биохимия краткий курс часть 2

козы используются для получения активатора плазминогена (лечение тромбоза), овцы – IX фактора системы свёртывания крови (гемофилия), кролики – интерлейкина2 (иммунные и злокачественные болезни). Для получения белков медицинского назначения экономически выгодны трансгенные растения. Примеры: табак используют для получения эритропоэтина, эпидермального фактора роста, -интерферонов.

Дальнейшее развитие медицины и фармации происходит в связи с её всё большей “генетизацией”. Новые возможности появились в связи с расшифровкой генома человека – это создание “генетического паспорта”. В России (Санкт-Петербург) разработано генетическое тестирование для более 25 болезней: ИБС, СД, гипертонической болезни, рака молочной и предстательной желез, наркомании, бронхиальной астмы. Индивидуальное прогнозирование болезни позволит планировать индивидуальные мероприятия по их предупреждению. Это задачи превентивной (предупредительной) медицины.

Переход от диагностики заболевания к его прогнозированию путем тестирования генов предрасположенности позволит предупреждать такие заболевания как гипертоническая болезнь, сахарный диабет, ожирение, шизофрения, рак щитовидной железы, рак молочной железы и др. Гены предрасположенности – это мутантные гены (аллели), которые совместимы с рождением и жизнью, но при определённых неблагоприятных условиях могут способствовать заболеваниям. Люди с медленной эпоксидгидролазой (в России 6% – гомозиготы) чувствительны к табачному дыму (эмфизема, пневмония). Людям с мутацией ангиотензинпревращающего фермента (ИБС, инфаркт) не показана чрезмерная физическая нагрузка. Для предупреждения заболевания в некоторых случаях необходима хирургическая операция, в других – максимально эффективные дозы лекарства с учетом генов, ответственных за их биотрансформацию (бронхиальная астма), в третьих – диета с определёнными ограничениями (СД, атеросклероз).

Одной из задач превентивной медицины является планирование методов молекулярного лекарственного воздействия. Показано, что 50% неблагоприятных реакций на лекарства связаны с генами. Индивидуальную максимально эффективную и максимально безопасную дозу лекарства обеспечит развитие фармакогенетики и фармакогеномики. Фармакогенетика изучает значение наследственности в реакции организма на лекарства. Реакции могут быть типичными или атипичными. Необходим анализ причин низкой или наоборот повышенной чувствительности к лекарствам. У разных людей одна и та же доза лекарства может вызывать:

у одних необычно сильный эффект

у других необычно слабый эффект

у третьих парадоксальный эффект (например, наследственная акаталаземия была открыта случайно: при обработке слизистой носоглотки и ротовой полости перекисью водорода возникало не пенообразование, а коричневая окраска).

Генетические различия по отношению к лекарствам связаны с генетическим полиморфизмом в человеческих популяциях. Наследственные различия имеют место и в процессе всасывания, и в процессе распределения, и в процессе взаимодействия лекарства с рецептором или другой мишенью, а также и в процессе биотрансформации лекарства в организме. Известны мутации, которые вызывают патологическую реакцию на лекарства. Самый распространенный фармакогенетический дефект это недостаточность глюкозо-6- фосфатдегидрогеназы ( у 200млн чел.). У этих людей наблюдается гемолиз эритроцитов при приёме примахина, многих сульфаниламидов и некоторых других лекарств.

21

Гемолитическая желтуха сопровождается ознобом, гиподинамией, количество эритроцитов2 млн., в тяжёлых случаях развивается коллапс. У пациентов с недостаточностью метгемоглобинредуктазы после приёма фенацетина, примахина и некоторых других лекарств возникает цианоз. Патологическая реакция может проявляться в виде гипербилирубинемии, образовании билирубиновых камней в желчевыводящих путях, образовании камней в почках и т.д.

