Participan en la restauración de la estructura original del ADN. Composición molecular de la célula. b. Reparación por sustitución de residuos modificados.

Información total

Como se analizó en el capítulo 6, las membranas celulares desempeñan muchas funciones en condiciones normales. Las membranas plasmática e intracelular funcionan de forma independiente, principalmente debido a proteínas integrales ubicadas a ambos lados de la membrana, o participan en las funciones celulares asociadas con ellas (debido al control por proteínas receptoras y transportadoras), así como en las funciones estructurales. Componentes de la célula formados a partir de otras proteínas, lípidos, azúcares y microelementos.

En general, el daño celular se acompaña de alteraciones en los procesos genéticos, bioquímicos y fisicoquímicos que ocurren en ella y está asociado con transformaciones de macro y micromoléculas, que incluyen: polinucleótidos y nucleótidos, polipéptidos y péptidos, polisacáridos y monosacáridos, lípidos y sus componentes ( fosfolípidos, esfingolípidos, ácidos grasos, colesterol), así como movimientos de iones metálicos y otros compuestos químicos, radicales libres, electrones, estructuras atómicas y atomolares.

Es por eso que los sistemas enzimáticos protectores y reparadores (reparadores) son tan importantes para la célula en caso de varios tipos de daño. Consideremos estos sistemas, teniendo en cuenta los datos presentados en capítulos anteriores del manual sobre la organización estructural, causas y mecanismos del daño celular, así como datos sobre las principales formas de muerte celular.

PROTECTORA Y RESTAURADORA

SISTEMAS ENZIMÁTICOS DEL ORGANISMO

Como usted sabe, los principales sistemas protectores y regenerativos del cuerpo incluyen el sistema nervioso, endocrino e inmunológico (ver capítulos 13-15). Luego (en orden de importancia) vienen los sistemas desintoxicantes de los órganos internos (hígado, bazo, riñones),

tejidos (piel y mucosas) y, finalmente, sistemas protectores y regenerativos celulares, entre ellos: sistemas del citocromo P 450, enzimas dependientes del glutatión, superóxido dismutasa (SOD), catalasa, plasmalógenos, peroxidasas y fosfolipasas (en particular fosfolípidos) y otros sistemas. asociado con la restauración de los componentes formadores de estructuras de la célula. Merecen especial atención numerosos sistemas de reparación del ADN y los todavía poco estudiados sistemas enzimáticos protectores de los fluidos biológicos del cuerpo (sangre, linfa, líquido cerebral, jugo gástrico e intestinal). Todos estos sistemas protectores y regenerativos del cuerpo se basan en la acción de genes unidos en redes de genes únicos (ver Capítulo 2).

En primer lugar, veamos los sistemas de defensa celular más conocidos.

Sistemas de desintoxicación xenobióticos.

Los sistemas de inactivación (desintoxicación) de sustancias o xenobióticos extraños al organismo están controlados por genes ambientales que codifican la síntesis de numerosas proteínas enzimáticas que metabolizan (degradan y desintoxican) y eliminan los xenobióticos del organismo.

Las mutaciones en los genes de desintoxicación a menudo causan una predisposición hereditaria a enfermedades graves que afectan a varios sistemas del cuerpo y órganos individuales. Por ejemplo, se ha estudiado bien la relación entre las manifestaciones clínicas de la fibrosis quística causada por una mutación importante (CFTR) y el estado de los genes del sistema de desintoxicación. Las principales manifestaciones de esta enfermedad son la neumonía obstructiva crónica grave, que provoca la muerte prematura de los niños enfermos que, por regla general, no viven hasta los veinte años. A su vez, las mutaciones en los propios genes de desintoxicación suelen predisponer al desarrollo de enfermedades pulmonares: asma bronquial, bronquitis obstructiva crónica, cáncer, enfisema y otras patologías pulmonares.

También se ha sugerido que las variantes alélicas de los genes de desintoxicación pueden influir en las manifestaciones clínicas de la fibrosis quística. Esta suposición fue confirmada en el trabajo de M.A. Bakay et al. (1999). Resultó que los pacientes con una forma mixta y un curso severo de fibrosis quística eran homocigotos para el alelo "cero" del gen de la glutatión transferasa M1 (GSTM1 0/0) -

la enzima de la segunda fase de desintoxicación xenobiótica, o tenía un alelo S expresado lentamente del gen de la primera fase de desintoxicación: la epoxihidrolasa microsomal (mEPXH).

Este trabajo también observó un predominio significativo del estado homocigótico para el alelo S (o S/S) en el gen mEPXH en pacientes con enfermedades respiratorias crónicas.

Considerando la clara correlación de la patología pulmonar con el alelo “lento” del gen mEPXH y el alelo “nulo” del gen GSTM1, concluimos que en pacientes con fibrosis quística asociada con la correspondiente distribución de alelos (mEPXH S/S y GSTM1 ), la patología pulmonar se desarrolla con mayor frecuencia y es especialmente desfavorable. Por esta razón, los autores consideraron apropiado aclarar no sólo la naturaleza de la mutación en el gen de la fibrosis quística, sino también determinarla en pacientes portadores de alelos desfavorables de los genes mEPXH S/S y GSTM1. En otras palabras, este trabajo muestra una clara influencia de ciertos alelos de los genes DQA1 del locus HLA sobre la gravedad de la fibrosis quística y las enfermedades respiratorias crónicas.

Desintoxicación con citocromo P 450

En las membranas de las células ER del hígado, así como en otros órganos y tejidos, existen sistemas de enzimas monooxidasa que proporcionan procesos biosintéticos y de desintoxicación para neutralizar (transformar) xenobióticos (medicamentos y compuestos sintéticos - procarcinógenos) en la primera fase. de desintoxicación. Estos sistemas se forman a partir de hiperfamilias de citocromo P 450 o monooxigenasas que metabolizan una amplia gama de sustratos exógenos y endógenos.

En enero de 2006, se identificaron en los genomas de humanos y animales 1174 proteínas y el número correspondiente de genes que las codifican, relacionados con los citocromos P 450 (Lisitsa A.V., 2007). Además, el número de compuestos químicos conocidos que interactúan con las enzimas del sistema del citocromo P 450 fue de 1.708, de los cuales 1.223 sustratos, 115 inductores y 484 inhibidores.

En el cuerpo humano se han aislado alrededor de 50 formas de citocromos P 450 (Helson, 1998), que participan en la reacción de catálisis de la monooxigenasa y desempeñan en ella un papel protagonista debido a su capacidad de unirse selectivamente al sustrato. El funcionamiento de los citocromos P 450 está determinado por su interacción con proteínas asociadas. Las enzimas del citocromo P 450 cierran la cadena de transporte de electrones y utilizan los equivalentes redox resultantes para oxidar el sustrato. Como

Las proteínas asociadas del citocromo P 450 pueden ser varias proteínas, por ejemplo NADPH-citocromo P 450 reductasa y citocromo b5, así como adrenodoxina reductasa y adrenodoxina, o puede ser sólo una proteína, por ejemplo reductasa.

Entre los genes humanos que codifican las enzimas del citocromo P 450, se aisló el gen de la aromatasa CYP19, responsable de la síntesis de una enzima que cataliza la transición de andrógenos a estrógenos en diversos tejidos, incluido el tejido mamario. Este gen tiene 11 polimorfismos de ADN asociados con una expresión aumentada o disminuida (alelos: TTTA 7, TTTA 11 TTTA 12, etc.).

Otro gen de este sistema, el gen CYP1A1, codifica el citocromo P 450 1A1, que metaboliza los hidrocarburos del humo del tabaco y también tiene sus propios polimorfismos (T623C, A4489G).

El gen CYP17 codifica el citocromo P 450 c17alfa. Participa en la biosíntesis de esteroides sexuales.

Cabe señalar que la localización de los citocromos P 450 en los microsomas del hígado garantiza que reciban electrones de la proteína flavoproteína (citocromo P 450 reductasa), y los propios citocromos P 450 son la forma activa de la proteína hemoproteína. En este caso, la estabilidad de esta proteína está asegurada por la bicapa lipídica de la membrana, formada por fosfatidilcolina o una mezcla de fosfolípidos microsomales.

Se ha establecido que cuando el citocromo P 450 interactúa con un xenobiótico, éste se inactiva, durante lo cual pasa de la forma activa del citocromo P 420 a la inactiva. Además, esta forma inactiva se puede obtener incubando microsomas hepáticos aislados a 37 °C.

En las reacciones “xenobiótico-citocromo P 450”, todos los xenobióticos actúan como sustratos exógenos (carcinógenos, fármacos, aditivos alimentarios, toxinas, venenos) o endógenos (ácidos grasos, prostaglandinas, esteroides, colesterol). Las moléculas de estos sustratos se unen a las moléculas de citocromo P 450 en las membranas del RE, provocando una cadena de reacciones de peroxidación lipídica y otros cambios. Al mismo tiempo, pueden actuar tanto directa como indirectamente. En el segundo caso, se distinguen entre xenobióticos obligados y facultativos.

Xenobióticos obligados, por ejemplo, el fenobarbital, tiene un efecto tóxico directo sobre los hepatocitos (el efecto depende de la dosis), lo que conduce a hepatomegalia debido a la inducción de enzimas hepáticas.

A su vez, la cortisona xenobiótica provoca hígado graso o esteatosis mediante su transformación en intermediarios altamente tóxicos como los salicilatos y los hidrocarburos policíclicos.

Además, el efecto directo de los xenobióticos obligados o sus metabolitos provoca una alteración del metabolismo de la bilirrubina (en todas las etapas de su síntesis, desde el hemo hasta la excreción en los conductos biliares), dilatación de los sinusoides y oclusión de las venas del hígado, lo que conduce a necrosis y, menos a menudo, apoptosis de las células del hígado.

Xenobióticos facultativos Causan reacciones inmunomediadas subyacentes a idiosincrasias o intolerancias a compuestos, como reacciones alérgicas a medicamentos.

La propia molécula de citocromo P 450 se daña debido a dos mecanismos de daño: la propia proteína por radicales libres y el entorno lipídico de la proteína en la membrana.

En general, el mecanismo de desintoxicación de xenobióticos en el hígado con la participación del citocromo P 450 incluye tres fases.

Primera fase- contacto del xenobiótico con enzimas ER (fracción microsomal de hepatocitos), monooxigenasas, citocromo c-reductasas, NADP reducido (como cofactor) y citocromo P 450. Durante el contacto, se produce una modificación del xenobiótico con la formación (liberación) de compuestos funcionales. grupos.

Segunda fase- biotransformación o conjugación (combinación) de una molécula xenobiótica con moléculas endógenas con la participación de dos enzimas: UDP-glucuroniltransferasa y glutatión-S-transferasa, proporcionando desintoxicación o reducción de la toxicidad con eliminación acelerada del xenobiótico (ver más abajo). En esta fase, la glutatión transferasa microsomal se asocia directamente con la molécula de citocromo P 450, lo que contribuye a la rápida inactivación de productos metabólicos intermedios o metabolitos de reacción del xenobiótico.

Tercera fase- transporte activo y excreción (evacuación) de productos xenobióticos transformados con la ayuda del citocromo P 450 con bilis y orina.

Por tanto, la inactivación del citocromo P 450 es un indicador de daño a las membranas del RE en el hígado. Al mismo tiempo, la tasa de inactivación del citocromo P 450 se puede utilizar para juzgar la restauración o reparación de las membranas celulares dañadas.

Desintoxicación de hidroperóxidos de fosfolípidos.

El sistema de desintoxicación de hidroperóxido de fosfolípidos (LOOH) incluye tres complejos enzimáticos dependientes de glutatión que realizan una reducción de dos electrones de LOOH: glutatión peroxidasa, peróxido de fosfolípidos-glutatión peroxidasa y glutatión transferasa que contiene selenio, tipo alfa (-SH-S-) o Complejo GST. Estos complejos enzimáticos se clasifican como antioxidantes. quinolamo(enolam), están presentes en todas las células, tejidos y órganos, interactúan con las vitaminas E, C y ubiquinol (coenzima Q) y son sistemas universales para unir metabolitos activos. Los tres sistemas antioxidantes dependientes del glutatión pertenecen a sistema enzimático redox del glutatión(FRSG), que participa en la LPO y la proliferación de células inmunocompetentes. GFSH controla la división y actividad de los prooxidantes, inhibe las etapas de peroxidación de radicales libres, destruye los peróxidos (no radicales) e interactúa con productos de peroxidación que no son peróxidos.

