🗊Презентация Генотипическая гетерогенность. Полиморфизм белков. (Лекция 1.2)

Генотипическая гетерогенность полиморфизм белков

Каждый человек генетически индивидуален. Генотипическая гетерогенность в популяции человека связана с генетически обусловленной гетерогенностью всех структурных и функциональных белков организма, т.е. вызвана полиморфизмом белков. Появление разных форм белка (изобелков), выполняющих одинаковые или очень сходные функции является следствием появления в популяции двух или большего числа аллелей одного и того же гена. Это происходит в ходе многократных клеточных делений сопровождающихся постоянным удвоением генов и образованием новых генных локусов. Сначала это копии исходного гена, но последующие независимые и неодинаковые мутации копий генов приводят к появлению в организме новых модифицированных генных локусов. Продуктами транскрипции разных генных локусов являются модифицированные полипептидные цепи протомеров из которых возможна сборка различных изоформ одного и того же белка. В результате в организме появляются полиморфные по суъединичному составу изоформы одного и того же белка. Полиморфными белками являются гемоглобин, гаптоглобин, некоторые ферменты и их изоформы (изоферменты), группоспецифичекие белки крови и др.

Гемоглобин Молекула гемоглобина состоит из 4 субъединиц. Гемоглобин взрослого человека (НbА) состоит из 2 альфа и 2 бета субъединиц, Гемоглобин плода (НbF) - 2 альфа и 2 гамма, Гемоглобин А2 - 2 альфа и 2 эпсилон субъединиц. Гены этих белков не аллельны, они занимают разные локусы. Синтез субъединиц этих вариантов гемоглобина транскрибируется разными генами возникших в ходе эволюции в результате дупликации гена предшественника и мутации копий. Эти варианты гемоглобина содержатся в эритроцитах почти всех людей в большей или меньше степени. Кроме этого обнаружено, что аллельным вариантом НbА является НbS (в бета-цепи глутаминовая кислота заменена на валин).

По аллельным типам (НbА и НbS) все люди делятся на три группы с генотипами АА,AS,SS. По аллельным типам (НbА и НbS) все люди делятся на три группы с генотипами АА,AS,SS. Первая группа людей содержит НbА, вторая - НbА и НbS, третья - НbS. Аллельным вариантом НbА является НbС (вместо глутаминовой кислоты на 6 месте в бета-цепи стоит лизин ). По этой паре аллелей существуют варианты АА, АС, СС. В итоге, только по аллельным парам S и С у гемоглобина А существует пять генотипически и фенотипических разных групп: АА, АS, AC, SS,CC. Вместе с тем, установлены 300 аллельных вариантов HbA, а их генотипических групп около 600.

Гаптоглобин (Нр) Гаптоглобин (Нр)- представляет собой гликопротеид относящийся к фракции альфа2-глобулинов плазмы крови. Гаптоглобин образует комплексы с гемоглобином, повышает пероксидазную его активность и обеспечивает доставку Нb в клетки ретикулоэндотеальной системы. Имеется два генотипических варианта гаптоглобина (Нр1 и Нр2) из которых формируются три фенотипа: Нр1-1, Нр1-2, Нр2-2. Каждая молекула гаптоглобина состоит из двух субъединиц типа альфа-1 и альфа-2 и одной бета-цепи. Причем бета-субъединица во всех фенотипах одинакова. Среди альфа-1 цепей различают два аллельных варианта: альфа -1f альфа- 1s.

Соответственно возможны три аллельных фенотипа гаптоглобина Нр1-1: Соответственно возможны три аллельных фенотипа гаптоглобина Нр1-1: Нр( 1f-1f), Нр (1f-1s), Hp (1s-1s) Два аллелльных типа гаптоглобина Нр1-2 : Нр (альфа2-1f), Нр (альфа2 -1s) И один тип Нр2-2 (альфа2-альфа2). Таким образом, гаптоглобин является полиморфным белком имеющим шесть фенотипических варианта.

