В самостоятельную науку биологическая химия выделилась почти 100 лет назад, но многие биохимические процессы известны людям с давних времен и использовались в различных областях производства, сначала кустарного, а в последствии и промышленного масштаба. Например, на биохимических реакциях основано хлебопечение, сыроварение, изготовление вин, выделка кожи.
Сыроварением и изготовлением кисломолочных продуктов люди занимались еще до нашей эры, об этом упоминается даже в поэмах Пэмера. В процессе приготовления кисломолочных продуктов большую роль играют молочнокислые бактерии.
Использование лекарственных растений для лечения болезней привело к поиску действующего вещества и заставило задуматься о том, что с ним происходит в организме человека. Употребление плодов, зелени, изготовление растительных красок также привлекло интерес к химическому составу растений. Многие лекарственные вещества различного происхождения описаны в труде великого арабского врачевателя Авиценны «Канон врачебной науки».
Известный итальянский художник Леонардо да Винчи проводил различные опыты и сделал заключение о том, что живые организмы могут существовать только в той атмосфере, в которой может появиться пламя. Теперь уже всем известно, что почти всем жи4
вым организмам необходим кислород, содержащийся в атмосферном воздухе и обеспечивающий процесс горения. В конце XVIII в. было открыто значение дыхания и объяснена роль кислорода для живого организма.
Изучение химического состава живых организмов позволило английскому врачу и химику У. Прауту в 1827 г. разделить молекулы на белки, жиры и углеводы.
Химический состав организма человека вызывал большой интерес в научном мире. Немецкий химик Ф. Велер в 1828 г. впервые получил такое органическое вещество, как мочевина, сначала из аммиака и циановой кислоты, а затем из аммиака и углекислого газа. В 1882 г. ученый И.Я. Горбачевский (Украина) получил мочевую кислоту из глицина, а в дальнейших работах выявил процесс образования мочевой кислоты в живых организмах: мочевина и мочевая кислота образуются в результате превращения белков в организме, и их уровень в крови является важным показателем состояния белкового обмена. И. Я. Горбачевский известен и другими исследованиями в области биохимии (получение метилмочевой кислоты, креатина, открытие ксантиноксидазы). Именно он доказал то, что белки состоят из аминокислот, разработал способ определения азота в моче и других биологических материалах.
В 1854 г. французский химик П. Бертло получил в ходе лабораторных опытов жиры, а в 1861 г. русский химик А. М. Бутлеров высказал теорию строения органических соединений. Изучением микроорганизмов и вызываемого ими брожения занимался французский микробиолог Л. Пастер. Брожение - это расщепление углеводов под воздействием ферментов, происходящее с участием кислорода или без него и приводящее к образованию энергии, которую микроорганизмы используют для своей жизнедеятельности.
В организме человека брожение осуществляется в кишечнике населяющими его микроорганизмами, под воздействием выделяемых ими ферментов. Изучением брожения занимался и немецкий химик Э. Бухнер, который доказал, что процесс расщепление сахара имеет более химическую природу, чем биологическую, так как происходит с участием не только дрожжей (живых грибков), но и экстракта из них.
Большой вклад в изучение белков внес немецкий химик Э. Фишер, определивший строение и свойства большинства аминокислот. Также он установил химическую связь между аминокислотами в белках, что явилось основой пептидной теории строения белков. В 1926 г. американский биохимик Д. Самнер получил уреазу (фермент) и доказал, что он является белком. Дальнейшее изучение ферментов привело к открытию строения витаминов и определило превращение их в организме. Были изучены гликолиз (бескислородное расщепление углеводов) и цикл трикарбоновых кислот (циклические реакции, в ходе которых образуются вещества с большим запасом энергии). Открытие нуклеиновых кислот в составе белков и модели строения ДНК стало прорывом для биологии и медицины (биохимии, генетики). За это в 1953 г. английский врач и биолог Ф. Крик и американский биолог Д. Уотсон были удостоены Нобелевской премии.
Все эти открытия и достижения, а также дальнейшие биохимические исследования позволили описать обмен веществ в организме человека. При различных патологических состояниях происходят изменения химического состава в клетках, тканях, биологических жидкостях и выделениях. Наиболее часто биохимическому анализу подвергают кровь, мочу, кал, слюну, ликвор, желчь и желудочный сок. Реже исследуют химический состав красного костного мозга, околоплодной жидкости, пота, рвотных масс, волос, ногтей и спермы.
Химический состав биологического материала может изменяться как количественно (увеличение или понижение содержания каких-либо веществ, нарушение соотношения между ними), так и качественно (выявление отсутствующих или не определяющихся в норме веществ). В связи с этим биохимический анализ в некоторых случаях проводят прицельно, определяя уровень вещества в исследуемом материале или выявляя только его присутствие.
Многие наследственные заболевания связаны с нарушением обмена веществ. Часто это вызвано генетически обусловленным дефицитом каких-либо ферментов, в таком случае биохимические исследования помогают поставить точный диагноз. Иногда для этого подвергают анализу и кусочки тканей внутренних органов.
