В. В. Яковлев Популяционная генетика человека (Исправлено, добавлено) Томск

Вид материала

Реферат

Содержание Роль жирового обменана мутационные процессы в генах

Подобный материал:

• Программа конференции будет включать следующие направления: Популяционная и эволюционная, 96.73kb.
• Эволюционная, популяционная и общая генетика. Положения, пересекающиеся с валеологией, 625.07kb.
• Темы: общая генетика, генетика человека, медицинская генетика. Вопросы для самоподготовки., 39.67kb.
• Программа курса дополнительного образования Генетика человека, 35.42kb.
• Лекция 23. Генетика человека. Генетика популяций Методы изучения генетики человека, 101.01kb.
• М. В. Ломоносова биологический факультет кафедра антропологии Реферат, 448.61kb.
• Программа элективного курса «Генетика человека», 216.26kb.
• Генетика Генетика, 18.18kb.
• Происхождение человека и половой подбор, 10974.49kb.
• Генетика человека (антропогенетика), 135.39kb.

Роль жирового обмена
на мутационные процессы в генах

Липидный состав биомембран весьма разнообразен. Липиды, входящие в состав биомембран можно подразделять на полярные липиды (фосфолипиды, гликолипиды, сфинголипиды) и нейтронные липиды (стерины).

Помимо полярных липидов в мембранах содержатся еще так называемые неомыляемые липиды: стерины, хиноны, терпены. Наиболее распространенным представителем стеринов в клетках животных является холестерин.

Известно, что процесс синтеза и образования эфиров холестерина могут протекать почти во всех органах и тканях, однако не все ткани содержат ферменты метаболизирующие холестерин. Окисление холестерина до желчных кислот присущи только клеткам печени, а образование из холестерина стероидных гормонов – клетки надпочечников и половых желез. Остальные ткани, по видимому, не способны окислять холестерин; это так называемые периферические ткани: скелетные мышцы, легкие, почки, кожа, жировая ткань и т.д. Однако периферические такни обладают способностью поддерживать в клетках строго определенную концентрацию холестерина. Содержание неэстерифицированного холестерина в клетках всех тканей не только постоянно, но и специфично для каждого вида клеток, а соотношение фосфолипиды/холестерин в плазматических мембранах в норме постоянно и специфично для каждого органа и ткани.

Анализ фосфолипидного состава различных мембран животных клеток (эритроциты, лимфоциты, гепатоциты, тромбоциты, синаптосомы, хроматиновые гранулы, аппарат Гольджи, эндоплазматический ретикулумум, митохондрии, проведенный Бодом показал, что мембраны выполняющие совершенно различные функции, содержат один и тот же набор липидов, хотя в процентном отношении их содержание сильно варьирует. Основными компонентами мембран, являются фосфатидилхолин (ФХ), фосфатидилэтаноламин (ФЭА), холестерин и различные гликозиды: их содержание колеблется в пределах от 10–50%. В меньших количествах (от 1 до 8%) в мембране находится фосфатидилсерин (ФС), фосфатидилинозит (ФИ) и лизофосфатидилхолин (ЛФХ). Содержание кардиолипина (КЛ) и фосфатидиновой кислоты (ФК), как правило не превышает 1–2%. Исключением этого правила является внутренние мембраны метоходндрии в которой КЛ составляет 16%.

Фосфолипиды представляют амфифильные (амфипатические) соединения, в молекуле которой можно выделять полярную и гидрофобную части.

В следствии плохой растворимости в воде и склонности к агрегации фосфолипиды в водной фазе уже в низких концентрациях самопроизвольно образуют мицеллы, которые при дальнейшем повышении концентрации фосфолипидов преобразуются в ламилярные структуры, представляющие собой систему из нескольких протяженных бислоев, разделенных водным пространством.

Таким образом липидный бислой, который является основной структурной единицей биомембраны, обладает одновременно и текучестью и упорядоченностью структуры, в связи с чем в мембране осуществляются взаимодействия не только ближнего, но и дальнего порядка, в том числе структурой ДНК.

Интерес к липидам как и возможным участникам процесса синтеза ДНК был стимулирован открытием ДНК – мембранного комплекса. В 1963 году Жакоб и другие предположили, что у бактерий точка репликации связана с мембраной. С помощью электронно-микроскопических исследований эта гипотеза получила достаточно убедительное подтверждение. Кроме таких наблюдений, доказывающих существование контактов вновь синтезируемой ДНК бактерий с мембраной, имеются работы, в которых биохимическими методами показано присутствие мембранного материала в препаратах ДНК.

