≡× МЕНЮ

• Радиаторы
• Отопление
• Газоснабжение
• Газопровод
• Водопровод

Где синтезируется гемоглобин у человека. Медико-биологические основы обеспечения организма железом

Синтез эритроцитов - один из наиболее мощных процессов образования клеток в организме. Каждую секунду в норме образуется примерно 2 млн эритроцитов, в день - 173 млрд, в год - 63 триллиона. Если перевести эти значения в массу, то ежедневно образуется около 140 г эритроцитов, каждый год - 51 кг, а масса эритроцитов, образованных в организме за 70 лет составляет порядка 3,5 тонн.

У взрослого человека эритропоэз происходит в костном мозге плоских костей, тогда как у плода островки кроветворения находятся в печени и селезёнке (экстрамедуллярное кроветворение). При некоторых патологических состояниях (талассемия, лейкозы и др.) очаги экстрамедуллярного кроветворения могут быть обнаружены и у взрослого человека.

Одним из важных элементов клеточного деления является витамин В₁₂ , необходимый для синтеза ДНК, являясь, по сути, катализатором этой реакции. В процессе синтеза ДНК витамин В₁₂ не расходуется, а циклично вступает в реакции как активное вещество; в результате такого цикла из уридин-монофосфата образуется тимидин-монофосфат. При снижении уровня витамина В₁₂ уридин плохо включается в состав молекулы ДНК, что и приводит к многочисленным нарушениям, в частности нарушению созревания клеток крови.

Еще одним фактором, оказывающим влияние на делящиеся клетки, является фолиевая кислота . Она как кофермент, в частности, участвует в синтезе пуриновых и пиримидиновых нуклеотидов.

Общая схема постэмбрионального гемопоэза

Гемопоэз (кроветворение) - очень динамичная, четко сбалансированная, непрерывно обновляющаяся система. Единым родоначальником кроветворения является стволовая клетка. По современным представлениям, это целый класс клеток, закладывающихся в онтогенезе, главным свойством которых является способность давать все ростки кроветворения - эритроцитарный, мегакариоцитарный, гранулоцитарный (эозинофилы, базофилы, нейтрофилы), моноцитарно-макрофагальный, Т-лимфоцитарный, В-лимфоцитарный.

В результате нескольких делений клетки теряют способность быть универсальными родоначальниками и превращаются в полипотентные клетки. Такой, например, является клетка-предшественница миелопоэза (эритроциты, мегакариоциты, гранулоциты). Еще через несколько делений вслед за универсальностью исчезает и полипотентность, клетки становятся унипотентными (ˮуниˮ - единственное), то есть способными к дифференцированию только в одном направлении.

Наиболее делящимися в костном мозге являются клетки - предшественники миелопоэза (см. рисунок ⭡), по мере дифференцировки уменьшается количество оставшихся делений, и морфологически различаемые клетки красной крови постепенно перестают делиться.

Дифференцировка клеток эритроидного ряда

Собственно эритроидный ряд клеток (эритрон) начинается с унипотентных бурстобразующих клеток, являющихся потомками клеток-предшественниц миелопоэза. Бурстобразующие клетки в культуре тканей растут мелкими колониями, напоминающими взрыв (бурст). Для их созревания необходим специальный медиатор - бурстпромоторная активность. Это фактор влияния микроокружения на созревающие клетки, фактор межклеточного взаимодействия.

Выделяют две популяции бурстобразующих клеток: первая регулируется исключительно бурстпромоторной активностью, вторая - становится чувствительной к воздействию эритропоэтина. Во второй популяции начинается синтез гемоглобина , продолжающийся в эритропоэтин-чувствительных клетках и в последующих созревающих клетках.

На этапе бурстобразующих клеток происходит принципиальное изменение клеточной активности - от деления к синтезу гемоглобина. В последующих клетках деление приостанавливается (последняя клетка в этом ряду, способная к делению, - полихроматофильный эритробласт), ядро уменьшается в абсолютном размере и по отношению к объему цитоплазмы, в которой идет синтез веществ. На последнем этапе ядро из клетки удаляется, затем исчезают остатки РНК; их можно еще обнаружить при специальной окраске в молодых эритроцитах - ретикулоцитах, но нельзя найти в зрелых эритроцитах.

Cхема основных этапов дифференцировки клеток эритроидного ряда выглядит следующим образом:
плюрипотентная стволовая клетка ⭢ бурстобразующая единица эритроидного ряда (БОЕ-Э) ⭢ колониеобразующая единица эритроидного ряда (КОЕ-Э) ⭢ эритробласт ⭢ пронормоцит ⭢ базофильный нормоцит ⭢ полихроматический нормоцит ⭢ ортохроматический (оксифильный) нормоцит ⭢ ретикулоцит ⭢ эритроцит .

Регуляция эритропоэза

Процессы регуляции кроветворения до сих пор изучены недостаточно. Необходимость непрерывно поддерживать гемопоэз, адекватно удовлетворять потребности организма в различных специализированных клетках, обеспечивать постоянство и равновесие внутренней среды (гомеостаз) - всё это предполагает существование сложных регуляторных механизмов, действующих по принципу обратной связи.

Наиболее известным гуморальным фактором регуляции эритропоэза, является гормон эритропоэтин . Это стресс-фактор, синтезирующийся в различных клетках и в различных органах. Большее количество его образуется в почках, однако даже при их отсутствии эритропоэтин вырабатывается эндотелием сосудов, печенью. Уровень эритропоэтина стабилен и изменяется в сторону повышения при резкой и обильной кровопотере, остром гемолизе , при подъеме в горы, при острой ишемии почек. Парадоксально, что при хронических анемиях уровень эритропоэтина обычно нормален, за исключением апластической анемии, где его уровень стабильно чрезвычайно высок.

Наряду с эритропоэтином, в крови присутствуют также ингибиторы эритропоэза. Это большое число разнообразных веществ, часть из которых может быть отнесена к среднемолекулярным токсинам, накапливающимся вследствие патологических процессов, связанных с повышенным их образованием либо нарушением их выведения.

На ранних этапах дифференцировки регуляция в эритроне осуществляется в основном за счёт факторов клеточного микроокружения, а позже - при балансе активности эритропоэтина и ингибиторов эритропоэза. В острых ситуациях, когда необходимо быстро создать большое число новых эритроцитов, включается стрессовый эритропоэтиновый механизм - резкое преобладание активности эритропоэтина над активностью ингибиторов эритропоэза. В патологических ситуациях, напротив, ингибиторная активность может преобладать над эритропоэтиновой, что приводит к торможению эритропоэза.

Синтез гемоглобина

В состав гемоглобина входит железо. Недостаточное количество этого элемента в организме может привести к развитию анемии (см. Железодефицитная анемия). Имеется зависимость между возможностью синтезировать определённое количество гемоглобина (что обусловлено запасами железа) и эритропоэза - по всей вероятности, существует пороговое значение концентрации гемоглобина, без которой эритропоэз прекращается.

Синтез гемоглобина начинается в эритроидных предшественниках на этапе образования эритропоэтин-чувствительной клетки. У плода, а затем и в раннем послеродовом периоде у ребёнка образуется гемоглобин F, а далее, в основном, - гемоглобин А. При напряжении эритропоэза (гемолиз, кровотечение) в крови взрослого человека может появляться некоторое количество гемоглобина F.