Биохимические исследования позволяют выявить некоторые нарушения обмена веществ уже в период внутриутробного развития или сразу после рождения ребенка, при этом возможно раннее начало лечения наследственных заболеваний, что дает возможность нормализовать состояние плода или ребенка, наилучшим образом обеспечить условия для его развития в соответствии с возрастом.
С помощью распространенных биохимических анализов можно выявить наличие нарушений обмена веществ, а для постановки точного диагноза проводят более детальные исследования. Многие биохимические анализы, позволяющие выявить наследственные нарушения обмена веществ, угрожающие жизни или развитию детей, в настоящее время проводят массово в форме скрининг-тестов. Например, всех новорожденных в роддоме обследуют на фенилкетонурию. Кроме того, с помощью биохимических тестов выявляют такие за
болевания, как энзимопатии, гликогенозы, муковисцидоз, адреногенитальный синдром. Исследованию в таких случаях подвергают наиболее доступный материал от больного (кровь и мочу).
После скринингового обследования делают уточняющие биохимические анализы, определяют количество вещества, свидетельствующего о заболевании, в единице исследуемого материала и следят за его уровнем в организме в дальнейшем.
Современные биохимические лаборатории оснащены компьютерами и анализаторами, которые делают возможным проводить одновременно большое число исследований с высокой точностью результатов и их расшифровкой. Биохимические анализы выполняют на основе таких методов, как хроматография, электрофорез и центрифугирование.
Хроматография
Хроматография - это метод установления химического состава смеси, основанный на определенном распределении веществ, находящихся в разном агрегатном состоянии (газ, жидкость, твердые частицы) между двумя фазами (подвижной или неподвижной). К подвижной фазе относятся газы и жидкости, а к неподвижной - твердые вещества. В определенных условиях вещества в смеси начинают распределяться по фазам: газы перемещаются вверх, твердые частицы осаждаются, между ними скапливается слой жидкости, некоторые жидкости тоже могут расслаиваться. Вещества подвижной фазы перемещаются с различной скоростью, что тоже позволяет судить о составе смеси. Распределяясь в анализаторе по фазам, компоненты смеси образуют цветовой столб, при этом для каждого вещества существуют свои цветовые характеристики.Основоположник метода - русский биолог М. С. Цвет, который, пропуская смеси красящих веществ растительного происхождения через бесцветное впитывающее вещество, обнаружил, что оно окрашивается слоями с различными цветовыми характеристиками. Такой цветовой столбик был назван хромограммой.
В настоящее время существуют множество видов хроматографии. Например, адсорбционная хроматография основана на использовании адсорбентов (твердых впитывающих веществ). Разные вещества впитываются адсорбентами по-разному, именно выявление этих особенностей и позволяет оценить качественный состав исследуемой смеси. Распределительная хроматография основана на разной растворимости веществ, находящихся в разной фазе.
Ионообменная хроматография основана на проникновении ионов подвижной фазы (исследуемой жидкости) в вещество неподвижной фазы, которое происходит за счет электростатического взаимодействия между ионами этих веществ. Способность твердых веществ выпадать в осадок позволяет проводить осадочную хроматографию.
Существует еще эксклюзионная хроматография, при которой распределение веществ обеспечивается за счет разной проницаемости молекул жидкой фазы в гель (неподвижную фазу).
Электрофорез
Биохимические анализы, основанные на принципе электрофореза, в медицинской практике используют очень широко, так как одновременно информативны и экономичны. Метод электрофореза, разработанный в 1937 г. шведским биохимиком А. Тиселиусом, позволяет разделять макромолекулы по фракциям и основан на свойствах макромолекул при растворении в воде приобретать электрический заряд. При воздействии на раствор электрического поля молекулы притягиваются к электроду с противоположным зарядом.Скорость перемещения молекул зависит от их размера и электрического заряда. Так, молекулы белка амфотерны, т. е. имеют положительный заряд на одном конце и отрицательный на другом, поэтому их скорость и направление перемещения зависят от среды (кислая или щелочная). На заряд белковых молекул в средах с одинаковой кислотностью влияют аминокислоты, входящие в их состав. При распаде белковой молекулы образуются цепи аминокислот с разным электрическим зарядом, которые под воздействием электрического поля притягиваются к противоположно заряженному электроду и таким образом разделяются.
Гель - это смесь нескольких веществ, обладающая свойствами твердых тел (сохраняет форму), но очень пластичных (деформируется). Одно вещество при этом всегда состоит из крупных молекул, образующих сетку (каркас), заполненную молекулами малого размера второго вещества.
Для упрощения разделения веществ электрофорез проводят на фильтровальной бумаге, целлюлозе, гелях и агарозе, в этом случае гели выступают в качестве ионного фильтра: мелкие ионы проникают в поры геля, а крупные - нет, что дает дополнительную информацию для исследования.
Наиболее часто электрофорез применяют для разделения белков по фракциям (все белки крови подразделяются на альбумины и несколько видов глобулинов). При многих заболеваниях изменяется не только общее количество белка в крови, но и соотношение его различных фракций. Результаты таких исследований важны для диагностики заболеваний печени, почек, злокачественных опухолей, нарушений иммунитета, инфекционных заболеваний и наследственных болезней.
