Биохимия и ее задачи

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 В₆ – 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 Р53 – в 50%. Ген Р53 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 от70% 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 a-1,4-гликозидных связей, а в точках ветвления амилопектина - с помощью a-1,6-гликозидных связей.

Крахмал, поступая с пищей в ротовую полость, после механической обработки будет  подвергаться гидролизу с помощью a-амилазы слюны. Этот фермент является эндоамилазой, расщепляющей a-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 a-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.