Бесплатный автореферат и диссертация по биологии на тему

Исследование количественного содержания аминокислотного спектра мембран эритроцитов человека и роли генетических и средовых факторов в его детерминации

ВАК РФ 03.00.04, Биохимия

Текст научной работыДиссертация по биологии, кандидата биологических наук, Шевцова, Вера Валерьевна, Курск



КУРСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ МЕДИЦИНСКИМ УНИВЕРСИТЕТ

На правах рукописи УДК 575.1:612.11

В Ц и В А Вера Валерьевна

ИССЛЕДОВАНИЕ КОЛИЧЕСТВЕННОГО СОДЕРЖАНИЯ АМИНОКИСЛОТНОГО СПЕКТРА МЕМБРАН ЭРИТРОЦИТОВ ЧЕЛОВЕКА И РОЖ ГЕНЕТИЧЕСКИХ И СРЕДОВЫХ ФАКТОРОВ В ЕГО ДЕТЕРМИНАЦИИ.

03.0U.04 - биохимия

Диссертация на соискание ученой степени кандидата, биологических наук

Научный руководитель: член-корр. РАЕН, доктор медицинских наук, профессор В.П.Иванов

КУРСК ~ 19У9 г.

ОГЛАВЛЕНИЕ,

стр.

Глава I. Обзор литературы

1.1 Современное представление об этапах протекания эритропоэза и о структурно - функциональных особенностях организации эритроцитарной мембраны,...,.,...»......,................... 13-17

1.2. Организация и структура эритроцитарной мембраны.................................... 17-19

1.3. Современное состояние сведений о мембранных белках эритроцитов человека и их аминокислотном

Г"-.ПФДР'Д S^fl—■ V^-Ч

1.4. Основные положения о структурно-функциональных особенностях аминокислот

в эритроцитах человека ...................... 25-31

1.5. Характеристика основных процессов биосинтеза

и метаболизма, характерных для аминокислот.. 31-42 1.6. Основные этапы реализации генетической информации от гена к функционально активным продуктам и процесса регуляции экспрессии гена в эритроцитах человека.......................... 42-48

Глава II. Материал и методы исследования

11.1 Материал исследования ................... 49

II.2. Методы исследования

11.2.1. Генеалогический метод.................... 50

11.2.3. Близнецовый метод ....................... 50-51

11.2.4. Биохимические методы исследования ....... 51-56

11.2.5. Статистический метод .................... 56-58

11.2.6. Генетико-математический анализ .......... 58-61

РЕЗУЛЬТАТЫ СОБСТВЕННЫХ ИССЛЕДОВАНИЙ Глава III. Аминокислоты клеточных мембран эритроцитов у человека в норме: количественная представительность и характеристика взаимосвязей.

II 1.1. Количественная и качественная характеристики аминокислотного состава клеточных мембран эритроцитов у человека................... 62-75

II 1.2. Основные закономерности взаимного варьирования количественных показателей аминокислотного спектра мембран эритроцитов человека и их сравнительный анализ среди родственников 1 степени генетического родства.......... 75-91

Глава IV. Оценка роли генетических и средовых факторов в формировании фенотипичееких дисперсий количественных показателей аминокислотного спектра мембран эритроцитов человека. IVЛ. Анализ коэффициентов внутрисемейных корреляций по количественному содержанию аминокислот в эритроцитарных мембранах... 92-97 IV.2. Компонентное разложение фенотипичееких

дисперсии количественных показателей аминокислотного спектра зритроцитарных мембран человека,98-104

Глава V. Анализ вклада генетических и средовых факторов в детерминацию количественных показателей аминокислотного спектра клеточных мембран эритроцитов .

