Биохимический метод изучения человека сообщение. Биохимический метод исследования
Биохимические методы направлены на определение биохимического фенотипа организма. Уровни, на которых оценивают фенотип, могут быть разными - от первичного продукта гена (полипептидной цепи) до конечных метаболитов в крови, моче или поте. Биохимические методы чрезвычайно многообразны, и их значение в диагностике наследственных болезней постоянно возрастает. Разработка молекулярно-генетических методов диагностики частично снизила интерес к биохимическим исследованиям, но вскоре стало ясно, что в большинстве случаев указанные методы дополняют друг друга, поскольку молекулярногенетически описывают генотип, а биохимически - фенотип.
Болезнь в конечном счете - фенотип. В связи с этим, несмотря на сложность, а иногда и дороговизну биохимических методов, им принадлежит существенная роль в диагностике моногенных наследственных заболеваний. Современные высокоточные технологии (высокоэффективная жидкостная хроматография, хромато-масс-спектрометрия, газовая хроматография, тандемная спектрометрия) позволяют идентифицировать любые метаболиты, специфичные для конкретной наследственной болезни.
На первый взгляд может показаться, что самый точный метод диагностики - определение мутации на уровне ДНК. Тем не менее это не всегда так. Реализация действия гена - сложный процесс, поэтому нормальная структура гена, а точнее - отсутствие мутации, не всегда служит полной гарантией нормального биохимического фенотипа.
Принципы биохимической диагностики наследственных болезней менялись в процессе развития генетики человека и биохимии. Так, до 50-х годов XX в. диагностика была направлена на поиски специфичных для каждого заболевания метаболитов в моче (алкаптонурия, фенилкетонурия).
С 50-х до 70-х годов упор в диагностике был сделан на обнаружение энзимопатий. Разумеется, поиски метаболитов в конечных реакциях при этом не исключались. Наконец, с 70-х годов главным объектом диагностики стали белки разных групп. К настоящему времени все они служат предметом биохимической диагностики.
Оценка метаболитов в биологических жидкостях - необходимый этап диагностики аминоацидопатий, органических ацидурий, мукополисахаридозов, митохондриальных и пероксисомных болезней, дефектов метаболизма пуринов и пиримидинов и др. Для этих целей используют методы качественного химического анализа, спектрофотометрические способы количественной оценки соединений, а также различные виды хроматографии.
Хроматографические методы анализа играют важнейшую роль в диагностике наследственных болезней обмена (НБО). Это обусловлено тем, что современный арсенал хроматографических технологий чрезвычайно широк и позволяет эффективно и информативно разделять сложные многокомпонентные смеси, к которым в том числе относят и биологический материал.
Для количественного анализа маркеров-метаболитов НБО успешно применяют такие хроматографические методы, как газовая и высокоэффективная жидкостная хроматография (ВЭЖХ), а также хромато-масс-спектрометрия (ХМС). Газовая хроматография и ВЭЖХ - универсальные методы разделения сложных смесей соединений, отличающиеся высокой чувствительностью и воспроизводимостью. В обоих случаях разделение осуществляют в результате различного взаимодействия компонентов смеси с неподвижной и подвижной фазами хроматографической колонки. Для газовой хроматографии подвижной фазой служит газ-носитель, для ВЭЖХ - жидкость (элюент). Выход каждого соединения фиксирует детектор прибора, сигнал которого преобразуется в пики на хроматограмме. Каждый пик характеризуется временем удерживания и площадью. Следует отметить, что газовую хроматографию проводят, как правило, при высокотемпературном режиме, поэтому ограничением для ее применения считают термическую неустойчивость соединений. Для ВЭЖХ не существует подобных ограничений, так как в этом случае анализ проводят в мягких условиях.
Масс-спектрометрия - аналитический метод, с помощью которого можно получать как качественную (структура), так и количественную (молекулярная масса или концентрация) информацию об анализируемых молекулах после их преобразования в ионы.
Существенное отличие масс-спектрометрии от других физико-химических аналитических методов состоит в том, что в масс-спектрометре определяют непосредственно массу молекул и их фрагментов. Результаты представляют графически (так называемый масс-спектр). Иногда невозможно анализировать сложные многокомпонентные смеси молекул без их предварительного разделения. Это можно сделать либо хроматографически (жидкостная или газовая хроматография), либо использовать два последовательно соединенных массспектрометра (тандемная масс-спектрометрия - ТМС). ТМС позволяет охарактеризовать структуру, молекулярную массу и провести количественную оценку 3000 соединений одновременно. При этом для проведения анализа длительная подготовка проб не требуется (как, например, для газовой хроматографии), а время исследования занимает несколько секунд.