У эукариотов же, как и у бактерий возможна связь между процессами репликации и образования комплекса ДНК с ядерной мембраной. В ряде работ показано, что в процессе синтеза ДНК в синхронизированной культуре клеток метка сосредоточена на периферии ядра. Биохимические исследования подтверждают, что у эукариотов точка репликации связана с ядерной мембраной на протяжении всей S-фазы. Из клеток HeLa был выделен ДНК–мембранный комплекс в составе которого новообразованная ДНК имеет прочную связь с липопротеидом мембраны. По мнению авторов, как точка инициации, так и точка последующей репликации ДНК связаны с ядерной мембраной.

Каким образом осуществляется участие липидов в процессе репликации ДНК? Одним из важных путей является изменение липидами структуры ДНК. В работах Манцоли и других изучено влияние различных фракций липидов на структурные свойства ДНК. Высокие концентрации (5*10^-4–1*10^-3 М) таких липидов, как фосфатидилхолин, фосфатидилэтаноламин, фосфатидилсерин, холестерин и особенно лауриновой кислоты обладают дестабилизирующим действием на молекулу ДНК, тогда как низкие их концентрации (5*10^-4–1*10^-5 М) стабилизируют ДНК. Эта стабилизация, по мнению авторов, обусловлена заполнением желобков двойной спирали липидами без нарушения гидратационного слоя воды вокруг ДНК. Дестабилизирующее действие больших концентраций липидов связано с нарушением гидритной оболочки ДНК и возникновение сил отталкивания между фосфатными группами ДНК и фосфатолипидов. Ненасыщенные жирные кислоты (олеиновая, липолевая, линоленовая) обладают стабилизирующим действием на молекулу ДНК, и насыщенные (С₁₈–С₂₄) слабым дестабилизирующим. В настоящий момент в литературе имеются экспериментальные данные, указывающие на участие липидов не только в синтетических процессах, но и в регуляции генной активности. Об этом говорят исследования, связывающие качественный состав и количественные соотношения липидов с матричной активностью хроматина.

Основной генетический материал в клетках эукариот сосредоточен в хромосомах клеточного ядра, где происходят процессы репликации и транскрипции. В промежутках между делениями клеток хромосомы вытянуты в длинные тонкие нити, в процессе деления они становятся короче и толще. В компактном состоянии ДНК длиной до нескольких сантиметров упаковывается в хромосомы, длина которых измеряется микрометрами. Хромосомы состоят из нуклеопротеида, называемого хроматином. Основными компонентами хроматина являются ДНК, гистоны и негестонные белки. Гистоны представляют собой небольшие белки основного характера, отличающие высокой степенью эволюционной консервативности. По соотношению остатков основных аминокислот (Iys/Arq) гистоны разделяют на 5 классов Hl, H2A, H2B, H3, H4. Наиболее консервативны аргинин – богатые гистонами Н3 и Н4, а остальные вариации в последовательности аминокислот в зависимости от источника более значительны. Негистонные белки – это общее название всех других белков хроматина разной природы, различных свойств и функций. ДНК в составе хроматина предположительно находится в β – форме, хотя имеются данные, что в отдельных участках хроматина существует Z–форма ДНК. На ДНК приходится около половины массы хромосом, вторую половину их составляют белки.

Наличие липидов в хроматине констатируется многими исследованиями с помощью электронной микроскопии показано присутствие липидов в фибриллах хроматина in situ.

Липиды могут оказывать влияние на матричную активность хроматина путем изменения связи ДНК с гистонами и кислыми белками. Подтверждение этого предположения было получено в модельных экспериментах, проведенных в 30%-ном метанольном растворе солей при различных соотношениях гистонов Н1 и Н2В и ДНК. По изменению профиля плавления определили влияние различных фосфолипидов на структурные свойства комплекса ДНК-гистон. Показано, что высокие концентрации фосфолипидов вызывают дестабилизацию комплекса, а низкие – стабилизируют его.

Таким образом липиды способны оказывать регуляторное действие на функциональную активность хроматина за счет изменения структуры ДНК, гистонов и негистоновых белков и силы гидрофобных воздействий между ДНК и белками, входящими в состав хроматина. Изменив информацию белков, фосфолипиды способны облагать доступ РНК– полимеразы к промоторной области гена.

Можно предположить, что модифицирующий эффект на структуру ДНК и ферментов, участвующих в синтезе нуклеиновых кислот, оказывают продукты окисления липидов. В модельной системе ДНК­–липид показано, что в условиях, стимулирующих перекисное окисление липидов, происходит изменение вторичной структуры ДНК.

* * *

Особенно быструю и глубокую дестабилизацию вызывает сфингомиелин, который образует прочные комплексы с основаниями ДНК за счет присутствия в его молекуле сфингозинового остатка.

Сфинголипиды – это сложные эфиры алифатических аминоспиртов, известных под названием сфингозиновых оснований. Они являются важным компонентом биологических мембран в клетках практически всех органов и тканей животных и человека. Особенно велико и разнообразно их содержание в нервной ткани.

