82. Модификационная изменчивость.

Модификационная (фенотипическая) изменчивость — изменения в организме, связанные с изменением фенотипа вследствие влияния окружающей среды и носящие, в большинстве случаев, адаптивный характер. Генотип при этом не изменяется. В целом современное понятие «адаптивные модификации» соответствует понятию «определенной изменчивости», которое ввел в науку Чарльз Дарвин. Такой тип изменчивости имеет две главные особенности. Во- первых, изменения затрагивают большинство или все особи в популяции и у всех них проявляются одинаково. Во-вторых, эти изменения обычно имеют приспособительный характер. Как правило, модификационные изменения не передаются следующему поколению. Классический пример модификационной изменчивости дает растение стрелолист, у которого надводные листья приобретают стреловидную форму, а подводные - лентовидную. Классификация модиф.изменчивости:

1 По изменяющимся признакам организма: морфологические изменения, физиологические и биохимические адаптации — гомеостаз (повышение уровня эритроцитов в горах и т. д.)

2 По размаху нормы реакции: узкая (более характерна для качественных признаков),широкая (более характерна для количественных признаков)

3 По значению: модификации (полезные для организма — проявляются как приспособительная реакция на условия окружающей среды),морфозы (ненаследственные изменения фенотипа под влиянием экстремальных факторов окружающей среды или модификации, возникающие как выражение вновь возникших мутаций, не имеющие приспособительного характера),фенокопии (различные ненаследственные изменения, копирующие проявление различных мутаций)— разновидность морфозов.

4 По длительности: есть лишь у особи или группы особей, которые подверглись влиянию окружающей среды (не наследуются), длительные модификации — сохраняются на два-три поколения

Характеристика: обратимость — изменения исчезают при смене специфических условий окружающей среды, спровоцировавших их,групповой характер,изменения в фенотипе не наследуются, наследуется норма реакции генотипа,статистическая закономерность вариационных рядов,затрагивает фенотип, при этом не затрагивая сам генотип.

Модификационной изменчивости подвержены как количественные, так и качественные признаки. Возникновение модификаций связано с тем, что такие важнейшие факторы среды, как свет, тепло, влага, химический состав и структура почвы, воздух, воздействуют на активность ферментов и в известной мере изменяют ход биохимических реакций, протекающих в развивающемся организме. Этим, в частности, объясняется появление различной окраски цветков у примулы и шерсти у гималайских кроликов, о чем говорилось выше.

Примеры изменчивости у человека: увеличение уровня эритроцитов при подъеме в горы,увеличение пигментации кожи при интенсивном воздействии ультрафиолетовых лучей,развитие костно-мышечной системы в результате тренировок,шрамы (пример морфоза).

Вариационная кривая признака (частота встречаемости отдельных вариант в вариационном ряду неодинакова. Чаще всего встречается среднее значение признака, а к обоим концам вариационного ряда частота встречаемости закономерно снижается.)

Обусловленные нормой реакции адаптивные модификации дают возможность организму выжить и оставить потомство в изменившихся условиях среды.

Знание закономерностей модификационной изменчивости имеет также большое практическое значение, так как позволяет предвидеть и заранее планировать максимальное использование возможностей каждого сорта растений и породы животных. В частности, создание заведомо известных оптимальных условий для реализации генотипа обеспечивает их высокую продуктивность.

Такой подход в равной мере относится и к человеку. Каждый ребенок обладает определенными способностями, иногда даже в нескольких областях. Задача психологов и педагогов состоит в том, чтобы как можно раньше найти эту область и обеспечить максимальное развитие ребенка в этом направлении (наряду с общим образованием), т. е. в пределах нормы реакции достичь максимального уровня реализации его генотипа.

83. Генетическая инженерия — совокупность приёмов, методов и технологий получения рекомбинантных РНК и ДНК, выделения генов из организма, осуществления манипуляций с генами и введения их в др. организмы. Генетическая инженерия является инструментом биотехнологии, используя методы таких биологических наук, как молекулярная и клеточная биология, цитология, генетика, микробиология, вирусология.

1953 - Уотсон и Крик открыли двойную спираль ДНК и постулировали матричный механизм ее синтеза.

1970 - американцы Келли и Смит выделили первую рестриктазу.

В 1972 году появилась первая публикация, в которой сообщалось о получении in vitro рекомбинантной ДНК, состоящей из фрагментов разных молекул ДНК: вирусной, бактериальной и фаговой. Работа была выполнена американским ученым П. Бергом и ознаменовала рождение новой отрасли молекулярной биологии - генетической инженерии. А.Баев был первым в нашей стране ученым, который поверил в перспективность генной инженерии и возглавил исследования в этой области. Генетическая, или генная, инженерия, по его определению, это конструирование in vitro функционально активных генетических структур (рекомбинантных ДНК), или, иначе, создание искусственных генетических программ. Генная инженерия ставит перед собой обширные практические задачи, немало из которых уже решено. Прежде всего это получение путем бактериального синтеза ряда лекарственных средств, например инсулина, интерферонов. Важнейшим достижением является создание диагностических препаратов, в частности, для выявления такого опасного заболевания, как СПИД. Около 200 новых диагностических препаратов уже введены в медицинскую практику, и более 100 генно-инженерных лекарственных веществ находится на стадии клинического изучения. Среди них лекарства, излечивающие артрозы, сердечно-сосудистые заболевания, некоторые опухолевые процессы. Получение так называемых трансгенных растений открывает принципиально новые возможности для растениеводства в создании сельскохозяйственных культур, устойчивых к экстремальным воздействиям и инфекционным поражениям. Список растений, к которым успешно применены методы генной инженерии, составляет около пятидесяти видов, включая яблоню, сливу, виноград, капусту, баклажаны, огурец, пшеницу, сою, рис, рожь и много других сельскохозяйственных растений, возделывание которых в ближайшем будущем будет существенно облегчено благодаря генетическим модификациям. Это далеко не полный перечень практических свершений генной инженерии.

После первых успешных экспериментов с рекомбинацией молекул ДНК в пробирке появились первые сомнения и опасения, не принесет ли генная инженерия вред природе и человечеству. Сегодня мы можем отметить, что за четверть века своего существования генная инженерия не причинила вреда самим исследователям, не принесла ущерба ни природе, ни человеку. Свершения генной инженерии как в познании механизмов функционирования организмов, так и в прикладном плане весьма внушительны, а перспективы поистине фантастичны.

С генетической инженерией связаны надежды на расширение ассортимента микробиологических удобрений и средств защиты растений, увеличение производства метана из бытовых и сельскохозяйственных отходов. Путем выведения микроорганизмов, более эффективно разлагающих различные вредные вещества в воде и почве, можно существенно повысить эффективность борьбы с загрязнением окружающей среды.

С помощью метода генетической инженерии были получены микроорганизмы производящие гомосерин, триптофан, изолейцин, треонин, которых не хватает в белках растений, идущих на корм животным. Несбалансированное по аминокислотам кормление снижает их Продуктивность и ведет к перерасходу кормов. Таким образом, производство аминокислот - важная народнохозяйственная проблема. Новый сверхпродуцент треонина производит эту аминокислоту в 400-700 раз более эффективно, чем исходный микроорганизм.

Все методы изменения наследственности таят в себе и элемент непредсказуемости. Многое зависит от того, с какими целями проводятся такие исследования. Этика науки требует, чтобы основу эксперимента по направленному преобразованию наследственных структур составляло безусловное стремление сохранить и упрочить наследственное достояние полезных видов живых существ. При конструировании генетически новых органических форм должна быть поставлена цель улучшения продуктивности и резистентности животных, растений и микроорганизмов, являющихся объектами сельского хозяйства. Результаты должны содействовать укреплению биологических связей в биосфере, оздоровлению внешней среды.

84. Генофонд — понятие из популяционной генетики, описывающее совокупность всех генных вариаций (аллелей) определённой популяции. Популяция располагает всеми своими аллелями для оптимального приспособления к окружающей среде. Можно также говорить о едином генофонде вида, так как между разными популяциями вида происходит обмен генами.

Если во всей популяции существует лишь один аллель определённого гена, то популяция по отношению к вариантам этого гена называется мономорфной. При наличии нескольких разных вариантов гена в популяции она считается полиморфной. Если у рассматриваемого вида имеется более чем один набор хромосом, то совокупное количество разных аллелей может превышать количество организмов. Однако в большинстве случаев количество аллелей всё же меньше. При сильном инбридинге часто возникают мономорфные популяции лишь с одним аллелем многих генов.

Одним из показателей объёма генофонда является эффективная величина популяции. У популяции людей с диплоидным набором хромосом может иметься максимально в два раза больше аллелей одного гена, чем индивидов. Исключены при этом половые хромосомы. Аллели всей популяци в идеальном случае распределены по закону Харди-Вайнберга: в популяции бесконечно большого размера, в которой не действуетотбор, не идет мутационный процесс, отсутствует обмен особями с другими популяциями, не происходит дрейф генов, все скрещивания случайны — частоты генотипов по какому-либо гену (в случае если в популяции есть два аллеля этого гена) будут поддерживаться постоянными из поколения в поколение и соответствовать уравнению: p²+2pq+q²=1, Где p² — доля гомозигот по одному из аллелей; p— частота этого аллеля; q² — доля гомозигот по альтернативному аллелю; q — частота соответствующего аллеля; 2pq — доля гетерозигот.

Более крупный генофонд с множеством разных вариантов отдельных генов ведёт к лучшему приспособлению потомства к меняющейся окружающей среде. Разнообразие аллелей позволяет приспособиться к изменениям значительно быстрее, если соответствующие аллели уже имеются в наличии, чем если они должны появиться вследствие мутации. Тем не менее, в неизменяющейся окружающей среде меньшее число аллелей может быть более выгодным, чтобы при половом размножении не возникало слишком много неблагоприятных комбинаций аллелей.

В выведении новых пород путём инбридинга возможно удаление неблагоприятных генов из генофонда. При скрещивании видов и вносе генов из иных популяций возможно увеличение объёма генофонда.

Для сохранения генофонда популяций редких и находящихся под угрозой исчезновения видов разработана система природоохранных мероприятий: создание охраняемых территорий (заповедников, заказников, национальных парков); разработка систем наблюдения — мониторинга; принятие законов, обеспечивающих правовую основу природоохранных мероприятий и предусматривающих формы ответственности за нарушение режима заповедных территорий, загрязнение биосферы, браконьерство, жестокое обращение с животными и т.д.; разработка методов разведения редких и исчезающих видов живот ных и растений и их интродукция (переселение) на охраняемые террито рии, новые места обитания и т.д.; создание генетического банка (банка генов) — хранилища семян, глубокозамороженных тканей, половых и соматических клеток растений и живот ных, пригодных для последующего воспроизведения исчезнувших либо исче зающих видов, сортов и пород живых организмов. Особенно важны банки генов семян культурных растений, необходимых для селекционной работы;

Российское национальное хранилище мировых растительных ресурсов расположено на Кубанской станции Всероссийского научно-исследовательского института растениеводства им. Н.И. Вавилова (ВИР) в Краснодарском крае. Банки генов замороженных клеток исчезающих видов животных имеются в Научном центре биологических исследований РАН в г. Пущино, в Техасском медицинском центре и зоопарке г. Сан-Диего (США).

Полезными хозяйственными свойствами обладает подавляющее большинство живых организмов. Каждый биологический вид неповторим, в нем заключена генетическая информация об эволюционном развитии биоты, имеющая огромное познавательное и практическое значение. Поэтому охране подлежит весь генофонд биосферы, кроме генофонда болезнетворных организмов.

Основоположник учения о генофонде и геногеографии Александр Сергеевич Серебровский называл генофондом «совокупность всех генов данного вида..., чтобы подчеркнуть мысль о том, что в лице генофонда мы имеем такие же национальные богатства, как и в лице наших запасов угля, скрытых в наших недрах» (1928). Однако это выражение в настоящее время используется для определения генетического потенциала, а генофондом называют совокупность всех генотипов в популяции. При изучении природных популяций часто приходится сталкиваться с полным доминированием: фенотипы гомозигот АА и гетерозигот Аа неразличимы. Кроме того, в природе широко распространено полигенное определение признаков, причем типы взаимодействия неаллельных генов (комплементарность, эпистаз, полимерия) не всегда известны. Поэтому на практике часто изучают не генофонд, а фенофонд популяций, то есть соотношение фенотипов. В настоящее время развивается раздел генетики популяций, который называется фенетика популяций.

85. Селекция (от лат. selectio, seligere – отбор) – это наука о методах создания высокопродуктивных сортов растений, пород животных и штаммов микроорганизмов. Современная селекция – это обширная область человеческой деятельности, которая представляет собой сплав различных отраслей науки, производства сельскохозяйственной продукции и ее комплексной переработки.В ходе селекции происходят устойчивые наследственные преобразования различных групп организмов.

Задачи современной селекции: -Создание новых и совершенствование старых сортов, пород и штаммов с хозяйственно-полезными признаками. -Создание технологичных высокопродуктивных биологических систем, максимально использующих сырьевые и энергетические ресурсы планеты. -Повышение продуктивности пород, сортов и штаммов с единицы площади за единицу времени. -Повышение потребительских качеств продукции. -Уменьшение доли побочных продуктов и их комплексная переработка. -Уменьшение потерь от вредителей и болезней.

Вавилов утверждал, что именно генетика является теоретической основой селекции; выделил следующие разделы селекции:1) учение об исходном сортовом, видовом и родовом потенциалах; 2) учение о наследственной изменчивости (закономерности в изменчивости, учение о мутациях); 3) учение о роли среды в выявлении сортовых признаков (влияние отдельных факторов среды,  учение о стадиях в развитии растений применительно к селекции); 4) теория гибридизации как в пределах близких форм, так и отдаленных видов;

5) теория селекционного процесса (самоопылители, перекрестноопылители, вегетативно и апогамно размножающиеся растения); 6) учение об основных направлениях в селекционной работе, таких, как селекция на иммунитет, на физиологические свойства (холодостойкость, засухоустойчивость, фотопериодизм), селекция на технические качества, химический состав; 7) частная селекция растений, животных и микроорганизмов.

Систематизируя учение об исходном материале, Вавилов сформулировал закон гомологических рядов (1920):

1. Виды и роды, генетически близкие, характеризуются сходными рядами наследственной изменчивости с такой правильностью, что, зная ряд форм в пределах одного вида, можно предвидеть нахождение параллельных форм у других видов и родов. Чем ближе генетически расположены в общей системе роды и виды, тем полнее сходство в рядах их изменчивости.

2. Целые семейства растений в общем характеризуются определенным циклом изменчивости, проходящей через все роды и виды, составляющие семейство. Согласно этому закону, у генетически близких видов и родов существуют близкие гены, которые дают сходные серии множественных аллелей и вариантов признака.

Вавилов впервые осуществил целенаправленный поиск редких или мутантных аллелей в природных популяциях и популяциях культурных растений. В наше время продолжается поиск мутантных аллелей для повышения продуктивности штаммов, сортов и пород.

Биологическое разнообразие исходного материала – необходимое условие успешной селекции.

В результате индуцированного мутагенеза часто получают частично мутантные растения (химерные организмы). В этом случае говорят о соматических (почковых) мутациях. Многие сорта плодовых растений, винограда, картофеля являются соматическими мутантами. Эти сорта сохраняют свои свойства, если их воспроизводят вегетативным путем, например, прививая обработанные мутагенами почки (черенки) в кронунемутантных растений; таким путем размножают, например, бессемянные апельсины.

Автополиплоидия представляет собой многократное повторение в клетке одного генома. Автополиплоидия сопровождается увеличением размеров клеток, пыльцевых зерен. Например, триплоиднаяосина достигает гигантских размеров, долговечна, её древесина устойчива к гниению.

Современная селекция использует целый комплекс методов, основанных на последних достижениях множества наук: генетики, цитологии, ботаники, зоологии, микробиологии, биотехнологии, информационных технологий. Однако основными специфическими методами селекции остаются гибридизация и искусственный отбор. Близкородственные скрещивания – инцухт у растений и инбридинг у животных. Применяются для получения чистых линий. Возвратные скрещивания (бэк-кроссы) – это скрещивания гибридов (гетерозигот) с родительскими формами (гомозиготами). Анализирующие скрещивания– это скрещивания доминантных форм с неизвестным генотипом и рецессивно-гомозиготных тестерных линий. Гетерозис – гибридная сила, особенно в первом поколении гибридов.

Для оценки селекционного материала используют полевые, лабораторные и лабораторно-полевые методы.

Отбором называется процесс дифференциального (неодинакового) воспроизведения генотипов. В ходе искусственного отбора ослабляются нежелательные признаки и многократно усиливаются хозяйственно полезные признаки. Творческая роль искусственного отбора заключается в том, что создаются формы, которых ранее не существовало.

Вклад в развитие селекции растений внес Мичурин (1855–1935): создал свыше 300 сортов культурных растений. Основные принципы работ И.В. Мичурина: гибридизация, отбор и воздействие условий среды. Мичурину принадлежит крылатое выражение; «Мы не можем ждать милостей от природы, взять их у неё – наша задача».

86. Вавилов установил, что на Земле существуют районы с особенно высоким уровнем генетического разнообразия культурных растений, и выделил основные центры происхождения культурных растений. Для каждого центра установлены характерные для него важнейшие сельскохозяйственные культуры.

1. Тропический центр (Индия, Индокитай, Юж.Китая и Ю-В Азия). Это родина таких растений, как рис, сахарный тростник, чай, лимон, апельсин, банан, баклажан, тропических плодовых и овощных культур.

2. Восточноазиатский  центр (меренные и субтропические части Центрального и Восточного Китая, Корею, Япо­нию и о.Тайвань). Это родина таких растений, как соя, просо, хурма.

3. Юго-западноазиатский центр (Малая Азия, Иран, Афганистан, Ср. Азия и С-З Индия). Родина мягких пшениц, ржи, овса, ячменя, гороха, дыни. Этот центр может быть подразделен на следующие очаги: Кавказский, Переднеазиатский, Северо-западноиндийский. До сих пор здесь можно проследить для многих видов непрерывный ряд от культурных до диких форм.

4. Средиземноморский центр. Этот географический центр дал начало приблизительно около 10% видов куль­турных растений. Среди них такие, как твердые пшеницы, капуста, свекла, морковь, лен, виноград, маслина, множество других овощных и кормовых культур.

