подавления злокачественного роста. Напр., флеомицин, связываясь с ДНК, подавляет репликацию; актиномицин Д ингибирует транскрипцию; митомицин образует ковалентные связи с ДНК (нарушает и транскрипцию, и репликацию). Они подавляют биосинтез во всех клетках.

Антибактериальные. Стрептомицин нарушает структуру рибосом.

Тетрациклин нарушает связывание аминоацил-тРНК с рибосомами.

Эритромицин нарушает образование пептидных связей, нарушает конформацию 50S-субъединицы рибосом.

Биохимический полиморфизм

В результате мутаций возникают различные варианты генов. Если эти варианты не летальны, то они наследуются. Так формируется генотипическая неоднородность (гетерогенность). Это ведет к фенотипической неоднородности. Следствием генотипической неоднородности является полиморфизм белков - это существование разных форм белка, выполняющих одинаковые функции, но отличающихся по физико-химическим свойствам (и по первичной структуре).

Это изобелки, в т.ч. изоферменты.

Так, известно более 300 вариантов гемоглобина, 30 вариантов глюкозо-6-фосфат-ДГ, 14 вариантов альфа 1-антитрипсина, 30 вариантов А,В-белков групп крови, 10 вариантов алкоголь-ДГ и ацетальдегид-ДГ.

Биохимический полиморфизм настолько велик, что в настоящее время говорят о биохимической индивидуальности.

Биохимический полиморфизм лежит в основе предрасположенности к заболеваниям (напр., атеросклерозу, алкоголизму, сахарному диабету), непереносимости некоторых пищевых компонентов (напр., лактозы - 15 % европейцев, 80 % азиатов), непереносимости лекарственных препаратов (напр., непереносимости препарата дитилина при сниженной активности холинэстеразы - дитилин используют при бронхиальной астме).

Биологические последствия обратной транскрипции

В молекулярной биологии принят основной постулат: ДНК > мРНК > белок. Однако, в 1970-е гг. Тёмин открыл фермент обратную транскриптазу (или ревертазу), катализирующую процесс обратной транскрипции (мРНК > кДНК - комплементарная ДНК). Этот процесс характерен для РНК-содержащих вирусов (ретровирусов), в которых имеется ревертаза, напр., для ВИЧ.

Обратная транскрипция заключается в синтезе короткого фрагмента ДНК, используя мРНК в качестве матрицы. Эта вирусная ДНК внедряется в ДНК хозяина (интеграция), что может приводить к образованию новых вирусных частиц. Интеграция беспорядочна и может привести (1) к мутациям, (2) к образованию онкогенов, (3) к усиленной работе эмбриональных генов (которые в норме во взрослом организме не функционируют).

Теломеры и теломеразы

Метод культуры клеток in vitro широко распространен. Если в эти условия поставить опухолевые клетки, то они делятся бесконечно долго - иммортализованные клетки. Нормальные клетки делятся ограниченное количество раз (это установил Л. Хэйфлик), есть предел деления - лимит Хэйфлика. Напр., клетка новорожденного может делиться митозом 80-90 раз, взрослого - 60-70 раз, стариков - 20-30 раз, затем репликация нарушается и клетка гибнет. В 1998 г. американские ученые смогли заставить нормальные клетки делить в 2 раза больше лимита Хэйфлика. В этом участвовали вещества теломеры и ферменты теломеразы.

Теломеры - это специализированные концевые районы хромосомной ДНК, состоящие из многократно повторяющихся коротких нуклеотидных последовательностей. Предполагалось, что эти вещества состоят из 6-8 нуклеотидов: TTAGGG - этот блок повторяется многократно, в результате длина их составляет 2-20 тысяч пар оснований.

Во время репликации в структуре ДНК имеется праймер - короткий РНК-олигонуклеотид, к которому присоединяется ДНК-полимераза. С этого места начинается репликация. Затем происходит удаление праймера и 5'-конец оказывается короче 3'-конца. Возникает эффект недорепликации (Оловников). Образовавшиеся нити ДНК наращиваются с помощью теломеразы. Теломераза синтезирует теломеры. Теломераза - РНК-содержащий фермент, она синтезирует по принципу обратной транскрипции концевой участок, а ДНК-полимераза наращивает другую цепь.