Гемоглобин состоит из двух вариантов глобиновых цепей а и р, окружающих гем, содержащий железо. В зависимости от изменения последовательностей аминокислотных остатков в цепях глобина изменяются химикофизические свойства гемоглобина, в определённых условиях он может кристаллизоваться, становиться нерастворимым (например гемоглобин S при серповидно-клеточной анемии).

Свойства эритроцитов

Эритроциты обладают несколькими свойствами. Наиболее известным является транспорт кислорода (O₂) и углекислого газа (CO₂). Он осуществляется гемоглобином, который связывается поочередно с одним и другим газом в зависимости от напряжения соответствующего газа в окружающей среде: в лёгких - кислорода, в тканях - углекислого газа. Химизм реакции заключается в вытеснении и замещении одного газа другим из связи с гемоглобином. Кроме того, эритроциты являются переносчиками оксида азота (NO), ответственного за сосудистый тонус, а также участвующего в передаче клеточных сигналов и многих других физиологических процессах.

Эритроциты обладают свойством изменять свою форму, проходя через капилляры малого диаметра. Клетки распластываются, закручиваются в спираль. Пластичность эритроцитов зависит от различных факторов, в том числе от строения мембраны эритроцита, от вида содержащегося в нём гемоглобина, от цитоскелета. Кроме того, эритроцитарная мембрана окружена своего рода ˮоблакомˮ из различных белков, которые могут менять деформируемость. К ним относятся иммунные комплексы, фибриноген. Эти вещества меняют заряд мембраны эритроцита, прикрепляются к рецепторам, ускоряют оседание эритроцитов в стеклянном капилляре.

В случае тромбообразования эритроциты являются центрами образования фибриновых тяжей, это может не только изменять деформируемость, вызывать их агрегацию, слипание в монетные столбики, но и разрывать эритроциты на фрагменты, отрывать от них куски мембран.

Реакция оседания эритроцитов (РОЭ) отражает наличие на их поверхности заряда, отталкивающего эритроциты друг от друга. Появление при воспалительных реакциях, при активации свертывания и т.д. вокруг эритроцита диэлектрического облака приводит к уменьшению сил отталкивания, в результате чего эритроциты начинают быстрее оседать в вертикально поставленном капилляре. Если капилляр наклонить на 45°, то силы отталкивания действуют только на протяжении прохождения эритроцитами поперечника просвета капилляра. Когда клетки достигают стенки, они скатываются по ней, не встречая сопротивления. В результате в наклонённом капилляре показатель оседания эритроцитов увеличивается десятикратно.

Источники:
1. Анемический синдром в клинической практике / П.А. Воробьёв, - М., 2001;
2. Гематология: Новейший справочник / Под ред. К.М. Абдулкадырова. - М., 2004.

Почти на 85% биосинтез гема происходит в костном мозге и лишь небольшая часть - в печени. В синтезе гема участвуют митохондрии и цитоплазма. Гем и глобин синтезируются по отдельности. Затем соединяются, и образуется третичная и четвертичная структура гемоглобина.

СИНТЕЗ ГЕМА

Рисунок 11

Синтез тетрагидропиррольных колец начинается в митохондриях (рис.11,12). Из сукцинил-КоА конденсацией с глицином получается продукт, декарбоксилирование которого приводит к 5-аминолевулинату (ALA). Отвечающая за эту стадию 5-аминолевулинат-синтаза (ALA-синтаза) является ключевым ферментом всего пути. Коферментом дельта-аминолевулинатсинтазы является пиридоксаль-фосфат (производное витамина В 6). Фермент ингибируется по принципу отрицательной обратной связи избытком гема.

После синтеза 5-аминолевулинат переходит из митохондрий в цитоплазму, где две молекулы конденсируются в порфобилиноген (рис.12,13), который уже содержит пиррольное кольцо . Порфобилиногенсинтаза ингибируется ионами свинца. Поэтому при острых отравлениях свинцом в крови и моче обнаруживают повышенные концентрации 5-аминолевулината.

Рисунок 13

Порфобилиногенсинтаза тоже угнетается избытком гема.

На последующих стадиях образуется характерная для порфирина тетрапиррольная структура. Связывание четырех молекул порфобилиногена с отщеплением NH 2 -групп и образованием уропорфириногена III катализируется гидроксиметилбилан-синтазой . Для образования этого промежуточного продукта необходим второй фермент, уропорфириноген III-синтаза . Отсутствие этого фермента приводит к образованию «неправильного» изомера - уропорфириногена I.

Тетрапиррольная структура уропорфиринoгена III все еще существенно отличается от гема. Так, отсутствует центральный атом железа, а кольцо содержит только 8 вместо 11 двойных связей. Кроме того, кольца несут только заряженные боковые цепи R (4 ацетатных и 4 пропионатных остатков). Так как группы гема в белках функционируют в неполярном окружении, необходимо, чтобы полярные боковые цепи превратились в менее полярные. Вначале четыре ацетатных остатка (R 1) декарбоксилируются с образованием метильных групп (5). Образующийся копропорфириноген III снова возвращается в митохондрии. Дальнейшие стадии катализируются ферментами, которые локализованы на/или внутри митохондриальной мембраны. Прежде всего под действием оксидазы две

Рисунок 12

пропионатные группы (R 2) превращаются в винильные (6). Модификация боковых цепей заканчивается образованием протопорфириногена IX.

На следующей стадии за счет окисления в молекуле создается сопряженная π-электронная система, которая придает гему характерную красную окраску. При этом расходуется 6 восстановительных эквивалентов (7). В заключение с помощью специального фермента, феррохелатазы , в молекулу включается атом двухвалентного железа (8). Образованный таким образом гем или Fe-протопорфирин IX включается, например, в гемоглобин и миоглобин, где он связан нековалентно, или в цитохром С, с которым связывается ковалентно.

Рисунок 14

Источник железа - белок ферритин. В комплексе с ферритином в организме хранится (депонируется) резерв железа.

Синтез гемоглобина осуществляется путем синхронной продукции гема и полипептидных цепей глобина с последующим образованием законченной молекулы. Субстратом для образования глобина являются аминокислоты. В синтезе гемма принимают участие глицин, производное янтарной кислоты сукцинил-КоА, уксусная кислота и железо. Синтез гемоглобина начинается в нормоцитах. По мере дальнейшего созревания эритроидной клетки, уменьшения количества полисом в цитоплазме снижается и синтез гемоглобина. В ретикулоцитах еще возможен синтез гемоглобина на рибосомально-цитоплазматическом уровне. Зрелые эритроциты не синтезируют гемоглобин.

Процесс синтеза гемоглобина при эритропоэзе связан с потреблением эндогенного железа. Важную роль в обмене эндогенного железа играют следующие соединения белковой природы: трансферрин (сидерофилин), ферритин и гемосидерин.

Трансферрин - специфический белок, содержащийся в плазме крови, представляет собой β-глобулин с молекулярной массой около 80 000 Д. Он выполняет транспортную функцию, обеспечивая перенос железа из слизи­стой o6олочки кишечника и синусов паренхимы селезенки в костный мозг, где утилизируется в процессе эритропоэза.

Ферритин - водорастворимый комплекс гидроокиси железа с белком апоферритином. Молекулярная масса ферритина составляет около 460 000 Д, содержание железа - примерно 20% от его массы.

Гемосидерин близок по составу к ферритину, содержание железа в нем составляет около 30% от общей массы молекулы гемосидерина. Основными местами депонирования гемосидерина являются костный мозг, печень и селезенка.

