Последствия мутаций для клетки и организма

Молекулярные механизмы генетической изменчивости: типы молекулярных мутаций, биологические последствия. Примеры наследственных болезней как результата мутаций. Рекомбинация как источник генетической изменчивости.

Точная работа всех матричных биосинтезов - репликации, транскрипции и трансляции - обеспечивает копирование генома и воспроизведение фенотипических характеристик организма в поколениях, т.е. наследственности. Однако биологическая эволюция и естественный отбор возможны только при наличии генетической изменчивости. Установлено, что геном постоянно претерпевает разнообразные изменения. Несмотря на эффективность механизмов коррекции и репарации ДНК, часть повреждений или ошибок в ДНК остаётся. Изменения в последовательности пуриновых или пиримидиновых оснований в гене, не исправленные ферментами репарации, получили название "мутации". Одни из них остаются в соматических клетках, в которых они возникли, а другие обнаруживаются в половых клетках, передаются по наследству и могут проявляться в фенотипе потомства как наследственная болезнь.

Существенный вклад в генетическую изменчивость вносят перестройки хромосом в процессе мейоза. Как уже указывалось ранее, слияние яйцеклетки со сперматозоидом у эукариотов сопровождается генетическими рекомбинациями, в ходе которых происходит обмен участками ДНК между гомологичными хромосомами. Это приводит к появлению потомства с новой комбинацией генов.

Ген или части генов могут перемещаться из одного места хромосомы в другие. Эти подвижные элементы или фрагменты ДНК получили название транспозонов и ретротранспозонов.

Транспозоны - участки ДНК, удаляемые из одного локуса хромосомы и встраиваемые в другой.локус той же или другой хромосомы. Ретротранспозоны не покидают исходного положения в молекуле ДНК, но могут копироваться, и копии встраиваются, подобно транспозо-нам, в новый участок. Включаясь в гены или участки около генов, они могут вызывать мутации и изменять их экспрессию.

Мутагенез

Изменения в геноме могут быть разнообразны и затрагивать различные по протяжённости участки ДНК от хромосом и генов до отдельных нуклеотидов (табл. 4-7).

Наиболее драматичны геномные и хромосомные мутации, часто наблюдаемые на уровне соматических клеток. Если они имеют место в половых клетках, то для организма это имеет чаще всего летальные последствия. Частота мутаций в половых клетках высока. Существуют данные, указывающие на то, что в 20% случаев при беременности у эмбрионов наблюдают нарушения структуры хромосом. В 90% случаев это приводит к ненормальному развитию плода и элиминированию зародышей в результате спонтанных абортов. Выкидыши, происходящие в течение первых нескольких недель беременности, связаны с серьёзными нарушениями хромосом. В 50% случаев отмечается трисомия по аутосомам, т.е. вместо

Таблица 4-7. Классификация мутаций

Тип мутаций	Характер мутационных изменений	Примеры последствий
Геномный	Изменение числа хромосом	Болезнь Дауна (появление дополнительной хромосомы 21)
Хромосомные	Общее число хромосом не меняется. Наблюдают перестройки хромосом, обычно видимые при микроскопическом исследовании.	Мышечная дистрофия Дюшенна (делеции Х-хромосомы)
Генные	Изменения затрагивают один кодон или небольшой отрезок гена и не обнаруживаются цитогенетически	Серповидно-клеточная анемия, вызванная заменой одного нуклеотида в гене β-цепи глобина

пары хромосом наблюдаются три. Пример такой патологии - болезнь Дауна, при которой хромосома 21 присутствует в 3 экземплярах.

Некоторые генные мутации закрепляются в популяции, становятся наследственными и определяют эволюционные процессы. С мутациями такого типа связано появление различных наследственных патологий, сопровождающихся прекращением синтеза белка, кодируемого повреждённым геном, либо синтезом изменённого белка.

Генные, или точечные, мутации бывают в основном 3 видов:

· замены, при которых одно азотистое основание в ДНК замещается на другое;

· вставки, обеспечивающие внедрение в молекулу ДНК одного или нескольких дополнительных нуклеотидов;

· делеции (или выпадения) одного или нескольких нуклеотидов, при которых происходит укорочение молекулы ДНК.