Патологическая реакция на лекарства может быть связана с задержкой выведения метаболитов. Впервые Харрис (1958 г.) и Эвандс (1960г.) показали, что скорость метаболизма противотуберкулёзного препарата изониазида (тубазида) распределяется бимодально (двухвершинно). У одних время полувыведения составляет 60 минут, у других 240 минут). Причина оказалась в различной активности N-ацетилтрансферазы. В последствии это же явление было доказано и для других лекарств: апрессина, новокаинамида, пенициллина, сульфаниламидов. Различная активность ацетилтрансферазы предопределена генетически. Интересно, что в разных этнических группах соотношение быстрых и медленных ацетиляторов различно. У европейцев и негроидов оно примерно равное (50% на 50%). Среди египтян преобладают медленные ацетиляторы (82%).

Явление полиморфизма показано также для окислительных ферментов (монооксигеназные системы микросом). Для этих ферментов доказана тримодальность в распределении активности:

«медленные окислители» (гомозиготы по рецессивному гену)

«быстрые окислители» (гомозиготы по доминантному гену)

«средние окислители» (гетерозиготы).

При этом «медленные окислители» могут быть «быстрыми ацетиляторами» и

наоборот. На больших популяциях показана компенсация недостаточности одних систем другими.

Переход на индивидуализацию эффективной и безопасной дозы препарата возможен. Это автоматический скрининг концентрации лекарства в крови и автоматическая коррекция. Она проводится в некоторых клиниках при лечении ССЗ, некоторых вирусных инфекций. В будущем на основе «генетического паспорта» станет возможной не только индивидуализация дозировки, но и индивидуализация возможных побочных эффектов, мутагенеза и канцерогенеза под действием лекарств. В практике используются микрочипы для тестирования лиц – «медленных метаболизаторов».

Фармакогеномика изучает структуру и функцию генов, которые экспрессируются под воздействием лекарства или изучаемого соединения – возможного лекарства. Такая информация даёт возможность целенаправленной регуляции этих генов – геномная лекарственная терапия. Основные задачи фармакогеномики:

разработка основ индивидуальной терапии;

создание новых лекарств, направленных на гены, специфически влияющих на отдельные звенья патологического процесса.

Так как разнообразие ответов на один и тот же лекарственный препарат чаще всего связано с однонуклеотидным полиморфизмом генов, однонуклеотидные замены могут быть эффективными фармакогенетическими маркёрами. Например, существует полиморфизм рецепторов дофамина: наиболее высокий риск алкоголизма, наркомании и других нарушений поведения связан с А1- и D2-рецепторами. Это важно для оценки профессиональной пригодности обследуемых лиц, превентивных и лечебных мероприятий.

22

Одним из направлений фармакогеномики является массовый скрининг с помощью микрочипов вновь синтезированных соединений. Потенциальные лекарства можно отбирать, сопоставляя характер экспрессии генов с известным, сходным по механизму действия, эталонным лекарством. Например, так пытаются получать новые ГКС.

