Полиморфизм белков на примере гемоглобина
Номенклатура и классификация гемоглобинов
Для лучшей ориентации в терминологии гемоглобинов следует их классифицировать с точки зрения происхождения и функциональной значимости (табл. 3.1). Выделяют:
- • типы (генотипы) НЬ — разновидности гемоглобина, у которых при идентичной структуре простетических групп гема имеются различные составы протомеров глобина. Вариабельные полипептидные цепи разных типов НЬ кодируются различными генами, что обуславливает различия их аминокислотных последовательностей. А так как первичная структура белка определяет единственно оптимальную конфигурацию высших структур, гемоглобины различных типов различаются третичной и четвертичной структурами. В свою очередь от структуры зависят индивидуальные свойства гемоглобинов. Именно пространственная конформация обеспечивает их различия по физико-химическим свойствам и функциональной активности. Ниже будут приведены сведения о главных нормальных типах гемоглобина;
- • производные гемоглобина: солянокислый гематин, кар- боксигемоглобин (НЬСО), циангемоглобин (CNHb), метгемогло- бин (MetHb), азид-метгемоглобин (NaN3Hb), сульфгемоглобин (SHb), азидметгемоголобин (NaN3MetHb) и другие, образующиеся in vivo или in vitro в результате взаимодействия НЬ с различными веществами (чаще с газами). Такие соединения не физиологичны, а иногда даже токсичны, но образование многих из них используют для количественной оценки НЬ:
- – карбоксигемоглобин. (оксиуглеродный гемоглобин) образуется при взаимодействии НЬ с угарным газом (СО). Сродство гемоглобина к оксиду углерода (II) в 300 раз выше, чем к кислороду. Это объясняет высокую токсичность СО, который выводит из строя гемоглобин, не давая ему участвовать в переносе 02. Карбоксигемоглобин диссоциирует в сотни раз медленнее, чем оксигемоглобин, поэтому даже незначительная концентрация (0,07%) в воздухе угарного газа является летальной, так как связывает около 50% имеющегося в организме гемоглобина, лишая его транспортно-дыхательной функции. В карбок- сигемоглобине железо двухвалентно;
- – сульфгемоглобин. В норме сульфогемоглобина в крови нет. Он появляется при взаимодействии НЬ с сульфопроизводными, в том числе и с некоторыми сульфаниламидами, при отравлениях соединениями сурьмы, фенацетином, бромом, сульфона- мидами, нитратами (колодезная вода), серными соединениями и пр. Образование сульфгемоглобина — необратимый процесс in vivo. Эритроциты, содержащие сульфгемоглобин, разрушаются в те же сроки, что и нормальные, явлений гемолиза не наблюдается, поэтому сульфгемоглобин может находиться в крови в течение нескольких месяцев. На этом свойстве сульфгемоглобина основан метод определения сроков пребывания нормальных эритроцитов в периферической крови. Определение сульфогемоглобина в крови можно произвести спектроскопически. Сульфо- гемоглобиновый спектр не изменяется от прибавления сульфида аммония, но исчезает от прибавления Na2S204 и 2 мл 10% едкого натра, или нескольких капель 3% перекиси водорода;
- – метгемоглобин, называемый также ферригемоглобином, образуется при взаимодействии НЬ с окислителями, в том числе с избыточным количеством некоторых лекарственных веществ (фенацетин, антипирин, амилнитрит, сульфаниламиды и др.). В большинстве случаев метгемоглобин — соединение НЬ с кислородом, но более стойкое, чем оксигемоглобин. При этом двухвалентное железо порфиринового ядра гема превращается в трехвалентное (Fe2+ + 02 => Fe3+ + 02_).
Метгемоглобин непрерывно образуется в небольших количествах в эритроцитах при дыхании. Для его восстановления в эритроците существует специальная метгемоглобинредуктаз- ная ферментативная система, восстанавливающая метгемоглобин и превращающая его в нормальный дезоксигемоглобин. Так что в цельной крови здорового человека метгемоглобин не превышает 2% общего содержания гемоглобина (0,3—3,0 г/л). Вследствие того что прочность соединения 02 в метгемоглобине гораздо выше, чем в оксигемоглобине, он перестает быть переносчиком кислорода. Опасность метгемоглобинэмии для организма заключается в резком нарушении отдачи кислорода тканям, в силу чего развивается аноксия.