1. Мутации по типу замены возникают в результате замены одного азотистого основания на другое, что вызывает изменение в одном из кодонов мутантного гена. Если кодирующий триплет, в котором находится изменённый нук-леотид, из-за вырожденности кода вызывает включение в белок той же аминокислоты, что исходный кодон (или кодон "дикого" типа), то такую мутацию называют "молчащей", и белковый продукт остаётся тем же.

	Триплет "дикого" типа	Изменённый триплет
Матрица ДНК	3'-GGT-5' З'-	3'-GGA-5'
Кодон мРНК	ССА-З' -Про-	5'-CCU-3'
Аминокислота		-Про-

Когда замена одного основания приводит к замене аминокислоты в мутантом белке, то такую мутацию называют "миссенс-мутация". В ряде случаев, несмотря на произошедшую замену, белок сохраняет биологическую активность. Это, как правило, связано с тем, что изменённая аминокислота находится в участке белка, не имеющем функционального значения, и к тому же она по структуре и свойствам напоминает исходную аминокислоту. Такая мутация тоже будет "молчащей", а замена - эквивалентной.

	Триплет "дикого" типа	Изменённый триплет
Матрица ДНК	3'-ТАА-5'	3`'-GAA-5'
Кодон мРНК	5'-AUU-3'	5'-CUUU-3'
Аминокислота	-Иле-	-Лей-

Иногда аминокислота, оказавшаяся заменённой, располагается в области, важной для проявления функциональной активности белка, и её замещение приводит к образованию функционально неактивного продукта. Так, точечная мутация в кодоне серина (Сер - важнейший структурный компонент активного центра сериновых протеаз: трипсина, химотрипсина и некоторых других ферментов) приводит к полной потере активности. Если подобный фермент участвует в реакциях главных метаболических путей, то такая "неэквивалентная" замена может стать летальной.

	Триплет "дикого" типа	Изменённый триплет
Матрица ДНК	3'-АGА-З'	3'-ААА-5'
Кодон мРНК	5'-UCU-3'	5'-UUU-3' -
Аминокислота	-Сер-	Фен-

В ряде случаев мутантный белок, несмотря на входящую в него изменённую аминокислоту, сохраняет способность вьшолнять свою функцию, но может быть Не столь эффективным, как белок "дикого" типа. В результате мутации у фермента может оказаться более высоким значение К_m или более низким значение V_max, а иногда то и другое одновременно. Такие частично функционирующие белки называют мутантными белками с неполностью подавленной функцией.

Изредка в результате мутации белковый продукт гена оказывается лучше приспособленным к выполнению своей функции. Такие мутации дают потомству преимущества в борьбе за существование, а серия соответствующих мутаций может привести к появлению нового вида.

Наибольшим повреждающим действием обладают мутации, приводящие к образованию одного из терминирующих кодонов (нонсенс-мутация). В процессе синтеза белка работа рибосомы будет остановлена на мутантном триплете мРНК: UAA, UAG или UGA. Проявление нонсенс-мутаций зависит от их внутригенной локализации. Чем ближе мутация к 5'-концу гена, т.е. к началу транскрипции, тем короче её белковый продукт, а следовательно, тем меньше он способен к осуществлению биологической функции.

	Триплет "дикого" типа	Изменённый триплет
Матрица ДНК	3'-GTC-5'	3'-АТС-5'
Кодон мРНК	5'-CAG-3'	5'-UAG-3'
Аминокислота	-Глн-	Стоп-кодон

2. Мутации по типу вставки или делеции нуклеотидов

Более многочисленны и опасны для клеток мутации по типу вставки или делеции (утраты) нуклеотидов.

Если мутация приводит к вставке или делеции в ген одной нуклеотидной пары или участка двухцепочечной молекулы ДНК с числом мономеров, не кратным 3, то это вызывает изменение считывания всех последующих кодонов, так как происходит сдвиг "рамки считывания" ДНК и нарушение соответствия между кодонами в ДНК и аминокислотами в конечном продукте - белке (рис. 4-57).

Как видно из рис. 4-57, нарушения в прочтении информации начинаются с участка, в котором произошла мутация, так как именно в этом месте происходит сдвиг "рамки считывания" информации. Белковый продукт за точкой мутации будет иметь случайную последовательность аминокислот. Мутации со сдвигом рамки считывания часто приводят к появлению внутреннего терминирующего кодона, вызывающего преждевременное прекращение синтеза полипептидной цепи и образование укороченного продукта, лишённого биологической активности.