Las propiedades del sistema redox están determinadas por el estado de equilibrio: “oxidación-reducción” (ver Capítulo 9).

El nivel de actividad de las enzimas dependientes de glutatión en diferentes células y tejidos refleja el estado de todo el sistema antioxidante, ya que estas enzimas son necesarias para proteger contra la agresión de ROS, reacciones en cadena de radicales libres e intensificación de procesos.

La inducción de enzimas dependientes de glutatión se caracteriza por la “redundancia” de su actividad y el equilibrio en relación con la oxigenación de células, tejidos y órganos.

Un papel especial corresponde al complejo GST, que incluye 21 enzimas, de las cuales 16 son verdaderamente citosólicas y se agrupan en 6 subfamilias (clases): alfa, mu, omega, pi, theta y zeta. Cada clase es un dímero que consta de dos subunidades iguales o diferentes (con sus propios sitios activos) que actúan independientemente una de otra. Cada subunidad tiene 2 dominios conectados por una cadena conectora corta de 6 residuos de aminoácidos.

Cada una de las seis clases de enzimas está codificada por grupos de genes.

clase alfa- el grupo de genes está ubicado en el locus 6p12 y contiene los genes GSTA1, GSTA2, GSTA3, GSTA4 y GSTA5 y 7 pseudogenes

nuevo Los genes de esta clase participan en el metabolismo de la bilirrubina, el hemo y las hormonas esteroides. Los genes GSTA1 y GSTA2 se expresan en todos los tejidos. El gen GSTA3 se aisló de placenta de 8 a 9 semanas. El gen GSTA5 no se ha aislado de tejidos.

clase mu- el grupo está asignado al locus 1p13.3. Incluye 5 genes: gen GSTM1 (representado por tres variantes alélicas: A, B y O; expresado en hígado y células sanguíneas); Gen GSTM2 (solo en músculos); Genes GSTM3 y GSTM4 (testículos y cerebro); Gen GSTM5 (pulmones, cerebro, corazón, testículos), así como 2 pseudogenes.

clase omega- el grupo consta de dos genes asignados al locus 10q25.1. De estos, el gen GSTO1 codifica una enzima de mantenimiento única que elimina los radicales S-tiol formados en respuesta al estrés oxidativo. El segundo gen es GSTO2 (poco estudiado). Las transcripciones de estos genes están ampliamente representadas en todos los tejidos. Su máxima expresión se observa en el hígado, músculos esqueléticos y corazón; se produce una expresión mínima en los pulmones, el cerebro y la placenta.

clase pi- está representado por un gen GSTP1, mapeado en el locus 11q13, y un pseudogén GSTPP, mapeado en el locus 12q13-q14. El gen GSTP1 tiene 3 variantes alélicas asociadas con polimorfismo de secuencias de nucleótidos en los codones 105 y 114, relacionados con los centros activos de las enzimas. Este gen es un inhibidor de las proteínas quinasas implicadas en la proliferación celular y la apoptosis.

clase theta- su grupo incluye 2 genes (GSTT1 y GSTT2), asignados al locus 22q11.23. El gen GSTT1 existe en dos variantes alélicas (activa y nula). El gen GSTT2 ha sido poco estudiado.

clase zeta- está representado por un gen GSTZ1, asignado al locus 14q24.3. El gen se expresa en células del hígado y, en menor medida, en células del músculo esquelético y del cerebro. Participa en el intercambio de fenilalanina y tirosina.

Cabe señalar que las enzimas del complejo GST, sintetizadas por todas estas clases de genes, funcionan basándose en numerosos mecanismos, entre ellos:

Inactivación catalítica de un xenobiótico mediante su combinación con glutatión o la vía de sustitución en átomos de carbono electrófilos (halógeno y nitroalcanos), nitrógeno (trinitroglicerina), azufre (tiocianatos y disulfitos) y fósforo (metilparationina);

Conjugación no catalítica (unión) con el sustrato; el sustrato clásico es el 1-cloro-2,4-dinitrobenceno; esta forma también es típica de la conjugación de oxiarenos, alqueno epóxidos, iones nitronio y carbonio, así como radicales libres;

Reducción de hidroperóxidos orgánicos (lípidos e hidroxiperóxidos de ADN) a alcoholes mediante la expresión de actividad peroxidasa de GSH o glutamina reducida;

Isomerización de prostaglandinas y esteroides;

Participación en el metabolismo de otros compuestos exógenos.

Glutatión reducido(GSH) se refiere a tioles de bajo peso molecular que dominan en la mayoría de las células en proliferación. Este tripéptido (L-gamma-glutamil-L-cisteinilglicina) participa en el ciclo del glutamil y neutraliza diversos compuestos tóxicos convirtiéndolos en tioésteres (esto ataca a los átomos de nitrógeno, oxígeno, azufre y carbono). Durante el metabolismo posterior, los conjugados de glutatión se convierten en ácidos mercaptúricos (mercaptanos) y se excretan del cuerpo (a una velocidad de aproximadamente 0,1 mmol por día).

La importancia del GSH se puede rastrear en pacientes con cáncer, en quienes la concentración de glutamina libre depende de las propiedades de los citostáticos, que agotan su suministro y provocan la lisis de las células tumorales. Además, durante la proliferación celular y el crecimiento tumoral, la disminución de la concentración de tioles y disulfitos depende del mantenimiento del equilibrio metabólico, la síntesis de enzimas dependientes del glutatión y la eliminación de hidroperóxidos de fosfolípidos.

La desintoxicación de LOOH se realiza según esquemas que incluyen:

PLA 2 estimulada por peróxido-Ca 2 + y glutatión peroxidasa a lo largo de la vía de “hidrólisis-reducción-reparación”;

PL-peróxido-glutatión-peroxidasas y fosfolipasas A 2 a lo largo de la vía de “reducción-hidrólisis-reparación”.

Ambos esquemas conducen a la reacilación de lisofosfolípidos.

Al mismo tiempo, en condiciones de desequilibrio entre oxidantes endógenos y antioxidantes, puede producirse un exceso de ROS y el consiguiente estrés oxidativo. El mecanismo de dicho estrés, llamado “señalización del estrés oxidativo”, acompaña a las reacciones de LPO en respuesta a niveles peligrosamente altos o bajos de oxidantes.

Señalización de estrés oxidativo.

Con la ayuda de la señalización del estrés oxidativo (OSS), la célula produce un exceso de antioxidantes y activa una o varias clases de enzimas: glutatión reducido (ver arriba), hemo oxigenasa-1, glutatión peroxidasa, catalasa, SOD y ferritina.

Se ha demostrado que la OCC estimula la expresión de genes que controlan la apoptosis, la citoprotección y otros efectos celulares.

OCC involucra proteína quinasa C (PK C), MAPK, hidrolasas, así como fosfolipasas C (PL C) y A 2 (PLA 2), activadas por iones Ca 2 +. Los primeros mediadores de estas enzimas son LOOH (véase antes), que se consideran “miméticos” de los efectos de los factores de crecimiento (TNF-alfa), citocinas y otros agonistas, lo que indica una función de los derivados oxidativos como segundos mensajeros (véase el Capítulo 8).

Por ejemplo, la activación oxidativa de las fosfolipasas mediante la liberación de ácido araquidónico inicia la formación de mediadores lipídicos eicosanoides y lisofosfolípidos, que actúan como compuestos que producen efectos directos o se metabolizan a PAF y otros efectores.

Después de la acción de los oxidantes, que dañan especialmente las membranas celulares, el destino de la célula es doble: supervivencia o muerte por apoptosis o necrosis; esto depende de la gravedad del "estrés oxidativo". Por ejemplo, utilizando peróxidos endo o exógenos se puede desencadenar la apoptosis en células leucémicas. Un posible mecanismo de activación por la fosfolipasa citosólica (cap. 9), que afecta a los araquidonoilfosfolípidos, incluye la fosforilación de la enzima catalizada por PKC y su translocación en la membrana (a través de la activación de MAPK). Este mecanismo depende poco del Ca 2+ y, por lo tanto, se activa sólo a niveles relativamente bajos de LPO.

Sistema de superóxido dismutasa

La enzima SOD cataliza la reacción entre dos radicales superóxido para formar peróxido de hidrógeno (H 2 O 2) y oxígeno molecular (O 2). Esta reacción se llama reacciones de dismutación(ver capítulos 6 y 9).

El gen SOD 1 está localizado en el cromosoma 21, y esta localización se ha discutido muchas veces en la literatura para explicar las causas y mecanismos del desarrollo del síndrome de Down (como una dosis triple del gen). Sin embargo, esto no ha sido confirmado. Resultó que en las mitocondrias de las células normales, que sirven como fuente de ATP y ROS, lo permisible

el nivel de este último se mantiene mediante un sistema enzimático protector que, junto con la SOD, también incluye la citocromo oxidasa, la glutatión peroxidasa y algunas otras enzimas.

Papel antioxidante de la sangre.

Como se señaló en los capítulos 8 y 9, los mecanismos de señalización desempeñan un papel importante en la regulación de la actividad enzimática de membrana. La mayoría de estos mecanismos se realizan a través de la sangre, que tiene su propia actividad antioxidante y está en contacto directo con los componentes estructurales de las paredes de los vasos sanguíneos, representados principalmente por células endoteliales.

La regulación de la actividad enzimática por elementos estructurales y funcionales de la sangre se puede demostrar con el ejemplo del "factor tisular" o glicoproteína transmembrana, que se encuentra en la aterosclerosis en la adventicia de los vasos sanguíneos y en la región interna de la placa aterosclerótica. Este factor se expresa en las membranas de monocitos y macrófagos y participa en la inflamación y desestabilización de la placa; es especialmente sensible a la acción de los inhibidores sintetizados por las células endoteliales de los vasos sanguíneos durante la señalización.

Es importante señalar que el oxígeno se transporta a través de la sangre, se lleva a cabo el efecto bactericida de los fagocitos y se mueven iones metálicos de valencia variable, que son catalizadores o inhibidores de los procesos de oxidación-reducción. Al mismo tiempo, la sangre, en cierta medida, es el eslabón limitante del sistema de defensa antioxidante, ya que en comparación con el contenido intracelular contiene pocos antioxidantes de alto peso molecular, lo que potencia las reacciones oxidativas y no favorece las reacciones de reducción.

Mecanismos de restauración de la membrana celular.

Los bioquímicos llevan mucho tiempo sugiriendo que las membranas celulares se adaptan al daño. Esto lo respaldan, por ejemplo, los datos sobre el trabajo de restauración de las enzimas debido a las reacciones llevadas a cabo por PC C, MAPK y los canales de calcio mitocondriales dependientes de ATP. En particular, la apertura de los canales de calcio en las membranas mitocondriales provoca su despolarización, reduciendo la acumulación excesiva de Ca 2+.

Es este mecanismo el que promueve la regeneración celular durante el infarto de miocardio.

Se ha demostrado experimentalmente la restauración de la actividad enzimática. in vitro dañaron las membranas microsomales en el hígado de ratas cuando se les añadió PC o una mezcla de PC y lisoPC. La adición de estos fosfolípidos restauró la actividad de la glucosa-6-fosfatasa, Ca2+-, Na+-, K+-ATPasa, estearoil-CoA desaturasa, lipasa, UDP-glucuroniltransferasa, fenilalanina hidroxilasa y citocromo b5 reductasa.

Se obtuvieron resultados similares para las esfingomielinasas cerebrales, la beta-hidroxibutirato deshidrogenasa mitocondrial cardíaca y la acetilcolinesterasa de eritrocitos bovinos.

En relación con estos datos, se sugirió que la restauración de la actividad de las proteínas de membrana por los fosfolípidos no es específica, ya que la mayoría de las enzimas no requieren ciertos tipos de fosfolípidos y, por lo tanto, diferentes tipos de estos últimos (o mezclas de ellos) pueden realizar la reducción. funcionar para ellos.