Однако метгемоглобин обнаруживает и другие свойства: он легко связывает CN- с образованием цианметгемоглобина и спасает организм от смертельного действия цианидов, поэтому для лечения отравлений цианидами применяют метгемо- глобинообразователи;
• функциональные формы НЬ. В крови гемоглобин существует, по крайней мере, в четырех формах: редуцированный гемоглобин (его также называют феррогемоглобин или дезок- сигемоглобин) и оксигемоглобин, обеспечивающие нормальную транспортно-дыхательную функцию организма, карбге- моглобин и метгемоглобин. Правда, метгемоглобин вряд ли можно отнести к нормальным типам НЬ, точнее его можно назвать неизбежно образующимся непатологическим метаболитом.
В процессе функционирования в эритроцитах циркулирующей крови НЬ находится в состоянии обратимой непрерывной реакции. НЬ в венозной крови, где парциальное давление кислорода низкое, связан с одной молекулой воды дезоксигемогло- бин. В артериальной крови с высоким парциальным давлением кислорода НЬ соединен с одной молекулой кислорода — оксигемоглобин. Обе эти формы (редуцированный и оксигенированный) являются двумя ипостасями нормального НЬ и легко переходят друг в друга.
К физиологическим формам гемоглобина можно отнести также карбгемоглобин, который образуется в результате взаимодействия С02 не с простетической группой гема, а с NH2- группами глобиновой части гемоглобина в соответствии с уравнением:
Причем, дезоксигемоглобин связывает больше С02, чем оксигемоглобин. 5—10% углекислого газа крови транспортируется к легким именно таким образом.
Карбгемоглобин легко диссоциирует в капиллярах легких на гемоглобин и С02.
Гемоглобин обладает способностью вступать в диссоциирующие соединения не только с кислородом и углекислым газом, но и с другими газами. В результате таких взаимодействий образуются производные НЬ, наиболее значимыми из которых являются: карбоксигемоглобин, сульфгемоглобин и метгемо- глобин.
Классификация гемоглобинов
Таблица 3.1
Группа | Подгруппа | Принцип классификации | Основные представители |
Типы (генотипы) гемоглобинов | Физиологические (нормальные) | Разновидности НЬ, различающиеся составом и строением протомеров своего глобина. Вариабельные полипептидные цепи разных типов НЬ кодируются различными генами, что обуславливает различия их первичной, а следовательно, и высших структур глобина. Индивидуальные свойства гемоглобинов определены их структурами, что обеспечивает различия по физикохимическим свойствам и активности | Гемоглобин Aj (HbAj), гемоглобин А2 (НЬА2), фетальный НЬ (HbF), эмбриональный НЬ (НЬР; НЬЕ) и др. |
Патологические | HbS(B), НЬС, HbD, НЬЕ, HbG, НЬН, НЫ, HbJ, HbK, HbL, НЬМ, HbN, НЬО, НЬР, HbQ, Hb-Бартс, НЬ Beth (Nagel, США), НЬ Austin (Моо-Рееп, США), НЬ Djelfa (Labie, Франция), Hb Hrosaki (Ohba, Япония) и др. | ||
Функциональные формы НЬ | Физиологические формы гемоглобина, присутствующие в крови в норме. Большинство из них обеспечивают нормальную транспортнодыхательную функцию организма | Дезоксигемоглобин, оксигемоглобин, карбгемоглобин (НЬС02) и метгемо- глобин (MetHb) | |
Химические производные гемоглобина | Образуются in vivo или in vitro в результате взаимодействия НЬ с различными веществами (чаще — газами). Такие соединения не физиологичны, а иногда даже токсичны, но образование многих из них используют для количественной оценки НЬ | Солянокислый гематин, карбок- сигемоглобин (НЬСО), цианге- моглобин (CNHb), азид-метгемоглобин (NaN3Hb), сульфге- моглобин (SHb), азидметгемоголобин (NaN3MetHb) и др. | |
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. 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. У
каждого человека существует только 2
разных аллеля одного гена, тогда как в
популяции людей вариантов аллелей может
быть огромное множество. Как уже
говорилось ранее, изменчивость структуры
ДНК, а следовательно разнообразие
аллелей, обусловлено мутационным
процессом и рекомбинациями в гомологичных
хромосомах половых клеток. Если в ходе
мейоза рекомбинации сопровождаются
обменом участками ДНК, меньшими по
размеру, чем ген, то такой процесс может
приводить к появлению новых, прежде не
существовавших аллелей. А поскольку
рекомбинации – более частые события,
чем мутации в кодирующих участках гена,
то разнообразие вариантов аллелей
обусловлено главным образом ими.