В молекулах природных сфинголипидов взаимодействие с остатком жирной кислоты осуществляется не по гидроксильной группе, а через аминогруппу с образованием амидной связи.

Сфингозиновые основания различаются длительной углеродной цепью, ее структурной степенью насыщенности, числом гидроксильных групп. Наиболее часто в природных источниках встречается сфингозин.

Природным аналогом сфингозина является насыщенный аминоспирт дигидросфингозин. В природных липидах обнаружены разнообразные аминодиолы, гомологичные сфингозину. N – ацидные производные сфингозиновых оснований – церамиды – являются структурной основой сфинголипидов.

Поэтому сфинголипиды можно рассматривать как церамиды с замещенной первичной гидроксильной группой. Характер заместителя определяет различие между двумя основными группами сфинголипидов: фосфорсодержащими сфинголипидами (сфингомиелинами) и гликосфинголипидами.

Сфингомиелинами называются производные церамидов, у которых заместителем по гидроксильной группе в первом положении являются фосфорилхолины. Таким образом, сфингомиелины можно рассматривать как церамидфосфорилхолины.

В сложных молекулах липофильный компонент – церамид – β – гликоридной связью соединен с полярным углеводным остатком. Гликосфинголипиды имеют весьма широкое распространение. Их обнаруживают в плазматических мембранах клеток различных типов. Наличие гликосфинголипидов в мембранах важна для обеспечения межклеточных взаимодействий и проявления клетками иммунных свойств.

В сложную группу гликосфинголипидов входит: цереброзиды, сульфиды, церамидолигогексозиды, глобозиды, гематозиды, ганглиозиды.

Цереброзиды в больших количествах содержатся в нервной ткани и впервые были выделены из мозга. Они различаются остатком жирной кислоты, которая может быть насыщенной или ненасыщенной, но, как правило, с неразветвленной углеродной цепью. При неполном гидролизе от молекулы цереброзидов отщепляется остаток жирной кислоты. В результате этого образуется психозин – производное церамида и галактозы. Значительно реже в состав цереброзидов входит в качестве гексозы галактоза. Так, из селезенки выделен глюкоцереброзид.

Сульфатиды в клетках локализуются в мембранах митохондрий эндоплазматической сети и ядер.

Церамидолигогексазиды обнаружены в клетках головного мозга, а также в эритроцитах и лейкоцитах.

Глобозиды являются основными гликосфинголипидами стромы эритроцитов.

Гематозиды содержат в молекуле остаток сиаловой (нейраминовой) кислоты. Наиболее часто встречается N – ацетилнейраминовая кислота. Гематозиды обнаружены в эритроцитах и экстрактах из нервной ткани.

Наиболее большой интерес вызывают ганглиозиды. Они являются сложными по химическому строению. Сложность структуры ганглизидов проявляется в строении углеводной части молекул, которая, как правило, состоит из нескольких остатков гликопираноз, аминосахароз, и сиаловой кислоты. Молекулы ганглиозидов имеют большую массу (до 3000), а по некоторым данным разных авторов колеблятся от 180000 до 800000). Ганглиозиды найдены во многих тканях и органах млекопитающих, а также в компонентах крови. Локализуются ганглиозиды в основном на внешней стороне клеточной мембраны, в митохондриях. Наибольшее содержание ганглиозидов в клетках коры головного мозга.

Ганглиозиды – это соединения многокомпонентные, они содержат гидрофобную церамидную часть, включающую сфингозин и гидрофильную олигосахаридную часть, включающую 4 компонента: глюкозу, галактозу, N-ацетилгалак­тозамин, N-ацетилнейраминовую кислоту. Жирно-кислотный компонент ганглиозидов, как правило, представлен остатком стеариновой кислоты.

Убедительно доказана локализация ганглиозидов в нейрональных мембранах: соматических, аксональных, дендритных, синаптических; т. е. в самых возбудимых элементах, принимающих непосредственное участие в передаче нервного импульса.

Ганглиозиды занимают внешнюю сторону нейрональных и синаптических мембран, обуславливая их опущенность, так называемый гликокаликс.

Церамидная часть молекулы ганглиозидов внедрено в белки внутренней части мембраны, с которыми она образует гидрофобные связи, и поэтому плотно закреплена в этой части мембраны. С какими именно белками соединяется церамидная часть, зависит от жирно-кислотного состава ганглиозидов. Ни смотря на плотность упаковки этих участков мембраны, создается такая структура, в которой жирно-кислотные остатки свободно вращаются и прибьются, т. е. эти участки обладают достаточной эластичностью и текучестью. Изменения положения этих структур вызывает конформационные изменения в ближайших гидрофобно-связанных с ними белках. Таким образом, церамидная часть ганглиозидов не является индифферентным компонентом внутренней зоны мембраны. Разветвленная гидрофильная олигосахаридная часть ориентирована в межклеточное пространство или синаптическую щель, где она как щупальцы тянется к соседней мембране. Вокруг ганглиозидов находятся много различных макромолекул, связанных более или менее прочно с мембранной, и свободных мукополисахаридов. Рядом с ганглиозидами в этой же части мембраны расположены самые различные гликопротеины. Специфичность мембранной поверхности определяется: 1). Первичной структурой олигосахаридной части ганглиозидов и гликопротеинов; 2). Порядком их организации и 3). Площадью, занимаемой ганглиозидами и гликопротеинами. Четко доказано, что более 50 % N-ацетилнейраминовой кислоты принадлежит ганглиозидам, а не гликопротеинам.

