учебное пособие БРИЛЛЬ

Глава 2

ТИПОВЫЕ РЕАКЦИИ КЛЕТКИ НА ДЕЙСТВИЕ АЛЬТЕРИРУЮЩИХ ФАКТОРОВ

Развитие патологического процесса в любом органе или ткани неизбежно сопровождается повреждением (альтерацией) различных клеток. Это могут быть специфические тканевые элементы (гепатоциты, миоциты, нейроны и др.), клетки стенок кровеносных и лимфатических сосудов, или клетки соединительной ткани. Изменения, развивающиеся в клетках при их повреждении, могут носить обратимый и необратимый характер.

2.1.Альтерация наружной цитоплазматической мембраны

Воснове многих форм патологии лежит изменение свойств клеточных мембран. Нарушения структуры и функции биомембран могут быть как причиной, так

иследствием различных патологических процессов. Благодаря наличию в структуре наружной цитоплазматической мембраны множества разнородных химических составляющих (белков, липидов, углеводов), клеточная мембрана может служить мишенью для действия многих ядов, бактериальных токсинов, лекарственных препаратов, различных физических факторов (температуры, магнитных полей, ионизирующей радиации, лазерного излучения и т. п.).

При грубой альтерации происходит разрыв наружной цитоплазматической мембраны, и содержимое клетки изливается в окружающую среду. При этом клетка перестает существовать как самостоятельная анатомо-функциональная единица, а в среде появляются продукты внутриклеточного происхождения, служащие маркерами повреждения клеток (АТФ, фрагменты ДНК, тканеспецифические ферменты). Так, при разрушении гепатоцитов в межклеточной жидкости и в крови появляются аланин-глутаминовая трансаминаза (АЛТ) и сорбитолдегидрогеназа. При инфаркте миокарда из разрушенных кардиомиоцитов освобождаются аспарагинглутаминовая трансаминаза (АСТ), креатинфосфокиназа, тропонин. Массивный цитолиз приводит к гиперкалиемии.

При слабой или умеренной альтерации мембраны в ней возникают более тонкие изменения в виде модификации мембранных липидов (изменение соотношения различных фракций, степени насыщенности жирных кислот), белков или структурно-конформационных перестроек сложных гликолипопротеидных комплексов. Как стандартный ответ на любое повреждение в мембране активируются процессы, приводящие к образованию активных форм кислорода (АФК) (синглетный кислород, супероксидный анион-радикал), которые инициируют образование свободных радикалов (например, аниона гидроксила — ОНˉ), свободнорадикаль-

ное окисление и образование перекисных соединений (Н2О2). Запускаются процессы перекисного окисления липидов (ПОЛ) в биомембранах. Так, стимуляция ПОЛ наблюдается при воспалении, ишемии, гипоксии, ацидозе, стрессе, действии ионизирующей радиации и т.п. Субстратом окисления являются полиненасыщенные

21

жирные кислоты, входящие в состав мембранных фосфолипидов. Образующиеся продукты ПОЛ (диеновые, триеновые конъюгаты, малоновый диальдегид и др.) вызывают структурные перестройки белково-липидных компонентов мембран, что приводит к нарушению их основных функций.

Для неповрежденной клеточной мембраны характерна высокая подвижность белковых молекул, являющаяся непременным условием ее полноценного функционирования. В результате действия АФК и накопления продуктов ПОЛ в биомембране окисляются SH-группы белков, образуются кластеры липидов − малоподвижные комплексы, ограничивающие функциональные перестройки мембраны, трансмембранное движение и латеральную диффузию мембранных белков (ферментов, рецепторов, антигенов). Продукты распада гидроперекисей липидов взаимодействуют с аминогруппами белков, образуя сшивки. При этом нарушаются белково-липидные взаимодействия и, в частности, «молекулярная память липидов», заключающаяся в их способности воспринимать и сохранять информацию об изменении состояния мембранных белков.

Для защиты мембран от повреждения свободными радикалами и продуктами ПОЛ в клетке имеются мощные механизмы антиоксидантной защиты, включающие ферментативное (каталаза, супероксиддисмутаза, пероксидазы) и неферментативное (глутатион, цистеин, аскорбиновая кислота, метионин, витамин E) звенья. Повреждение мембраны возникает в том случае, если механизмы антиоксидантной защиты недостаточны, чтобы противостоять механизмам альтерации.