Центрифугирование
С помощью центрифуги можно разделить жидкие смеси с компонентами разной удельной плотности, так как при очень быстром вращении смеси расслаиваются и частицы разных компонентов в центробежном поле осаждаются с разной скоростью, которая зависит от ихразмера и плотности.
Например, при центрифугировании крови в пробирке образуются несколько слоев: верхний желтый слой - плазма, нижний темный слой - клетки крови (эритроциты, лейкоциты и тромбоциты). При этом у границы жидкости можно заметить тонкий сероватый слой тромбоцитов.
Вещества, имеющие диагностическое значение, могут находиться в клетках крови или в плазме, некоторые химические элементы и вещества определяются и там, и там, поэтому разделение крови по фракциям позволяет провести точную диагностику.
Центрифугированию можно подвергнуть любые неоднородные жидкие среды, при этом оно подразделяется на препаративное и аналитическое.
Препаративное центрифугирование
Проводят с целью получения определенных компонентов из биологического материала для дальнейшего биохимического анализа. Такими компонентами могут быть клетки, их органеллы (митохондрии, рибосомы, ядра и др.) и макромолекулы (белки, ДНК и др.). Этот вид подготовки материала к дальнейшему исследованию применяют более часто, чем последующий.
Аналитическое центрифугирование
Проводят для выявления характеристик однородного материала, например, макромолекул. Материал центрифугируют, вследствие чего под контролем оптических систем происходит осаждение частиц. При этом можно определить их однородность, молекулярную массу, структуру, так как форма и масса частиц оказывают влияние на скорость осаждения. Проводя расчеты по стандартным формулам, можно вычислить эти параметры и составить характеристики исследуемого материала.
Биохимические методы направлены на выявление биохимического фенотипа организма. Эти методы позволяют диагностировать наследственные болезни, обусловленные генными мутациями. Биохимические показатели (первичный белковый продукт гена, накопление патологических метаболитов внутри клетки) отражают сущность болезни более адекватно, чем клинические симптомы. С помощью биохимических методов описано более 1000 врожденных болезней обмена веществ. Наиболее распространенными среди таких заболеваний являются болезни, связанные с дефектами ферментов, структурных и транспортных белков. Дефекты ферментов устанавливают путем определения содержания в биологических средах (например, моче и крови) продуктов метаболизма, являющихся продуктом функционирования данного белка.
Дефицит конечного продукта, сопровождающийся накоплением промежуточных и продуктов нарушенного метаболизма, свидетельствует о дефекте фермента или его дефиците в организме. Биохимические методы многоступенчаты. Для их проведения требуется аппаратура разных классов. Объектами биохимической могут быть моча, пот, плазма и форменные элементы крови, культуры клеток (фибробласты, лимфоциты). В связи с многообразием биохимических методов, применяемых в лабораторной диагностике наследственных болезней, для эффективного их использования применяется определенная система. Биохимическую диагностику проводят в два этапа. На первом этапе отбирают предположительные случаи заболеваний, на втором — более точными и сложными методами уточняют диагноз заболевания. Первый этап включает качественные и количественные тесты с мочой и кровью на белок, кетокислоты, цистин и гомоцистин, креатинин и другие показатели. Фактически такие исследования можно проводить в каждой больнице. Показания их применения достаточно широкие, стоимость каждого анализа невысокая. Второй этап основан на более точных методах, позволяющих обнаружить большие группы биохимических аномалий. Например, с помощью тонкослойной хроматографии мочи и крови можно диагностировать нарушения обмена аминокислот, олигосахаридов и гликозаминогликанов (мукополисахаридов). Газовая хроматография применяется для выявления наследственных болезней обмена органических кислот.
С помощью электрофореза гемоглобинов диагностируется вся группа гемоглобинопатий. Несмотря на сложность и дороговизну, биохимическим методам принадлежит ведущая роль в диагностике моногенных наследственных болезней. Современные высокоточные технологии (жидкостная хроматография, масс-спектрометрия, магнитная резонансная спектроскопия, бомбардировка быстрыми нейтронами) позволяют идентифицировать любые метаболиты, специфические для конкретной наследственной болезни. Показаниями для применения биохимических методов диагностики у новорожденных являются такие симптомы, как судороги, кома, рвота, гипотония, желтуха, специфический запах мочи и пота, нарушения кислотно-основного состояния, остановка роста. Например, в случае фенилкетонурии применение биохимических исследований позволяет своевременно выявить патологию и начать специфические медицинские мероприятия. У детей биохимические методы используются во всех случаях подозрения на наследственные болезни обмена веществ (задержка физического и умственного развития, потеря приобретенных функций, специфическая для какой-либо болезни клиническая картина). Биохимические методы применяются для диагностики наследственных болезней и гетерозиготных состояний у взрослых (гепатолентикулярная дегенерация, недостаточность глюкозо-6-фосфатдегидрогеназы).