Мутации со сдвигом "рамки считывания" индуцируют ингибиторы матричных синтезов - "интеркаляторы". Их большие плоские молекулы, похожие на обычные азотистые основания или пары оснований, встраиваются между двумя соседними парами оснований, в результате в ДНК "как бы" появляется лишнее основание. В ходе репликации такой изменённой цепи ДНК в дочернюю нить в результате ошибочного спаривания с "интеркалированной" молекулой может встроиться дополнительный нуклеотид.

Иногда, хотя и крайне редко, теряется или включается в ДНК олигодезоксинуклеотид, состоящий из 3 или кратного 3 числа нуклеотидов. Такие мутации называют делециями или вставками без сдвига "рамки считывания" ДНК. В образующемся белковом продукте в этом участке окажется пропущенной или, наоборот, включённой дополнительно одна или несколько аминокислот, тогда как вся остальная аминокислотная последовательность будет соответствовать исходной молекуле. Такие мутации, как правило, не приносят большого вреда.

Методы, используемые для выявления изменений в структуре дефектных генов. Международная исследовательская программа «Геном человека». Технология рекомбинантных ДНК, конструирование химерных молекул ДНК и их клонирование. Полимеразная цепная реакция (ЦПР) и полиморфизм длины рестрикционных фрагментов (ПДРФ) как методы изучения генома диагностики болезней. Генная терапия.

Проект по расшифровке генома человека. — международный научно-исследовательский проект, главной целью которого было определить последовательность нуклеотидов, которые составляют ДНК и идентифицировать 20–25 тыс. генов в человеческом геноме.

Проект начался в 1990 году, под руководством Джеймса Уотсона под эгидой Национальной организации здравоохранения США (англ.). В 2000 году был выпущен рабочий черновик структуры генома, полный геном — в 2003 году, однако и сегодня дополнительный анализ некоторых участков ещё не закончен.

Цели

Последовательность человеческой ДНК сохраняется в базах данных, доступных любому пользователю через Интернет. Национальный центр биотехнологической информации США (и его партнёрские организации в Европе и Японии) хранят геномные последовательности в базе данных известной как GenBank, вместе с последовательностями известных и гипотетических генов и белков. Другие организации, к примеру Калифорнийский Университет в Санта-Круз (англ.) ^[7] и Ensembl (англ.) ^[8] поддерживают дополнительные данные и аннотации а также мощные инструменты для визуализации и поиска в этих базах. Были разработаны компьютерные программы для анализа данных, потому что сами данные без таких программ интерпретировать практически невозможно.

Процесс идентификации границ генов и других мотивов в необработанных последовательностях ДНК называется аннотацией генома (англ.) и относится к области биоинформатики. Эту работу при помощи компьютеров выполняют люди, но они делают её медленно и, чтобы удовлетворять требованиями высокой пропускной способности проектов секвенирования геномов, здесь также всё шире используют специальные компьютерные программы. Лучшие на сегодняшний день технологии аннотации используют статистические модели основанные на параллелях между последовательностями ДНК и человеческим языком, пользуясь такими концепциями информатики как формальные грамматики.

Другая, часто упускаемая из виду цель проекта «Геном человека» — исследование этических, правовых и социальных последствий расшифровки генома. Важно исследовать эти вопросы и найти наиболее подходящие решения до того, как они станут почвой для разногласий и политических проблем.

Все люди имеют в той или иной степени уникальные геномные последовательности. Поэтому данные, опубликованные проектом «Геном человека», не содержат точной последовательности геномов каждого отдельного человека. Это комбинированный геном небольшого количества анонимных доноров. Полученная геномная последовательность является основой для будущей работы по идентификации разницы между индивидуумами. Основные усилия здесь сосредоточены на выявлении однонуклеотидного полиморфизма.

Почти все цели, которые ставил перед собой проект, были достигнуты быстрее, чем предполагалось. Проект по расшифровке генома человека был закончен на два года раньше, чем планировалось. Проект поставил разумную, достижимую цель секвенирования 95 % ДНК. Исследователи не только достигли её, но и превзошли собственные предсказания, и смогли секвенировать 99,99 % человеческой ДНК. Проект не только превзошёл все цели и выработанные ранее стандарты, но и продолжает улучшать уже достигнутые результаты.