Повышение вязкости липидов мембраны и ограничение подвижности мембранных белков, сходное с выявляемым при усилении процессов ПОЛ, наблюдается и при патологических состояниях, сопровождающихся глубокими нарушениями липидного обмена и приводящих к увеличению уровня холестерина в мембране (наследственная гиперхолестеринемия, атеросклероз).

Одним из механизмов повреждения клеточной мембраны является образование в ней дополнительных ионных каналов. Так, под влиянием стафилококкового α-токсина в мембранах мышечных клеток формируются каналы проводимости для Са2+. Антибиотик валиномицин образует в мембране К+ селективные каналы. Существуют полиэфиры, формирующие мембранные каналы с избирательной проводимостью для Na+, Са2+, Mg2+. Противоположный эффект оказывают местные анестетики, вызывающие угнетение всех типов мембранной проводимости за счет увеличения подвижности ее элементов. Нарушение ионного баланса и, в частности, накопление в клетке Са2+ приводит к активации мембранных фосфолипаз, отщеплению жирной (арахидоновой) кислоты от лецитина клеточных мембран и синтезу большого класса биологически активных веществ — простагландинов, тромбоксанов, лейкотриенов, оказывающих выраженное влияние на окружающие клетки и сосуды микроциркуляторного русла.

В клетке происходят непрерывный синтез и сборка мембранных структур (биогенез мембран). Например, в клетках печени теплокровных животных полупериод жизни плазматической мембраны составляет 2–3 дня. Важным условием сохранения структурной целостности мембраны является сопряженная работа генетического аппарата и ряда внутриклеточных органелл — митохондрий, эндо-

22

плазматической сети, аппарата Гольджи, которые участвуют в синтезе мембранных компонентов и обеспечивают своевременное и полноценное ее восстановление. Нарушение репарации мембранных структур — один из механизмов патологии клетки.

Альтерация наружной цитоплазматической мембраны приводит к нарушению ее специфических функций. Так, изменяется пассивный и активный транспорт веществ через мембрану. Пассивный транспорт страдает вследствие изменения структуры транспортного канала, активный — в результате дефицита энергии (снижается активность мембранной транспортной АТФазы), нарушения структуры канала и снижения активности (подвижности) белков-переносчиков.

Одним из следствий угнетения активного транспорта ионов через мембрану являетсяизменениевозбудимостиклетки.Характернарушениявозбудимостивзначительной мере зависит от силы патогенного агента и времени его действия. Так, при слабой альтерации (или раздражении клетки) наблюдаются недостаточность натрий-калиевого насоса, поступление в клетку натрия, частичная деполяризация мембраны и повышение возбудимости клетки. Более сильный агент вызывает деполяризацию до критического уровня, генерацию потенциала действия (ПД), то есть возбуждение клетки. Наконец, сильный альтерирующий агент, действующий длительно, вызывает стойкую деполяризацию клеточной мембраны (снижение потенциала покоя почти до нуля) и полную потерю возбудимости.

Одной из важных функций клеточной мембраны является эндоцитоз — захват и поглощение клеткой внеклеточного материала, заключенного в везикулу, образованную из фрагментов плазмалеммы. Известны 3 вида эндоцитоза — фагоцитоз, неспецифический эндоцитоз (пиноцитоз) и специфический (рецепториндуцированный) эндоцитоз. Примером последнего может быть поступление в клетку экзогенного холестерина. Экзоцитоз — процесс секреции, осуществляемый путем слияния с плазмалеммой везикул с секретируемыми веществами. Путем экзоцитоза клетка освобождается от ненужных продуктов или выделяет вещества, имеющие регуляторную функцию (гормоны, медиаторы, цитокины и др.). Результатом повреждения клеточной мембраны является нарушение процессов эндо- и экзоцитоза.

Альтерация мембраны приводит к нарушению ее рецепторной функции. На мембране каждой клетки имеется большое количество рецепторов, через которые реализуются регулирующие воздействия гормонов, медиаторов и других биологическиактивныхвеществ.Послевзаимодействияагонистасрецепторомзапускается ряд биохимических процессов, обеспечивающих сопряжение регуляторного сигнала с ответной реакцией клетки. При изменении структуры мембранных рецепторов (или их ближайшего окружения) нарушается формирование рецепторного сигнала и, следовательно, страдает регуляция метаболизма и функции клетки.