Ганглиозиды и гликопротеины отвечают за конформацию микротрубочек и через изменение степени аглютинации осуществляют контактное ингибирование клеточного движения. Эта схема, давая экспериментальный подход, наглядно подчеркивает ключевую роль ганглиозидов в поведении клеток.

Способность ганглиозидов специфически контактировать и подвергаться структурно-химической перестройке на поверхности нейрональных мембран может оказаться весьма существенной в формировании функциональной сети нейронов, включающих и направляющих передачу нервных импульсов. Образование функциональных сетей нейронов исключительно важно для хранения и передачи информации. Богоч на основании аналитических данных предположил, что ганглиозиды наряду с гликопротеинами представляют собой соединения, кодирующие эмпирический опыт в головном мозге. По его мнению, ганглиозиды отвечают всем требованиям кодирующих молекул. Они локализованы в самых возбудимых мембранах нервной системы, им свойственна функция узнавания и специфического взаимодействия самого высокого порядка. Они гетерогенны, а их сложная организация с другими мембранными компонентами обеспечивает почти неограниченные возможности структурных вариаций, поэтому они обладают большой информационной емкостью. Информационная емкость этих молекул меняется с выработкой поведенческих реакций организма, навыков и обучения. Их емкость изменяется под действием веществ, влияющих на память, например, под действием пуромицина. Изменение концентрации и структуры кодирующих молекул должно приводить к патологии нервной системы или, как минимум, к ухудшению памяти. Этому требованию ганглиозиды отвечают идеально. Без полного набора индивидуальных ганглиозидов невозможна нормальная функциональная деятельность головного мозга. Несомненно, это положение доказывается нейролипидозами, или точнее ганглиозидозами, наследственными заболеваниями, характеризующимися нарушением психических функций вплоть до идиотии, дегенерацией нейронов, демиелинизацией, прогрессирующим депонированием ганглиозидов в цитоплазме нейрона. Дефект лизосомальных ферментов приводит к тому, что в ущерб нормальному набору индивидуальных ганглиозидов накапливается какой-то один ганглиозид, как, например, моносиалоганглиозид Gм2 в случае болезни Тея-Сакса.

Считают, что N-ацетилнейраминовая кислота является фактором, контролирующим клеточное поведение. Терминальные остатки N-ацетилнейраминовой кислоты маскируют рецепторные и узнающие стороны поверхностных олигосахаридных цепочек, как бы запрещают их от узнавания и рецепции на поверхности клетки. Рядом авторов показано, что в явлениях специфического контакта особую роль играют галактозильные и ацетилгалактозаминильные остатки, поэтому узнавание и афезия между прилегающими мембранами от баланса между сиало- и асиалоолигосахаридными цепочками. Баланс закрытых и открытых участков будет определять рецепторные возможности поверхности мембран, что в сильнейшей мере зависит от активности нейраминидаз и сиалилтрансфераз. Увеличение процента полисиалоганглиозидов и, следовательно, увеличение закрытых участков будет нарушать межклеточные взаимодействия. Может быть, это в какой-то мере может объяснить наличие в мозгу низших позвоночных, у которых уровень функциональной активности намного ниже, чем у млекопитающих, таких соединений как пента- и тетрасиалоганглиозиды, тогда как в мозгу млекопитающих самыми рабочими ганглиозидами являются ди- и моносиалоганглиозиды.

Интересует также метаболическая активность индивидуальных ганглиозидов субклеточных фракций коры мозга, особенно фракций нервных окончаний, обогащенных ганглиозидами. Оказывается, что индивидуальные ганглиозиды синаптических мембран обладают высокой интенсивностью обмена, особенно ганглиозиды G_D1a, G_MI, G_M2, тогда как G_T1 и G_D1b характеризовались более низкой интенсивностью обмена. Метаболическая активность этих же ганглиозидов во фракциях холин- и нехолинергических синаптосом была значительно ниже. Различия в интенсивности обмена индивидуальных ганглиозидов субклеточных фракций коры мозга свидетельствуют о том, что сложная молекула ганглиозидов и в своей структуре, и в своем метаболизме имеет богатейшие потенциальные возможности для выполнения функций в центральной нервной системе.