С классической точки зрения причины болезней прежде всего ищутся во внешних условиях. Базой для такого подхода стали великие бактериологические открытия XIX в. Однако последующие исследования показали, что причина болезни заключается не только в наличии инфекции, но и в свойствах самого организма. Новейшие открытия молекулярной генетики и молекулярной биологии позволили заново освоить общие основы этой проблемы.
Впервые одну из молекулярных болезней описал Л. Полинг с сотрудниками (США) в 1949 г. Проводя многолетние исследования физико-химических свойств белков, ученый показал, что в случае серповидного малокровия (серповидной анемии) наблюдаются изменение структуры красных кровяных телец — эритроцитов и гемолиз (распад) недоокисленной крови.
В то же время в присутствии кислорода (в окисленной форме) эритроциты имеют нормальное строение. Зная строение эритроцитов, состоящих главным образом из белка гемоглобина (Нв), Полинг предположил, что причина этого изменения заключается в особенностях строения этого белка. Сам же он и потвердил правильность этих предположений, разделив с помощью электрофореза нормальный гемоглобин (НвА) и патологический гемоглобин, названный им гемоглобином S(HвS).
Исследования гемоглобина
Каждая молекула гемоглобина состоит из двух пар различных полипептидных цепей глобина, несущих по одному тему, который содержит атом железа, осуществляющий транспорт атмосферного кислорода. Цепи связаны друг с другом слабыми химическими взаимодействиями (силами Ван дер Ваальса, водородными или ионными связями). Известны различающиеся по структуре цепи, названные a, b, g и s. В качестве примера можно привести наиболее часто встречающийся нормальный гемоглобин, состоящий из двух попарно идентичных a- и b-цепей. Индексы a1 и a2, а также b1 и b2 обозначают только их взаимное расположение. В случае синтеза неправильных цепей глобина образуются патологические гемоглобины. В них измененной может быть одна цепь в любой паре полипептидных цепей (гетерозиготный гемоглобин) либо обе цепи (гомозиготный гемоглобин).
Серповидный HвS отличается от нормального HвS строением b-цепи глобина. Впервые структура b-цепи HвS была установлена в 1955—1957 гг. В. Ингремом (Англия), который показал, что отличие HвS от НвА состоит в замещении аминокислоты в шестом положении b-цепи: в НвА это глутаминовая кислота, в HвS это валин.
Пространственную структуру гемоглобина установил М. Перутц, а миоглобина, который переносит кислород в мышцах,— Дж. Кендрью (Англия), что позволило представить механизм действия этих белков.
На примере гемоглобина показано, что его молекула проходит цикл конформационных изменений, которые обеспечивают выполнение гемоглобином его функций. В легких проявляется высокое сродство гемоглобина к кислороду, осуществляется связывание кислорода и его последующее транспортирование в ткани. В тканях, где парциальное давление кислорода понижено, наоборот, уменьшается сродство к нему гемоглобина, что вызывает освобождение кислорода.
Эти различия в сродстве гемоглобина к кислороду и обеспечивают транспорт кислорода к тканям. Поэтому вполне очевидно, что если происходят какие-то структурные изменения в молекуле гемоглобина, то это нарушает выполнение им одной или нескольких функций и приводит к заболеванию.
Расположение цепей глобина, образующих молекулы гемоглобина. Тонкими линиями обозначены связывающие молекулу слабые взаимодействия как между цепями, так и внутри них, а цифрами — их количество. Ромбики с индексом Fe соответствуют четырем темам, несущим по одному атому железа. Цепи a1 и a2, а также b1 и b2 в нормальном гемоглобине попарно одинаковы
Исследования гемоглобина показали, что в целом его молекула малочувствительна к замене аминокислот на ее поверхности. Под термином «замена» имеется в виду такое изменение строения белковой цепи, когда один или несколько аминокислотных остатков заменены на другие.
Причины таких замен лежат в изменении структуры генетического материала, происшедшем вследствие мутаций. В то же время замена некоторых аминокислот внутри молекулы вызывает понижение ее стабильности, а это, в свою очередь, резко изменяет функции молекулы. В белковых молекулах, состоящих из двух либо большего числа полипептидных цепей, замены на участках взаимодействия этих цепей друг с другом могут вызвать распад молекул и полную утрату ими своих биологических свойств.