Для определения врожденного гипотереоза в крови ребенка на 3 день жизни определяют уровень тироксина. Просеивающая программа массовой диагностики наследственных болезней применяются не только среди новорожденных. Они могут быть организованны для выявления тех болезней которые распространены в каких либо группах населения. Например с США организована просеивающая биохимическая программа по выявлению гетерозиготнвх носителей идиотии Тей-Сакса (она чаще встречается среди евреев-ашкенази). На Кипре и в Италии организовано биохимическое исследование гетерозиготных несителей талассемии .
Селективные диагностические программы предусматривают проверку биохимических аномалий обмена у пациентов с подозрением на генные наследственные болезни.
В селективных программах могут использоваться простые качественные реакции (например, тест с хлоридом железа для выявления фенилкетонурии или тест с динитрофенилгидрозином для выявления кетокислот в моче) или более точные методы. Например, с помощью тонкослойной хроматографии мочи и крови можно диагностировать наследственные нарушения обмена аминокислот и мукополисахаридов. С помощью электрофореза гемоглобинов диагностируется вся группа гемоглобинопатий .
На сегодняшний день в нашей стране внедрена программа обязательного селективного скрининга на определение наследственных болезней обмена веществ, с проведением 14ти тестов анализов мочи и крови: на белок, кетокислоты , цистин и т.д. На втором этапе, применяя методы тонкослойной хроматографии мочи и крови, можно выявить более 140 наследственных болезней обмена веществ, такие как болезни углеводного обмена, лизосомальные болезни накопления, болезни обмена металлов, аминоацидопатии и т.д.
Широкое применение нашел биохимический метод в пренатальной диагностике врожденных пороков развития. Биохимические методы включают определение уровня альфа- фетопротеина, хорионического ганадотропина в сыворотке крови беременной. Эти методы являются просеивающими для выявления врожденных пороков развития. Например, при дефектах невральной трубки повышается уровень альфа-фетопротеина.
Цитогенетический метод.
Цитогенетический метод, основанный на изучении количества и структуры хромосом в норме и при патологии.
Основными показаниями для цитогенетического исследования являются:
1) пренатальная диагностика пола плода в семьях, отягощенных заболеваниями, сцепленными с Х-хромосомой;
2) недифференцированная олигофрения (слабоумие);
3) привычные выкидыши и мертворождения;
4) множественные врожденные пороки развития у ребенка;
5) бесплодие у мужчин;
6) нарушение менструального цикла (первичная аменорея);
7) пренатальная диагностика при возрасте матери старше 35 лет.
Этот метод стал широко применяться в медицинской практике с 1956 года, когда Тио и Леван определили, что у человека 46 хромосом. Первая классификация хромосом человека, предложенная в Денвере заложила основу для последующих номенклатур хромосом.
Наиболее современной считается Международная система цитогенетической номенклатуры хромосом человека сокращенно ISCN , принятая в Вашингтоне в 1995 году.
Согласно последней номенклатуре в хромосоме длинное плечо обозначают q , а короткое p. В каждом районе хромосомы полосы и сегменты пронумерованы последовательно от центромеры к теломере. Использование метода дифференциального окрашивания хромосом позволяет выделять индивидуальный рисунок каждой хромосомы вследствие того, что в хромосоме участки эу- и гетерохроматина по-разному окрашиваются красителями.
Объектами для цитогенетического исследования служат метафазные хромосомы, которые можно изучать с помощью прямых и непрямых методов.
Прямые - это методы получения препаратов делящихся клеток без культивирования, их используют для изучения клеток костного мозга и клеток опухолей. Непрямые методы - это методы получения препаратов хромосом из культивированных в искусственных питательных средах, например, при культивировании лимфоцитов периферической крови человека.
С помощью непрямых методов возможно проводить: кариотипирование - определение количества и качества хромосом; генетический пол организма; диагностику геномных мутаций и хромосомных аберраций. Например, синдром Дауна (трисомия по 21-й хромосоме), синдром Патау (трисомия по 13-й хромосоме), синдром Эдвардса (трисомия по 18-й хромосоме), синдром «кошачьего крика» (делеция 5-й хромосомы), синдром Вольфа-Хиршхорна (частичная моносомия 4-й хромосомы).
Для изучения половых хромосом, в частности Y-хромосомы, используют специальную окраску акрихиниприт (флюоресцирующая) и исследование проводят в ультрафиолетовом свете. Y-хроматин - это сильно светящаяся точка, обнаруживается в ядрах клеток мужского организма, и число Y-телец соответствует числу Y-хромосом в кариотипе. Окончательный диагноз хромосомной болезни выставляется только после исследования кариотипа.
Чтобы быстро определить изменения числа половых хромосом применяют экспресс-метод определения полового хроматина. Половой хроматин или тельце Барра представляет собой одну из двух X-хромосом, причем в инактивированном виде. Оно выявляется в виде сгустка треугольной или овальной формы около внутренней мембраны ядерной оболочки. В норме половой хроматин обнаруживается только у женщин. При увеличении числа Х-хромосом увеличивается и количество телец Барра. При уменьшении числа Х-хромосом (синдром Шерешевского-Тернера, кариотип 45 ХО) тельце Барра отсутствует. В норме у мужчин половой хроматин не обнаруживается, его наличие может свидетельствовать о синдроме Клайнфельтера (кариотип 47 ХХY).
