Понятие и виды мутаций. Роль муосом в патологии

Содержание

1.Понятие и виды мутаций2

2.Активность муосомальных ферментов при различных патологических состояниях 7

1.Понятие и виды мутаций

Хотя гены замечательно устойчивы и передаются последующим поколениям с большой точностью, в них время от времени происходят изменения, называемые мутациями. После того как ген мутировал в новую форму, эта новая форма оказывается устойчивой и обычно склонна к новым изменениям не более, чем исходный ген. Тем, кто занимается селекцией растений и животных, давно известно, что даже после тщательного инбридинга в линии могут иногда появляться индивидуумы, заметно отличающиеся от родителей по одному или нескольким признакам. В XIX в. таких индивидуумов называли «спортами», а сейчас их называют «мутантами». Мутанты послужили материалом для создания многих новых сортов и пород. В природе также постоянно возникают мутантные формы, которые имеют огромное биологическое значение, так как служат «сырьем» для эволюции на основе естественного отбора.

Мутацию можно определить как любое наследственное изменение, не связанное с расщеплением или с обычной рекомбинацией неизмененного генетического материала. Мутации обусловливают разнообразие генетического материала, которое открывает возможность для изучения наследования; исследование же природы мутационного процесса дает ключ к познанию природы самого генетического материала.

Мутация может быть обусловлена изменением числа хромосом в одной клетке, изменением структуры хромосомы или изменением в молекуле ДНК, образующей отдельный ген. В результате нерасхождения одной пары хромосом в мейозе число хромосом у потомства может увеличиться или уменьшиться на 1 по сравнению с нормальным. Чаще, особенно у растений, вследствие аномалий митоза или мейоза в ядро включается целый добавочный набор хромосом. Среди видов культурной пшеницы есть виды с 14 (2га), 28 (4ге) и 42 (бге) хромосомами. Индивидуумы с добавочными наборами хромосом называются полиплоидами. У полиплоида клетки обычно крупнее клеток соответствующих диплоидных особей и организм в целом может быть также более крупным и мощным, чем у диплоида.

Некоторые мутации, называемые хромосомными, сопровождаются видимыми изменениями в структуре хромосом. Эти изменения могут состоять в выпадении (делеция) или удвоении (дупликация) какого-либо участка хромосомы (рис 1) или же в перенесении (транслокация) его в другрй участок негомологичной хромосомы; наконец, участок может оказаться повернутым на 180% оставаясь в той же хромосоме (инверсия).

Рис 1.Схема, иллюстрирующая различные типы хромосомных мутаций.

Точковые, или генные мутации не сопровождаются видимыми изменениями в структуре хромосомы. Предполагается, что эти изменения, происходящие на молекулярном уровне, столь невелики, что их нельзя обнаружить под микроскопом. Поскольку считается, что наследственный материал - это молекулы ДНК, имеющие структуру двойной спирали, а специфичность гена обусловлена специфической последовательностью нуклеотидов, точковые мутации можно рассматривать как какие-то изменения в последовательности нуклеотидов внутри определенного участка ДНК. Однако для определения последовательности нуклеотидов в цепи молекулы ДНК не существует методов, сравнимых с изящными биохимическими методами, служащими для определения последовательности аминокислот в пептидной цепи.

Из всех этих теорий следует, что замещение в молекуле ДНК одного из специфических пуриновых или пиримидиновых нуклеотидов их аналогами, например азагуанином или бромурацилом, должно привести к мутации. Однако в нескольких опытах с бактериофагами включение аналогов не вызывало явных мутаций. Изучение генетического кода показывает, что вследствие вырожденного характера этого кода некоторые изменения пар оснований не должны сопровождаться заменой аминокислот в белке.

У других организмов включение бромурацила в ДНК действительно приводило к увеличению частоты мутаций. Различные химические вещества, известные как мутагены,- азотистые аналоги иприта, эпоксиды, азотистая кислота, алкилирующие агенты - способны реагировать со специфическими основаниями в молекуле ДНК и изменять их свойства. Включение аналога в ДНК может вести к ошибкам при соединении нуклеотидов в пары в процессе последующих репликаций (рис 2). Бромурацил, включенный в ДНК вместо тимина, соединяется с гуанином гораздо чаще, чем с аденином - обычным партнером природного тимина. Это обычно ведет к замещению пары Г-Ц в этом пункте последовательности парой А-Т.