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%. В
процессе эволюции отдельные гены
амплифицируют с образованием копий, а
их структура и положение могут изменяться
в результате мутаций и перемещений не
только внутри хромосомы, но и между
хромосомами. Со временем это приводит
к появлению новых генов, кодирующих
белки, родственные исходному, но
отличающиеся от него определёнными
свойствами и занимающие в хромосомах
разные генные локусы (или места). 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.
Группы
крови.Другой
важный пример полиморфизма белков,
связанный с проблемой переливания
крови, – существование в популяции людей
3 аллельных вариантов гена фермента
гликозилтрансферазы (А, В и 0). Этот
фермент принимает участие в синтезе
олигосахарида, локализованного на
наружной поверхности плазматической
мембраны и определяющего антигенные
свойства эритроцитов. Варианты фермента
А и В имеют разную субстратную
специфичность: вариант А катализирует
присоединение к олигосахариду
N-ацетилгалактозамина, а вариант В –
галактозы. Вариант О кодирует белок,
лишённый ферментативной активности. В
результате структура олигосахаридов,
расположенных на поверхности эритроцитов,
будет разной. Антитела к антигенам А и
В обычно имеются в сыворотке крови
людей, на поверхности эритроцитов
которых отсутствует соответшвующий
антиген, т.е. индивидуумы с антигенами
А на поверхности эритроцитов продуцируют
в сыворотку крови антитела к В-антигенам
(анти-В), а люди с В-антигенами ~ антитела
к антигенам А (анти-А). В сыворотке крови
анти-А и анти-В обычно присутствуют в
высоких титрах и при появлении
соответствующих антигенов способны
активировать ферменты системы комплемента.
При переливании крови руководствуются
правилом, согласно которому кровь донора
и реципиента не должна содержать антигены
и антитела, реагирующие между собой:
например, реципиенту, имеющему в сыворотке
крови анти-А, нельзя переливать кровь
от донора, содержащего на эритроцитах
антигены А. При нарушении этого правила
происходит реакция антиген-антитело.
Это вызывает агглютинацию (склеивание)
эритроцитов и их разрушение ферментами
комплемента и фагоцитами. У
индивидуумовгетерозигот, имеющих группу
крови АВ (IV), на эритроцитах присутствуют
А- и В-антигены, функционируют 2 варианта
глйкозилтрансферазы (А и В), а следовательно
антитела не образуются. Этих людей можно
рассматривать как “универсальных”
реципиентов, которым безопасно вводить
эритроциты от доноров, имеющих любые
группы крови. Однако люди с группой
крови IV не могут безопасно получать
сыворотку крови от этих доноров, так
как она содержит антитела к А- и/или
В-антигенам. В то же время индивидуумы,
имеющие 0 (I) группу крови, – гомозиготы
по неактивному варианту гликозилтранеферазы
0, и поверхность их эритроцитов лишена
антигенов. Такие люди являются
“универсальными” донорами
эритроцитарной массы, так как их
эритроциты можно вводить людям с группами
крови А, В, 0 или АВ. В то же время сыворотка
крови этих доноров содержит антитела
к А- и В-антигенам и может использоваться
только для пациентов 0 (I) группы крови.
Белки
главного комплекса гистосовместимости
и трансплантационная несовместимость.При
формировании клеточного иммунного
ответа узнавание Т-лимфоцитами чужеродного
антигена происходит только если он
расположен рядом с гликопротеинами,
присутствующими на собственной клеточной
мембране. Эти гликопротеины называют
белками главного комплекса
гистосовместимости, или МНС-белками.