5. Абиссинский центр. Общее число видов культурных растений, связанных по своему происхождению с Абисси­нией, не превышает 4% мировой культурной флоры. Абиссиния харак­теризуется рядом эндемичных видов и даже родов культурных растений. Среди них такие, как кофейное дерево, арбуз, хлебный злак тэфф (Eragrostisabyssinica), своеобразное масличное растение нуг (Guizolia ahyssinica), особый вид банана. В пределах Нового Света установлена порази­тельно строгая локализация двух центров видо­образования главнейших культурных растений.

6. Центральноамериканский центр, охватывающий территорию Сев. Америки, включая Юж.Мексику. В этом центре можно выделить три очага: Горный южномексиканский, Центральноамериканский, Вест-Индский островной. Из Центральноамериканского центра ведет начало около 8% различных возделываемых рас­тений, таких, как кукуруза, подсолнечник, американские длинноволокнистые хлопчатники, какао (шоколадное дерево), ряд видов фасоли, тыквенных, многих плодовых (гвайява, аноны и авокадо).

7. Андийский  центр, в пределах Южной Америки, приуроченный к Андийскому хребту. Это родина картофеля, томата. Отсюда ведут начало хинное дерево и кокаиновый куст.

Вавилов придавал большое значение новым гибридным формам. Разнообразие генов и генотипов в исходном материале Вавилов назвал генетическим потенциалом исходного материала.

Для отыскания центров разнообразия и богатства растительных форм Н.И. Вавилов многочисленные экспедиции, которые за 1922…1933 гг. побывали в 60 странах мира, а также в 140 районах нашей страны.

Чтобы установить географическое распределение разновидностей и рас культурных растений и их диких родичей, Н.И. Вавилов изучал очаги древнейшей земледельческой культуры, начало которой он видел в горных районах Эфиопии, Передней и Средней Азии, Китая, Индии, в Андах Южной Америки, а не в широких долинах крупных рек – Нила, Ганга, Тигра и Евфрата, как утверждали ученые прежде.

В результате экспедиций был собран ценный фонд мировых растительных ресурсов, насчитывающий свыше 250000 образцов – Вавиловская коллекция. Подобная коллекция была создана и в США, однако она значительно уступала вавиловской коллекции и по числу образцов, и по видовому составу.

Для хранения исходного материала в живом виде используются разнообразные насаждения: коллекционные питомники, коллекционно-маточные, маточные и производственные плантации. Для сохранения коллекционных образцов используются самые разнообразные методы: хранение семян с периодическим пересевом, хранение замороженных образцов (черенков, почек), поддержание тканево-клеточных культур. В 1976 г. на Кубани было построено Национальное хранилище семян для генофонда ВИРа, вместимостью 400 тысяч образцов.

Многие современные сорта растений (зернобобовых культур, кофейного дерева и др.) ведут начало от немногих особей-основателей. На грани вымирания находятся сотни пород домашних животных. Например, развитие промышленного птицеводства привело к резкому сокращению породного состава кур во всем мире: наибольшее распространение получили всего лишь 4…6 из известных 600 пород и разновидностей. Та же ситуация характерна для других сельскохозяйственных видов. Значительную роль в процессе снижения уровня разнообразия играет нерациональное ведение хозяйства, игнорирующее эволюционно сложившуюся системную организацию как природных, так и сельскохозяйственных популяций, их естественную подразделенность на генетически отличающиеся субпопуляции. Идеи Н.И. Вавилова о необходимости выявления и сохранения разнообразия были развиты в работах А.С. Серебровского, С.С. Четверикова и других отечественных ученых.

87. Хромосомы – структуры клетки, хранящие и передающие наследственную информацию. Хромосома состоит из ДНК и белка. Комплекс белков, связанных с ДНК, образует хроматин. Белки играют важную роль в упаковке молекул ДНК в ядре. Строение хромосомы лучше всего видно в метафазе митоза. Она представляет собой палочковидную структуру и состоит из двух сестринских хроматид, удерживаемых центромерой в области первичной перетяжки. Диплоидный набор хромосом организма называется кариотипом. Хромосомы имеют поперечные полосы, которые чередуются в различных хромосомах по-разному. Распознают пары хромосом, учитывая распределение, светлых и темных полос (чередование АТ и ГЦ). Поперечной исчерченностью обладают хромосомы представителей разных видов. У родственных видов, сходный характер чередования полос в хромосомах.

Каждый вид организмов обладает постоянным числом, формой и составом хромосом. В кариотипе человека 46 хромосом – 44 аутосомы и 2 половые хромосомы. Мужчины гетерогаметны (ХУ), а женщины гомогаметны (XX). У-хромосома отличается от Х-хромосомы отсутствием некоторых аллелей. Например, в У-хромосоме нет аллеля свертываемости крови. В результате гемофилией болеют, как правило, мальчики. Хромосомы одной пары называются гомологичными. Гомологичные хромосомы в одинаковых локусах несут аллельные гены. Постоянство кариотипа поддерживается с помощью точных механизмов митоза и мейоза. Изучение кариотипов и их изменчивости важно для здравоохранения (многие генетические заболевания связаны с изменением кариотипа), селекции (многие сорта растений различаются по кариотипу) и экологического биомониторинга (кариотип может изменяться под воздействием экологических факторов).

В экспериментальных условиях нерасхождение хромосом можно вызвать путем обработки организмов или их частей (цветков, семян или проростков растений, яйцеклеток или эмбрионов животных) митозными ядами. К митозным ядам относятся: колхицин (алкалоид безвременника осеннего), винбластин, аценафтен и др. Митозные яды разрушают микротрубочки веретена деления, что делает невозможным нормальное расхождение хромосом в митозе или мейозе. Полиплоидные клетки можно получать, используя рентгеновское облучение, изменение температуры, некот-ые химич. в-ва (эфир, хлороформ).

Изменчивость кариотипа проявляется в виде полиплоидии, анеуплоидии, гаплоидии,псевдополиплоидии.

Полиплоидия (эуплоидия) – это увеличение числа хромосом в клетках, кратное основному хромосомному числу. Организмы с такими клетками называются полиплоидными организмами, или просто полиплоидами. Если хромосомные наборы абсолютно идентичны (при полиплоидизации гаплоидных клеток), то такие организмы называются полигаплоидными.

Существуют полностью полиплоидные организмы, у которых каждая соматическая клетка содержит одинаковое число хромосом. Это происходит или при слиянии нередуцированных гамет (мейотическая полиплоидия), или при полиплоидизации при первом делении зиготы (зиготическая полиплоидия). В то же время, существуют и миксоплоидные организмы, в составе которых имеются диплоидные и полиплоидные ткани. У растений миксоплоиды называются химерами, у животных – мозаиками. Миксоплоидные организмы возникают в результате полиплоидизации соматических клеток. Такая полиплоидия называется митотической. Различают автополиплоидию и аллополиплоидию.

Анеуплоидия (гетерополиплоидия) – это изменение числа хромосом в клетках, некратное основному хромосомному числу. Различают несколько типов анеуплоидии. При моносомииутрачивается одна из хромосом диплоидного набора (2n – 1). При полисомии к кариотипу добавляется одна из хромосом набора. Частным случаем полисомии является трисомия (2n + 1), когда вместо двух гомологов их становится три. При нуллисомии отсутствуют оба гомолога какой-либо пары хромосом (2n – 2). В более сложных случаях наблюдается тетрасомия – при наличии четырех гомологов (2n + 2), двойная трисомия – при наличии трех гомологов для двух разных хромосом (2n + 1 + 1), двойная моносомия – при отсутствии одного из гомологов для двух разных хромосом (2n – 1 – 1) и т.д.

Кроме того, у многих растений и животных обнаружены мелкие добавочные Вхромосомы, или микрохромосомы. У человека анеуплоидия приводит к развитию наследственных заболеваний: синдромов Патау (трисомия по 13-ой хромосоме), Эдвардса (по 18-ой), Дауна (по 21-ой), Шерешевского-Тёрнера (моносомия по X–хромосоме),Кляйнфельтера (дисомия по X–хромосоме при наличии Y–хромосомы).

Гаплоидия. Уменьшение числа хромосом в соматических клетках до основного числа называется гаплоидия. Существуют организмы–гаплобионты, для которых гаплоидия – это нормальное состояние (низшие эукариоты, гаметофиты растений, самцы перепончатокрылых насекомых). Гаплоидия как аномальное явление встречается среди спорофитов высших растений: у томата, табака, льна, дурмана, злаков. Гаплоидные растения отличаются пониженной жизнеспособностью; они практически бесплодны.

Псевдополиплоидия.В некоторых случаях изменение числа хромосом может произойти без изменения объема генетического материала. Агматополиплоидия: крупные хромосомы распадаются на множество мелких (у растений и насекомых). У круглых червей происходит фрагментация хромосом в соматических клетках, но в половых клетках сохраняются исходные крупные хромосомы. Слияние хромосом: мелкие объединяются в крупные (у грызунов).

88. Генетическая безопасность – это состояние защищенности генетической информации, которое определяется самой генетической информацией. Факторы, которые оказывают отрицательное действие на генетическую информацию и механизмы ее реализации называются генотоксиканты. Действие генотоксикантов исключительно разнообразно: мутагенное, эпимутагенное, канцерогенное, тератогенное, эмбриотоксическое. Отрицательное воздействие таких факторов (генотоксичность) может проявляться на различных уровнях: молекулярно-генетическом, цитогенетическом, морфофизиологическом. К генотоксикантам относятся мутагены, промутагены, эпимутагены, канцерогены, эмбриотоксины, тератогены, морфогены. Примеры генотоксикантов: ионизирующая радиация, тяжелые металлы, многие органические соединения (например, альдегиды, запрещенные пищевые добавки – краситель Е-123, консервант Е-240).

Факторы, которые могут оказывать отрицательное воздействие на генетическую информацию и механизмы ее реализации, считаются потенциальными генотоксикантами. Кхимическим потенциальным генотоксикантам относятся химические средства защиты растений, лекарственные препараты, некоторые пищевые добавки (например, консерванты-нитриты Е-249, Е-250). К биологическим потенциальным генотоксикантам относятся возбудители заболеваний и паразиты (вредители), микроорганизмы с генетически измененными свойствами, а также некоторые высшие организмы. 

Аспекты генетической безопасности. Генетическая безопасность тесно связана с биологической, экологической, а такжепродовольственной, сельскохозяйственной, энергетической безопасностью, а также проблемами сдерживания бактериологического оружия. Проблемы генетической безопасности включают в себя также медицинские (валеологические), социоэкономические и биополитические аспекты. Можно говорить о генетической безопасности биосферы, биомов, экосистем, биоценозов, популяций и внутрипопуляционных группировок (эволюционная безопасность), а также о генетической безопасности агробиоценозов. Особое значение придается генетической безопасности человека, включая глобальную, популяционную (этническую), групповую и личную безопасность.

Эволюционная безопасность – это обеспечение устойчивости эколого-генетических процессов в биологических системах надорганизменного уровня (в биомах, экосистемах, биоценозах, популяциях).

Эволюционная устойчивость (эволюционная стабильность) биологических систем гарантируется сохранением определенного уровня адаптивного потенциала на протяжении длительного числа поколений. Для обеспечения эволюционной устойчивости биомов, экосистем, биоценозов, популяций необходимо поддержание достаточно высокого уровня генетического разнообразия их генофондов и метагенофондов, обеспечивающего внутреннюю и внешнюю устойчивость системы. Сохранение биологического (генетического) разнообразия – одна из актуальнейших проблем современности. Понятие «генетическое разнообразие» включает: разнообразие геномное (полиморфизм ДНК), транскриптомное (полиморфизм мРНК и кДНК), протеомное (белковый полиморфизм), метаболомное (разнообразие вариантов обменных процессов).

В современном мире основным компонентом биосферы становятся квазинативные экосистемы: внешне похожие на естественные, но сложившиеся под влиянием антропогенных факторов. Мониторинг подобных экосистем должен быть направлен на выявление закономерностей протекающих в них эволюционных (эколого-генетических) процессов, что позволит повысить эффективность управления динамикой генетической структуры слагающих их популяций. Молекулярно-генетические методы оценки уровня биоразнообразия, как правило, не позволяют диагностировать разнообразие адаптивных признаков. В результате остается актуальным изучение внутрипопуляционной изменчивости селективно значимых морфофизиологических признаков.

В то же время адаптивные морфофизиологические признаки, как правило, детерминированы полигенными системами и подвержены модифицирующему влиянию множества парагенетических факторов, что приводит к поливариантности онтогенеза (морфогенеза). Поэтому решение проблемы генетической безопасности требует совместных усилий специалистов из разных областей биологии и смежных наук. 

89. Генетика человека – это особый раздел генетики, который изучает особенности наследования признаков у человека, наследственные заболевания (медицинская генетика), генетическую структуру популяций человека. Генетика человека является теоретической основой современной медицины и современного здравоохранения.

В настоящее время твердо установлено, что законы генетики носят всеобщий характер. Однако, поскольку человек – это не только биологическое, но и социальное существо, генетика человека отличается от генетики большинства организмов рядом особенностей:

– для изучения наследования человека неприменим гибридологический анализ (метод скрещиваний); поэтому для генетического анализа используются специфические методы: генеалогический (метод анализа родословных), близнецовый, а также цитогенетические, биохимические, популяционные и др. методы;

– для человека характерны социальные признаки, которые не встречаются у других организмов, например, темперамент, сложные коммуникационные системы, основанные на речи, а также математические, изобразительные, музыкальные и иные способности;

– благодаря общественной поддержке возможно выживание и существование людей с явными отклонениями от нормы (в дикой природе такие организмы оказываются нежизнеспособными).

Генеалогические методы используются для определения наследственного или ненаследственного характера признака, доминантности или рецессивности, картирования хромосом, сцепления с полом, для изучения мутационного процесса. Как правило,генеалогический метод составляет основу для заключений при медико-генетическом консультировании.

Близнецовый метод позволяет делать обоснованные заключения о наследуемости признаков: роли наследственности, среды и случайных факторов в определении признаков человека. Наследуемость – это вклад генетических факторов в изменчивость признака.

Цитогенетические методы используются и для описания интерфазных клеток. Например, по наличию или отсутствию полового хроматина (телец Барра, представляющих собой инактивированные X-хромосомы) можно не только определять пол индивидов, но и выявлять некоторые генетические заболевания, связанные с изменением числа X-хромосом.

Использование биохимических методов позволяет выявить гетерозиготных носителей заболеваний. Например, у гетерозиготных носителей гена фенилкетонурии изменяется уровень фенилаланина в крови.

В популяциях человека наблюдается высокий уровень полиморфизма по многим генам: то есть один и тот же ген представлен разными аллелями, что приводит к существованию нескольких генотипов и соответствующих фенотипов. Таким образом, все члены популяции отличаются друг от друга в генетическом отношении: практически в популяции невозможно найти даже двух генетически одинаковых людей (за исключением однояйцевых близнецов).

Генетические заболевания можно разделить на геномные (изменяется число хромосом, например, при синдроме Дауна, или трисомии 21), хромосомные (изменяется структура хромосом, например, при синдроме «кошачьего крика»), и молекулярные (изменяется последовательность нуклеотидов ДНК – большинство заболеваний, например, при фенилкетонурии).

Заболевания с наследственной предрасположенностью зависят и от генотипа, и от среды, например: гипертоническая болезнь, сахарный диабет, ревматоидные заболевания, ЯБ желудка, онкологические заболевания, шизофрения и др. Обычно это полигенныезаболевания, обусловленные сочетанием нескольких генетических дефектов. Факторами, способствующими развитию этих заболеваний, являются неправильное питание, гиподинамия, различные вредные привычки. Иначе говоря, эти болезни имеют мультифакториальную природу.

Хромосомные болезни (синдромы) в большинстве случаев не наследуются. Нарушения числа или структуры хромосом возникают в гаметогенезе родителей.

Медико-генетическое консультирование призвано избавить человечество от страданий, связанных с наследственными (генетическими) заболеваниями. Главные цели медико-генетического консультирования заключаются в установлении роли генотипа в развитии данного заболевания и прогнозировании риска иметь больных потомков. Рекомендации, даваемые в медико-генетических консультациях в отношении заключения брака или прогноза генетической полноценности потомства, направлены на то, чтобы они учитывались консультируемыми лицами, которые добровольно принимают соответствующее решение.

Методы пренатальной диагностики разнообразны: от УЗИ до фетоскопии (прямом рассматривании плода через специальный зонд). Хорионбиопсия и плацентобиопсия позволяют производить наиболее раннюю диагоностику, но риск осложнений достигает 3 %. Кордоцентез производится слишком поздно, что затрудняет повторные исследования в случае сомнений. Амниоцентез – получение амниотической жидкости и клеток плода с помощью прокола плодного пузыря операции под контролем УЗИ – простейшей, не травмирующей плод хирургической. Этим методом диагностируют хромосомные и генные мутации. Риск осложнений относительно невелик – примерно 0,2 %.

90. К прокариотам относят бактерии и сине-зелёные водоросли (цианеи). Наследственный аппарат прокариот представлен одной кольцевой молекулой ДНК, не образующей связей с белками и содержащей по одной копии каждого гена - гаплоидные организмы. В цитоплазме имеется большое количество мелких рибосом; отсутствуют или слабо выражены внутренние мембраны. Ферменты пластического обмена расположены диффузно. Аппарат Гольджи представлен отдельными пузырьками. Ферментные системы энергетического обмена упорядоченно расположены на внутренней поверхности наружной цитоплазматической мембраны. Снаружи клетка окружена толстой клеточной стенкой. Многие прокариоты способны к спорообразованию в неблагоприятных условиях существования; при этом выделяется небольшой участок цитоплазмы содержащий ДНК, и окружается толстой многослойной капсулой. Процессы метаболизма внутри споры практически прекращаются. Попадая в благоприятные условия, спора преобразуется в активную клеточную форму. Размножение прокариот происходит простым делением надвое.