Цитогенетический метод применяют для пренатальной диагностики наследственных заболеваний. Для этого проводят амниоцентез, получают амниотическую жидкость с клетками кожи плода, затем клеточный материал исследуют для дородовой диагностики хромосомных аберраций и геномных мутаций, а также пола плода. Обнаружение изменение количества и структуры хромосом дает возможность своевременного прерывания беременности с целью предупреждения потомства с грубейшими аномалиями развития.
Причиной многочисленных наследственных нарушений обмена веществ являются различные дефекты ферментов, которые возникают вследствие мутаций соответствующих генов. Такие заболевания называют ферментопатия (энзимопатии). Наиболее распространенными е фенилкетонурия, алкаптонурия, галактоземия, муковисцидоз, болезнь Гоше, болезнь Тея - Сакса, альбинизм и др. Биохимические показатели (первичный продукт гена, накопления патологических метаболитов в организме больного) отчетливее отражают сущность болезни по сравнению с клиническим показаниям.
Использование хроматографии, электрофореза, спектроскопии и т.д. позволяет определить любые метаболиты, специфичные для конкретной наследственной болезни.
Хроматография - это способ разделения различных смесей на составляющие. Метод заключается в том, что в неподвижной среде, через которое протекает растворитель, каждый компонент, захваченный им, движется с определенной скоростью, независимой от скоростей других компонентов. Если, например, смесь пигментов, которые определяют зеленый цвет растения, растворить в определенном растворителе и пропустить через недвижимое среду, например через молотый мел, то она разделится на несколько различных пигментов. По такому же принципу определяют наличие определенного фермента в сложной смеси различных веществ организма.
Электрофорез - это модификация хроматографии, позволяет разделить молекулы с различными зарядами. В хроматографическом среде под действием электрического поля различные молекулы смеси движутся в ту или иную сторону в зависимости от их относительных масс и зарядов. Электрофорез широко применяют для выделения и идентификации аминокислот.
Спектроскопия заключается в определении строения молекул различных веществ с помощью специальных приборов - спектроскопов. В зависимости от типа прибора спектроскопию осуществляют в ультрафиолетовой, видимой или инфракрасной частях спектра. Свет пропускают через исследуемое вещество и анализируют его спектр на выходе. Каждый химический элемент имеет характерные линии в спектре, поэтому можно определить химическую структуру молекулы исследуемого вещества. Таким образом идентифицируют определенный фермент или иную химическое соединение в организме или определяют строение ранее не известной вещества.
Объектами биохимических анализов могут быть моча, пот, плазма и клетки крови, культуры клеток (фибробласты, лимфоциты).
Биохимические методы - определение наличия определенных веществ (преимущественно первичных продуктов генов - ферментов и патологических метаболитов с целью диагностики наследственных болезней).
Биохимические методы очень трудоемки, требуют специального оборудования, поэтому их нельзя использовать для массовых популяционных исследований с целью раннего выявления больных с наследственной патологией обмена. В последнее время в разных странах разрабатывают и используют для массовых исследований специальные программы. Первый этап такой программы называют скринингом (англ. Screening - просеивание), которая заключается в выделении среди большого количества обследуемых вероятно больных, которые имеют определенные наследственные отклонения от нормы. На этом этапе обычно применяют простые и доступные экспресс-методы для выявления продуктов обмена в моче, крови. На втором этапе проводят уточнение (подтверждение или опровержение диагноза) с использованием точных хроматографических методов определения ферментов, аминокислот и тому подобное.
Используют также микробиологические тесты, основанные на том, что некоторые штаммы бактерий растут только в средах, содержащих определенные аминокислоты, углеводы. Если в крови или моче есть необходимое для роста вещество, то в чашке Петри вокруг фильтровальной бумаги, пропитанной одной из этих жидкостей, наблюдается активное размножение бактерий, чего не происходит в случае тестирования крови или моче здорового человека.
Биохимические методы применяют также для выявления гетерозиготных носителей наследственных аномалий, которые в фенотипе проявляются невнятно. Это делают с помощью биохимического тестирования, микроскопического исследования клеток крови и тканей, определения активности определенного фермента, измененного в результате мутации и тому подобное. Такие меры необходимы для своевременного лечения и профилактики, а также определение вероятности рождения больного ребенка в генетически риск-ресниц семьи.
Молекулярно-генетический метод
Анализировать фрагменты ДНК, находить и изолировать отдельные гены и их сегменты и определять в них последовательность нуклеотидов позволяет молекулярно-генетический метод.
Молекулярно-генетический метод - использование биохимических реакций, которые осуществляются с помощью соответствующих ферментов, с целью определения структуры генов, их идентификации и локализации, а также характера мутаций.
Этот метод успешно применяют для идентификации генных мутаций, а также изучение генома человека. Распространился он в 70-80-е годы XX в. в связи с развитием молекулярной генетики.