В организме здорового взрослого человека содержится в целом около 3-5 г эндогенного железа, причем в фонде эритрона содержится около 60-70%, а железо запасов (ферритина и гемосидерина внутренних органов) составляет 30-40%. В составе трансферрина содержится около 3-4 мг железа, в ферментах различных органов и тканей имеется еще около 150 мг железа.

Содержание эндогенного железа в организме в значительной мере определяется постоянством поступления экзогенного железа. Однако этот процесс строго лимитирован; количество железа, всасываемого из пищи в тече­ние суток даже при резко возросшей потребности в нем, не превышает 2,0-2,5 мг. Важное значение имеет не только количество железа в данном продукте, но иформа его содержания и соответственно возможность его вса­сывания из данного продукта. Железо содержится во многих продуктах как растительного, так и животного происхождения. Много железа содержат мя­со, печень, почки, бобовые культуры, сушеные абрикосы, чернослив, изюм, рис, хлеб, яблоки. Однако из риса всасывается не более 1% железа, из фрук­тов - не более 3%. Много железа всасывается из говядины, и особенно теля­тины - до 22%, из рыбы - до 11 %.

Пищевые продукты могут содержать различные формы железа, входя­щего в состав гема, ферритина, гемосидерина, комплексных соединений с оксалатами, фосфатами.

Железо, входящее в состав гемсодержащих соединений, всасывается
значительно лучше, чем из ферритина и гемосидерина.

Желудочному фактору, в частности нормальной секреции НСl, отводит­ся лишь вспомогательная роль в регуляции процессов всасывания железа, содержащегося в пищевых продуктах в виде трехвалентного соединения. Всасывание железа в двухвалентной форме, в том числе входящего в состав гема, практически не зависит от состояния секреторной способности желуд­ка. Показано, что даже при ахилии всасывание железа вполне удовлетвори­тельно. Однако данную точку зрения нельзя считать общепринятой, по­скольку согласно другим данным соляная кислота обеспечивает стабилизацию двухвалентного железа в желудочно-кишечном тракте, способствует образованию легкоусвояемых комплексных соединений железа.

Активация процессов всасывания железа из кишечника возникает при гипоксии, усилении эритропоэза, снижении концентрации железа в плазме крови. Всасывание железа усиливается под влиянием аскорбиновой, янтар­ной, пировиноградной кислот, фруктозы, сорбита, алкоголя.

В слизистой оболочке кишечника имеется фермент гемоксигеназа , необходимый для распада молекулы гема на билирубин, окись углерода и ионизированное железо. На поверхности энтероцитов находится специфиче­ский рецепторный белок аноферритин , который обеспечивает связывание железа, его поступление в энтероциты и образование лабильной формы депонирования железа в эпителии слизистой кишечника. Следует отметить, что всасыванию в кишечнике подвергается только двухвалентное железо, при­чем, если концентрация двухвалентного железа в кишечнике резко возраста­ет, соответственно увеличивается и процесс его всасывания. Трехвалентное железо в кишечнике практически не всасывается.

Основным местом депонирования железа является печень, а формами депонирования - ферритин и гемосидерин.

Содержание железа в сыворотке крови имеет большой диапазон колеба­ний в условиях нормы - от 70 до 170 мкг% (12,5-30,4 мкмоль/л). Железосвязывающая способность сыворотки крови в норме колеблется от 30,6 до 84,6 мкмоль/л (70-470 мкг/%). Под железосвязывающей способностью сыво­ротки крови понимают то количество железа, которое может связаться с трансферрином.

Потери железа из организма происходят различными путями: с калом, мочой, потом, эпителием кожи, причем с мочой теряется около 0,1 мг железа, с эпителием кожи и потом - около 0,2-0,3 мг, с калом - около 0,4 мг/сутки. Известно, что железо, теряемое с калом, включает в себя железо слущивающегося эпителия кишки, железо желчи и экзогенное железо, не усвоившееся из пищевых продуктов. В среднем считают, что ежесуточные потери железа у мужчин и неменструирующих женщин составляют около 1 мг. По данным различных авторов, потери железа у женщин за одну менструацию могут широко варьировать - от 2 до 73 мг.