Es interesante el hecho mismo de la participación de los fosfolípidos de membrana en la restauración de la actividad de las proteínas enzimáticas. Al mismo tiempo, para mantener (y posiblemente restaurar) la actividad de las enzimas de membrana, es importante la composición de ácidos grasos de los fosfolípidos añadidos a las células. Por ejemplo, esto se demostró para la Ca 2 + -ATPasa del retículo sarcoplásmico, cuando se reemplazan sus propios fosfolípidos con DPPC (fosfatidilcolina con un alto contenido de ácidos grasos saturados) se reduce la actividad 8 veces en comparación con la enzima parcialmente deslipidada, y cuando se reemplaza sus propios fosfolípidos con dioleil-PC la velocidad de reacción, por el contrario, aumentó considerablemente.

Además, se ha observado la importancia de la alta movilidad de las cadenas de hidrocarburos fosfolípidos para restaurar la actividad enzimática y la presencia de una cierta carga superficial en las membranas.

Se obtuvieron resultados similares para:

Fosfolípidos ácidos (PS, PI y FA) en su acción sobre la miosina fosfatasa laríngea;

Fosfolípidos aniónicos (PS): cuando actúan sobre la 5-monodeshidrogenasa de la placenta humana.

Por lo tanto, en la actualidad podemos hablar de la infinita variedad e importancia de mecanismos aún no descubiertos, pero aparentemente existentes, para restaurar el daño estructural y funcional de las membranas celulares.

Inhibidores de mutagénesis

Como se indicó en el Capítulo 5, la mutagénesis es el proceso de formación de mutaciones en el material hereditario, inducida por la acción de diversos factores mutagénicos.

A mediados del siglo XX. A. Novik y L. Szilard demostraron que los ribonucleósidos apurínicos reducen el nivel de mutaciones espontáneas e inducidas en E. coli, lo que les permitió identificar una nueva clase de compuestos químicos llamados antimutágenos.

A finales del siglo XX. S de Flora y S. Ramel dividieron los antimutágenos en dos clases: extracelulares (dismutágenos) e intracelulares.

Antimutágenos extracelulares Incluye tres subgrupos.

Inhibidores de la absorción de antimutágenos y sus precursores (aminoácidos aromáticos, ácidos grasos, etc.). Previenen la penetración y aceleran la eliminación de mutágenos del cuerpo.

Inhibidores de la formación endógena de mutágenos (ácido ascórbico, tocoferol, fenoles, productos lácteos fermentados). Previenen o inhiben reacciones de nitrosación o alteran la flora intestinal.

Desactivadores de mutágenos como resultado de reacciones físicas y/o químicas (antioxidantes, sustancias que mantienen los niveles de pH en fluidos biológicos y tioles).

Antimutágenos intracelulares También incluye tres subgrupos.

Moduladores del metabolismo (tioles y fenoles). Aceleran la transferencia de mutágenos a células no objetivo e inducen un mecanismo de desintoxicación.

Inactivadores de moléculas reactivas. Interactúan con electrófilos, protegen regiones nucleófilas del ADN y atrapan radicales de oxígeno.

Moduladores de la replicación y reparación del ADN (arsenito de sodio, vainillina, inhibidores de proteasas, cumarina, tioles, cloruro de cobalto). Aumentan la precisión de la replicación, aumentan la eficiencia de la reparación e inhiben los errores de reparación.

Como se desprende de esta clasificación, un mismo compuesto puede pertenecer a varios grupos, por ejemplo los tioles.

Además de los antimutágenos extracelulares e intracelulares, B. Stavrik aisló en 1992 más de 25 antimutágenos o quimiopreventivos contenidos en ellos de diferentes tipos de productos alimenticios. Este grupo incluye vitaminas, ácidos grasos, calcio, carótida.

noides, cumarinas, fibra dietética, ácidos vegetales, selenio, flavonoides y clorofila.

Los antimutágenos de origen vegetal incluyen pimientos verdes, repollo, hojas de menta, cebollas, semillas de plantas y manzanas.

La acción de los antimutágenos es específica: se manifiesta con alta selectividad y depende de la dosis. En este caso, algunos antimutágenos pueden ser inhibidores de mutágenos, tener el efecto conmutógeno opuesto o su efecto puede no aparecer en absoluto. En particular, tales antimutágenos incluyen vitaminas C,

No se puede descartar la posibilidad de proteger las células de algunos tejidos con la potenciación simultánea de efectos mutagénicos en las células de otros tejidos.

En general, la cuestión de la eficacia de los correctores de mutagénesis exógenas y endógenas sigue abierta.

En este sentido, pasemos a considerar los mecanismos de recuperación de una célula dañada, más conocidos y discutidos en la literatura científica y educativa.

Restaurar la estructura del ADN mediante mecanismos de reparación.

Como se sabe, las células tienen una capacidad reparadora o la capacidad de corregir y eliminar (reparar) el daño a la molécula de ADN, restaurando su estructura original. Debido a esto, sólo se mantiene un número limitado de mutaciones durante el proceso de replicación, transcripción y traducción.

Sin embargo, si no se reconoce la mutación, la información distorsionada se transcribe en ARNm y se expresa en forma de una proteína defectuosa. Las consecuencias de tal evento para la célula suelen ser insignificantes, pero a veces son extremadamente indeseables, y esto depende de las funciones que realiza la proteína defectuosa.

Actualmente se han estudiado numerosos mecanismos de reparación, tanto conocidos desde los tiempos de la genética clásica (fotorreactivación, reparación de dímeros de timina; reparación por escisión, reparación SOS), como los descubiertos en los últimos años (ver más abajo).

Resumiendo las características de estos mecanismos, podemos concluir que la reparación de varios tipos de daños en la molécula de ADN se produce en varias etapas:

Primer paso- identificación del daño y determinación de su tipo;

segunda fase- Se trata de la activación de enzimas que transforman directamente el daño a su estado original o (si no es posible la reparación directa) cortan el área dañada formando un espacio.

En este último caso se añaden dos pasos más:

tercera etapa- esta es la síntesis de una nueva sección de la molécula de ADN (para reemplazar la dañada);

cuarta etapa- Se trata de insertar una nueva sección en el hueco.

Fotoreactivación o reparación de dímeros de timina.

Bajo la influencia de la radiación ultravioleta, en una molécula de ADN puede producirse un entrecruzamiento covalente de dos pirimidinas adyacentes (dos timinas) ubicadas en diferentes hebras de la molécula. En este caso, se forman dímeros de timina (anillo de ciclobutano), bloqueando la replicación del ADN. Durante la reparación de los dímeros de timina, la enzima que los “reconoce”, la fotoliasa, se combina con ellos formando un único complejo. La UVR activa esta enzima y el anillo de ciclobutano se rompe para formar dos timinas separadas. A. Kellner nombró este mecanismo en 1949. fotorreactivación.

Deaminación (metilación) y reparación de desajustes.

Como se indicó en el Capítulo 6, durante desaminación La adenina se convierte en hipoxantina, que forma enlaces de hidrógeno con la citosina. La guanina se convierte en xantina, que forma enlaces de hidrógeno con timina. La timina no puede desaminarse (la única base nitrogenada del ADN). Cuando se metaboliza la citosina, se forma uracilo. Si se interrumpen los procesos de desaminación de estas bases nitrogenadas, aparecen bases erróneas o mal emparejadas en la molécula de ADN. Entonces, en lugar de pares AT, se forman pares GT en la cadena de ADN, y en lugar de pares GC, se forman pares HA; estos son errores de emparejamiento. Se eliminan mediante dos mecanismos: Reparaciones de desajuste GT Y Reparaciones de falta de coincidencia GA respectivamente. Los participantes en estos mecanismos de reparación pueden incluir:

Productos proteicos de cuatro genes de la familia Mut: H, L, S y U;

Proteínas helicasa;

ADN polimerasas que tienen la propiedad de "dar un paso atrás" después de colocar el siguiente nucleótido en la cadena de ADN en crecimiento y cortar el último nucleótido si no es complementario al nucleótido en la cadena de ADN plantilla, es decir, capaz de corregir

crear errores de emparejamiento;

Adenosina trifosfatasa (ATP);

Desoxinucleótidos fosfatasas (dNTP).

Cabe señalar que los mecanismos reparaciones por desajustes operar en la cadena hija y reemplazar bases no complementarias solo en ella.

Poco después de que finaliza la replicación, las enzimas metilasas añaden grupos metilo a las adeninas en secuencias GATC (guanina-adenina-timina-citosina).

Durante la siguiente replicación, las cadenas de ADN se vuelven distinguibles: la cadena madre contiene adeninas metiladas y las adeninas de las cadenas hijas aún no están metiladas hasta el final de la replicación. Su metilación comenzará sólo después del final de la replicación. Por lo tanto, aunque las adeninas no están metiladas, las células deben tener tiempo para “reparar” los desajustes. La reparación de bases no coincidentes puede ocurrir durante la desaminación del ADN, cuando la enzima N-glicosilasa reconoce la base, rompe el enlace N-glicosídico covalente y lo elimina. Además, puede ocurrir reparación de errores de coincidencia durante la metilación del ADN (consulte el Capítulo 7).

Si la formación de pares de bases clásicos "Watson-Crick" es generalmente difícil, entonces pueden ocurrir errores de emparejamiento (errores de replicación) durante la replicación y también pueden ocurrir desajustes. Para eliminarlos, intervienen otras enzimas: primero, la endonucleasa rompe una cadena de ADN en lugares donde aún no se han formado pares AT o GC, luego la fosfodiesterasa escinde en estos lugares de rotura aquellos grupos azúcar-fosfato (sitios AP) a los que no Se adjuntan bases. Los espacios que aparecen en la cadena de moléculas (de un nucleótido de tamaño) se llenan con la ADN polimerasa I, después de lo cual la enzima ligasa une los extremos del ADN, restaurando el estado original de la molécula.

Alquilación y reparación de guanina O 6 alquilada (metilada) y timina O 4 alquilada

Alquilación - es la adición de grupos laterales alquilo (metilo, etilo, propilo o butilo) a las bases púricas o pirimidínicas de una molécula de ADN mediante la acción de varios mutágenos químicos (agentes alquilantes). Por ejemplo, el metilnitroso-guanito alquila (metila) la guanina agregándole un grupo metilo.

Durante reparación de guanina alquilada con O 6(Aproximadamente 6 megas) el grupo metilo se escinde de la guanina debido al oxígeno asociado con el sexto átomo, y en este punto se restablece la estructura del ADN. Este mecanismo fue descubierto por I.A. Rapport en 1944

Se ha establecido que durante la alquilación en las células se sintetizan proteínas: metiltransferasas, que capturan sus grupos metilo de la guanina modificada, restaurando la estructura original del ADN. Además, las metiltransferasas que han capturado dichos grupos ya no pueden deshacerse de ellos, lo que indica que no pertenecen a la clase de enzimas que no cambian durante numerosas reacciones. Además de este mecanismo, existe reparación de timina alquilada con O 4(O 4 -alT). En consecuencia, si asumimos que para cada acto de reparación directa del ADN se necesitan nuevas moléculas de proteínas, entonces, en caso de daño por agentes alquilantes, la célula se ve obligada a organizar su síntesis en la proporción: una molécula por cada daño. Por tanto, los procesos de formación de daños en el ADN y su reparación están interconectados. Normalmente, miles de estas moléculas se acumulan dentro de la célula. Por ejemplo, durante un ciclo celular que ocurre en E. coli durante 30 minutos, se pueden acumular alrededor de 3000 metiltransferasas, capaces de neutralizar 3000 daños en el ADN.

Apurinización y reparación por escisión.

Apurinización - esta es la formación de sitios AP en la cadena de nucleótidos

Como se sabe, cada célula somática, durante su funcionamiento, pierde aproximadamente 10 mil purinas y pirimidinas por día y, como resultado, en su molécula de ADN se forman sitios apurínicos o grupos azúcar-fosfato sin bases (sitios AP). Si no se corrigieran los sitios AP, habría un desastre.