Группоспецифические белки крови У человека по аллельным вариантам системы АВО и других белков различают свыше 30 групп крови. В клинической медицине наиболее известна система АВО, согласно которой различают четыре группы. Система АВО связана с наличием фермента гликозил-трансферазы в созревающих эритроцитах. Этот фермент катализирует перенос галактозильного или N-ацетилгалакозилного радикала на фукоз-галактоз-N-ацетилглюкозаминный радикал наружной плазматической мембраны созревающих эритроцитов.

В популяциях человека встречаются три аллельных варианта этого фермента: В популяциях человека встречаются три аллельных варианта этого фермента: гликозилтрансфераза А, гликозилтрансфераза В гликозилтрансфереза О. Гликозилтрансфераза А обеспечивает транспорт N-ацетилгалактозы, Гликозилтрансфераза В - перенос галактозы. Гликозилтрансфераза О не имеет ферментативной активности.

В результате на наружной мембране эритроцитов могут сформироваться разные по структуре олигосахаридные антигенные детерминанты: В результате на наружной мембране эритроцитов могут сформироваться разные по структуре олигосахаридные антигенные детерминанты: олигосахарид - А, олигосахарид - В и недостроенный олигосахарид - О. По трем аллелям гликозилтрансферазы -А, -В и -О возможны шесть диплоидных генотипов: ОО, АА, ВВ, АО, ВО, АВ, т.е. шесть групп крови. По наличию того или иного антигена на мембране эритроцита (антигенной детерминанты) различают четыре группы крови: 1 ( О ) группа - нет антигена 2 ( А ) группа - есть антиген А 3 ( В ) группа - есть антиген В 4 ( АВ ) группа - есть антигены А и В.

Система иммунного контроля Существует два основных типа иммунного контроля: гуморальный и клеточный Гуморальный ответ состоит в выработке антител, которые циркулируют в крови в составе гамма – фракции глобулинов (иммуноглобулины) Связывание иммуноглобулинов с антигеном облегчает поглощение антигена с фагоцитами и активирует особую систему белков крови, называемую комплемент, которая способствует разрушению антигена. Иммунный ответ клеточного типа включает образование специализированных клеток, реагирующих с чужеродным антигеном главным образом на поверхности собственных клеток организма. При этом эти клетки либо уничтожаются либо происходит разрушение антигена с помощью других клеток, таких как макрофаги. Таким образом, иммунитет это биологическое явление, сущность которого состоит в постоянном регулировании взаимоотношений организма со "своими" и "чужими" макромолекулами, или антигенами.

Т-лимфоциты и В-лимфоциты. Клеточный и гуморальный иммунитет опосредуется двумя различными классами лимфоцитов. За клеточный иммунитет ответственны Т-лимфоциты, За гуморальный - В-лимфоциты. Т-лимфоциты развиваются в тимусе. Среди Т-лимфоцитов различают следующие клоны: Т-киллеры, Т-эффекторы, Т-амплифайер (Т-Т-хелперы), Т-хелперы, Т-супрессоры, Т-лимфоциты памяти, Т-инициаторы, Т-регуляторы, Т-антисупрессоры.

В-лимфоциты ответственны за гуморальный иммунитет и их единственная функция - выработка антител (иммуноглобулинов). В-лимфоциты ответственны за гуморальный иммунитет и их единственная функция - выработка антител (иммуноглобулинов). "Обучение" В-лифоцитов у человека происходит в сгруппированных лимфатических узлах кишечника, в костном мозге, миндалинах и даже в коже. Популяция В-клеток не менее сложна, чем Т-лимфоцитов: В-киллеры, В-супрессоры, В-лимфоциты иммунологической памяти, АТОК - антителобразующие клетки В-лимфоцитов (IgG IgM IgA IgE IgD)

Иммунноглобулины Антитела, продуцируемые антителобразующими В-лифоцитами, объединяются в 5 классов: IgG IgA IgM IgD IgE . На примере IgG показано, что возможно расщепление папаином Ig на три фрагмента: два Fab фрагмента (связывающие антиген) и один Fc-фрагмент (обеспечивающий реакцию антител с комплементом, взаимодействие с макрофагами и способствующим транспорту Ig через мембрану). Согласно данным R.R. Porter ( 1962) каждая молекула иммуноглобулина состоит из двух идентичных L ( легких) цепей и двух идентичных Н (тяжелых) цепей, т.е. состоит из 4 полипептидных цепей, связанных между собой дисульфидными мостиками.