V.l. Вклад генетических факторов в детерминацию

количественного содержания аминокислот, входящих в состав мембран эритроцитов человека..... 105-113 V.2. Роль средовых факторов в детерминации

количественных показателей аминокислотного спектра мембран эритроцитов.............. 114-119

^жтгAiíivrc» i víl— *1 OA

www у vs«,£jjw «laasasaaaacta* ataaaaaasata 4схааав«»*даг*«* .L w _L

Список литературы ................................... 138-158

ОмМОСЖ СОКРАЩЕНИЙ

АМ - аланин

АРГ - аргинин

АСП - аспарагинозая кислота

БШ - белки мембран эритроцитов

БОШ - белковый спектр мембран эритроцитов

ВАЛ - валин

ПС - гиотидин

глм глицин

ГЛУ - глутаминовая кислота

ГЗТ - глутатион-ь-транофераза

дав - дизиготные близнецы

ИЛЕ иеолейцин

лдз§ - линейная дискриминантная функция

ЛЕЙ лейцин

лив - лизин

УРЗаЕ НДС - монозиготные близнецы

МЛ миллилитр

мкд микролитр

мМ миллимоль

т - мембраны эритроцитов

СЕР серин

ТИР - тирозин

ТРЕ треонин

ФЕН - фенилаланин

ЦШ - цикл трикарбоновых кислот

ВВЕДЕНИЕ

Актуальность темы.

Все клетки окружены мембранами. Кроме того, во многих из них, и прежде всего в зукариотических клетках, существует обширная сеть внутриклеточных мембранных систем, Согласованная работа мембранных механизмов клетки-рецепторов, ферментных комплексов и каналообразователей в значительной мере определяет способность клетки поддерживать свой гомеостаз и вместе с тем тонко реагировать как на факторы внешней среды, так и на изменения в различных системах данного организма [9,12,14,15,17,44,97,137].

Биологическим мембранам принадлежит ключевая роль в обеспечении и регуляции физиологической активности клеток, они являются местом локализации важнейших полифункциональных комплексов [14,26,44,86,155],

Выполнение мембранами важнейших для организма функций обеспечивается довольно сложной структурной организацией, одним из основных компонентом шторой являются белки, первичную структуру и состав которых детерминируют определенные гены. Современные данные свидетельствуют , что мембранные белки человека являются продуктами экспрессии генов, выраженность которых определяется биохимическими и молекулярно-генетическими процессами регуляции их биосинтеза [1,44,57,86,193,196]. Расшифровка генетического кода, механизмов биосинтеза белков позволяют рассматривать данные о генной экспрессии и образующихся в результате белках, как подход к изучению особенностей

— —

Функционирования генетического аппарата в конкретных клеточных системах [57,80,893.

Мембранные белки выполняют функции ферментов, часть из них вовлечена в систему мембранного транспорта и клеточной рецепции (АТФ-азы, аденилат- и гуанилат-циклазы), детерминируют антигенные характеристики клетки.

Основными составляющими белков клеточных мембран являются аминокислоты, количественный и качественный состав которых лежит в основе формирования структурно-функциональных особенностей не только самих белковых молекул, но и мембран в целом. Поэтому, изучение аминокислотного спектра мембранных белков и его особенностей представляет большой научный и практический интерес [50,83,911.

В последние десятилетия на ряду с развитием представлений о природе генетического материала, способах передачи и реализации генетической информации накапливались данные о существовании различных наследственных болезней и их молекулярной природе. Показано, что в основе многих наследственных заболеваний лежат изменение структуры генов, кодирующих качественный и количественный состав тех или иных белковых молекул [£8,58,60,66,71]. Именно это определило в современной науке, в качестве приоритетного направления поиск биохимических маркеров наследственных дефектов. Среди них важное место принадлежит аминокислотам, т.к. их замена играет решающую роль в изменении структуры и функции белка, что, в свою очередь, влечет за собой нарушение функциональных особенностей клеточных структур, в которые они входят [9,35,71,100,156],

Значительный интерес в качестве объекта исследований

представляют мембраны эритроцитов, поскольку имеются многочисленные указания на их повреждение при ряде патологических состояний [15,60,60,71,86,1561. Обнаружение достаточно прочно ассоциированных маркеров среди аминокислот, входящих в состав мембранных белков эритроцитов, является перспективным для последующей разработки удобных диагностических тестов.