Признаки	Прокариоты	Эукариоты
1 ЯДЕРНАЯ МЕМБРАНА	Отсутствует	Имеется
ПЛАЗМАТИЧЕСКАЯ МЕМБРАНА	Имеется	Имеется
МИТОХОНДРИИ	Отсутствуют	Имеются
ЭПС	Отсутствует	Имеется
РИБОСОМЫ	Имеются	Имеются
ВАКУОЛИ	Отсутствуют	Имеются (особенно характерны для растений)
ЛИЗОСОМЫ	Отсутствуют	Имеются
КЛЕТОЧНАЯ СТЕНКА	Имеется, состоит из сложного гетерополимерного вещества	Отсутствует в животных клетках, в растительных состоит из целлюлозы
КАПСУЛА	Если имеется, то состоит из соединений белка и сахара	Отсутствует
КОМПЛЕКС ГОЛЬДЖИ	Отсутствует	Имеется
ДЕЛЕНИЕ	Простое	Митоз, амитоз, мейоз

Одной из отличительных особенностей эукариотической клетки является развитие в ее цитоплазме скелетных образований в виде микротрубочек и пучков белковых волокон. Элементы цитоскелета тесно связаны с наружной цитоплазматической мембраной и ядерной оболочкой, образуют сложные переплетения в цитоплазме. Опорные элемеиты цитоплазмы определяют форму клетки, обеспечивают движение внутриклеточных структур и перемещение всей клетки.

Ядро окружено двойной мембраной, пронизанной порами, посредством которых оно тесно связано с каналами эндоплазматической сети и цитоплазмой. Внутри ядра находится хроматин - спирализованные участки хромосом. В период деления клетки они превращаются в палочковидные структуры, хорошо различимые в световой микроскоп. Хромосомы - это сложный комплекс белков с ДНК, называемый нуклеопротеидом. Функции ядра состоят в регуляции всех жизненных отправлений клетки, которую оно осуществляет при помощи ДНК и РНК-материальных носителей наследственной информации. В ходе подготовки к делению клетки ДНК удваивается, в процессе митоза хромосомы расходятся и передаются дочерним клеткам, обеспечивая преемственность наследственной информации у каждого вида организмов. Кариоплазма - жидкая фаза ядра, в которой в растворенном виде находятся продукты жизнедеятельности ядерных структур. Ядрышко - обособленная, наиболее плотная часть ядра. В состав ядрышка входят сложные белки и РНК, свободные или связанные фосфаты калия, магния, кальция, железа, цинка, а также рибосомы. Ядрышко исчезает перед началом деления клетки и вновь формируется в последней фазе деления.

Таким образом, клетка обладает тонкой и весьма сложной организацией. Обширная сеть цитоплазматических мембран и мембранный принцип строения органоидов позволяют разграничить множество одновременно протекающих в клетке химических реакций. Каждое из внутриклеточных образований имеет свою структуру и специфическую функцию, но только при их взаимодействии возможна гармоничная жизнедеятельность клетки. На основе такого взаимодействия вещества из окружающей среды поступают в клетку, а отработанные продукты выводятся из нее во внешнюю среду - так совершается обмен веществ. Совершенство структурной организации клетки могло возникнуть только в результате длительной биологической эволюции, в процессе которой выполняемые ею функции постепенно усложнялись.

Простейшие одноклеточные формы представляют собой и клетку, и организм. В многоклеточных организмах клетки образуют однородные группы - ткани. В свою очередь ткани формируют органы, системы, и их функции определяются общей жизнедеятельностью целостного организма.

91. Вирусы – это особая форма жизни, объединяющая организмы с неклеточным строением. Вне клеток существуют свободные вирусы – вирионы. Вирионы не проявляют свойств биологических систем: у них отсутствует обмен веществ, и они неспособны к самовоспроизведению. Вирионы состоят из нуклеиновых кислот (ДНК или РНК), заключенных в белковую оболочку – капсид. Размеры вирусов колеблются от 20 до 350 нм. По морфологии различают следующие формы вирусов: сферическую, палочковидную, кубоидальную, сперматозоидную. По характеру симметрии капсида различают вирусы со спиральным, кубическим (икосаэдрическим) и комбинированным типом симметрии. У простых вирусов в состав вириона входит только нуклеиновая кислота и белки, которые связаны в единую нуклеопротеиновую структуру – нуклеокапсид. У сложных вирусов имеется дополнительная липопротеиновая оболочка – суперкапсид. В состав сложных вирионов могут входить углеводы и некоторые ферменты. Однако вирусы никогда не содержат метаболических систем, обеспечивающих обмен веществ. Геном вирусов включает: – Структурные гены, которые кодируют белки. Занимают примерно 95 % вирусной хромосомы. Белки вирусов можно разделить на несколько групп: структурные, ферменты, регуляторы. – Регуляторные последовательности, которые не кодируют белки: промоторы, операторы и терминаторы. – Прочие некодирующие участки (сайты), в том числе: – участок attP, обеспечивающий интеграцию вирусной хромосомы в хромосому клетки–хозяина; – участки cos – липкие концевые участки линейных вирусных хромосом, обеспечивающие замыкание линейной хромосомы в кольцевую форму.

Механизм инфицирования: присоединение к клеточной мембране (адсорбция), проникновение в клетку и ее перепрограммирование, персистенция; транскрипция, трансляция и репликация вирусного генома, созревание вирионов и выход из клетки.

К ДНК-содержащим вирусам относятся многие вирусы бактерий – бактериофаги (или просто фаги). Некоторые мелкие фаги (М13) при репродукции не разрушают клетку. Репродукция крупных фагов (Т–4) приводит к гибели клетки. Фаг Т–4 – это один из наиболее сложно организованных вирусов. Белковый капсид включает не менее 130 белков, образующих головку, воротничок, сократимый хвост, базальную пластинку и хвостовые нити. Такое строение капсида позволяет впрыскивать ДНК в бактериальную клетку через толстую оболочку, поэтому подобные вирусы образно называют «живыми шприцами». Т–фаги могут существовать в виде профага длительное время. К ДНК-содержащим вирусам относятся возбудители многих заболеваний человека и животных: вирусы оспы, герпеса, гепатита В, аденовирусы млекопитающих и человека (вызывают желудочно-кишечные заболевания, ОРВИ, конъюнктивиты), вирусы бородавок человека. К ДНК-содержащим вирусам относятся и некоторые вирусы растений (вирус золотистой мозаики фасоли, вирус мозаики цветной капусты). Некоторые вирусы используются в генной инженерии для переноса генов (вирус SV 40).

Вирионы ДНК-содержащих вирусов содержат ДНК. Объемом ДНК определяется количество белков в вирионе: один полипептид кодируется отрезком ДНК длиной примерно 1 т.п.н. После проникновения в клетку вирусная ДНК становится матрицей для синтеза ДНК и РНК.

К РНК-содержащим вирусам относятся многие вирусы растений, возбудители заболеваний человека и животных: вирус полиомиелита, вирусы гриппа А, В и С, вирусы паротита (свинки), кори, чумы плотоядных животных (чумки), бешенства, вирус иммунодефицита человека (ВИЧ). В отдельную группу выделяются арбовирусы, которые переносятся членистоногими (клещами, москитами), например, вирусы клещевого энцефалита, желтой лихорадки. Многие РНК-содержащие вирусы вызывают ОРВИ, желудочно-кишечные заболевания.

Вирионы РНК-содержащих вирусов содержат РНК. После проникновения в клетку вирусная РНК становится матрицей для синтеза ДНК и РНК. Примеры организации генома РНК-содержащих вирусов:

1. Линейная одноцепочечная мРНК (плюс–цепь) длиной около 4 тн.

– Вирус табачной мозаики (ВТМ) – сегментированная РНК. Вирион нитевидный; открыт Ивановским 1982.

– Вирус полиомиелита – несегментированная РНК. Вирионы мелкие, в виде икосаэдра.Капсид белковый. 

– Вирус бешенства. Нитевидный вирион. Имеется дополнительная липопротеиновая оболочка.

2. Линейная одноцепочечная кРНК. Вегетативно-репродуктивная фаза этих вирусов протекает в цитоплазме.

– Вирусы гриппа А, В, С. В состав суперкапсида входит два белка, определяющих антигенныесвойства вируса: гемагглютинин и нейраминидаза.

– Вирусы паротита (свинки), кори, чумы плотоядных животных (чумки).

3. Две линейные одноцепочечные одинаковые молекулы мРНК.Ретровирусы. Способны интегрироваться в ДНК. В состав вирионов входит фермент обратная транскриптаза (ревертаза).

– Вирус иммунодефицита человека (ВИЧ). Содержит одну плюс-цепь РНК, кодирует 13 белков. Сферический вирион. Имеется дополнительная липопротеиновая оболочка, включающая фрагменты мембран человека. Избирательно поражает Т–лимфоциты.

101. Гликолиз - анаэробный процесс, приводящий к распаду молекулы глюкозы до двух молекул молочной кислоты с аккумуляцией энергии в макроэргических связях АТФ. (Работы Иванова, Костычева, Лебедева, Эмдена, Парнаса). 10 реакций: 1) фосфорилирование глюкозы; фермент гексокиназа; с затратой 1 АТФ; образуется глюкозо-6-фосфат. Для протекания реакции необходимо наличие в среде ионов Mg2+, с которым комплексно связывается молекула АТФ. Эта реакция необратима и является первой ключевой реакцией гликолиза. 2) фермент фосфоглюкоизомеразой Г-6-Ф превращается во фруктозо-6-фосфат (Ф-6-Ф). Энергия для этой реакции не требуется, и реакция является полностью обратимой. На данном этапе в процесс гликолиза может также включаться путём фосфорилирования и фруктоза. Далее почти сразу друг за другом следуют две реакции: необратимое фосфорилирование фруктозо-6-фосфата (3) и обратимое альдольное расщепление образовавшегося фруктозо-1,6-бифосфата (Ф-1,6-бФ) на две триозы (4). Фосфорилирование Ф-6-Ф осуществляется фосфофруктокиназой с затратой энергии ещё одной молекулы АТФ; это вторая ключевая реакция гликолиза, её регуляция определяет интенсивность гликолиза в целом. Альдольное расщепление Ф-1,6-бФ происходит под действием альдолазы фруктозо-1,6-бифосфата. В результате четвёртой реакции образуются дигидроксиацетонфосфат и глицеральдегид-3-фосфат, причём первый почти сразу под действием фосфотриозоизомеразы переходит во второй (5), который и участвует в дальнейших превращениях. Каждая молекула глицеральдегидфосфата окисляется НАД+ в присутствии дегидрогеназы глицеральдегидфосфата до 1,3-дифосфоглицерата (6). Далее с 1,3-дифосфоглицерата, содержащего макроэргическую связь в 1 положении, ферментом фосфоглицераткиназой на молекулу АДФ переносится остаток фосфорной кислоты (7) — образуется молекула АТФ. Это первая реакция субстратного фосфорилирования. С этого момента процесс расщепления глюкозы перестаёт быть убыточным в энергетическом плане, так как энергетические затраты первого этапа оказываются компенсированными: синтезируются 2 молекулы АТФ (по одной на каждый 1,3-дифосфоглицерат) вместо двух потраченных в реакциях 1 и 3. Для протекания данной реакции требуется присутствие в цитозоле АДФ, то есть при избытке в клетке АТФ (и недостатке АДФ) её скорость снижается. Поскольку АТФ, не подвергающийся метаболизму, в клетке не депонируется а просто разрушается, то эта реакция является важным регулятором гликолиза. Затем последовательно: фосфоглицеролмутаза образует 2-фосфоглицерат (8). Енолаза образует фосфоенолпируват (9). И наконец происходит вторая реакция субстратного фосфорилирования АДФ с образованием енольной формы пирувата и АТФ (10).Реакция протекает под действием пируваткиназы. Это последняя ключевая реакция гликолиза. Изомеризация енольной формы пирувата в пируват происходит неферментативно. С момента образования Ф-1,6-бФ с выделением энергии протекают только реакции 7 и 10, в которых и происходит к субстратное фосфорилирование АДФ.

Результатом гликолиза является превращение одной молекулы глюкозы в две молекулы ПВК и образование двух восстановительных эквивалентов в виде НАД∙H. Полное уравнение гликолиза:

Глю + 2НАД+ + 2АДФ + 2Фн = 2НАД∙Н + 2ПВК + 2АТФ + 2H2O + 2Н+. При отсутствии или недостатке в клетке кислорода пировиноградная кислота подвергается восстановлению до молочной кислоты, тогда общее уравнение гликолиза: Глюкоза + 2АДФ + 2Фн = 2лактат + 2АТФ + 2H2O. Таким образом, при анаэробном расщеплении одной молекулы глюкозы суммарный чистый выход АТФ составляет две молекулы, полученные в реакциях субстратного фосфорилирования АДФ. У аэробных организмов конечные продукты гликолиза подвергаются дальнейшим превращениям в биохимических циклах, относящихся к клеточному дыханию. В итоге после полного окисления всех метаболитов одной молекулы глюкозы на последнем этапе клеточного дыхания — окислительном фосфорилировании, происходящем на дыхательной цепи в присутствии кислорода, — дополнительно синтезируются ещё 34 или 36 молекулы АТФ на каждую м-лу глюкозы.

Гликогенолиз - биохимическая реакция, протекающая в печени и мышцах, во время которой гликоген расщепляется до глюкозы и глюкозо-6-фосфата. Гликогенолиз стимулируется глюкагоном и адреналином.

Брожение — это процесс, важный в анаэробных условиях, в отсутствие окислительного фосфорилирования. В ходе брожения, как и в ходе гликолиза, образуется АТФ. Во время брожения пируват преобразуется в различные ве-ва. Хотя на последнем этапе брожения не освобождается энергия, он крайне важен для анаэробной клетки, поскольку на этом этапе регенерируется никотинамидадениндинуклеотид (NAD+), который требуется для гликолиза. Это важно для нормальной жизнедеятельности клетки, поскольку гликолиз для многих организмов— единственный источник АТФ в анаэробных условиях. Спиртовое брожение: пируват расщепляется на этанол и диоксид углерода. Из одной молекулы глюкозы в результате получается две молекулы питьевого спирта (этанола) и две молекулы углекислого газа. Этот вид брожения очень важен в производстве хлеба, пивоварении, виноделии. Молочнокислое брожение: пируват восстанавливается до молочной кислоты, осуществляют молочнокислые бактерии и другие организмы. При сбраживании молока молочнокислые бактерии преобразуют лактозу в молочную кислоту, превращая молоко в кисломолочные продукты (йогурт, простокваша и др.); молочная кислота придаёт этим продуктам кисловатый вкус. Молочнокислое брожение происходит также в мышцах животных, когда потребность в энергии выше, чем обеспечиваемаядыханием, и кровь не успевает доставлять кислород.

102. При аэробном дыхании образующаяся в процессе гликолиза пировиноградная кислота в конечном итоге полностью окисляется кислородом до СО2 и воды. В первой фазе пировиноградная кислота расщепляется с образованием СO2 и водорода. Этот процесс протекает в матриксе митохондрий и включает в себя последовательность реакций, называемую циклом Кребса. Во второй фазе отщепившийся водород через ряд окислительно-восстановительных реакций — в так называемой дыхательной цепи — окисляется в конечном счете молекулярным кислородом до воды. Это происходит на так называемых кристах (гребневидных складках внутренней мембраны митохондрий).

Каждая молекула ПВК поступает в матрикс митохондрий и здесь — в виде ацетильной группы (СН₃СОО-) — соединяется с КоА, образуется ацетил-КоА. Отщепление атома углерода в виде С0₂ — окислительное декарбоксилирование, поскольку оно сопровождается окислением путем дегидрирования, в результате чего образуется восстановленный НАД.

Образовавшийся в результате окислительного декарбоксилирования пирувата в митохондриях ацетил-КоА вступает в цикл Кребса. Данный цикл происходит в матриксе митохондрий и состоит из восьмипоследовательных реакций. Начинается цикл с присоединения ацетил-КоА к оксалоацетату и образования цитрата. Затем лимонная кислота (шестиуглеродное соединение) путем ряда дегидрирований и двух декарбоксилирований теряет два углеродных атома и снова в цикле Кребса превращается в оксалоацетат (четырехуглеродное соединение), т.е. в результате полного оборота цикла одна молекула ацетил-КоА сгорает до СО2 и Н2О, а молекула оксалоацетата регенерируется.

1) катализируется цитрат-синтазой; ацетил-КоА конденсируется с оксалоацетатом, образуется цитрат.

2) лимонная кислота подвергается дегидратированию с образованием цис-аконитовой кислоты, которая, присоединяя молекулу воды, переходит в изоцитрат. Фермент аконитаза. В результате происходит взаимоперемещение Н и ОН в молекуле цитрата.

3) лимитирует скорость цикла Кребса. Изоцитрат дегидрируется в присутствии НАД-зависимой изо-цитратдегидрогеназы. В ходе изоцитратдегидрогеназной реакции изолимонная кислота одновременно декарбоксилируется. НАД-зависимая изоцитратдегидрогеназа является аллостерическим ферментом, которому в качестве специфического активатора необходим АДФ. Кроме того, фермент для проявления своей активностинуждается в ионах Mg2+или Мn2+.

4) окислительное декарбокси-лирование α-кетоглутаровой кислоты с образованием высокоэнергетического соединения сукцинил-КоА. Механизм этой реакции сходен с таковымреакции окислительного декарбоксилирования пирувата до ацетил-КоА, α-кетоглутаратдегидрогеназный комплекс напоминает по своей структуре пируватдегидрогеназный комплекс. Как в одном, так и в другом случае в реакции принимают участие 5 коферментов: ТПФ, амид липоевой кислоты, HS-KoA, ФАД и НАД+.

5) фермент сукцинил-КоА-синтетаза. Сукцинил-КоА при участии ГТФ и неорганического фосфата превращается в янтарную кислоту (сукцинат). Одновременно происходит образование высокоэргической фосфатной связи ГТФ за счет высокоэргической тиоэфирной связи сукцинил-КоА

6) сукцинат дегидрируется в фумаровую кислоту. Окисление сукцината катализируется сукцинатдегидрогеназой, в молекуле которой с белком прочно (ковалентно) связан коферментФАД. В свою очередь сукцинатдегидрогеназа прочно связана с внутренней ми-тохондриальной мембраной

7) фермент фумараза. Фумаровая кислота гидратируется, продуктом реакции является яблочная кислота (малат). Фумараза обладает стереоспецифичностью – в ходе реакции образуется L-яблочная кислота.

8) под влиянием митохондриальной НАД-зависимой малатдегидрогеназы происходит окисление L-малата в оксалоацетат.