Наконец,альтерациямембраныприводиткизменениюееантигеннойструктуры, что нарушает межклеточные взаимодействия, позволяет клетке «ускользнуть» из-под иммунологического надзора и при определенных условиях способствует возникновению аутоиммунных заболеваний.

23

2.2. Стандартные реакции на альтерацию клеточных органоидов

Эндоплазматическая сеть (ЭПС). ЭПС представляет собой единый комплекс пластинчатых, трубчатых и везикулярных мембранных структур. При альтерации элементы ЭПС подвергаются распаду и фрагментации, в результате чего нарушаются транспорт веществ внутри клетки, а также их компартментализация (распределение вещества и энергии между отдельными отсеками клетки). Нарушаются процессы гликолиза, поскольку некоторые гликолитические ферменты структурно связаны с мембранами ЭПС. Страдает синтез липопротеидов, а также катализируемое гликозилтрансферазами присоединение моносахаридов к пептидным цепям с образованием гликопротеидов. Нарушается синтез холестерина, а также фосфолипидов — основного компонента биомембран. В мышечных клетках нарушается передача потенциала действия вглубь мышечного волокна по мембранам Т-системы, то есть страдает электромеханическое сопряжение. Угнетение Санасоса пузырьков ретикулума ведет к нарушению секвестрации кальция и патологии мышечного расслабления.

В ЭПС клеток печени, легких, кишечника, коры надпочечников, кожи подвергается метаболическим превращениям ряд эндогенных продуктов (стероиды, жирные кислоты), а также чужеродных веществ — ксенобиотиков (лекарственные препараты, пестициды, канцерогены и др.). Катализируют эти процессы монооксигеназы и ферменты микросомальной фракции, связанные с цитохромом Р450. Патология этих систем ведет к расстройству детоксикационных процессов. Поскольку с мембранами ЭПС связываются рибосомы, альтерация ЭПР приводит к нарушению биосинтеза белка в клетке.

Рибосомы. Это сложные белоксинтезирующие частицы, выполняющие одновременно генетическую (декодирующее устройство), энзиматическую (работающие как фермент пептидилтрансфераза) и механическую (движение по молекуле мРНК) функции.

В процессе биосинтеза белка рибосома принимает кодированную генетическую информацию в виде мРНК и расшифровывает ее, катализирует образование пептидных связей и осуществляет перемещение мРНК и тРНК.

Наиболее эффективно биосинтез белка идет при объединении нескольких рибосом на мембранах ЭПС в полисомы и, следовательно, полноценный белковый синтез требует интактности ЭПС. Образованию полисом способствуют соматотропный гормон и инсулин, и при дефиците этих гормонов угнетаются процессы белкового синтеза.

Биогенезрибосомиихсборкапроисходятвклеточномядре(вобластиядрышка). Возможны нарушения образования компонентов и сборки рибосом в ядре, а также поступления готовых рибосом в цитоплазму.

Патология может быть связана со структурными аномалиями рибосом. Рибосома построена из большой и малой субъединиц. При дефиците ионов магния рибосома распадается на субъединицы. Однако для инициации трансляции рибосома должна быть диссоциирована. Только в таком состоянии ее малая субъединица связывается с мРНК. Большая субъединица содержит транспептидазный центр,

24

выполняющий каталитическую функцию, а также участвует в гидролизе гуанозинтрифосфата (ГТФ), активируя ГТФазный центр на белке — факторе элонгации. В каждом цикле смыкания-размыкания рибосомы расходуется 1 молекула ГТФ.

Биосинтез белка на рибосомах — сложный многостадийный процесс, и его осуществление возможно только при точном взаимодействии в пространстве и во времени отдельных компонентов белоксинтезирующей системы. Причинами нарушения биосинтеза белка на рибосомах могут быть:

-отсутствие информационной РНК;

-нарушение синтеза и пространственного расположения на рибосоме рибосомальной РНК;

-дефицит аминокислот;

-дефицит энергии: АТФ необходим для активации аминокислот, ГТФ — для образования инициаторного комплекса, движения рибосомы по молекуле мРНК и элонгации;

-ингибиция аминоацил-тРНК-синтетазы — фермента, осуществляющего активацию аминокислот и их присоединение к соответствующим транспортным РНК

собразованием комплекса — аминоацил-тРНК;

-недостаток белковых факторов инициации;

-дефицит белковых факторов элонгации;

-дефицит белковых факторов терминации.