 

Получение рекомбинантных ДНК

Для получения таких молекул первоначально выделяют ДНК из 2 разных источников (рис. 4-65).

Каждую из них в отдельности фрагментируют, используя одну и ту же рестриктазу, расщепляющую ДНК с образованием "липких" концов. После процедуры нагревания и медленного охлаждения (отжига) наряду с исходными

молекулами ДНК_X и ДНК_Y могут образовываться рекомбинантные молекулы, состоящие из фрагментов ДНК_X и ДНК_Y связанных между собой "липкими" концами. Ковалентное сшивание фрагментов осуществляют с помощью ДНК-лигазы в присутствии АТФ как источника энергии.

В технологии рекомбинантных ДНК, кроме фрагментов ДНК, выделенных из клеток, содержащих ядра, используют ДНК, полученную с помощью обратной транскриптазы. При добавлении в реакционную среду 4 разных дезоксирибонуклеозидтрифосфатов фермент на матрице мРНК по принципу комплементарности синтезирует ДНК-копию, или кДНК. Так как источником информации при образовании кДНК служит зрелая цитоплазматическая мРНК, то такая ДНК, в отличие от ДНК фрагментов, полученных при расщеплении геномной ДНК эукариотов, не содержит нитронов.

Рис. 4-65. Получение рекомбинантных ДНК. Два образца ДНК: ДНК_Х и ДНК_Y расщепляют одной и той же рестриктазой и получают фрагменты с "липкими" концами. При денатурации и последующем "отжиге" образуются рекомбинантные молекулы ДНК_А и ДНК_Б, первоначально соединённые друг с другом за счёт "липких" концов, затем сшиваемых ДНК-лигазой.

 

Клонирование ДНК

Для получения значительных количеств интересующего нас материала проводят клонирование ДНК, предполагающее встраивание нужного нам фрагмента ДНК в векторную молекулу ДНК (или вектор). Вектор обеспечивает проникновение этой рекомбинантной, или химерной, ДНК в бактериальные клетки. В качестве векторов используют плазмиды, фаги, ретро- и аденовирусы. Особенно часто в качестве вектора служит плазмидная ДНК.

Плазмиды - небольшие кольцевые двухце-почечные молекулы ДНК, присутствующие в бактериальных клетках в различном количестве копий. Они имеют автономную систему контроля репликации, которая поддерживает их количество в клетках на определённом уровне - от нескольких единиц до нескольких сотен копий геномов на клетку.

Используемую для клонирования плазмидную ДНК и интересующую нас ДНК расщепляют по определённому участку рестриктазой, получают рекомбинантную ДНК, возвращают гибридную плазмиду в кольцевую форму и вводят в бактериальные клетки, т.е. осуществляют трансформацию бактерий. При размножении трансформированных бактерий происходит увеличение числа копий введённого в плазмиду фрагмента ДНК, т.е. таким способом чужеродный

для бактерий генетический материал может быть получен в значительных количествах (рис. 4-66).

В качестве клонирующих векторов часто используют фаги. Если экзогенную ДНК вводят в эукариотические клетки, то эту процедуру называют трансдукцией.

Полимеразная цепная реакция

Метод полимеразной цепной реакции (ПЦР), предложенный в 1983 г. Карри Муллисом (Нобелевская премия, 1993 г.), явился эпохальным

открытием XX века в области молекулярной биологии. Он позволяет подвергать специфичной амплификации в условиях in vitro (в пробирке) участки ДНК длиной от нескольких десятков до нескольких сотен пар нуклеотидов, используя в качестве матрицы любые образцы ДНК. Необходимое условие для проведения ПЦР - знание нуклеотидной последовательности амплифицируемой области. Участок исследуемой ДНК гибридизуют с двумя искусственно синтезированными праймерами - олигодезоксирибонуклеотидными последовательностями длиной от 15 до 30 пар нуклеотидов, которые комплементарны 3'-концам амплифицируемого участка на кодирующей и некодирующей нитях ДНК. Расстояние между праймерами определяет длину синтезируемых молекул. В качестве матрицы для синтеза продуктов ПЦР используют любой тип ДНК: геномную ДНК человека, различных видов про- и эукариотов, ДНК, выделенную из культур клеток, "библиотек" генов и других источников. Метод не требует больших количеств исследуемой ДНК, в принципе, достаточно даже одной молекулы, содержащейся в одном волосе на голове, одной капле крови или спермы.