Цикл Кребса регулируется по механизму отрицательной обратной связи, при наличии большого количества субстратов (ацетил-КоА, оксалоацетат), цикл активно работает, а при избытке продуктов реакции (NADH, ATP) тормозится. Регуляция осуществляется и при помощи гормонов (инсулин и адреналин), основным источником ацетил-КоА является глюкоза, поэтому гормоны, способствующие аэробному распаду глюкозы, способствуют работе цикла Кребса. Глюкагон стимулирует синтез глю и ингибирует реакции цикла Кребса.

Энергетический баланс: гликолиз = 6+2+2-2 = 8 АТФ; окислительное декарбоксилирование ПВК = 6 АТФ; цикл Кребса = 6+6+2+4+6 =24 АТФ. ∑ 38 молекут АТФ на 1 моль глюкозы в аэробных условиях.

103. Гликогеногенез. Гликоген синтезируется в период пищеварения (через 1-2 ч после приёма углеводной пищи). Глюкоза, поступающая в клетку, фосфорилируется при участии АТФ (реакция 1). Затем глюкозо-6-фосфат в ходе обратимой реакции превращается в глюкозо-1 -фосфат (реакция 2) под действием фермента фосфоглюкомутазы. Чтобы синтез гликогена был термодинамически необратимым, необходима дополнительная стадия образования уридинди-фосфатглюкозы из УТФ и глюкозо-1-фосфата (реакция 3).

Реакция образования УДФ-глюкозы обусловливает необратимость всей серии реакций, протекающих при синтезе гликогена. Этим же объясняется невозможность протекания распадагликогена путём простого обращения процесса его синтеза. УДФ-глюкоза далее используется как донор остатка глюкозы при синтезе гликогена (реакция 4). Эту реакцию катализирует гликогенсинтаза (глюкозилтрансфераза). Нуклеотидная часть УДФ-глюкозы играет существенную роль в действии гликоген синтазы, выполняя функцию "рукоятки", при помощи которой фермент располагает глюкозу в полисахаридной цепи в нужном положении. Кроме того, нуклеотидная часть УДФ-глюкозы, по-видимому, необходима для узнавания субстрата при катализе.

Так как гликоген в клетке никогда не расщепляется полностью, синтез гликогена осуществляется путём удлинения уже имеющейся молекулы полисахарида, называемой "затравка".

Разветвлённая структура гликогена образуется при участии амило-1,4→1,6-глюкозилтрансферазы, называемой ферментом "ветвления". Таким образом, по мере синтеза гликогена многократно возрастает число ветвлений. Концы цепей служат точками роста молекулы при её синтезе и началом при её распаде.

Глюконеогенез - это синтез глюкозы из неуглеводных предшественников. У млекопитающих эту функцию выполняет в основном печень, в меньшей мере - почки и клетки слизистой кишечника. В условиях голодания часть тканевых белков распадается до аминокислот, которые затем используются в глюконеогенезе. При распаде жиров образуется глицерин, который через диоксиацетонфосфат включается в глюконеогенез. Лактат, образующийся при интенсивной физической работе в мышцах, затем в печени превращается в глюкозу. Следовательно, физиологическая роль глюконеогенеза из лактата и из аминокислот и глицерина различна. Синтез глюкозы из пирувата протекает, как и при гликолизе, но в обратном направлении. Ферменты: 1-пируваткарбоксилаза, 2-ФЕПкарбоксикиназа, 3-фосфатаза фру-1,6-дифосфата, 4-глюкозо-6-фосфатаза.

Семь реакций гликолиза легко обратимы и используются в глюконеогенезе. Но три киназные реакции необратимы и должны шунтироваться. Так, фруктозо-1,6-дифосфат и глюкозо-6-фосфат дефосфорилируются специфическими фосфатазами, а пируват фосфорилируется до образования фосфоенолпирувата посредством двух промежуточных стадий через оксалоацетат. Образование оксалоацетата катализируется пируваткарбоксилазой. Этот фермент содержит в качестве кофермента биотин. Оксалоацетат образуется в митохондриях, транспортируется в цитозоль и включается в глюконеогенез. Каждая из необратимых реакций гликолиза вместе с соответствующей ей необратимой реакцией глюконеогенеза составляют цикл, называемый субстратным. Суммарное уравнение глюконеогенеза из ПВК:

2ПВК + 4ATФ + 2GTP + 2(NADH) + 4 Н₂О→Глю+ 4ADP + 2GDP + 2NAD⁺ + 6Н₃РО₄. За сутки в организме может синтезироваться до 80 г глюкозы. На синтез 1 моль глюкозы из пирувата расходуется 4 ATФ и 2 GTP.

Цикл Кори. Лактат, образованный в анаэробном гликолизе, не является конечным продуктом метаболизма. Использование лактата связано с его превращением в печени в пируват. Лактат как источник пирувата важен не столько при голодании, сколько при нормальной жизнедеятельности организма. Его превращение в пируват и дальнейшее использование последнего являются способом утилизации лактата.

Лактат, образовавшийся в интенсивно работающих мышцах или в клетках с преобладающим анаэробным способом катаболизма глюкозы, поступает в кровь, а затем в печень. В печени отношение NADH/NAD⁺ ниже, чем в сокращающейся мышце, поэтому лактатдегидрогеназная реакция протекает в обратном направлении, т.е. в сторону образования пирувата из лактата. Далее пируват включается в глюконеогенез, а образовавшаяся глюкоза поступает в кровь и поглощается скелетными мышцами. Эту последовательность событий называют глюкозо-лактатным циклом, или циклом Кори. Цикл Кори выполняет 2 важнейшие функции: 1 - обеспечивает утилизацию лактата; 2 - предотвращает накопление лактата и, как следствие этого, опасное снижение рН (лактоацидоз). Часть пирувата, образованного из лактата, окисляется печенью до СО₂ и Н₂О. Энергия окисления может использоваться для синтеза АТФ, необходимого для реакций глюконеогенеза.

104. Науку, изучающую трансформацию энергии в живых системах, называют биоэнергетикой. Теоретической базой биоэнергетики является химическая термодинамика.

Первый закон биоэнергетики. Живая клетка избегает прямого использования энергии внешних ресурсов для совершения полезной работы. Она сначала превращает ее в одну из трех конвертируемых форм энергии. А именно в аденозинтрифосфорную кислоту (АТФ), натриевый потенциал (ΔμNa+), протонный потенциал (ΔμН+). Полученная в организме энергия расходуется на осуществление различных энергоемких процессов и играет роль посредника между процессами запасания и ее транспорта. Простейшим примером конвертации энергии в запас может быть гликолиз или расщепление углеводов до молочной кислоты: углевод + АДФ → молочная кислота + АТФ.

Если АТФ используется для совершения механической работы (у животных для мышечного сокращения), то цепь процессов завершается расщеплением АТФ до АДФ и Н3РО4 сократительным белком актомиозином: АТФ + НОН → АДФ + Н3РО4 + механическая работа. ΔG° = –29,2 кДж/моль.

Второй закон биоэнергетики. Любая живая клетка всегда располагает как минимум двумя формами энергии: энергией макроэргических связей АТФ и энергией, связанной с мембраной (ΔμН+ либо ΔμNa+). Клетки растений располагают АТФ и ΔμН+. ΔμNa+ может образоваться на плазмолемме и играет подчиненную роль. Животная клетка обладает всеми тремя формами энергии. Для плазмолеммы характерен ΔμNa+, а для внутриклеточных мембран — ΔμН+.

Третий закон биоэнергетики. Энергетические формы могут превращаться одна в другую. Поэтому получение хотя бы одной из них за счет внешних ресурсов достаточно для поддержания жизнедеятельности. Взаимопревращения АТФ, ΔμNa+, ΔμН+ осуществляются специальными ферментами. Взаимопереход

АТФ ↔ ΔμNa+ обеспечивается Na+-АТФ-синтазой, превращение АТФ ↔ ΔμH+ катализируется Н+-АТФ-синтазой, а равновесие ΔμН+ ↔ ΔμNa+ осуществляется Н+/Na+-антипортом.

Термодинамика изучает законы взаимного превращения различных видов энергии при химических и физических процессах, связанных с переходом энергии между телами в форме теплоты и работы.

Теплота — неупорядоченная форма передачи энергии в результате контакта непрерывно движущихся микрочастиц. Условием передачи энергии в форме теплоты является наличие температурного градиента, тогда теплота переходит из более горячей области в более холодную.Работа — упорядоченная форма передачи энергии, связанная с преодолением внешнего сопротивления. Термодинамика рассматривает поведение и свойства тел, т. е. макроскопических систем, состоящих из большого числа молекул. Предметом

изучения термодинамики являются энергия и законы взаимных превращений форм энергии в равновесных системах. Первый закон термодинамики утверждает, что общий запас внутренней энергии остается постоянным, если отсутствует обмен с окружающей средой, доказывает эквивалентность различных форм энергии. Энергия (от гр. energeia — деятельность) — одно из основных свойств материи, мера ее движения и взаимодействия; мера перехода одной формы движения в другую; степень изменчивости системы; способность производить работу. Химическая термодинамика применяет законы термодинамики к изучению состава, свойств и поведения веществ в химических процессах. Она является теоретической основой биоэнергетики. В термодинамике часто используют понятие «термодинамическая система». Система — это тело или совокупность тел, выделенных из пространства. Все, что окружает систему, называют средой. Часть системы, имеющая одинаковые во всем объеме физические и химические свойства и отделенная от других частей поверхностью раздела, называется фазой. В зависимости от фазового состава различают: 1) гомогенные системы — состоят из одной фазы (физиологический раствор, плазма крови); 2) гетерогенные системы — состоят из двух фаз или более. На поверхности раздела фаз такой системы некоторые свойства изменяются скачкообразно (суспензия мела в воде, кровь). В зависимости от характера взаимодействия системы с окружающей средой различают открытые, закрытые, изолированные системы. Открытые системы могут обмениваться с окружающей средой как веществом, так и энергией. Примерами могут служить живой

организм, раствор в открытой колбе, химический завод. Закрытая система может обмениваться с окружающей средой только энергией. Такие системы типичны для химических экспериментов и производств. Раствор химического вещества в колбе с пробкой, промышленные установки и реакторы, спроектированные с учетом исключения загрязнений окружающей среды токсичными веществами. В анатомическом музее препарат в форме изолированного органа тоже представляет собой закрытую систему. В изолированных системах отсутствует всякий обмен с окружающей средой, как веществом, так и энергией.

В действительности невозможно устранить обмен теплотой. Поэтому строго изолированных систем не существует. Как некоторое приближение к изолированной системе можно представить жидкость,

помещенную в термос. Количественно свойства системы оценивают термодинамическими

параметрами. Состоянием системы называется совокупность условий существования и состава системы.

105. В н.вр. представление о биологическом окислении связывают со следующими теориями: так называемой «активации» водорода Палладина и Виланда и «активации» кислорода Баха. Теория активирования кислорода, разработанная в 1897 Бахом, известна также под названием «перекисной теории окисления». Суть теории: молекулярный кислород вступает в реакцию с легко окисляемым соединением и дает перекиси. Затем происходит перенос перекисного кислорода с перекиси на другие молекулы, не реагирующие с молекулярным кислородом. Бах считал, что в этом процессе принимают участие следующие ферменты: оксигеназа и пероксидаза. Эта теория приемлема к ряду окислительных процессов в растительных тканях.

Универсальной и совершенно новой теорией является теории «активации» водорода, созданная Палладиным. В основе этой теории лежат процессы дегидрирования - отнятия водорода. Палладин полагал, что атмосферный кислород не доходит до окисляемого вещества, а является только акцептором водорода. Виланд подтвердил теорию Палладина на примере окисления этилового спирта в уксусный альдегид, а последнего в уксусною кислоту, показав, что окисление идет при отсутствии кислорода, путем дегидрирования.

Окислительное фосфорилирование. Перенос электронов и протонов по ОВ цепи ферментов сопровождается высвобождением энергии, большая часть которой трансформируется в энергию макроэргических соединений. Неиспользованная энергия рассеивается в виде тепла. Для синтеза АТФ необходим АДФ, неорганический фосфат, 8-10 ккал энергии и соответствующие ферменты.

При распаде АТФ соответственно высвобождается такое же количество энергии. Процесс синтеза АТФ из АДФ и неорг. фосфата за счет энергии дыхания (энергии переноса электронов) получил название окислительного фосфорилирования.

Идея о наличии сопряжения между фосфорилированием АДФ  и аэробным дыханием впервые была высказана советским ученым В. А. Энгальгардом. При дальнейшем изучении энергетики дыхательной цепи оказалось, что в дыхательной цепи имеется три участка, в которых перенос электронов сопровождается высвобождением энергии, превышающим величину стандартной свободной энергии образования АТФ. Оказалось, что в цепи дыхания происходит три реакции фосфорилирования. То есть при окислении одной молекулы водорода происходит образование трех молекул АТФ в следующих местах дыхательной цепи: Между НАДН и флавопротеидом; Между цитохромами b и с; Между цитохромом а и м-лярным кислородом. Процесс ок-ного фосфорилирования, как и процесс биологического окисления, происходит в митохондриях.

К числу ферментов дыхательной цепи относятся: 1)Пиридинзависимые дегидрогеназы с коферментом НАД + и НАДФ+; 2)флавопротеиды, у которых простетической группой служат ФМН и ФАД; 3)Цитохромы и цитохромоксидаза, их простетической группой является гем.

Дыхательная цепь подразделяется на водородопереносящую (флавопротеиды) и электронопереносящую (цитохромы). Атомы водорода (протоны и электроны) от окисляемого субстрата присоединяются к НАД+ . Восстановленная форма НАД+ (НАДН) передает водород флавопротеидам. Дальнейшая судьба водорода может быть различной. Водород с флавопротеидов может быть передан прямо на кислород с образованием перекиси водорода. Последняя распадается под действием каталазы на кислород и воду. У высших животных в процессе тканевого дыхания (аэробного окисления) не происходит образования H2O2.

Основное количество молекул АТФ вырабатывается по способу окислительного фосфорилирования на последней стадии клеточного дыхания: в электронтранспортной цепи. Здесь происходит окисление НАД∙Н и ФАДН2, восстановленных в процессах гликолиза, β-окисления, цикла Кребса и т. д.. Энергия, выделяющаяся в ходе этих реакций, благодаря цепи переносчиков электронов, локализованной во внутренней мембране мтх (у прокариот — в цитоплазматической мембране), трансформируется в трансмембранный протонный потенциал. Фермент АТФ-синтаза использует этот градиент для синтеза АТФ, преобразуя его энергию в энергию химических связей. Подсчитано, что молекула НАД∙Н может дать в ходе этого процесса 2.5 молекулы АТФ, ФАДН2 — 1.5 молекулы. Конечным акцептором электрона в дыхательной цепи аэробов является кислород.

Субстратное фосфорилирование - процесс образования АТФ, не связанный с мембранами. В этом случае АТФ образуется за счет того, что фосфатная группа перемещается от фосфорилированного соединения (субстрата) к АДФ. Такой способ реализуется при гликолизе и разнообразных видах брожения. Субстратное фосфорилирование осуществляется в цитоплазме и может быть воспроизведено в бесклеточных экстрактах.

При участии фосфотрансферазы – фосфатная группа от фосфоорганического соединения R1 – фосфат с более высокой, чем АТФ, энергией, переносится через АДФ. Это приводит к образованию АТФ. АТФ, в свою очередь, под действием другого фермента переносит концевую фосфатную группу на молекулы органических соединений с меньшей энергией, чем АТФ, тем самым запасая в них энергию. При этом вновь

образуется АДФ. Энергия гидролиза АТФ в свою очередь используется для обеспечения эндергонических процессов. Реакция фосфорилирования АДФ и последующего использования АТФ в качестве источника энергии образует циклический процес.

106. Липиды — один из важнейших классов сложных молекул, присутствующих в клетках и тканях животных. Липиды выполняют самые разнообразные функции: снабжают энергией клеточные процессы, формируют клеточные мембраны, участвуют в межклеточной и внутриклеточной сигнализации. Липиды служат предшественниками стероидных гормонов, жёлчных кислот,простагландинов и фосфоинозитидов. В крови содержатся отдельные компоненты липидов (насыщенные жирные кислоты, мононенасыщенные жирные кислоты и полиненасыщенные жирные кислоты), триглицериды, холестерин, эфиры холестерина и фосфолипиды. Все эти вещества не растворимы в воде, поэтому в организме имеется сложная система транспорта липидов. Свободные (неэтерифицированные) жирные кислоты переносятся кровью в виде комплексов с альбумином. Триглицериды, холестерин и фосфолипиды транспортируются в форме водорастворимых липопротеидов. Некоторые липиды используются для создания липосом.

Простые липиды. Воска - сложные эфиры жирной кислоты с одноатомным спиртом. Жиры - сложные эфиры жирных кислот с глицерином.

Жирные кислоты – структурные компоненты различных липидов. Жирные кислоты липидов человека представляют собой углеводородную неразветвленную цепь на одном конце которой находится карбоксильная группа, а на другом – метильная группа. Большинство жирных кислот в организме содержит четное число атомов углерода от 16 до 20. В молекуле природного жира содержатся разные жирные кислоты. Жиры, содержащие преимущественно насыщенные кислоты, являются твердыми (говяжий, бараний жиры), а содержащие большое количество ненасыщенных жирных кислот – жидкими. Жидкие жиры или масла обычно имеют растительное происхождение.

Сложные липиды. Фосфолипиды – группа липидов, содержащих в своем составе остаток фосфорной кислоты. Фосфолипиды делят на глицерофосфолипиды, основу которых составляет глицерол и сфингофосфолипиды – производные аминоспирта сфингозина. Фосфолипиды являются основой всех клеточных мембран, образуют поверхностный гидрофильный слой липопротеинов крови.

1. Глицерофосфолипиды – это производные глицерола, в котором первый и второй атомы углерода связаны сложно-эфирными связями с остатками жирных кислот, а третий атом углерода этерифицирован фосфорной кислотой, к которой в свою очередь могут быть присоединены различные заместители, чаще всего аминоспирты. Основой фосфолипидов является фосфатидная кислота. 