Нарушения биологических функций гемоглобина
М. Перутц и X. Леман (Англия) впервые исследовали зависимость нарушения биологических функций гемоглобина от его строения. Они выявили четыре группы замен, влияющих на биологические свойства гемоглобина.
Это следующие замены: 1 — в местах взаимодействия полипептидных цепей с гемом; 2 — в местах контактов между полипептидными цепями; 3 — на поверхности молекулы; 4 — в других местах цепей глобина.
1. Изменение структуры цепей в местах их контактов с гемом вызывает тяжелые нарушения даже в случае гетерозигот. Соединение тема с глобином осуществляется единственной ковалентной связью (гистидина с атомом железа гема), а также примерно 60 слабыми взаимодействиями, требующими белковых контактов и чувствительных ко всяким изменениям пространственного строения. Замена на этих участках, хотя бы одной аминокислоты на другую, может вызвать ослабление связи гема с глобином вплоть до утраты гема. Гем, в свою очередь, благодаря взаимодействию с глобином, стабилизирует последний. Поэтому нарушение связи гем — белковая цепь вызывает общее нарушение характерной пространственной структуры этой цепи, что приводит к полному распаду молекулы — гемолизу.
2. Замены на участках контактов между цепями a1 и b1 вообще не известны, хотя возможны. В то же время хорошо известные замещения на участках контактов a1 и b2 вызывают значительные изменения в связывании кислорода, как правило, увеличение сродства к нему.
Все патологические гемоглобины с повышенным сродством к кислороду вызывают интересный патогенный эффект. В этих случаях наблюдается увеличение образования эритроцитов, т. е. полиглобулия. Отмечена цепь последовательных явлений. Из-за увеличения сродства гемоглобина к кислороду отдача кислорода в тканях затруднена, результатом чего являются процессы недоокисления. Известно, что недоокисление вызывает образование в клетках вещества, называемого эритропоэ-тином, которое влияет на костный мозг, вызывая увеличение образования эритроцитов.
3. Гемоглобины с замещениями на поверхности молекулы у гетерозигот вообще не вызывают никаких последствий, тогда как могут быть патогенны у гомозигот. К этой группе относится серповидный гемоглобин HвS. Для него причина нарушения нормального процесса переноса кислорода заключается в образовании связей между молекулами гемоглобина, в результате чего образуются агрегаты, состоящие из нескольких молекул HbS, что вызывает деформацию кровяных телец. Эти связи не возникают в окисленном гемоглобине, вероятно, по причине другой конформации окисленной молекулы. Более того, окисление вызывает разрушение образовавшихся в восстановленном состоянии агрегатов. Агрегация молекул приводит к гемолизу, а как следствие последнего — к малокровию. У гетерозигот, имеющих в составе одной молекулы субединицы правильного гемоглобина (НвА) и патогенного (HвS), агрегация между молекулами не наступает, и поэтому организмы с такими изменениями малокровием не страдают.
Наблюдения показали, что не только серповидное малокровие, но и другие виды гемоглобинопатии и энзимопатии эритроцитов проявляются прежде всего в районах тропической малярии.
4. Замещения, локализованные внутри молекулы гемоглобина в местах, не участвующих в контактах с гемом, также могут вызывать тяжелые нарушения процесса переноса кислорода кровью. Эти аномалии связаны с непрочностью эритроцитов и их гемолизом. В равной мере вызывает тяжелые гемолитические малокровия и утрата отдельных остатков аминокислот в цепях глобина.
Большой раздел патологии красных кровяных телец объединяется недостаточностями ферментов — энзимопатиями. Следует указать, что в эритроцитах реализуется очень мало метаболитических (обменных) схем, что, с одной стороны, облегчает изучение каждой из них, а с другой — делает эритроциты очень уязвимыми к отсутствию хотя бы одного из звеньев в этих схемах вследствие невозможности компенсации.
Понижение метаболической активности эритроцитов может вызываться нарушением на любом из этапов обмена. Известны нарушения гликолизного цикла в эритроцитах. Причина каждого нарушения лежит в мутации соответствующего гена, ответственного за структуру определенного фермента. Таким образом, вариации в структуре разных гемоглобинов или ферментов эритроцитов определяются несходством генотипов их хозяев.