1.7.ТЕСТОВЫЕ ЗАДАНИЯ

Выбрать один правильный ответ

1.ПРОИЗВОДНЫМИ ПУРИНА ЯВЛЯЮТСЯ АЗОТИСТЫЕ ОСНОВАНИЯ

1)гуанин

2)урацил

3)тимин

4)цитозин

2.КОНЕЧНЫМ ПРОДУКТОМ КАТАБОЛИЗМА ПУРИНОВ ЯВЛЯЕТСЯ

1)бензойная кислота

2)гипоксантин

3)оротовая кислота

4)мочевая кислота

3.ПОДАГРА РАЗВИВАЕТСЯ ПРИ УВЕЛИЧЕНИИ В КРОВИ УРОВНЯ

1)мочевой кислоты

2)гипоксантина

3)валина

4)молочной кислоты

4.ПРАЙМЕР НЕОБХОДИМ ПРИ

1)репликации

2)обратной транскрипции

3)транскрипции

4)трансляции

5.ЕДИНСТВЕННОЙ РЕПАРИРУЕМОЙ МОЛЕКУЛОЙ ЯВЛЯЕТСЯ

1)ДНК

2)белок

3)РНК

6.ТРАНСЛЯЦИЯ ПРОИСХОДИТ В

1)ядре

2)митохондриях

3)лизосомах

4)рибосомах

7.КОНЕЧНЫМ ПРОДУКТОМ РАСПАДА ПИРИМИДИНОВ ЯВЛЯЕТСЯ

1)мочевая кислота

2)карнозин

3)β аланин

23

4)оротовая кислота

8.ТОЛЬКО В ДНК ВХОДИТ АЗОТИСТОЕ ОСНОВАНИЕ

1)аденин

2)тимин

3)цитозин

4)урацил

9.МАТРИЦОЙ ДЛЯ СИНТЕЗА БИОПОЛИМЕРОВ ЯВЛЯЕТСЯ

1)ДНК

2)рРНК

3)тРНК

10.ОБРАТНАЯ ТРАНСКРИПЦИЯ – ЭТО

1)распад белка

2)распад ДНК

3)синтез мРНК на ДНК

4)синтез ДНК на мРНК

11.АНТИОНКОГЕНЫ – ЭТО

1)гены, увеличивающие дифференцировку и препятствующие пролиферации

2)гены, увеличивающие пролиферацию и препятствующие дифференцировке.

3)гены, запускающие репарацию ДНК

4)«молчащие» гены

12.ГЕНОТЕРАПИЯ – ЭТО

1)лечение человеческими белками, синтезированными трансгенными клетками

2)пересадка генов в клетки человека с лечебной целью

3)фармакогенетика

4)фармакогеномика

13.CD4 И ХЕМОКИНОВЫЕ РЕЦЕПТОРЫ ДЛЯ ВИЧ ИМЕЮТСЯ НА

1)макрофагах

2)гепатоцитах

3)эритроцитах

4)тромбоцитах

14.НА ОБРАЗОВАНИЕ ПЕПТИДНОЙ СВЯЗИ ЗАТРАЧИВАЕТСЯ ЭНЕРГИЯ

1)ГТФ

2)АТФ

3)макроэргической связи аа-тРНК

4)УТФ

15.ПРИ ФОРМИРОВАНИИ ТРЕТИЧНОЙ СТРУКТУРЫ МОЛЕКУЛА ДНК СВЯЗЫВАЕТСЯ С

1)белками субъединиц рибосом

2)гистонами

3)протеинкиназой А

4)ферментами класса трансфераз

24

2. ГОРМОНЫ И СИГНАЛТРАНСДУКТОРНЫЕ СИСТЕМЫ

Любой живой организм сохраняет обязательное для жизни состояние устойчивого неравновесия и поддерживает в допустимых пределах постоянство своей внутренней среды (гомеостаз). Это возможно только благодаря регулируемости – одному из обязательных свойств жизни. У многоклеточных организмов отдельные элементы (клетки) должны быть объединены в единое целое (интеграция) и все должно решаться в интересах организма (координация). Традиционно различают две регуляторные системы: нервную и эндокринную. Нервная система наиболее важна для общения организма с окружающей средой, но внутреннюю среду она регулирует лишь частично, а гормоны – полностью. Роль головного мозга переоценить трудно, но есть большие сферы жизнедеятельности, не имеющие прямого нервного контроля. Это синтез нуклеиновых кислот и белка, деление и дифференцировка клеток, клеточный шок, злокачественная трансформация, апоптоз, водноминеральный обмен и кислотно-основной баланс. В то же время все они регулируются гормонами.

Любая система работает только в том случае, если срабатывают и прямые, и обратные связи. Прямая связь обеспечивается гормоном, обратная связь – как гормоном, так и продуктом реакции. При нарушении механизмов регуляции, обусловленных прерыванием нормальных обратных связей, возникают гормональные и метаболические заболевания.