2. Сфинголипиды – производные аминоспирта сфингозина. Аминоспирт сфингозинсостоит из 18 атомов углерода, содержит гидроксильные группы и аминогруппу.Примером сфинголипидов служат церамиды и сфингомиелины. Вцерамидах спирт сфингозинсвязан с жирными кислотами необычной (амидной связью), а гидраксильные группыспособны взаимодействовать с другими радикалами. Сфингомиелины - N–ацильные производныесфингозина, аминогруппа в которых ацилирована жирной кислотой, а гидроксил упервого атома углерода ацилирован фосфорилхолиновой группой, поэтому их можно отнести кфосфолипидам. В клетке сфингомиелины – основные компоненты миелина и мембран клетокмозга и нервной ткани. Некоторые патологические состояния связаны с изменениемсодержания сфингомиелинов. Так, увеличение содержания сфингомиелинов в стенкахаорты отмечено при атеросклерозе. Церамиды - основа большой группы липидов –гликолипидов, которые содержат в своем составе углеводный компонент. Церебразиды имеют в своем составе моносахариды чаще галактозу илиглюкозу. Ганглиозиды наиболее сложные по составу липиды. Они содержат несколькоуглеводных остатков, среди которых присутствуетN-ацетилнейраминовая кислота. Стероиды – производныециклопентанпергидрофенантрена. В организме основной стероид – холестерол,остальные стероиды – его производные. Холестерол входит в состав мембран ивлияет на структуру бислоя, увеличивая её жесткость. Из холестероласинтезируются желчные кислоты, стероидные гормоны и витамин Д3. Нарушение обменахолестерола приводит к развитию атеросклероза.

Функции липидов: структурная, энергетическая, депонирующая (запасаются в виде ТАГ), защитная, терморегуляционная, регуляторная, сигнальная.

107. Витами́ны (от лат. vita — «жизнь») — группа низкомолекулярных органических соединений относительно простого строения и разнообразной химической природы. Важность некоторых видов еды для предотвращения определённых болезней была известна ещё в древности. Так, древние египтяне знали, что печень помогает от куриной слепоты. Ныне известно, что куриная слепота может вызываться недостатком витамина A. 1753 году Линд опубликовал «Трактат о цинге», где предложил использовать лимоны и лаймы для профилактики цинги. Последний шаг был сделан в 1911 Казимиром Функом, работавшим в Лондоне. Он выделил кристаллический препарат, небольшое количество которого излечивало бери-бери. Препарат был назван «Витамайн», от vita — «жизнь» и amine — «амин», азотсодержащее соединение. Функ высказал предположение, что цинга, пеллагра, рахит — тоже могут вызываться недостатком определенных веществ.

Витамины участвуют во множестве биохимических реакций, выполняя каталитическую функцию в составе активных центров большого количества разнообразных ферментов либо выступая информационными регуляторными посредниками, выполняя сигнальные функции экзогенных прогормонов и гормонов.

Витамины не являются для организма поставщиком энергии и не имеют существенного пластического значения.

С нарушением поступления витаминов в организм связаны 3 принципиальных патологических состояния: недостаток витамина — гиповитаминоз, отсутствие витамина — авитаминоз, и избыток витамина —гипервитаминоз. Витамины делят на жирорастворимые — A, D, E, F, K и водорастворимые — все остальные (B, C и др.). Жирорастворимые витамины накапливаются в организме, причём их депо являются жировая ткань и печень. Водорастворимые витамины в существенных количествах не депонируются (не накапливаются) и при избытке выводятся с водой. Это объясняет то, что гиповитаминозы довольно часто встречаются относительно водорастворимых витаминов, а гипервитаминозы чаще наблюдаются относительно жирорастворимых витаминов.

Жирорастворимые:

А (антиксерофтальмический); ретинол

D (антирахитический); кальциферолы

Е (антистерильный, витамин размножения); токоферолы

К (антигеморрагический); нафтохиноны

Водорастворимые:

B₁(антиневритный); тиамин

В₂ (витамин роста); рибофлавин

В₆ (антидерматитный, адермин); пиридоксин

B₁₂(антианемический); цианкобаламин; кобаламин

РР (антипеллагрический, ниацин); никотинамид

В_c (антианемический); фолиевая кислота

В₃ (антидерматитный); пантотеновая кислота

Н (антисеборейный, фактор роста бактерий, дрожжей и грибков); биотин

С (антискорбутный); аскорбиновая кислота

Р (капилляроукрепляющий, витамин проницаемости); биофлавоноиды

Функции витаминов: А — зрительный процесс; D — обмен Са и Р; Е — защита мембранных липидов; К — кофактор в р-циях карбоксилирования. В1 — декарбоксилирование кетокислот; В2 и РР — дыхание, перенос водорода; В6 — перенос аминогрупп; В12 и Н — коферменты; фолевая и пантотеновая кислота — транспорт м-л; С — восстановитель.

108. ГОРМОНЫ - это биологически активные вещества, которые синтезируются в малых количествах в специализированнных клетках эндокринной системы и через циркулирующие жидкости (например, кровь) доставляются к клеткам-мишеням, где оказывают свое регулирующее действие. Открыты в 1902 году Старлингом и Бейлиссом. Гормоны, как и другие сигнальные молекулы, обладают некоторыми общими свойствами (высокая биологическая активность, специфичность, дистантность):

1) выделяются из вырабатывающих их клеток во внеклеточное пространство;

2) не являются структурными компонентами клеток и не используются как источник энергии.

3) способны специфически взаимодействовать с клетками, имеющими рецепторы для данного гормона.

4)эффективно действуют на клетки в очень низких концентрациях (около 10^-6 - 10^-11 моль/л).

В зависимости от строения гормона существуют два типа взаимодействия. Если молекула гормона липофильна, то она может проникать через липидный слой наружной мембраны клеток-мишеней. Если молекула имеет большие размеры или является полярной, то ее проникновение внутрь клетки невозможно. Поэтому для липофильных гормонов рецепторы находятся внутри клеток-мишеней, а для гидрофильных - рецепторы находятся в наружной мембране.

Механизмы действия гормонов могут быть разными. Одну из групп составляют гормоны, которые соединяются с рецепторами в цитоплазме. К ним относятся гормоны с липофильными свойствами — например, стероидные гормоны (половые, глюко- и минералокортикоиды), а также гормоны щитовидной железы. Они слабо растворимы в воде, при транспорте по крови связываются с белками-носителями.

Считается, что в этой группе гормонов гормон-рецепторный комплекс выполняет роль своеобразного внутриклеточного реле — образовавшись в клетке, он начинает взаимодействовать с хроматином, который находится в клеточных ядрах и состоит из ДНК и белка, и тем самым ускоряет или замедляет работу тех или иных генов. Избирательно влияя на конкретный ген, гормон изменяет концентрацию соответствующей РНК и белка, и вместе с тем корректирует процессы метаболизма.

Биологический результат действия каждого гормона весьма специфичен. Хотя в клетке-мишени гормоны изменяют обычно менее 1 % белков и РНК, этого оказывается вполне достаточно для получения соответствующего физиологического эффекта.

Большинство других гормонов характеризуются тремя особенностями: они растворяются в воде; не связываются с белками-носителями; начинают гормональный процесс, как только соединяются с рецептором, который может находиться в ядре клетки, ее цитоплазме или располагаться на поверхности мембраны.

В механизме действия гормон-рецепторного комплекса таких гормонов обязательно участвуют посредники, которые индуцируют ответ клетки. Наиболее важные из таких посредников — цАМФ (циклический аденозинмонофосфат), инозитолтрифосфат, ионы кальция.

Так, в среде, лишенной ионов кальция, или в клетках с недостаточным их количеством действие многих гормонов ослабляется; при применении веществ, увеличивающих внутриклеточную концентрацию кальция, возникают эффекты, идентичные воздействию некоторых гормонов.

Участие ионов кальция как посредника обеспечивает воздействие на клетки таких гормонов, как вазопрессин и катехоламины.

Выполнив свою задачу, гормоны либо расщепляются в клетках-мишенях или в крови, либо транспортируются в печень, где расщепляются, либо, наконец, удаляются из организма в основном с мочой (например, адреналин).

По химическому строению гормоны можно классифицировать по трем классам: 1. Белково-пептидные гормоны; 2. Производные аминокислот; 3. Стероидные гормоны.

К первому классу относятся гормоны гипоталамуса и гипофиза (в этих железах синтезируются пептиды и белки), а также гормоны поджелудочной и паращитовидной желез и один из гормонов щитовидной железы.

Ко второму классу относятся амины, которые синтезируются в мозговом слое надпочечников и в эпифизе, а также иод-содержащие гормоны щитовидной железы.

Третий класс - это стероидные гормоны, которые синтезируются в коре надпочечников и в половых железах. По количеству углеродных атомов стероиды отличаются друг от друга: С₂₁ - гормоны коры надпочечников и прогестерон; С₁₉ - мужские половые гормоны - андрогены и тестостерон; С₁₈ - эстрогены.

Гормоны вырабатываются в железах внутренней секреции (эндокринных железах), которые не имеют выводных протоков и свой секрет выделяют непосредственно в кровоток. К числу эндокринных желез относятся щитовидная, паращитовидные (около щитовидные), половые железы, надпочечники, гипофиз, поджелудочная, зобная (вилочковая) железы.

Регулирующий эффект гормонов: • Сокращение мышц: окситоцин, адреналин. • Секреция желёз: либерины, статины и др. • Пигментация кожи: мелатонин. • Обмен углеводов, белков и жиров: гормон роста, тиреоидные г-ы, липотропин и др. • Водно-солевой обмен: альдостерон, вазопрессин, кальцитонин, паратгормон и др. • Поведение: г-ы половых желёз (андрогены и эстрогены), эндорфины, тиролиберин, люлиберин, тиреоидные г-ы, адреналин и др. • Рост: г-н роста, тиреоидные г-ы.

109. Катаболизм белков. Внутри клеток также имеются протеолитические ферменты – внутриклеточные протеиназы или катепсины. Эти ферменты сосредоточены в специальных органоидах клетки – лизосомах. Мембраны, окружающие лизосомы непроницаемы для ферментов, но они пропускают белки внутрь, чтобы подвергнуть их протеолизу. Белки, которые необходимо подвергнуть протеолизу, расщепляются в лизосомах до отдельных аминокислот.

Кроме того, в цитоплазме клеток имеются особые мультиферментные комплексы – протеосомы, предназначенные для избирательного расщепления белков, которых не должно быть в клетках. Это чужеродные и дефектные белки, а также молекулы, присутствие которых ограничено во времени. Для предотвращения нежелательного переваривания белков в цитоплазме имеются особые белки – эндогенные ингибиторы протеиназ. Ингибиторов такого рода особенно много в плазме крови. В сутки внутриклеточному протеолизу подвергается 200-300 г собственных белков. Глубокий распад белков, сопровождающийся расщеплением всех пептидных связей и приводящий к образованию аминокислот, называется тотальным протеолизом.  В некоторых случаях под действием протеолитических ферментов в молекуле белка избирательно расщепляется лишь одна пептидная связь между строго определенными аминокислотами и от белка отщепляется часть его молекулы – полипептид. Такой распад белков называют ограниченный протеолиз.Примером ограниченного протеолиза является превращение проферментов в действующие ферменты: переход неактивных форм факторов свертывания крови в активные.

Синтез белков. В синтезе белков из аминокислот можно выделить три этапа. Первый этап – транскрипция – был описан в предыдущей теме. Он состоит в образовании молекул РНК на матрицах ДНК. Для синтеза белка особое значение имеет синтез матричных или информационных РНК, так как здесь записана информация о будущем белке. Транскрипция протекает в ядре клеток. Затем с помощью специальных ферментов, образовавшаяся матричная РНК перемещается в цитоплазму.  Второй этап называется рекогниция. Аминокислоты избирательно связываются с своими переносчикамитранспортными РНК. Все т-РНК построены сходным образом. Молекула каждой т-РНК представляет собой полинуклеотидную цепь, изогнутую в виде «клеверного листа». Молекулы т-РНК устроены таким образом, что имеют разные концы, имеющие сродство и с м-РНК (антикодон) и с аминокислотами. Т-РНК имеет в клетке 60 разновидностей. Для соединения аминокислот с транспортными РНК служит особый фермент т-^ РНК синтетаза или, точнее, амино-ацил – т-РНК синтетаза. Третий этап биосинтеза белка называется трансляция. Он происходит на рибосомах. Каждая рибосома состоит из двух частей – большой и малой субъединиц. Они состоят из рибосомных РНК и белков.  Трансляция начинается с присоединения матричной РНК к рибосоме. Затем к образовавшемуся комплексу начинают присоединяться т-РНК с аминокислотами. Присоединение это происходит путем связывания антикодона т-РНК к кодону информационной РНК на основании принципа комплементарности. Одновременно к рибосоме могут присоединится не более двух т-РНК. Далее аминокислоты соединяются друг с другом пептидной связью, образуя постепенно полипептид. После этого рибосома передвигает информационную РНК ровно на один кодон. Дальше процесс повторяется снова до тех пор пока информационная РНК не закончится. На конце и-РНК находятся бессмысленные кодоны, которые являются точками в записи и одновременно командой для рибосомы, что она должна отделиться от и-РНК Таким образом, можно выделить несколько особенности биосинтеза белков. 1. Первичная структура белков формируется строго на основе данных записанных в молекулах ДНК и информационных РНК, 2. Высшие структуры белка (вторичная, третичная, четвертичная) возникают самопроизвольно на основе первичной структуры. 3. В некоторых случаях полипептидная цепь после завершения синтеза подвергается незначительной химической модификации, в результате чего в ней появляются некодируемые аминокислоты, не относящиеся к 20 обычным. Примером такого превращения является белок коллаген, где аминокислоты лизин и пролин превращаются в оксипролин и оксилизин.  4. Синтез белков в организме ускоряется соматотропным гормоном и гормоном тестостероном.  5. Синтез белков очень энергоемкий процесс, требующий огромного количества АТФ. 6. Многие антибиотики подавляют трансляцию.

Часть аминокислот подвергается распаду до углекислого газа, воды и аммиака. Распад начинается с реакций общих для большинства аминокислот: 1.Декарбоксилирование - отщепление от аминокислот карбоксильной группы в виде углекислого газа. 2.Дезаминирование - отцепление аминогруппы в виде NH3 . У человека дезаминирование аминокислот идет окислительным путем. 3.Трансаминирование – реакция между аминокислотами и α-кетокислотами. В ходе этой реакции её участники обмениваются функциональными группами. Трансаминированию подвергаются все аминокислоты. Этот процесс – главное превращение аминокислот в организме, так как у него скорость значительно выше, чем у двух первых описанных реакций. В результате трансаминирования образуются α-кетокислоты и аммиак. Первые разрушаются до углекислого газа и воды. Аммиак для организма высокотоксичен. Поэтому в организме существуют молекулярные механизмы его обезвреживания.

110. Окисление жирных кислот в организмах– чрезвычайно важный процесс, он может протекать по α-, β- и ω-углеродным атомам жирных кислот. Основной путь окисления жирных кислот как в животных, так и в растительных тканях – это β-окисление.

β-Окисление жирных кислот было впервые изучено в 1904 г. Ф. Кноопом. В дальнейшем было установлено, что β-окисление осуществляется только в митохондриях. В честь ученых, открывших данный путь окисления жирных кислот, процесс β-окисление получил название цикла Кноопа-Линена. По современным представлениям, процессу окисления жирных кислот предшествует их активация в цитоплазме с участием ацил-КоА-синтетазы и с использованием энергии АТФ:

R–COOH + HS–КоА + АТФ → RCO–S–КоА + АМФ + Н4Р2О7. В форме ацил-КоА жирные кислоты поступают в митохондрии, в матриксе которых они подвергаются β-окислению.

Первой реакцией на пути расщепления жирных кислот является дегидрирование с образованием транс-2,3-ненасыщенных производных, катализируемое различными ФАД-содержащими ацил-КоА-дегидрогеназами.

Вторая реакция – гидратация двойной связи – катализируется еноил-КоА– гидратазой.

На третьей стадии происходит дегидрирование спиртового фрагмента, которое осуществляется соответствующей дегидрогеназой и окисленной формой кофермента НАД.

В результате окисления образуется β-оксокислота, из-за чего весь процесс в целом и получил название β-окисления. Четвертая, последняя реакция, катализируемая тиолазой, сопровождается окислительно-восстановительным расщеплением связи Сα–Сβ с отщеплением ацетил-КоА и присоединением остатка КоА по месту разрыва межуглеродной связи. Эта реакция носит название тиолиза и является высоко экзергонической, поэтому равновесие в ней всегда смещено в сторону образования продуктов. Последовательное повторение этого цикла реакций приводит к полному распаду жирных кислот с четным числом атомов углерода до ацетил-КоА. В результате этого процесса образуются ацетил-КоА, ФАДН2 и НАД·Н. Далее ацетил-КоА вступает в цикл Кребса, а восстановленные коферменты – в дыхатель-ую цепь. Особенности окисления жирных кислот с нечетным числом углеродных атомов заключается в том, что наряду с обычными продуктами окисления, образуется одна молекула СН3–СН2–СО~SКоА (пропионил-КоА), которая в процессе карбоксилирования переводится в сукцинил-КоА, поступающий в цикл Кребса.

Особенности окисления ненасыщенных жирных кислот определяются положением и числом двойных связей в их молекулах. До места двойной связи ненасыщенные жирные кислоты окисляются так же, как и насыщенные. Если двойная связь имеет ту же транс-конфигурацию и расположение, что и еноил-377

КоА, то далее окисление идет по обычному пути. В противном случае в реакциях участвует дополнительный фермент, который перемещает двойную связь в нужное положение и изменяет конфигурацию молекулы кислоты. При β-окислении жирных кислот выделяется большое количество энергии. При полном окислении одного моля жирной кислоты, содержащей 2n атомов углерода, образуется n молей ацетил-КоА и (n–1) молей (ФАДН2 + НАДН). Окисление ФАДН2 дает 2АТФ, а при окислении НАДН образуется 3АТФ. Полное сгорание одного моля ацетил-КоА приводит к образованию 12 молей АТФ. С учетом того, что 1 моль АТФ затрачивается на активацию жирной кислоты, баланс АТФ при полном окислении жирной кислоты с четным числом атомов углерода можно выразить следующей формулой: 5(n – 1) + 12n –1 = (17n – 6)АТФ. Например, моль пальмитиновой кислоты, содержащая 16 атомов углерода, при окислении дает 130 молей АТФ. Т.о., энергетическая ценность жирных кислот намного выше, чем глюкозы. Однако в процессе окисления глюкозы образуется оксалоацетат, который облегчает включение ацетильных остатков жирных кислот в цикл Кребса.