• Контрольные вопросы к экзамену учебной дисциплины «Биохимия»
• 2.Уровни структурной организации белков: первичная, вторичная, третичная, четвертичная, домены, надмолекулярные структуры
• 3. Связь свойств, функций и активности белков с их структурной организацией (специфичность, видовая принадлежность, эффект узнавания, динамичность, эффект кооперативного взаимодействия).
• 4. Факторы повреждения структуры и функции белков, роль повреждений в патогенезе заболеваний. Протеинопатии.
• 5. Первичная структура белков. Зависимость свойств и функций белков от их первичной структуры. Изменения первичной структуры, протеинопатии.
• 6. Роль протеомики в оценке патологических состояний
• 7.Миоглобин и гемоглобин. Конформационные изменения и кооперативные взаимодействия субъединиц гемоглобина. Эффект Бора. Роль 2,3 –бифосфоглицерата.
• 9. Кинетика ферментативных реакций. Уравнение Михаэлиса – Ментона. Преобразование Лайнуивера – Бэрка
• 10. Строение ферментов. Кофакторы и коферменты. Активный центр, строение, функции, связь со специфичностью действия ферментов. Возможность изменения специфичности (трансформация).
• 11. Международная классификация и номенклатура ферментов. Шифр ферментов. Классификация ферментов по их локализации в органах и клетках (компартментализация).
• 12. Ингибирование активности ферментов: обратимые, необратимые, конкурентные, неконкурентное. Принцип приме­нения лекарственных препаратов, основанный на ингибировании ферментов (примеры).
• 1. Конкурентное ингибирование
• 2. Неконкурентное ингибирование
• 1. Специфические и неспецифические
• 2. Необратимые ингибиторы ферментов как
• 14. Аллостерическая регуляция. Ингибирование по принципу обратной связи.
• 15. Регуляция активности и количества ферментов (аллостерическая, регуляция путем фосфорилирования и дефосфорилирования, ограниченного протеолиза проферментов)
• 16. Первичные и вторичные ферментопатии. Биохимические механизмы развития патологий. Примеры заболеваний.
• 17. Энзимодиагностика и энзимотерапия. Ингибиторы ферментов как лекарственные препараты
• 18. Зависимость скорости ферментативных реакций от температуры, рН, концентрации субстратов (индукция и репрессия ферментов). Индукция к лекарственным веществам.
• 19. Кофакторы и коферменты. Водорастворимые витамины, как предшественники коферментов. Металлоферменты и ферменты, активируемые металлами
• 1. Роль металлов в присоединении субстрата
• 2. Роль металлов в стабилизации третичной
• 3. Роль металлов в ферментативном
• 4. Роль металлов в регуляции активности
• 1. Механизм "пинг-понг"
• 2. Последовательный механизм
• Модуль II. Введение в обмен веществ. Биологическое окисление
• 20. Основные пищевые вещества. Суточная потребность. Незаменимые факторы питания
• 21.Переваривание основных пищевых веществ (жиров, белков, углеводов), ферменты пищеварительных соков. Наследственная непереносимость пищевых веществ.
• 22. Витамины. Классификация, функции. Алиментарные и вторичные авитаминозы и гиповитаминозы, их следствия, подходы к профилактике.
• 1. Образование и роль соляной кислоты
• 2.Механизм активации пепсина
• 3.Возрастные особенности переваривания белков в желудке
• 4. Нарушения переваривания белков в желудке
• 1. Активация панкреатических ферментов
• 2. Специфичность действия протеаз
• 24. Биологическое окисление. Особенности, функции. Макроэргические соединения. Синтез атф. Аэробный и субстратный типы окислительного фосфорилирования Превращение метаболической энергии в тепло.
• 25. Характеристика мультиферментных комплексов цепи переноса электронов. Структурная организация дыхательной цепи, ее функции (энергетическая, терморегуляторная) и место в системе дыхания
• 28. Микросомальное окисление, его организация, биологическая роль, связь с условиями внеш­ней среды. Возможные побочные эффекты.
• 30. Механизм защиты от токсического действия кислорода. Антиоксидантная система
• 2. Антиоксидантная система
• 32. Нарушения энергетического обмена, причины. Гипоэнергетические (энергодефицитные) состояния, их причины и последствия.
• Гипоэнергетические состояния
• 33. Окислительное декарбоксилирование пировиноградной кислоты. Строение пируватдегидрогеназного комплекса, роль витамина в-1
• 34. Цикл лимонной кислоты (цикл Кребса), последовательность реакций, характеристика окислительных ферментов, связь с цепью переноса электронов, энергетическая и пластическая функции.
• Модуль III. Обмен и функции углеводов
• 35. Метаболизм фруктозы и галактозы, связь с онтогенезом. Галактоземия, фруктозурия.
• 37. Гликолиз, последовательность реакций, связь с общими путями катабо­лизма (полное аэробное окисление глюкозы). Физиологическая роль процесса.
• 38. Анаэробное окисление глюкозы (анаэробный гликолиз), последовательность реакций, физиологическое значение, регуляция. Судьба молочной кислоты.
• 39. Метаболизм фруктозы и галактозы, связь с онтогенезом. Галактоземия, фруктозурия.
• 40. Пентозофосфатный путь превращения глюкозы, окислительные реакции, энергетическая функция, образование восстановительных эквивалентов и рибозы.
• 41. Глюконеогенез. Ключевые реакции, роль пирувата, лактата, аминокислот. Значение про­цесса, регуляция. Роль биотина.
• 42. Синтез и распад гликогена: биологическое значение процесса. Зависимость от ритма питания. Регуляция. Гликогенозы и агликогенозы.
• 43. Поддержание физиологического уровня глюкозы в крови. Цикл Кори и глюкозо-аланиновый цикл.
• 44. Гипо- и гипергликемия, почечный порог для глюкозы, глюкозурия. Толерантность к глюкозе.
• 45. Особенности обмена глюкозы в различных тканях (мышцы, эритроциты, мозг, жировая ткань, печень). Зависимость путей использования глюкоза от ритма и характера питания.
• Модуль IV. Структура, функция и обмен липидов. Биологические мембраны, строение, функции
• 47. Повреждение мембран, связь с развитием болезней. Основные повреждающие фак­торы. Перекисное окисление липидов (пол). Роль неблагоприятной экологической обстановки в активации этого процесса.
• 49. Ненасыщенные и полиненасыщенные (пнжк) жирные кислоты. Зависимость их концентрации от питания. W-3 и w-6 жирные кислоты как предшественники синтеза эйкозаноидов, простагландинов и лейкотриенов.
• 50. Транспортные липопротеины крови, особенности строения, функции. Апобелки. Роль липопротеинлипазы и лецитин-холестерин-ацилтрансферазы (лхат).
• 51.Метаболизм плазменных липопротеинов. Атерогенные и антиатерогенные липопротеины. Дислипопротеинемии, гиперли­по­протеинемии. Атеросклероз. Коэффициент атерогенности.
• 52. Различия синтеза триацилглицеринов (таг) в печени и жировой ткани. Взаимопревращение глицерофосфолипидов. Жировое перерождение печени. Липотропные факторы.
• 53. Депонирование и мобилизация жиров, биологическая роль процессов, зависимость от ритма питания и физической нагрузки. Гормональная регуляция липолиза и липогенеза.
• 55. Синтез и использование кетоновых тел. Гиперкетонемия, кетонурия, ацидоз при сахарном диабете и голодании.
• 56. Синтез и функции холестерина. Образование мевалоновой кислоты. Регуляция процесса, гмг-КоА-редуктаза. Транспорт и выведение холестерина из организма.
• 57. Обмен полиненасыщенных жирных кислот. Образование эйкозаноидов, строение, номенклатура, биосинтез, биологическая роль.
• 58. Желчь, желчные кислоты (первичные и вторичные). Желчные мицеллы их образование и роль Применение хенодезоксихолевой кислоты для лечения болезни.
• Модуль V. Обмен белков и аминокислот
• 2. Оксидаза l-аминокислот
• 3. Оксидаза d-аминокислот
• 3. Биологическое значение трансаминирования
• 2. Органоспецифичные аминотрансферазы ант и act
• 1. Реакции синтеза мочевины
• 2. Энергетический баланс процесса
• 3. Биологическая роль орнитинового цикла
• Модуль VI. Обмен и функции нуклеиновых кислот. Матричные биосинтезы.
• Модуль VII. Гормоны. Гормональная регуляция метаболических процессов
• 81. Гормоны поджелудочной железы. Строение, образование, механизм действия инсулина и глюкагона.
• 82. Кальций и фосфор. Биологические функции, распределение в организме. Регуля­ция обмена, участие паратгормона, кальцитонина и активных форм витамина d.
• 83. Гормоны коры надпочечников: минерало - и глюкокортикоиды. Строение, синтез. Влияние на водно-солевой обмен, обмен белков, липидов и углеводов.
• 84. Йодсодержащие гормоны, строение, биосинтез, Влияние на обмен веществ. Изменения обмена при гипертиреозе и гипотиреозе.
• 85. Адреналин. Строение, биосинтез, биологическая роль.
• 86. Гормоны передней доли гипофиза, строение, место в системе регуляции. Биологическая роль.
• 87. Гормоны задней доли гипофиза (вазопрессин и окситоцин), строение, биологическая роль.
• 88. Половые гормоны: мужские и женские, влияние на обмен веществ.
• 89. Гипер- и гипопродукция гормонов (разобрать на примерах гормонов щитовидной железы, надпочечников). Модуль VIII. Биохимия крови и мочи
• 90. Общий белок и белковый спектр плазмы крови. Альбумины и глобулины их функции, гипо - и гиперпро­теи­не­мия, диспротеинемии, парапротеинемии.
• 92.Каликреин-кининовая система, синтез кининов, биологическая роль.
• 93. Форменные элементы крови. Особенности метаболизма в эритроцитах и лейкоцитах. Биохимические ме­ха­низмы, обеспечивающие резистентность эритроцита.
• 94. Синтез гема и гемоглобина. Регуляция этих процессов. Вариации первичной структуры и свойств гемоглобина. Гемо­глобино­патии.
• 95. Железо. Транспорт, депонирование, функции, обмен. Нарушения обмена: железо­дефицитная анемия, гемосидероз, гемохроматоз.

• 94. Синтез гема и гемоглобина. Регуляция этих процессов. Вариации первичной структуры и свойств гемоглобина. Гемо­глобино­патии.

  Гем синтезируется во всех тканях, но с наибольшей скоростью в костном мозге и печени (рис. 13-2). В костном мозге гем необходим для синтеза гемоглобина в ретикулоцитах, в гепатоцитах - для образования цитохрома Р450.

  Первая реакция синтеза гема - образование 5-аминолевулиновой кислоты из глицина и сук-цинил-КоА (рис. 13-3) идёт в матриксе митохондрий, где в ЦТК образуется один из субстратов этой реакции - сукцинил-КоА. Эту реакцию катализирует пиридоксальзависимый фермент аминолевулинатсинтаза.

