Молекулярная патология гемоглобина. Серповидноклеточная анемия

Министерство  здравоохранения Республики Беларусь

Витебский государственный  ордена Дружбы народов

Медицинский университет

Кафедра общей и клинической  биохимии

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Реферат на тему:

«Молекулярная патология  гемоглобина. Серповидноклеточная  анемия»

 

 

 

 

 

 

 

 

                                                               Исполнитель: студент 19 группы 2 курса

                                                                               лечебного факультета

                                                                  Артысюк А.В.

                                                        Проверила: доцент С.Н. Найдун 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Витебск, 2012

Оглавление:

 

Введение…………………………………………………………………………...3

1. Гемоглобин, его структура и типы. Глобиновые гены, их экспрессия……..4

2. Варианты гемоглобина…………………………………………………………6

3.1. Серповидно-клеточная анемия……………………………………………..10

3.2. Наследование………………………………………………………………..11

3.3. Механизм заболевания……………………………………………………...11

3.4. Распространение…………………………………………………………….12

Заключение……………………………………………………………………….14

Список использованной литературы…………………………………………...15

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Введение.

 

Целью данного реферата является более глубокое ознакомление с гемоглобином, с генетической точки зрения. Реферат состоит из трех глав, последовательно раскрывающих структуру и типы гемоглобина. Так первая глава посвящена соответственно структуре гемоглобина и глобиновым генам. В ней освещается строение гемоглобина, а также его преобразование в ходе онтогенеза, вследствие экспрессии разных глобиновых генов. Целью второй главы является ознакомление с вариантами гемоглобина, возникающими из-за различных мутаций, а также знакомство с понятием гемоглобинопатий. Третья глава посвящена такому заболеванию как серповидно-клеточная анемия. В ней раскрывается генетическая и биохимическая сущность этого заболевания, включая механизм его наследования и географическое распространение.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Глава 1. Гемоглобин, его структура и типы. Глобиновые гены, их экспрессия.

 

Гемоглобин – это  основной белок эритроцитов, для  выделения которого из организма  человека не требуется сложных биохимических  методик. Поэтому молекулу гемоглобина  исследовать значительно легче, чем любой другой белок человека. Все это привело к тому, что именно об этом белке мы знаем больше всего. Исследования по генетике гемоглобина, его аминокислотной последовательности и структуре молекулы продвигались очень быстро. На сегодняшний день мы знаем как гены, кодирующие полипептиды гемоглобина, так и аминокислотную последовательность этих полипептидов. Большинство концепций, разработанных для этой системы, являются общими для других белков.

Молекула гемоглобина  представляет собой тетрамер, состоящий  из четырех полипептидных цепей, и обозначается формулой α2β2. Эта формула показывает, что данная молекула состоит из двух α- и двух β- глобиновых цепей. Большинство разновидностей гемоглобина имеют идентичные α- цепи и отличаются лишь строением β- глобиновых цепей. К каждой полипептидной цепи глобина в специфическом месте присоединяется небелковая группа – гемогруппа, или гем. Четыре глобиновые цепи, каждая со своим гемом, образуют функциональную молекулу гемоглобина, которая переносит кислород от легких к тканям. Аминокислотная последовательность в полипептиде является его первичной структурой. Пространственное расположение соседних остатков называется вторичной структурой, а трехмерное расположение белковых субъединиц – третичной структурой. Четвертичной структурой является пространственной расположение четырех белковых субъединиц, которые образуют функциональную молекулу.

Основной разновидностью гемоглобина у детей и взрослых является гемоглобин HbA, или гемоглобин взрослых (α2β2). Его отличительная  черта – строение β-цепи. Глобиновые α- и β- цепи различны по многим аминокислотным остаткам. У многих взрослых людей есть небольшое количество (2-3%) гемоглобина HbA2 (α2δ2). Его δ-цепь отличается от β-цепи всего лишь десятью аминокислотными остатками. У всех детей после рождения обнаруживается менее 1% фетального гемоглобина HbF (α2γ2). γ -цепь значительно отличается от α- и β-цепей, причем α-цепи HbA, HbA2 и HbF идентичны.

Существует несколько  типов гемоглобина, характерных  для эмбрионального и фетального развития. Для эмбрионов характерны три типа гемоглобина: Gower I, Gower II и Portland I, имеющие в составе ζ-, ε-, γ- и α-цепи. ζ-цепи напоминают по аминокислотному составу α-цепи, а ε-цепи похожи на β-цепи. ζ-цепи, вероятно, появляются раньше других в эмбриональном развитии. ζ- и α-цепи исчезают через 8 -10 недель внутриутробного развития. Затем преобладающим становится гемоглобин HbF (α2γ2), который отличается от других присутствием γ –цепи. Известно два типа γ –цепей: с аланином (Aγ) или с глицином (Gγ) в 136-м положении. Существует также и третий тип γ –цепи, являющийся вариантом Aγ-цепи, с треонином вместо изолейцина в 75-м положении. Он встречается у 10-15% эмбрионов и, судя по всему, не связан с какой либо патологией. Гемоглобин α2β2 обнаруживается уже на 6-8 неделе развития плода.

