Содержательный модуль «основы молекулярной биологии»

Актуальность темы

         Общеизвестно, что информационной базой всего организма являются гены. Гены кодируют структуру белков, что определяет уникальность каждого организма. Изменения состава, активности генов являются первопричиной многих заболеваний.

       Молекула ДНК, таким образом, может служить самым точным инструментом для распознавания заболеваний, что используется в молекулярно-генетической диагностике. С помощью ДНК-диагностики можно локализовать генетические повреждения, идентифицировать ультрамалые количества возбудителей микробных или вирусных инфекций. Кроме того, благодаря ДНК-диагностике можно определять предрасположенность к тому или иному заболеванию еще на пресимптоматической стадии, что дает возможность предотвратить развитие болезни. При проведении пренатального ДНК-тестирования выявляют наследование патологических генов.

       Благодаря достижениям молекулярной биологии последних лет появилась новая область медицинской науки – генная терапия. Теперь гены начинают использоваться в качестве лекарственных средств для коррекции наследственных заболеваний, злокачественных новообразований, вирусных и микробных инфекций.

      Одним из перспективных направлений прикладной молекулярной биологии является фармакогенетика. Благодаря точному типированию генотипа пациента можно выявить индивидуальную чувствительность пациента к тому или иному лекарственному препарату, что позволить избежать развитие лекарственных осложнений. 

       Общая цель содержательного модуля «Основы молекулярной биологии»: уметь интерпретировать молекулярно-биологические процессы сохранения, передачи генетической информации и возможные нарушения этих процессов для использования полученных знаний в медицинской генетике и молекулярной диагностике.

   Конкретные цели:                                                            Цели исходного уровня:

                                                         Уметь:

1. Анализировать метаболизм пуриновых и пиримидиновых нуклеотидов и его возможные нарушения	1. Интерпретировать структуру пуриновых и пиримидиновых нуклеотидов (кафедра медицинской и фармацевтической химии)
2. Интерпретировать механизм репликации ДНК и его возможные нарушения
3.Интерпретировать механизм транскрип-ции РНК и его возможные нарушения
4. Интерпретировать механизм биосинтеза белка и его возможные нарушения
5. Интерпретировать механизм регуляции экспрессии генов и его возможные нарушения

 

Тема для самостоятельного изучения

 РОЛЬ ХИМИЧЕСКИХ ЭЛЕМЕНТОВ В ФУНКЦИОНИРОВАНИИ ОРГАНИЗМА

 

Актуальность темы

  Химические элементы - это жизненно необходимые компоненты внутренней среды организма, ответственные за постоянство ее состава и течение процессов жизнедеятельности. Важную роль среди них занимают ионы натрия, калия, кальция, магния, железа, меди, фосфора, которые входят в состав клеток, присутствуют в межклеточных и межтканевых жидкостях. Выполняя каталитическую, структурную и регуляторную функции, они участвуют в таких важнейших биохимических процессах как дыхание, кроветворение, синтез белков, проницаемость сосудов и тканей, передача нервных импульсов, поддержка нормальной возбудимости мышечных клеток.

   Многогранность функций указанных химических элементов позволяет использовать данные их содержания в крови в качестве диагностических показателей патологических изменений организма.                             

Общая цель

       Уметь интерпретировать данные количественного определения химических элементов в биологических субстратах для последующего использования полученных данных во врачебной практике.

       Конкретные цели:                                                   Цели исходного уровня:

 

Уметь:

1.Интерпретировать роль химических элементов в жизнедеятельности организма	1.Интерпретировать данные строения и свойств химических элементов (кафедра медицинской и фармацевтической химии)
2. Интерпретировать количественное содержание химических элементов в крови и моче
3. Интерпретировать механизмы нарушения обмена химических элементов

 

Содержание обучения

   Содержание обучения должно обеспечивать достижение целей обучения, чему способствует граф логической структуры изучаемой темы. (Приложение 2).

Основные теоретические вопросы, позволяющие выполнить целевые виды деятельности:       

1.Биологическая роль натрия и калия в организме человека                                                                                                                                                                         2.Биологическая роль кальция и фосфатов в организме человека                                                                               3. Биологическая роль меди в организме человека                                                                                  4. Биологическая роль железа в организме человека                                                                     5. Регуляция баланса химических элементов.

6. Нарушения обмена химических элементов.

Основные термины и их значение.

Трансферрин – белок, транспортирующий железо в крови.   

Ферритин, гемосидерин – железосодержащие белки, обеспечивающие запас железа в

 организме. 