Использование современных биохимических методов позволило к настоящему времени определить количественный и качественный состав большинства мембранных белков эритроцитов, а, также, зритроцитарной мембраны в целом, выяснить места локализации генов, детерминирующие аминокислотный состав соответствующих белков [36,38,99,115,159,185]. В тоже время, в научной литературе не получили должного освещения проблемы, связанные с оценкой причин вариабельности содержания отдельных аминокислот в мембранах эритроцитов человека, сопряженности этой вариабельности в пределах клеточных мембран, зависимости количественной представительности аминокислотного спектра от пола и возраста. Остаются открытыми вопросы генетической детерминации количественной представительности аминокислот в мембранах эритроцитов, роли средовых факторов в формировании количественной представительности аминокислотного спектра.

Это, а так же объективная потребность дальнейшего углубления и развития представлений о механизмах регуляции построения аминокислотного состава мембран эритроцитов, определило проведение настоящего исследования.

Цель исследовании:

Изучить аминокислотный состав мембран эритроцитов чело-

века, его количественную представительность, взаимосвязи в вариабельности количественного содержания отдельных аминокислот в рамках единой клеточной структуры и оценить роль генетических и средовых факторов в детерминации количественной представительности и вариабельности аминокислотного спектра.

Задачи исследования„

1. Изучить количественное содержание аминокислотного спектра клеточных мембран эритроцитов у человека и оценить особенности их взаимосвязей между собой.

2. Провести оценку соотносительной роли генетических и средовых факторов в формировании фенотипического разнообразия количественных показателей отдельных аминокислот в мембранах эритроцитов человека.

3. Установить выраженность генетического контроля детерминирующего количественный состав аминокислот, входящих в состав клеточных мембран эритроцитов,

4. Определить степень общности в генетической детерминации количественных показателей аминокислотного состава мембран эритроцитов у человека.

5. Изучить роль средовых факторов в формировании количественной представительности аминокислотного состава мембран эритроцитов человека.

Научная новизна работу.

Впервые проведена оценка взаимозависимости в вариабельности количественного и качественного состава мембран эритроцитов у человека в норме. Изучены особенности количественной представительности аминокислотного спектра мембран эритроцитов и характера их взаимного варьирования в выборках челове-

на, различающихся по полу и по возрасту. Впервые проведена оценка роли генетических и средовых компонент в формировании общих фенотипических дисперсий количественных показателей аминокислотного спектра зритроцитарных мембран. Изучена роль генетических факторов в детерминации количественной представительности аминокислот, входящих в состав мембран эритроцитов и определена выраженность взаимосвязей между ними. Установлена степень общности средовых факторов в формировании количественных показателей аминокислотного состава клеточных мембран эритроцитов у человека.

Практическая значимость работе.

Полученные результаты формируют представления об аминокислотном составе клеточных мембран эритроцитов, определяющего функциональные особенности мембранных белков и эритроци-тарной мембраны в целом. Получены новые знания о соотносительной роли среды и наследственности в формировании количественных показателей аминокислотного спектра мембран эритроцитов человека. Результаты работы могут быть использованы как показатели нормы в практической медицине при проведении дифференциальной диагностики заболеваний, связанных с мембранной патологией.

На основе полученных данных возможна разработка научно-обоснованных методических рекомендаций, при изучении курсов биохимии, цитологии, мембранологии, биохимический, медицинской и клинической генетики в высших медицинской и биологической школах. Использование полученных данных в работе медико-генетических консультаций.

Положения, выносимые на защиту.

1. Аминокислотный состав мембран эритроцитов человека характеризуется различной количественной представительностью и выраженной межиндивудуальной вариабельностью. Количественное содержание аминокислот не зависит от возраста и пола.

2. Количественное содержание отдельных аминокислот, входящих в состав мембран эритроцитов, характеризуется статистически значимыми взаимосвязями различной степени выраженности. Структура этих взаимосвязей обладает статистически достоверной мерой сходства среди родственников I степени генетического родства.

3. В формировании фенотипических дисперсий количественного содержания аминокислот в мембранах эритроцитов принимают участие генетическая и средовая детерминанты. Первая, в наибольшей степени проявлялась среди кислых аминокислот, серина и лейцина (й>50%), Средовая - среди основных, нейтральных и гидрофобных аминокислот (Е>50%).