Тяжелые Н-цепи имеют 5 типов: Тяжелые Н-цепи имеют 5 типов: мю()-, сигма()-, гамма()-, альфа()-, эпсилон () типы - характерные для каждого класса иммуноглобулинов (Ig) особенности. Каждая легкая L-цепь имеет два типа: каппа ()- и лямда()- типы. И состоит из 2-х областей: С-концевая часть постоянная, у одного и того же биологического вида, N-концевая - вариабельная часть легких цепей сильно варьирует (формирует гипервариабельный участок легкой цепи). Молекула иммуноглобулина может иметь в легкой L-цепи либо каппа, либо лямда тип субъединицы, но не ту и другую одновременно.

Строение иммуноглобулина

Иммуноглобулины М Молекула IgM состоит из 10 легких и 10 тяжелых цепей и одной J-цепи, представляя собой пентамер имеющий звездобразную форму. J-цепь синтезируется IgМ-секретирующими клетками, ковалентно встраивается между смежными Fc областями и инициирует процесс олигомеризации - образование пентамера. Иммуноглобулины класса М (IgM) поступают в кровь на ранних стадиях первичного иммунного ответа. IgM не проникают через плаценту, расщепляются протеазами на фрагменты, активируют систему комплимента.

IgM принимают участие в нейтрализации токсинов, агглютинации, опсонизации, бактериолизе, агглютинации гетерогенных эритроцитов. IgM принимают участие в нейтрализации токсинов, агглютинации, опсонизации, бактериолизе, агглютинации гетерогенных эритроцитов. В норме в сыворотке крови IgM содержится от 50 мг/л до 1,9 г/л. Уровень их повышается при перинатальных инфекциях, инфекционных заболеваниях у взрослых и детей, при острых гепатитах и первичном билиарном циррозе, при макроглобулинемии Вальденштрема

Иммуноглобулины класса G Иммуноглобулины класса G (IgG) - производятся в больших количествах при вторичном иммунном ответе. IgG - на их долю у человека приходится 70-75% от общей концентрации иммуноглобулинов. Они обеспечивают противоинфекционную защиту. К IgG относятся антитоксины, агглютинины и опсонины. Выработка их характерна главным образом для вторичного иммунного ответа. В сыворотке крови IgG обнаруживаются во многих фракциях белков от гамма-глобулинов до альфа 2-глобулинов.

Различают 4 подкласса IgG Различают 4 подкласса IgG (IgG1 IgG2 IgG3 IgG4), отличающиеся молекулярной массой, электрофоретической подвижностью. У человека преобладают 1 и 2 подклассы IgG. IgG хорошо проникают через плаценту и обеспечивают пассивный иммунитет у плода, они же способны вызвать эффекты усиления при злокачественном росте. В норме содержание IgG в сыворотке крови человека 8-16г/л. Уровень IgG в крови увеличивается при заболеваниях печени, хронических инфекциях, миеломах. Уменьшается при синдроме недостаточности антител

Иммуноглобулины класса Е Иммуноглобулины класса Е (IgE) построены, как и другие из двух легких и двух тяжелых цепей, термолабильны, расщепляются папаином на фрагменты. Фиксируются IgE на тучных клетках (тканевых базофилах) и базофилах, через плаценту не проникают, но способны входить в состав секрета. Человеческий плод синтезирует IgE со 2-й недели внутриутробного развития, максимальный уровень определяется в 30-40-летнем возрасте. Синтезирующие IgE клетки локализуются в слизистых оболочках дыхательного аппарата и желудочно-кишечного тракта. По-видимому, IgЕ являются одним из факторов антиканцерогенеза. Fc-область молекулы IgE связывается со специфическими рецепторами белков на поверхности тучных клеток и базофильных лейкоцитов.