Даже незначительные изменения структуры отдельных участников трансляции могут приводить к ингибированию биосинтеза белка. Такой эффект оказывают некоторые антибиотики: тетрациклины препятствуют связыванию аминоацил- тРНК-комплекса с большой субъединицей рибосомы, стрептомицин, неомицин и канамицин блокируют инициацию трансляции. Подавление биосинтеза белка в клетках человека возможно под влиянием бактериальных токсинов. Так, дифтерийный токсин блокирует один из белковых факторов элонгации. Примечательно, что роль тРНК не ограничивается только участием в биосинтезе белка. Она участвует в регуляции экспрессии многих генов, влияя на промоторную специфичность РНКполимеразы. тРНК стимулирует транскрипцию оперонов, кодирующих ферменты биосинтеза аминокислот, переносимых данной тРНК.

Аппарат Гольджи. Это пластинчатый комплекс в морфологическом и функциональном отношениях тесно связанный с ЭПС. При его повреждении нарушаются процессы упаковки внутриклеточных продуктов, образования секреторных гранул и выделения веществ из клетки. Страдают процессы гликозилирования, фосфорилирования и сульфатирования белков. Это «созревание» белков в аппарате Гольджи необходимо для их сортировки и направленного транспорта. Изменяется и синтез сложных углеводов — полисахаридов, мукополисахаридов. Структуры аппарата Гольджи весьма чувствительны к гипоксии, при которой наблюдается разрыхление, фрагментация и распад его мембран.

Лизосомы. В лизосомах содержится более 60 различных ферментов, гидролизующих белки, жиры, углеводы, комплексные соединения и способные разрушить любую клеточную структуру. Ферменты лизосом обеспечивают расщепление собственных компонентов клетки, а также переработку экзогенных продуктов, посту-

25

пающих в клетку в процессе активного эндоцитоза. Большинство лизосомальных ферментов проявляют максимальную активность в кислой среде. Патология лизосом может быть связана с повышением проницаемости их мембраны или изменением набора лизосомальных ферментов.

При грубой альтерации мембрана лизосом разрушается и выходящие ферменты вызывают аутолиз клетки. Выход лизосомальных ферментов во внеклеточную среду и альтерация окружающих тканей являются важными патогенетическими моментами, определяющими участие лизосом в реакциях повреждения, в воспалительных, дегенеративных процессах и опухолевом росте. Однако аутолиз может быть и проявлением нормальной функции лизосом, направленной на уничтожение старых, мутировавших клеток, разрушение ненужных структур в ходе развития организма.

При умеренной гипоксии, ацидозе, гипервитаминозе D, воздействии соединений кремния, бактериальных токсинов, УФ-излучения происходит повышение проницаемости мембраны лизосом. Последнее ведет к избыточному, неконтролируемому, не обусловленному потребностями клетки освобождению лизосомальных ферментов и нарушению их специфической функции. Так, страдают процессы внутриклеточного пищеварения, нарушается участие лизосомальных ферментов в репаративной регенерации (восстановлении отдельных внутриклеточных структур при их повреждении), изменяется регуляторная функция лизосом и, в частности, их участие в процессах лимитированного протеолиза — активации биологически активных веществ путем отщепления ингибирующего пептидного фрагмента. Не происходит очистки внутриклеточной среды, осуществляемой обычно лизосомальными ферментами, которые уничтожают макромолекулы и органоиды с измененной структурой. Такие дефектные структуры могут возникать в результате окисления, действия перекисей, активных радикалов, случайных ошибок в ходе синтеза макромолекул (около 15 % всех синтезируемых белков содержат неправильные последовательности аминокислот).

Специфической функцией лизосомальных ферментов железистых клеток и клеток печени является удаление избыточных количеств гормонов и биологически активных веществ. При патологии лизосом в этих клетках нарушаются процессы регуляции биологических функций.