Т.к. теломераза синтезирует теломеры, то она повышает длительность жизни клетки. Повышенная активность теломераз делает клетку бессмертной. Активность теломеразы в различных клетках различна. По активности теломераз выделяют:

1. Соматические клетки. Теломеры их содержат 10-12 тысяч пар нуклеотидов и отсутствует теломеразная активность. Но в макрофагах и лейкоцитах теломераза активна.

2. Половые клетки. Теломеразная активность высокая, теломеры содержат больше - 15-20 тысяч - пар нуклеотидов. То же и в стволовых клетках.

3. Раковые клетки. Длина теломер не очень большая (8-10 тысяч пар нуклеотидов), но высокая теломеразная активность (у 80 % раковых клеток).

Т.о., современная биохимия имеет задачей:

а) увеличение теломеразной активности в отдельных клетках, напр., в клетках кожи для восстановления ее после ожогов;

б) снижение теломеразной активности в раковых клетках.

Патология белкового обмена

Нарушения обмена белков могут наблюдаться на различных этапах:

1. На этапе поступления питательных белков в организм. В сутки человеку требуется около 100 г белка. Т.к. белки содержат незаменимые АК, то недостаточное поступление их ведет к снижению или даже к отсутствию синтеза белков в организме.

Напр., недостаток:

ЛИЗ - тошнота, головокружение, повышенная чувствительность к шуму; недостаток

ТРИ - снижение массы тела, гипопротеинемия;

ГИС - снижение гемоглобина в крови;

МЕТ - развитие жирового перерождения печени и почек.

Общее снижение кол-ва белка > белковая недостаточность > отрицательный азотистый баланс, гипопротеинемия.

Тяжелая форма белковой недостаточности - квашиоркор. Сначала снижается общий белок, снижение альбумина ведет к отекам (из-за изменения онкотического давления), снижение гемоглобина ведет к анемии, а само снижение синтеза белка приводит к гипераминоацидемии (повышение АК в крови) и к аминоацидурии. Также снижается синтез ферментов поджелудочной железой (трипсин, химотрипсин, полипептидазы - тоже белки), что ведет к снижению усвоения белка в кишечнике.

2. Нарушение на этапе пищеварения.

2.1 В желудке. Возможна гипоацидитас и анацидитас - ахлоргидрия (снижение и отсутствие кислотности в желудке соответственно). При ахлоргидрии начинается гниение белков.

Гиперацидитас - усвоение белка не нарушается, но может быть поражение слизистой желудка, переходящее в язву.

2.2 В тонкой кишке. Нарушение усвоения белка при панкреатитах, снижении секреции трипсина, химотрипсина.

2.3 В толстой кишке. Повышение процессов гниения белка, напр., при запорах, непроходимости кишечника.

3. Нарушение обмена белков в тканях, т.е. на уровне межуточного обмена. Может быть связано нарушением обмена АК.

3.1 Приобретенные нарушения обмена связаны с дефицитом витаминов; особенно В ₆ - нарушение процессов переаминирования и дезаминирования АК, развивается аминоацидурия. Либо связаны с гормональными нарушениями обмена АК.

3.2 Наследственные нарушения обмена АК.

Пример 1: в норме фенилаланин (ФЕН) под действием фенилаланингидроксилазы (ФАГ) окисляется кислородом до тирозина (ТИР).