Успех в разработке метода в значительной степени обусловлен использованием в качестве фермента термофильной ДНК-полимеразы, выделенной из бактерий, живущих в горячих источниках, и потому устойчивой к действию высоких температур.

Реакционная смесь для получения интересующей нас ДНК содержит исследуемую ДНК, субстраты реакции - 4 дНТФ, 2 праймера, термостабильную, или Taq-полимеразу и буфер, содержащий ионы Mg²⁺.

Один цикл полимеризации включает 3 этапа (рис. 4-67):

· плавление: на этой стадии реакционную смесь нагревают до температуры 90-97 °С. Исследуемая двуцепочечная ДНК денатурирует и переходит в однонитевую форму;

· гибридизация или отжиг ДНК с праймерами. В результате снижения температуры до 50-60 °С происходит комплементарное связывание праймеров с цепями матричной ДНК и образование двухцепочечного участка на каждой из нитей ДНК;

· элонгация, удлинение нитей ДНК, комплементарных матричной ДНК, катализирует Taq-полимераза в направлении от 5'- к 3'-концу.

Затем снова наступает этап плавления, когда за счёт повышения температуры синтез ДНК прекращается, и двунитевой участок между матричными и вновь синтезированными молекулами ДНК денатурирует. Во втором и последующих циклах праймеры гибридизируются с исходной матричной ДНК и с вновь синтезированными молекулами ДНК, количество которых нарастает в геометрической прогрессии. В последнем случае синтез ДНК заканчивается не из-за изменения температурного режима, а по достижении ДНК-полиМеразой границы амплифицированного участка, что определяет строго определённый размер продукта с точностью до одного нуклеотида.

Каждый из этапов цикла имеет продолжительность от десятков секунд до 1-3 мин, в результате полный цикл длится от одной до нескольких минут.

Описанную процедуру амплификации ДНК проводят в автоматическом режиме в приборе - циклизаторе, или термоциклере, амплификаторе ДНК. Такой прибор позволяет задавать нужное количество циклов и выбирать оптимальные временные и температурные параметры. За 25-30 циклов число синтезированных копий ДНК достигает нескольких миллионов.

С помощью ПЦР можно получить достаточное количество копий участков ДНК, в которых предполагаются присутствие мутаций, полиморфизм сайтов, можно проводить ДНК-диагностику инфицированности пациентов вирусными, бактериальными и грибковыми возбудителями болезней.

Полиморфизм длины рестрикционных
фрагментов (ПДРФ)

Мутации, возникающие в участках узнавания определённых рестриктаз, делают эти участки ДНК нечувствительными к действию ферментов. Это может быть легко обнаружено по изменению длины рестрикционных фрагментов ДНК. ПДРФ-анализ включает следующие этапы: выделение геномной ДНК, её рестрикцию специфической эндонуклеазой, электрофоретическое разделение образующихся фрагментов ДНК и идентификацию этих фрагментов путём блот-гибридизации по Саузерну. На электрофореграммах при отсутствии рестрикции в исследуемой ДНК выявляют один крупный фрагмент, соответствующий по длине последовательности ДНК между двумя соседними участками рестрикции для той же эндонуклеазы. При наличии рестрикции в полиморфном участке на электрофореграмме будет присутствовать меньший по размерам фрагмент, равный расстоянию между полиморфным участком рестрикции и одним из ближайших постоянных участков рестрикции (рис. 4-68).

ПДРФ-анализ может быть значительно упрощён в том случае, если возможна специфическая амплификация участка ДНК, содержащего полиморфный сайт рестрикции. Тестирование состояния этого локуса возможно путём проведения ПЦР и рестрикции амгошфицированного фрагмента. При отсутствии сайта узнавания в исследуемой области ДНК размеры амплифицированного фрагмента не изменятся после его обработки рестриктазой. Если участок узнавания не изменён, обработка ферментом приведёт к образованию 2 маленьких фрагментов с той же суммарной длиной, что и исходный фрагмент.