Гормоны в широком смысле – это специализированные и мобильные межклеточные регуляторы рецепторного действия. Всем известен главный постулат молекулярной биологии: ДНК (гены) определяют все свойства организма; закодированная в ней информация передается на РНК и затем на белки, которые и реализуют эту информацию. Над этой универсальной последовательностью есть надстройка – гормоны. Если ДНК определяет все, а белки делают все, то гормоны регулируют все. Любой процесс обязательно контролируется гормонами, как на клеточном, так и на органном и организменном уровнях.

Молекулярные механизмы действия гормонов опосредованы через сигналтрансдукторные системы (СТС) клетки. СТС – система восприятия, преобразования, усиления и передачи гормонального и иного сигнала во все части клетки. Основные компоненты СТС – рецепторы, ионные каналы, G-белки, эффекторные ферменты, вторые посредники, протеинкиназы (включая тирозинкиназы), белковые факторы матричных синтезов.

2.1. КЛАССИФИКАЦИЯ ГОРМОНОВ И РЕЦЕПТОРОВ

А. По характеру распространения:

1.Циркулирующие гормоны – это регуляторы, переносимые кровью, независимо от места синтеза и дальности действия. Из продуцирующих клеток (отдельных или собранных в специальных орган – эндокринную железу) они поступают в кровоток (общий или локальный) и переносятся к другим клеткам (удаленным или близлежащим).Такой тип регуляции называют эндокринной.

2.Нейротрансмиттеры (нейрогормоны) – это передатчики нервного импульса (сигнальные вещества нейронов).Среди них различают медиаторы – посредники, очень быстро (за мс) передающие пусковой нервный импульс (глутамат, ацетилхолин), и модуляторы – вещества, видоизменяющие эффекты медиаторов (дофамин). Такой тип регуляции называют нейрокринной.

25

3.Местные (тканевые) гормоны, например, ФРК, ЦК, эйкозаноиды, амины – действуют на клетку-соседку – это паракринная регуляция (рис.9).. Выделяют также аутокринную регуляцию, когда гормон действует на рецептор той клетки, которая его продуцирует. В последнем случае гормон действует на клетку не изнутри, а снаружи, то есть он должен выйти из клетки, чтобы подействовать на нее.

Б. По широте действия гормоны подразделяют на:

1.универсальные – оказывают действие на все клетки (например, КА и СТГ);

2.широкого действия – действуют не на все, но на много клеток (например, ИН, ЙТ);

3.направленного действия, имеющие одну или две мишени (например, АКТГ);

В. Биохимическая классификация делит гормоны на:

1.белково-пептидные (например, СТГ, АТ II);

2.аминокислоты, амины и их производные (например, глутамат, КА, ЙТ);

3.липидные (стероиды и эйкозаноиды);

4.нуклеозиды и нуклеотиды (аденозин, АТФ)

Рис. 9. Классификация гормонов

Гормоны оказывают свое действие на клетки-мишени через белки-рецепторы, специфически связывающие гормоны и запускающие цепь событий, в результате которых и возникают специфические эффекты. Величина гормонального эффекта зависит от концентрации гормон-рецепторного комплекса. Например, бесплодие женщины может быть связано с дефицитом, как половых гормонов, так и рецепторов к ним. Аналогично, есть два типа сахарного диабета: при первом мало инсулина, а при втором типе инсулина достаточно, но рецепторов к нему мало. Основной причиной наследственного дефицита рецепторов являются инактивирующие мутации в генах, наоборот, активирующие мутации приводят к

26

увеличению гормональных эффектов и даже появлению конститутивно активных рецепторов, то есть активных спонтанно, независимо от гормона, и вызывающих развитие эндокринных опухолей.

Агонисты рецепторов (стимуляторы, миметики) – это гормоны и их синтетические аналоги, действующие на те же самые рецепторы. Антагонисты (блокаторы, литики) – вещества, связывающиеся с рецептором и мешающие работать агонистам. Концентрация и сродство к гормону являются регулируемыми параметрами, изменение которых сказывается на чувствительности клетки к гормону.