Синтез γ –цепей у  эмбриона происходит в основном в печени и селезенке, но могут они синтезироваться и кроветворными клетками костного мозга. Наоборот, β-цепи в детстве и в более позднем возрасте синтезируются главным образом в костном мозге, однако синтез вне костного мозга также возможен.

Все нормальные гемоглобины  человека, которые были исследованы, имеют идентичную трехмерную структуру, существенную для переноса кислорода. Аминокислотная последовательность каждой глобиновой цепи кодируется собственным  уникальным геном, также как и синтез небелковой гемогруппы. У нормального человека в гаплоидном наборе хромосом обязательно присутствует хотя бы по одному гену α, β, γ, δ, ε, ζ. В большинстве популяций человека ген α-глобиновой цепи находится в дуплицированном состоянии. Отличий между этими генами не обнаружено, но экспрессируясь в одно и тоже время, ген второй α-глобиновой цепи транскрибируется более интенсивно и присутствует в организме в большем количестве, нежели ген первой α-глобиновой цепи. Существует также три варианта γ-глобиновых генов, о различиях их полипептидных цепей говорилось выше.

На сегодняшний день хорошо изучена нуклеотидная последовательность всех глобиновых генов. Гены глобинов человека образуют мультигенные семейства  и расположены на двух хромосомах в составе двух кластеров (кластеры – группа генов, расположенных в определенных хромосомах, объединенных общими функциями). α-кластер глобиновых генов (семейство ζ- и α-генов) занимает 25000 пар оснований (25 т.п.н.) и находится в коротком плече 16-ой хромосомы. Семейство ε- γ- β- δ-генов (β-кластер) распологается на коротком плече 11-ой хромосомы на участке в 60 т.п.н. Гены в α-кластере расположены в следующем порядке от 5' к 3': ген эмбриональной ζ-цепи, псевдоген ζ-цепи, псевдоген α-цепи и два идентичных гена α-цепи. Расположение генов в β-кластере следующее: ген эмбриональной ε-цепи, два гена фетальных γ-цепей, псевдоген β-цепи, ген δ-цепи и ген β-цепи. Порядок расположения этих генов совпадает с порядком их экспрессии в ходе онтогенеза. Последовательности нуклеотидов мало отличаются от таковых последовательностей у своих функциональных гомологов. В результате мутаций в псевдогенах стала невозможной их транскрипция и, следовательно, экспрессия. Имеется предположение о том, что псевдогены возникли в результате дупликаций, после чего их экспрессия перестала быть необходимой для нормального функционирования организма. Ген δ-глобина, продукт которого составляет всего 2-3% всего гемоглобина, можно считать переходным состоянием к псевдогену. Все глобиновые гены имеют сходную функциональную организацию. Каждый из них имеет три кодирующие последовательности, т.е. три экзона. Между данными экзонами находятся две уникальные вставочные последовательности, или интроны (IVS-1, IVS-2). Как известно интроны транскрибируются вместе с экзонами и вырезаются в ходе процессинга для образования функциональной мРНК.

Все глобиновые цепи различных  гемоглобинов имеют общее эволюционное происхождение и возникли в результате последовательных дупликаций генов. Вероятно, около 1100 млн. лет назад произошла дупликация гена-предшественника, давшая начало гемоглобиновым и миоглобиновым генам. Позднее, около 500 млн. лет назад на ранней стадии эволюции позвоночных произошла дупликация, давшая начало двум (α и β) семействам глобиновых генов, сопровождавшаяся транслокацией. Примерно 200 млн. лет назад очередная дупликация привела к возникновению в семействе β-глобиновых генов β-глобинов плодов и взрослых. Около 100 млн. лет назад произошло образование ε- и γ- глобиновых генов и, наконец, 40 млн. лет назад появились δ- и β-глобиновые гены.(см. Список использованной литературы пункт 1 и 7)

 

 

 

Глава 2. Варианты гемоглобина.