    ОЖСС – общая железосвязывающая способность трансферрина. НЖСС   

    ненасыщенная железосвязывающая способность сыворотки.

Церулоплазмин – основной белок, транспортирующий медь в организме.   

  Металлотионеин – белок, обеспечивающий запас меди в организме.

Найти материал для освоения этих вопросов можно найти в следующих источниках:

Обязательная литература.

1.Губський Ю.Г. Бiологiчна хiмiя.- Киiв - Тернопiль.: Укр.мед.книга, 2000.-С.112, 127,

337-341, 409, 428, 433-436, 469, 474, 481

2. Тарасенко Л.М., Непорада К.С., Григоренко В.К. Функцiональна бiохiмiя.- Полтава,

2000.- С. 80-84

3.Тестовые задания по биологической химии./ Под ред. Б.Г.Борзенко. - Донецк 2006,

часть 2.-С.70-124                                                                                                                                                  4. Приложение 1                                                                                                                           5. Граф логической структуры (Приложение 2)                                                                                                                                                                                                                                                                    Дополнительная литература                                                                                                              1. Березов Т.Т., Коровкин Б.Ф. Биологическая химия.- М.: Медицина, 1998.-С.78-85,

94, 95, 121, 146, 293, 296, 297, 309, 315, 467, 503-506, 582-585, 621, 632, 652, 676     

2. Скальный А.В., Рудаков И.А. Биоэлементы в медицине. – М.: Издательский дом

«ОНИКС 21 век»: Мир, 2004. – 272 с.                                                                                                                                                                                      

  После изучения вышеперечисленных вопросов Вам предлагается решить следующие целевые обучающие задачи.

Целевые обучающие задачи

Задача 1. Для поддержания деятельности изолированных органов в эксперименте используют физиологические растворы, содержащие жизненно необходимые химические вещества. Какой из них наиболее эффективен для теплокровных животных?

А. Раствор, содержащий хлорид натрия

В. Раствор, содержащий хлориды натрия, калия, кальция и глюкозу

С. Раствор, содержащий хлориды натрия, калия, кальция и бикарбонат натрия

D. Раствор, в состав которого входят хлориды натрия, калия, кальция, магния,

одноосновные фосфат и гидрокарбонат натрия, глюкозу

Е. Раствор, содержащий хлориды натрия, калия, кальция, магния и глюкозу 

 

Задача 2. В печени больного, страдающего железодефицитной анемией, нарушено образование железосодержащего белка, который поставляет железо для синтеза гемоглобина. Как называется этот белок?

А. Ферритин                                                                                                                                       В. Трансферрин                                                                                                                                      С. Миоглобин                                                                                                                                           D. Гемосидерин                                                                                                                                    Е. Гаптоглобин     

         

Задача 3. Железо в организме человека содержится в печени, костном мозге, селезенке. В составе какого белка оно депонируется?

А. Апоферритина                                                                                                                                      В. Трансферрина                                                                                                                                    С. Церулоплазмина                                                                                                                      D.Ферритина                                                                                                                               E.Лактоферрина

 

Задача 4. Процесс кроветворения у человека осуществляется только при взаимодействии трех химических элементов. Какие это сочетания?                                                                                                                              А. Co, Fe, Са                                                                                                                                      В. Fe, Cu, Zn                                                                                                                                       С. Си,Co, Fe                                                                                                                                            D. Co, Cu, Са                                                                                                                                      E. Са, Zn, Си   

 

Задача 5. Медь в крови транспортируется в комплексе с белками. С каким из белков она образует комплекс?                                               

А. С церулоплазмином                                                                                                                                    В. С интерфероном                                                                                                                                      С. С металлотионеином                                                                                                                                D. С гаптоглобином                                                                                                                                      Е. С трансферрином   

                                 

 

                                                                                                                                                                                                                                                  

Задача 6. Избыток меди в организме депонируется в виде белка металлотионеина. Где происходит депонирование меди?  

 А. В слизистой оболочке кишечника                                                                                  

 B.B эритроцитах                                                                                                                          

С. B лейкоцитах                                                                                                                                  

D. В почках

 Е. В селезенке

                                                                                                                     

Задача 7. Дисбаланс в содержании электролитов может привести к нарушению сократительной способности сердечной мышцы. Дисбаланс каких электролитов имеет негативное значение в данном случае?                                                                                                          А. Натрия/ калия     

В. Натрия/ кальция                                                                                                                             С. Калия/ кальция      

D. Натрия/ магния                                                                                                                            

 Е. Калия/ магния     

                                                                                                                                                

Задача 8. К врачу обратился больной с жалобами на мышечную слабость, гипотонию мышц, усталость, депрессию. Лабораторные исследования крови выявили алкалоз и изменения в электролитном обмене. Какие это изменения? 