Durante la eliminación de los sitios AP, las enzimas insertasas rompen el enlace N-glucosídico covalente entre la base y la desoxirribosa, y luego se produce la inserción directa de purinas. Este mecanismo fue descubierto por T. Lindahl en 1979.

Causas de la apurinización: aumento de temperatura, cambio de pH, radiaciones ionizantes.

Si la célula no puede hacer frente al daño a las bases y nucleótidos de la molécula de ADN utilizando los mecanismos de reparación enumerados anteriormente, entonces entran en juego mecanismos de reparación más complejos, uno de los cuales es la reparación por escisión.

Se lleva a cabo cortando (escisión) una base dañada en un nucleótido o una sección más extendida de la molécula.

Reparación por escisión El daño a las bases se produce con la ayuda de las ADN glicosilasas, que reconocen el daño a las bases resultante de la metilación, oxidación, reducción, desaminación, adición de grupos formuro y otras reacciones.

La familia de las ADN glicosilasa incluye 11 tipos de enzimas que se unen a sustratos u objetivos dañados: ura- (contiene uracilo); hmu-(hidroximetiluracilo); 5-tC-(metilcitosina); Hx-(hipoxantina); 3ntA-, tipo I (3-metiladenina) y tipo II (contiene metiladenina, 7-metilguanina o 3-metilguanina); FaPy-(formidopirimidina o residuos de 8-hidroxiguanina); 5,6-HT o endonucleasa III (5,6 residuos de timina hidratados); PD-(dímeros de pirimidina); falta de coincidencia de timina (contiene un par de bases GT no complementarias); sustrato mutY (contiene un par GA no complementario).

Las ADN glicosilasas se adhieren a las lesiones y rompen los enlaces glicosídicos entre la base modificada y la desoxirribosa, lo que da como resultado la formación de sitios AP.

Los sitios AP resultantes son reconocidos por la enzima AP endonucleasa (capaz de romper la cadena dentro de una molécula de ADN o ARN). Una vez que aparece la rotura, entra en acción la enzima fosfodiesterasa, que escinde del ADN el grupo azúcar fosfato al que ya no está unida la base.

Como resultado, aparece una brecha del tamaño de un nucleótido en una cadena de ADN. Frente a la hebra de ADN opuesta hay un nucleótido intacto y otra enzima (ADN polimerasa I) inserta un nucleótido complementario en la hebra, uniéndolo al extremo OH libre de 3". Este extremo de la hebra de ADN y el 5 Los extremos formados previamente cuando la hebra se rompe se conectan entre sí bajo la acción de la polinucleótido ligasa. Después de esto, se considera que toda la estructura está completamente restaurada: se elimina la base incorrecta, se corta el azúcar fosfato al que estaba unida la base, se llena el espacio con el nucleótido correcto y se repara la rotura de una sola hebra.

Reparación por escisión de nucleótidos dañados.

El mecanismo de reparación por escisión es un mecanismo más complejo y que consume más energía, asociado con cortar no solo la base dañada, sino también una sección importante de la cadena.

ADN antes y después del daño. En Escherichia coli, dicha reparación se lleva a cabo mediante un complejo multienzimático de endonucleasas codificadas por tres genes de reparación ultravioleta o genes uvr (A, B y C) y llamado complejo de excinucleasa (Fig. 50). Este mecanismo fue descrito por R. Setlow y V.N. Soifer en 1970. Incluye las siguientes etapas:

Reconocimiento de daños por proteínas uvr A y B;

Doblez de la molécula de ADN y cambio en la conformación de la proteína B uvr;

Realizar dos cortes de ADN monocatenario en ambos lados del daño utilizando las proteínas uvr B y C;

Desenrollado del ADN en la zona entre dos cortes mediante la proteína uvr D (helicasa II);

Desprendimiento de un fragmento que contiene un defecto de 12 nucleótidos de longitud (12 meros) con formación de una brecha que consume la energía de una molécula de ATP;

Llenar el vacío resultante utilizando ADN polimerasa;

Unión de extremos libres de la columna vertebral de azúcar-fosfato del ADN mediante ADN ligasa.

Un mecanismo similar existe en los humanos. Al mismo tiempo, su complejo excinucleasa consta de 17 proteínas, llenando el vacío

Arroz. 50. El mecanismo de reparación por escisión en E. Coli. (según Elliot W., Elliot D., 2002)

ocurre con la participación de las ADN polimerasas O&E, y la sección extirpada de la cadena de ADN dañada tiene 29 nucleótidos de longitud (en lugar de 12 en E. coli).

La reparación de nucleótidos dañados incluye la reparación de errores de coincidencia o la reparación de pares de bases no complementarios (no canónicos) o que no son de Watson-Crick; esta es la llamada reparación de errores de coincidencia (ver arriba).

Reparación de roturas de ADN monocatenario y bicatenario.

Además de los mecanismos de reparación discutidos anteriormente, los mecanismos para reparar roturas de una sola cadena (roturas de enlaces entre bases en una cadena de una molécula de ADN) y roturas de doble cadena (roturas de enlaces entre bases en dos cadenas de una molécula de ADN) son conocido.

Reparación de roturas de ADN monocatenario

Reparación de roturas de ADN monocatenario: esto reparación directa. Se produce en respuesta a la acción de la radiación ionizante y está garantizada por la acción secuencial de las enzimas: 3"-fosfodiesterasa, ADN polimerasa-b y ADN ligasa (ADN polinucleótido ligasa). La restauración de dicha ruptura se produce mediante un complemento intacto. Cadena de ADN como plantilla.

Reparación de roturas de ADN de doble hebra

Las roturas de doble cadena en la molécula de ADN son el tipo de daño más peligroso al ADN para las células. Suelen provocar el desarrollo de inestabilidad genética, la aparición de mutaciones puntuales y aberraciones cromosómicas y la posterior muerte celular.

Hay dos mecanismos conocidos para la reparación de roturas de ADN de doble hebra: la reinserción no homóloga de extremos rotos y la recombinación homóloga.

Reunificación no homóloga de extremos de ADN rotos

La reunificación no homóloga de los extremos rotos del ADN ocurre entre extremos de la molécula que tienen secuencias de nucleótidos no homólogas de diferentes longitudes o regiones homólogas muy cortas. Este mecanismo de reparación no es infalible y a menudo sirve como fuente de mutaciones puntuales, ya que la restauración de la estructura original de la molécula de ADN sólo es posible reuniendo los extremos de la misma cadena. Si no se cumple esta condición, se forman aberraciones cromosómicas: deleciones, duplicaciones,

inversiones, inserciones y translocaciones (ver Capítulo 5). En los mamíferos, la reunificación no homóloga se produce con la participación de la proteína Rad50, proteínas relacionadas, factores Ku, ADN ligasa IV y factores silenciadores.

Recombinación homóloga

El mecanismo de recombinación homóloga se ha estudiado en Drosophila melanogaster. Se supone que debería existir en las células humanas, pero aún no se han obtenido pruebas convincentes de ello. Se cree que durante la recombinación homóloga se forma una brecha en una de las cadenas de ADN, igual en tamaño al elemento extraído de las bacterias (elemento P). La reparación de la brecha se produce con la participación de una copia del elemento P ubicado en la cromátida hermana y utilizado como plantilla para la síntesis de reparación.

Sin embargo, durante la replicación, se puede formar una brecha monocatenaria frente a la sección no reparada, y esta situación no puede corregirse sin error sin la participación de otra molécula de ADN.

Por lo tanto, este mecanismo proporciona recuperación sólo en los casos en que ambas cadenas de ADN están dañadas.

Proteínas de Alberts y su papel en la replicación y reparación del ADN.

En 1968 se descubrieron las proteínas Alberts, o proteínas SSB, implicadas en la reparación del ADN. Estas proteínas, debido a la organización de su estructura terciaria, tienen la capacidad de unirse electrostáticamente al ADN. Las proteínas SSB contienen un grupo de residuos de aminoácidos cargados positivamente, pero su carga general sigue siendo negativa, por lo que tienen una mayor afinidad por el ADN monocatenario.

Si, debido a alteraciones en la estructura secundaria del ADN bicatenario, se forman "secciones fundidas" en las hebras individuales de su hélice, entonces las proteínas de Albert se unen a ellas, se asientan fácilmente sobre ellas y las "enderezan". Al mismo tiempo, las proteínas SSB asentadas en las cadenas complementarias de la molécula no les permiten "colapsar", ya que debido a interacciones electrostáticas tienen una poderosa carga negativa, mostrando afinidad entre sí y cubriendo el "área fundida" con un capa continua - esto cantidad estequiométrica de proteína. En otras palabras, estas proteínas no desnaturalizan la molécula de ADN, sino que sólo fijan su estado monocatenario.

La participación de las proteínas SSB en la replicación de la molécula de ADN es absolutamente necesaria para la célula: mantienen ambas hebras plantilla en estado monocatenario en la horquilla de replicación, protegiendo cada hebra de la acción de las nucleasas y estimulando selectivamente el trabajo del ADN. polimerasa (la ARN polimerasa no utiliza ADN monocatenario recubierto con SSB).

Por tanto, ahora se ha demostrado plenamente el papel de las proteínas SSB en la reparación de roturas de ADN de una y dos cadenas.

Reparación del ADN post-replicativa (recombinación)

En 1968, W. Rapp y P. Howard-Flanders descubrieron que las bacterias tratadas con rayos UV reparación post-replicativa o reparación recombinacional de una cadena de ADN modelo, que contenía muchos dímeros de timina sin cortar, y en el momento en que la ADN polimerasa que lideraba la replicación alcanzó el primer dímero, se "congelaba" en este punto durante 10 s, luego se movía más allá del dímero de timina (de alguna manera de forma incomprensible) y reanudó la síntesis detrás del defecto hasta que “tropezó con” el siguiente dímero. Por lo tanto, las secciones de la cadena hija contenían espacios (no duplicados durante la síntesis de ADN) y defectos no cicatrizados permanecían en secciones de la cadena matriz opuestas a los espacios. A esto le siguió la reparación post-replicativa de las zonas dañadas, en la que participaron proteínas rec A, ligasas y ADN polimerasas. Este mecanismo se parecía al mecanismo de recombinación: primero, una molécula de proteína rec A unida a la zona gap, donde, bajo su control, se producía la recombinación, durante la cual una sección de la cadena complementaria de la cadena hermana se transfirió a la zona gap, la La brecha se creó durante la síntesis replicativa y la ligasa conectó los extremos de las hebras de moléculas nuevas y viejas.

Reparación de ADN SOS

La reparación del ADN SOS es la última opción para el ADN de una célula que se ha acercado a la replicación con un daño que no ha sido reparado por todos los mecanismos de reparación enumerados anteriormente. En este caso, la célula puede morir, ya que la replicación puede "detenerse" ante el primer daño no reparado.

Al mismo tiempo, la célula cuenta con un mecanismo extremadamente riesgoso diseñado para tales fines, llamado Reparación de ADN SOS. Este mecanismo fue descubierto por primera vez en 1953 por J. Wagle y

nombrado en 1974 por M. Radman W-reactivación(la capacidad de los dímeros de timina de "sobrevivir" hasta la siguiente replicación). Durante el mecanismo de reparación SOS, se induce la síntesis de proteínas que se unen al complejo de ADN polimerasa y "endurecen" su trabajo de tal manera que el complejo dañado puede construir una cadena hija de ADN frente a los enlaces defectuosos de la cadena de la matriz. y al mismo tiempo aparecen muchos errores en la cadena hija (mutaciones). Como resultado, la célula se salva de la muerte en esta etapa y puede alcanzar la mitosis, aunque habrá errores y un alto riesgo de muerte celular.

Cabe señalar que los mecanismos de reparación de las moléculas de ADN mencionados anteriormente se relacionan principalmente con los logros de la genética clásica. Al mismo tiempo, en las últimas décadas, gracias a los logros del programa científico internacional "Genoma humano" (ver Capítulo 1), la lista general de mecanismos de reparación del ADN se ha complementado significativamente con otros mecanismos nuevos y previamente poco conocidos.