Начальным этапом молекулярно-генетического анализа является получение достаточного количества образцов ДНК через клонирование. Для этого используют геномную ДНК - всю ДНК клетки или отдельные ее фрагменты.
Деспирализации, выявление и вырезания соответствующих фрагментов ДНК осуществляют с помощью особых ферментов - ресшриктаз. Различные рестриктазы распознают только соответствующие последовательности нуклеотидов и разрезают ДНК в определенных местах. Выделенные фрагменты ДНК с помощью специальных ферментов - полимераз - копируют в необходимом количестве.
Копируемые фрагменты ДНК с помощью электрофореза на агаровой или полиакридамидному гели разделяют на фракции по размерам. Под действием электрического поля фрагменты ДНК движутся в геле со скоростью, зависящей от их длины: чем они короче, тем быстрее движутся. В результате этого фрагменты ДНК через некоторое время занимают определенное место на полосе геля в виде отдельных полос. Длину каждого фрагмента определяют путем сравнения расстояний, пройденных им, и стандартным отрезком ДНК (с известными размерами и последовательностью оснований).
Для идентификации выделенных фрагментов ДНК их сначала разделяют на две цепочки, а затем гибридизують с соответствующими маркерными фрагментами ДНК. Если при этом образуется нормальная двойная спираль, то исследуемый фрагмент не имел нарушений. Если спираль имеет дефекты, то исследуемый фрагмент является мутантным.
Различные модификации этого метода позволяют проанализировать в лаборатории даже незначительное количество ДНК, взятую у больного. их используют для пренатальной диагностики наследственных болезней. При этом ДНК получают из клеток, которые содержатся в околоплодной жидкости. Аномальный эмбрион легко распознать, потому что его ДНК гибридизующимся только с маркерным фрагментом ДНК, имеющий комплементарную мутантную последовательность нуклеотидов.
В 90-е годы XX в. с помощью молекулярно-генетической методики были идентифицированы и локализованы гены, ответственные за такие тяжелые наследственные болезни нервной системы человека, как хорея Гентингтона, миотоническая дистрофия, синдром ломкой Х-хромосомы и др. Например, ген хореи Гентингтона локализован в коротком плече 4-й хромосомы. Он имеет участок, где нуклеотидная последовательность представлена многократным повторением трех основ ЦАГ (цитозин - аденин - гуанин). В норме количество таких повторов колеблется от 11 до 34, а у больных вследствие мутации гена их 37-86. Болезнь наследуется по аутосомно-доминантному типу, а признак проявляется во всех носителей гена.
На основе молекулярно-генетического метода в настоящее время успешно разрабатывают технологии генной терапии распространенных наследственных болезней, например муковисцидоза.
Для генетических исследований человек является неудобным объектом, так как у человека: невозможно экспериментальное скрещивание; большое количество хромосом; поздно наступает половая зрелость; малое число потомков в каждой семье; невозможно уравнивание условий жизни для потомства.
В генетике человека используется ряд методов исследования.
Генеалогический метод
Использование этого метода возможно в том случае, когда известны прямые родственники — предки обладателя наследственного признака (пробанда ) по материнской и отцовской линиям в ряду поколений или потомки пробанда также в нескольких поколениях. При составлении родословных в генетике используется определенная система обозначений. После составления родословной проводится ее анализ с целью установления характера наследования изучаемого признака.
Условные обозначения, принятые при составлении родословных:
1 — мужчина; 2 — женщина; 3 — пол не выяснен; 4 — обладатель изучаемого признака; 5 — гетерозиготный носитель изучаемого рецессивного гена; 6 — брак; 7 — брак мужчины с двумя женщинами; 8 — родственный брак; 9 — родители, дети и порядок их рождения; 10 — дизиготные близнецы; 11 — монозиготные близнецы.
Благодаря генеалогическому методу были определены типы наследования многих признаков у человека. Так, по аутосомно-доминантному типу наследуются полидактилия (увеличенное количество пальцев), возможность свертывать язык в трубочку, брахидактилия (короткопалость, обусловленная отсутствием двух фаланг на пальцах), веснушки, раннее облысение, сросшиеся пальцы, заячья губа, волчья пасть, катаракта глаз, хрупкость костей и многие другие. Альбинизм, рыжие волосы, подверженность полиомиелиту, сахарный диабет, врожденная глухота и другие признаки наследуются как аутосомно-рецессивные.
Доминантный признак — способность свертывать язык в трубочку (1) и его рецессивный аллель — отсутствие этой способности (2).
3 — родословная по полидактилии (аутосомно-доминантное наследование).
Целый ряд признаков наследуется сцепленно с полом: Х -сцепленное наследование — гемофилия, дальтонизм; Y -сцепленное — гипертрихоз края ушной раковины, перепончатость пальцев ног. Имеется ряд генов, локализованных в гомологичных участках Х - и Y -хромосом, например общая цветовая слепота.
Использование генеалогического метода показало, что при родственном браке, по сравнению с неродственным, значительно возрастает вероятность появления уродств, мертворождений, ранней смертности в потомстве. В родственных браках рецессивные гены чаще переходят в гомозиготное состояние, в результате развиваются те или иные аномалии. Примером этого является наследование гемофилии в царских домах Европы.