Связанные молекулы IgE служат рецепторами для антигена: присоединение к ним антигена приводит к секреции биологически активных аминов (гистамина или серотонина). Связанные молекулы IgE служат рецепторами для антигена: присоединение к ним антигена приводит к секреции биологически активных аминов (гистамина или серотонина). Эти амины вызывают расширение кровеносных сосудов и увеличение проницаемости их стенок. С этими аминами связаны клинические проявления таких аллергических реакций, как сенная лихорадка, астма и крапивница. Через этот механизм IgE делают область воспаления более доступной для лейкоцитов, антител и компонентов комплемента. Концентрация их резко повышается при аллергии немедленного типа: бронхиальной астме, гельминтозах, аллергических дерматозах. В норме в крови содержание IgE невелико и в среднем составляет 0,1-2 мг/л. Сильное увеличение их уровня наблюдается при аллергиях и миеломе.

Иммуноглобулины класса А Иммуноглобулины класса А (IgA) существуют в виде мономера или димера. Через плаценту не проникают. плохо расщепляются протеолитическими ферментами, относительно термоустойчивы, принимают участие в реакции нейтрализации токсинов и агглютинации. IgA делятся на две разновидности: сывороточную и секреторную и различают два подкласса: IgA1 и IgA2. Сывороточная разновидность IgA находится в сыворотке крови и в других внутренних средах: синовиальная, плевральная, спинномозговая, амниотическая и др. жидкость. IgA1 принимают участие в явлениях общего иммунитета. На их долю приходится 15-20 % от общего содержания иммуноглобулинов. 90% сывороточного IgA относится к классу IgA1.

Секреторная разновидность IgA встречается в секрете экзокринных желез: слюне, слизи трахеобронхиального дерева, мочеполовых путей и кишечника, в молоке, слезах молозиве и др. и обеспечивает местный иммунитет, является синергистом интерферона и лизоцима. Секреторная разновидность IgA встречается в секрете экзокринных желез: слюне, слизи трахеобронхиального дерева, мочеполовых путей и кишечника, в молоке, слезах молозиве и др. и обеспечивает местный иммунитет, является синергистом интерферона и лизоцима. Молекула секреторной разновидности IgA в составе мономерных субъединиц содержит крепежные цепи (J-цепи) и секреторные цепи. Они образуются в эпителиальных клетках и присоединяются к синтезируемому в плазматических клетках IgA в комплексе Гольджи и которые способствуют прохождению IgA через слизистые барьеры. В сыворотке крови IgA содержатся в количестве от 1,4 до 4,2 г/л. Уровень IgА увеличивается при циррозе печени, хронических инфекциях, миеломе.

Иммуноглобулины класса D Иммуноглобулины класса D (IgD) чрезвычайно чувствительны к протеазам, относительно термостабильны, через плаценту не проникают, комплемент не фиксируют, участвуют в реакции преципитации. Открытым остается вопрос о их цитофильности, способности к секреции и категории антител. В сыворотке крови человека уровень IgD очень низок 30-400 мг/л. Уровень их увеличивается при миеломе.

Система комплемента Система комплемента - главное орудие, с помощью которого антитела защищают организм человека от большинства бактериальных инфекций путем лизиса бактериальных клеток и привлечения фагоцитов к месту инфекции и повышения их способности поглощать и разрушать микроорганизмы. Индивидумы с недостаточностью одного из центральных компонентов комплемента (С3) подвержены частым инфекционным заболеваниями. При аутоиммунных заболеваниях, при циррозе печени и других заболеваниях уровень их в крови уменьшается.

Комплемент - это не один белок, а сложная система белков, включающая около 20 взаимодействующих компонентов: С1 (комплекс из трех белков: C1q,C1r,C1s), С2,С3,С4,С5,С6,С7,С8,С9, фактор В, фактор D, С3-конвертаза, С5-конвертаза и др. Комплемент - это не один белок, а сложная система белков, включающая около 20 взаимодействующих компонентов: С1 (комплекс из трех белков: C1q,C1r,C1s), С2,С3,С4,С5,С6,С7,С8,С9, фактор В, фактор D, С3-конвертаза, С5-конвертаза и др. Все эти белки циркулируют в крови и тканевой жидкости и относятся к фракции бета-глобулинов, кроме С1q, который относится как и Ig к гамма-глобулинами. Большинство белков комплемента неактивно до тех пор, пока не будет приведено в действие или иммунным ответом, или непосредственно внедрившимся микроорганизмом.