Reparar una molécula de ADN mediante mecanismos descubiertos en los últimos años

El mecanismo de reparación que involucra la enzima poli-ADP-ribosa polimerasa.

La proteína-enzima poli-ADP-ribosa polimerasa (PARP) es uno de los factores nucleares que primero reconoce el daño en el ADN. Este factor controla la puesta en marcha del mecanismo de reparación del ADN en las células vivas, a partir del lugar del daño del ADN, y forma parte de un complejo multiproteico (complejo MP), que también incluye el factor XRCC1, la ADN ligasa III y la beta-ADN polimerasa.

La presencia de PARP en este complejo asegura la dirección de todos los participantes en la reparación del ADN hacia los sitios de daño del ADN in vivo, lo que facilita la restauración de la molécula de ADN.

El factor XRCC1, que forma parte del complejo MR, se refiere convencionalmente al "andamio", que interactúa individualmente con cada componente del complejo como una estructura molecular de soporte. Desde que se descubrió la poliADP-ribosilación de este factor in vitro, Se sugirió que PARP es capaz de regular la actividad del complejo MP modificando la proteína XRCO. en vivo, lo que altera su interacción con otros componentes del complejo. Esta suposición fue respaldada por datos de que la sobreexpresión del factor XRCC1 suprime la actividad de PARP in vivo.

Actualmente, esta hipótesis continúa siendo estudiada; Los datos confirman que la ADN ligasa III, que forma parte del complejo MP, inhibe la actividad de PARP. in vitro, cuando su cantidad excede la cantidad de PARP.

Modelo de reparación con efecto anti-recombinación de la enzima poli-ADP-ribosa polimerasa

En los últimos años se ha propuesto un modelo de reparación del ADN con el efecto anti-recombinación de PARP (Satoh y Lindahl, 1992). Según este modelo, PARP interactúa con roturas del ADN y, junto con reacciones de poli-ADP-ribosilación de proteínas vecinas, protege específicamente los extremos del ADN de la acción de las nucleasas y/o bloquea el proceso de recombinación. Esto se confirma con el ejemplo de animales de experimentación con deficiencia del gen PARP. Se ha demostrado que la ausencia de PARP estimula el proceso de recombinación y conduce a un aumento en la incidencia de formación de linfoma en ellos. Además, PARP puede reclutar factores de reparación del ADN modificando las proteínas de la cromatina.

Reparación del ADN mediante metiltransferasas.

Con la ayuda de las enzimas de apoyo citosina-ADN metiltransferasas (M-taz), es posible llevar a cabo la metilación de novo de residuos de citosina en el ADN para formar 5-metilcitosina (5-mC), así como la metilación de oligonucleótidos que contienen bases desapareadas. .

Reparación de ADN mediante helicasas.

Entre las enzimas implicadas en la reparación del ADN, se presta mucha atención al grupo de las ADN helicasas (quilasas). Se trata de enzimas filogenéticamente estables capaces de separar las cadenas de una molécula de ADN, convirtiéndola de un estado nativo a uno monocatenario. Las helicasas participan en todos los procesos genéticos fundamentales con la separación de las cadenas originales de la molécula de ADN o en procesos basados ​​en dicha separación: replicación, transcripción, recombinación, reparación, segregación cromosómica, procesamiento y empalme de pre-ARNm, transporte de ARNm al interior del citoplasma y su traducción en los ribosomas (ver capítulos 2 y 3). Durante estos procesos, las quilasas brindan acceso a las secciones monocatenarias de la molécula de ADN que abren para la acción de otras enzimas. Las quilasas se diferencian entre sí en las direcciones de actividad (3" - 5" y 5" - 3") de la cadena de ADN, afinidad preferencial por los extremos de 3" y 5" de la cadena de ADN y afinidad por los cofactores: trifosfatos de nucleótidos. . Estos fertilizantes dependientes de la energía

Los mentos consumen energía generada durante la hidrólisis de los nucleótidos 5"-trifosfatos (generalmente ATP) y actúan en presencia de iones Mg 2 +. Al llevar a cabo cualquier proceso genético, las quilasas, por regla general, se combinan en complejos.

Según su afinidad por el sustrato, las quilasas se dividen en grupos: ADN helicasas, ARN helicasas y helicasas que operan sobre moléculas híbridas de ARN/ARN. Los primeros participan en el inicio de la transcripción, recombinación, reparación y segregación cromosómica. Estos últimos participan en la biogénesis de los ribosomas, la transcripción del ARNm, el empalme del pre-ARNm, la maduración y el transporte del ARNm al citoplasma y su traducción en los ribosomas.

Las quilasas se clasifican por actividad (la capacidad de moverse a lo largo de una molécula de ADN, dividiéndola en cadenas separadas), la presencia de 7 motivos de secuencia de aminoácidos específicos que son inherentes a toda la familia de quilasas, pero que no son necesarios para las individuales. Estos motivos se designan con números: I, Ia, II, III, IV, V y VI (proporcionan conexiones entre las quilasas y el ADN y coordinación del movimiento durante la catálisis). Aunque estos motivos son específicos de las quilasas, también se encuentran en proteínas que utilizan trifosfatos de nucleótidos como cofactor (como las quilasas). Las mutaciones de estos motivos provocan una deficiencia en la actividad quilasa dependiente de ATP. Junto a las quilasas se han aislado proteínas con motivos que no presentan actividad quilasa. También eran 7 y obtuvieron el nombre. Candidatos proteicos para quilasas. Se cree que estas proteínas también deberían participar en la regulación de los procesos genéticos intracelulares.

Además, se identificaron 2 mecanismos para el movimiento de quilasas a diferentes velocidades a lo largo de la cadena de nucleótidos de una molécula de ADN: un modelo de movimiento activo y un modelo de deslizamiento gradual.

Primer mecanismo Se lleva a cabo mediante un dímero de ADN helicasa, que en un ciclo (rotación de la molécula) separa un cierto número de pb.

Segundo mecanismo llevado a cabo por un monómero de ADN helicasa que se mueve a cierta velocidad.

El número y las propiedades de los genes que codifican las helicasas en el genoma humano no se han determinado completamente, pero algunos genes se han estudiado bien. Se trata de genes de helicasa que pertenecen a las familias TFIIH y RecQ. Además, la primera familia es el principal factor de transcripción y consta de nueve subunidades, incluidas dos quilasas (XPB y XPD), 4 proteínas (p62, p52, p44 y p34), el complejo SAC, el

quinasa activadora (quinasa activadora de CDK) y 2 ciclinas (H y Cdk7).

TFIIH tiene actividades de helicasa y quinasa dependientes de ATP, que están controladas por las subunidades XPB y XPD, respectivamente. La actividad quinasa también la proporciona el complejo SAC.

También se ha demostrado que TFIIH participa en la reparación del ADN (“reconoce” una sección de ADN de 20 a 30 pb de longitud que contiene daño y la corta) y sirve como factor de transcripción (interactúa con la región promotora, desenrollando una sección de ADN). de 11-13 pb de longitud (n. alrededor del sitio de inicio de la transcripción).

Reparación de transcripciones de ARNm sin sentido

Aproximadamente un tercio de las enfermedades hereditarias y muchas formas de cáncer son causadas por transcripciones sin sentido o mutaciones de cambio de marco(ver capítulo 5). Como resultado de estas mutaciones, surgen PSC y aparecen proteínas defectuosas.

Al mismo tiempo, existen sistemas en las células que reconocen y destruyen la mayoría de las transcripciones sin sentido. Dos de estos sistemas (universales para eucariotas) se denominan: NMD y SMD (consulte el Capítulo 7).

Al concluir el examen de los sistemas de reparación del ADN celular, cabe señalar que la restauración de defectos que surgen en la molécula de ADN como resultado de la exposición a factores mutagénicos es la propiedad más importante de todos los organismos vivos.

Entre el creciente número de mecanismos de reparación del ADN se encuentran los mecanismos simple, desencadenado inmediatamente después del daño a la molécula de ADN, y complejo, prolongada en el tiempo y que requiere la síntesis de varias enzimas. Estos últimos incluyen mecanismos asociados a diferentes etapas del ciclo de vida celular, así como la salvación de la célula en el orden SOS o el orden de introducción de nuevas mutaciones en la molécula de ADN. Todos los mecanismos de restauración tienen características patogénicas comunes y están estrechamente entrelazados con los procesos de carcinogénesis, mutagénesis, teratogénesis y envejecimiento de células y organismos.

ENFERMEDADES DEL GENOMA

Las enfermedades del genoma (inestabilidad genética) están representadas en todos los campos de la medicina molecular. Desde los tiempos de la genética clásica, las más famosas son las enfermedades de reparación.

En Rusia en los años 80-90 del siglo XX. Las enfermedades de reparación del ADN se estudiaron bajo el nombre de enfermedades de inestabilidad genética (cromosómica), que correspondían a su característica principal: una mayor fragilidad de los cromosomas.

Actualmente, la gama de estas enfermedades se ha ampliado significativamente. Junto con las enfermedades clásicas de reparación del ADN, como la ataxia-telangiectasia (AT), la anemia de Fanconi (AF), el xeroderma pigmentoso (XP), la progeria de Hutchinson-Gilford (HG), el síndrome de Bloom (BS), pertenecen a este grupo de enfermedades los siguientes clase :

Enfermedades autoinmunes: lupus eritematoso sistémico, esclerodermia, artritis reumatoide, etc.;

Enzimopatías hereditarias: Knapp-Komrover, Lesch-Nyan, Pendred, etc.;

Síndromes cromosómicos: Down, Klinefelter, Patau, Shereshevsky-Turner y Edwards; retinoblastoma causado por la deleción del cromosoma 13 (13q14);

Enfermedades monogénicas: ataxia de Friedreich, enfermedad de Darier-White, síndrome de Gardner, nevo de células basales, Marfan, Rothmund-Thomson, Cornelia de Lange, feminización testicular, fotodermatosis, etc.;

Enfermedades poligénicas: psoriasis, esclerosis sistémica, etc. La inestabilidad genética también se manifiesta en prácticamente

portadores sanos de reordenamientos cromosómicos equilibrados, por ejemplo, con translocación de tipo robertsoniano entre cromosomas

Las manifestaciones clínicas comunes de las enfermedades genómicas son: manifestaciones neurológicas pronunciadas, disminución de la esperanza de vida, síntomas de envejecimiento prematuro y mayor incidencia de tumores malignos.

En primer lugar, veamos ejemplos de enfermedades genómicas clásicas o enfermedades de reparación del ADN.

Enfermedades monogénicas asociadas con aumento de la fotosensibilidad y alteración de la reparación por escisión del ADN.

La enfermedad más famosa de esta clase es la PC. Su frecuencia en la población es de 1:40-250 mil personas. La PC es primera enfermedad Reparación del ADN descrita en humanos. Es heterogéneo: tiene 7 grupos de complementación: A, B, C, D, E, F y G. En particular,

El grupo A está muy extendido en Japón, donde representa aproximadamente el 20% de todos los pacientes con CP, y se asocia con un defecto en el sistema de reparación posreplicativo (ChRta1). Los grupos de complementación B y C son comunes en los países europeos y los grupos D, E, F y G son comunes en otros países del mundo.

El gen PC del grupo A está localizado en el locus 9q34.1. Su producto es una proteína de unión al ADN que tiene dos motivos de dedos de zinc (consulte el Capítulo 8).

El gen PC del grupo B está mapeado en el locus 2q21; su producto proteico es una helicasa, que forma parte del factor de transcripción TFIIH (ver arriba).

El gen PC del grupo C está asignado al cromosoma 3 y codifica la proteína p125. La función de esta proteína no está del todo determinada, aunque se sabe que, junto con la proteína p58, interviene en el restablecimiento de la actividad reparadora.

El gen PC del grupo D está mapeado en el locus 19q13.2-q13.3; su producto proteico (como el producto del gen PC del grupo B) se caracteriza por actividad helicasa. Se cree que ambos productos genéticos son dos subunidades del mismo factor TFIIH.

El gen PC del grupo F está asignado al locus 16p13.13; produce una endonucleasa que corta el ADN del lado de 5".

