Молекулы и болезни

Молекулы и болезни
Лекторы:
• Гусев Николай Борисович , заведующий
кафедры биохимии, член-корр. РАН
• Максимов Георгий Владимирович,
профессор кафедры биофизики
• Лопина Ольга Дмитриевна, профессор
кафедры биохимии
Классификация заболеваний
Болезни, вызванные возбудителями
(бактерии, вирусы, простейшие, грибы,
черви)
Болезни, вызванные дефицитом
незаменимых соединений
(витамины, минералы)
Онкологические заболевания
(мутации + воздействие
окружающей среды)
Болезни, вызванные мутациями
(единичные мутации)
Болезни с нарушением обмена веществ,
вызванные мутациями и воздействием
окружающей среды
(множественные мутации +
факторы окружающей
среды
Алекса́ндр Фле́минг
Александр Флеминг ( Sir Alexander Fleming) –
английский бактериолог, открывший лизоцим
(антибактериальный фермент, вырабатываемый у
человека ) и впервые выделивший антибиотик
пенициллин из плесневых грибов Penicillium notatum .
• В 1928 году он обнаружил, что на агаре в одной из
чашек Петри с бактериями Staphylococcus aureus
выросла колония плесневых грибов. Колонии бактерий
вокруг грибов стали прозрачными, поскольку клетки
бактерий погибали. Флемингу удалось выделить
активное вещество, действующее на бактериальные
клетки, пенициллин.
Нобелевская премия по физиологии и
медицине 1945 года
Работу Флеминга продолжили Говард Флори и Эрнст
Борис Чейн, разработавшие методы очистки
пенициллина. Массовое производство пенициллина
было налажено во время Второй мировой войны.
В 1945 Флеминг, Флори и Чейн были удостоены
Нобелевской премии в области физиологии и
медицины.
В первую очередь благодаря открытию антибиотиков
продолжительность жизни в промышленно развитых
странах увеличилась почти в 2 раза с 40-44 лет (1940
г.) до 70-72 (1975 г.).
Анемия
Анемия (греч. — малокровие) — группа х синдромов, общим
для которых является снижение концентрации гемоглобина в
крови, чаще при одновременном уменьшении числа
эритроцитов (или общего объёма эритроцитов). Без
детализации этот термин не определяет конкретного
заболевания, то есть анемию следует считать одним из
симптомов различных патологических состояний
• Основана на механизмах развития анемий как патологического
процесса
• Железодефицитные анемии — связаны с дефицитом железа
• Дисгемопоэтические анемии — анемии, связанные с
нарушением кровообразования в красном костном мозге
• Постгеморрагические анемии — связанные с кровопотерей
• Гемолитические анемии — связанные с повышенным
разрушением эритроцитов
• В12 — и фолиеводефицитные анемии
•
Молекула гемоглобина (4 α-спирали)
β-глобин
α-глобин
гем
β-глобин
α-глобин
Молекула гема
Протопорфирин
Атомы азота, связанные с
Fe2+ координационными
связями, предотвращают
переход Fe2+ Fe3+
О2 связывается с гемом
обратимо
гистидин глобина
Кривая, описывающая связывание кислорода
в зависимости от его парциального давления
рО2
(ткани)
Норма
миоглобин
рО2
(легкие)
Нормальный
гемоглобин
Гемоглобин со
связанным СО
Анемия
больные анемией
Транспорт железа
Ионы железа вовлечены в разнообразные метаболические
процессы, а именно: связывание и перенос
кислорода, транспорт электронов, окислительновосстановительные реакции, синтез ДНК и др. В свободной
форме ионы железа токсичны, так как способны служить
катализаторами в реакциях, приводящих к образованию
свободных радикалов. Поэтому обмен железа в организме
реализуется при участии специфических белков, связывающих
эти ионы: трансферрин-плазмы крови, осуществляющий
доставку ионов железа клеткам; рецептор трансферрина интегральный мембранный белок, обеспечивающий
поглощение комплекса трансферрин-железо, и ферритин внутриклеточный железодепонирующий белок. Трансферрин –
Структура трансферрина железосвязывающая молекула, переносящая железо в костный
мозг, где синтезируется гемоглобин.