При наследственной патологии (нарушении образования ФАГ) ФЕН накапливается в тканях и затем превращается в фенилпируват, который может превращаться в фениллактат или в фенилацетат. Они накапливаются в тканях и выделяются с мочой (фенилкетонурия). Эти соединения токсичны для ткани мозга, их накопление вызывает нарушения физического и умственного развития. При дефиците ФАГ развивается фенилпировиноградная олигофрения. Если она развилась по гомозиготному типу, то ребенок умственно отсталый и нуждается в помещение в специализированное учреждение. Необходима ранняя диагностика фенилкетонурии (первые 7-10 дней после рождения). Если ребенку ставится этот диагноз, то ему назначается диета, обедненная фенилаланином. Диета сохраняется до 16-18 лет (средний уровень развития).

Пример 2: Генетические нарушения обмена тирозина (ТИР). В организме ТИР образуется из ФЕН (катализируется ФАГ). Затем ТИР может превращаться: (1) в меланин, (2) в тиреоидные гормоны, (3) в ДОФА, а затем в адреналин, (4) в гомогентизиновую к-ту, а затем в конечные продукты (в мочу). Если нарушается блок "ТИР > меланин" (катализируется тирозиназой), то наблюдается альбинизм (отсутствие пигмента кожи меланина). Если блок "гомогентизиновая к-та > конечные продукты" (катализируется оксидазой в присутствии аскорбиновой к-ты), то наблюдается алкаптонурия: моча приобретает темно-бурую окраску, вплоть до черной). Также алкаптонурия может быть приобретенной - при авитаминозе С.

Пример 3: Гистидинемия - повышение ГИС в крови. В норме ГИС под действием гистидазы превращается в уроканиновую к-ту (5-формиминотетрагидрофолиевую к-ту). Накапливающийся ГИС приводит к нарушению умственного и физического развития.

4. Нарушения на стадии биосинтеза белка. Чаще всего наблюдается усиленный синтез белка к. - л. клеткой (злокачественное новообразование).

Механизмы развития раковой опухоли

Рак - генетическое заболевание, т.е. повреждение генов.

Виды повреждений генов:

1) потеря гена,

2) собственно повреждение гена,

3) активация гена,

4) инактивация гена,

5) привнесение генов извне (внедрение добавочных генов).

В каждой клетке находится около 100'000 генов. В настоящее время признано, что ряд генов может превращаться в гены, несущие информацию о белках опухолевой клетки - онкогены. Часто это нормальные гены, но в норме функционирующие только в эмбриональном периоде или малоактивные, которые стали активными.

Механизмы активации генов представлены: а) мутацией генов и б) активацией генов.

В настоящее время выделено более 100 онкогенов. Помимо онкогенов есть еще антионкогены - гены-супрессоры опухолей (ГСО). Белковые продукты этих генов препятствуют превращению нормальной клетки в опухолевую. Наиболее часто онкогены и ПСО встречаются среди генов белков-передатчиков сигналов регуляции роста и размножения клеток.

Онкогены образуются:

1) среди генов факторов роста,

2) среди R факторов роста,

3) среди белков-передатчиков сигнала внутрь клетки,

4) среди факторов транскрипции,

5) среди генов белков, связанных с ростом и размножением клетки.

Активация одного онкогена или потеря функций одного гена-супрессора недостаточна для превращения нормальной клетки в опухолевую; подсчитано, что клетке человека необходимо для этого 10 мутаций. Но выявлены гены, появление которых способствует опухолевому росту, так перерождение гена Р 53 - в 50 %. Ген Р 53 кодирует информацию о белке клеточного роста. Это ген апоптоза - ген, приводящий к гибели поврежденную клетку. Если этот ген поврежден, то сохраняются клетки с мутационными изменениями, что приводит к накоплению мутаций. Это объясняет возникновение опухолевого роста у пожилых людей.

Считается, что вирусы вносят в клетку новые онкогены, которые повышают вероятность развития опухоли. Также число мутаций повышают физические и химические факторы.

5. Нарушение обмена белка на стадии образования конечных продуктов.