  Из митохондрий 5-аминолевулиновая кислота поступает в цитоплазму. В цитоплазме проходят промежуточные этапы синтеза гема: соединение 2 молекул 5-аминолевулиновой кислоты молекулу порфобилиногена (рис. 13-4), дезаминированиепорфобилиногена с образованием гидроксиметилбилана, ферментативное превращение гидроксиметилбилана в молекулу уропор-фобилиногена III, декарбоксилирование последнего с образованием копропорфириногена III. Гидроксиметилбилан может также нефермента-тивно превращаться в уропорфириноген I, который декарбоксилируется в копропорфирино-ген I. Из цитоплазмы копропорфириноген III опять поступает в митохондрии, где проходят заключительные реакции синтеза гема. В результате двух последовательных окислительных реакций копропорфириноген III превращается в протопорфириноген IX, а протопорфириноген IX - в Протопорфирин IX. Фермент феррохела-таза, присоединяя к протопорфирину IX двухвалентноелентное железо, превращает его в гем (рис. 13-2). Источником железа для синтеза гема служит депонирующий железо белок ферритин. Синтезированный гем, соединяясь с α и β-полипепептидными цепями глобина, образует гемоглобин. Гем регулирует синтез глобина: при снижении скорости синтеза гема синтез глобина в ретикулоцитах тормозится.

  Донором железа служит депонирующий железо в клетках белок ферритин.

  Рис. 13-3. Реакция образования 5-аминолевулиновой кислоты.

  

  Регуляция биосинтеза гема

  Регуляторную реакцию синтеза гема катализирует пиридоксальзависимый фермент аминолевулинатсинтаза. Скорость реакции регулируется аллостерически и на уровне трансляции фермента.

  Аллостерическим ингибитором и корепрессором синтеза аминолевулинатсинтазы является гем (рис. 13-5).

  В ретикулоцитах синтез этого фермента на этапе трансляции регулирует железо. На участке инициации мРНК, кодирующей фермент, имеется последовательность нуклеотидов, образующая шпилечную петлю, которая называется железочувствительным элементом (от англ, iron-responsiveelement, IRE) (рис. 13-6).

  

  Рис. 13-5. Регуляция синтеза гема и гемоглобина. Гем по принципу отрицательной обратной связи ингибирует аминолевулинатсинтазу и аминолевулинатдегидратазу и является индуктором трансляции α- и β-цепей гемоглобина.

  При высоких концентрациях железа в клетках оно образует комплекс с остатками цистеина регуляторного железосвязывающего белка. Взаимодействие железа с регуляторным железосвязывающим белком вызывает снижение сродства этого белка к IRE-элементу мРНК, кодирующей аминолевулинатсинтазу, и продолжение трансляции (рис. 13-6, А). При низких концентрациях железа железосвязывающий белок присоединяется к железо-чувствительному элементу, находящемуся на 5"-нетранслируемом конце мРНК, и трансляция аминолевулинатсинтазы тормозится (рис. 13-6, Б).

  Аминолевулинатдегидратаза также аллостерически ингибируется гемом, но так как активность этого фермента почти в 80 раз превышает активность аминолевулинатсинтазы, то это не имеет большого физиологического значения.

Синтез гемоглобина происходит в кроветворных органах, причем гем и глобин синтезируются по отдельности. Затем гем и белковая часть гемоглобина соединяются вместе.

Первая реакция синтеза гема - образование Δ-аминолевулиновой кислоты из глицина и сукцинил-КоА идёт в матриксе митохондрий, где в ЦТК образуется один из субстратов этой реакции - сукцинил-КоА. Эту реакцию катализирует

фермент Δ-аминолевулинатсинтаза:

Дельта-аминолевулинатсинтаза является ключевым ферментом биосинтеза гема. Коферментом дельта-аминолевулинатсинтазы является пиридоксаль-фосфат (производное витамина В 6). Фермент ингибируется по принципу отрицательной обратной связи избытком гема.

Из митохондрий Δ-аминолевулиновая кислота поступает в цитоплазму. Происходит соединение 2 молекул Δ-аминолевулиновой кислоты в молекулу порфобилиногена. Порфобилиногенсинтаза тоже угнетается избытком гема.

В дальнейшем синтез гема проходит по следующей схеме:

В результате целого ряда последовательных реакций образуется протопорфирин IX. Фермент феррохелатаза, присоединяя к протопорфирину IX двухвалентное железо, превращает его в гем. Источником железа для синтеза гема служит депонирующий железо белок ферритин. Синтезированный гем, соединяясь с α- и β-полипепептидными цепями глобина, образует гемоглобин. Гем регулирует синтез глобина: при снижении скорости синтеза гема синтез глобина в ретикулоцитах тормозится.

2. Нарушения биосинтеза гема – порфирии.

Порфирии ("порфирин" в переводе с греч. означает пурпурный) - наследственные и приобретённые нарушения синтеза гема, сопровождающиеся повышением содержания порфириногенов, а также продуктов их окисления в тканях и крови и появлением их в моче.

Наследственные порфирии обусловлены генетическими дефектами ферментов, участвующих в синтезе гема. При этих заболеваниях отмечают снижение образования гема и накопление промежуточных продуктов его - аминолевулиновой кислоты и порфириногенов.

Различают печёночные и эритропоэтические наследственные порфирии. Эритропоэтические порфирии сопровождаются накоплением порфиринов в нормобластах и эритроцитах, а печёночные - в гепатоцитах.

При тяжёлых формах порфирии наблюдают нейропсихические расстройства, нарушения функций РЭС, повреждения кожи. Порфириногены не окрашены и не флуоресцируют. На свету порфириногены легко превращаются в порфирины, которые проявляют интенсивную красную флуоресценцию при УФО. Порфирии часто сопровождаются фотосенсибилизацией (повышение чувствительности кожи и слизистых оболочек к действию ультрафиолетового или видимого излучений) и изъязвлением открытых участков кожи. Нейропсихические расстройства при порфириях связаны с тем, что аминолевулинат и порфириногены являются нейротоксинами.

Иногда при лёгких формах наследственных порфирии заболевание может протекать бессимптомно. Обострение заболевания может наступать под действием лекарств: сульфаниламиды, барбитураты, диклофенак, вольтарен, стероиды. В некоторых случаях симптомы болезни не проявляются до периода полового созревания. Порфирии наблюдают и при отравлениях солями свинца и некоторых гербицидов и инсектицидов.

При неправильной диагностике и, следовательно, лечении, острые порфирии являются смертельными заболеваниями (летальность, в среднем, составляет 60%). Напротив, четкая своевременная диагностика и адекватная терапия спасают практически всех больных, возвращая их к нормальной полноценной жизни.

Диагностика острой порфирии. Предположительный диагноз острой порфирии у такого рода больных может быть поставлен на основании появления окрашенной мочи во время приступа - от слегка розового до красно-бурого цвета, что становится еще более заметным при стоянии мочи на свету. Розовый цвет мочи обусловлен повышенным содержанием в ней порфиринов, а красно-бурый - присутствием порфобилина, продукта деградации порфобилиногена. Однако заметное изменение цвета мочи не является обязательным признаком острой порфирии. Для постановки этого диагноза рекомендуется провести следующие лабораторные исследования:

Качественный тест мочи с реактивом Эрлиха на избыток порфобилиногена; Определение общих порфиринов и их предшественников -порфобилиногена (ПБГ) и δ-аминолевулиновой кислоты (АЛК) в моче. В норме содержание общих порфиринов в моче не превышает 0.15 мг/л; ПБГ - 2 мг/л; АЛК - 4.5 мг/л; Определение общих порфиринов в кале. У здоровых людей содержание общих порфиринов в кале < 200 нмоль/г сухого веса; Определение активности фермента порфобилиногендезаминазы (в случае ОПП), копропорфириногеноксидазы (в случае наследственной порфирии); проведение молекулярного анализа ДНК.

