Изучение различных мутаций гемоглобина человека

Как известно, различные неблагоприятные факторы окружающей среды способны вызывать мутации различных генов. По различным оценкам, мутации в генах человека случаются с частотой 10-11 – 10-6 случаев на поколение, но загрязнение окружающей среды, другие различные неблагоприятные факторы приводит к сильному увеличению этой величины. Мутации могут быть геномные, хромосомные, генные. Последствия генных мутаций могут иметь различный характер, в зависимости от того, насколько важен для организма ген, в котором эти мутации произошли, а также от того, насколько важный для функционирования белка мутации затрагивают. Даже в пределах одного белка различные мутации могут иметь различные последствия, в зависимости от того, насколько функционально важен участок белка, в котором произошла мутация.

Строение и функции гемоглобина. Ге6моглобин (от греч. haima – кровь и globin) – красный железосодержащий пигмент крови, образующий обратимую связь с О2, обеспечивая его транспортировку. Макромолекула гемоглобина состоит из четырёх цепей глобина со встроенным в каждую из них гемом. Гем содержит двухвалентное железо; он и придаёт молекуле красный цвет. К атому железа присоединяется кислород по донорно-акцепторному механизму. Гемоглобин влияет на рН: когда к нему присоединяется кислород, он отщепляет несколько протонов и реакция Н2О+СО2↔Н++НСО3- смещается влево; когда кислород отсоединяется и протоны вновь присоединяются – вправо (эффект Бора). Кроме того, СО2 может обратимо присоединиться к неионизированным концевым α-аминогруппам каждой из цепей: R-NН2+СО2 ↔ R-NН-СОО-+Н+, в результате чего образуется карбогемоглобин, где R – полипептидная цепь гемоглобина. За счёт этого гемоглобин принимает участие не только в транспорте О2, но и СО2.

У позвоночных и некоторых беспозвоночных гемоглобин содержится в эритроцитах (составляет до 90% вещества), у многих беспозвоночных растворён в крови, у членистоногих, моллюсков, онихофор и др. в гемолимфе содержится аналогичный по функциям гемоцианин (у него в геме содержится медь).

На разных этапах онтогенеза гемоглобин имеет разные формы, различающиеся в первую очередь по строению и сродству с кислородом. В норме молекула гемоглобина содержит две цепи из первой группы (α и ζ цепи) и по две из второй (β, γ, δ, ε). Первая группа кодируется 16-ой хромосомой, вторая – 11-ой.

Конформация как отдельных цепей, так и молекулы в целом может меняться, при этом будет меняться и сродство с кислородом. Изменения строения гемоглобина происходит по различным причинам:

• необратимые соединения с некоторыми веществами. Например, гемоглобин имеет сродство с СО в 25000 раз сильнее, чем с О2, поэтому он практически необратимо связывается с угарным газом
• неправильное образование четвертичной структуры. При α-талассемии, т. е. недостатке HbA, образуются гомотетрамеры, такие как HbН (4β) или гемоглобин Bart (4γ)
• ошибки при синтезе цепей глобина
• наследственные мутации

Таким образом, гемоглобин является тетрамерным белком, причем его функционирование связано с тонкими перестройками четвертичной структуры. Малейшие нарушения в четвертичной структуре гемоглобина приводит к потере им способности выполнять свои функции.

Мутации гемоглобина, приводящие к нарушению его пространственной структуры. Одна из причин, приводящей к нарушению пространственной структуры гемоглобина – мутации гена гемоглобина, приводящие к замене аминокислотных остатков.

В настоящее время известно около 300 вариантов HbA, имеющих в первичной структуре α или β-цепей лишь небольшие изменения, которые в большей или в меньшей степени влиять на функциональность белка. Наиболее сильные изменения структуры могут вызывать анемию (сильные нарушения функции крови).

В аномальных гемоглобинах изменения могут затрагивать аминокислоты:

• находящиеся на поверхности белка
• участвующие в основании активного центра
• замена которых нарушает общую трёхмерную конформацию молекулы
• изменяющие четвертичную структуру белка и его регуляторные свойства

Замены аминокислоты на поверхности белка редко нарушают функционирование гемоглобина, но есть исключения, например, гемоглобин S, приводящий к серповидно-клеточной анемии. Изменения аминокислотного состава в области активного центра гемоглобина влияют на функционирование гемоглобина чаще, чем поверхностные. Большинство мутаций каждого из 60 межатомных контактов глобина и гема приводят к анемии. Мутации гемоглобина, деформирующие его третичную структуру (замена глицина в месте перечения двух α-цепей на другие аминокислоты с более крупными радикалами, что приводит к нестабильности молекулы), либо область контактов димеров α1β1 и α2β2 с изменением четвертичной структуры также несут за собой анемию, гемоглобин с неправильной конформацией может быть нестабилен.

Таким образом, первичная структура белка определяет особенности его конформации, строения активного центра и функций. Изменение одной аминокислоты только в одном белке может быть причиной нарушения функции данного белка и развития наследственной патологии.

В настоящий момент открыто множество аминокислотных последовательностей (порядка сотни тысяч) самых разных белков. Для того, чтобы ориентироваться в этом объёме информации используются базы данных (например, GenBank) и различные методы биоинформатики. Биоинформатика – относительно новая отрасль биологии, использующая в работе вычислителькые средства, методы и теории для решения различных биологических вопросов. Например, зная нуклеотидную последователь-ность, с помощью интернет-ресурсов и специальных программ можно определить, какой белок она кодирует, или найти все сходные данному белки, или определить, насколько гомологичны (родственны) друг другу какие-либо белки.