5.1 Чаще всего нарушения в орнитиновом цикле мочевинообразования. При этом нарушения на разных уровнях приводят к накоплению разных продуктов (предшествующих нарушенному процессу). Напр., нарушение образования карбомаилфосфата ведет к гипераминоацидемии (повышению АК в крови), накоплению аммиака. Либо нарушение аргининосукцинатсинтазной реакции [рисунок: цитруллин + АСП > аргининосукцинат, над стрелочкой "аргининосукцинатсинтаза"] ведет к накоплению цитруллина.

Все нарушения орнитинового цикла приводят к слабоумию (напр., аргининосукцинатное слабоумие).

5.2 Нарушение выделения продуктов белкового обмена. Напр., цистиноз - нарушение реабсорбции АК (особенно цистина и цистеина) - цистинурия (в 20-30 раз!).

Генная инженерия

1970 г. - американский ученый Тёмин открыл фермент ревертазу (обратную транскриптазу), которая катализирует синтез РНК > кДНК (комплементарная ДНК, не содержащая интронов).

Генная инженерия - это искусственное создание активных генетических структур (рекомбинантных ДНК). Первая работа - 1972 г. - амер. Пол Берт.

Предпосылки генной инженерии:

1) изучение (в деталях) матричных биосинтезов;

2) установление возможности обмена между двумя молекулами ДНК (т.е. рекомбинанции);

3) открытие ферментов рестриктаз (1970), разрезающих ДНК в определенных участках с образованием фрагментов с "липкими концами";

4) открытие ферментов ревертаз (1970);

5) обнаружение маленьких кольцевых ДНК в плазмидах.

Основные этапы генной инженерии:

1. получение необходимого гена:

а) с помощью рестриктаз "нарезается" ДНК, затем выделяется нужный фрагмент;

б) с помощью ревертаз по имеющейся мРНК синтезируется комплементарная ДНК (кДНК).

2. подготовка вектора - плазмиды или фага. [рисунок: кольцевая ДНК (плазмида) > (над стрелкой "рестриктаза") плазмида с вырезанным кусочком]

3. соединение к вектору необходимого гена [рисунок: большой отрезок плазмиды из предыдущего рисунка плюс кусок ДНК из первого рисунка > рекомбинантная ДНК кольцевого строения, над стрелкой "лигаза"]

4. вектор внедряется в кишечную палочку (E.coli), клонирование гена (т.е. получение его копий).

Обмен углеводов

Углеводами называются альдегиды или кетоны многоатомных спиртов или их производных.

Углеводы классифицируются на:

1. моносахариды - не подвергаются гидролизу:

- триозы (глицеральдегид, диоксиацетон);

- тетрозы (эритроза);

- пентозы (рибоза, дезоксирибоза, рибулоза, ксилуоза);

- гексозы (глюкоза, фруктоза, галактоза).

2. олигосахариды - состоят из 2-12 моносахаридов, соединенных между собой гликозидными связями (мальтоза - 2 глюкозы, лактоза - галактоза и глюкоза, сахароза - глюкоза и фруктоза);

3. полисахариды:

- гомополисахариды (крахмал, гликоген, клетчатка);

- гетерополисахариды (сиаловая кислота, нейраминовая кислота, гиалуроновая кислота, хондроитинсерная кислота, гепарин).

Углеводы входят в состав клеток животных (до 2 %) и растений (до 80 %).

Биологическая роль:

1. энергитическая. На долю углеводов приходится около 70 % всей калорийности. Суточная потребность для взрослого человека - 400-500 г. При окислении 1 г углеводов до воды и углекислого газа выделяется 4,1 ккал энергии;

2. структурная. Углеводы используются как пластический материал для образования структурно-функциональных компонентов клеток. К ним относятся пентозы нуклеиновых кислот, углеводы гликопротеинов, гетерополисахариды межклеточного вещества;

3. резервная. Могут откладываться про запас в печени, мышцах в виде гликогена;

4. защитная. Гликопротеины принимают участие в образовании антител. Гетерополисахариды участвуют в образовании вязких секретов (слизи), покрывающих слизистые оболочки ЖКТ, дыхательных и мочеполовых путей. Гиалуроновая кислота играет роль цементирующего вещества соединительной ткани, препятствующего проникновению чужеродных тел;

5. регуляторная. Некоторые гормоны - гликопротеины (гипофиза, щитовидной железы);

6. участвуют в процессах узнавания клеток (сиаловая и нейраминовая кислоты);

7. определяют группу крови, входя в состав оболочек эритроцитов;

8. участвуют в процессах свертываемости крови, входя в состав гликопротеинов крови, фибриногена и протромбина. Так же предупреждает свёртываемость крови, входя в состав гепарина.