Сенситизация – увеличение чувствительности к гормону, возникает при денервации и при длительном введении блокаторов рецепторов. Десенситизация – уменьшение чувствительности клетки к гормону, возникает в результате длительного действия гормона и при лечении агонистами (аналогами) гормонов, что может привести к развитию лекарственной зависимости и часто требует повышения доз.

Выделяют 5 основных типов рецепторов

1.Каналообразующие рецепторы, или рецепторные каналы (ионотропные). Это белки,

соединяющие свойства рецептора и канала (в разных доменах). Связывание нейромедиатора с рецепторным доменом открывает канал и вход в клетку ионов Na+ или Сl.

2.Мембранные рецепторы, сопряженные с G-белком (ГТФ-зависимым белком). Здесь

рецептор – самостоятельная молекула, второй белок этой системы – G-белок, он находится на внутренней мембране и третий белок – это фермент (АЦ, ФЛС), Са2+ или К+ каналы.

3.Рецептор – отдельная мембранная молекула, сопряженная с другой отдельной молекулой – нерецепторной тирозинкиназой (ТК).

4.Каталитические, или ферментные рецепторы. В таких рецепторах белок соединяет свойства рецептора и фермента. (ГЦ или ТК).

5.Внутриклеточные рецепторы. Гормон-рецепторный комплекс образуется в ядре или цитозоле и, проникая в ядро, реализует геномные эффекты (экспрессию генов, пролиферацию, дифференцировку, клеточный шок, выживание, апоптоз, злокачественную трансформацию).

Убольшинства гормонов существует несколько типов рецепторов. Через разные рецепторы гормон может реализовать функционально близкие эффекты, но чаще разные рецепторы реализуют различные и даже противоположные эффекты одного гормона. Гормоны можно классифицировать по локализации и типу рецепторов, а также по природе сигнала, опосредующего действие гормона внутри клетки.

2.2. МЕХАНИЗМЫ ДЕЙСТВИЯ ЛИПОФИЛЬНЫХ ГОРМОНОВ

Липофильные гормоны, за исключением ЙТ и ретиноата, являются производными холестерина. После секреции свободный гормон диффундирует сквозь плазматическую мембрану и связывается с рецептором либо в гиалоплазме, либо в ядре. Возникший гормонрецепторный комплекс связывается со специфическим участком ДНК, который называется гормон-реактивным элементом. Он функционально аналогичен энхансеру или сайленсеру и, в результате меняется экспрессия гена (то есть активируются или ингибируются

27

специфические гены). Например, происходит увеличение матки во время беременности, рост молочной железы во время лактации.

Между двумя группами липофильных гормонов есть существенные различия в локализации их рецепторов. Рецепторы стероидных гормонов находятся в цитозоле в неактивном комплексе с шаперонами, после их диссоциации гормон-рецепторный комплекс перемещается в ядро и там взаимодействует с гормон-реактивным элементом (рис. 10). Рецепторы ЙТ и активных форм витаминов D (кальцитриол) и А (ретиноат) постоянно находятся в ядре клетки. Свободному гормону приходится проникать не только в клетку, но и в ядро и взаимодействовать с соответствующим гормон-реактивными элементами ДНК.

Рис. 10. Механизм действия гормонов липофильной природы

Вторая группа гормонов (гидрофильные) взаимодействует с рецептором на наружной стороне плазматической мембраны. В этом механизме различают:

быстрые системы, сопряженные с ионными каналами;

медленные системы, включающие вторые посредники и (или) протеинкиназы.

2.3. БЫСТРЫЕ СИСТЕМЫ

Быстрые системы опосредуют эффекты медиаторов, передающих нервный импульс за миллисекунды. Такую скорость может обеспечить только открытие ионных каналов, приводящее к быстрому движению ионов от высоких концентраций к низким (вход Na+ и Сl

вклетку).

Всостоянии покоя закрыты любые каналы, на плазматической мембране снаружи плюс, а на внутренней стороне – минус. При действии возбуждающей аминокислоты

глутамата через его ионотропные рецепторы и АХ через N-холинорецепторы открываются быстрые Na+-каналы, что приводит к деполяризации мембраны и в результате клетка переходит в состояние возбуждения.