Различие в активности какого-либо фермента может вызываться его гетерозиготной основой. Как известно, в большинстве случаев блокирование метаболических циклов у людей проявляется преимущественно при гомозиготной наследственности. С точки зрения классической менделевской генетики рецессивные признаки у гетерозигот не проявляются. Однако некоторые изменения этих взглядов были вызваны новыми биохимическими данными. Так, с момента открытия серповидного гемоглобина оказалось, что у гетерозигот HвA/HвS проявляются оба типа гемоглобина.
Активность и структура ферментов
Подобной представляется и картина с ферментами. Весьма вероятно, что гетерозиготы имеют столько же молекул ферментов с нормальной активностью, сколько и патологических, с уменьшенной или полностью отсутствующей активностью.
Примером может быть фенилкетонурия, причина которой заключается в недостаточности гидроксилазы фенилаланина, вызванная присутствием одного нормального и одного мутант-ного генов этого фермента. Аномальные влияния избытков некоторых компонентов пищи также зависят от генотипа данного организма. Это же можно сказать и о болезнетворном влиянии других внешних условий.
Возможен ряд причин пониженной активности фермента: низкий уровень его синтеза, малая активность синтезированного фермента, быстрый его распад. До последнего времени считали, что все дело в недостаточности синтеза, вызванного неправильной регуляцией активности гена. Обычно такого рода ситуация проявляется в дифференцированных клетках многоклеточных организмов в виде исключения.
В патологии человека только талассемия принимается за болезнь, вызванную замедлением синтеза цепей глобина, хотя недавно получены данные, подтверждающие, что причина ингибирования синтеза глобина заключается здесь в повреждении информационной РНК, на которой не могут синтезироваться правильные цепи глобина.
Случаи быстрого разрушения фермента (или гемоглобина) при нормальном его синтезе также известны. Наиболее изучен из них распад каталазы при болезни акаталазии. При этом заболевании синтезируется нормальный по активности фермент, который затем быстро разрушается. То же самое известно и о некоторых случаях недостаточной активности дегидрогеназы глюкозо-6-фосфата. Как показал А. Иошида причина такой недостаточности в некоторых вариантах заболеваний вызвана замещением одной из аминокислот в цепи фермента на несвойственную ; однако в других вариантах болезни время полураспада этого фермента составляло 13 дней, тогда как обычно оно равно 62 дням.
Аргументом в пользу генетического происхождения неправильной структуры ферментов может быть их коферментная (см. ниже) неполноценность, впервые установленная для витаминзависимых белков (не следует путать такого рода недостаточность с недостаточностью, вызванной неполнокачествен-ной пищей).
Вследствие изменений в структуре апофермента (так называют белковую часть сложных ферментов, содержащих также небелковый компонент — кофермент) частично нарушается его связь с коферментом, т. е. заменяется сродство апофермента к коферменту.
Впервые витаминную зависимость активности ферментов в патологии человека описал Г. Фримптер (США) в 1965 г. для цистатионинурии — болезни, проявляющейся в нарушении развития детей, в первую очередь умственного. Причина этого заболевания — недостаточность фермента цистатиониназы, разлагающей аминоцистатионин на аминокислоты цистен и гомосерин. После прибавления значительных количеств витамина В6 в диету (коферментом цистатиониназы также является пи-ридоксальфосфат) (Витамин В6 — пиридоксаль, а также его производные входят в состав коферментов, главным образом пиридоксальфосфата, и участвуют в обмене веществ. — Ред.) признаки нарушений обмена полностью исчезают, что подтверждает названную причину потери активности фермента. Плохое связывание апофермента с коферментом отмечено также в случае ксантирениновой ацидурии, возникающей при пониженной активности фермента кинурениназы.
Примером зависимости ферментативной активности определенного процесса от концентрации кофермента при нарушении нормального обмена может служить изомеризация метилмалоновой кислоты, осуществляемая ферментом изомеразой, коферментом которой является витамин В12. Известны два различных нарушения нормального метаболизма этого процесса. В первом при резком увеличении количества В12 процесс изомеризации выравнивается; во втором — добавление B12 эффекта не давало. Отсюда видно, что первая аномалия заключается в ослаблении связывания изомеразы и ее кофермента, тогда как во втором случае изменение активности фермента вызвано какими-то иными причинами, вероятно, структурными изменениями других участков фермента.