— гемофилик; — женщина-носитель.
Близнецовый метод
1 — монозиготные близ-нецы; 2 — дизигот-ные близ-нецы.
Близнецами называют одновременно родившихся детей. Они бывают монозиготными (однояйцевыми) и дизиготными (разнояйцевыми).
Монозиготные близнецы развиваются из одной зиготы (1), которая на стадии дробления разделилась на две (или более) части. Поэтому такие близнецы генетически идентичны и всегда одного пола. Монозиготные близнецы характеризуются большой степенью сходства (конкордантностью ) по многим признакам.
Дизиготные близнецы развиваются из двух или более одновременно овулировавших и оплодотворенных разными сперматозоидами яйцеклеток (2). Поэтому они имеют различные генотипы и могут быть как одного, так и разного пола. В отличие от монозиготных, дизиготные близнецы характеризуются дискордантностью — несходством по многим признакам. Данные о конкордантности близнецов по некоторым признакам приведены в таблице.
| Признаки | Конкордантность, % | |
|---|---|---|
| Монозиготные близнецы | Дизиготные близнецы | |
| Нормальные | ||
| Группа крови (АВ0) | 100 | 46 |
| Цвет глаз | 99,5 | 28 |
| Цвет волос | 97 | 23 |
| Патологические | ||
| Косолапость | 32 | 3 |
| «Заячья губа» | 33 | 5 |
| Бронхиальная астма | 19 | 4,8 |
| Корь | 98 | 94 |
| Туберкулез | 37 | 15 |
| Эпилепсия | 67 | 3 |
| Шизофрения | 70 | 13 |
Как видно из таблицы, степень конкордантности монозиготных близнецов по всем приведенным признакам значительно выше, чем у дизиготных, однако она не является абсолютной. Как правило, дискордантность монозиготных близнецов возникает в результате нарушений внутриутробного развития одного из них или под влиянием внешней среды, если она была разной.
Благодаря близнецовому методу, была выяснена наследственная предрасположенность человека к ряду заболеваний: шизофрении, эпилепсии, сахарному диабету и другим.
Наблюдения за монозиготными близнецами дают материал для выяснения роли наследственности и среды в развитии признаков. Причем под внешней средой понимают не только физические факторы среды, но и социальные условия.
Цитогенетический метод
Основан на изучении хромосом человека в норме и при патологии. В норме кариотип человека включает 46 хромосом — 22 пары аутосом и две половые хромосомы. Использование данного метода позволило выявить группу болезней, связанных либо с изменением числа хромосом, либо с изменениями их структуры. Такие болезни получили название хромосомных .
Материалом для кариотипического анализа чаще всего являются лимфоциты крови. Кровь берется у взрослых из вены, у новорожденных — из пальца, мочки уха или пятки. Лимфоциты культивируются в особой питательной среде, в состав которой, в частности, добавлены вещества, «заставляющие» лимфоциты интенсивно делиться митозом. Через некоторое время в культуру клеток добавляют колхицин. Колхицин останавливает митоз на уровне метафазы. Именно во время метафазы хромосомы являются наиболее конденсированными. Далее клетки переносятся на предметные стекла, сушатся и окрашиваются различными красителями. Окраска может быть а) рутинной (хромосомы окрашиваются равномерно), б) дифференциальной (хромосомы приобретают поперечную исчерченность, причем каждая хромосома имеет индивидуальный рисунок). Рутинная окраска позволяет выявить геномные мутации, определить групповую принадлежность хромосомы, узнать, в какой группе изменилось число хромосом. Дифференциальная окраска позволяет выявить хромосомные мутации, определить хромосому до номера, выяснить вид хромосомной мутации.
В тех случаях, когда необходимо провести кариотипический анализ плода, для культивирования берутся клетки амниотической (околоплодной) жидкости — смесь фибробластоподобных и эпителиальных клеток.
К числу хромосомных заболеваний относятся: синдром Клайнфельтера, синдром Тернера-Шерешевского, синдром Дауна, синдром Патау, синдром Эдвардса и другие.
Больные с синдромом Клайнфельтера (47, ХХY ) всегда мужчины. Они характеризуются недоразвитием половых желез, дегенерацией семенных канальцев, часто умственной отсталостью, высоким ростом (за счет непропорционально длинных ног).
Синдром Тернера-Шерешевского (45, Х0 ) наблюдается у женщин. Он проявляется в замедлении полового созревания, недоразвитии половых желез, аменорее (отсутствии менструаций), бесплодии. Женщины с синдромом Тернера-Шерешевского имеют малый рост, тело диспропорционально — более развита верхняя часть тела, плечи широкие, таз узкий — нижние конечности укорочены, шея короткая со складками, «монголоидный» разрез глаз и ряд других признаков.
Синдром Дауна — одна из самых часто встречающихся хромосомных болезней. Она развивается в результате трисомии по 21 хромосоме (47; 21, 21, 21). Болезнь легко диагностируется, так как имеет ряд характерных признаков: укороченные конечности, маленький череп, плоское, широкое переносье, узкие глазные щели с косым разрезом, наличие складки верхнего века, психическая отсталость. Часто наблюдаются и нарушения строения внутренних органов.