Основным источником углеводов для организма служат углеводы пищи, главным образом крахмал, сахароза и лактоза.

Крахмал - это смесь двух гомополисахаридов: линейного (амилоза от 10 % до 30 %) и разветвленного (амилопектин от 70 % до 90 %) строения. Крахмал содержится в основных продуктах питания: картофель до 10 %, крупы - 70-80 %.

Остатки глюкозы соединяются в амилозе и линейных цепях амилопектина с помощью -1,4-гликозидных связей, а в точках ветвления амилопектина - с помощью -1,6-гликозидных связей.

Крахмал, поступая с пищей в ротовую полость, после механической обработки будет подвергаться гидролизу с помощью -амилазы слюны. Этот фермент является эндоамилазой, расщепляющей -1,4-гликозидные связи. Оптимальный рН фермента находится в слабощелочной среде (рН=7-8). Поскольку пища в ротовой полости долго не находится, крахмал здесь подвергается лишь частичному гидролизу с образованием амилодекстринов.

Далее пища идёт в желудок. Слизистая оболочки желудка гликозидазы (ферменты, расщепляющие углеводы) не вырабатываются. В желудке среда резко кислая (рН=1,2-2,5),поэтому действие -амилазы слюны прекращается, но в более глубоких слоях пищевого комка, куда не сразу проникает желудочный сок, действие фермента слюны продолжается и крахмал успевает пройти стадию гидролиза - эритродекстринов.

Основным местом переваривания крахмала служит тонкий кишечник. Здесь происходят наиболее важные стадии гидролиза крахмала. В двенадцатиперсной кишке, куда открывается проток поджелудочной железы, под действием ферментов ПЖЖ (-амилазы, амило-1,6-гликозидазы и олиго-1,6-гликозидазы) будет идти гидролиз крахмала. Выделяющийся сок поджелудочной железы содержит бикарбонаты, которые участвуют в нейтрализации кислого желудочного содержимого. Образующийся при этом углекислый газ способствует перемешиванию пищевого комка, создаётся слабощелочная среда (рН=8-9). Образующиеся катионы натрия и калия способствуют активации панкреатических гидролаз (-амилаза, амило-1,6-гликозидаза, олиго-1,6-гликозидаза). Эти ферменты завершают гидролитический разрыв внутри гликозидных связей, начатых -амилазой слюны.

Эритродекстрины превращаются в ахродекстрины. Под влиянием -амилазы панкреатического сока завершается разрыв внутренних -1,4-гликозидных связей в крахмале с образованием мальтозы. -1,6-гликозидные связи в точках ветвления гидролизуются под действием амило-1,6-гликозидазы и олиго-1,6-гликозидазы, которая является терминальной (последней) в этом процессе.

Т.о. три панкреатических фермента завершают гидролиз крахмала в кишечнике с образованием мальтоз. Из тех глюкозных остатков, которые в молекуле крахмала были соединены с помощью -1,6-гликозидных связей, образовались дисахариды - изомальтозы.

Слизистая оболочка тонкой кишки (энтероциты) синтезирует мальтазы (изомальтазы), лактазы и сахаразы. Образующиеся в результате гидролиза мальтоза, изомальтоза являются временным продуктом гидролиза, и в клетках кишечника они быстро гидролизуются под влиянием кишечных мальтазы, изомальтазы на две молекулы глюкозы. Т.о. в результате гидролиза крахмала в органах пищеварения образуется конечный продукт - глюкоза.