Подобные наблюдения были сделаны автором этой статьи совместно с И. Палушаком и К. Завильской (1971) в отделе генетики человека Медицинской академии в Познани при изучении гиперлипидемии, причина которой заключалась в недостаточности активности липопротеидной липазы сыворотки крови. При этом обнаруживались три типа случаев. В одних наблюдалась нормальная реакция на добавление гепарина (кофермента липопротеидной липазы), в других организм вообще не реагировал на его введение и в третьих (такой пример встретился лишь один раз) организм реагировал на резкое увеличение количества гепарина. В первом случае проявляется обычная недостаточность эндогенного гепарина в организме, во втором — структура липазы нарушена так, что апофермент не в состоянии связывать гепарин, в третьем — происходит частичная потеря сродства апофермента к коферменту.
Другая причина уменьшенной активности каких-либо ферментов связана с появлением изозимов (изоэнзимов, изоферментов) или резким увеличением их количества. Изозимы — ферменты с идентичной каталитической функцией, но с различным строением — неодинаковыми пропорциями цепей, образующими нормальную молекулу фермента. Например, лактат дегидрогеназа состоит из четырех цепей полипептидов (повторяющиеся цепи А и В). Синтез этих цепей проходит в разных местах клетки и с различными скоростями, в результате чего иногда могут преобладать цепи А, иногда В. Существуют пять возможных комбинаций: АААА, ВВВВ, АААВ, АВВВ и ААВВ. Как показали новейшие исследования, ферментативная активность соответствующих ферментов изменяется в широких пределах.
С фактом воздействий изозимов, вероятно, связан еще один эффект метаболизма, являющийся базой дифференциации метаболических путей в различных органах. Например, изозим М лактат дегидрогеназы, находящийся в скелетных мышцах, активен в анаэробных (безкислородных) условиях и при интенсивной работе мышцы катализирует переход пировиноградной кислоты в молочную. Накопившаяся молочная кислота превращается в период покоя мышцы снова в пировиноградную, которая затем окисляется до углекислоты и воды по более экономически выгодному аэробному (кислородному) пути. В противоположность этому в сердечной мышце содержится изозим Н, активный исключительно в аэробных условиях и не способный превращать пировиноградную кислоту в молочную; сердечная мышца не может иметь отдыха, и поэтому окисляет глюкозу через промежуточную пировиноградную кислоту непосредственно в углекислоту и воду. Для этого в процессе эволюции и произошло разделение путей обмена.
Легко себе представить, что каждое изменение количества синтезированных клеткой субчастиц данного фермента, вызываемое физиологическими или патологическими причинами, должно сказываться на составе данного фермента, продуцируемого клеткой, что соответствует также и определенной его активности. С этой точки зрения изменение активности фермента говорит о изменении условий, в которых она проявляется — как это мы видели на примере сердечной и скелетной мышц. Такое явление объясняется либо физиологическим изменением функции клетки (при нормальном развитии), либо патологическими нарушениями, приводящими к болезни.
Роль молекулярных компонентов
Убедительные аргументы в пользу решающей роли молекулярных компонентов организма при заболеваниях, проявляющихся под действием инородных веществ, дают исследования механизма действия ряда лекарств. К этим эффектам следует отнести, например, токсичность гистамина. Так, смертельная доза гистамина для мыши одной линии около 1530 мг, тогда как для мыши другой линии только 230 мг.
Причина такого различия заключается в существовании гистамин фермента лишь у мыши первой линии. Так и в случае с инсулином. Для мыши одной линии смертельная доза 300 – 500 единиц действия, а для животного другой линии — только 3 – 8 единиц. Это различие объясняется прежде всего функционированием у мыши первой линии фермента инсулиназы, которая разрушает инсулин.
Так и у человека эффекты действия лекарств часто зависят от молекулярных основ обмена. Наилучший пример этого можно увидеть в действии сукцинилхолина — лекарства, вызывающего кратковременное поражение полостных мышц. Обычно при введении 50 мг этого лекарства возникает поражение мышц, проявляющееся в отсутствии дыхания, которое прекращается на 2 – 3 мин. Однако примерно у 5% людей эта же самая доза лекарства может вызвать отсутствие дыхания на час и больше (больного в случае необходимости подключают к аппарату «искусственные легкие»). Оказалось, что причиной продолжительности действия этого лекарства является присутствие патологического фермента псевдохолинэстеразы, разрушающего введенное лекарство значительно медленнее, чем нормальная псевдохолинэстераза.
