Синтез белка у прокариот и эукариот

    Полиморфизм белков

    Поскольку большинство нормальных клеток человека диплоидны, то они содержат две копии  каждой хромосомы, одна из которых получена от отца, а вторая от матери. Эти две  копии одной и той же хромосомы называют гомологичными (рис. 4-59). В ДНК каждой хромосомы содержится более тысячи генов. Соответствующие друг другу гены в гомологичных хромосомах называют аллелями. Аллели могут быть идентичными и содержат одинаковую последовательность нуклеотидов. В этом случае индивидуум, имеющий такие аллели, будет гомозиготен по данному признаку. Если аллели различаются по последовательности нуклеотидов в ДНК, то говорят о гетерозиготном наследовании гена. В этом случае индивидуум будет иметь 2 белковых продукта гена, различающихся по аминокислотной последовательности.

    Существование в популяции 2 и большего числа  аллелей одного гена называют "аллеломорфизм", или "полиморфизм", а белковые продукты, образующиеся в ходе экспрессии этих вариантов гена - "полиморфы". Разные аллели встречаются в популяции с разной частотой. К полиморфам относят только те варианты, распространённость которьж в популяции не меньше 1%.

    К родственным белкам относят изобелки, представляющие собой варианты белков, выполняющие одну и ту же функцию и обнаруживаемые в пределах одного вида организмов. Так, в группе из 2000 генов человека, кодирующих факторы транскрипции и транскрипционные активаторы, идентифицировано 900, относящихся к семейству белков, имеющих "цинковые пальцы". Существует 46 генов фермента глицеральдегид-3-фосфатдегидрогеназы, осуществляющего единственную окислительную реакцию в метаболическом пути катаболизма глюкозы до пирувата.

    Выявлены  семейства родственных белков, возникшие  в ходе эволюции из одного "предкового" гена, или гена-предшественника. Такие семейства составляют:

• гены миоглобина и протомеров гемоглобинов;
• группа протеолитических ферментов: трипсин, химотрипсин, эластаза, гшазмин, тромбин и некоторые другие белки и ферменты.

Гемоглобины человека

    В ходе эволюции из единичных генов-предшественников возникли семейства генов α- и β-глобинов (рис. 4-60), на хромосомах 16 и 11 соответственно.

    В процессе онтогенеза у людей образуются разные виды гемоглобинов, обеспечивающие наилучшую адаптацию к меняющимся условиям существования. НbЕ - эмбриональный, синтезируется у зародыша в первые месяцы развития, HbF - фетальный, обеспечивает дальнейшее внутриутробное развитие плода, а НbА и НЬA₂ осуществляют транспорт кислорода в организме взрослого человека. Эти белки представляют собой тетрамеры, состоящие из полипептидных цепей двух видов: α и β в НbА (2α2β), α и ε в НbЕ (2α2ε), а у остальных гемоглобинов β-цепи заменены на γ-полипептиды в HbF (2α2γ) или на δ-цепи в HbА₂ (2α2δ).

    Полиморфизм гемоглобинов в популяции людей  очень велик. Наряду с генами, кодирующими изобелки и занимающими разные локусы на хромосоме, обнаружено большое число вариантов гемоглобина А, являющихся продуктами аллельных генов. Некоторые варианты НЬА представлены в таблице 4-9.

    Один  из наиболее известных аллельных вариантов НЬА - HbS, образующийся в результате замены остатка глутамата в положении 6 β-цепи НbА на валин (β₆ Глу→Вал). По аллелям НbА и HbS всех людей можно разделить на 3 генотипически различающиеся группы: АА, AS и SS. Распространённость аллеля S по земному шару неравномерна. Часто людей с этим аллелем можно встретить в малярийных районах Африки и Азии (до 35%). К настоящему времени описано свыше 300 вариантов НbА, на основании этого признака всех людей можно разделить на 600 генотипических групп по наиболее часто встречающимся аллелям.

Некоторые варианты гемоглобина А человека

ФЕНОТИП HB

В эритроцитах взрослого  человека содержится HbА (б2в2) – он составляет 97% всего Hb. HbА2

(б2 д2) составляет  до 2% и HbF, или фетальный Hb (б2г2), – до 1 %.

Распределение зависит от степени экспрессии локуса альфа-глобинового гена в 16 хромосоме

человека и локуса бета-глобинового гена в 11 хромосоме. После эволюционного разделения

генов глобина каждый локус получил комплексные изменения, которые проявились в виде

увеличения количества генов и возникновения неэкспрессирующихся псевдогенов в геноме

человека.

Экспрессии генов глобина человека. От ранних стадий эмбрионального развития ко времени

рождения  и спустя год.

У плода ж- и е-гены изначально экспрессируются в желточном  мешке, пара-аортальном регионе

и затем в печени, что приводит к формированию гемоглобинов Gower1, Gower2 и Portland.

Снижение их активности в раннем эмбриональном периоде  происходит с увеличением

активности генов 2б и 2г. Они функционально идентичны, но имеют отличия в положении

глицина или аланина  в 136 позиции. Это приводит к накоплению гемоглобина F,

доминирующего в последних  двух триместрах беременности и имеющего большее сродство к

кислороду, чем гемоглобин взрослого. При рождении б-ген полностью  активирован, а гамма-

гены в норме  подвергаются угнетению за счет усиления активности в-подобных генов. К концу

первого года жизни  «взрослый» гемоглобин фенотипически  представлен гемоглобином А и  А2.