В составе пищи кроме полисахаридов поступают и дисахариды (лактоза и сахароза), которые подвергаются гидролизу только в тонком кишечнике. В энтероцитах синтезируются специфические ферменты: лактаза и сахараза, которые осуществляют гидролиз этих дисахаридов с образованием глюкоз, галактоз и фруктоз. Продукты полностью перевариваются. Углеводы - моносахариды всасываются в кровь и на этом завершается начальный этап обмена углеводов в организме человека - пищеварение. Было установлено, что для всасывания моносахаридов (глюкозы) в кровь необходимо наличие в энтероцитах:

- в цитоплазме - ионов калия, натрия, АТФ и воды.

- в биомембранах - специфических белков-переносчиков и фермента - АТФ-азы.

90 % образовавшейся в результате гидролиза крахмала глюкозы всасывается в кровь и через систему воротной вены поступает в печень, где депонируется в виде резервного полисахарида - гликогена. Около 10 % всасывающихся в кровь моносахаридов попадает в большой круг кровообращения, разносится к органам и тканям, которые используют их в метаболических реакциях. С пищей в организм человека поступает клетчатка - полисахарид, состоящий из остатков -D- глюкопиранозы. В ЖКТ человека она гидролизу не подвергается, поскольку не вырабатываются -гликозидазы, которые расщепляют её до глюкозы.

Биологическая роль клетчатки:

1. формирует пищевой комок;

2. продвигаясь по ЖКТ она раздражает слизистую оболочку, усиливая секрецию пищеварительных желез;

3. усиливает перистальтику кишечника;

4. нормализует кишечную микрофлору.

Достигая толстого отдела кишки, она под действием ферментов микрофлоры подвергается частичному сбраживанию с образованием глюкозы, малата, газообразных веществ. Глюкозы образуется мало, но она всасывается в кровь.

Биологический синтез гликогена

Установлено, что гликоген образуется почти во всех клетках организма, однако наибольшее содержание гликогена обнаружено в печени (2-6 %) и в мышцах (0,5-2 %). Т.к. общая мышечная масса организма человека велика, то большая часть всего гликогена содержится в мышцах.

Глюкоза из крови легко поступает в клетки организма и в ткани, легко проникая через биологические мембраны. Инсулин обеспечивает проницаемость мембран, это единственный гормон, обеспечивающий транспорт глюкозы в клетки органов и тканей. Как только глюкоза поступает в клетку, она сразу же как бы запирается в ней. В результате первой метаболической реакции, катализируемой ферментом гексакиназой в присутствии АТФ, глюкоза превращается в фосфорный эфир - глюкозо-6-фосфат, для которого клеточная мембрана не проницаема. Глюкозо-6-фосфат теперь будет использоваться клеткой в метаболических реакциях (анаболизм, катаболизм). Из клетки глюкоза может обратно выйти в кровь только после гидролиза под действием фосфатазы (глюкозо-6-фосфатазы). Этот фермент есть в печени, почках, в эпителии кишечника, в других органах и тканях его нет, следовательно, проникновение глюкозы в клетки этих органов и тканей необратимо.

Процесс биосинтеза гликогена можно записать в виде 4-х стадий:

глюкоза (гексакиназа, АТФАДФ) глюкозо-6-фосфат (фосфоглюкомутаза) глюкозо-1-фосфат (глюкозо-1-фосфат-уридин трансфераза) УДФ-глюкоза (гликоген-синтетаза, + [C6Н 10О 5]n) [C6Н 10О 5]n+1 (это наращенный гликоген) +УДФ

Затем УДФ+АТФ(нуклеозиддифосфаткиназа) УТФ+АДФ. Т.о. на присоединение 1 молекулы глюкозы тратмтся 2 молекулы АТФ.

Гликогенсинтаза является трансферазой, которая переносит остатки глюкозы, входящие в УДФ-глюкозу на гликозидную связь остаточного в клетке гликогена. При этом образуются -1,4- гликозидные связи. Образование -1,6-гликозидных связей в точках ветвления гликогена катализирует специальный фермент гликогенветвящий.

