Білки як продукти генів
Спектр мутантних білків.Гени та інформаційні РНК є полімерами нуклеїнових кислот, часто звані інформаційними макромолекулами. За тією ж логікою білки та поліпептиди можуть бути названі функціональними макромолекулами. Ці полімери амінокислот перетворюють інформаційний потенціал генів та їх посередників на хімічну та фізіологічну роботу. Білки всюдисущі. Вони є живими компонентами мембран, що розділяють тканини, клітини та органели. У крові, лімфі та спинномозковій рідині вони підтримують осмотичний тиск і вибірково пов'язують і транспортують величезну кількість невеликих молекул. Як ферменти і гормони (поза клітиною або в ній) вони каталізують або регулюють реакції, що визначають можливість протікання анаболічних і катаболічних процесів. Білки майже нескінченно різноманітні за розміром, формою та функцією. Їх відносна молекулярна маса коливається від кількох сотень (гіпоталамічні рилізинг-фактори) до понад мільйона (гамма-макроглобуліну). Одні є мономерами, інші — олігомери, що складаються з двох, трьох, чотирьох або більше подібних або різних поліпептидних ланцюгів. Одні мають глобулярну форму, інші спіральну, треті мають як глобулярні, так і спіральні ділянки. Деякі білки як простетичні групи або кофактори містять іони металів, тоді як для активності інших необхідні органічні сполуки. Кожен білок, однак, завдячує своїми структурними особливостями та функціональною специфічністю єдиною причиною — первинною амінокислотною послідовністю. Оскільки вона у свою чергу залежить від нуклеотидної послідовності гена та інформаційної РНК, що кодує поліпептид, успадковані особливості структури або функції білка є наочним проявом мутації гена.Мутації відбуваються у всіх генах, і, отже, всі білки можуть змінюватися. Деякі варіанти цих змін виявляються легко, оскільки вони зумовлюють очевидні біохімічні чи клінічні порушення. Виявлення інших пов'язане з великими труднощами або тому, що вони зумовлюють ранню летальність, або їх клінічної або біохімічної латентності.
Взагалі кажучи, мутації, що визначають спадкові метаболічні порушення, торкаються структурних генів, що кодують первинну структуру білка (див. гл.57). Зміни одного кодону зазвичай зумовлюють заміну однієї амінокислоти і позначаються як такі, що змінюють сенс мутації. Мутації в інших точках (що призводять до неправильного розташування кодонів-термінаторів), так само як делеції та вставки (кодонів, генних сегментів або цілих генів), зумовлюють повну відсутність продукту гена або появу такого неповного або спотвореного продукту, що практично позбавляє його функції. В інших випадках мутації можуть змінювати швидкість білка. Подібний ефект може здійснюватися за рахунок модифікації гена, що контролює швидкість синтезу білка, або такої зміни кодонів структурних генів, що призведе до прискорення або уповільнення транскрипції або трансляції. Нарешті мутації можуть визначати посттрансляційну модифікацію білків. Оскільки більшість білків, призначених для секреції, вбудовування в мембрану або транспорту в клітинні органели (лізосоми або мітохондрії), синтезується у вигляді попередників, які по дорозі до місця призначення повинні піддаватися процесингу, дозрівання або глікозилювання, мутації можуть змінювати цей процес. Прикладами порушення процесингу секреторних та лізосомних білків відповідно служать гіперпроінсулінемія та I-клітинна хвороба.