Возникает вопрос, можно ли минимальные молекулярные нарушения, не определяемые обычно применяемыми методами исследований, считать причиной нарушений функционирования отдельных органов, а затем и целого организма? Ответить на этот вопрос можно лишь после нахождения методов обнаружения таких молекулярных отклонений. Но даже и сейчас известно, что скорость реакций, катализируемых ферментами, чрезвычайно велика. Одна молекула фермента может катализировать реакцию около 106 молекул субстрата в секунду. Легко понять, что если структурные изменения вызывают уменьшение скорости превращения субстратов до 105 молекул в секунду, то эта скорость еще так велика, что недостаточность субстрата не будет замечена. Если взглянуть, однако, на количество вещества, превращаемого организмом в течение всей жизни, в случаях максимального функционирования организма недостаточность может оказаться столь велика, что будут возникать патологические изменения как в отдельных органах, так и во всем организме.
Иногда изменения в свойствах ферментов, вызванных их структурными особенностями, играют положительную роль в эволюции. Интенсификация биосинтеза каких-либо важных для организма веществ (аминокислот и других) повышает его жизнеспособность, его устойчивость к заболеваниям.
У бактерий это проявляется наиболее четко. Например, многократно наблюдалось, что если в колонии какой-либо бактерии образовался мутантный штамм, даже если первоначальное количество его не превышало 1%, но он лучше рос, то через несколько сотен поколений он вытеснял старый штамм. Конкуренция в борьбе за среду у бактерий очень велика, поскольку у них ограничена возможность восполнения недостатка энергии вследствие малого количества метаболических путей. Это позволяет осуществлять быструю селекцию микроорганизмов.
У многоклеточных организмов, в том числе и у человека, эти изменения значительно сложнее. С одной стороны, благодаря большому разветвлению метаболических путей возникают неограниченные компенсационные возможности, с другой — человек может сознательно исключить действие на него ряда вредных влияний.
Лучше всего это известно на примере фруктозурии, выражающейся в непереносимости фруктозы. Признаки этого нарушения обмена заключаются в проявлении досле попадания в организм фруктозы тяжелой гипокликемии (увеличение по сравнению с нормой содержания фруктозы в крови), приводящей иногда к смерти. Такие описания чаще фиксируют патологию младенцев и детей до 4 лет, питание которых целиком зависит от родителей или воспитателей. Дети старше 4 лет проявляют индивидуальные вкусы и инстинктивно исключают вредную для них еду, связывая с ней проявления болезни.
Генетическое происхождение антитела
Подверженность некоторым заболеваниям, особенно инфекционным, зависит также от общей устойчивости организма. Наука об устойчивости — иммунология возникла в процессе исследования реакций организма на инфекцию. Обычно мы знаем, что устойчивость проявляется не только при инфекционных заболеваниях, но также и в сохранении целостности организма в связи с пересадкой тканей и органов, в процессе возникновения рака, а также при молекулярных болезнях иммунитета.
Одно из главных достижений иммунологии — установление генетических основ реакции защиты, индивидуально различающихся в зависимости от генотипа. И. Шайбель в 1943 г. впервые с помощью селекции отобрал линии морских свинок с положительной или отрицательной реакцией на образование антител к токсину дифтерии. В последние годы выведен ряд линий лабораторных животных, реагирующих либо не реагирующих на внешние факторы (мыши — на альбумин быка и на эритроциты овцы, кролики — на альбумин быка). Выведение таких линий требует селекции среди многих поколений.
Впервые планомерное исследование антигенных свойств (свойств, вызывающих образование антител) проведено по отношению к синтетическим антигенам — полипептидам с небольшой длиной цепи. Это изучение показало количественную и качественную зависимость продуцирования антител от структуры антигена.
В большинстве случаев такие исследования подтвердили, что за иммунный ответ или его отсутствие ответствен единственный ген, чаще всего рецессивный (обычно не проявляемый).