El gen PC del grupo G está asignado al locus 13q33 y también produce una endonucleasa, pero corta el ADN del lado opuesto de 3".

Los principales síntomas de esta enfermedad. son: alta sensibilidad a la acción de la radiación ultravioleta, pigmentación, sequedad, ulceración y cicatrización de la piel. Los pacientes desarrollan cáncer de piel y membranas mucosas (melanoma, carcinoma).

En uno de cada dos o tres casos se expresan síntomas neurológicos (asociados con la muerte apoptótica temprana de las neuronas).

En los últimos años se ha establecido que 3 de cada 7 grupos de complementación de PC (grupos B, D y G) pueden manifestarse como genocopias de otra enfermedad de reparación del ADN: el síndrome de Cockayne (CS), causado por defectos en las endonucleasas de la escisión. sistema de reparación.

En tales casos, los pacientes con PC pueden tener signos clínicos comunes con MC, incluida una mayor sensibilidad a la radiación ultravioleta. Por lo tanto, los diagnósticos en estos pacientes se denominan PKV/SK, PKD/SK, PKG/SK.

Al mismo tiempo, SK es segunda enfermedad(después de PC), descrita como enfermedad de reparación por escisión. Este síndrome se manifiesta por enanismo (con niveles normales de hormona del crecimiento), calcificación de los huesos del cráneo, atrofia de los nervios ópticos, sordera y envejecimiento acelerado. En este síndrome se han identificado dos grupos de complementación: A y B. El gen CK del grupo A está localizado en el locus 5p12-p14 y codifica una proteína que forma parte del complejo de transcripción TFIIH (ver arriba). El gen CK del grupo B está localizado en el locus 10q11.2; codifica una proteína que tiene secuencias de nucleótidos comunes con un factor que controla la transcripción y la reparación en E. coli, y en humanos aparentemente recluta proteínas de reparación por escisión en la región de parada. transcripción.

Tercera enfermedad La reparación del ADN es la tricotnodistrofia (TCD). Con esta enfermedad, la hipersensibilidad a la radiación ultravioleta se manifiesta en aproximadamente la mitad de los pacientes.

La enfermedad se acompaña de una mayor fragilidad del cabello, que se asocia con una disminución en la concentración de proteínas que contienen azufre, que tienen una deficiencia de cisteína.

Al complejo de síntomas principal. incluyen: anomalías en el desarrollo de los dientes y la piel, ictiosis, retraso en el desarrollo sexual, retraso físico y mental, predisposición al cáncer de piel.

En varios casos, se estableció que el defecto de reparación del ADN en TCD corresponde a los defectos de reparación observados en todos los grupos de complementación de PC, excepto en el grupo B.

Esta correspondencia es especialmente común para el gen PC del grupo D. En este sentido, se suponía que el gen PC D es polifuncional y su producto proteico participa en la reparación por escisión y la transcripción dependiente de la ARN polimerasa P. Además, en las células de los pacientes con TCD producen no dos, sino cuatro subunidades del factor de transcripción TFIIH.

La cuarta enfermedad asociado con una mayor fotosensibilidad y una reparación deficiente del ADN está el síndrome de Bloom (SB).

El gen SB, o gen BLM (mutación Bloom), está asignado al locus 15q26 junto al protoncogén fes. Se supone que este gen tiene actividades ATPasa dependiente de ADN y helicasa dependiente de ADN, la primera asociada con el mantenimiento de la estabilidad cromosómica en las células somáticas y la segunda desempeñando un papel clave en la reparación del ADN.

Síntomas de SB: Retraso proporcional del crecimiento pre y posnatal, hiper o hipopigmentación de la piel, enrojecimiento de la piel.

cara en forma de mariposa, predisposición a tumores, alto nivel de aberraciones cromosómicas espontáneas y SCO.

Enfermedades monogénicas asociadas con roturas de ADN de doble hebra en ausencia total de reparación por escisión

El único ejemplo de una enfermedad asociada con roturas de la doble cadena del ADN en ausencia total de mecanismos de reparación por escisión es la AT o síndrome de Louis-Bar. La enfermedad ocurre con una frecuencia de 1:40-100 mil personas y se caracteriza por ataxia cerebelosa, telangiectasia, inmunodeficiencia, alta fragilidad cromosómica y predisposición a tumores malignos (ver Capítulo 5).

Durante las últimas tres décadas, se han estudiado varias características genéticas de esta enfermedad. Resultó que los cromosomas de los pacientes con AT tienen telómeros acortados casi 3 veces, ellos (cromosomas) son altamente sensibles a la acción de las radiaciones ionizantes y los radiomiméticos químicos, lo que se manifiesta en un aumento en la incidencia de anomalías cromosómicas (doble- roturas de cadenas) y una disminución en la supervivencia de las células somáticas, que se caracterizan por la síntesis de ADN radiorresistente, que se manifiesta en la ausencia de síntesis de la proteína p53, que normalmente es responsable del retraso (detención) del ciclo mitótico en el Etapas G 1 -S y G 2 -M, necesarias para la reparación del daño del ADN. En otras palabras, las células de pacientes con AT "simplemente no tienen tiempo" para restaurar la estructura normal del ADN mediante mecanismos de reparación por escisión. Por lo tanto, se utilizan mecanismos de reparación post-replicativa para eliminar las roturas del ADN de doble hebra en dichas células.

Enfermedades monogénicas con deterioro de la reparación por escisión no relacionadas con fotosensibilidad y roturas de ADN de doble cadena.

Las enfermedades con alteración de la reparación por escisión no relacionadas con la fotosensibilidad y las roturas de la doble cadena del ADN incluyen: anemia de Fanconi (AF) y síndromes progeroides de Hutchinson-Gilford y Werner.

anemia de fanconi

La FA es una anemia hipoo aplásica familiar con deficiencia congénita del brote hematopoyético de la médula ósea, trastornos de la pigmentación de la piel, telangiectasias, trastorno bipolar y melanoma.

(ver Capítulo 23), predisposición a la leucemia mieloide y otros síntomas.

Un signo constante de la enfermedad es la inestabilidad cromosómica espontánea que se detecta en las células de la médula ósea, la piel y los linfocitos.

La FA es una enfermedad heterogénea que tiene 8 grupos de complementación (A, B, C, D, E, F, G y H), incluidos los genes de los grupos A y C mapeados en el locus 9q22.3, pero sus productos proteicos no han sido suficientemente estudiado. Cabe señalar que existe inconsistencia en los datos sobre la ausencia de una mayor fotosensibilidad del ADN en pacientes con FA, aunque dichos datos se obtuvieron previamente (Higurashi M., Cohen P.E., 1975).

Progeria Hutchinson-Gilford

La PCP es una enfermedad rara (incidencia 1:1 millón de personas). La esperanza de vida de los pacientes no suele superar los 15 años. El gen de la enfermedad no está localizado.

Síntomas principales: baja estatura, cara “perfil de pájaro”, predominio de la parte cerebral del cráneo sobre la parte facial, red venosa en el cuero cabelludo y la frente, piel seca y gastada, ausencia de cejas y pestañas, alopecia a menudo total, defectos en el número y forma de los dientes, ausencia total de grasa subcutánea, retraso en el desarrollo físico, psicomotor y mental; en orina - alto contenido de ácido hialurónico. Los pacientes suelen ser infértiles.

Causas de muerte prematura: infarto de miocardio con aterosclerosis generalizada y fibrosis, degeneración grasa del tejido cerebral y órganos parenquimatosos.

Se han establecido defectos en la reparación de los enlaces cruzados entre ADN y proteínas inducidos por compuestos químicos en las células de pacientes con PRCH; Número de Hayflick muy reducido y su relación con el acortamiento congénito de los telómeros.

Por analogía con el SK (ver arriba), se supone un tipo de herencia autosómica recesiva para la progeria infantil (PC), aunque es posible una mutación autosómica dominante recientemente emergida que causa un acortamiento de los telómeros.

síndrome de werner

El síndrome de Werner (WS) o progeria del adulto se caracteriza por un envejecimiento prematuro, que se manifiesta sólo después de la pubertad. Los pacientes se vuelven grises y calvos temprano (hasta los 20 años).

El gen de la enfermedad (gen WRN) está localizado en el locus 8p12-p21, produce la enzima helicasa, pero no forma parte del complejo de transcripción principal TFIIN. Es esta característica la que distingue a SV de las PC de los grupos B y D y de las SC del grupo B, en las que la actividad de la helicasa está directamente relacionada con la reparación relacionada con la transcripción.

Síntomas principales:“piel envejecida” (hiperpigmentación, hiperqueratosis, arrugas, sequedad, telangiectasia), voz apagada, cambios en los órganos internos característicos de un cuerpo que envejece (aterosclerosis del corazón y de los vasos sanguíneos, cataratas, osteoporosis, diabetes mellitus; tumores benignos o malignos), en orina - alto contenido de ácido hialurónico. El número de Hayflick está muy limitado no solo en el número de divisiones, sino también en la duración del ciclo celular (3-5 veces menor de lo normal). A diferencia de la situación con PRCG, con SV los cromosomas de los pacientes no tienen telómeros acortados.

Enfermedades oncológicas asociadas con reparación deteriorada.

Desde la descripción del retinoblastoma causado por una deleción del cromosoma 13 (13q14; véanse los capítulos 17 y 25), se han iniciado investigaciones intensivas sobre el papel de las mutaciones genéticas en las formas hereditarias de cáncer. En muchas formas de cáncer, se ha demostrado que las mutaciones genéticas perjudican la reparación de los desajustes que se producen como errores de replicación (debido a pequeñas eliminaciones o inserciones). Estas mutaciones son similares a la mutación en el gen mutS de E. coli, que provoca defectos en la reparación de errores de coincidencia.

En los seres humanos, una mutación en una copia del gen MSN2 está altamente asociada con el desarrollo de cáncer de colon familiar sin poliposis (HNPCC) y cáncer de endometrio. También se ha establecido que en estas enfermedades la segunda copia del gen está ausente en las células tumorales y se observa una frecuencia extremadamente alta de repeticiones de microsatélites (100 veces mayor de lo normal). Además, se han estudiado formas de cáncer de mama asociadas con los genes BRC1 y BRC2, formas de enfermedad de Alzheimer asociadas con cuatro genes (PS1-PS4) y el gen de la proteína priónica, así como otros ejemplos de copia genética de una serie de enfermedades monogénicas y poligénicas. En humanos se han identificado enfermedades asociadas con tumores (véanse los capítulos 17 y 25).

El ADN es un polímero lineal que contiene de 70-80 a 10 9 mononucleótidos, que están conectados por enlaces fosfodiéster covalentes que se producen entre el grupo pentosa hidroxilo de un nucleótido y el grupo fosfato del siguiente nucleótido.

Los datos del análisis de difracción de rayos X mostraron que la molécula de ADN de la mayoría de los organismos vivos, con la excepción de algunos fagos, consta de dos cadenas de polinucleótidos, dirigidas de forma antiparalela y orientadas de tal manera que sus cadenas principales de azúcar y fosfato están en el exterior y sus las bases nitrogenadas están en el interior. Las bases están dispuestas en pares una frente a otra y están conectadas por enlaces de hidrógeno. El emparejamiento ocurre solo entre bases complementarias (adecuadas entre sí): una purina y una perimedina. El par A-T está conectado por dos enlaces de hidrógeno y el par G-C por tres. La molécula de ADN tiene la forma de una doble hélice, en la que las cadenas de polinucleótidos están enrolladas alrededor de un eje central imaginario.

La hélice del ADN se caracteriza por una serie de parámetros:

el ancho de la hélice es de aproximadamente 2 nm;

el paso o giro completo de la hélice es de 3,4 nm y contiene 10 pares de nucleótidos complementarios.

El ADN tiene propiedades únicas: la capacidad de autoduplicarse (replicación) y la capacidad de autocurarse (reparación).

20 proteínas: reconocer secciones alteradas de ADN y eliminarlas de la cadena, restaurar la secuencia correcta de nucleótidos y unir el fragmento restaurado con el resto de la molécula de ADN. 5% de todo el ARN celular.