При обследовании пациентов и членов их семей на носительство патологических генов широко используют этот метод, с помощью которого:

• идентифицируют делеции в гене дистрофина, на долю которых приходится около 60% всех мутаций, вызывающих миодистрофию Дюшенна;
• диагностируют гемофилию А, некоторые та-лассемии, ретинобластому и гранулематоз;
• контролируют здоровье детей в семьях, в которых родители являются гетерозиготами по гену серповидно-клеточной анемии и другим дефектным генам.

2. Определение мутаций с помощью
аллельспецифических проб

Многие мутации, вызывающие возникновение генных болезней, не попадают в участки, ответственные за узнавание ферментов рестрикции. В этом случае, если последовательность оснований в области мутации известна, то её обнаруживают с помощью аллельспецифических олигонуклеотидов. Для этого синтезируют короткие олигонуклеотидные зонды, содержащие обычно около 19 нуклеотидов, комплементарные участку нормального и мутантного аллеля в ДНК. Область генома, содержащую исследуемый ген, амплифицируют с помощью ПЦР, и образцы полученной ДНК переносят на нитроцеллюлозные фильтры (дот- или слот-блоттинг). Пробы выдерживают с 32Р~зондами для выявления нормальной или мутантной последовательности. У гомозигот по исследуемой мутации ДНК будет гибридизоваться только с зондом, комплементарным мутантной последовательности. ДНК нормального гомозиготного индивидуума свяжется с зондом, соответствующим неизменённой нуклеотидной последовательности, тогда как с ДНК гетерозигот будут гибридизоваться оба зонда. На рисунке 4-69 представлены результаты генного зондирования 7 пациентов на носительство наиболее часто встречающейся делеции 3 нуклеотидов (ΔF508) в гене, ответственном за развитие муковисци-доза.

Олигонуклеотиды, аллельспецифичные по определённым мутациям, можно использовать в качестве праймеров в ПЦР при клиническом тестировании населения на наличие патологического гена. Если ДНК, полученная от пациента, амплифицирует с мутантным олигонулеотидом, то следовательно пациент является носителем мутации. Если нуклеотидная последовательность в исследуемом гене не изменена, то олигонуклеотид, содержащий мутацию, не свяжется с ДНК-матрицей, и ПЦР не пойдёт.

Генная терапия

Теперь, когда появилась генная терапия, удается справиться даже с такими случаями, которые раньше классифицировались, как безнадежные. Успешное применение методов этой терапии позволяет лечить более 40 различных заболеваний: например, иммунодефициты, рак, болезнисердечно-сосудистой системы, недостаточность аденозиндеманиазы.

Современная генная терапия основана на ведении фрагмента ДНК в клетки-мишени, которые обладают способностью к последующему делению. Чаще всего это – стволовые клетки костного мозга или клетки печени.

Успешное использование генной терапии началось в 1990 году, и к настоящему времени есть уже тысячи прецедентов полного излечения от наследственных заболеваний. Считается, что это – одно из самых перспективных направлений в лечении тяжелых болезней.

На сегодняшний день известны, по крайней мере, 4500 заболеваний, которые считаются генетическими. При этом эффективных способов их лечения до недавнего времени не существовало. Но с тех пор, как стала использоваться генная терапия, уже получено немало положительных практических результатов. В частности, речь идет о лечении наследственного иммунодефицита (недостаточность аденозиндезаминазы) и других считавшихся неизлечимыми заболеваний.

В настоящее время не без оснований предполагается, что генная терапия станет медициной будущего. Устраняя без помощи лекарств не последствия, а генетические причины болезни, можно добиваться большего эффекта.

Ситуации, при которых актуальна генная терапия, можно классифицировать на три вида:

1.потеря функции определенного гена;
2.подавление избыточной функции;
3.модификация генетической информации.

Для решения этих проблем в поврежденную клетку искусственно вводится новая генетическая информация. В результате полноценная работа возобновляется, и болезнь излечивается. Особые надежды по генной терапии связаны с онкологическими заболеваниями. Такой метод позволяет, не затрагивая здоровые ткани и клетки, уничтожать злокачественные опухоли.

 

 

1. Обмен веществ: питание, метаболизм и выделение продуктов метаболизма. Основные пищевые вещества: суточная потребность, переваривание, представление об их частичной взаимозаменяемости. Незаменимые компоненты пищи. Витамины.Минеральные вещества.Концентрации метаболитов. Основные конечные продукты катаболизма у человека. Понятие о метаболизме, о метаболических путях, о регуляции метаболизма. Методы изучения обмена веществ.