Отсутствие трансферрина (атрансферринемия), связаное с
мутацией его гена, проявляется анемией, скоплением железа в
гепатоцитах и сердечной мышце. При гемохроматозе выявлена
как недостаточность трансферрина и нарушение способности
белка к связыванию ионов железа. Дефектом при этом
наследственном заболевании человека является изменение
структуры гена трансферрина, фенотипически проявляющееся
в изменении структуры белка и нарушении его способности к
связыванию ионов железа
Цитоскелет эритроуита
Анемия Минковского-Шоффара
•
Для нормального функционирования
эритроцита необходимо поддержание его
нормальной формы, иначе эритроцит просто не
пройдёт через просвет сосуда. В поддержании
двояковогнутой формы эритроцита участвует
белок спектрин. При анемии МинковскогоШоффара имеется дефект синтеза данного
белка. К тому же происходит нарушение работы
АТФ-азы, ввиду чего возникает повышенное
поступление натрия и воды в клетку. Это
приводит к тому, что эритроцит приобретает
форму сферы и имеет маленький размер. Из-за
этого резко падает способность эритроцита
восстанавливать свою структуру после
прохождения сосудов, поэтому когда эти клетки
крови проходят межсинусные пространства
селезёнки, те из них, которые имеют
патологическую форму, разрушаются. Из-за
этого вместо 120 дней при наследственном
микросфероцитозе эритроцит живет всего лишь
10 днейю
Cерповидноклеточная анемия
Серповидноклеточная анемия — это наследственное заболевание, связанное с
нарушением строения гемоглобина (гемоглобин S). Эритроциты, несущие гемоглобин S
вместо нормального гемоглобина А, имеют характерную серпообразную форму, за что
эта болезнь получила свое название.
Заболевание связано с мутацией гена HBB, вследствие чего синтезируется аномальный
гемоглобин S, в его молекуле вместо глутаминовой кислоты в b-цепи находится валин.
При гипоксии гемоглобин S полимеризуется и образует длинные тяжи, в результате чего
эритроциты приобретают форму серпа.
Серповидноклеточная анемия наследуется по аутосомно-рецессивному типу (с
неполным доминированием). У носителей, гетерозиготных по гену серповидноклеточной
анемии, в эритроцитах присутствуют примерно в равных количествах гемоглобин S и
гемоглобин А. В нормальных условиях у носителей симптомы практически отсутствуют.
Симптомы у носителей могут появиться при гипоксии (например, при подъёме в горы)
или тяжёлой дегидратации организма. У гомозигот по гену серповидноклеточной анемии
в крови имеются только эритроциты, несущие гемоглобин S, и болезнь протекает тяжело.
Серповидноклеточная анемия распространена в регионах мира, эндемичных по малярии,
причём больные серповидноклеточной анемией обладают повышенной (хотя и не
абсолютной) врождённой устойчивостью к заражению малярийным плазмодием.
Повышенной устойчивостью к малярии обладают и гетерозиготы-носители, которые
анемией не болеют (преимущество гетерозигот), что объясняет высокую частоту этого
вредного аллеля в африканских популяциях
Cерповидноклеточная анемия
Val-6 – точка гидрофобных
контактов
В S-гемоглобине
происходит замена Glu
на Val в 6 позиции двух
β-цепей. После
деоксигенации
молекулы гемоглобина
S взаимодействуют друг
с другом, формируя
фибриллы.
Цианкобаламид (витамин В12)
Цианкобаламид является
коферментом нескольких
ферментов, осуществляющих
перенос алкильных или
замещенных алкильных
группировок
Транспорт витамина В12 и
внутренний фактор Кастла
•
•
•
•
•
Внутренний фактор Кастла — белок, продуцируемый обкладочными клетками главных
(фундальных) желёз слизистой оболочки дна и тела желудка.
Это термолабильный одноцепочечный гликопротеин, состоящий из 340 аминокислотных остатков с
молекулярным весом около 50 000–60 000.
Основное функциональное значение внутреннего фактора Кастла — обеспечение
всасывания витамина В12 (цианокобаламина), поступающего с пищей, которое происходит в
тонкой кишке. Комплекс витамина В12 и внутреннего фактора Кастла связывается со
специфическими рецепторами клеток слизистой оболочки средней и нижней части подвздошной
кишки и далее поступает в кровь. Только 1 % витамина В12 всасывается в желудке без участия
внутреннего фактора Кастла.