А. Гипокалиемия                                                                                                                                    В. Гиперкалиемия                                                                                                                                      С. Гипокальциемия                                                                                                                                       D. Гиперхлоремия                                                                                                                                Е. Гипонатриемия          

                                                                                                                                                                                                                                                                                                         

Правильность решения задач можно проверить, сопоставив их с эталонами ответов.

Эталоны ответов к решению заданий:

1-D, 2-В, 3-D, 4-С, 5-А, 6-А, 7-А, 8-А.

Задания для проверки достижения конкретных целей обучения.

Задача 1. Железовкровитранспортируется белком в составе бета-глобулинов. Назовите этот белок.

А.Церулоплазмин                                                                                                                             В.Трансферрин                                                                                                                                      С.Ферритин                                                                                                                                       D.Лактоферрин                                                                                                                                  

Е. Гаптоглобин

 

Задача 2. Хронические кровопотери нередко приводят к нарушению развития эритроцитов и наполнению их гемоглобином (гипохромии). Как изменяется при этом метаболизм железа?

А. Снижается уровень ферритина.                                                                                                                            В. Снижается уровень гемосидерина                                                                                                                                     С. Снижается уровень трансферрина                                                                                                 D. Снижается уровень железосерных белков                                                                                       Е. Снижается уровень миоглобина

 

Задача 3. Недостаток меди в организме является причиной многих заболеваний, связанных с нарушением ее транспорта через клеточные мембраны. Что служит причиной этого нарушения?

А.Недостаток рецепторов к церулоплазмину на плазматических мембранах                                                                                                                В.Низкий уровень церулоплазмина                                                                                                                                      С.Недостаток железа                                                                                                                                      D.Избыток глутатиона                                                                                                                                Е Недостаток металлотионеина

 

Задача 4. Скрытый дефицит железа характеризуется снижением запасного и транспортного фондов при сохранении гемоглобинового. Какой показатель, помимо уровня железа в сыворотке, необходимо определить для выявления данного состояния?

А. Уровень гаптоглобина                                                                                                             В.Уровень трансферрина

С.Уровень ферритина                                                                                                                            D. Уровень церулоплазмина                                                                                                                               Е. Общую железосвязывающую способность сыворотки крови

 

Задача 5. Железо, которое находится в организме можно разделить на две группы: гемовое и негемовое. В составе какого белка находится гемовое железо?

А. Трансферрина                                                                                                                           

В. Лактоферрина                                                                                                                                     С. Миоглобина  

 D. Гемосидерина                                                                                                                                    Е. Ферритина

 

Задача 6. Избыток меди депонируется в виде металлотионеина. Где преимущественно происходит ее депонирование?

А. В печени 

В. В эритроцитах                                                                                                                                      С. В лейкоцитах   

D. В почках   

 Е. В костном мозге

Задача 7. У юноши, страдающего болезнью Вильсона-Коновалова, в сыворотке крои содержание церулоплазмина находится на низком уровне (в 2 раза ниже нормы). При этом в 10 раз увеличилось выделение с мочой одного из неорганических компонентов. Назовите этот компонент.

А. Железо       

В.  Медь  

 С. Кальций 

D. Фосфор          

Е Калий

 

Задача 8. Медь в крови транспортируется в виде комплексов с белками. С каким из нижеперечисленных белков она образует комплекс?

А. С альбумином                                                                                                                                    В. С С-реактивным белком                                                                                                                                        С. С трансферрином                                                                                                                                    D. С гаптоглобином                                                                                                                                     Е С интерфероном

 

Задача 9. Дефицит меди в пище может привести к анемии. Какова причина анемии в данном случае?

А. Недостаток железа.                                                                                                                                     В. Недостаток церулоплазмина                                                                                                                                         С. Избыток глутатиона                                                                                                                                      D. Низкий уровень ферритина                                                                                                                              Е Низкий уровень металлотионеина

Задача 10. У больного, страдающего наследственным коллагенозом, снижена активность лизилоксидазы – фермента, ответственного за формирование нормальной структуры соединительной ткани. С недостатком какого химического элемента это связано? 

А. Железа                                                                                                                                       

В. Меди                                                                                                                                                   С. Калия                                                                                                                                               D. Кальция                                                                                                                                             Е Фосфора

 

Задача 11. После удаления паращитовидных желез повышается нервно-мышечная возбудимость. С изменением концентрации в крови какого элемента это связано?