В клетках организма жирные кислоты синтезируются из ацетил-КоА, образующегося из избыточной глюкозы пищи, которая не была использована организмом на энергетические нужды. В качестве восстановителя в биосинтезе жирных кислот принимает участие НАДФН, синтезируемый, в основном, в пентофосфатном пути распада углеводов.

Хотя все реакции β-окисления жирных кислот обратимы, этот путь не используется организмом с целью их синтеза. Биосинтез ЖК осуществляется в цитоплазме клеток и катализируется целым полиферментным надмолекулярным ансамблем – пальмитилсинтетазой, состоящей из семи ферментов.

Для синтеза жирной кислоты требуется всего одна молекула ацетил-КоА, служащая «затравкой». Непосредственным источником синтеза является малонил-КоА, который образуется из ацетил-КоА.

Эта реакция катализируется биотинзависимым ферментом – ацетил-КоА-карбоксилазой. Функция биотина сводится к переносу диоксида углерода на субстрат. Пальмитилсинтетаза представляет собой многофункциональный ансамбль белков: в центре полиферментного ансамбля находится ацилпереносящий белок (АПБ), содержащий свободную SH-группу; шесть остальных ферментов располагаются по периметру, причем один из них также содержит SH-группу.

Жирные кислоты с разветвленной углеродной цепью синтезируются из продуктов метаболизма аминокислот с разветвленной цепью (валин, изолейцин и лейцин) через ацильные производные КоА путем удлинения цепи и при участии АПБ.

Синтез ТАГ происходит в печени и жировой ткани из КоА-производных ЖК через фосфатидную кислоту..

111. Нуклеотиды – это сложные органические соединения, состоящие из трех компонентов: азотистое основание, пентоза, фосфатный остаток в количестве от 1 до 3; с точки зрения строения нуклеотиды являются фосфорилированными нуклиозидами. Нуклеозиды – это соединения пентозы со сложным гетероциклическим соединением- азотистым основанием. Нуклеотиды образуются из нуклеозидов за счет образования фосфоэфирной связи между фосфатным остатком и 5’ гидроксильной группы. К нуклеозиду может присоединится от 1 до 3 фосфатных остатков. Фосфатные связи в нуклеотидах богаты энергией, при расщеплении одной фосфатной группы выделяется 36,36 кДж энергии. Легче всего отщепляется третий фосфатный остаток, а труднее первый. В качестве энергии можно использовать только две связи.

ФУНКЦИИ НУКЛЕОТИДОВ: метаболическая– нуклеотиды входят в состав нуклеиновых кислот., энергетическая – в качестве источника энергии используются НТФ и в частности АТФ и ГТФ, т.к. они содержат макроэргические связи, регуляторная.

Синтез пуриновых нуклеотидов de novo. В формировании пуринового кольца принимают участие аминокислоты: аспарагиновая, глутаминовая и глицин, СО2 и два одноуглеродных производных тетрагидрофолата.

Общим предшественником синтеза всех пуриновых нуклеотидов является инозин-5-монофосфат (ИМФ), содержащий в качестве азотистого основания гипоксантин. Первая реакция синтеза ИМФ требует наличия ФРПФ-фосфорибозилтрифосфата, который занимает центральное место не только в анаболизме пуринов, но необходим при синтезе пиримидинов. Он образуется за счет переноса β,γ-пирофосфатного остатка АТФ на рибозил-5-фосфат, в реакции катализируемой ФРПФ-синтетазой. Источником рибозил-5-фосфата может быть пентозофосфатный путь превращения глюкозы или катаболизма нуклеотидов, в ходе которого под действием нуклеозидфосфорилазы первоначально образуется рибозо-1-фосфат, а затем под действием соответствующей мутазы фосфорный остаток переносит в 5-положение. Анаболический путь синтеза ИМФ заканчивается образованием гипоксантина. Этот путь значительно более сложный, синтез пиримидиновых оснований.

Катаболизм пуриновых нуклеотидов. У человека основным продуктом катаболизма пуриновых нуклеотидов является мочевая кислота. Её образование идет путем гидролитического отщепления фосфатного остатка от нуклеотидов с помощью нуклеотидаз или фосфатаз, фосфоролиза N-гликозидной связи нуклеотидов пуриннуклеозидфосфорилазой, последующего дезаминирования азотисных оснований.

От АМФ и аденозина аминогруппа удаляется гидролитически аденозиндезаминазой с образованием ИМФ или инозина. ИМФ и ГМФ превращяются в соответствующие нуклеозиды: инозин и гуанозин под действием 5’-нуклеотидазы. Пуриннуклеозидфосфорилаза катализирует расщепление N-гликозидной связи в инозине и гуанозине с образованием рибозо-1-фосфата и азотистых оснований: гуанина и гипоксантина. Гуанин дезаминируется и превращяется в ксантин, а гипоксантин окисляется в ксантин с помощью ксантиноксидазы, которая катализирует и дальнейшее окисление ксантина в мочевую кислоту.

Ксантиноксидаза – аэробная оксидоредуктаза, простетическая группа которой включает ион молибдена, железа (Fе3+) и ФАД+. Подобно другим оксидазам, она окисляет пурины молекулярным кислородом с образованием пероксида водорода. В значительных количествах фермент обраруживается только в печени и кишечнике. Мочевая кислота удаляется из организма с мочой и немного через кишечник. Биосинтез пиримидиновых нуклеотидов. Фонд пиримидиновых нуклеотидов в основном синтезируется de novo из простых предшественников и только 10-20% от общего количества образуется по «запасным» путям из азотистых оснований или нуклеотидов. Пиримидиновое кольцо синтезируется de novo из простых предшественников: глутамина, СО2 и аспарагиновой кислоты и затем связывается с рибозо-5-фосфатом, полученным от ФРПФ. Процесс протекает в цитозоле клетки. Синтез ключевого пиримидинового нуклеотида – УМФ идет с участием 3 ферментов, два из которых полифункциональны. У млекопитающих ключевой, регуляторной реакцией в синтезе пиримидиновых нуклеотидов является синтез карбамоилфосфата из глутамина, СО2 и АТФ, в реакции катализируемой карбамоилфосфатсинтетазой II (КФС II), которая протекает в цитозоле клетки. В реакции NН2-группа карбамоилфосфата образуется за счет амидной группы глутамина, что отличает эту реакцию от реакции синтеза карбамоилфосфата в митохондриях в процессе синтеза мочевины из СО2, NH3 и АТФ с участием КФС I.

Катаболизм пиримидиновых нуклеотидов. Уже отмечалось, что цитидиловые нуклеотиды могут гидролитически терять аминогруппу и превращяться в УМФ. Когда от УМФ при участии нуклетидазы или (фосфатазы) и уридинфосфарилазы отщепляется неорганический фосфат и рибоза, то остается азотистое основание – урацил. Аналогично распределяются дезоксирибонуклеотиды, и из dЦМФ образуется урацил, а из dТМФ – тимин. Пиримидиновые основания при участии дигидропиримидиндегидрогеназы присоединяют 2 атома водорода по двойной связи кольца с образованием дигидроурацила или дигидротимина. Оба гетероцикла могут взаимодействовать с водой и дигидроурацил превращяется в β-уреидоизопропионовую кислоту, а дигидротимин - в β- уреидоизомасляную кислоту. Оба β-уреидопроизводных под действием общего для них фермента уреидопропионазы расщепляются с образованием СО2, NH4+ и β-аланина или β-аминоизомасляной кислоты.

112. Для того чтобы метаболические пути могли функционировать согласованно и удовлетворять потребности индивидуальных клеток, органов или организма в целом, они должны быть регулируемыми. Регуляция метаболических путей, снабжающих организм "топливными" молекулами, например углеводами, необходима, поскольку они должны поступать постоянно при различных условиях и при возникновении патологических состояний. Этот тип регуляции метаболизма направлен на поддержание, как принято говорить, "энергетического гомеостаза".

Гомеостазом называют постоянство внутренней среды организма. Регуляция метаболизма позволяет организмам отвечать на сигналы и активно взаимодействовать с окружающей средой. В случае фермента, регуляция заключается в повышении и снижении его активности в ответ на сигналы. С другой стороны, фермент оказывает некоторый контроль над метаболическим путем, который определяется как эффект от изменения активности фермента на данный метаболический путь.

Выделяют несколько уровней регуляции метаболизма. В метаболическом пути происходит саморегуляция на уровне субстрата или продукта; например, уменьшение количества продукта может компенсированно увеличить поток субстрата реакции по данному пути. Этот тип регулирования часто включает аллостерическое регулирование активности некоторых ферментов в метаболических путях. Внешний контроль включает клетку многоклеточного организма, изменяющую свой метаболизм в ответ на сигналы от других клеток. Эти сигналы, как правило, в виде растворимых мессенджеров, например гормоны ифакторы роста, определяются специфическими рецепторами на поверхности клеток. Затем эти сигналы передаются внутрь клеткисистемой вторичных мессенджеров, которые зачастую связаны с фосфорилированием белков.

Хорошо изученный пример внешнего контроля — регуляция метаболизма глюкозы инсулином. Инсулин вырабатывается в ответ на повышениеуровня глюкозы в крови. Гормон связывается с инсулиновым рецептором на поверхности клетки, затем активируется каскад протеинкиназ, которые обеспечивают поглощение молекул глюкозы клетками и преобразовать их в молекулы жирных кислот и гликогена. Метаболизм гликогена контролируется активностью фосфорилазы (фермента, который расщепляет гликоген) и гликогенсинтазы(фермента, который образует его). Эти ферменты взаимосвязаны; фосфорилирование ингибируется гликогенсинтазой, но активируется фосфорилазой. Инсулин вызывает синтез гликогена путём активации белковых фосфатаз и уменьшает фосфорилирование этих ферментов.

Поток метаболитов в обмене веществ определяется прежде всего активностью ферментов. Для воздействия на тот или иной путь достаточно регулировать активность фермента, катализирующего наиболее медленную стадию. Такие ферменты, называемые ключевыми ферментами, имеются в большинстве метаболических путей. Активность ключевого фермента регулируется на трех независимых уровнях.

Контроль за биосинтезом фермента осуществляется на генетическом уровне. Прежде всего речь идет о синтезе соответствующей мРНК, а также о транскрипции кодирующего фермент гена, т.е. о регуляции транскрипции. В этом процессе принимают участие регуляторные белки (факторы транскрипции), действие которых направлено непосредственно на ДНК. К тому же в генах имеются специальные регуляторные участки — промоторы — и участки связывания регуляторных белков (регуляторные элементы). На эффективность действия этих белков влияют метаболиты или гормоны. Если этот механизм усиливает синтез фермента, говорят об индукции, если же снижает или подавляет — о репрессии.

Значительно быстрее, чем контроль транскрипции, действует взаимопревращение ключевых ферментов. В этом случае фермент присутствует в клетке в неактивной форме. При метаболической потребности по сигналу извне и при посредничестве вторичного мессенджера активирующий фермент переводит ключевой фермент в каталитически активную форму. Если потребность в этом пути обмена веществ отпадает, инактивирующий фермент снова переводит ключевой фермент в неактивную форму. Процесс взаимопревращения в большинстве случаев состоит в АТФ-зависимом фосфорилировании ферментных белков протеинкиназой и соответственно дефосфорилированиифосфатазой. В большинстве случаев более активна фосфорилированная форма фермента, однако встречаются также и противоположные случаи.

Важным параметром, контролирующим протекание метаболического пути, является потребность в первом реагенте. Доступность метаболита возрастает с повышением активности метаболического пути, в котором образуется А, и падает с повышением активности других путей, в которых А расходуется. Доступность А может быть ограничена в связи с его транспортом в другие отделы клетки.

Активность ключевого фермента может регулироваться лигандом (субстратом, конечным продуктом реакции, коферментом, другим эффектором) как аллостерическим эффектором путем связывания его не в самом активном центре, а в другом месте фермента, и вследствие этого изменением ферментативной активности. Ингибирование ключевого фермента часто вызывается конечными продуктами реакции метаболической цепи (ингибирование по типу обратной связи) или метаболитом, участвующим в другом пути.

Аллостерические эффекты опосредуются субстратом или ингибиторами и активаторами. Последние связываются со специфическими участками вне активного центра и приводят к конформационным изменениям белка, попутно изменяя его активность.

130. Иммунная система это совокупность органов, тканей и клеток, работа которых направлена непосредственно на защиту организма от различных заболеваний и на истребление уже попавших в организм чужеродных веществ. Данная система является препятствием на пути инфекций (бактериальных, вирусных, грибковых). Когда же в работе иммунной системы происходит сбой, то вероятность развития инфекций возрастает, это также приводит к развитию аутоиммунных заболеваний, в том числе рассеянного склероза.

Органы, входящие в иммунную систему человека: лимфатические железы (узлы), миндалины, вилочковая железа (тимус), костный мозг, селезёнка и лимфоидные образования кишки (Пейеровые бляшки). Главную роль играет сложная система циркуляции, которая состоит из лимфатических протоков соединяющих лимфатические узлы.

Лимфатический узел – это образование из мягких тканей, имеет овальную форму и размером 0,2 – 1,0 см, в котором содержится большое количество лимфоцитов.

Миндалины – это маленькие скопления лимфоидной ткани, располагаются с двух сторон глотки. Селезёнка – внешне очень похож на большой лимфатический узел. Функции у селезёнки разнообразные, это и фильтр для крови, хранилище для клеток крови, продукции лимфоцитов. Именно в селезёнке старые и неполноценные клетки крови разрушаются. Располагается селезёнка в районе живота под левым подреберьем около желудка.

Вилочковая железа (тимус) - располагается за грудиной. Лимфоидные клетки в тимусе размножаются и «учатся». У детей и людей молодого возраста тимус активен, чем человек старше, тем тимус становится менее активный и уменьшается в размере.

Костный мозг – это мягкая губчатая ткань, расположенная внутри трубчатых и плоских костей. Главная задача костного мозга это продукция клеток крови: лейкоцитов, эритроцитов, тромбоцитов.

Пейеровы бляшки – Это сосредоточение лимфоидной ткани в стенке кишечника. Главную роль играет система циркуляции, состоящая из лимфатических протоков, которые соединяют лимфатические узлы, и транспортируют лимфатическую жидкость.

Лимфатическая жидкость (лимфа) – это жидкость без цвета, протекающая по лимфатическим сосудам, в ней содержится много лимфоцитов – белых кровяных телец, участвующих в защите организма от болезней.

Лимфоциты – отвечают за уничтожение чужеродных организмов или больных клеток (инфицированных, опухолевых и т.д.). Самые важные виды лимфоцитов (В-лимфоциты и Т-лимфоциты) они работают вместе с остальными иммунными клетками и не позволяют вторгнуться в организм инородных субстанций (инфекций, чужеродных белков и т.д.).

Система представлена центральными и периферическими органами, способными реагировать на разные сигналы, имеет большое количество рецепторных структур, специфическую память. К центральным органам иммунной системы относят красный костный мозг, к периферическим - лимфатические узлы, селезёнку, миндалины, аппендикс.

Формирование иммунной системы у малыша начинается еще внутриутробно, когда устанавливаются сложные связи между организмом матери и плода. Иммунная система новорожденного находится в состоянии физиологического угнетения. Новорожденные дети и дети первых месяцев жизни защищены материнскими антителами. В организме ребенка в возрасте от 3-х до 6 месяцев функционируют только материнские антитела, которые передавались ему во время внутриутробного развития и с грудным молоком. После 6 месяцев начинается формирование собственной иммунной системы, постепенно разрушаются материнские антитела. До 3-х лет продолжается формирование собственной иммунной системы ребенка, в возрасте от 3-х до 7 лет происходит максимальное развитие антител.

131. Иммунитет – способ защиты организма от всех чужеродных веществ как экзо-, так и эндогенной природы. Это способ поддержания гомеостаза организма. Чаще говорят о двух формах иммунитета: врожденном (видовой, неспецифический) и приобретенном, реже выделяют, как самостоятельный, плацентарный иммунитет. Врожденный – иммунитет, обусловленный анатомическими, физиологическими и др. факторами, обеспечивающий невосприимчивость данного вида к болезни. Он существует изначально, еще до первого попадания Аг в организм. Система врождённого иммунитета активируется при первом появлении патогена быстрее, но распознаёт патоген с меньшей точностью, чем приобретенный. Приобретенный – иммунитет, возникший в ходе индивидуального развития в результате контакта с Аг. Выделяют естественный (постинфекционный) и искусственный (поствакциональный) иммунитет. Естественный возникает в результате перенесения индивидом заболевания; искусственный – в результате введения в организм вакцины или сыворотки. Искусственный иммунитет разделяют на активный и пассивный. Активный появляется в результате введения вакцины (ослабленный возбудитель). В настоящее время получают только поверхностные белки этого возбудителя. Пассивный возникает при введении сыворотки (антидота). Для ее приготовления животных заранее иммунизируют и получают готовые Ат. Сыворотку вводят, когда организм не успевает самостоятельно среагировать. Плацентарный – это естественный пассивный иммунитет; Ат матери передаются ребенку через плаценту, т.к. иммунная система плода еще не сформировалась.

К неспецифическому иммунитету относят физические барьеры (кожные покровы, слизистые), физиологические факторы (температура тела, рН, микрофлора, различные секреты желез), клеточные факторы и факторы воспаления. В специфическом иммунитете различают клеточный (T-лимфоциты) и гуморальный (антитела, продуцируемые B-лимфоцитами) факторы; система комплемента является компонентом как врождённого, так и приобретённого иммунитета.

Иммунную реакцию от начала до завершения можно разделить на три этапа: распознавание антигена; формирование эффекторов; эффекторная часть иммунного ответа.

На поверхности лимфоцитов присутствуют специфические Аг-связывающие рецепторы, которые экспрессируются вне зависимости от того, встречался ли ранее организм с данным Аг. Каждый лимфоцит имеет рецептор только одной специфичности. Аг-связывающие рецепторы экспрессируются на поверхности как Т-, так и В-лимфоцитов. Лимфоциты, наделенные рецепторами одной специфичности, являются потомками одной родительской клетки и составляют клон. Макрофаги осуществляют презентацию Аг лимфоциту.