В некоторых случаях  эксперессия гамма-глобина продолжается во взрослом возрасте без

клинических проявлений. Это состояние известно как наследственное персистирование

фетального гемоглобина  (HPFH).

Ковалентная модификация HbA путем безферментного гликозилирования в-цепи приводит к

образованию гемоглобина  А1с. Это было выявлено при исследованиях фенотипов гемоглобина в

рамках исследований связи гемоглобина и диабета. Эти исследования также позволили

продвинуться в  понимании природы проявлений и  лечения метгемоглобинемии. Изучение

различий цитохром b5 редуктазы (метгемоглобин редуктазы) как причины семейной

метгемоглобинопатии особенно в популяциях, живущих на больших высотах

Изучению молекулярных и клеточных механизмов «переключения» экспрессии генных

кластеров б и в  цепей глобина последние 30 лет  уделялось огромное внимание. Причиной тому

два основых типа генных заболеваний (сеповидно-клеточные синдромы и талассемические

синдромы), возникающих  при вовлечении в патологический процесс данных генов.

СЕРПОВИДНО-КЛЕТОЧНАЯ  АНЕМИЯ

Исследования Лайнуса  Поллинга. в 1949 году молекулярных основ серповидно-

клеточной анемии показали аномалии строения гемоглобина и  положили основу исследованиям

в области молекулярной медицины и гематологии. В настоящее  время полностью известна

причина данного заболевания  с молекулярной точки зрения (замена А на Т в в глобиновом гене

приводит к замене валина на глутаминовую кислоту в  в-глобиновом белке). Это в свою очередь

приводит к формированию стабильных внутримолекулярных связей (линейной полимеризации

тетрамеров) и формированию дезоксигемоглобина S (α2β2s или серповидно-клеточного

гемоглобина. С патофизиологической  точки зрения серповидно-клеточная  анемия возникает

вследствие снижения растворимости тетрамеров гемоглобина S из-за его полимеризации в

эритроцитах. Это приводит к нарушению деоксигенации и  нарушает движение этих клеток в

микроциркуляторном  русле.

Более 50 лет назад  Халдейном установлено, что серповидная  мутация увеличивает устойчивость к малярии у гетерозиготных носителей. Последующие исследования показали, что данное  свойство аналогично и для талассемии. В 1978 году возникла новая концепция определения

серповидно-клеточной  анемии (Кан и др.), с помощью  коротких белков определялся

полиморфизм ДНК. На основе полученных данных выявлялся аномальный β-глобиновый ген.

Эта методика стала  использоваться в пренатальной диагностике для выявления нарушений в

одном или обоих  генах глобинов.

Несмотря на знание мутаций в генах и поведение  гемоглобина S в клетке, относительно мало

удается понять о влиянии  этих нарушений на органы мишени и  на общее здоровье больного

человека. Ярким примером этого может являться вопрос разницы  начала и тяжести течения

заболевания у людей, имеющие схожие или идентичные генотип  и фенотип гемоглобина. В

отличие от «классических» монозиготных заболеваний у пациентов  с серповидно-клеточной

анемией клиническая  прогрессия и потребность в лечении  редко предсказуемы. Возможными

методами являются УЗИ с транскранеальной доплерографией, позволяющие определить

нарушения кровотока  в крупных сосудах головы или  определение уровня легочной гипертензии

у взрослых пациентов.

Другие различные  параметры определения тяжести  течения, такие как кластерный анализ

гаплотипа глобина  или уровень лейкоцитов, могут  свидетельствовать о наличии  α-талассемии и

уровне HbF.

Схема, объясняющая  эффект гидроксимочевины, опосредованный ингибированием полимеризации

гемоглобина S за счет увеличения уровня гемоглобина F в каждой серповидной клетке. Это приводит к

снижению обструкции микроциркуляции.

Недостаточная активность HbF, по сравнению с HbА, наблюдается вследствие невозможности

гибридного Hb 2βS полимеризоваться внутри клетки. 
 

ИЗМЕНЕНИЯ БЕЛКОВОГО СОСТАВА  ОРГАНИЗМА

    Белковый  состав организма здорового взрослого  человека относительно постоянен, хотя возможны изменения количества отдельных белков в органах и тканях в зависимости от состава пищи и режима питания, от физиологической активности человека, биологических ритмов.

    В процессе развития многоклеточного  организма, особенно на стадиях дифференцировки  клеток, белковый состав значительно изменяется. Для каждого типа специализированных клеток характерно появление специфических белков, которые определяют особенности их биологических функций. Так, только в эритроцитах есть гемоглобин, осуществляющий транспорт кислорода, к тканям, а в клетках сетчатки глаза - белок родопсин, необходимый для улавливания фотонов света. Кроме того, специализированные клетки отличаются и количеством белков, присутствующих практически во всех или во многих клетках организма.

    При различных заболеваниях происходит изменение белкового состава тканей. Эти изменения называются протеинопатиями. Различают наследственные и приобретённые протеинопатии.