Хромосомные болезни возникают и в результате изменения самих хромосом. Так, делеция р -плеча аутосомы №5 приводит к развитию синдрома «крик кошки». У детей с этим синдромом нарушается строение гортани, и они в раннем детстве имеют своеобразный «мяукающий» тембр голоса. Кроме того, наблюдается отсталость психомоторного развития и слабоумие.
Чаще всего хромосомные болезни являются результатом мутаций, произошедших в половых клетках одного из родителей.
Биохимический метод
Позволяет обнаружить нарушения в обмене веществ, вызванные изменением генов и, как следствие, изменением активности различных ферментов. Наследственные болезни обмена веществ подразделяются на болезни углеводного обмена (сахарный диабет), обмена аминокислот, липидов, минералов и др.
Фенилкетонурия относится к болезням аминокислотного обмена. Блокируется превращение незаменимой аминокислоты фенилаланин в тирозин, при этом фенилаланин превращается в фенилпировиноградную кислоту, которая выводится с мочой. Заболевание приводит к быстрому развитию слабоумия у детей. Ранняя диагностика и диета позволяют приостановить развитие заболевания.
Популяционно-статистический метод
Это метод изучения распространения наследственных признаков (наследственных заболеваний) в популяциях. Существенным моментом при использовании этого метода является статистическая обработка получаемых данных. Под популяцией понимают совокупность особей одного вида, длительное время обитающих на определенной территории, свободно скрещивающихся друг с другом, имеющих общее происхождение, определенную генетическую структуру и в той или иной степени изолированных от других таких совокупностей особей данного вида. Популяция является не только формой существования вида, но и единицей эволюции, поскольку в основе микроэволюционных процессов, завершающихся образованием вида, лежат генетические преобразования в популяциях.
Изучением генетической структуры популяций занимается особый раздел генетики — популяционная генетика . У человека выделяют три типа популяций: 1) панмиктические, 2) демы, 3) изоляты, которые отличаются друг от друга численностью, частотой внутригрупповых браков, долей иммигрантов, приростом населения. Население крупного города соответствует панмиктической популяции. В генетическую характеристику любой популяции входят следующие показатели: 1) генофонд (совокупность генотипов всех особей популяции), 2) частоты генов, 3) частоты генотипов, 4) частоты фенотипов, система браков, 5) факторы, изменяющие частоты генов.
Для выяснения частот встречаемости тех или иных генов и генотипов используется закон Харди-Вайнберга .
Закон Харди-Вайнберга
В идеальной популяции из поколения в поколение сохраняется строго определенное соотношение частот доминантных и рецессивных генов (1), а также соотношение частот генотипических классов особей (2).
p + q = 1, (1)р 2 + 2pq + q 2 = 1, (2)
где p — частота встречаемости доминантного гена А ; q — частота встречаемости рецессивного гена а ; р 2 — частота встречаемости гомозигот по доминанте АА ; 2pq — частота встречаемости гетерозигот Аа ; q 2 — частота встречаемости гомозигот по рецессиву аа .
Идеальной популяцией является достаточно большая, панмиктическая (панмиксия — свободное скрещивание) популяция, в которой отсутствуют мутационный процесс, естественный отбор и другие факторы, нарушающие равновесие генов. Понятно, что идеальных популяций в природе не существует, в реальных популяциях закон Харди-Вайнберга используется с поправками.
Закон Харди-Вайнберга, в частности, используется для примерного подсчета носителей рецессивных генов наследственных заболеваний. Например, известно, что в данной популяции фенилкетонурия встречается с частотой 1:10000. Фенилкетонурия наследуется по аутосомно-рецессивному типу, следовательно, больные фенилкетонурией имеют генотип аа , то есть q 2 = 0,0001. Отсюда: q = 0,01; p = 1 - 0,01 = 0,99. Носители рецессивного гена имеют генотип Аа , то есть являются гетерозиготами. Частота встречаемости гетерозигот (2pq ) составляет 2 · 0,99 · 0,01 ≈ 0,02. Вывод: в данной популяции около 2% населения — носители гена фенилкетонурии. Заодно можно подсчитать частоту встречаемости гомозигот по доминанте (АА ): p 2 = 0,992, чуть меньше 98%.
Изменение равновесия генотипов и аллелей в панмиктической популяции происходит под влиянием постоянно действующих факторов, к которым относятся: мутационный процесс, популяционные волны, изоляция, естественный отбор, дрейф генов, эмиграция, иммиграция, инбридинг. Именно благодаря этим явлениям возникает элементарное эволюционное явление — изменение генетического состава популяции, являющееся начальным этапом процесса видообразования.
Генетика человека — одна из наиболее интенсивно развивающихся отраслей науки. Она является теоретической основой медицины, раскрывает биологические основы наследственных заболеваний. Знание генетической природы заболеваний позволяет вовремя поставить точный диагноз и осуществить нужное лечение.
Перейти к лекции №21 «Изменчивость»