Яркими доказательствами генетического происхождения синтезированного организмом антитела, где антиген играет роль исключительно реагента, провоцирующего синтез уже генетически запрограммированного (детерминированного) антитела, являются результаты исследований структуры антител к инсулину. Оказалось, что антитела к инсулину, вырабатываемые различными лабораторными животными, а также человеком, неодинаковы. У кролика они не понижают уровень сахара в крови, тогда как антиинсулинная сыворотка людей или морских свинок вызывает это действие. Другими словами, это значит, что агрегаты антиген — антитело, вырабатываемые как ответная реакция на введение в организм инсулина в качестве антигена, имеют различную структуру. Эти выводы были подтверждены следующими экспериментами. Даже две разные линии морских свинок (линии 2 и 13) продуцируют различные антитела. Если произвести поочередно насыщение инсулина сначала одним антителом, связавшим уже весь инсулин, а затем другим (сыворотки, содержащие эти антитела, взяты у названных мышей), то основная часть второго антитела оказывается также связанной с инсулином. Это показывает, что с одной и той же молекулой инсулина связаны оба антитела и, следовательно, они находятся на различных частях молекулы инсулина.
Дальнейшие исследования подтвердили этот вывод. Оказалось, что антитела, продуцируемые линией 2, связывали N-концевые участки цепей А и В инсулина (инсулин состоит из двух цепей полипептидов А и В; N-концевая часть оканчивается NH2-группой, С-концевая — СООН-группой), тогда как антитела линии 13 связываются по С-концам цепей.
Окончательным подтверждением генетической детерминированности образовавшихся антител явились исследования по иммунному ответу разных линий мышей к вирусу гриппа как антигену.
Е. Леннокс (США) вывел 20 линий мышей, различаемых по особенностям реакций на разные антигены. Многие линии показывали очень слабую способность синтезировать антитела к вирусу гриппа, причем эта способность наследовалась как доминантный (внешне проявляемый) признак. В то же время эти линии мышей на другие антигены давали сильную реакцию, показывая, что иммунные свойства организма наследуются как генетически заданный признак.
Приведенные выше результаты имеют общий характер. У людей (что в значительной степени уже подтверждено) существует большое различие в свойствах синтезируемых антител. Одни люди легко преодолевают определенные инфекции, другие труднее. Иными словами, устойчивость организма к инфекциям зависит от генотипического различия отдельных индивидуумов.
Генетическую детерминированность иммунной реакции подтверждают болезни, вызванные природной неполноценностью некоторых типов иммуноглобулинов, в которых отдельные нарушения защитных реакций проявляются в зависимости от типа генетического дефекта
Молекулярный характери этих нарушений не вызывает никаких сомнений, однако он очень труден для изучения. Различают два типа иммунных реакций организма: клеточный и гуморальный. Клеточная реакция заключается в наполнении ткани одноядерными клетками лимфоидального типа. Гуморальная реакция состоит в производстве свойственных клеткам защитных белков — иммуноглобулинов, другими словами, антител. Под влиянием антигенов проявляются оба типа реакций, причем характер веществ, выделяемых при клеточной реакции, еще не изучен. Известно одно, что это — белки, синтезируемые образовавшимися одноядерными клетками и поражающие чужеродные клетки.
Молекулярный характер гуморальной реакции известен лучше. Интенсивные исследования привели к выявлению общих черт структуры антител. Иммуноглобулиновая молекула состоит из четырех полипептидных цепей: двух легких L и двух тяжелых Н. В зависимости от строения тяжелой цепи (a, b, D, e, m) иммуноглобулины (Ig) называют соответственно IgA, IgB, IgД, IgE, IgM. Легкие цепи известны двух типов — k и l. Каждая из легких и тяжелых цепей содержит участки с постоянным для всех иммуноглобулинов составом, синтезируемые на одном гене, и участки переменного состава, образующиеся в результате реакции с антигеном и синтезируемые, по-видимому, при участии другого гена (механизм кодирования этих участков полипептидных цепей иммуноглобулинов, несмотря на интенсивные исследования, остается еще неразрешенной загадкой). Некоторые из иммуноглобулинов отличаются и большей величиной молекул.