С повышением проницаемости лизосомальных мембран связана способность раковых клеток к инвазивному росту и метастазированию.

Дефицит какого-либо из лизосомальных ферментов обычно связан с генетическим дефектом и относится к категории лизосомальных наследственных болезней (их известно более 30). При этом избыточно накапливаются вещества, разрушение которых должно осуществляться недостающим ферментом («болезни накопления»). Примерами такой патологии могут служить мукополисахаридозы

— заболевания, развивающееся вследствие дефицита лизосомальных ферментов, метаболизирующих мукополисахариды, а также гликогенозы — заболевания, обусловленные недостаточностью ферментов, разрушающих гликоген.

Митохондрии. Это «силовые станции» клетки, синтезирующие АТФ и обеспечивающие клетку большей частью необходимой ей энергии. Следовательно,

26

альтерация митохондрий приводит к дефициту энергии в клетке и угнетению всех энергопотребляющих процессов. При повреждении митохондрий нарушаются синтез и распад жирных кислот, страдает цикл Кребса, ферменты которого располагаются на кристах и в митохондриальном матриксе. Цепь переноса электронов представлена системой дегидрогеназ, простетическими группами которых являются НАД и ФАД. Функционирование флавиновых дегидрогеназ нарушается при дефиците рибофлавина (витамина В2). Конечным акцептором электронов в цепи переноса служит кислород. При окислении молекулы НАДН одним атомом кислорода в митохондриях образуются 3 молекулы АТФ. При любой гипоксии нарушаются конечные этапы дыхания в митохондриях.

В ответ на умеренную альтерацию митохондрии отвечают стандартной реакцией — набуханием. При этом происходит разобщение процессов дыхания и окислительного фосфорилирования, то есть большая часть энергии, извлекаемой из субстрата, не запасается в виде макроэргических соединений, а рассеивается в виде тепла. Набухание митохондрий может происходить под влиянием солей тяжелых металлов, продуктов ПОЛ, динитрофенола, высоких концентраций тироксина, избытка ионов кальция, при действии ионизирующего излучения. Разобщение дыхания и фосфорилирования приводит к уменьшению уровня АТФ в клетке. Поскольку АТФ является аллостерическим ингибитором ключевого фермента гликолиза фосфофруктокиназы, при дефиците АТФ активируются анаэробные процессы, в клетке накапливаются конечные продукты гликолиза (лактат и пируват) и возникает внутриклеточный метаболический ацидоз. В кислой среде повышается проницаемость лизосомальных мембран, растет активность лизосомальных ферментов, что может привести к аутолизу клетки.

При патологии митохондриальных мембран нарушается работа транспортных систем,переносящихионы,субстратыинизкомолекулярныепродукты.АДФ-АТФ- транслоказа импортирует внутрь матриксного пространства АДФ, который фосфорилируется и в виде АТФ переносится обратно из митохондрий. Белки-ионофоры (транслоказы) осуществляют ионный обмен (Na+/K+, Ca2+/Mg2+, Ca2+/2H+), интактность которого является необходимым условием полноценного энергообмена и функционирования ферментных систем.

При изменении активности моноаминоксидазы, локализованной на внешней мембране митохондрий, нарушается обмен биогенных аминов и страдает регуляция функций. В некоторых клетках митохондрии выполняют специфические функции. Так, в печени митохондрии являются поставщиками аминогрупп в цикл мочевины.

При определенных неблагоприятных для клетки условиях в митохондриях синтезируется сигнальный белок, запускающий процесс апоптоза.

Важным моментом в патологии митохондрий является изменение структуры и функции имеющихся здесь ДНК, РНК и рибосом. Под контролем собственного генетического аппарата в митохондриях синтезируется ряд структурных и ферментных белков этого органоида. Мутация митохондриальной ДНК приводит к развитию митохондриальных наследственных болезней. Генетический дефект в этом случае передается по материнской линии. Примером такой патологии может

27

служить ретробульбарный неврит (болезнь Лебера). Есть основания считать, что изменение структуры ДНК митохондрий может играть определенную роль в процессах канцерогенеза.

Клеточный центр. При альтерации структурных элементов клеточного центра — центриолей и астросферы — нарушаются процессы митоза в соматических и мейоза в половых клетках. Дефект контрактильного механизма нитей ахроматинового веретена приводит к нерасхождению хроматид к полюсам делящихся клеток, и в дочерних клетках изменяется набор хромосом.