ТМС - одно из перспективных направлений в развитии программ диагностики НБО, поскольку позволяет количественно и в микроколичествах биологического материала определять множество метаболитов. В настоящее время в некоторых странах ТМС применяют для массового скрининга новорожденных на наследственные болезни.
В связи с многообразием биохимических методов, применяемых в лабораторной диагностике наследственных болезней, в их использовании должна быть определенная система. У пробанда или члена его семьи нереально исключить все наследственные болезни, которые могут попасть в поле зрения при обследовании пациента. Если применять максимально возможное число методов диагностики, то каждое обследование станет очень трудоемким и долгим. Исходную схему обследования строят на клинической картине болезни, генеалогических сведениях и биохимической стратегии, которые позволяют определить ход обследования на основе поэтапного исключения определенных классов наследственных болезней обмена (просеивающий метод).
Необходимо подчеркнуть, что, в отличие от цитогенетических и молекулярногенетических исследований, биохимические методы многоступенчаты. Для их проведения требуется аппаратура разных классов. Материалом для биохимической диагностики могут быть моча, пот, плазма и сыворотка крови, форменные элементы крови, культуры клеток (фибробласты, лимфоциты) и биоптаты мышц. При использовании просеивающего метода в биохимической диагностике можно выделить два уровня: первичный и уточняющий. Каждый из них может быть по-разному «нагружен» реакциями в зависимости от возможностей лаборатории.
Основная цель первичной диагностики заключается в том, чтобы обнаружить здоровых людей и отобрать пациентов для последующего уточнения диагноза. В программах первичной диагностики в качестве материала используют мочу и небольшое количество крови. Программы могут быть массовыми и селективными.
Селективные диагностические программы предусматривают проверку биохимических аномалий обмена (моча, кровь) у пациентов с подозрением на генные наследственные болезни. Фактически они должны функционировать в каждой большой больнице. Показания для их применения достаточно широкие, а стоимость каждого анализа невысока.
В селективных программах можно использовать простые качественные реакции (например, тест с хлоридом железа для диагностики фенилкетонурии или с динитрофенилгидразином для обнаружения кетокислот) или более точные методы, позволяющие обнаруживать большие группы отклонений. Газовую хроматографию применяют для диагностики НБО органических кислот и ряда аминоацидопатий. С помощью электрофореза гемоглобинов диагностируют заболевания из группы гемоглобинопатий.
Нередко приходится углублять биохимический анализ от количественного определения метаболита до измерения активности фермента (использование нативных тканей или культивированных клеток), например, с помощью спектрофлюориметрии или спектрометрии (в зависимости от применяемого субстрата). Следует отметить, что определение активности ферментов при наследственных заболеваниях - не рутинная процедура, проводимая только в специализированных лабораториях. В современных условиях очень многие этапы биохимической диагностики выполняют автоматически, в частности с помощью аминоанализаторов.
Селективные диагностические программы обеспечивают только предположительное обнаружение больных с НБО. Методы подтверждающей диагностики включают количественное определение метаболитов, исследование их кинетики, энзимо- и ДНК-диагностику.
Показания для применения биохимических методов диагностики у новорожденных: нарушения сознания, судороги, нарушения ритма дыхания, мышечная гипотония, нарушения вскармливания, желтуха, специфический запах мочи и пота, метаболический ацидоз с дефицитом оснований и гипогликемия. У детей более старшего возраста биохимические методы используют во всех случаях подозрения на НБО (задержка физического и умственного развития, потеря приобретенных функций, увеличение размеров внутренних органов), а также при клинической картине, специфичной для определенного заболевания.
Биохимические методы применяют для диагностики наследственных болезней и гетерозиготных состояний у взрослых (гепатолентикулярная дегенерация, недостаточность α1-антитрипсина, недостаточность глюкозо-6-фосфатдегидрогеназы и др.). При диагностике многих болезней биохимические методы заменяют молекулярно-генетическими в связи с их большей точностью или экономичностью. Принципиально важным считают правильное сочетание тех и других методов.