4. Количественное содержание исследованных аминокислот находится под генетическим контролем, В наибольшей степени он проявлялся в детерминации представителей нейтральных, гидрофобных и кислых аминокислот (87.6%-82.4%).

5. Между генетическими факторами, обеспечивающими контроль за количественными показателями изучаемого аминокислотного спектра эритроцитарных мембран человека, установлена достаточно выраженная мера сопряженности, Исключение составили глицин, тирозин и аргинин, контроль за количественным содержанием которых осуществлялся относительно независимо.

6. Количественная представительность аминокислот мембран

эритроцитов в существенной мере зависит от факторов среды. При этом, оредовые воздействия носят как общий, так и изолированный характер,

Апробация работы и публикации.

Результаты работы доложены на конференции студентов и молодых ученых (Курск, 1995, 1996, 1997, 1998 гг., Минск 1996 г.), на совместных заседаниях Курских областных обществ терапевтов и медицинских генетиков (1995, 1996 гг.), на XLIV республиканской научной конференции молодых ученых ММОИ (Москва, 1996 г.), на межкафедральном совещании сотрудников КГМУ (1999 г.), межлабораторном семинаре сотрудников СХА (1999 г.)

По материалам диссертации опубликовано 9 работ. Обь ем и структура диссертации.

Работа изложена на 137 страницах машинописного текста, иллюстрирована 20 таблицами, 4 рисунками; состоит из введения, 5 глав, обсуждения, выводов. Список литературы включает 196 источников, в том числе 105 источника зарубежной литературы.

Глава I. ОБЗОР ЛИТЕРАТУРЫ

I. Современное представление об этапах протекания зрит™ ропозза и о структурно - функциональных особенностях организации эритроицшрной мембраны.

Биологические мембраны представляют собой строго организованные структуры, которые разделяют две различные фазы и одновременно определяют условия их взаимосуществования. Они не являются статическими барьерами, а активно взаимодействуют с окружающей средой. К основным функциям мембраны можно отнести:

1. Реагирование на изменение внешней среды и передача информации в клетку, осуществляющееся через активацию специальных рецепторов, что, со своей стороны, приводит к повышению концентрации внутриклеточных сигнальных веществ, регулирующих метаболизм клетки.

2. Разделение клеточного объема на отдельные отсеки-ком-партментализация, что позволяет протекать одновременно в клетке реакциям, противоположным по направлению; при этом работа разных компартментов тонко регулируется.

3. Обеспечение межклеточных контактов с помощью специальных структур и механизмов.

4. Контроль за внутриклеточным содержимым с использованием специальных транспортных систем. При этом происходит выброс из клетки некоторых веществ (в основном продуктов метаболизма) и накопление других, в том числе субстратов мета-

болизма, К этой функции обеспечения метаболизма клетки нужными веществами примыкает и барьерная функция мембран, позволяющая клетке сохранять свое содержимое и защищаться от проникновения посторонних или вредных реагентов,

5, Превращение одного вида энергии в другую, например энергии электрохимического градиента в химическую (синтез АТФ), механическую (движение ресничек и жгутиков) или осмотическую. Правомерно поэтому рассматривать мембраны как биологические машины, причем коэффициент полезного действия таких систем бывает поразительно высоким.

Важная роль биологических мембран в клетках объясняет бурное развитие науки о строении и функционировании мембран -мембранологии. Своими успехами мембранологня в значительной степени обязана результатам, полученным на мембранах эритроцитов, Именно эти мембраны служили объектом ранних исследований, в результате которых сформировались представления о структурной организации биологических мембран, именно они широко используются в настоящее время для проверки и доказательств новых идей и гипотез в мембранологии [15,60,861.

Нормальные эритроциты человека представляют собой небольшие двояковогнутые диски, В них, как правило, отсутствуют ядро, митохондрии и другие внеклкеточные образования. У эритроцитов млекопитающих имеется только плазматическая мембрана, отделяющая цитоплазму от внешней среды, поэтому мембранные препараты, полученные из эритроцитарных клеток, являются сравнительно однородными, не загрязненными мембранами других органелл [50,651.

Главной функцией эритроцитов является перенос гемо