В присутствии мутагенного аналога частота ошибок при соединении нуклеотидов в пары может возрасти и привести к образованию молекулы ДНК, содержащей только природные основания (без аналогов), но расположенные в ином порядке. Это нарушение нормальной последовательности оснований имеет серьезные последствия, так как при дальнейших репликациях механизм синтеза ДНК обеспечивает сохранение измененной последовательности. По определению можно считать, что мутация действительно произошла лишь в том случае, если изменения, внесенные в молекулу ДНК, обнаруживают, способность воспроизводиться неопределенно большое число раз.

Рис 2. Схема, показывающая каким образом какой-либо аналог пурина или пиримидина может нарушить процесс репликации и вызвать мутацию - изменение последовательности нуклеотидрв в ДНК (показано черным).

Нуклеотиды новой цепи, возникающей при каждой репликации, показаны точками. В данном случае возникли две новые пары гуанин - цитозин. Вероятно, замещении одной нары аденин - тимин на гуанин - цитозин было бы достаточно для возникновения мутации, если бы оно произошло в одном из кодирующих триплетов, а не в «бессмысленной» части нуклсотидной последовательности.

Генные мутации обычно возникают вследствие ошибок в спаривании оснований во время репликации; например, пара А-Т, находясь в определенном участке нормального гена, может быть заменена парой Г-Ц, Ц-Г или Т-А. В результате транскрипции измененной ДНК будет синтезироваться измененная информационная РНК, а это приведет к построению пептидной цепи, в которой одна аминокислота заменена другой. Если замененная аминокислота расположена в активном центре фермента или около него, то это может привести к значительному снижению или видоизменению ферментативной активности измененного белка. Если же эта аминокислота находится в другом участке молекулы фермента, то замена может не оказать на его свойства никакого или почти никакого влияния и поэтому пройдет незамеченной. Возможно, что действительное число генных мутаций гораздо больше числа тех мутаций, которые мы можем обнаружить.

Если бы в молекулу ДНК добавилась или, наоборот, выпала из нее одна пара нуклеотидов, то границы всех расположенных после нее кодонов оказались бы сдвинутыми, что совершенно изменило бы структуру синтезируемой пептидной цепи нее биологическую активность. Например, если последовательность ЦАГТТЦАТГ при ее «считывании» расчленяется на кодоны ЦАГ, ТТЦ, АТГ, то после добавления Г между двумя Т получилась бы последовательность ЦАГТГТЦАТГ, которая будет считываться как ЦАГ, ТГТ, ЦАТ, Г...

Генные мутации можно вызвать, воздействуя на клетку не только химическими веществами, но и разнообразными видами радиации - рентгеновыми, ультрафиолетовыми и гамма-лучами и различными радиоактивными излучениями. Каким образом рентгеновы лучи и другие формы радиации вызывают изменение пар основании, еще не ясно; возможно, что при действии излучения на воду образуются короткоживущие, но чрезвычайно реактивные свободные радикалы, которые и взаимодействуют со специфическими основаниями.

Мутации возникают и спонтанно, с низкими, но измеримыми частотами, характерными для каждого вида и каждого гена; некоторые гены значительно «мутабильнее» других. Естественные излучения, например космические лучи, вероятно, играют некоторую роль в возникновении спонтанных мутаций, но, несомненно, в этом участвуют и другие существенные факторы. Частоты спонтанных мутаций различных генов человека лежат в пределах от 1 10~5 до 1 10~3 на ген на поколение. Поскольку у человека в общей сложности имеется примерно 2,3-10*4 генов, общая частота его мутаций оказывается порядка одной мутации на каждого индивидуума в каждом поколении. Другими словами, у каждого из нас в среднем имеется какой-либо мутантный ген, которого не было ни у одного из наших родителей.

Можно сделать выводы:

Мутации различают хромосомные (проявившиеся) и генные (скрытые).

Генные мутации можно вызвать, воздействуя на клетку химическими веществами, а также разнообразными видами радиации - рентгеновыми, ультрафиолетовыми и гамма-лучами и различными радиоактивными излучениями.

Генные мутации обычно возникают вследствие ошибок в спаривании оснований во время репликации.