Процесс возбуждения необходим для всех основных функций мозга: психологической и физической активности, целесообразного поведения, обучения, памяти, восприятия чувствительных и болевых импульсов. Наоборот, ГАМК (тормозной медиатор головного

28

Рис. 11. Механизм действия медиаторов

мозга) и глицин (тормозной медиатор спинного мозга), взаимодействуя с рецепторами, открывают Сl-каналы, что приводит к гиперполяризации, и в результате возникает торможение клетки (рис. 11).Оно столь же необходимо для всех функций клетки, как и возбуждение, должен существовать баланс возбуждающих и тормозящих нейротрансмиттеров (при бодрствовании преобладают первые, при сне – вторые).

При эпилепсии происходит сдвиг к преобладанию глутамата, что приводит к судорогам. Большинство противоэпилептических лекарств, у которых разные механизмы действия, так или иначе, стимулируют систему ГАМК. Активация синтеза ГАМК (вальпроат) восстанавливает баланс и тоже дает противосудорожный эффект. При нарушении кровоснабжения головного мозга (инсульт) глутамата выделяется много с последующей аккумуляцией ионов Са2+ это– важный механизм повреждения и даже гибели нейронов. При попадании в рану возбудителя столбняка он вырабатывает токсин, который выключает рецепторы ГАМК. Она не может работать и тогда возбуждающие нейротрансмиттеры, не встречая противодействия, вызывают перевозбуждение, что приводит к появлению судорог, а иногда и к смерти. Судороги при отравлении стрихнином, блокирующим рецептор глицина, тоже возникают от нарушения баланса в сторону преобладания эффектов возбуждающих медиаторов.

На ГАМКА-рецепторы действуют три группы веществ, которые тормозят головой мозг, увеличивая действие эндогенной ГАМК:

барбитураты – средства для неингаляционного наркоза и снотворные;

бензодиазепины – транквилизаторы (успокаивающие).

нейростероиды, которые синтезируются в нейронах или являются метаболитами прогестерона, гормона желтого тела и плаценты.

29

2.4. ОСНОВНЫЕ СИСТЕМЫ ВТОРЫХ ПОСРЕДНИКОВ

В 60е годы прошлого века Э. Сазерленд сформулировал концепцию вторых посредников в действии ряда гормонов. Первый посредник – это гормон, он передает сигнал между клетками, а второй посредник – это цАМФ, который передаёт сигнал внутри клетки. Вторыми посредниками являются (рис. 12) цАМФ, цГМФ, ДАГ, ИФ3 , Са2+ и др. Процессов, которые регулируются вторыми посредниками очень много. Внутриклеточные эффекты вторых посредников делятся на универсальные и специализированные. К универсальным эффектам относят: изменение проницаемости мембран, модификация и изменение активности белков, воздействие на матричные синтезы, деление и дифференцировка клеток, апоптоз. Специализированные эффекты реализуются в определенных клетках. Например, возбудимость – это свойство нейронов, сократимость – свойство всех видов мышц; секреция – свойство желез и одиночных клеток, способных к секреции; иммунные реакции свойственны лимфоцитам, и наконец, для тромбоцитов характерно явление агрегации.

Внутриклеточные эффекты реализуются во всех живых организмах – от бактерий до любой клетки организма. Но с момента, когда организм стал многоклеточным, появилась необходимость в межклеточных сигналах. Передача меж и внеклеточных сигналов может осуществляться не только гормонами, но и другими веществами, например, клетки реагируют на глюкозу, тромбин или белки матрикса, на взаимодействие с другими клетками. Если клетка крови (нейтрофил или тромбоцит) контактирует с клетками эндотелия или сперматозоид с яйцеклеткой, то через особые рецепторы включается система вторых посредников. Внешние сигналы: свет, запах, вкус также действуют через системы вторых посредников.

Рис. 12. Системы вторых посредников и протеинкиназ

30