Гликоген в клетках печени накапливается во время пищеварения, и рассматривается как резервная форма глюкозы, которая используется в промежутках между приёмами пищи.

Распад гликогена

Он может идти двумя путями:

1. Основной - фосфоролитический - протекает в печени, почках, эпителии кишечника.

Схематически его можно записать в виде 3-х стадий:

а) [C6Н 10О 5]n (это гликоген) (фосфорилаза А, +Н 3РО 4) глюкозо-1-фосфат + [C6Н 10О 5]n-1

б) глюкозо-1-фосфат (фосфоглюкомутаза) глюкозо-6-фосфат

в) глюкозо-6-фосфат (глюкозо-6-фосфатаза, +Н 2О) глюкоза + Н 3РО4

2. Не основной - амилолитический. его доля мала и незначительна. Протекает в клетках печени при участии:

- -амилазы слюны, расщепляющей -1,4-гликозидные связи;

- амило-1,6-гликозидазы, расщепляющей -1,6-гликозидные связи в точках ветвления гликогена;

- -амилазы, которая последовательно отрывает концевые остатки глюкозы от боковых цепей гликогена.

Гликогеновые болезни

Гликогеновые болезни - наследственные нарушения обмена гликогена, которые связаны с недостаточностью какого-либо фермента, участвующего в синтезе или распаде гликогена. Как правило, эта недостаточность выражена в снижении активности или полном отсутствии фермента.

Различают гликогенозы - болезни, связанные с нарушением процесса распада гликогена. При этом клетки печени, мышц, почек накапливают большое количество гликогена, что ведет к разрушению клеток. У больных наблюдается увеличение печени, гипоглюкоземия натощак, мышечная слабость. Обычно такие больные умирают в раннем возрасте. Наиболее часто встречаются следующие гликогенозы:

- болезнь Герса, связанная с недостаточной активностью или отсутствием фосфорилазы печени;

- болезнь Мак-Ардля, -//- фосфорилазы мышц;

- болезнь Помпе, -//- -1,4-гликозидазы;

- болезнь Гори, -//- амило-1,6-гликозидазы;

- болезнь Гирке, -//- глюкозо-6-фосфатазы.

Агликогенозы - заболевания, которые характеризуются нарушением синтеза гликогена. У больных: гипогликемия натощак, судороги, рвота, потеря сознания, постоянное углеводное голодание мозга приводит к отставанию умственного развития. Больные погибают в раннем возрасте. Наиболее часто встречаются следующие агликогенозы:

- болезнь Льюиса, связанная с нарушением выработки или полным отсутствием гликогенсинтазы;

- болезнь Андерсена, -//- гликогенветвящего фермента.

Пути катаболизма глюкозы

В зависимости от функционального состояния клеток органов и тканей, они могут находиться в условиях достаточного снабжения кислородом или испытывать его недостаток, находиться в условиях гипоксии.

Следовательно, катаболизм глюкозы в организме можно рассматривать с двух позиций: в аэробных и анаэробных условиях.

Анаэробный путь распада глюкозы в тканях называется гликолизом, если в анаэробных условиях распадается глюкозный остаток гликогена, то этот процесс называется гликогенолизом. Оба эти процесса протекают в цитоплазме клеток. Конечным продуктом окисления будет являться молочная кислота. В процессе окисления будет выделяться энергия за счет реакций субстратного фосфорилирования. Основная биологическая роль - энергетическая. Окисление глюкозы и глюкозного остатка гликогена в тканях отличается только в начальных стадиях превращения, до образования глюкозо-6-фосфата. Схематически это можно представить как:

глюкоза (гексакиназа, АТФАДФ) глюкозо-6-фосфат;

[C6Н 10О 5]n (это гликоген) (фосфорилаза А, +Н 3РО 4) глюкозо-1-фосфат + [C6Н 10О 5]n-1;

глюкозо-1-фосфат (фосфоглюкомутаза) глюкозо-6-фосфат.