А. Калия     

 В. Натрия                                                                                                                                                  С. Кальция                                                                                                                                                D. Магния                                                                                                                                            Е Фосфора

Задача 12. У людей с низким уровнем всасывания меди из клеток слизистой оболочки кишечника часто наблюдается депигментация волос. С изменением активности какого фермента это связано?

А. Тирозиназы                                                                                                                                             В. Лизилоксидазы                                                                                                                                                  С. Аминооксидазы                                                                                                                                              D. Цитохромоксидазы                                                                                                                                             Е Церулоплазмина

 

Задача 13. Железо – окисляющий агент. В связи с этим прием железосодержащих препаратов необходимо совмещать с препаратами, обладающими антиоксидантным действием. Какой это может быть препарат?

А. Витамин РР                                                                                                                                           В. Витамин Е                                                                                                                                                С. Витамин В₁₂                                                                                                                                              D. Витамин В₆                                                                                                                                           

Е. Витамин D

 

Задача 14. У больных ацерулоплазмией отмечается накопление железа в печени, головном мозге при отсутствии изменений в метаболизме меди. Укажите причину таких изменений.

А. Отсутствие синтеза трансферрина                                                                                                                                             В. Недостаток апоферритина                                                                                                                                                 С. Избыток ферритина                                                                                                                                                 D. Избыток гемосидерина                                                                                                                                            Е Избыток железосерных белков

 

Правильность решения задач можно проверить, сопоставив их с эталонами ответов.

Эталоны ответов к решению заданий:

1-В, 2-А, 3-А, 4-Е, 5-С, 6-А, 7-В, 8-А, 9-В, 10-В, 11-С, 12-А, 13-В, 14-А.

Приложение 1

Обмен железа

   Железо входит в состав гемсодержащих белков, а также металлопротеинов, железосерных белков, трансферрина и ферритина. В организме взрослого человека его содержится около 3-5г; почти 2/3 этого количества входит в состав гемоглобина.          

  Оптимальная интенсивность поступления железа составляет 10-20 мг/ сутки. Источниками железа при биосинтезе железосодержащих белков являются пищевые продукты и железо, освобождающееся при постоянном распаде эритроцитов.

  Кислая среда желудка и присутствие в пище аскорбиновой кислоты способствуют высвобождению железа из органических солей. Всасывается железо в кишечнике в виде иона двухвалентного железа. Всасывание улучшают аскорбиновая и лимонная кислоты, жиры, алкоголь, уменьшают – оксалаты, фосфаты, избыток Ca, Zn, витамина Е, таниновая кислота.

  Поступление железа из энтероцитов в кровь зависит от скорости синтеза в них белка апоферритина. Апоферритин связывает железо в клетках слизистой оболочки и превращается в ферритин, который остается в энтероцитах. При недостатке железа в организме апоферритин в энтероцитах почти не синтезируется.

  В крови железо, окисленное церулоплазмином, связывается с гликопротеином трансферрином. Трансферрин синтезирутся в печени. Это транспортный белок, который взаимодействуя со специфическими рецепторами клеток, переносит ионы трехвалентного железа в ткани и органы, где они используются при синтезе железосодержащих белков и депонируются в форме ферритина и гемосидерина. При нормальном обмене железа трансферрин насыщен им на 25%-40%, что соответствует концентрации железа в сыворотке 14,3 мкмоль/л у женщин и 21,5мкмоль/л у мужчин. Общая железосвязывающая способность трансферрина (ОЖСС) показывает то наибольшее количество железа, которое он может присоединить. Это составляет 44-72 мкмоль/л. Разница между величинами ОЖСС и концентрацией сывороточного железа является показателем ненасыщенной железосвязывающей способности сыворотки (НЖСС), который используется в качестве теста при диагностике железодефицитных анемий.

      Ферритин, гемосидерин - это сложные железосодержащие белки, функцией которых является создание запаса железа, для последующего его использования, например для синтеза гемоглобина. Находятся они в основном в клетках печени, костного мозга и селезенки. Содержание железа в ферритине составляет 17%-23%, в гемосидерине (производное ферритина) -25%-30%. В отличие от ферритина гемосидерин не растворим в воде.                                                       

      Лактоферрин также относится к железосодержащим белкам. Он участвует в иммунных процессах, обладает бактериостатическими свойствами, тормозит резорбцию железа в ЖКТ. Обнаружен лактоферрин в молоке, слезной, синовинальной жидкостях, панкреатическом соке, нейтрофилах.