Макрофаг первым вступает во взаимодействие с Аг, осуществляя филогенетически самую древнюю разновидность иммунной реакции. Аг подвергается фагоцитозу, результатом которого является «разборка» крупных молекул на составные части. Затем полученный Аг экспрессируется в комплексе с белками главного комплекса гистосовместимости на поверхности макрофага. Т-хелпер распознает комплекс, состоящий из чужеродного Аг и собственного Аг МНС. Для иммунного ответа необходимо их одновременное распознавание. Под действием интерлейкина1, выделяемого макрофагами еще на первых этапах презентации Аг, хэлперы начинают продуцировать большое количество цитокинов, в том числе интерлейкин2 – активатор размножения клеток иммунной системы (Т-хэлперы, Т-киллеры, В-лимфоциты, макрофаги). В-лимфоциты распознают антигены посредством своих иммуноглобулиновых рецепторов. Аг помещается на поверхность В-клетки, где он распознается активированным Т-хелпером. В-лимфоцит не способен к самостоятельному ответу на антигенную стимуляцию, поэтому ему необходимо получить второй сигнал от Т-хелпера. При попадании в организм чужеродного агента происходит селекция клонов с рецепторами, комплементарными данному Аг. Только представители этих клонов участвуют в дальнейшей Аг-зависимой дифференцировке клона В-лимфоцитов (эффекторное звено иммунной реакции). После того, как эффекторное звено иммунной реакции сформировано, наступает ее третий этап, на котором задействованы антитела, система комплемента, а также цитотоксические Т-лимфоциты, осуществляющие цитотоксическую реакцию. Вновь образованные макрофаги захватывают больше Аг и представляют их «новым» лимфоцитам.

Комплекс микроорганизма с Ат запускает классический путь активации системы комплемента, в результате чего образуется мембраноатакующий комплекс (МАК), наносящий клеточной стенке бактерии повреждения. Кроме того Ат нейтрализуют бактериальные токсины и облегчают их фагоцитоз макрофагами.

Внешне же иммунный ответ проявляется в развитии острой воспалительной реакции.

132. Антиген (Аг) – структурно чужеродные для организма вещества. Хотя все Аг могут связываться с Ат, не все они могут вызвать массовую продукцию этих Ат организмом, то есть иммунный ответ. Аг, способный вызывать иммунный ответ организма, называют иммуногеном.

Аг, как правило, являются белками или полисахаридами и представляют собой части бактериальных клеток, вирусов и других микроорганизмов. Липиды и нуклеиновые кислоты, обычно, проявляют иммуногенные свойства только в комплексе с белками. Простые вещества, даже металлы, также могут вызывать продукцию специфичных Ат, если они находятся в комплексе к белком-носителем. Такие вещества называют гаптенами. B-лимфоциты способны распознавать Аг в свободном виде, а T-лимфоциты только в комплексе с белками главного комплекса гистосовместимости (MHC) на поверхности антигенпрезентирующих клеток. Классификация:

По размеру: корпускулярные (крупные) – бактериальные клетки, вирусы, грибы, чужеродные ткани; растворимые – белки, полисахариды, НК.

По происхождению: экзогенные (попадают в организм из окружающей среды, путем вдыхания, проглатывания или инъекции); эндогенные (образуются клетками организма в ходе естественного метаболизма или в результате вирусной или внутриклеточной бактериальной инфекции); аутоантигены (обычно нормальные белки или белковые комплексы, которые распознаются иммунной системой у пациентов с аутоиммунными заболеваниями).

К Аг немикробного происхождения относятся пыльца, яичный белок и белки трансплантатов тканей и органов, а также поверхностные белки клеток крови при гемотрансфузии. Аллергены — это Аг, вызывающие аллергические реакции (орехи, пыль, пыльца, шерсть, лекарства). Опухолевые антигены, или неоантигены — это такие Аг, которые презентируются молекулами MHC I или MHC II на поверхности только опухолевых клеток. Цитотоксические Т-лимфоциты, которые распознают такие Аг, могут уничтожить такие клетки до того, как они начнут пролиферировать или метастазировать.

Аг состоят из крупной неспецифической молекулы - переносчика (полисахарида, белка или липида с молекулярным весом более 10 000) и расположенных на поверхности этой молекулы детерминантных групп (эпитопов), обусловливающих серологическую специфичность Аг. Эпитоп комплементарен активному центру Ат или Т-клеточному рецептору. Аг обладают 2 свойствами:

• антигенностью — они способны индуцировать развитие иммунного ответа;

• специфичностью — взаимодействовать с продуктами иммунного ответа, индуцированного аналогичным антигеном.

Для того, чтобы какое-либо вещество проявляло свойства Аг, кроме главного — чужеродное, оно должно обладать еще целым рядом признаков:

• макромолекулярностью (молекулярная масса более 10 тыс. дальтон);

• сложностью строения;

• жесткостью структуры;

• растворимостью;

• способностью переходить в коллоидное состояние.

133. Клеточный иммунитет — это такой тип иммунного ответа, в котором не участвуют ни Ат, ни система комплемента. В процессе клеточного иммунитета активируются макрофаги, натуральные киллеры, Аг-специфичные цитотоксические Т-лимфоциты, и в ответ на Аг выделяются цитокины. Клеточный иммунитет направлен преимущественно против микроорганизмов, которые выживают в фагоцитах и против микроорганизмов, поражающие другие клетки. Система клеточного иммунитета особенно эффективна против клеток, инфицированных вирусами, и принимает участие в защите от грибов, простейших, внутриклеточных бактерий и против клеток опухолей. Также система клеточного иммунитета играет важную роль в отторжении тканей.

Клеточный иммунитет реализуется путем выработки цитотоксических Т-лимфоцитов (Т-киллеров), которые разрушают и/или выводят Аг из организма. В развитии клеточного иммунитета принимают участие следующие виды клеток:

Антигенпредставляющая клетка — макрофаг или другая клетка: поглощает и видоизменяет Аг; связывает видоизмененный Аг с молекулой MHC класса I (иногда — с MHC класса II); выводит на свою поверхностную мембрану комплекс видоизмененного Аг и MHC-I; вырабатывает интерлейкин 1.

Т-лимфоциты-хелперы: активируются под действием комплекса Аг с MHC-I и интерлейкина 1; вырабатывают интерлейкин 2. Они не способны сами вырабатывать Ат и убивать Аг. Кроме того Т-хелперы отправляют сигнал в кровь, в результате которого Т-эффекторы и Т-киллеры начинают делиться, направляются к патогенной клетке и уничтожают ее.

Т-лимфоциты-киллеры (цитотоксические): активируются под действием комплекса Аг с MHC-I; делятся с образованием их большого количества; убивают или нейтрализуют Аг с помощью различных механизмов: выделяют перфорины, индуцируют апоптоз, при помощи контактных взаимодействий, активируют неспецифические факторы, такие например как система комплемента, фагоцитоз и секреция макрофагов. Сами не способны к фагоцитозу, свою функцию выполняют, изливая содержимое гранул на клетку-мишень.

Т-супрессоры необходимы для торможения иммунной реакции, также существуют Т-амплифайеры для ее усиления.

Основу клеточного иммунитета составляют лимфоциты, которые для своего созревания переселяются из костного мозга в другой центральный орган лимфоидной системы - тимус (вилочковая железа). Эта ветвь лимфоцитов получила название тимус-зависимые, или Т-лимфоциты. В тимусе формируются разные виды Т-клеток. Для различения популяций лимфоидных клеток используются специфические белки на поверхности каждой из них. Такие белки-метки получили название CD (групповой маркер). Известно около 200 маркеров. Например, маркером для Т-клеток-хелперов служит белок, названный CD4, для Т-киллеров – CD8, для Т-супрессоров – CD25. Полностью разделить клеточный иммунитет и гуморальный невозможно: в инициации образования Ат участвуют клетки, а в некоторых реакциях клеточного иммунитета важную связующую функцию выполняют Ат.

Для распознавания Аг на поверхности Т-лимфоцитов имеются специфические рецепторы, которые представляют собой гетеродимеры (димеры из 2х разных цепей). Каждая цепь имеет 2 иммуноглобулинподобных домена: на N-конце – вариабельный домен (Vα и Vβ), на С-конце – константный домен (Сα и Сβ). Вариабельные домены образуют участок, связывающий Аг (в отличие от Ig центр связывания только 1), для каждого Аг свой. Для узнавания Аг необходимо, чтобы чужеродный агент был представлен Аг-презентирующими клетками (связан с главным комплексом гистосовместимости).

Молекула МНС1 представляет собой гетеродимер, имеющий 1 тяжелую полипептидную цепь α и небольшой внеклеточный β-2-микроглобулин. Полипептидная α-цепь имеет 3 внеклеточных домена: первые два содержат полиморфные участки, между которыми находится область связывания Аг, и представляющие его Т-лимфацитам. Молекулы МНС1 располагаются практически на всех клетках и тканях организма.

Молекула МНС2 – гетеродимер, состоящий из 2х полипептидных цепей α и β. Каждая цепь имеет по одному вариабельному (α1 и β1) и консервативному домену (α2 и β2). Центр связывания чужеродной молекулы формируется за счет вариабельных областей и способен связать 1 Аг. Располагается только на поверхности Аг-презентирующих клеток (макрофаги, дендритные клетки).

134. Гуморальный иммунитет представляет собой кульминацию ряда клеточных и молекулярных взаимодействий, происходящих в определенной последовательности: - T-клетки распознают Аг, представленный им антигенпрезентирующими клетками, и в результате переходят в активированное состояние; - Tх-клетки взаимодействуют с B-клетками, которые презентируют им антигенные фрагменты; - активированные B-лимфоциты пролиферируют и дифференцируются в антителообразующие клетки; - начинается синтез Ат и от их класса зависит характер последующего иммунного ответа.

Для гуморального иммунитета характерна выработка специфических антител (иммуноглобулинов, Ig).

Ат — специфические белки гамма-глобулиновой природы, образующиеся в организме в ответ на антигенную стимуляцию и способные специфически взаимодействовать с Аг. Уникальность Ат заключается в том, что они способны специфически взаимодействовать только с тем Аг, который вызвал их образование. Синтез Ат (Ig) плазматическими клетками происходит в лимфоидных органах. Ат образуются в клетках со 2―3-го дня после введения Аг в организм.

Любая молекула Ат имеет сходное строение (Y- образную форму) и состоит из двух тяжелых (Н) и двух легких (L) цепей, связанных дисульфидными мостиками. Каждая молекула Ат имеет два одинаковых антигенсвязывающих фрагмента Fab, определяющих антительную специфичность, и один Fc фрагмент, который не связывает Аг, но обладает эффекторными биологическими функциями. Он взаимодействует со “своим” рецептором в мембране различных типов клеток (макрофаг, тучная клетка, нейтрофил). Цепи разделены на домены: вариабельный (N) и константный (С). Между константными доменами тяжелой цепи (СН1 и СН2) располагается особая область молекулы, богатая пролином – шарнирная область. Пролин препятствует образованию α-спирали. Именно константные области тяжелых цепей, различаясь по аминокислотному составу у различных классов иммуноглобулинов, в конечном результате и определяют специфические свойства иммуноглобулинов каждого класса.

Строение тяжелой цепи Ig может различаться. Выявлено 5 классов тяжелых цепей: альфа, гамма, эпсилон, мю и дельта. Соответственно обозначению тяжелой цепи обозначается и класс молекул Ig: А, G, E, M и D. Они различаются строением, молекулярной массой тяжелых цепей, физико-химическими и биологическими характеристиками.

IgA. Выделяют сывороточные IgA (мономер) и секреторные IgA (IgAs), которые составляют основу слюны, слез, молока. Они являются первой линией защиты слизистых от бактериального и вирусного инфицирования, обеспечивая их местный иммунитет. Ат представлены обычно димерами. Секреторный компонент повышает устойчивость молекул IgA к действию протеолитических ферментов. Основная роль IgA - обеспечение местного иммунитета слизистых. Они препятствуют прикреплению бактерий к слизистым, обеспечивают транспорт полимерных иммунных комплексов с IgA, нейтрализуют энтеротоксин, активируют фагоцитоз и систему комплемента.

IgM. Это первое Ат, которое синтезируется В-клетками. Имеет форму пентамера (полимерный Ig из пяти субъединиц, соединенных дисульфидными связями, имеет 10 Аг- связывающих центров). IgM - наиболее ранний класс Ат, образующихся при первичном попадании Аг в организм. Это основной класс Ig, синтезируемых у новорожденных и младенцев. IgM способны агглютинировать бактерии, нейтрализовать вирусы, активировать комплемент, активизировать фагоцитоз, связывать эндотоксины грамотрицательных бактерий.

Ig G. Мономеры, основной класс Ig, локализованных в крови при вторичном иммунном ответе. Единственный класс Ат, которые могут проходить через плаценту, обеспечивает плацентарный иммунитет. IgG специфически (через Fab-фрагменты) связывают возбудителей, благодаря Fc-фрагментам IgG взаимодействуют с Fc-рецепторам фагоцитов, способствуя фагоцитозу и лизису микроорганизмов. IgG способны нейтрализовать бактериальные экзотоксины, связывать комплемент.

IgE. Представляет мономер, основная роль: Антигенсвязывающие Fab-фрагменты молекулы IgE специфически взаимодействует с Аг (аллергеном), сформировавшийся иммунный комплекс взаимодействует с рецепторами Fc-фрагментов IgE, встроенных в клеточную мембрану базофила или тучной клетки. Это является сигналом для выделения гистамина, других биологически активных веществ и развертывания острой аллергической реакции.

IgD. Мономеры IgD обнаруживают на поверхности развивающихся В-лимфоцитов, в сыворотке находятся в крайне низких концентрациях. Их биологическая роль точно не установлена. Полагают, что IgD участвуют в дифференциации В-клеток, участвуют в аутоиммунных процессах.

135. Иммунодефицит - это нарушение структуры и функции какого-либо звена целостной иммунной системы, потеря организмом способности сопротивляться любым инфекциям и восстанавливать нарушения своих органов. Кроме того, при иммунодефиците замедляется или вообще останавливается процесс обновления организма. Все иммунодефицитные состояния делятся на две большие группы: - врожденный (наследственно обусловленный) иммунодефицит и - приобретенный иммунодефицит.

В основе наследственно обусловленного иммунодефицитного состояния (первичной иммунологической недостаточности) лежат генетически детерминированные дефекты клеток иммунной системы. В то же время приобретенный иммунодефицит (вторичная иммунологическая недостаточность) является результатом воздействия факторов внешней среды на клетки иммунной системы. К наиболее полно изученным факторам приобретенного иммунодефицита относятся облучение, фармакологические средства и синдром приобретенного иммунодефицита (СПИД) человека, вызванный вирусом иммунодефицита человека (ВИЧ).

Первичные иммунодефициты (ПИД) представляют собой заболевания человека, в основе которых имеется наследственно обусловленный дефект иммунной системы. Это редко встречающиеся нарушения. Происходит сбой отдельных компонентов иммунитета: клеточного (синдром Ди-Джоржио), гуморального, комплиментарного и фагоцитного (хронический гранулематоз). Такие заболевания сопровождают человека на протяжении всей его жизни. Как правило, люди, страдающие первичными иммунодефицитами, погибают от различных инфекций в первые три года. Однако, бывают случаи, не угрожающие жизни и вполне компенсируемы другими составляющими иммунной системы, например, селективная недостаточность Ig класса А.

Вторичные иммунодефициты (ВИД) представляют собой нарушения иммунной системы, которые развиваются в позднем постнатальном периоде или у взрослых. Такой вид иммунодефицитных состояний возникает как следствие различных воздействий внешней среды на организм человека: радиации, иммуносупрессивной химиотерапии, а также при таких инфекциях, как ВИЧ. По сравнению с первичными, вторичные встречаются намного чаще, диагностировать их гораздо легче. Согласно классификации выделяют три формы ВИД: Приобретенная – наиболее ярким примером такой формы вторичного иммунодефицита является синдром приобретенного иммунодефицита (СПИД), который развивается в результате поражения иммунной системы вирусом иммунодефицита человека (ВИЧ). Индуцированная – для этой формы выяснена конкретная причина, вызвавшая ее появление: рентгеновское излучение, травмы и хирургические вмешательства, а также нарушения иммунитета, развивающиеся вторично по отношению к основному заболеванию (диабет, заболевание печени, почек, злокачественные новообразования). Спонтанная – характеризуется отсутствием явной причины, вызвавшей нарушение иммунной реактивности.

Одним из примеров приобретенного ИД – СПИД, развитие ВИЧ-инфекции. Болезнь развивается в результате многолетнего развития в лимфоцитах, макрофагах и клеток нервной ткани вируса иммунодефицита человека и характеризуется медленно прогрессирующим дефектом иммунной системы, который приводит к гибели больного от вторичных поражений. ВИЧ – РНК- содержащий ретровирус, преимущественно поражает клетки с CD4 рецепторами (Т-хэлперы, макрофаги, В-лимфоциты, клетки слизистой кишечника, нейроглии). Протекание инфекции: 1 период – обозначается как гриппоподобное состояние. Начинается практически сразу после инфекции или через 3-4 недели. Связан с резким увеличением вирионов в крови и уменьшением Т-хэлперов. 2 период – асимптоматический. Он может длиться 2-12 лет, симптомы практически полностью отсутствуют, но человек способен инфицировать окружающих. Происходит размножение вируса. 3 период – симптоматический – может длиться 2-3 года, характеризуется общей слабостью, увеличением количества воспалительных реакций, увеличением количества вируса в крови и уменьшением Т-хэлперов. 4 – проявление синдрома. Резко увеличивается содержание вирусных частиц, уменьшается количество Т-хэлперов и Т-киллероа. Длиться около года и заканчивается летальным исходом. Диагностируется на любом этапе, однако на последнем лечения не эффективно, т.к. нет адекватного антибиотика. В настоящее время используют различные антибиотики для лечения ВИЧ-инфекции на разных этапах прогрессирования болезни: моноциклин, ванкомицин, линезолид.

Первичные иммунодефициты в зависимости от уровня нарушений и локализации дефекта они бывают: 1) гуморальные или антительные — с преимущественным поражением системы В-лимфоцитов; 2) клеточные – дефекты Т-лимфоцитов, недостаточность цитокинов; 3) недостаточность системы комплимента – повреждение внеклеточными бактериями; 4) дефекты фагоцитоза - нарушаются первичные реакции воспаления; 5) синдром обнаженных лимфоцитов – происходит снижение синтеза молекул МНС2, АГ не презентуется Т-хэлперам.

136. Генетическая инженерия - это система экспериментальных приемов, позволяющих конструировать искусственные генетические структуры в виде так называемых рекомбинантных (гибридных) молекул ДНК. Суть генетической инженерии сводится к переносу в растения чужеродных генов, которые могут сообщать растениям полезные свойства. Итак, процедуры генетической инженерии сводятся к тому, что из набора фрагментов ДНК, содержащих нужный ген, собирают гибридную структуру, которую затем вводят в клетку. Введенная генетическая информация экспрессируется, что приводит к синтезу нового продукта. Растения имеют одно очень важное преимущество перед животными, а именно возможна их регенерация in vitro из недифференцированных соматических тканей с получением нормальных, фертильных (способных завязывать семена) растений. Ввести чужеродную ДНК в растения можно различными способами: с помощью естественного вектора – плазмиды агробактерий (Ti- и Ri-плазмиды), методом бомбардировки микрочастицами, электропорации и др. Формальной датой рождения генетической инженерии растений является полученное с помощью Ti-плазмидного вектора первое в мире химерное растение санбин как результат переноса гена запасного белка бобовых в геном подсолнечника. Существует несколько практических приложений генной инженерии для нужд сельского хозяйства. 1) Растения, устойчивые к насекомым. Для создания устойчивых к насекомым растений в их геном встраивают ген токсина, выделенный из Bacillus thuringiensis (ВТ-токсин). 2) Улучшение качества пищевых продуктов. Если в растительных продуктах недостаточно незаменимых аминокислот и витаминов, это можно исправить, внедряя в растения гены, ответственные за их биосинтез (рис). 4) Растения, устойчивые к гербицидам. 5) трансгенных растений с измененными декоративными свойствами. Один из примеров - петунии с разноцветными цветками, голубые розы с геном, контролирующим синтез голубого пигмента. Основным типом культивируемой растительной клетки является каллусная. Это недифференцированные клетки, являющиеся тотипотентными и способными дать начало целому растению. Каллусная ткань способствует зарастанию ран, срастанию прививок и т. д.

Есть два способа генетической модификации животных: путем изменения соматических клеток (клеток тела) и половых клеток. Первый путь приводит к изменению клеток индивидуального организма, получившего модификацию, а вот второй приносит новые наследуемые признаки. Модификация соматических клеток состоит из четырех этапов: 1. Удалить клетки из организма. 2. Сделать из них культуру клеток. 3. Трансформировать клетки вектором, содержащим ген, который желательно ввести в клетки. 4. Вновь ввести трансформированные клетки в организм. Один из наиболее эффективных методов введения чужеродного гена животным состоит в том, что этот ген, предварительно клонированный в бактериальных клетках, переносят не в микроорганизмы, а в клетки животных, растущие в культуре. Другим распространенным способом является внедрение вирусной ДНК вируса SV- 40. Распространен и метод микроинъекции ДНК прямо в ядро клетки. Разработка методов генетической модификации животных, основанных на использовании половых клеток в качестве векторов для переноса генов, рассматривается как альтернатива традиционному методу получения трансгенных животных. Интерес к данному направлению связан, прежде всего, с природной способностью клеток сперматогенного эпителия самцов поглощать чужеродную ДНК и переносить ее в яйцеклетку посредством оплодотворения. При этом интегрированная в геном организма чДНК (с помощью электропорации и вирусной трансдукции) может устойчиво передаваться в ряде поколений. К настоящему времени создано много трансгенных животных. Вот только несколько примеров: •мыши модифицированы для различных целей. Некоторым введены человеческие гены для получения нечеловеческой модели человеческих болезней (ген клеточного рецептора для вируса полиомиелита). •куры успешно изменены генными инженерами и несут яйца, в белке которых содержатся потенциально полезные человеческие белки; •козы, измененные методами генетической инженерии, дают молоко, содержащее человеческий инсулин. Основные процедуры в генной инженерии сводятся к следующему: 1) рекомбинация in vitro ДНК-вектора и ДНК-гена; 2) введение рекомбинантной плазмиды в клетку; 3) молекулярное клонирование.

В отношении к человеку генная инженерия могла бы применяться для лечения наследственных болезней. Задача изменения генома взрослого человека несколько сложнее, чем выведение новых генноинженерных пород животных, поскольку в данном случае требуется изменить геном многочисленных клеток уже сформировавшегося организма, а не одной лишь яйцеклетки-зародыша. Для этого предлагается использовать вирусные частицы в качестве вектора. В настоящее время с помощью генотерапии можно дать шанс забеременеть женщинам с некоторыми разновидностями бесплодия, лечить некоторые онкозаболевания, болезни органов чувств, заболевания ЖКТ и др.

137. Экологическая биотехнология — это специальное применение биологических систем и процессов для решения задач охраны окружающей среды и рационального природопользования. Эти процессы включают утилизацию сельскохозяйственных, бы­товых и промышленных отходов, очистку стоков и газо-воздушных выбросов, деградацию ксенобиотиков, получение эффективных и нетоксичных препаратов для борьбы с болезнями и вредителями культурных растений и домашних животных, а также создание аль­тернативных   и  безвредных для  окружающей   среды  способов  воепроизводства пищи, лекарственных препаратов, энергоносителей и добычи полезных ископаемых.

138. Сельскохозяйственная биотехнология – это широкое и емкое направление, включающее в себя и биотехнологию растений, животных и биоконверсию. Сельскохозяйственная биотехнология – это и создание новых видов животных и сортов растений, условия культивирования растительных и животных клеток и тканей, вермикультивирование, поиск и создание альтернативных источников энергии, утилизация отходов, производство биоудобрений и биологическая защита растений.

 Например, бактериальные удобрения на основе клубеньковых бактерий вносят под бобовые культуры, симбионтами которых они являются. Методами генной инженерии выведены мутанты клубеньковых бактерий с повышенной способностью к азотфиксации. Есть и бактериальные препараты, улучшающие фосфорное питание растений.

Микробные инсектициды. Для их получения используются вирусы, грибы, простейшие, наиболее удобны - спорообразующие бактерии. Микробные инсектициды высоко специфичны и действуют только на определенные вредные насекомые, оставляя невредимыми полезные. Патогенность микроорганизмов вызвана действием определенных токсинов, поэтому выработки устойчивости к биопрепаратам у насекомых не происходит. Микробные пестициды(энтомопатогенные препараты на основе бактерий, грибов или вирусов) подвержены биодеградации.

Почему именно микробы? Потому как- (Микроорганизмы могут регулировать рост растений и животных, подавлять заболевания. Некоторые бактерии изменяют кислотность и соленость почвы, другие продуцируют соединения, связывающие железо, третьи - вырабатывают регуляторы роста. Как правило, микроорганизмами инокулируют семена и или растения перед посадкой.)

В животноводстве биотехнология также находит применение. Это диагностика, профилактика, лечение заболеваний с использованием техники моноклональных антител, генетическое улучшение пород животных. Широко используются биотехнологические методы для искусственного осеменения. Биотехнология применяется для силосования кормов, позволяя повышать усвоение растительной биомассы, для утилизации отходов животноводческих ферм и получения экологически чистых органических удобрения на основе переработки отходов растениеводства и животноводства.

139.Биохимия и биотехнология молока как сырья для молочной промышленности.

Биохимия

Молоко – биологическая жидкость, выделяемая молочной железой млекопитающих для поддержания жизни новорожденных. Оно синтезируется клетками эпителиальной ткани молочной железы. Питательные вещества, необходимые для синтеза молока поступают в железу с кровью. Составные части молока: белки, жиры, углеводы, находящиеся в легкоусвояемой форме.

В составе молока свыше 120 веществ, он непостоянен, зависит от возраста и породы коров, периода лактации, кормления животных. Основная доля приходится на:

воду 86-89%, 11-14%-сухой молочный остаток (СМО). СМО – молочный жир от 3 до 4,5%, белки 2,8-3,6%,углеводы 4,7-4,9%.

Среди белков от 2,5-3% казеина, 0,6-0,8-сывороточные белки. Также содержатся гормоны, ферменты, витамины.

СМО – всё то, что остаётся при высушивании молока при 102-105ºС. Этот показатель определяется аналитическим путём.

Молочный жир наиболее лабильная часть, поэтому часто говорят о сухом обезжиренном остатке СОМО. Молоко должно содержать больше 8% СОМО, если меньше, значит в молоко добавлена вода.

Биотехнология.

Первичная обработка молока на заводе заключается в его охлаждении до 4°С и очистке от возможных механических примесей.

На предприятии применяют фильтрование и центробежную очистку с помощью сепараторов молоко-очистителей.

При работе сепаратора примеси отбрасываются к стенкам и откладываются в виде слоя, очищенное молоко поступает к центру центрифуги и отводится. В результате очистки качество молока повышается, кислотность понижается на 1-2 ºТ.Иногда используют бактофугирование с помощью сепараторов-бактофугаторов, скорость вращения барабана 16 тыс. об/мин, из молока удаляются даже споры микроорганизмов, процесс проводят при повышенной температуре.

Сепарирование молока – разделение молока на фракции с различными плотностями во вращающихся устройствах – сепараторах. Молоко разделяется на 2 фракции – сливки и обезжиренное молоко. Жирность обезжиренного молока при сепарировании не более 0,05%, при сепарировании жировые шарики отделяются под действием центробежной силы.

Молоко для сепарирования не должно подвергаться сильному механическому воздействию, это ведёт к раздроблению жировых шариков и повышает их отход в обезжиренное молоко, не рекомендуется долго выдерживать молоко перед сепарированием, так как сывороточные белки молока адсорбируются на поверхности жировых шариков.

Гомогенизация молока

Гомогенизация – процесс интенсивной механической обработки молока с целью раздробления жировых шариков на более мелкие, чтобы при хранении не отстаивался жир.

С уменьшением радиуса жирового шарика и повышением динамической вязкости молока, скорость оседания жировых шариков падает, после гомогенизации скорость всплывания уменьшается в 100 раз.

Нормализация молока – направленное изменение состава молока с целью получения готового продукта, отвечающего требованиям стандарта по массовым долям составных частей молока и немолочных компонентов. Чаще всего нормализацию проводят по жиру 2-мя способами:

- в потоке (непрерывно)

- периодически (путём смешивания)

Непрерывную нормализацию проводят с помощью сепаратора-нормализатора – часть сливок отбирается и молоко выходит из сепаратора с заданной жирностью, процесс ведётся при 40-45ºС.

Нормализацию путём смешивания проводят в ёмкостях, оборудованных мешалками, т.е. смешивают молоко и сливки, или молоко и обезжиренное молоко, рассчитывая количество сливок, которое необходимо добавить.

Тепловая обработка молока – пастеризация и стерилизация.

Пастеризация – обработка молока ниже его точки кипения, она преследует следующие цели:

- полное уничтожение патогенных микроорганизмов

- снижение общего количества микроорганизмов до минимального количества

- инактивация ферментов молока

- разрушение иммунных тел и антибактериальных веществ молока

- создание благоприятных условий для развития нудной микрофлоры в молоке, предназначенном для производства кисломолочных продуктов

- придание специфических вкусов, запахов, консистенции

Об эффективности пастеризации судят по бактериям группы кишечной палочки, бродильному титру – наименьшее количество продукта, в котором обнаружены БГКП. Коли-титр – наименьшее количество продукта, в котором обнаружена кишечная палочка.

В молочной промышленности применяют режимы пастеризации:

длительный 63-65ºС 30мин; кратковременный 70-76ºС 15-20 сек;моментальный 85-90ºС безвыдержки

Стерилизация молока – тепловая обработка молока при температуре выше температуры кипения (выше 100ºС). В результате все м/о и их споры уничтожаются. Стерилизованное молоко не способно свёртываться сычужным ферментом. При длительной тепловой обработке молоко вытапливается и отстаивается молочный жир, стерилизованное молоко приобретает характерный вкус и запах кипячённого молока, так как образуются свободные S-H группы, которые препятствуют окислению и прогорканию жира.

Режимы стерилизации

- 150ºС 1 сек; - 140 ºС 10 сек; - 120ºС 15 минут; - 110ºС 30-40 минут

Способы стерилизации

- периодический – применяется при небольших объёмах производства. Процесс проводят в стерилизаторах

- непрерывный – одноступенчатый (молоко стерилизуют 1 раз в потоке или в бутылках); двухступенчатый (молоко стерилизуют 2 раза: до розлива в потоке на трубчатых и пластинчатых аппаратах и после розлива в стерилизаторах). Этот способ более надёжный, но молоко больше изменяется. Существует контактный способ – контакт молока с горячей поверхностью, инжекция пара в молоко.

140. Характеристика видового состава микрофлоры молока

Микрофлора молока, находящаяся в молоке накапливается в результате 2-х процессов:

- попадание микроорганизмов из вне – молочные наружные протоки молочной железы, поверхность вымени, тела животного, руки персонала.

- в результате размножения в молоке ранее попавших в него микроорганизмов.

В молоке могут присутствовать представители около 9 семейств микроорганизмов. Они относятся к МКБ и к не МКБ.

Микроорганизмы попадая в молоко сбраживают лактозу с образованием молочной кислоты и других продуктов.

МКБ характеризуются понятием энергией кислотообразования и пределом кислотообразования.

Энергия кислотообразования – скорость накопления молочной кислоты в единицу времени, т.е. время в течении которого молоко свёртывается при минимальном заражении его микроорганизмами.

Минимальное заражения – количество посевного материала, взятого бактериальной петлёй диаметром 3 мм и внесённого в 10 мл молока.

Предел кислотообразования бактерий – самая высокая кислотность, которую могут дать микроорганизмы в течении 5-7 суток культивирования их в оптимальных условиях.

ВИДОВОЙ СОСТАВ МИКРОФЛОРЫ.

1 Micrococcaceae, род micrococcus, staphilococcus

Представители семейства сбраживают лактозу по типу молочнокислого брожения, имеют не высокую энергию кислотообразования, кислотность 26-60 ºТ.

В молоке происходит распад белков до пептонов, имеющих горьковатый вкус, у семейства активные протеазы.

Некоторые микрококки могут расщеплять жиры – прогоревший привкус, могут сохраняться и в пастеризованном молоке, так как термоустойчивы.

Staphilococcus aureus (золотистый стафилококк) наиболее часто встречается и при нагревании молока с этим микроорганизмом токсины не разрушаются, поэтому на предприятиях строго следят за этим, проверяют ежедневно руки рабочих на гнойничковые заболевания; проводят своевременную тепловую обработку молока.

Стафилококки – круглые клетки, расположенные в виде гроздьев. Продуцируют энтеротоксины, являющиеся причиной пищевых отравлений – интоксикаций, т.е. при тепловой обработке молока они погибают, а токсины остаются, чтобы его нейтрализовать молоко следует кипятить в течении 2-х часов или при 120ºС 20 мин.

Основным местом обитания стафилококков является слизистые оболочки верхних дыхательных путей человека и животных, некоторые виды патогенны.

Свыше 90% людей является носителями патогенных штаммов. Они вызывают ангины, маститы, гнойные заболевания

2 Enterobacteriaceae (кишечные палочки) рода Shigella (дизентерия - Shigella zella), echerihiа - условно патогенные, брюшной тиф – Salmonella – патогенные. Aerobacter oeregenes – непатогенные, proteus – гнилостные. Не термоустойчивые.

Aerrobacter oeregenes, E.coli развивается при 5-55ºС – бактерии группы кишечной палочки (БГКП). Роль резко отрицательная – вспучивание сыра, нечистый вкус молока. БГКП – санитарно-показательные микроорганизмы, термоустойчивы, устойчивы к дезинфицирующим веществам также как болезнетворные бактерии. Их присутствие – нарушение санитарно-гигиенических правил на предприятии. Proteus сильно расщепляют белки (протеолитическое свойство), могут вызывать пищевое отравление.

3 Pseudomonadoceae род Pseudomonas (палочки) – психрофильные микроорганизмы (0-7ºС), 25ºС, в условиях повышенной кислотности их развитие тормозится. Способны расщеплять белки, в результате появляется гнилостный, неприятный вкус, бактерии нетермоустойчивы.

4 Bacellaceae обладают способностью образовывать споры. Род Bacillus – аэробы с высокой протеолитической активностью. Bacillus subtilis – сибирская язва. Clastridium – анаэробы – маслянокислые бактерии – сбраживают лактозу по типу мясляного брожения, вызывают позднее вспучивание сыра (30 суток), салистый привкус.

Уксуснокислые бактерии – грамотрицательные аэробы, используют в молочой промышленности, способствуют поддержанию определённой консистенции и приданию определённых вкусовых качеств ферментированным молочным продуктам. Acetobacter, Cluconobacter оптимальная температура развития 25-30°С, приспособлены к существованию в кислой среде. Молочные дрожжи обеспечивают спиртовое брожение, напитки приобретают слегка острый щиплющий вкус и пенистую консистенцию.

Молочнокислые.

Lactobacteriaceae – Streptococaceae (leuconostoc) – Streptococcus lactis – молочный стрептококк; st.cremoris; st.termophilus. Lactobacteriaceae, st.acetoinicus и st.diacetilactis – ароматообразующие.

St.lactis – энергия кислотообразования 10-12 ч, предел кислотообразования110-125ºС, оптимальная температура развития 30-35ºС, возбудитель естественного сквашивания молока. Сгусток образуется плотный, хорошо отделяется сыворотка (творог).

St.cremoris имеет меньшую активность предела кислотообразования 110-115ºТ, при сквашивании образуется вязкий сгусток, сыворотка выделяется плохо (сметана, напитки), температура развития 25-27ºС.

St.thermophilus – температура развития 40-45ºС, сгусток вязкий, чувствителен к антибиотикам – тест культура для определения наличия антибиотиков.

Leuconostoc – гетероферментативный, ароматобразующий,

leuc.citroorum, leuc.parocitrouorum – низкая кислообразующая способность, способны сбраживать соли цитрусовых кислот.

Lactobacterium lactis, lac.acidophilium, lac.bulgaricum – болгарская палочка – термоустойчивые, температура развития 40-45ºС.

Lac.casei (сырная палочка), lac.plantarum – стрептобактерии, температура развития 30-35ºС. Lac.breue, lac.bifidum – бетабактерии, кислотообразующая способность 3-8 часов, предел кислотообразования 350-400ºТ.