 

Различные варианты гемоглобина возникают  вследствие различных мутаций в  глобиновых генах. Чаще всего в результате единичных замен аминокислот в глобиновой цепи. На данный момент описано около 350 таких замен. Такие аминокислотные замены возникают в результате замены нуклеотида в триплете. Например, при замене тимидилового нуклеотида в триплете ЦТЦ, кодирующего глутаминовую кислоту, на адениловый, с образованием триплета ЦАЦ, кодирующего валин, происходит существенное изменение свойств гемоглобина, что приводит к серповидно-клеточной анемии. Если новая аминокислота будет отличаться по заряду от исходной, то это приведет к изменению электрофоретических свойств полипептида. Но, если новая мутация не приведет к изменению электрофоретических свойств, то обнаружить ее удастся только лишь при существенном изменении функциональной активности молекулы и возникновении болезни. Большинство мутаций независимо от того, меняют ли они заряд молекулы или нет, не влияют на функции гемоглобина и не приводят к патологии. Как правило, аминокислотные замены, возникающие в полипептиде в участках молекулы гемоглобина, которые обращены наружу, оказывают меньшее воздействие на молекулу, чем замены в участках контакта субъединиц или присоединения гемогруппы. Замены, нарушающие нормальную спиральную структуру цепи, вызывают нестабильность гемоглобина. Замены аминокислот в участках контакта субъединиц, влияют на сродство гемоглобина к кислороду. Большинство гемоглобиновых вариантов очень редки, но лишь немногие (HbE, HbC, HbS) встречаются чаще других.

Нарушение функций гемоглобина  ведет к возникновению заболеваний, известных под названием гемоглобинопатии. Гемоглобинопатии - это группа патологических состояний, обусловленные нарушениями структуры цепей глобина - заменой одной или нескольких аминокислот в цепи глобина, отсутствие участка цепи или ее удлинением.

Существуют четыре основных типа болезней гемоглобина:

1. Гемолитические анемии, вызванные  нестабильностью гемоглобина. 

2. Метгемоглобинемии, обусловленные  ускоренным окислением гемоглобина. 

3. Эритроцитоз, вызванный нарушением  сродства гемоглобина к кислороду. 

4. Серповидноклеточные нарушения  как следствие повреждений клеточных мембран эритроцитов гемоглобином S.

Во всех случаях, кроме серповидноклеточных  нарушений, гетерозиготы страдают различными заболеваниями, то есть мутации ведут  себя как аутосомно-доминантные.

Гемолитические анемии. Они вызываются нестабильными формами гемоглобина, которых известно свыше 100. В большинстве случаев мутация затрагивает β-цепь. У многих нестабильных гемоглобинов в полипептидной цепи обнаруживаются аминокислотные замены или делеции в участках связывания гема. Нестабильность может быть едва заметной, что не имеет никаких клинических последствий, до выраженной нестабильности, при которой происходит интенсивное разрушение эритроцитов. Нестабильность часто обусловлена преждевременной диссоциацией гема и глобиновых цепей. Точный диагноз может быть затруднен, особенно если не наблюдается изменений электрофоретической подвижности. В таком случае необходимо выделение глобиновых цепей для дальнейшего анализа в специализированных лабораториях. Нестабильные гемоглобины являются причиной врожденных несфероцитарных гемолитических анемий.

Метгемоглобинемия, обусловленная  гемоглобином М. Известно пять различных  мутаций, приводящих к образованию  гемоглобина М. Собственно метгемоглобинемия  обусловлена ускоренным окислением двухвалентного железа до трехвалентного. В четырех случаях образование HbМ вызвано заменой одного из гистидинов, удерживающих группу гема в его специфическом «кармане» в глобиновой молекуле и стабилизирующих железо гема в его окисленной форме, на тирозин. Пятая мутация, вызванная заменой валина в 67-ом положении β-цепи на глутаминовую кислоту, пока не может быть достаточно четко объяснена с молекулярной точки зрения. Больные с мутацией в α–цепи, вызывающими образование HbМ, страдают цианозом от рождения. При мутации в β-цепи цианоз развивается только через 6 месяцев после рождения, когда происходи замена γ–цепи на β-цепь. У больных с HbМ часто наблюдается слабый гемолиз.

Эритроцитоз, вызванный образованием гемоглобинов с нарушенным сродством  к кислороду. Существует около 30 гемоглобинов с повышенным сродством к кислороду. В 11 случаях мутации происходят в месте контакта α1β1-субъединиц в тетрамере. При адсорбции кислорода происходит движение глобиновых субъединиц в месте контакта между цепями. Повышенное сродство к кислороду может быть вызвано стабилизацией «окси»-конформации или дестабилизацией «дезокси»-конформации. Большинство других гемоглобинов с высоким сродством к кислороду содержат мутации на СООН-конце β-цепи или в сайтах связывания дифосфоглицерата. В норме эти сайты обеспечивают стабильность «дезокси»-конформации.