Существуют 2 класса этих белков: молекулы
класса I и П. МНС-белки класса I обнаружены
практически во всех содержащих ядро
клетках, включая Т-киллеры, тогда как
МНС-белки класса II найдены главным
образом в клетках, участвующих в иммунном
ответе, в антиген-представляющих
В-клетках и Т-хелперах, но не в Т-киллерах
и макрофагах. Строение МНС-белков
кодирует семейство генов, расположенных
на коротком плече хромосомы 6 и занимающих
участок ДНК длиной более 6000 пар
нуклеотидов. Это семейство состоит из
серии тесно сцепленных генов, ответственных
за синтез МНС-белков и некоторых
компонентов системы комплемента. Гены
комплекса отличаются чрезвычайно
высоким полиморфизмом. Число разных
аллелей достигает нескольких миллионов.
Белки МНС-системы считают самой
полиморфной системой человека.
Вариабельность МНС-белков обеспечивает
трансплантационную несовместимость.
Клетки трансплантата имеют набор этих
белков, отличный от МНС-белков реципиента
(во всех случаях, кроме генетически
идентичных близнецов), и это приводит
к развитию реакции клеточного иммунитета,
в результате которой трансплантированная
ткань отторгается. Исследования показали,
что полиморфизм различных белков
настолько велик, что можно говорить о
биохимической индивидуальности и
уникальности каждого человека.
Соседние файлы в предмете [НЕСОРТИРОВАННОЕ]
- #
- #
- #
- #
- #
- #
- #
- #
- #
- #
- #
У разных особей возникают варианты (мутации) разных генов или варианты одного и того же гена. Варианты генов, образующиеся у отдельных особей, могут постепенно распространяться в популяции в результате наследования, если они не летальны. Так формируется генотипическая неоднородность популяции, которая ведет и к фенотипической неоднородности. На молекулярном уровне фено-типическая неоднородность проявляется как полиморфизм белков — существование разных форм белка, выполняющих одинаковые или очень сходные функции (изобелки). Чаще всего изучают полиморфизм ферментов (т. е. наличие изофер-ментов), поскольку их гораздо легче обнаружить, чем другие белки, по катализируемой ими реакции.
Полиморфизм.
Как известно, место, занимаемое геном в хромосоме (или молекуле ДНК), называют генным локусом. Варианты одного гена в гомологичных хромосомах, занимающие в них гомологичные же локусы (т. е. одинаковое место в одномерном пространстве нитей ДНК), называют аллелями (рис. 5.9). В популяции может быть множество разных аллелей одного гена, в то время как у отдельного индивида — только два, поскольку клетки человека диплоидны (в гаплоидных половых клетках — только один аллель). Гомологичные хромосомы половых клеток в процессе мейоза (профаза I) могут обмениваться аллелями или их частями (рекомбинация). Если при рекомбинации обмениваются не целиком аллельные гены, а участки ДНК меньшей длины, то такой обмен может приводить к появлению новых, прежде не существовавших в популяции аллелей, а не просто новых сочетаний прежних аллелей. После слияния гамет в диплоидном наборе зиготы получаются различные сочетания аллелей, как уже существовавших в популяции, так и вновь возникших в процессе мейоза в паре гамет, образовавших данную зиготу. Рекомбинации — гораздо более частые события, чем мутации, поэтому разнообразие форм внутри вида обусловлено главным образом именно рекомбинациями.Существование в популяции двух или большего числа аллелей одного гена и соответствующих белков называют аллеломорфизмом (частный случай полиморфизма). Аллеломорфизм возникает в процессе филетической эволюции генов. Распространенность (частота) разных аллелей в популяции неодинакова. Принято считать, что аллели с частотой больше 1 % являются полиморфами; если частота меньше, то существование измененного локуса можно объяснить за счет одних только повторных мутаций.
При дихотомической эволюции происходит удвоение генов, т. е. образуются новые генные локусы: сначала копии исходного гена, но последующие независимые, неодинаковые мутации копий приводят к появлению в организме изобелков. В этом случае варианты белка являются продуктами разных генных локусов, а не аллельных генов. На практике не всегда легко доказать, являются ли варианты белка продуктами одного локуса, т. е. аллеломорфами, или разных локусов.
Таким образом, изобелки — это множественные молекулярные формы белка, обнаруживаемые в пределах организмов одного биологического вида, как результат наличия более чем одного структурного гена в генофонде вида. Множественные гены могут быть представлены как множественные аллели или как множественные генные локусы.
Ключевые слова: организм, человек