3. Типы гемоглобина. Нарушения синтеза белковой части гемоглобина – качественные и количественные гемоглобинопатии.

Гемоглобины, синтезирующиеся в период внутриутробного развития плода:

· Эмбриональный гемоглобин (HbE) синтезируется в эмбриональном желточном мешке через несколько недель после оплодотворения. Представляет собой тетрамер 2α- и 2ς-цепей. Через 2 нед после формирования печени плода в ней начинает синтезироваться гемоглобин F, который к 6 месяцам замещает эмбриональный гемоглобин.

· Гемоглобин F - фетальный гемоглобин, синтезируется в печени и костном мозге плода до периода его рождения. Имеет тетрамерную структуру, состоящую из 2α- и 2γ -цепей. После рождения ребёнка постепенно замещается на гемоглобин А, который начинает синтезироваться в клетках костного мозга уже на 8-м месяце развития плода.

Гемоглобины взрослого человека.

В эритроцитах взрослого человека гемоглобин составляет 90% от всех белков данной клетки.

· Гемоглобин А - основной гемоглобин взрослого организма, составляет около 98% от общего количества гемоглобина, тетрамер, состоит из полипептидных цепей 2α- и 2β-цепей.

· Гемоглобин A 2 находится в организме взрослого человека в меньшей концентрации, на его долю приходится около 2% общего гемоглобина. Он состоит из 2α- и 2σ-цепей.

· Гемоглобин А 1с - гемоглобин А, модифицированный ковалентным присоединением к нему глюкозы (так называемый гликозилированный гемоглобин). Норма - 4,0-6,2%. Измерение Hb1c является показателем среднесуточной концентрации глюкозы в крови за два предшествующих месяца. Определение Hb1c используют для контроля за лечением больных сахарным диабетом. Увеличение Hb1c: до 8-10% говорит о хорошо компенсированном, до 10-12% - о частично компенсированном, свыше 12% - о некомпенсированном сахарном диабете.

Нарушения синтеза белковой части гемоглобина – качественные и количествные гемоглобинопатии. В настоящее время известно около 300 вариантов НЬА, имеющих в первичной структуре α- или β-цепей лишь небольшие изменения. Некоторые из них почти не влияют на функцию белка и здоровье человека, другие снижают функцию белка и особенно в экстремальных ситуациях снижают возможность адаптации человека, третьи - вызывают значительные нарушения функций НbА и развитие анемии, что приводит к тяжёлым клиническим последствиям.

Выделяют качественные гемоглобинопатии (изменения аминокислотной последовательности цепей глобина) и количественные гемоглобинопатии , или талассемии (снижение образования цепей глобина без изменения их структуры).

Качественные гемоглобинопатии . В аномальных гемоглобинах изменения могут затрагивать аминокислоты:

• находящиеся на поверхности белка;
• участвующие в формировании гидрофобного кармана вокруг гема;
• замена которых нарушает общую трёхмерную конформацию молекулы;
• изменяющие четвертичную структуру белка и его регуляторные свойства.

Примером качественных гемоглобинопатий могут служить HbS и HbM.

Гемоглобин S. В молекуле гемоглобина S у больных серповидно-клеточной анемией в β-цепи глутамат, высокополярная отрицательно заряженная аминокислота в положении 6 заменена валином, содержащим гидрофобный радикал. В дезоксигемоглобине S имеется участок, комплементарный другому участку таких же молекул, содержащему изменённую аминокислоту. В результате молекулы дезоксигемоглобина начинают "слипаться", образуя удлинённые фибриллярные агрегаты, деформирующие эритроцит и приводящие к образованию аномальных эритроцитов в виде серпа. Так как "серповидные" эритроциты плохо проходят через капилляры тканей, они часто закупоривают сосуды и создают тем самым локальную гипоксию. Это повышает концентрацию дезоксигемоглобина S в эритроцитах, скорость образования агрегатов гемоглобина S и ещё большую деформацию эритроцитов. Нарушение доставки О 2 в ткани вызывает боли и даже некроз клеток в данной области. Высокая частота гена HbS среди жителей Африки (до 40% населения в некоторых районах) обусловлена тем, что гетерозиготы менее чувствительны к малярии, чем люди с нормальным гемоглобином A. Plasmodium falciparum - возбудитель малярии, облигатную часть своего жизненного цикла он проводит в эритроцитах. Так как эритроциты гетерозиготных по HbS людей имеют более короткий срок жизни, чем нормальные эритроциты, возбудитель малярии не успевает закончить необходимую стадию развития. Это создаёт избирательное преимущество для гетерозиготных по HbS людей в тех областях, где малярия вызывает гибель многих людей.

Гемоглобин М - вариант гемоглобина А, где в результате мутации в гене α- или β-цепи происходит замена гистидина на тирозин. В результате Fe 2+ окисляется в Fe 3+ и стабилизируется в этой форме. Гемоглобин, содержащий в геме Fe 3+ , называется метгемоглобином (отсюда и название - гемоглобин М). Вместо О 2 к Fe 3+ присоединяется Н 2 О. Обычно изменения затрагивают либо α-, либо β-цепи, в результате гемоглобин может переносить не более двух молекул О 2 . У гетерозиготных людей отмечают цианоз, связанный с нарушением транспорта О 2 , а гомозиготность по этому гену приводит к летальному исходу.

Количественные гемоглобинопатии - талассемии - наследственные заболевания, обусловленные отсутствием или снижением скорости синтеза α- или β-цепей гемоглобина. В результате несбалансированного образования глобиновых цепей образуются тетрамеры гемоглобина, состоящие из одинаковых протомеров. Это приводит к нарушению основной функции гемоглобина - транспорту кислорода к тканям. Нарушение эритропоэза и ускоренный гемолиз эритроцитов и клеток-предшественников при талассемиях приводит к анемии.

При β-талассемии не синтезируются β-цепи гемоглобина. Это вызывает образование нестабильных тетрамеров, содержащих только α-цепи. При этом заболевании в костном мозге из-за преципитации нестабильных α-цепей усиливается разрушение эритробластов, а ускорение разрушения эритроцитов в циркулирующей крови приводит к внутрисосудистому гемолизу. У больных β-талассемии наблюдается снижение концентрации HbА и увеличение HbF.

В случае α-талассемии недостаток образования α-глобиновых цепей приводит к нарушению образования HbF у плода. Избыточные γ-цепи образуют тетрамеры, называемые гемоглобином Барта (γ 4) . Этот гемоглобин при физиологических условиях имеет повышенное сродство к кислороду и не проявляет кооперативных взаимодействий между протомерами. В результате гемоглобин Барта не обеспечивает развивающийся плод необходимым количеством кислорода, что приводит к тяжёлой гипоксии. При α-талассемии отмечают высокий процент внутриутробной гибели плода. Выжившие новорождённые при переключении с γ- на β-ген синтезируют β-тетрамеры или НbН(β 4) , который, подобно гемоглобину Барта, имеет слишком высокое сродство к кислороду, менее стабилен, чем НbА и быстро разрушается. Это ведёт к развитию у больных тканевой гипоксии и к смерти вскоре после рождения.