Основные стадии гликолиза и гликогенолиза:

Процесс гликолиза сложный и многоступенчатый. Условно его можно разделить на 2 стадии.

1 стадия - завершается образованием глицеральдегид-3-фосфата. 2 стадия - называется стадией гликолитической оксидоредукцией. Она сопряжена с образованием АТФ за счет реакций субстратного фосфорилирования, окислением глицеральдегид-3-фосфата и восстановлением пирувата в лактат.

1 стадия:

Рис. Гексакиназа v АТФАДФ

Рис. Глюкозо-6-фосфатизомераза v

Рис. Фосфофруктокиназа v АТФАДФ

Рис. Альдолаза v

Фосфодиоксиацетон под действием изомеразы может превращаться в глицеральдегид-3-фосфат.

2 стадия. На ней перед всеми формулами ставим 2, т.к. фосфодиоксиацетон изомеризовался и получилось 2 молекулы глицеральдегид-3-фосфата:

Рис. Дегидрогеназа, +Н 3РО 4 v НАДНАДН 2

Рис. Дифосфоглицераткиназа v АДФАТФ

Рис. Фосфоглицеромутаза v

Рис. Енолаза v

Рис. Фосфоенолпируваткиназа v АДФАТФ

Рис. ЛДГ v НАДН ₂НАД

Т.о. анаэробные превращения глюкозы в тканях завершается образование молочной кислоты. В процессе превращения глюкозы было израсходовано 2 молекулы АТФ для фосфорилирования глюкозы и фруктоза-6-фосфата (гексакиназная реакция и фосфофруктокиназная реакция).

С этапа образования триоз (альдолазная реакция) идет одновременная их окисление, в результате этих реакций образуется энергия в виде АТФ за счет реакций субстратного фосфорилирования (фосфоглицераткиназная и пируваткиназная реакции).

На этапе гликолитической оксидоредукции идет окисление гицеральдегид-3-фосфата в присутствии Н 3РО 4 и НАД-зависимой дегидрогеназы, которая при этом восстанавливается до НАДН 2.

Митохондрии в анаэробных условиях блокированы, поэтому выделяемый в процессе окисления НАДН 2 находиться в среде до тех пор, пока не образуется субстрат, способный принять его. ПВК принимает НАДН 2 и восстанавливается с образованием лактата, завершая тем самым внутренний окислительно-восстановительный цикл гликолиза. НАД-окисленный выделяется и вновь может принимать участие в окислительном процессе, выполняя роль переносчика водорода.

Три реакции гликолиза являются необратимыми:

- гексакиназная реакция;

- фосфофруктокиназная реакция;

- пируваткиназная реакция.

Энергетический эффект гликолиза (гликогенолиза):

АТФ(глюкоза)=(2*2)- 2=2.

АТФ(гликоген)=(2*2)- 1=3.

Биологическая роль гликолиза - энергетическая. Гликолиз является единственным процессом в клетке, способным поставлять энергию в форме АТФ в бескислородных условиях. В кризисных ситуациях, когда клетки органов и тканей по каким-то причинам находятся в анаэробных условиях, гликолиз является единственным источником скорой энергетической помощи для сохранения жизнедеятельности клеток, а в эритроцитах, где митохондрии отсутствуют, гликолиз вообще является единственным процессом, продуцирующим АТФ и поддерживающим их функции и целостность.

Гексозодифосфатный путь превращения углеводов в тканях

В аэробных условиях, когда в ткани в достаточном количестве поступает кислород, происходит подавление гликолиза. При этом уменьшается потребление глюкозы, блокируется образование лактата. Эффект подавления гликолиза дыханием получил название эффекта Пастера.

Глюкоза в аэробных условиях сгорает в клетках с образованием конечных продуктов - воды и углекислого газа. При окислении 1 моль глюкозы будет выделено 38 молекул АТФ, а при окислении 1 глюкозного остатка гликогена - 39 молекул.

...