Примером молекулярных нарушений в структуре иммуноглобулинов является аномальный иммуноглобулин IgA, функционирующий на поверхности слизистых оболочек. Этот иммуноглобулин образуется из трех молекул IgA сыворотки при помощи так называемой транспортирующей молекулы, делающей возможным удержание его на поверхности слизистой оболочки. При отсутствии транспортирующей молекулы IgA не удерживаются на слизистых оболочках, в результате чего понижаются их защитные функции и возникают повторяющиеся катары кишечника, бронхиты, гаймориты и другие продолжительные инфекционные заболевания.
Молекулярные патологии крови
Вернемся снова к молекулярным патологиям крови. Одно из очень важных свойств крови состоит в ее свертываемости при определенных условиях (например, при соприкосновении с воздухом).
Аномалии процессов свертывания крови известны давно, и уже тогда они считались очень тяжелыми заболеваниями, угрожающими жизни. Затем выяснилось, что причиной аномалий является отсутствие некоторых белков с ферментативными свойствами, осуществляющих свертывание.
Принимая во внимание, однако, что, кроме фибриногена (фибриноген — компонент крови, который при повреждении кровеносного сосуда превращается в фибрин и при участии гепарина полимеризуетея, образуя тромб и таким образом прекращая кровотечение), остальные компоненты процесса свертывания крови ввиду их ничтожно малого содержания в крови определяются лишь по наличию активности. Можно сказать, что причина отсутствия ферментативной активности какого-либо из этих малых компонентов лежит, по-видимому, не в отсутствии его синтеза, а в синтезе структурно неправильного белка.
Такой белок либо вообще лишен ферментативных свойств, либо быстро разрушается. Этот тезис был подтвержден экспериментально с помощью иммунологических проб. Оказалось, что один из таких белков (содержание их всегда незначительно), найденный в крови с аномальной свертываемостью, идентичен соответствующему белку нормальной крови по иммунной пробе, но лишен ферментативной активности по свертыванию крови.
Одну из первых молекулярных концепций патогенеза кровоточивости (на примере заболевания, называемого диатезом Стюарта-Провера и характеризующегося пониженной свертываемостью крови) сформулировали польские ученые X. Коваржик и Е. Марциньяковна.
Они показали, что в норме автокаталитический распад протромбина становится источником активного реагента, вызывающего свертывание крови с участием автопротромбина С. Исследования выявили, что очищенный хроматографией протромбин крупного рогатого скота утрачивает нормальную способность образовывать автопротромбин С.
Применение нормального неочищенного препарата протромбина рогатого скота приводит к норме свертывание крови при диатезе Стюарта-Провера, тогда как очищенный протромбин из того же источника этого свойства уже не имеет. Было, однако, замечено, что во время очистки нормального протромбина от него отделялось соединение, названное «веществом X свертывания». Отсюда следует, что диатез Стюарта-Провера возникает в результате структурно-измененного и биологически неактивного белка X, и причина этого имеет молекулярную основу.
Интересный случай протромбинопатии описал Дж. Джоссо (Англия). Во время исследования препаратов протромбина крови больных им обнаружено, что протромбиновая активность препаратов была значительно уменьшена, тогда как при иммунологическом исследовании и в тесте со стафилококагулазой протромбиновая проба была нормальной (стафи-лококагулаза — бактериальный фермент, реагирующий с протромбином, который превращает фибриноген в фибрин). Здесь также обнаруживается какая-то аномалия в строении молекулы протромбина.
Любопытные данные дали также исследования приобретенной недостаточности протромбина и сопровождающих его реагентов VII, IX и X, составляющих так называемое протромбиновое семейство и синтезируемых в печени при участии витамина К. Под действием антагонистов витамина К (производных дикумарина) возникает недостаточность всех этих реагентов, причем иммунологические тесты и пробы со стафилококагулазой показывают более высокое их содержание в плазме, чем дают пробы по их ферментативной активности в процессе свертываемости. Это объясняется патологической структурой названных реагентов, образующихся при недостаточности витамина К. Оказалось, что в отсутствие витамина К клетки печени синтезируют белки, лишенные биологической активности и не катализирующие превращение протромбина в тромбин.