Выявление аномальных гемоглобинов проводят с помощью электрофореза.

ТВОРЧЕСКАЯ РАБОТА СТУДЕНТОВ. Темы рефератов/презентаций: «Порфирии. Лабораторная диагностика», «Исследование типов гемоглобина при талассемии», «Врожденные нарушения синтеза гемоглобина, лабораторная биохимическая диагностика».

Лекция № 6. Биосинтез нуклеиновых кислот и белка .

План лекции:

1. Особенности строения нуклеиновых кислот: ДНК и РНК.

2. Краткая характеристика процессов репликации, транскрипции, трансляции.

1. Особенности строения нуклеиновых кислот: ДНК и РНК.

В каждом живом организме присутствуют 2 типа нуклеиновых кислот: рибонуклеиновая кислота (РНК) и дезоксирибонуклеиновая кислота (ДНК). ДНК и РНК состоят из мономерных единиц - мононуклеотидов, поэтому нуклеиновые кислоты называют полинуклеотидами.

Строение нуклеотидов. Каждый нуклеотид содержит 3 компонента: гетероциклическое азотистое основание, моносахарид (пентозу) и остаток фосфорной кислоты. В зависимости от числа имеющихся в молекуле остатков фосфорной кислоты различают нуклеозидмонофосфаты (НМФ), нуклеозиддифосфаты (НДФ), нуклеозидтрифосфаты (НТФ).

В состав нуклеиновых кислот входят азотистые основания двух типов: пуриновые - аденин (А), гуанин (G) и пиримидиновые - цитозин (С), тимин (Т) и урацил (U). Пентозы в нуклеотидах представлены либо рибозой (в составе РНК), либо дезоксирибозой (в составе ДНК). Чтобы отличить номера атомов в пентозах от нумерации атомов в основаниях, запись производят с внешней стороны цикла и к цифре добавляют штрих (") - 1", 2", 3", 4" и 5". Пентозу соединяет с основанием N-гликозидная связь, образованная С 1 -атомом пентозы (рибозы или дезоксирибозы) и N 1 -атомом пиримидина или N 9 -aтомом пурина.

Пуриновые и пиримидиновые основания.

В молекулы РНК входят аденин (А), урацил (U), гуанин (G) и цитозин (С), в ДНК - аденин (А), тимин (Т), гуанин (G) и цитозин (С).

Пуриновый и пиримидиновый нуклеотиды.

Структура дезоксирибонуклеиновой кислоты (ДНК). Первичная структура ДНК - порядок чередования дезоксирибонуклеозидмонофосфатов в полинуклеотидной цепи.

Фрагмент цепи ДНК.

Каждая фосфатная группа в полинукпеотидной цепи, за исключением фосфорного остатка на 5"-конце молекулы, участвует в образовании двух эфирных связей с участием 3"- и 5"-углеродных атомов двух соседних дезоксирибоз, поэтому связь между мономерами обозначают 3", 5"-фосфодиэфирной . Концевые нуклеотиды ДНК различают по структуре: на 5"-конце находится фосфатная группа, а на 3"-конце цепи - свободная ОН-группа. Эти концы называют 5"- и 3"-концами. Линейная последовательность дезоксирибо-нуклеотидов в полимерной цепи ДНК обычно сокращённо записывают с помощью однобуквенного кода, например -A-G-C-T-T-A-C-A- от 5"- к 3"-концу.

Вторичная структура ДНК. В 1953 г. Дж. Уотсоном и Ф. Криком была предложена модель пространственной структуры ДНК. Согласно этой модели, молекула ДНК имеет форму спирали, образованную двумя полинуклеотидными цепями, закрученными относительно друг друга и вокруг общей оси. Двойная спираль правозакрученная, полинуклеотидные цепи в ней антипараллельны , т.е. если одна из них ориентирована в направлении 3"→5", то вторая - в направлении 5"→3". Полинуклеотидные цепи удерживаются относительно друг друга за счёт водородных связей между комплементарными пуриновыми и пиримидиновыми азотистыми основаниями А и Т (две связи) и между G и С (три связи). Последовательность нуклеотидов одной цепи полностью комплементарна последовательности нуклеотидов второй цепи. Поэтому, согласно правилу Чаргаффа (Эрвин Чаргафф в 1951 г. установил закономерности в соотношении пуриновых и пиримидиновых оснований в молекуле ДНК), число пуриновых оснований (А + G) равно числу пиримидиновых оснований (Т + С).

Третичная структура ДНК (суперспирализация ДНК) . Каждая молекула ДНК упакована в отдельную хромосому. В диплоидных клетках человека содержится 46 хромосом. Компактизация и суперспирализация ДНК осуществляются с помощью разнообразных белков, взаимодействующих с определёнными последовательностями в структуре ДНК. Все связывающиеся с ДНК эукариотов белки можно разделить на 2 группы: гистоновые и негистоновые белки. Комплекс белков с ядерной ДНК клеток называют хроматином. Гистоны - белки с молекулярной массой 11-21 кД, содержащие много остатков аргинина и лизина. Благодаря положительному заряду гистоны образуют ионные связи с отрицательно заряженными фосфатными группами.

Структура рибонуклеиновых кислот (РНК). Первичная структура РНК - порядок чередования рибонуклеозидмонофосфатов (НМФ) в полинуклеотидной цепи. Нуклеотиды связаны между собой 3",5"-фосфодиэфирными связями. Концы полинуклеотидных цепей РНК неодинаковы. На одном конце находится фосфорилированная ОН-группа 5"-углеродного атома, на другом конце - ОН-группа 3"-углеродного атома рибозы, поэтому концы называют 5"- и 3"-концами цепи РНК. Вторичная структура РНК. Молекула РНК построена из одной полинуклеотидной цепи. Отдельные участки цепи РНК образуют спирализованные петли - "шпильки", за счёт водородных связей между комплементарными азотистыми основаниями A-U и G-C. Третичная структура РНК . Одноцепочечные РНК характеризуются компактной и упорядоченной третичной структурой, возникающей путём взаимодействия спирализованных элементов вторичной структуры. Так, возможно образование дополнительных водородных связей между нуклеотидными остатками, достаточно удалёнными друг от друга, или связей между ОН-группами остатков рибозы и основаниями. Основные типы РНК . В цитоплазме клеток присутствуют 3 типа РНК - транспортные РНК (тРНК), матричные (информационные) РНК (мРНК, иРНК) и рибосомальные РНК (рРНК).

Транспортные РНК (тРНК.) Пространственную структуру любых тРНК описывают универсальной моделью "клеверного листа". В каждой молекуле тРНК есть участки цепи, не участвующие в образовании водородных связей между нуклеотидными остатками. К ним, в частности, относят участок, ответственный за связывание с аминокислотой на 3"-конце молекулы и антикодон - специфический триплет нуклеотидов, взаимодействующий комплементарно с кодоном мРНК.

Рибосомальные РНК (рРНК). рРНК образуют комплексы с белками, которые называют рибосомами. Каждая рибосома состоит из двух субъединиц - малой (40S) и большой (60S). Субъединицы рибосом различаются не только набором рРНК, но и количеством и структурой белков.

Все типы РНК необходимы для синтеза белка: мРНК – содержит информацию о первичной структуре белка и служит матрицей для его синтеза, тРНК – транспортирует аминокислоты к месту синтеза белка на рибосоме, рРНК – входит в состав рибосом.

2. Синтез ДНК – репликация.