. Активность муосомальных ферментов при различных патологических состояниях

Открытие муосом повлекло за собой исследование их роли в патологии. В настоящее время включение муосом в развитие патологических процессов может быть представлено в связи со следующими механизмами:

. перегрузкой вакуоляроного аппарата вследствие несоответствия переваривающей способности муосом количеству и качеству поступающих в клетку субстратов;

. с прямым действием на компоненты цитоплазмы и цитоструктуры муосомальных ферментов, оказавшихся за пределами муосом при нарушении целостности их мембран;

. с повреждающим действием муосомальных гидролаз, секретированных клетками - профессиональными фагоцитами. Определённый вклад в повреждение муосом и освобождение муосомальных ферментов вносят и процессы свободнорадикального окисления [Imai K. Aimoto T. 1988.], что может лежать в основе ряда патологических состояний.

При многих патологических состояниях имеет место изменение проницаемости мембран муосом и выход ферментов в цитоплазму клетки. Так установлено, что при ишемии миокарда происходит выход муосомальных ферментов в цитоплазму с последующей их активацией, и это сопровождается повышением свободной активности ферментов в гамогенатах сердечной мышцы при одновременном снижении активности кислых гидролаз во фракции богатой муосомами (Коровкин Б. Ф., 1982г.).

В регуляции проницаемости мембран муосом в норме и при патологии участвуют циклические нуклеотиды (Фёдоров Н. А, 1979г.). При этом цАМФ и цГМФ оказывают противоположное действие на мембраны муосом. Высокий уровень цГМФ способствует мобилизации муосомальных мембран и выходу кислых гидролаз в цитоплазму крови. Напротив, цАМФ и его аналоги, а также факторы, приводящие к увеличению скорости его синтеза и концентрации in vivo, оказывают выраженное стабилизирующее действие на мембраны муосом. Такое действие циклических нуклеотидов установлено при ряде патологических состояний - травматический шок, гипокинезия, инфаркт миокарда. Фосфорицирование белков муосомальных мембран с участием непрочно связанных с муосомами цАМФ - протекикиназ, возможно и данный механизм важную роль в регуляции функций муосом (collins. C. A., 1982г.). мутация хромосомная муосомальный патология

Важным фактором дестабилизации муосомальных мембран и как следствие активных кислых гидролаз в кровь является активация фосфолиназ, которые могут атаковать не только лизисомальные мембраны, но и другие мембранные образования, особенно сопредельных с лизисомами структур: в результате накопления лизофосфомепидов резко нарушается, целостность мембран и их функции (Дипсон С. У., 1988г.), Wtglicri W. B. 1984г.)

Для объяснения механизма изменения активности ферментов в сыворотке крови при патологических процессов предложено несколько гипотез.

Согласно гипотезе Ницше и Leppelman [В. И. Крупенина, 1987] гиперферментемия при различных патологических процессов рассматривается как неспецифический синдром, подобный лейкоцитозу, развивающийся в организме в организме в ответ на действие сильных патогенных раздражителей. Совершенно очевидно, что чем больше ферментов высвобождается одновременно и чем больше существует причин, вызывающих их высвобождение, тем больше вероятность того, что гиперферментемия есть неспецифическая реакция организма, возникающая в ответ на раздражители достаточной силы. А. Ф. Блюгер, рассматривая гиперферментемию как неспецифическую реакцию организма, считает основным механизмом изменения активности ферментов в сыворотке - нарушение проницаемость клеточной стенки. Нарушением проницаемости клеточных мембран при патологических процессах достаточно хорошо объясняется изменение уровня активности ферментов в крови. (Блюгер А. Ф., 1968).

В некоторых случаях сочетаются два механизма повышения активности ферментов в сыворотке - одновременно с процессом диссоциации в кровь из повреждённых тканей поступает некоторое количество ферментов. Клинические диагнозы подтвердили это предложение.

Такой же механизм изменения уровня ферментативной активности в сыворотке крови, связанный с процессом ассоциации - диссоциации различных молекулярных форм ферментов, был установлен для фруктодиофосфатальолодолазы, щелочной и кислой фосфатаз при чумной и холерной интоксикациях и отравлении животных четырёххлористым углородом. Есть основание предполагать, что степень диссоциации ферментной тяжести зависит от тяжести патологического процесса.

Понижение ферментативной активности мог бы объясняться двумя механизмами: ассоциацией мономеров в более крупные молекулы, маскирующие активные центры; и диссоциацией активных мономеров на неактивные компоненты с изменением компоненты с изменением третичной структуры мономеров с потерей каталитической активности.

