Отрицательная обратная связь тоже не всегда «хорошая». Так, у здорового человека в головном мозге постоянно вырабатываются эндорфины – вещества, обеспечивающие определенный порог болевой чувствительности. Поэтому мы не чувствуем боли при движении суставов, органов пищеварения при перистальтике. При серьёзных повреждениях организма собственных эндорфинов не хватает и для снятия боли вводят наркотические анальгетики (морфин, омнопон, промедол). Но, они не только снимают боль. По механизму отрицательной обратной связи происходит снижение выработки собственных анальгетиков – эндорфинов. Длительный прием наркотиков делает мозг «ленивым» и он «забывает», как делать эндорфины. Внезапная отмена наркотика, ставит больного в беззащитное состояние - он уже не может терпеть обычные нервные сигналы от рецепторов организма. Простые раздражения вызывают боль – наступает «ломка» - абстинентный синдром. Организм попадает в лекарственную зависимость от наркотика.

Фармакологические принципы регуляции больных организмов основаны на знании кибернетических механизмов их физиологической регуляции. Эти принципы включают применение средств действующих на рецепторы (адреномиметики, холиномиметики, адреноблокаторы, холинолитики), транспорт ионов через мембраны (блокаторы кальциевых каналов), концентрацию гормонов (глюкокортикоиды) и т. п.

Важным примером нарушения гомеостаза является изменение рН - водородного показателя – главного показателя кислотно-щелочного равновесия в клетках организма. Нормальное функционирование клеток и всего организма возможно только при строго определенных значениях рН. Так в клетках границы нормы для водородного показателя укладываются в промежуток от 7,2 до 7,4. Сдвиг рН в кислую сторону (рН<7,2) называют ацидоз, а в щелочную (рН>7,4) называют алкалоз. В обоих случаях происходит изменение концентрации ионов водорода и нарушение работоспособных структур белковых молекул. Органические молекулы перестают выполнять свои функции, что приводит к тяжелым нарушениям здоровья и гибели организмов.

Поддержание гомеостаза рН обеспечивают буферные системы организма (гемоглобиновая, гидрокарбонатная, фосфатная, белково-аминокислотная) и некоторые органы (почки, легкие). Эти системы и органы препятствуют изменению рН, связывая ионы водорода (Н⁺) или гидроксил-ионы (ОН^-). Так, например, при активной физической работе в клетках сердца возникает недостаток кислорода и накапливается молочная кислота. Она диссоциирует с образованием ионов водорода. Возникает угроза ацидоза и инфаркта миокарда. Но молочная кислота действует и на артерии сердца - они расширяются. Это приводит к улучшении доставки кислорода, а в его присутствии молочная кислота окисляется до углекислого газа и воды. Концентрация ионов водорода возвращается к норме. Углекислый газ и вода удаляются легкими и почками. В этом случае гомеостаз не нарушается.

---

Нарушение правильной последовательности отдельных нуклеотидов в молекуле ДНК или РНК называют точковыми мутациями. Они возникают при действии мутагенных факторов: физических (ионизирующая радиация), химических (лекарства), биологических (вирусы).

Возможны 4 типа точковых мутаций.

1. Замещение. Место одного нуклеотида заменяет другой.

…ААА ТТТ ЦАЦ ЦГА ГГГ ... - норма

…ААТ ТТТ ЦАЦ ЦГА ГГГ ... - мутация

Последствия замещения (для собираемой белковой молекулы):

а - возникновение стоп-кодона и прекращение сборки белка

(УГЦ-Цис УГА-стоп)

б - замена одной аминокислоты (ААЦ-Асн ААА-Лиз)

в - сборка нормального белка, если замещение попало на вырожденный код (ААА-Лиз ААГ-Лиз)

2. Инверсия (вращение). Соседние нуклеотиды меняются местами

…ААА ТТТ ЦАЦ ЦГА ГГГ ... - норма

…ААТ АТТ ЦАЦ ЦГА ГГГ ... - мутация

Последствия инверсии (для собираемой белковой молекулы):

а - возникновение стоп-кодона и прекращение сборки белка

(УАЦ ААА-Тир Лиз УАА ЦАА-стоп Глн)