Процесс удвоения ДНК называется репликацией . При репликации каждая цепь родительской двухцепочечной ДНК служит матрицей для синтеза новой комплементарной цепи. Вновь образованная двойная спираль имеет одну исходную (родительскую) и одну вновь синтезированную (дочернюю) цепь. Такой механизм удвоения ДНК получил название "полуконсервативная репликация». Репликацию можно разделить на 4 этапа: образование репликативной вилки (инициация), синтез новых цепей (элонгация), исключение праймеров, завершение синтеза двух дочерних цепей ДНК (терминация). После завершения репликации происходит метилирование нуклеотидных остатков вновь образованных цепей ДНК. Наличие метальных групп в цепях ДНК необходимо для формирования структуры хромосом, а также для регуляции транскрипции генов. Локализация ДНК: 1) ядро клетки; 2) митохондрии. Роль ДНК: 1) хранение генетической информации; 2) передача генетической информации; 3) матрица для синтеза м-РНК и других типов РНК, необходимых для синтеза белка. Механизмы репарации ДНК. Процесс, позволяющий живым организмам восстанавливать повреждения, возникающие в ДНК, называют репарацией. Все репарационные механизмы основаны на том, что ДНК - двухцепочечная молекула, т.е. в клетке есть 2 копии генетической информации. Если нуклеотидная последовательность одной из двух цепей оказывается повреждённой (изменённой), информацию можно восстановить, так как вторая (комплементарная) цепь сохранена. Процесс репарации происходит в несколько этапов. На первом этапе выявляется нарушение комплементарности цепей ДНК. В ходе второго этапа некомплементарный нуклеотид или только основание устраняется, на третьем и четвёртом этапах идёт восстановление целостности цепи по принципу комплементарности.

3.Синтез РНК – транскрипция.

Транскрипция - первая стадия реализации генетической информации в клетке. В ходе процесса образуются молекулы РНК:

Схема реализации генетической информации в фенотипические признаки.

Реализацию потока информации в клетке можно представить схемой ДНК-"РНК-"белок. ДНК-"РНК обозначает биосинтез молекул РНК (транскрипцию); РНК-"белок означает биосинтез полипептидных цепей (трансляцию).

Транскрипция у эукариотов происходит в ядре. В основе механизма транскрипции лежит тот же структурный.принцип комплементарного спаривания оснований в молекуле РНК (G ≡ C, A=U и Т=А). ДНК служит только матрицей и в ходе транскрипции не изменяется. Рибонуклеозидтрифосфаты (ЦТФ, ГТФ, АТФ, УТФ) - субстраты и источники энергии, необходимые для протекания полимеразной реакции, образования 3",5"-фосфодиэфирной связи между рибонуклеозидмонофосфатами.

Синтез молекул РНК начинается в определённых последовательностях (сайтах) ДНК, которые называют промоторы, и завершается в терминирующих участках (сайты терминации) . Участок ДНК, ограниченный промотором и сайтом терминации, представляет собой единицу транскрипции - транскриптон. У эукариотов в состав транскриптона, как правило, входит один ген. В каждом транскриптоне присутствует неинформативная зона; она содержит специфические последовательности нуклеотидов, с которыми взаимодействуют регуляторные транскрипционные факторы.

В каждом транскриптоне транскрибируется только одна из двух цепей ДНК, которая называется матричной , вторая, комплементарная ей цепь, называется кодирующей. Синтез цепи РНК идёт от 5"- к З"-концу, при этом матричная цепь ДНК всегда антипараллельна синтезируемой нуклеиновой кислоте. Транскрипция может ускоряться и замедляться в зависимости от потребности клетки или организма в определённом белке. Биосинтез РНК осуществляется ДНК-зависимыми РНК-полимеразами. В ядрах эукариотов обнаружены 3 специализированные РНК-полимеразы: РНК-полимераза I, синтезирующая пре-рРНК; РНК-полимераза II , ответственная за синтез пре-мРНК; РНК-полимераза III , синтезирующая пре-тРНК. Выделяют три стадии транскрипции:инициация, элонгация и терминация. Созревание (процессинг) мРНК . Модификации пре-мРНК начинаются на стадии элонгации. Когда длина первичного транскрипта достигает примерно 30 нуклеотидных остатков, происходит кэпирование его 5"-конца. Осуществляет кэпирование гуанилилтрансфераза. Фермент гидролизует макроэргическую связь в молекуле ГТФ и присоединяет нуклеотиддифосфатный остаток 5"-фосфатной группой к 5"-концу синтезированного фрагмента РНК с образованием 5", 5"-фосфодиэфирной связи. Последующее метилирование остатка гуанина в составе ГТФ с образованием N 7 -метилгуанозина завершает формирование кэпа. Модифицированный 5"-конец обеспечивает инициацию трансляции, удлиняет время жизни мРНК, защищая её от действия 5"-экзонуклеаз в цитоплазме. Кэпирование необходимо для инициации синтеза белка, так как инициирующие триплеты AUG, GUG распознаются рибосомой только если присутствует кэп. Наличие кэпа также необходимо для работы сложной ферментной системы, обеспечивающей удаление нитронов. Модификация 3"-конца. 3"-Конец большинства транскриптов, синтезированных РНК-полимеразой II, также подвергается модификации, при которой специальным ферментом полиА-полимеразой формируется полиА-последовательность (полиА-"хвост"), состоящая из 100-200 остатков адениловой кислоты. Наличие полиА-последовательности на 3"-конце облегчает выход мРНК из ядра и замедляет её гидролиз в цитоплазме. Сплайсинг первичных транскриптов мРНК . Последовательности нуклеотидов, присутствующие в ДНК, но не входящие в состав зрелой мРНК, были названы некодирующими, или интроны, а последовательности, присутствующие в мРНК, - кодирующими, или экзоны . Таким образом, первичный транскрипт - строго комплементарная матрице нуклеиновая кислота (пре-мРНК), содержащая как экзоны, так и интроны. Длина интронов варьирует от 80 до 1000 нуклеотидов. Последовательности интронов "вырезаются" из первичного транскрипта, концы экзонов соединяются друг с другом. Такую модификацию РНК называют "сплайсинг" (от англ, to splice - сращивать). Сплайсинг происходит в ядре, в цитоплазму поступает уже "зрелая" мРНК. Альтернативный сплайсинг первичных транскриптов мРНК. Для некоторых генов описаны альтернативные пути сплайсинга одного и того же транскрипта. Разные варианты сплайсинга могут приводить к образованию разных изоформ одного и того же белка.

Процессингу подвергаются также первичные транскрипты рРНК и тРНК.

Процессинг пре-тРНК включает сплайсинг, формирование акцепторного участка и антикодона, модификацию азотистых оснований. Процессинг пре-рРНК приводит к формированию молекул рРНК различной массы. В ядре рибосомальные РНК, образованные в ходе посттранскрипционных модификаций, связываются со специфическими белками, и образуются субъединицы рибосом: большая (60S) и малая (40S).рибосома. Субъединицы рибосом выходят из ядра в цитоплазму клетки. Рибосома - органелла клетки, участвующая в биосинтезе белка. Рибосома эукариотов (80S) состоит из двух, большой и малой, субъединиц: 60S и 40S. Белки рибосом выполняют структурную, регуляторную и каталитическую функции.

Биогенные амины. Как уже говорилось, биогенные амины синтезируются из тирозина, причём каждый этап синтеза контролирует специальный фермент

Витамины. В настоящее время большинство витаминов выделено в чистом виде или синтезировано, что позволяет применять их как лекарственные препараты