При патологических процессах возможны сочетания различных механизмов расстройств обмена. В частности, при определённых состояниях повышение активности ферментов в крови обусловлено их переводом в кровеносное русло из повреждённых тканей или усилением синтеза. (В. Н. Крупенина, В. Н. Никифоров, К. К. Рыжков, 1987г.)

Развитие процессов воспаления аллергии, патоимунных реакций связывают с изменением деятельности муосом клеток и тканей (Y. T. Dingie, H. B. Fele, 1969г.) Активированные гидролазы поддерживают воспалительные реакции в организме, способствуя усиленному образованию химических медиаторов воспаления (гистамина, кининов, ряда простагландинов).

Весьма противоречивы данные об активности кислой фосфатазы при ревматоидном артрите. (Юсипова Н. А.1979г). В какой то мере разноречивость мнений объясняется, вероятно, сложностью клинических проявлений заболевания, большими индивидуальными колебаниями и различиями в активности этого фермента в зависимости от пола исследуемых и времени года: у мужчин она весной на 20%, а осенью на 80% выше чем у женщин. Таким образом активность кислой фосфатазы в сыворотки крови отражает наличие тяжести суставного ревматоидного артрита и может быть использована дифференциально-диагностических целях.

В механизмах повреждения слизистой оболочки желудка (СОЖ) при язвенной болезни существенную роль могут играть процессы ПОЛ, приводящие к повреждению муосомальных структур клеток. (Дорфеев Г. И., 1984г) Показано, что высвобождение лизосомальных ферментов в ответ на воздействие уксусной кислотой, этанолом, приводит к деструкции клеток, появлению острых эрозий и язв СОЖ. ( Амиров Н. Ш. 1982г.)

Есть основание полагать, что сочетание повышенного образования продуктов ПОЛ и накопления кислой фосфатазы околорубцовой слизистой обусловлена сохранением воспалительной реакции даже в фазу репаративной регенерации. (Пасечников В. Д. 1989г.)

Примечательно, что факт сохранения инфильтрации СОЖ при образовании «красного рубца» расценивается как основа для рецидива язв (Ушгорьев П. Я. 1986г.)

Одним из важнейших диагностических и прогностических критериев онкопроцесса является энзиматические характеристики опухолевой ткани, сыворотки крови и других биологических жидкостей.

Интерес к изучению протеолитических Еф при злокачественных образованиях обусловлен их разнообразным влиянием на процесс канцерогенеза.

Снижение протеиназной активности в сыворотке крови при наличии доброкачественной опухоли и увеличение этого показателя в случае злокачественной опухоли и увеличение этого показателя в случае злокачественной опухоли может м. свидетельствовать с одной стороны с неспецифичностью ответной реакции организма, а с другой - об отличии протеиназ ткани доброкачественной и злокачественной опухолей.

При доброкачественных процессах наблюдается небольшое и статически незначимое снижение активности как трипсиноподобных, так и катепсиноподобных протеиназ. При наличии злокачественной опухоли в сыворотке крови наблюдается увеличение активности этих протеиназ. Полученные результаты частично совпадают с результатами других исследований. (Вовчук И. Л. 2001г, Дизик А. Е. 1993г, Нагорная В. Ф. 1989г.)

Температура - важнейшее условие жизни. Искусственное охлаждение гомойотермного организма, признанного в клинической практике в качестве эффективного антигипоксического средства - сложное явление. Глубокая гипотермия не вызывает адекватного замедления всех метаболических процессов. Снижение температуры тела животного организма редко замедляет биосинтетические процессы, в то время, как скорость окислительных процессов меняется незначительно. При снижении процессов тканевого дыхания наблюдается сохранение исходной сопряжённости между дыханием и фосфорилированием в митохондриях мозга и сохранение фондов макроэргических фосфонуклеотидов (Хватова Е. М. 1976г.)