Первый хорошо документированный случай патологического фибриногена известен под названием «фибриноген Париж» по имени города, где он был найден. Количество открытых патологических вариантов фибриногена (фибринопатий) постоянно растет. Среди примеров выраженного порока кровоточивости в некоторых случаях причиной была несвертываемость крови, в ряде других — нарушение заживления ран, что подтверждает роль фибрина в этих аномалиях. Во всех случаях фибринопатий кровяные тельца, а также другие вещества крови в целом были нормальными. В то же время скорость свертыва ния крови значительно (иногда очень значительно) снижалась.
Очищенные патологические фибрияы имели ряд свойств, отличающихся от свойств нормального фибрина. Среди них такие, как измененная растворимость, ненормальное содержание сиаловой кислоты в сахарном компоненте молекулы. Исследование механизма свертывания крови в присутствии патологического фибриногена показало, что первый этап превращения фиброногена в фибрин — отщепление фибринопептидов А и В от фибриногена — проходило нормально, тогда как полимеризация мономеров фибрина осуществлялась необычно легко, а полученный тромб был гибким и при рассмотрении в электронном микроскопе имел ненормальную структуру.
В случаях фибринопатии Детройт было найдено, что причиной аномалии являлось замещение аргинина на серии в положении 19-й цепи фибрина, из-за чего возникало изменение пространственной конфигурации фибрина, затрудняющее, по-видимому, доступ к нему тромбина.
Следующая группа патологических изменений компонентов крови включает аномалии, связанные с гемофилическими веществами — белками А и В, также необходимыми для полноценного свертывания крови. Для всех найденных патологических компонентов этого типа характерно четкое обнаружение их иммунологическими методами при одновременном отсутствии их влияния на свертывание сыворотки крови больных гемофилией. Такие гемофилии удалось четко классифицировать на два ряда: А+ и А– и В+ и В–. В случае гемофилии В описан еще один вариант Вм (названный по первой букве фамилии больного). Показано, что во всех перечисленных гемофилиях причинами аномалий являются изменения структуры белков А и В.
Позднее открыта аномалия свойств реагента XIII, т. е. стабилизатора фибрина. Установлено, что в случае недостаточной его активности проявляется искажение образования поперечных связей в полимере фибрина, формирующем нормальный тромб.
Примеры нарушений структуры в организме показывают, что даже минимальные молекулярные изменения (например, замещение одной аминокислоты) могут привести к значительным отклонениям во всем организме.
Как часто?
Возникает вопрос, как часто молекулярные нарушения бывают причинами наблюдаемых болезней?
Имеющийся материал говорит о том, что молекулярные изменения являются чаще всего причинами большинства так называемых врожденных болезней и играют значительную, а часто, видимо, даже решающую роль в появлении болезней, вызванных внешними причинами.
Молекулярные изменения не всегда с момента их возникновения приводят к явной болезни. Чаще они только ограничивают общую согласованность работы органов и систем, которые вследствие аномалий в определенных условиях (например, при действии вредных веществ извне) могут вызвать проявления нарушений и спровоцировать обострение врожденных болезней.
Несколько слов следует сказать о перспективах, какие рисуются перед медициной, если руководствоваться теорией молекулярных причин происхождения болезней. Прежде всего следует отметить, что в ряде случаев выяснение молекулярных основ болезни делает возможным полное исправление врожденного дефекта с помощью компенсации метаболических искажений.
Примеры тому: введение с пищей продуктов, биосинтез которых занижен вследствие блокирования реакций обмена, например, витаминов (что очень хорошо изучено на животных); при галактоземии исключение из пищи галактозы избавляет от образования токсичного галактозо-1-фосфата. Иногда компенсация врожденных нарушений очень усложнена, однако и тут после выявления сущности нарушения это нередко становится возможным.
В целом следует подчеркнуть, что рассмотрение жизненных явлений на молекулярном уровне открыло совершенно новые подходы для медицины. Еще недавно врач был бессилен перед врожденными болезнями, а лечение проходило только под углом видимых следствий болезни.
Теперь понимание как механизма заболевания, так и его внешних признаков определяет выбор физических и химических воздействий на индивидуум. Все это вводит лечение врожденных болезней в сферу реальных возможностей медицины.
Антон Хорст,
польский врач, доктор медицины, член-корреспондент Польской академии наук.
Молекулярная патология // Наука и человечество. 1975. Сборник. - М., Знание, 1974. С. 41-49.