Replicación se lleva a cabo bajo el control de varias enzimas y ocurre en varias etapas. Comienza en ciertos puntos de la molécula de ADN. Unas enzimas especiales rompen los enlaces de hidrógeno entre los enlaces de nitrógeno complementarios y la hélice se desenrolla. Las cadenas de polinucleótidos de la molécula original se mantienen sin torcer y sirven como plantilla para la síntesis de nuevas cadenas.

Con la ayuda de la enzima ADN polimerasa, se ensamblan cadenas hijas a partir de los desoxirribonucleótidos trifosfato (dATP, dGTP, dCTP, dTTP) disponibles en el medio, complementarias a las cadenas madre. La replicación ocurre simultáneamente en ambas cadenas maternas, pero a diferentes velocidades y con algunas diferencias. En una de las cadenas (principal), el ensamblaje de la cadena secundaria se produce de forma continua, en la otra (retrasada), de forma fragmentaria. Posteriormente, los fragmentos sintetizados se mezclan utilizando la enzima ADN ligasa. Como resultado, a partir de una molécula de ADN se forman dos moléculas de ADN, cada una de las cuales tiene una cadena madre y una hija. Las moléculas sintetizadas son copias exactas entre sí y de la molécula de ADN original. Este método de replicación del ADN se denomina semiconservador y garantiza una reproducción precisa en las moléculas hijas de la información que se registró en la molécula madre.

Indemnización es la capacidad de una molécula de ADN para “corregir” los cambios que ocurren en sus cadenas. La restauración de la molécula de ADN original implica al menos

Las características enumeradas de la estructura química y las propiedades del ADN determinan las funciones que realiza. El ADN registra, almacena, reproduce información genética y participa en los procesos de su implementación entre nuevas generaciones de células y organismos.

ARN ribosómico (ARNr) Se sintetiza principalmente en el nucléolo, en la región de los genes de ARNr, y está representado por moléculas de diversos pesos moleculares que forman parte de las subunidades grandes o pequeñas de los ribosomas. El ARNr representa el 85% del ARN total de una célula.

Transferencia de ARN (ARNt) constituye alrededor del 10% del ARN celular. Hay más de 40 tipos de ARNt. Al implementar información genética, a cada ARNt se le une un aminoácido específico y lo transporta al sitio de ensamblaje del polipéptido. En eucariotas, los ARNt constan de 70 a 90 nucleótidos y tienen una estructura en forma de hoja de trébol.

Los ácidos ribonucleicos (ARN) están representados por moléculas de diversos tamaños, estructuras y funciones. Todas las moléculas de ARN son copias de determinadas secciones de la molécula de ADN y, además de las diferencias ya mencionadas, son más cortas que ésta y están formadas por una única cadena. Entre secciones individuales de una cadena de ARN que son complementarias entre sí, es posible el emparejamiento de bases (A-U, G-C) y la formación de secciones helicoidales. Como resultado, las moléculas adquieren una conformación específica.

Matriz o información, ARN(ARNm, ARNm) sintetizada en el núcleo bajo el control de la enzima ARN polimerasa, complementaria a las secuencias informativas de ADN, transfiere esta información a los ribosomas, donde se convierte en una matriz para la síntesis de una molécula de proteína. Dependiendo de la cantidad de información copiada, la molécula de ARNm puede tener diferentes longitudes y constituye aproximadamente el 5% de todo el ARN celular.

pares de otros. De hecho, estos cambios acompañan a cada ciclo de replicación del ADN, pero su frecuencia es mucho menor de lo que debería ser. Esto se explica por el hecho de que la mayoría de cambios de este tipo se eliminan debido a la acción del mecanismo de reparación (restauración molecular) de la secuencia de nucleótidos del ADN original.

El mecanismo de reparación se basa en la presencia de dos cadenas complementarias en la molécula de ADN. La distorsión de la secuencia de nucleótidos en uno de ellos se detecta mediante enzimas específicas. Luego se retira la sección correspondiente y se reemplaza por una nueva, sintetizada en la segunda hebra de ADN complementaria. Este tipo de reparación se llama reparación por escisión, es decir. con “corte” (Fig. 3.15). Se lleva a cabo antes del siguiente ciclo de replicación, por lo que también se llama

pre-replicativo.

Arroz. 3.14. Esquema del proceso de corrección durante la síntesis de ADN: I - inclusión en la cadena de ADN de un nucleótido con una forma alterada (tautomérica) de citoeína, que se empareja “ilegalmente” con adenina; II - transición rápida

la citosina en su forma normal interrumpe su emparejamiento con la adenina; el extremo 3"-OH no apareado de la cadena sintetizada impide su mayor elongación bajo la acción de la ADN polimerasa; III - la ADN polimerasa elimina el nucleótido ilegal, como resultado de lo cual reaparece el extremo 3"-OH emparejado con la matriz; IV - La ADN polimerasa continúa la extensión de la cadena en el extremo 3"-OH

Restaurar la estructura original del ADN requiere la participación de varias enzimas. Un punto importante para activar el mecanismo de reparación es la detección de un error en la estructura del ADN. A menudo, estos errores ocurren en la cadena recién sintetizada durante el proceso de replicación. Las enzimas reparadoras deben detectar esta cadena en particular. En muchas especies de organismos vivos, la cadena de ADN recién sintetizada se diferencia de la materna en el grado de metilación de sus bases nitrogenadas, que va por detrás de la síntesis. En este caso, la cadena no metilada se repara. Las roturas de las cadenas de ADN también pueden ser reconocidas por enzimas reparadoras. En los organismos superiores, donde la síntesis de ADN no se produce de forma continua, sino mediante replicones separados, la cadena de ADN recién sintetizada presenta roturas, lo que permite reconocerla.

Restaurar la estructura del ADN cuando se pierden las bases purínicas de una de sus cadenas implica detectar el defecto mediante la enzima endonucleasa, que rompe el enlace fosfoéster en el lugar de daño de la cadena. Luego, la enzima exonucleasa elimina la sección modificada con varios nucleótidos adyacentes y, en su lugar, de acuerdo con el orden de las bases de la cadena complementaria, se forma la secuencia de nucleótidos correcta (fig. 3.15).

Arroz. 3.15. Esquema de escisión, reparación pre-replicativa del ADN. Cuando una de las bases de la cadena de ADN cambia en la restauración del original.

En las estructuras intervienen unas 20 enzimas ADN glicosilasa, que reconocen específicamente los daños causados ​​por la desaminación, la alquilación y otras transformaciones estructurales de las bases. Estas bases modificadas se eliminan. Aparecen zonas desprovistas de bases que se reparan, al igual que ocurre con la pérdida de purinas. Si no se restablece la estructura normal, por ejemplo en el caso de desaminación de bases nitrogenadas, algunos pares de bases complementarias se reemplazan por otros: el par C-G puede ser reemplazado por un par T-A, etc. (ver sección 3.4.2.3).

La formación de dímeros de timina (T-T) en cadenas de polinucleótidos bajo la influencia de los rayos UV requiere la participación de enzimas que reconocen no bases alteradas individuales, sino daños más extensos en la estructura del ADN. El proceso de reparación en este caso también está asociado con la eliminación de la región que porta el dímero y la restauración de la secuencia de nucleótidos normal mediante síntesis en la cadena de ADN complementaria.

En el caso de que el sistema de reparación por escisión no corrija un cambio que se ha producido en una cadena de ADN, la fijación se produce durante la replicación.

este cambio y pasa a ser propiedad de ambas cadenas de ADN. Esto conduce a la sustitución de un par de nucleótidos complementarios por otro o a la aparición de roturas (huecos) en la cadena recién sintetizada frente a las secciones modificadas. La restauración de la estructura normal del ADN también puede ocurrir después de la replicación.

Reparación post-replicativa llevado a cabo por recombinación (intercambio de fragmentos) entre dos dobles hélices de ADN recién formadas. Un ejemplo de dicha reparación post-replicativa es la restauración de la estructura normal del ADN cuando los dímeros de timina (T-T) surgen cuando no se eliminan espontáneamente bajo la influencia de la luz visible. reparación ligera) o durante la reparación por escisión previa a la replicación.

Los enlaces covalentes que surgen entre residuos de timina adyacentes los hacen incapaces de unirse a nucleótidos complementarios. Como resultado, aparecen roturas (huecos) en la cadena de ADN recién sintetizada, reconocidas por las enzimas reparadoras. La restauración de la integridad de la nueva cadena polinucleotídica de uno de los ADN hijos se lleva a cabo mediante la recombinación con la correspondiente cadena parental normal de otro ADN hijo. El espacio formado en la cadena madre se llena luego mediante síntesis en una cadena de polinucleótidos complementaria a ella (fig. 3.16). Una manifestación de dicha reparación post-replicativa, llevada a cabo por recombinación entre las cadenas de dos moléculas hijas de ADN, puede considerarse el intercambio de material que se observa a menudo entre cromátidas hermanas (fig. 3.17).

Arroz. 3.16. Esquema de reparación post-replicativa del ADN: I - aparición de un dímero de timina en una de las cadenas de ADN;

II - formación de un "espacio" en la cadena recién sintetizada contra la sección modificada de la molécula madre después de la replicación (la flecha muestra el llenado posterior del "espacio" con una sección de la cadena correspondiente de la segunda molécula hija de ADN);

III - restauración de la integridad de la cadena hija de la molécula superior por recombinación y en la molécula inferior por síntesis en la cadena complementaria

Arroz. 3.17. Intercambios intercromátidos (indicados por flechas)

Durante la reparación pre-replicativa y post-replicativa, se restaura la mayor parte del daño a la estructura del ADN. Sin embargo, si se produce demasiado daño en el material hereditario de la célula y parte de él no se elimina, se activa el sistema de enzimas reparadoras inducibles (estimuladas) (sistema SOS). Estas enzimas llenan los vacíos, restaurando la integridad de las cadenas de polinucleótidos sintetizadas sin observar estrictamente el principio de complementariedad. Por eso, en ocasiones, los propios procesos de reparación pueden servir como fuente de cambios permanentes en la estructura del ADN (mutaciones). Esta reacción también se aplica al sistema SOS.

Si en una célula, a pesar de la reparación realizada, la cantidad de daño en la estructura del ADN sigue siendo alta, los procesos de replicación del ADN en ella se bloquean. Una célula así no se divide, lo que significa que no transmite los cambios resultantes a su descendencia.

La detención del ciclo celular causada por daños en el ADN, combinada con la imposibilidad de reparación molecular del material hereditario alterado, puede, con la participación de una proteína cuya síntesis está controlada por el gen p53, conducir a la activación del proceso de autodestrucción (apoptosis). ) de la célula defectuosa para eliminarla del organismo.

Así, un amplio conjunto de diferentes enzimas reparadoras "inspeccionan" continuamente el ADN, eliminando las áreas dañadas del mismo y ayudando a mantener la estabilidad del material hereditario. La acción combinada de las enzimas de replicación (ADN polimerasa y endonucleasa de edición) y las enzimas de reparación garantiza una frecuencia bastante baja de errores en las moléculas de ADN, que se mantiene en un nivel de 1 × 10-9 pares de nucleótidos modificados por genoma. Dado el tamaño del genoma humano de 3 × 109 pares de nucleótidos, esto significa alrededor de 3 errores por genoma en replicación. Al mismo tiempo, incluso este nivel es suficiente para la formación de una diversidad genética significativa en forma de mutaciones genéticas durante la existencia de vida en la Tierra.

3.4.2.3. Cambios en las secuencias de nucleótidos del ADN. Mutaciones genéticas

Los cambios no corregidos en la estructura química de los genes, que se reproducen en sucesivos ciclos de replicación y se manifiestan en la descendencia en forma de nuevas variantes de rasgos, se denominan mutaciones genéticas.

Los cambios en la estructura del ADN que forma un gen se pueden dividir en tres grupos. Las mutaciones del primer grupo consisten en sustituir unas bases por otras. Representan aproximadamente el 20% de los cambios genéticos que ocurren espontáneamente. El segundo grupo de mutaciones es causado por un cambio en el marco de lectura que ocurre cuando cambia el número de pares de nucleótidos en el gen. Finalmente, el tercer grupo está representado por mutaciones asociadas con un cambio en el orden de las secuencias de nucleótidos dentro de un gen (inversión).