ОБМЕН ВЕЩЕСТВ (метаболизм), совокупность хим. процессов, обеспечивающих жизнедеятельность организма. Хим. превращ. в организме осуществляются в двух противоположных направлениях-синтез сложных соед. из более простых (а н а б о л и з м, или а с с и м и л я ц и я) и расщепление сложных соед. до более простых (к а т а б о л и з м, или д и с с и м и л я ц и я).

Первонач. представления об обмене веществ возникли в связи с изучением процессов обмена между организмами и внеш. средой (т. наз. внешний, или общий, обмен веществ). Послед. исследования превращений в-в внутри организма привели к представлениям о в н у т р е н н е м, или п р о м е ж у т о ч н о м, обмене веществ.

Во внутреннем и внешнем обмене веществ принято различать структурный (пластический) и энергетический обмены. В структурном обмене рассматривают превращения разл. соед. в организме, их перенос (транспорт) внутри организма и между организмом и средой. В энергетич. обмене рассматривают превращения хим. энергии, образующейся в обмене веществ, в тепло, мышечную работу, а также механизмы ее использования в активном транспорте, биосинтезе и др.

В соответствии с природой участвующих в обмене веществ соед. различают орг. обмен (обмен углеводов, липидов, азотсодержащих соед. и др.) и минер. обмен (водно-солевой обмен и обмен микроэлементов); в физиологии выделяют также газовый обмен. Обмен веществ с участием свободного О₂ наз. а э р о б н ы м, без участия О₂-а н а э р о б н ы м. Ввиду различий обмена веществ у организмов, принадлежащих к разл. таксономич. группам, выделяют обмен веществ растений, животных, микроорганизмов, а также более мелких таксономич. единиц, напр. обмен веществ млекопитающих, злаковых, дрожжей, человека, бактерии Escherichia coli. При изучении обмена веществ учитывают половые и возрастные различия, а также отклонения в обмене веществ, вызванные влиянием внеш. среды и питания. Раздельно рассматривают обмен веществ в разл. тканях и органах. Устойчивые отклонения обмена веществ от нормы квалифицируют как болезни обмена веществ.

МЕТАБОЛИЗМ, или обмен веществ, химические превращения, протекающие от момента поступления питательных веществ в живой организм до момента, когда конечные продукты этих превращений выделяются во внешнюю среду. К метаболизму относятся все реакции, в результате которых строятся структурные элементы клеток и тканей, и процессы, в которых из содержащихся в клетках веществ извлекается энергия. Иногда для удобства рассматривают по отдельности две стороны метаболизма – анаболизм и катаболизм, т.е. процессы созидания органических веществ и процессы их разрушения. Анаболические процессы обычно связаны с затратой энергии и приводят к образованию сложных молекул из более простых, катаболические же сопровождаются высвобождением энергии и заканчиваются образованием таких конечных продуктов (отходов) метаболизма, как мочевина, диоксид углерода, аммиак и вода.

Термин «обмен веществ» вошел в повседневную жизнь с тех пор, как врачи стали связывать избыточный или недостаточный вес, чрезмерную нервозность или, наоборот, вялость больного с повышенным или пониженным обменом. Для суждения об интенсивности метаболизма ставят тест на «основной обмен». Основной обмен – это показатель способности организма вырабатывать энергию. Тест проводят натощак в состоянии покоя; измеряют поглощение кислорода (О₂) и выделение диоксида углерода (СО₂). Сопоставляя эти величины, определяют, насколько полно организм использует («сжигает») питательные вещества. На интенсивность метаболизма влияют гормоны щитовидной железы, поэтому врачи при диагностике заболеваний, связанных с нарушениями обмена, в последнее время все чаще измеряют уровень этих гормонов в крови

Модифицированная классификация основных пищевых веществ

Макронутриенты:

1) Белки

2) Жиры

3) Углеводы

Микронутриенты

1) Витамины

2) Витаминоподобные вещества

3) Макроэлементы

4) Микроэлементы

5) Микроэлементы белковой природы

— аминокислоты

— полипептиды

6) Микронутриенты липидной природы

— омега-3 полиненасыщенные жирные кислоты

— гамма-линоленовая кислота

— фосфолипиды и липотропные вещества

— фитостерины

7) Микронутриенты углеводной природы

— пищевые волокна

— неусваиваемые олигосахариды (пребиотики)