Известно, что поддержание искусственного гомеостаза у гомойтермных животных является сложной физиологической функцией целого организма. Максимальная температурная чувствительной системы терморегуляции, эффективности и точность поддержания постоянной температуры тела имеют место только в адекватных условиях существования (Арокина Н. К., Потехина И. Л., Волкова Н. Ф. 2002г)

В 1986г. канадский физиолог F.W. Hochachka (Hochachka P. H. 1986г.) выдвинул оригинальную теорию нарушений функций и гибели клетки в результате её переохлаждения (глубокой гипотермии) он привёл факты, согласно которым гипотермия угнетает процесс синтеза АТФ и ведёт к дефициту энергии, что замедляет транспорт Ca г+ из цитозоля в среду. При гипотермии эти процессы протекают сравнительно медленно. Тем не менее Caг+ постепенно накапливается в цитозоле «дезорганизует» метаболизм, вызывает паралич клеточных функций и в конечном счёте может оказаться одной из причин необратимых изменений и гибели клеток гомойотермных животных при температуре тканей еще значительно выше 00С. (Иванова К. П., Арокина Н. К., Дидина С. Е. 1999г.)

Получены интересные факты также о роли калия в снижении температурного порога остановки изолированного сердца крыс (Илюхин Ю. С. 2002г.).

Согласно современным представлениям активация процесса (ПОЛ) перекисного окисления липидов - позднейшее патогенетическое звено стресса, основной источник нарушения структуры и функций биологических мембран, разобщения окисления и фосфорилирования при действии на организм неблагоприятных факторов среды, в том числе и холода. (Барабой В. А., Брехман И. И. и др. 1992г., Yagi 1982г.)

При длительной адаптации, например мышечным нагрузкам, в стабилизации ПОЛ в организме крыс ведущую роль продолжают играть Еф-е системы, а при действии холода - повышение антиокислительной активности липидов (Колосова Н. Г. 1990, 1995г.)

Акклиматизация человека и животных в низкой температуре включают в себя по меньшей мере два функционально различных состояний: холодовой стресс, когда устойчивость - к температуре снижена, и холодовую адаптацию, когда резистентность существенно повышается. Важнейшими пусковыми универсальными механизмами в реакции на действие многих экстремальных факторов среды является усиление свободно радикальных процессов и повышение интенсивности ПОЛ, ведущих, прежде всего к изменению состояния мембранных структур и модификация свойств мембранных Еф.

Одной из наиболее лобильных внутриклеточных мембран является мембрана муосом, увеличение проницаемости которой отмечено при многих экстремальных состояниях. (Маянская Н. Н., Панин Л. Е.,)

Так, в условиях холодового стресса и гипотермии происходит морфофункциональная перестройка муосом в клетке - активация гидролаз, (в частности кислой фосфатазы) и увеличение проницаемости лизосомальных мембран. Но в процессах адаптации крыс к холоду мембраны муосом стабилизируются, о чём свидетельствует возвращение к контрольному уровню активности кислых пептидгидролаз в обобщенной муосомами фракции при почти двухкратной активности в растворимой фракции. (Горшинская И. А., АА-Ананян и др., 1987)

Реакции организма на изменение внешних условий могут быть специфическими и неспецифическими. На уровне центральных регуляторных систем - нервной и эндокринной - специфичность ответа в ходе адаптации возрастает. А на клеточном уровне в эффекторных системах специфичность адаптивных изменений уменьшается. (Хаскин, 1975).

Известно, что L-(+) тартрат является специфическим ингибитором муосомных кислых фосфатаз и кислых фосфатаз предстательной железы человка и крысы, а устойчивость к нему зависит не только от топологии и структуры активного сайта фермента, но и от того какие аминокислотные остатки содержатся в этом сайте. (В. А. Сопина, 2003)

В условиях холодового стресса отмечается дестабилизация мембран эритроцитов крыс, характеризующаяся снижением микровязкости зол белок - липидных контактов и уменьшением степени погружения белков в липидный бислой вследствии экспонирования белков из гидрофобной зоны мембран, либо их агрегация, увеличением полярности липидной фазы и отрицательного поверхностного заряда. (Т. А. Шустанова, 2004г.). К не муосомальным ферментам с низким молекулярным весом относят ферменты мембран эритроцитов.

Жизнедеятельность гомойотермного организма при глубокой пролонгированной гипотермии различной длительности может сохраняться достаточно долго, если не наступает гипотермическое угнетение сердечной деятельности и лёгочный газообмен осуществляется за счёт спонтанного дыхания. (А. Е. Чуйкин 1998г.)

Реакция организма на действие экстремальных факторов (гипоксии, переохлаждения, перегрева) в значительной мере зависит от степени участия нейрорегуляторных процессов, в частности, мобилизация зацитного пула эндогенных активных веществ (гистомина, сератомина, небелковых тиолов) (Е. Э. Граевская 2001г.)

Больше работ по теме: