4.1. Перелік основних термінів, параметрів, характеристик, які повинен засвоїти студент при підготовці до заняття:

Термін

Визначення

1. Абсорбція 2. Екскреція 3. Геном людини 4. Мітохондрія 5. Резисте́нтність 6.Геном 7. Геном людини 8. Фармакогенетика

1. — вибіркове поглинання речовини з газового чи рідкого середовища усім об'ємом твердого тіла чи рідини. 2. Виділення; робота залоз та інших органів, спрямована на вилучення з організму кінцевих продуктів обміну речовин, а також сторонніх та шкідливих для організму сполук. 3. Геном, що складається з 23 чітких пар хромосом (22 автосомних + X + Y), має в сумі приблизно 3 мільярди пар основ ДНК та містить приблизно 20 000-25 000 генів 4. від грец. mitos — «нитка» та khondrion — «гранула») — мембранна органела, присутня у більшості клітин еукаріот. Мітохондрії іноді називають «клітинними електростанціями», тому що вони перетворюють молекули поживних речовин на енергію у формі АТФ через процес відомий як окислювальне фосфорилування 5. або стійкість до антибіотиків — здатність мікроорганізмів витримувати ефекти антибіотиків 6. – це сукупність всіх генів гаплоїдного набору хромосом даного виду. 7. – це загальна кількість ДНК у соматичній клітині. 8. наука, яка вивчає вплив тієї чи іншої на уроджену варіабельність в будь-якій групі живих істот у відповідь на дію ксенобіотика.

Теоретичні питання до заняття:

1. Знати співвідношення генетики та середовищних чинників.

2. Групи спадкових і середовищних чинників.

3. Стадії та етапи перебування фармацев­тич­ного препарату в організмі.

4. Класифікація захворювань залежно від співвідно­шен­ня та значення спадкових і середовищних чинни­ків.

5. Характеристика генного поліморфізму.

6. Знати приклади фармакогенетичних реакцій, пов'язаних з генетичним поліморфізмом сімей­ства СYР2.

7. Об‘яснити гемоліз еритроцитів, пов'язаний з недостатністю ферменту глюкозо-6-фосфатдегідрогенази в еритроцитах.

8. Обґрунтувати підвищену чутливість до дитиліну.

4.3. Практичні роботи (завдання), які виконуються на занятті:

Зміст теми:

Матеріали для самоконтролю:

Фармакогенетика – наука, яка вивчає вплив тієї чи іншої на уроджену варіабельність в будь-якій групі живих істот у відповідь на дію ксенобіотика. Термін “фармакогенетика” застосовують, коли зосереджують увагу тільки на ефектах того чи іншого фармакологічного препарату на окремий організм певного виду (людина, експериментальна тварина тощо), на його фенотип чи генотип. У такому вузькому контексті розглядають всі сукупні стадії та етапи перебування фармацевтичного препарату в організмі.

Надходження і перебування фармакологічного препарату в організмі людини передбачає послідовність етапів: абсорбція (всмоктування), розподіл, метаболізм, взаємодія з молекулярною мішенню, екскреція.

• Абсорбція (всмоктування) відбувається з різною швидкістю і залежить від фізико-хімічних властивостей лікарської речовини, шляху введення (через рот, внутрішньовенно, внутрішньом’язово тощо);

• Розподіл лікарського препарату в організмі людини зумовлений властивостями та складом тієї чи іншої речовини, здатністю проникати через бар’єри тканин (судинний, гематоенцефалічний, плацентарний тощо), фізіологічний стан та патологічні зміни в організмі.

• Метаболізм ліків чи біотрансформація здійснюється за участі активності ферментів. Проведення фармакокінетичної оцінки (кліренс, період напіввиведення тощо), оцінка активності білків-транспортерів і рецепторів/мішеней визначають індивідуальні особливості реакції організму на різні хімічні препарати та харчові продукти.

Біотрансформація ксенобіотиків завершується їх виведенням з організму.

• Деградація і виведення з організму всіх чужорідних речовин (ксенобіотиків) і лікарських речовин, зокрема здійснюється систе­мою особливих генів – генів метаболізму, яких раніше називали генами детоксикації і навіть генами “зовнішнього середовища”.

Обґрунтуванню фармакогенетичних закономірностей та прогресу фармакогенетики сприяло всебічне вивчення метаболізму фармацевтичних препаратів та різниці в реакціях на ліки різних органів-мішеней, клітин чи рецепторів.

У людських популяціях виявлено величезний поліморфізм метаболізму ксенобіотиків. Так, варіанти реакції на ізоніазид, – протитуберкульозний препарат, – визначаються генетичним поліморфізмом гена, що відповідає за синтез ферментів N-ацетилтрансферази.

Поліморфізм N-ацетилювання ідентифікований наприкінці 40-х років у людей, що приймали гідразид ізонікотинової кислоти (ГІНК, ізоніазид). Індивідууми були фенотиповані як “повільні” і “швидкі” ацетилятори. Частота повільного типу ацетилювання коливається від 10% (японці) до 90% (мешканці деяких Середземноморських країн). Фенотип швидкого і повільного ацетилювання зумовлений геном NAT2, який кодує фермент N-ацетилтрансферазу 2 (NAT 2).

Ознака – швидкість ацетилювання – успадковується за автосомно-домінантним типом. Доведені різні швидкості окиснення дебризохіну та спартеїну. Поліморфний характер метаболізму ксенобіотиків зумовлений гетерогенністю ферментних систем.

Геном – це сукупність всіх генів гаплоїдного набору хромосом даного виду.

Геном людини – це загальна кількість ДНК у соматичній клітині. Він складає 6,6х10⁹ пар нуклеотидів. Основна кількість ДНК локалізована у хромосомах (95%) і носить назву хромосомна (чи ядерна) ДНК. Позахромосомна частина геному людини – ДНК мітохондрій (5%). Невелику частину генома (близько 150-20000 пар нуклеотидів) утворюють окремі кільцеві молекули ДНК в ядрі і цитоплазмі.

Хромосомна ДНК складається з більш ніж 10⁸ пар азотистих основ, з яких утворюються інформативні блоки – гени, що розташовуються лінійно. На їх частку припадає близько 25% ДНК. Хромосомна ДНК поділяється на дві групи ділянок: з унікальною послідовністю пар нуклеотидів – унікальна ДНК (на неї припадає близько 50% ДНК) і такі пари нуклеотидів, що повторюються – молекули ДНК, що повторюються. Їх кількість у хромосомах становить близько 50% від загальної маси ДНК.

У ДНК розрізняють послідовності одних і тих же нуклеотидів. Вони можуть повторюватися з різною частотою:

1) такі, що містять близько 300 пар нуклеотидів і повторюються з помірною частотою (до 1000 повторів в одному локусі). Це спейсери чи надмірні гени;

2) часто-повторювані послідовності (10⁵-10⁶) становлять понад 1000 повторів в одному локусі. Вони утворюють конститутивний гетерохроматин.

Якщо повтори складаються з 2-8 пар нуклеотидів, їх називають мікросателітами. Повтори, що коливаються в межах від 10 до 100000 пар нуклеотидів і більше – це мінісателіти.

Повтори можуть розташовуватися в одному чи багатьох локусах однієї чи різних хромосом. Повтори, що виникають в різних локусах з різною частотою отримали назву гіперваріабельні тандеми.

Міні- і мікросателітні тандемні повтори розкидані по всьому геному і складають для кожної людини унікальну комбінацію за числом повторів у різних локусах та числом таких локусів. Це і складає генетичний поліморфізм кожної людини. Близько 75% всього хроматину не бере участі в транскрипції, він припадає на часто-повторювані послідовності. Геномному рівню організації спадкового матеріалу властиві особливості в про- і еукаріот.

У вірусів геномна нуклеїнова кислота складається цілком чи майже цілком із структурних генів. У геномі бактерій більшість генів унікальна, тобто міститься в хромосомі в одиничному числі. Так, ДНК кишкової палички містить 3,8 млн. пар нуклеотидів, які утворюють близько 1000 структурних генів.

Геном еукаріот за організацією – значно складніший: у ньому більша кількість ДНК в хромосомах, більше число генів, існує складна система контролю активності генів у часі і в просторі. Кількість ДНК у хромосомах зростає з еволюційним ускладненням організмів. Еукаріотам властива надмірність геному. Так, у людини геном містить 3 млрд. нуклеотидних пар, яких достатньо для утворення понад 2 млн. структурних генів, тоді як насправді міститься 35-40 тис. генів. Більше половини галоїдного геному еукаріот складають гени, які представлені по одному разу. У людини таких унікальних генів 64%, у дрозофіли – 70%.

У 80-х роках ХХ ст. для вивчення геному людини розроблена спеціальна міжнародна програма, яку фінансували США, Японія та декілька європейських країн. Дослідження за цією програмою координувала Міжнародна організація – ХЬЮГО при ЮНЕСКО.

Програма “Геном людини” спрямована на вирішення наступних завдань:

• дослідження будови ДНК людини, визначення послідовності всіх нуклеотидів;

• обґрунтування фізіологічного сенсу генетичної послідовності нуклеотидів, встановлення зв’язку фізіологічних і генетичних ознак з певною генетичною послідовністю нуклеотидів;

• вивчення молекулярних основ спадкових хвороб, їх допологову діагностику, профілактику; обґрунтування спадкової природи алергії, порушення імунітету, генетичної схильності до серцево-судинних, психічних, ендокринних та інших захворювань, природи злоякісних пухлин;

• захист геному людини від мутацій, що призводять до генетичного тягаря (екологічне спрямування програми);

• пізнання еволюції геномів і їх взаємозв’язків з мікроорганізмами, рослинами, тваринами.

Розшифрування геному людини завершилося в червні 2000 року створенням попереднього, а в квітні 2003 року кінцевого варіанту всієї послідовності гігантської (3,3х10⁹ пар нуклеотидів) молекули ДНК. Розкриття геному людини дозволяє провести інвентаризацію всіх генів груп зчеплення, картування генів, секвенування всієї ДНК, мейотичні перетворення, функціонування окремих генів і їх взаємодії, інтеграції структури і функції геному в цілому (Н.П.Бочков, 2002). Це досягнення фундаментальної науки про людину має вирішальне значення у виникненні нового науково-практичного напрямку – молекулярної медицини. Таке спрямування дозволить:

• визначити дефектні гени і розпочати лікування хвороб, що контролюються такими генами;

• вивчити процес розвитку від яйцеклітини до дорослої людини;

• вирішити проблему непереносимості певних ліків та використовува­ти лікувальні препарати без побічних ефектів;

• створити генетичну енциклопедію, яка дозволить розкрити біологічні явища не тільки в людини, але й в мікроорганізмів, рослин і тварин;

• установити повну структуру геному людини та визначити участь певних генів у появі тих чи інших ознак.

Система генів, збалансованих за дозами та об’єднаних функціональни­ми взаємозв’язками, забезпечує функціонування фенотипу цілісного організму. Проте фенотип не можна розглядати як просту сукупність ознак і властивостей. Рекомбінація генів у генотипах зумовлює їх генетичну гетеро­генність, різноманітність. Мутаційні зміни, які реалізуються на геномному рівні реалізації спадкового матеріалу, є основною причиною прискорення темпів еволюційного процесу різних організмів на Землі.

Мітохондріальний геном

Крім основної частини геному людини, що розташований у хромосо­мах у клітинах активно функціонує і та його частини, яка локалізується в мітохондріях.

Мітохондрії виконують важливу роль у метаболізмі, розвитку апоптозу і різних захворювань, старінні. Вони містять ферментні комплекси дихаль­ного ланцюга, які забезпечують реакції окиснювального фосфорилу­вання, що призводять до вивільнення енергії при розпаді АТФ.

У клітині мітохондрії утворюють суцільну високодинамічну мережу, яка постійно зазнає злиття та поділу.

Мітохондрії містять кільцеву дволанцюгову ДНК розміром 5 мкм у вигляді ковалентнозамкнутих форм, які знаходяться у зверхспіралізованому стані. Зважаючи, що в кожній соматичній клітині міститься до 1000 міто­хондрій, сумарно їх ДНК складає 5% загальної кількості ДНК в організмі.

Поверхня внутрішньої мембрани поділяється на два різних домени, один з яких у декількох місцях щільно прилягає до внутрішньої мембрани, а другий утворює кристи тубулярної чи ламелярної форми. Комплементарні ланцюги мтДНК у градієнті цезію хлориду мають різну щільність, зумовлену неоднаковою кількістю пуринів у ланцюгах, – так утворюється “важкий” та “легкий” ланцюги.

Геном мітохондрій повністю секвенований в 1981 році. Він містить 16 569 пар нуклеотидів, кодує 2 рибосомні РНК, 22 транспортні РНК і 13 поліпептидних компонентів комплексу ферментів дихального ланцюга перенесення електронів.

Відмінні ознаки мітохондріального геному (мтДНК):

• гени мітохондрій не успадковуються за законами Менделя;

• мтДНК успадковується по материнській лінії. Батьківська мтДНК у зиготі складає від 0 до 4 мітохондрій, а материнська – 2500 міто­хондрій;

• комбінативна мінливість мтДНК (мейоз) відсутня. Нуклеотидна послідовність зазнає змін тільки внаслідок мутацій;

• геноми мітохондрій істотно різняться за розміром;

• мітохондріальний геном неперервний, не містить інтронів. У мтДНК відсутні гістони і система репарації ДНК. Це призводить до того, що швидкість мутацій в 10 раз перевищує швидкість мутації генів ядерної ДНК;

• більшість генів мтДНК розділені одним геном транспортної ДНК;

• проміжки між генами, як правило, не перевищують 25 пар нуклеоти­дів, у більшості складають 3 пари нуклеотидів;

• всередині клітини можуть функціонувати мітохондрії з різними типами ДНК;

• у мтДНК транскрибуються чи транслюються обидва ланцюги ДНК.

Нуклеотидні послідовності мтДНК стали унікальним ключем для еволюції організмів, використовуються при вивченні популяційних процесів і визначенні генетичних відстаней.

Мутації генів мтДНК зумовлюють мітохондріальні хвороби. Паталогіч­ні мутації мтДНК відкриті в кожному типі мітохондріальних генів.

Останнім часом маркери мтДНК набули широкого використання в судовій медицині. Вміст мтДНК у багатьох копіях істотно підвищує імовірність збереження їх у матеріалі, що зазнає деградації. Дослідження мтДНК дозволяє провести типування багатьох біологічних зразків (фрагменти стародавніх кісток, слина, нігті, волосся) вивчення яких іншими методами ДНК-аналізу неможливо.