— полисахаридные адъюванты

8) Живые кишечные микроорганизмы (пробиотики)

9) Пищевые ферменты растительного происхождения

10) Парафармацевтики

— гликозиды

— алкалоиды

— индолы и изотиоционаты

— орагнические полисульфиды

— фитоэстрогены

— сапонины

— фитостерины

— терпены и др. (всего около 1000 парафармацевтиков, обнаруживаемых непосредственно в пищевых продуктах)

Белки

В среднем человеку необходимо порядка 1г белка на кг собственного веса в сутки для нормального функционирования организма. В зависимости от интенсивности жизнедеятельности потребность может колебаться как в одну, так и в другую стороны.

Энергетическая ценность белков приблизительно равна 4,1 ккал на грамм, что соответствует 17 кДж/г.

Основным источником белков в рационе являются продукты животного происхождения: мясо, рыба, яйца, морепродукты, молоко.

Жиры

В среднем человеку необходимо порядка 1г жиров на кг собственного веса в сутки для нормального функционирования организма. В зависимости от интенсивности жизнедеятельности потребность может колебаться как в одну, так и в другую стороны. Важно соотношение растительных и животных жиров в рационе.

Энергетическая ценность жиров приблизительно равна 9,1 ккал на грамм, что соответствует 38 кДж/г.

Углеводы

В среднем человеку необходимо порядка 4г углеводов на кг собственного веса в сутки для нормального функционирования организма.

Энергетическая ценность углеводов приблизительно равна 4,1 ккал на грамм, что соответствует 17 кДж/г.

В наш организм должно поступать более 50 незаменимых компонентов пищи, синтезировать которые наш организм не способен. Это: 8 незаменимых аминокислот, большая часть витаминов и минеральных веществ, некоторые жирные кислоты и др.

Остальные активные микроэлементы, необходимые организму, способна синтезировать микрофлора нашего кишечника и некоторые органы. Для этого им тоже необходимы определенные условия, т.е. нужный состав пищи. Например, наши кишечные бактерии не могут существовать без грубых пищевых волокон (клетчатки, целлюлозы и пр.). А ведь именно на них, на наших микроскопических "помощниках", лежит ответственность за состояние нашего здоровья. Считается, что 80% иммунитета "находится" в кишечнике.

Незаменимые компоненты должны регулярно поступать в наш организм с пищей. Это понятно. Лучше всего, чтобы и заменимые компоненты поступали с едой, т.к. их синтез в организме сильно затрудняет работу внутренних органов и способствует развитию различного рода нарушений в их работе. Проще говоря, диетическое питание - это строго определенное соотношение в рационе питания всех его компонентов. В научной (и околонаучной) литературе можно найти множество формул такого сбалансированного питания. На мой взгляд, лучше, если такую формулу каждый выведет для себя сам. Нужно только научиться "прислушиваться" к своему организму и вдумчиво относиться к своему рациону питания.

Витами́ны — группа низкомолекулярных органических соединений относительно простого строения и разнообразной химической природы. Это сборная по химической природе группа органических веществ, объединённая по признаку абсолютной необходимости их для гетеротрофного организма в качестве составной части пищи. Витамины содержатся в пище в очень малых количествах, и поэтому относятся к микронутриентам.

Витамины (от лат. vita -«жизнь») — вещества, которые требуются организму для нормальной жизнедеятельности.

Жирорастворимые:

Витамин А - ретинол

Витамин Д3 - холекальциферол

Витамин Е - токоферол

Витамин К

Водорастворимые:

Витамин В1 - тиамин

Витамин В2 - рибофлавин

Витамин В6 - пиридоксина гидрохлорид

Витамин В12 - цианокобаламин

Витамин С - аскорбиновая кислота

Витамин РР - никотиновая кислота, никотинамид

Витамин Н - биотин

Витамин В5 - пантотенат кальция

Витамин В13 - оротат калия

Витамин В9, ВС - фолиевая кислота

 

 

Итак, минеральные вещества – это один из важнейших компонентов нашего питания, без них невозможно правильное протекание жизненно важных процессов в организме, они обеспечивают правильное формирование химической структуры всех тканей человека и, разумеется, мышечной, в том числе.