Вследствие уменьшения или прекращения синтеза внутреннего фактора Кастла или при
нарушении всасывания комплекса «витамин В12 + внутренний фактор» в организме возникает
недостаток витамина В12 и, по причине этого, развивается анемия Аддисона - Бирмера
(прогрессирующая пернициозная анемия).
Стимуляция секреции внутреннего фактора происходит под влиянием гистамина, гастрина и
аналогов ацетилхолина (холиномиметиков), то есть тех же факторов, которые вызывают активацию
секреции кислого желудочного сока.
Антитела к внутреннему фактору Кастла, также как анититела к париетальным клеткам, являются
маркерами аутоимунной патологии. Известно два типа антител к внутреннему фактору:
антитела типа I (блокирующие антитела) блокируют сайт связывания кобаламина в молекуле
внутреннего фактора Кастла, препятствуя захвату витамина
антитела типа II (связывающие антитела) блокируют другие сайты молекулы внутреннего фактора
Кастла, которые участвуют в прикреплении комплекса к рецепторам клеток подвздошной кишки;
они способны взаимодействовать как со свободным внутренним фактором Кастла, так и с
комплексом «витамин В12 + внутренний фактор»
Тучность (ожирение)
•
•
Увеличение индекса массы тела выше 24,9 диагностируется как ожирение - заболевание,
характеризующееся избыточным развитием жировой ткани. Ожирение чаще возникает
после 40 лет, преимущественно у женщин.
В настоящее время имеется тенденция к увеличению индекса массы тела у детей и
подростков. ВОЗ официально объявила о том, что в мире началась эпидемия ожирения.
По прогнозам специалистов через четыре года в мире будет насчитываться около 2,3
миллиарда человек, страдающих ожирением и сопутствующими заболеваниями.
По сравнению с 80-ми годами прошлого века, количество тучных людей по всему миру
увеличилось вдвое. Сейчас от излишнего веса страдает каждый девятый житель Земли,
или около 12 процентов всего населения планеты
Классификация
• Ожирение следует отличать от избыточной
массы тела. Последняя может увеличиваться
вследствие накопления воды, увеличения
веса костной или мышечной массы
• Выделяют четыре степени ожирения и две
стадии заболевания - прогрессирующую и
стабильную.
• I степень - фактическая масса тела
превышает идеальную не более чем на 29%;
• II - III степень – соответственно на 29-50% и
51-99%,
• IV-фактическая масса тела превосходит
идеальную на 100% и более.
Классификация
•
•
•
•
•
Степень ожирения оценивается по индексу массы тела, вычисляемому по
формуле:
Индекс массы тела = вес(кг) / рост² (м²)
Норма: 20-24,9;
I степень - 25-29,9;
II - 30-40;
III - более 40.
Больные I - II степенью ожирения обычно жалоб не предъявляют.
При более массивном ожирении появляются жалобы на слабость,
сонливость, снижение настроения, иногда нервозность, раздражительность;
тошноту, горечь во рту, одышку, отеки нижних конечностей, боль в суставах,
позвоночнике.
В 2000 году ВОЗ предложила снизить для представителей монголоидной
расы порог избыточного веса с 25 до 23 кг/м², а порог ожирения с 30 до 25
кг/м². Причиной этому были эпидемиологические исследования, показавшие,
что монголоиды начинают страдать от проблем, связанных с полнотой, при
более низком индексе массе тела. Одновременно некоторые исследователи
предлагают для представителей негроидной расы, а также лиц
полинезийского происхождения, повысить порог избыточного веса с 25 до 26,
а порог ожирения — с 30 до 32 кг/м².
Карта средней калорийности пищи
1800 ккал/день и менее
1800-2000 /день и более
1961 год
2400-2600 ккал/день и более
3400 ккал /день и более
2003 год
В процессе эволюции организм человека приспособился накапливать
запас питательных веществ в условиях обилия пищи, чтобы расходовать
этот запас в условиях вынужденного отсутствия или ограничения пищи эволюционное преимущество, позволявшее выжить.
Регуляция массы тела
• Превращение избытка топлива в жиры
и запасание их в жировой ткани
• Сжигание избытка топлива путем
интенсивных физических упражнений
• «Сбрасывание» энергии путем
обеспечения «несопряженного»
состояния митохондрий
Лептин
•
•
Лептин – белок, состоящий из 148 аминокислот (ген лептина
идентифицирован в 1994 году).