б - замена двух аминокислот (ААА ЦЦЦ-Лиз Про ААЦ АЦЦ-Асн Тре)

в - замена одной аминокислоты, если инверсия между соседними триплетами у одного из них попала на вырожденный код

(ААА ГГГ-Лиз Гли ААГ АГГ-Лиз Арг)

г - сборка нормального белка, если инверсия между соседними триплетами обоих нуклеотидов попала на вырожденный код

(ЦЦЦ АГГ-Про Арг ЦЦА ЦГГ-Про Арг)

3. Вставка. В последовательность нуклеотидов вставляется новый лишний нуклеотид

…ААА ТТТ ЦАЦ ЦГА ГГГ... - норма

…ААА ЦТТ ТЦА ЦЦГ АГГ Г... - мутация

Последствия вставки (для собираемой белковой молекулы):

а - возникновение стоп-кодона и прекращение сборки белка (УАЦ ААА-Тир Лиз УАА ЦАА А стоп-Глн)

б - сдвиг рамки триплетного кода и сборка бессмысленного белка

...ААА УУУ ЦАЦ ЦГА ГГГ...- Лиз Фен Гис Арг Гли…

...ААА ЦУУ УЦА ЦЦГ АГГ Г...- Лиз Лей Сер Про Арг…

4. Выпадение (делеция). Из последовательности нуклеотидов теряется нормальный нуклеотид

...АААТТТЦАЦЦГАГГГА... - норма

...ААТТТЦАЦЦГАГГГА... - мутация

Последствия вставки (для собираемой белковой молекулы):

а - возникновение стоп-кодона и прекращение сборки белка (УАЦ ААА-Тир Лиз УАА АА- стоп-)

---

б - сдвиг рамки триплетного кода и сборка бессмысленного

...ААА УУУ ЦАЦ ЦГА ГГГ...- Лиз Фен Гис Арг Гли…

...ААА УУЦ АЦЦ ГАГ ГГ...- Лиз Фен Тре Глу…

Редким видом последствий (для собираемой белковой молекулы) любого вида точковой мутации может быть исчезновение стоп-кодона.

Для реального организма любая мутация, ведущая к нарушению последовательности нуклеотидов, может иметь 3 физиологических последствия:

1 - смерть;

2 - болезнь, но возможно она проявится через несколько поколений;

3 - нет заметных изменений здоровья, если изменилась часть белка, не имеющая важного функционального значения.

Блок дополнительной информации.

Информация о структуре белков и РНК записана в участках ДНК, называемых генами и цистронами.

Ген - это участок ДНК, кодирующий один белок.

Цистрон же - участок ДНК, кодирующий одну полипептидную цепь.

Таким образом, если белок состоит из нескольких разных полипептидных цепей (субъединиц), то его ген включает несколько цистронов (рис. 1).

Однако такое подразделение относится, в основном, к бактериям, где цистроны одного гена обычно следуют на ДНК друг за другом.

У животных же и человека цистроны нередко располагаются в разных хромосомах и обычно тоже называются генами: например, ген альфа-цепи и ген бета-цепи гемоглобина.

Рис. 1. Ген и цистрон

Кроме генов всех белков организма, в хромосомах имеются также гены РНК. Среди них четыре вида генов для рибосомных РНК и нескольких десятков генов для транспортных РНК.

Общая совокупность генов, определяющих наследственную информацию организма, называется геномом.

Всего в геноме бактерий (конкретно - кишечной палочки) - около 2500 цистронов. В хромосомах человека число генов около 30 000.

Почти все гены эукариот (в отличие от генов прокариот) имеют характерную особенность: содержат не только кодирующие участки - экзоны, но и некодирующие - интроны (рис. 2.). Экзоны и интроны перемежаются друг с другом, что придает гену как бы «разорванную» структуру.

Рис. 2. Экзоны и интроны.

Число интронов в гене варьирует от 2 до нескольких десятков; в гене миозина их около 50. Порой на интроны приходится до 90 % общей длины гена.

---

Между генами также находятся некодирующие последовательности - спейсеры. Несмотря на общее название, функциональная роль их может быть различной.