  Нарушения обмена железа. Гемосидероз- избыточное образование гемосидерина и отложение его в различных тканях, например, при частых гемотрансфузиях или при избыточном введении железосодержащих препаратов. Гемохроматоз – наследственная патология, характеризующаяся повышенным всасыванием железа в кишечнике, нарушением обмена железа, отложением гемосидерина в ретикулоэндотелиоцитах печени и селезенки, приводящим к повреждению функций этих органов. Железодефицитная анемия развивается при недостаточном поступлении или нарушении утилизации железа

Обмен меди

  Медь является жизненно важным элементом, который входит в состав многих ферментов, дыхательных пигментов, гормонов, в состав миелиновых оболочек нервов. Она присутствует в системе антиоксидантной защиты организма, участвует в тканевом дыхании, в процессах обмена веществ, в эритропоэзе, стимулирует всасывание железа в ЖКТ, способствует депонированию глюкозы в печени, усиливает действие инсулина, гормонов гипофиза, ингибирует амилазу, липазу, АТФ-азу. Медь имеет большое значение для поддержания нормальной структуры костей, хрящей, эластичности стенок кровеносных сосудов, легочных альвеол, кожи.

В организм медь поступает в основном с пищей (2-4 мг/сутки). Много ее содержится в морских продуктах, бобовых, капусте, кукурузе, крапиве, яблоках, моркови.

В ЖКТ абсорбируются до 95% поступившей в организм меди (причем в желудке ее максимальное количество). Усвоение меди снижают аскорбиновая кислота, танины.

Абсорбированные в кишечнике ионы меди связываются в плазме крови с альбумином (12%-17%), в меньшей степени с аминокислотами – гистидином, глутаматом (10%-15%), и в виде комплексов доставляются в печень.

Печень играет ведущую роль в метаболизме меди, поскольку здесь синтезируется белок церулоплазмин, обладающий ферментативной активностью и участвующий в регуляции ее гомеостаза. Церулоплазмин – главный медьсодержащий белок. На его долю приходится 3% общего содержания меди в организме и 90% ее содержания в крови. Основная его функция заключается в транспорте ионов меди. На плазматических мембранах ряда клеток (эритроциты, лимфоциты, эндотелий печени, сердца) есть рецепторы к церулоплазмину. После связывания с ними медь поступает внутрь клеток. В цитоплазме ионы меди транспортируются к местам синтеза медьсодержащих ферментов.

 

Таблица

Характеристика медьзависимых белков

 

Белки	Биологическая функция	Нарушения функционирования
Цитохром С оксидаза	Перенос электронов в дыхательной цепи	Гипоэнергетические состояния, миопатия, судороги
Лизилоксидаза	Химическая модификация коллагена и эластина	Нарушения структуры и функционирования соединительной ткани, васкулит, снижение эластичности кожи
Тирозиназа	Продукция меланина	Изменение пигментации, снижение защитных свойств кожи при УФ-облучении
Церулоплазмин	Транспорт меди, окисление железа	Анемия, болезнь Вильсона-Коновалова
Металлотионеин	Связывание и                      компартментатизация меди	Развитие токсических эффектов меди
Супероксиддисмутаза	Связывание свободных радикалов, образующихся при перекисном окислении липидов мембран клеток	Свободнорадикальное повреждение компонентов клетки
Дофамин–бета-гидроксилаза	Биосинтез катехоламинов	Нарушение функционирования гипоталамо-гипофизарной системы, гипотермия, гипотензия, дегидратация
Ангиотенин	Участие в формировании микрососудов	Врожденные нарушения микроцеркуляции
Плазменные факторы свертываемости крови	Свертываемость кроаи	Склонность к кровотечениям

   

  Избыток меди связывается в печени и слизистой оболочке кишечника в начале с глутатионом, а затем с низкомолекулярными белками металлотионеинами.

  При дефиците меди в организме может быть депигментация, выпадение волос, гипохромная анемия вследствие снижения всасывания и использования железа.

  Нарушения обмена меди проявляются изменениями как общего содержания в организме, так и концентрацией ее и церулоплазмина в крови.

  Врожденные нарушения обмена меди: болезнь Менкеса – дефицит меди вследствие нарушения выхода ее с клеток слизистой оболочки кишечника; болезнь Вильсона-Коновалова (гепатоцеребральная дистрофия) – дефицит церулоплазмина и отложение ионизированной меди в крови и внутренних органах.

 

                                                                                            

 

                                                                                            

Приложение 2

Граф логической структуры