Мыши, дефицитные по гену лептина (генотип ob/ob), демонстрируют
поведение, характерное для голодающих животных: у них повышен
уровень кортизола, они неспособны сохранять тепло, они ненормально
растут, не воспроизводятся и обладают неограниченным аппетитом.
Вследствие этого они становятся тучными и весят в 3 раза больше
нормы. Такие мыши характеризуются метаболическими
расстройствами, свойственными диабетическим животным, в
частности, их ткани резистентны к инсулину. Таким образом, лептин
влияет на аппетит и расход энергии.
Структура лептина
(семейство цитокинов)
Введение лептина мышам ob/ob приводит
к снижению их веса, увеличению
локомоторной активности и термогенеза
Лептин и ожирение
• У значительной части толстых людей
уровень лептина в крови повышен (норма:
3,5-4 нг/мл у мужчин и 15-16 нг\мл у женщин,
ожирение 35-200 нг\мл). На уровень лептина
влияет количество жировой ткани и
голодание: 10% увеличение жировой ткани
приводит к 3-кратному повышению уровня
лептина в крови, а один день переедания
повышает уровень лептина на 40%.
• Однако у некоторых людей, страдающих
ожирением, уровень лептина ниже нормы.
Рецептор лептина
• Сравнение структуры гена ob у тощих и толстых людей
не выявило различий. Кроме того, у толстых субъектов
был обнаружен высокий уровень иРНК для лептина. Это
позволило предположить, что природа ожирения у
людей связана с нечувствительностью тканей к лептину.
• Белок мышей, названный первоначально DB
(диабетический), также играет важную роль в регуляции
аппетита. Мыши с двумя мутантными копиями гена
(db/db) являются тучными и диабетическими. Ген db
кодирует рецептор лептина; когда рецептор
отсутствует, то теряется и сигнальная функция лептина.
Поэтому введение лептина таким мышам не снижает
массу их жировой ткани.
• Рецептор лептина экспрессируется в областях мозга,
которые регулируют пищевое поведение: нейронах
дуговидных ядер гипоталамуса.
Рецептор лептина
•
•
•
Рецептор лептина представлен пятью различными формами, возникающими
вследствие альтернативного сплайсинга. Только одна из этих форм (Ob-R-b) имеет
длинный цитоплазматический домен и именно мутации этой изоформы вызывают
ожирение. Функции остальных изоформ неизвестны. Возможно, короткие формы
рецептора обеспечивают его транспорт через гематоэнцефалический барьер.
Первая мутация в гене рецептора лептина человека, вызывающая резистентность к
действию гормона, аналогичную резистентности мышей db/db , была описана
Клементом и соавт. [ Clement, et al 1998 ]. Авторы исследовали трех сестер,
страдающих тяжелым ожирением, в семье с близкородственными связями
кабильского происхождения ( кабилы - жители Алжира ) и обнаружили, что маркеры,
расположенные вблизи определенного локуса гена рецептора, в их семье
наследовались совместно с фенотипом ожирения. Была обнаружена замену
нуклеотидов G - А в донорном сайте сплайсинга экзона 16, кодирующем
трансмембранный домен рецептора. Такая мутация не была выявлена ни у одного
из 402 обследованных французов европейского происхождения с нормальным
весом тела, что указывало на связь выявленной мутации с ожирением.
Специальные исследования показали, что как у гомозиготных, так и гетерозиготных
пациентов аномальные гены (аллели) экспрессировались и обеспечивали биосинтез
внеклеточного домена рецептора в виде белка, который секретировался клетками,
но не способен был закрепляться на мембране. Он циркулировал в крови и активно
связывал лептин.
Система, обеспечивающая
поддержание постоянной массы тела
Пища
Жировая ткань
лептин
Бета-окисление
жирных кислот
Энергия, тепло
У значительной части
толстых людей уровень
лептина в крови повышен.
Однако у некоторых из них
уровень лептина ниже нормы
Действие лептина
• Когда лептин сообщает, что жировых резервов
достаточно, это приводит к снижению потребления
пищи и к увеличению энергетических затрат.
Взаимодействие лептина с рецептором в
гипоталамусе изменяет действие нейрональных
сигналов в областях мозга, которые контролируют
аппетит.
• Лептин также стимулирует симпатическую нервную
систему, повышая давление, сердечный ритм и
термогенез, вызывая переход митохондрий
адипоцитов в несопряженное состояние, активируя
выработку термогенина – белка разобщителя, что
увеличивает вход протонов в митохондрии, минуя
канал АТФ-синтазы.