Вроджені помилки описані для всіх типів білків. Першими звернули на себе увагу ферментні порушення, які блокують будь-яку анаболічну або катаболічну реакцію. Відомі сотні прикладів такого роду порушень (див. наступні розділи), та й нині на рік відкривають приблизно 10 нових ферментних дефіцитів. Вроджені помилки транспорту, що зачіпають кишечник чи нирки, можуть призводити до вибіркового порушення трансмембранного переміщення Сахарів, амінокислот, фосфату, вітамінів чи води (див. гл.308). Такі порушення, як цистинурія або глюкозурія, відображають недостатність специфічних мембранних білків-переносників, необхідні трансепітеліального переміщення двоосновних амінокислот або глюкози відповідно. Інші аномалії транспорту призводять до порушення зв'язування гормонів з мембранними рецепторами (при резистентному до вазопресину нецукровому діабеті) або іншим порушенням комплексування білків з лігандами (при патології поверхневих рецепторів ліпопротеїнів низької щільності у хворого з сімейною гіперхолестеринемією; див. гл.31). Мутації можуть торкатися і циркулюючі білки, а не тільки мембранні або внутрішньоклітинні. Прикладами таких станів є анальбумінемія, недостатність транскобаламіну II і абеталіпопротеїнемія.
Функціональні порушення.Підвищена активність. Просто кажучи, метаболічні порушення можуть вважатися наслідком надто великої чи надто малої кількості (або активності) специфічного білка. Описані варіантні форми глюкозо-6-фосфатдегідрогенази (Г-6-ФД), псевдохолінестерази та фосфорибозилпірофосфатсинтетази, що мають підвищену активність. У цих випадках мутації призводять до збільшення вмісту внутрішньоклітинного ферменту за рахунок прискореного синтезу мутантного білка, або йогосповільненого розпаду. При гострій інтермітуючій порфірії та сімейній гіперхолестеринемії збільшується також кількість ферментів, що каталізують швидкість, що обмежують реакції (див. гл.312 і 315). Однак у останньому випадку надмірна активність ферменту є вторинний феномен, обумовлений порушенням регуляції механізмом зворотний зв'язок, але це порушення пов'язані з іншим первинним генетичним дефектом.
Знижена активність. В основі більшості порушень обміну речовин лежить знижена активність (або зменшення кількості) білка. Ця недостатність може бути повною (при класичних формах фенілкетонурії та галактоземії) або частковою (при доброякісних варіантах цих порушень). Слід наголосити, що повну втрату активності ферменту не можна ототожнювати з повною відсутністю білка. Наприклад, при класичній галактоземії у тканинах хворого не вдається виявити активності галактозо-1-фосфатуридилтрансферази, хоча в тих же тканинах міститься білок, що перехресно реагує з антитілами до нативної молекули трансферази. Можна навести численні приклади патологічних станів, при яких визначається перехресно реагує матеріал (стани, позитивні по перехресно реагує матеріалу - ПЗМ + . Ці приклади показують, що мутація зумовила синтез білка, позбавленого каталітичної активності, але зберіг антигенну специфічність. ферментної недостатністю, такі як недостатність м'язової фосфорилази або хвороба фон Віллебранда, є ПЗМ - це вказує або на повну відсутність синтезу потрібного білка, або на такі глибокі зміни продукту гена, що він виявляється позбавленим як каталітичної, так і антигенної функції.
Більшістьуроджених порушень метаболізму характеризується не повною, а частковою втратою активності білків. Часткова недостатність може визначатися низкою механізмів. По-перше, вона може відбивати зниження швидкості синтезу нормальних чи дефектних молекул ферменту. По-друге, може бути пов'язані з прискореним розпадом структурно зміненого ферменту. По-третє, знижена активність може бути обумовлена меншою спорідненістю активного ферменту до субстрату або кофактор. По-четверте, для олігомерних ферментів знижена активність може визначатися порушенням взаємодії однакових чи різних субодиниць. По-п'яте, для ферментів, присутніх у тканинах над одній, а кількох ізоформах, знижена активність може бути обумовлена вибірковою відсутністю однієї з цих форм. Серед спадкових порушень обміну речовин можна виділити будь-який із перерахованих механізмів. Понад те, одні й самі фенотипічні прояви можуть зумовлюватися різними механізмами. Наприклад, одні варіанти Г-6-ФД виявляють підвищену лабільність, інші – аномальну спорідненість до субстрату, а треті – порушене утворення олігомеру. Подібні порушення пов'язані з різними структурними аномаліями одного і того ж поліпептидного ланцюга.