2.3. Патология клеточного ядра

Ядро клетки выполняет следующие основные функции:

-хранение генетической информации;

-удвоение генетической информации (репликация ДНК) в период, предшествующий клеточному делению;

-реализация генетической программы путем транскрипции и последующей трансляции.

Стандартным ответом клеточного ядра на слабую альтерацию или стимуляцию клетки является активация его специфических функций:

1) транскрипции — синтеза различных видов РНК;

2) репликации — удвоения ДНК и стимуляции митотической активности клетки.

Ядро окружено двухслойной липопротеидной мембраной. Альтерация ядерной мембраны может привести к нарушению:

-пространственной ориентации и фиксации молекул ДНК в ядре;

-передачи электрического сигнала генетическому аппарату клетки;

-избирательного поступления в ядро ионов, гормонов, медиаторов, индукторов и репрессоров, гистонов и кислых ядерных белков;

-выхода из ядра в цитоплазму разных видов РНК, информосом и рибосом. Грубая альтерация клеточного ядра приводит к мутациям. Мутация — это

стойкое изменение структуры ДНК, не запрограммированное в геноме. Представление о том, что мутация есть любое стойкое изменение структуры ДНК, оказывается неверным, поскольку генетический аппарат клетки в онтогенезе не является неизменной структурой. В геноме эукариот присутствует множество мобильных генетических элементов. Это «прыгающие» гены (транспозоны) и мигрирующие нуклеотидные последовательности, которые на разных этапах онтогенеза могут перемещаться и менять свое положение в молекуле ДНК. Однако все эти перестройки не случайны, а запрограммированы в геноме: время и место перемещения различных локусов четко определены генетической программой развития организма. Такая реорганизациямолекулыДНКвонтогенезеслужитнеобходимойпредпосылкойполноценного функционирования генома. Патология возникает как при чрезмерной подвижности элементов генома, так и при их избыточной стабильности.

Агенты, вызывающие мутации, называются мутагенами. Различают физические (ионизирующее излучение, УФ-радиация), химические (вещества с большой внутренней энергией связи — модификаторы и аналоги оснований ДНК, сшиваю-

28

щие агенты) и биологические (бактериальные токсины, вирусы) мутагены. Существуют факторы, модифицирующие эффекты классических мутагенов. К ним относятся: комутагены — факторы, потенцирующие действие мутагенов; десмутагены

— химические соединения, присутствующие в окружающей среде и способные при взаимодействии с мутагенами уменьшать их активность (капуста, яблоки, лук, зеленый перец содержат вещества, обладающие десмутагенной активностью); антимутагены — вещества, присутствующие в клетке (в организме) и ослабляющие эффект мутагенов (полиненасыщенные жирные кислоты, цистеин, серотонин, глутатион, α-токоферол, пуриновые нуклеозиды, вещества, стабилизирующие рН).

По степени структурных изменений генома различают следующие мутации:

1.Геномные мутации — полиплоидия и анеуплоидия. Полиплоидия — увеличение числа хромосом, кратное гаплоидному. Полиплоидия в половых клетках приводит к нарушению процесса оплодотворения или ранней гибели плода. Полиплоидия в соматических клетках является проявлением их усиленной функции. Полиплоидные клетки можно обнаружить в регенерирующей ткани, гипертрофированном миокарде и т. п. Анеуплоидия — любое изменение числа хромосом. Это безусловная патология, поскольку нарушается сбалансированность генома.

2.Хромосомные мутации (аномалии): делеция (потеря участка хромосомы), дупликация (удвоение участка хромосомы), инверсия (поворот участка хромосомы на 180°), транслокация (перемещение участка хромосомы). Изменение структуры отдельных хромосом, обнаруживается при световой микроскопии.