Действие лептина
Центр насыщения
Лептин (1) достигает дуговидных ядер
гипоталамуса (2) , взаимодействует с
рецептором лептина в центрах голода и
насыщения и снижает аппетит
• Связывание лептина активирует
симпатическую нервную систему (3),
выброшенный адреналин через β-3
адренергические рецепторы увеличивает
уровень цАМФ и активность
протеинкиназы А, что за счет
фосфорилирования белков-регуляторов в
ядре, активирует синтез термогенина,
который переводит митохондрии
адипоцитов в несопряженное состояние,.
• По своей структуре разобщающий белок
близок к АТФ / АДФ-антипортеру,
отличаясь от него тем, что он неспособен
к транспорту нуклеотидов, но сохранил
способность переносить анионы жирных
кислот
•
Центр голода
2
1.
3
4
Регуляция аппетита в ядрах
гипоталамуса
•
В дуговидных ядрах гипоталамуса
потребление топлива контролируют два
типа нейронов: орексиногенные
стимулируют аппетит путем
производства и освобождения
нейропептида Y (NPY), который
действует на следующий нейрон,
посылающий мозгу сигнал «Есть!».
Концентрация NPY в крови повышается
во время голодания, а также у мышей
od/od и db/db. По-видимому, именно
высокий уровень пептида NPY вызывает
у этих мышей тучность, поскольку он
стимулирует ненормальный аппетит.
Структура нейропептида Y
Регуляция аппетита в ядрах
гипоталамуса
•
В дуговидных ядрах гипоталамуса
потребление топлива контролируют два
типа нейронов: орексиногенные
стимулируют аппетит путем
производства и освобождения
нейропептида Y (NPY), который
действует на следующий нейрон,
посылающий мозгу сигнал «Есть!».
Концентрация NPY в крови повышается
во время голодания, а также у мышей
od/od и db/db. По-видимому, именно
высокий уровень пептида NPY вызывает
у этих мышей тучность, поскольку он
стимулирует ненормальный аппетит.
Структура нейропептида Y
Регуляция аппетита в ядрах
гипоталамуса
• Анорексиногенные (подавляющие аппетит)
нейроны дуговидных ядер гипоталамуса
производят α-меланоцитстимулирующий
гормон (α-МСГ), который получается при
процессинге предшественника: αопиомеланокортина (ОМК). Освобождение
МСГ приводит к тому, что следующий
нейрон посылает в мозг сигнал: «Прекратить
есть!»
Потеря веса и его последствия
• Количество лептина, производимого
жировой тканью, зависит от количества
и размеров адипоцитов. Когда
происходит снижение веса, то
уменьшается количество жировой
ткани, снижается уровень лептина в
крови, и процессы , которые приводили
к увеличению синтеза жиров,
сменяются на процессы, приводящие к
расходу жиров.
Лептин стимулирует синтез
термогенина
• Митохондрии бурого жира имеют во
внутренней мембране уникальный белок
термогенин, или белок, обеспечивающий
состояние несопряжения (UCP).
• Лептин стимулирует синтез термогенина,
изменяя передачу сигнала от нейронов
дуговидный ядер гипоталамуса к жировой
ткани. В этой ткани лептин вызывает выброс
адреналина, который через бета-3
адренергические рецепторы стимулирует
синтез UCP.
Кратковременное пищевое поведение
регулируется грелином и PYY3-36
• Грелин – пептидный гормон, состоящий из 28 аминокислот,
производимый клетками слизистой желудка. Он
стимулирует освобождение гормона роста.
• Грелин является кратковременным активатором аппетита
(между приемами пищи)
• Рецепторы грелина находятся на железах слизистой
желудка и на нейронах гипоталамуса (влияющих на
аппетит)
• Концентрация грелина в крови увеличивается перед
приемом пищи и падает сразу после ее приема. Инъекция
грелина обеспечивает чувство сильного голода
• PYY3-36 – пептидный гормон (34 аминокислоты),
секретируемый слизистой тонкого кишечника в ответ на
поступление пищи из желудка. Уровень PYY3-36
повышается после приема пищи. С кровью он доставляется
к гипоталамусу, где ингибирует секрецию NPY и снижает
чувство голода.
Гормональный контроль пищевого
поведения