Mutaciones por tipo de sustitución de bases nitrogenadas. Estas mutaciones ocurren por varias razones específicas. Uno de ellos puede ser un cambio en la estructura de una base ya incluida en la hélice del ADN que se produce accidentalmente o bajo la influencia de agentes químicos específicos. Si dicha forma alterada de la base no es detectada por las enzimas reparadoras, durante el siguiente ciclo de replicación puede unirse a otro nucleótido. Un ejemplo es la desaminación de la citosina, que se convierte en uracilo de forma espontánea o bajo la influencia del ácido nitroso (fig. 3.18). El uracilo resultante, que la enzima no detecta.ADN glicosilasa,durante la replicación, se une a la adenina, a la que posteriormente se une un nucleótido de timidilo. Como resultado, una pareja CG es reemplazado en el ADN por un par T-A (figura 3.19, I ). La desaminación de la citosina metilada la convierte en timina (ver Figura 3.18). El nucleótido de timidilo, al ser un componente natural del ADN, no es detectado por las enzimas reparadoras como un cambio y, durante la siguiente replicación, se une un nucleótido de adenilo. Como resultado, en lugar de un par CG También aparece un par en la molécula de ADN. TA (Fig. 3.19, II).

Arroz. 3.18. Deaminación espontánea de la citosina.

Otra razón para la sustitución de bases puede ser la inclusión errónea en la cadena de ADN sintetizada de un nucleótido que porta una forma químicamente alterada de la base o su análogo. Si este error no es detectado por las enzimas de replicación y reparación, la base cambiada se incluye en el proceso de replicación, lo que a menudo conduce a la sustitución de un par por otro. Un ejemplo de esto es la adición de un nucleótido con 5-bromouracilo (5-BU), similar al timidil nucleótido, a la adenina de la cadena madre durante la replicación. Durante la replicación posterior, el 5-BU no se une más fácilmente a la adenina, sino a la guanina. La guanina, durante una mayor duplicación, forma un par complementario con la citosina. Como resultado, el par A-T es reemplazado en la molécula de ADN por un par G-C (figura 3.20).

Arroz. 3. 19. Mutaciones por tipo de sustitución de bases (desaminación de bases nitrogenadas en la cadena de ADN):

I - conversión de citosina en uracilo, sustitución del par C-G por un par T-A;

II - conversión de metilcitosina en timina, sustitución del par C-G por un par T-A

De los ejemplos anteriores queda claro que los cambios en la estructura de la molécula de ADN, como el reemplazo de bases, ocurren antes o durante el proceso de replicación, inicialmente en una cadena de polinucleótidos. Si tales cambios no se corrigen durante la reparación, durante la replicación posterior pasan a ser propiedad de ambas cadenas de ADN.

Arroz. 3.20. Mutaciones de sustitución de bases

(incorporación de un análogo de base nitrogenada durante la replicación del ADN)

La consecuencia de sustituir un par de nucleótidos complementarios por otro es la formación de un nuevo triplete en la secuencia de nucleótidos del ADN que codifica la secuencia de aminoácidos de la cadena peptídica. Es posible que esto no afecte la estructura del péptido si el nuevo triplete es "sinónimo" del anterior, es decir, codificará el mismo aminoácido. Por ejemplo, el aminoácido valina está cifrado por cuatro tripletes: CAA, CAG, CAT, CAC. Reemplazar la tercera base en cualquiera de estos tripletes no cambiará su significado (degeneración del código genético).

EN En el caso de que el triplete recién surgido encripte otro aminoácido, la estructura de la cadena peptídica y las propiedades de la proteína correspondiente cambian. Dependiendo de la naturaleza y ubicación del reemplazo, las propiedades específicas de la proteína cambian en diversos grados. Hay casos en los que la sustitución de un solo aminoácido en un péptido afecta significativamente las propiedades de la proteína, lo que se manifiesta en cambios en características más complejas. Un ejemplo es el cambio en las propiedades de la hemoglobina humana cuando anemia falciforme (fig. 3.21). En dicha hemoglobina (HbS) (a diferencia de la HbA normal), en las cadenas de p-globina en la sexta posición, el ácido glutámico se reemplaza por valina. Esto es consecuencia de la sustitución de una de las bases del triplete que codifica el ácido glutámico (CTT o TTC). El resultado es un triplete que cifra la valina (CAT o TsAT). En este caso, la sustitución de un aminoácido en el péptido cambia significativamente las propiedades de la globina, que forma parte de la hemoglobina (su capacidad para unirse al O2 disminuye), y la persona desarrolla signos de anemia falciforme.

EN En algunos casos, la sustitución de una base por otra puede provocar la aparición de una de tripletes sin sentido (ATT, ATC, ACT), que no cifran ningún aminoácido. La consecuencia de tal sustitución será la interrupción de la síntesis de la cadena peptídica. Se estima que las sustituciones de nucleótidos en un triplete conducen a la formación de tripletes sinónimos en el 25% de los casos; en 2-3 - trillizos sin sentido, en 70-75% - la aparición de verdaderas mutaciones genéticas.

Por tanto, las mutaciones por sustitución de bases pueden surgir como resultado de cambios espontáneos en la estructura de bases en una de las hebras de una doble hélice de ADN existente o durante la replicación en una hebra recién sintetizada. Si estos cambios no se corrigen durante el proceso de reparación (o, por el contrario, surgen durante la reparación), se fijan en ambas cadenas y luego se reproducirán en ciclos de replicación posteriores. Por tanto, una fuente importante de tales mutaciones es la interrupción de los procesos de replicación y reparación.

Mutaciones por cambio de marco. Este tipo de mutación representa una proporción significativa de las mutaciones espontáneas. Ocurren como resultado de la pérdida o inserción de uno o más pares de nucleótidos complementarios en la secuencia de nucleótidos del ADN. La mayoría de las mutaciones estudiadas que causan

El mecanismo de reparación se basa en la presencia de dos cadenas complementarias en la molécula de ADN. La distorsión de la secuencia de nucleótidos en uno de ellos se detecta mediante enzimas específicas. Luego se retira la sección correspondiente y se reemplaza por una nueva, sintetizada en la segunda hebra de ADN complementaria. Este tipo de reparación se llama reparación por escisión, es decir. con “corte” (Fig. 15). Ocurre antes del siguiente ciclo de replicación, por lo que también se le llama pre-replicativo.

Figura 14. Esquema del proceso de corrección durante la síntesis de ADN:

I-inclusión en la cadena de ADN de un nucleótido con una forma alterada (tautomérica) de citoeína, que se empareja "ilegalmente" con adenina; II - la rápida transición de la citosina a su forma normal altera su emparejamiento con la adenina; el extremo 3"-OH no apareado de la cadena sintetizada evita su mayor elongación bajo la acción de la ADN polimerasa; III - la ADN polimerasa elimina el nucleótido ilegal, como resultado de lo cual reaparece el extremo 3"-OH emparejado con la matriz; IV - La ADN polimerasa continúa extendiendo la cadena en el extremo 3"-OH.

Restaurar la estructura original del ADN requiere la participación de varias enzimas. Un punto importante para activar el mecanismo de reparación es la detección de un error en la estructura del ADN. A menudo, estos errores ocurren en la cadena recién sintetizada durante el proceso de replicación. Las enzimas reparadoras deben detectar esta cadena en particular. En muchas especies de organismos vivos, la cadena de ADN recién sintetizada se diferencia de la materna en el grado de metilación de sus bases nitrogenadas, que va por detrás de la síntesis. En este caso, la cadena no metilada se repara. Las roturas de las cadenas de ADN también pueden ser reconocidas por enzimas reparadoras. En los organismos superiores, donde la síntesis de ADN no se produce de forma continua, sino mediante replicones separados, la cadena de ADN recién sintetizada presenta roturas, lo que permite reconocerla. Restaurar la estructura del ADN cuando se pierden las bases purínicas de una de sus cadenas implica detectar el defecto mediante la enzima endonucleasa, que rompe el enlace fosfoéster en el lugar de daño de la cadena. Luego, la enzima exonucleasa elimina la sección modificada con varios nucleótidos adyacentes y, en su lugar, de acuerdo con el orden de las bases de la cadena complementaria, se forma la secuencia de nucleótidos correcta (Fig. 15).

Figura 15. Esquema de escisión, reparación de ADN pre-replicativo.

Cuando se modifica una de las bases de la cadena de ADN, en la restauración de la estructura original participan unas veinte enzimas ADN glicosilasa, que reconocen específicamente los daños causados ​​por la desaminación, la alquilación y otras transformaciones estructurales de las bases. Estas bases modificadas se eliminan. Aparecen zonas desprovistas de bases que se reparan, al igual que ocurre con la pérdida de purinas. Si no se restablece la estructura normal, por ejemplo en el caso de desaminación de bases nitrogenadas, algunos pares de bases complementarias se reemplazan por otros: el par C-G puede ser reemplazado por un par T-A, etc. .

La formación de dímeros de timina (T-T) en cadenas de polinucleótidos bajo la influencia de los rayos UV requiere la participación de enzimas que reconocen no bases alteradas individuales, sino daños más extensos en la estructura del ADN. El proceso de reparación en este caso también está asociado con la eliminación de la región que porta el dímero y la restauración de la secuencia de nucleótidos normal mediante síntesis en la cadena de ADN complementaria.

En el caso de que el sistema de reparación por escisión no corrija un cambio que ha surgido en una cadena de ADN, durante la replicación este cambio se fija y pasa a ser propiedad de ambas cadenas de ADN. Esto conduce a la sustitución de un par de nucleótidos complementarios por otro o a la aparición de roturas (huecos) en la cadena recién sintetizada frente a las secciones modificadas. La restauración de la estructura normal del ADN también puede ocurrir después de la replicación.

Existen mecanismos en la célula que pueden restaurar total o parcialmente la estructura original del ADN alterado. En teoría, las mutaciones causadas por la radiación, los productos químicos y otros factores podrían conducir a la extinción de una población bacteriana si ésta fuera privada de la capacidad de reparación de ADN. Un conjunto de enzimas que catalizan la corrección del daño en el ADN se combinan en los llamados sistemas de reparación, que se diferencian fundamentalmente en los mecanismos bioquímicos de "curación" del daño. Hay tres direcciones principales para corregir los defectos del ADN.

1. Reversión directa de ADN dañado a la estructura original cuando cambios en el ADN corregido por una sola reacción enzimática. Por ejemplo, eliminación de un grupo metilo unido incorrectamente en el sexto átomo de oxígeno de la guanina usando metiltransferasa; o escisión del dímero de timina resultante de la irradiación usando fotoliasa ( reparación recombinacional).

2. "Recortar" el daño seguido de la restauración de la estructura original (reparación por escisión).

3. Activación de mecanismos especiales., asegurando la supervivencia en caso de daño. ADN(restauración de la estructura original ADN como resultado de recombinación; corrección de emparejamiento de bases erróneo; Síntesis traslacional en una matriz dañada. ADN). Estos mecanismos no siempre conducen a la restauración completa de la estructura original del ADN.

Compensación de funciones deterioradas como resultado de mutaciones.

mutación primaria puede compensarse mediante una mutación secundaria que se produjo dentro del gen mutado (intragénicamente) o en otro gen (extragénicamente). Cambios que eliminan las manifestaciones de una mutación sin corregir el trastorno original en ADN, llamado supresión.

supresión intragénica causada por una mutación secundaria que corrige los efectos de la mutación primaria. Por ejemplo, una mutación puntual que da como resultado la síntesis de una proteína defectuosa con actividad biológica perdida puede corregirse si una mutación puntual secundaria da como resultado la codificación de un aminoácido que conserva la configuración y actividad de la proteína. La restauración exacta de la estructura genética original se denomina mutación inversa verdadera ( verdadera reversión). Si el efecto de la primera mutación se compensa con una mutación en otra parte del gen, dichas mutaciones se denominan reversiones secundarias.

Supresión extragénica- supresión de la manifestación de una mutación que se produjo en un gen debido a una mutación en el segundo gen.