Механизм действия комплимента Компоненты С1,С2,С4, факторы В и D - проферменты, последовательно активируют один другого путем протеолиза. Центральный компонент этого протеолитического каскада -С3 может быть активирован двумя разными путями, классическим и альтернативным. Классический путь запускается комплексом антиген-антитело (IgG или IgM), приводяций к образованию активного С1-компонента, который приводит к образованию комплекса С2+С4, который представляет собой фермент С3-конвертазу. Альтернативный путь может прямо активироваться микроорганизмами и приводит к связыванию фактора В с фрагментом С3b. При этом фактор D расщепляет фактор В с образованием фрагмента Вb, который соединяется с С3b и образуется комплекс С3bBb, т.е. альтернативная С3-конвертаза.

Далее пути идут одинаково: фермент С3-конвертаза расщепляет С3 на два фрагмента: С3a и C3b. Далее пути идут одинаково: фермент С3-конвертаза расщепляет С3 на два фрагмента: С3a и C3b. Больший из них С3b соединяется с С3 - конвертазой и образуется ферментный комплекс еще больших размеров с измененной специфичностью - С5-конвертаза. Затем С5-конвертаза инициирует спонтанную сборку литического комплекса из поздних компонентов системы комплемента - С5+С6+С7 +С8+ С9, вызывающий лизис клеток. Литический комплекс системы комплемента дестабилизирует липидный бислой мембран клеток и образует сквозные водные каналы. В результате этого внутрь бактериальной клетки осмотически накачивается вода, она набухает и лопается. При активации комплемента освобождается также ряд небольших пептидных фрагментов, привлекающих полиморфноядерные лейкоциты и стимулирующих секрецию гистамина тучными клетками. Это приводит к воспалительной реакции в местах активации комплемента. Таким образом, протеолитический каскад комплемента обеспечивает локальную атаку на мембраны клеток-мишеней

Биохимические механизмы патогенеза наследственных заболеваний. По механизму развития патологического процесса наследственные заболевания, обусловленные генным дефектом, могут сопровождать следующими вариантами нарушений метаболизма: ( 3 ) ( 2 ) ( 1 ) А---------->B-------->S----------> M  Е ( 4 ) Р 1 вариант - в цепи метаболических превращений, в связи с отсутствием энзима (Е), из соответствующего субстрата (S) не образуется биологически важный метаболит (М). Например, при гипотиреозе из моно- и дииодтирозина не синтезируется тироксин. 2 вариант - в цепи метаболических превращений из-за отсутствия или низкой активности фермента (Е) идет накопление субстрата (S), который, накапливаясь, изменяет структуру и функцию клетки и ткани. Например, при алкаптанурии из-за отсутствия оксигеназы идет накопление гомогентезиновой кислоты.

3 вариант - в цепи метаболических превращений из-за отсутствия фермента (Е) происходит накопление предшественников (А, В) субстрата (S), оказывающих в больших количествах токсическое действие на функции клеток. Например, гипераммонийемия, вызванная наличием дефектного фермента, необходимого для превращения орнитина и карбомоилфосфата в цитруллин. 3 вариант - в цепи метаболических превращений из-за отсутствия фермента (Е) происходит накопление предшественников (А, В) субстрата (S), оказывающих в больших количествах токсическое действие на функции клеток. Например, гипераммонийемия, вызванная наличием дефектного фермента, необходимого для превращения орнитина и карбомоилфосфата в цитруллин. 4 вариант - в цепи метаболических превращений из-за отсутствия фермента (Е) из одного из предшественников субстрата усиленно образуется токсичный продукт (Р). Например, при фенилкетонурии из-за отсутствия гидроксилазы фенилаланина, включается альтернативный путь, приводящий к образованию фенилпирувата. Исходя из этих вариантов развития патологического процесса, строится система клинико-биохимической диагностики наследственных заболеваний.