Многие спейсерные участки, видимо, выполняют структурную роль: - участвуют в правильной укладке нуклеосомной цепи в высшие структуры хроматина, в прикреплении хромосом к аппарату центриолей и т. д. Другие спейсеры являются специфическими местами (локусами) связывания определенных белков функционирующих на ДНК (ДНК-полимеразного комплекса и белков, выполняющих регуляторную функцию).

При этом участки связывания РНК-полимеразы (фермента, синтезирующего РНК на ДНК) называются промоторами. Они либо вплотную примыкают к началу гена (или группы генов), либо отделены от гена какими-либо другими функциональными локусами.

Характерный компонент промоторов у кишечной палочки - т. н. бокс (последовательность) Прибнова:

(5')-ТАТААТ-(3')

(3')-АТАТТА-(5').

Он находится за 15 нуклеотидных пар (н. п.) от стартовой точки транскрипции. Общая же протяженность промотора - несколько десятков н. п.

В случае эукариот промотор - более сложное понятие, поскольку РНК-полимераза связывается с ДНК не непосредственно, а лишь вместе с комплексом других белков - т. н. общих факторов транскрипции.

В промоторе эукариот различают небольшую область инициации, ТАТА-бокс (сходный с боксом Прибнова у бактерий) и ряд других типичных участков.

Что касается участков связывания регуляторных белков, то у бактерий их называют операторами. Они располагаются после промотора (рис. 3). При определенных условиях с оператором связывается специфический белок-репрессор, и это блокирует «прочтение» РНК-полимеразой соответствующей группы генов. Еще одним регулятором работы гена может быть - аттенюатор – это выключатель - участок ДНК между оператором и структурными генами, на котором при определенных условиях прекращается транскрипция.

Рис. 3. Функциональные отделы в ДНК бактерий.

У эукариот (включая человека) регуляцию «прочтения» генов осуществляют не только белки-репрессоры, но и белки-активаторы - транскрипционные факторы (рис. 4).

К последним относятся общие факторы транскрипции, необходимые для связывания РНК-полимеразы с промотором. Эти факторы имеются во всех клетках и необходимы для «прочтения» любого функционирующего гена.

---

Другие транскрипционные факторы повышают активность только определенных генов. Локусы ДНК, связывающие такие факторы, называются энхансерами.

Энхансеры могут располагаться достаточно далеко от регулируемого гена: на расстоянии нескольких тысяч нуклеотидных пар.

Рис. 4. Функциональные отделы в ДНК эукариот.

Как же связывание с ними транскрипционных факторов может стимулировать активность гена?

Видимо, дело в сложной пространственной организации ДНК. Она образует петли, благодаря чему энхансеры сближаются с промоторной зоной и связанные с ними факторы влияют на активность транскрипционного комплекса.

Причем, для некоторых ключевых генов в клетке имеется сразу несколько энхансеров, достаточно удаленных друг от друга. Следовательно, все они в результате изгибов ДНК должны собираться примерно в одном месте пространства.

Эта ситуация напоминает формирование активного центра в молекуле фермента. Там тоже аминокислотные остатки, образующие этот центр, расположены в разных участках полипептидной цепи и собираются вместе лишь при формировании третичной структуры.

Что же касается белков-репрессоров, то они при вхождении в состав транскрипционных комплексов не повышают, а понижают их активность.

Часто используется также термин «супрессоры» - так называются факторы (обычно это белки), которые угнетают тот или иной клеточный процесс. Например, опухолевые супрессоры - регуляторные белки, препятствующие опухолевому росту. Очевидно, по механизму своего действия они могут быть как репрессорами, так и транскрипционными факторами.

Наконец, в цепи ДНК после структурных генов могут содержаться короткие локусы - терминаторы, служащие сигналами об окончании (терминации) транскрипции ДНК.

Дополнительная литература.

1. Грин Н., Стаут У., Тейлор Д. Биология: В 3-х т. Т.3: Пер с англ. / Под ред. Р. Сопера. – М.: Мир, 1993. С.217-221.

2. Мушкамбаров Н.Н., Кузнецов С.Л. Молекулярная биология. М.: 2003 554 с.

---

Смотрите также файлы

• Лекция 4 Репликация ДНК синтез белка.doc

• Лекция 1 Атомный уровень и белки.doc

• Ответы РП-2.doc

• ответы РП-1.doc

• Курсовая работа по аэронавигации Канцеров.docx