3.Генные, или точечные мутации — минимальные, касающиеся отдельных нуклеотидов, изменения в молекуле ДНК, не выявляемые при световой микроскопии. Суть мутационного изменения может заключаться в замене азотистых оснований. Возможны транзиции — замена пурина на пурин (А–Г) и пиримидина на пиримидин (Т–Ц) и трансверсии — замена пурина на пиримидин (А,Г на Т,Ц) или пиримидина на пурин (Т,Ц на А,Г). Это «мягкие» мутации, поскольку их результатом может явиться замена лишь одной аминокислоты в полипептидной цепи. К более глубоким изменениям приводят «жесткие» мутации — точечные выпадения (делеции) или вставки оснований. При этом сдвигается рамка триплетного считывания информации и синтезируется совершенно измененный белок. Возможны мутации, приводящие к возникновению бессмысленных кодонов (нонсенс-мутации).

Врезультате мутаций этого типа обрывается синтез полипептидной цепи в месте образования бессмысленного триплета.

Различные участки молекулы ДНК выполняют в геноме неодинаковые функции, и их мутации имеют различное фенотипическое проявление.

Функционально активные районы (опероны) в молекуле ДНК разделяются спейсерами — участками нетранскрибируемой ДНК. Мутация этих районов ДНК может остаться без последствий (молчащая мутация).

Инициация транскрипции связана с распознаванием молекулой РНК по­ лимеразы определенного участка ДНК, называемого промотором. При мутации области промотора нарушается связывание этого фермента с ДНК и не запускается синтез РНК. РНК-полимеразы эукариот сами не способны узнать промотор. Им помогают в этом белковые факторы транскрипции. Перед участком взаимодействия

29

полимеразы с ДНК располагаются короткие нуклеотидные последовательности — «мотивы», узнаваемые факторами транскрипции. Мутация этих участков ведет к выключению образования мРНК.

Транскрипционные факторы типа J — семейство белков, способных образовывать пары из неидентичных субъединиц (гетеродимеры) в результате их фосфорилирования под влиянием протеинкиназ. При этом они приобретают способность взаимодействовать с промоторами разных генов. Интенсивность фосфорилирования транскрипционных факторов возрастает при взаимодействии различных регуляторов (гормонов, факторов роста) с рецепторами клеточной поверхности, образуется большое число разнообразных димеров, запускающих работу целого ряда генов, необходимых для клеточного деления. Если в результате мутации образуется J-фактор с измененными свойствами, это приводит к нарушению регуляции клеточного роста, что может способствовать появлению опухолей. Гены, кодирующие факторы транскрипции или их мембранные рецепторы, могут являться протоонкогенами.

В структуре генетического аппарата про- и эукариот существуют зоны, через которые осуществляется регуляция биосинтеза белка при помощи специфических белков-репрессоров. Репрессорные белки синтезируются под контролем определенных структурных генов и, присоединяясь к определенным участкам ДНК, выключают транскрипцию. Иногда репрессор вырабатывается в форме неактивного предшественника и активируется под влиянием корепрессора. Блок транскрипции может быть снят при взаимодействии белка-репрессора с веществом-индуктором. В роли индукторов могут выступать гормоны, медиаторы, биологически активные вещества, цАМФ и др. Так осуществляется достаточно грубая регуляция биосинтеза белка по принципу «все или ничего». При мутации регуляторных участков может нарушаться фиксация репрессора, что ведет к избыточному, постоянному (конститутивному) синтезу белка. При другом варианте патологии повышается сродство рецепторного участка акцепторной зоны к репрессору и выключается биосинтез белка, поскольку вещества-индукторы не могут снять блок с ДНК.

Более тонкая регуляция биосинтеза белка по принципу «чуть больше – чуть меньше» осуществляется генами-аттенуаторами, присутствующими только в клетках эукариотических организмов. Эти гены подразделяются на энхансеры (усилители) и сайленсеры (ослабители). Гены-аттенуаторы контролируют работу структурных генов, расположенных на той же хромосоме. Для одного структурного гена может быть несколько энхансеров и сайленсеров. Мутация области геноваттенуаторов приводит к нарушению тонкой регуляции интенсивности белкового синтеза.

Важнейшим элементом генома являются структурные гены, которые определяют первичную структуру белков и пептидов. Функция всех регуляторных элементов генома направлена на оптимизацию работы именно этих генов. Структурный ген эукариот имеет мозаичную природу, т.е. представлен чередованием кодирующих участков — экзонов и молчащих участков — интронов. Мутация экзона приводит к изменению первичной структуры пептида, тогда как мутация интрона может не проявиться фенотипически. Однако при мутации сигнальных (марги-

30