Биохимический метод используется для диагностики наследственных болезней обмена. Методы биохимической генетики имеют несколько уровней.
Первый этап предполагает обследование с помощью недорогих качественных ориентировочных экспресс-методик, так называемых скрининговых качественных и полуколичественных реакций с мочой и кровью, позволяющих заподозрить то или иное заболевание.
На втором этапе обследование проводят с помощью сложных и дорогих количественных методов для установления точного диагноза наследственного заболевания. При этом осуществляется количественное определение в крови аминокислот, белков-ферментов и др.
Третий этап включает в себя определение дефектного гена методами молекулярной диагностики.
Медико-генетическое консультирование - специализированный вид медицинской помощи населению направленный на профилактику наследственных болезней. Суть его в определении прогноза рождения ребенка с наследственной патологией, объяснении вероятности этого события и помощи консультирующейся семье в принятии решения о деторождении.
Медико-генетическая консультация состоит из трех этапов: диагностика, прогнозирование и заключение. Как правило, за консультацией обращаются семьи, где уже имеется ребенок с наследственной патологией, или семьи, в которых имеются больные родственники. Консультирование всегда начинается с уточнения диагноза наследственной болезни, поскольку точный диагноз является необходимой предпосылкой любой консультации. Уточнение диагноза в медико-генетической консультации проводится с помощью генетического анализа. При этом во всех без исключения случаях применяется генеалогический метод исследования.
На втором этапе определяют прогноз для потомства. Генетический риск может быть определен либо путем теоретических расчетов с использованием методов генетического анализа и вариационной статистики, либо с помощью эмпирических данных (на основе таблиц эмпирического риска). При моногенных, менделирующих болезнях прогноз основывается на расчете вероятности появления потомства в соответствии с генетическими закономерностями. При этом если известен тип наследования данного заболевания и по родословной удается установить генотип родителей, оценка риска сводится к анализу менделевского расщепления. Третий этап консультирования включает представление заключения и советы родителям. Заключительные этапы консультирования требуют самого пристального внимания. Нельзя получить правильный эффект консультирования, если пациенты неправильно поймут объяснения врача-генетика. Для достижения цели консультирования при беседе с пациентами следует учитывать уровень их образования, социально-экономическое положение семьи, структуру личности и взаимоотношения в семье.
Пренатальная диагностика - дородовая диагностика, с целью обнаружения патологии на стадии внутриутробного развития. Позволяет обнаружить более 90 % плодов с синдромом Дауна (трисомия 21); трисомии 18 (известной как синдром Эдвардса) около 97 %, более 40 % нарушений развития сердца и др. В случае наличия у плода болезни родители при помощи врача-консультанта тщательно взвешивают возможности современной медицины и свои собственные в плане реабилитации ребенка. В результате семья принимает решение о судьбе данного ребенка и решает вопрос о продолжении вынашивания или о прерывании беременности.
К пренатальной диагностике относится и определение отцовства на ранних сроках беременности, а также определение пола ребенка.
- В медицине под скринингом понимают проведение простых и безопасных исследований больших групп населения с целью выделения групп риска развития той или иной патологии. По охвату населения:
- массовый
- селективный
- По категории населения:
- пренатальный
- неонатальный
- По сроку гестации:
- первого триместра
- второго триместра
- По методу:
- ультразвуковой
- эндоскопический
- цитологический
- биохимический
- комбинированный
- аудиологический
Доклиническая или начальная клиническая стадия болезни чаще всего отличается минимально выраженными субъективными и объективными признаками того или иного заболевания. Выявление заболевания на данной стадии обозначает возможность его профилактики или благоприятного течения, благодаря комплексу тех или иных мероприятий. Но врачу, анализирующему результаты диспансеризации, проводимой по «старым» методическим схемам, сложно ориентироваться, трудно принимать решение и предвидеть пути дальнейшего развития той или иной патологии. Особенно это имеет отношение к трудоспособной части населения, не имеющей ранее установленных диагнозов или впервые обратившихся к врачу. Именно поэтому не всегда оправдано использование многих лабораторных и инструментальных исследований, а также консультаций специалистов на этапе первого контакта с пациентом. Во-первых, не всем больным показан весь спектр диспансерных исследований. Во-вторых, время принятия диагностического и терапевтического решения в классическом варианте обследования больного достаточно продолжительно. Более того, нередко возникают неточные диагностические гипотезы, например, о т.н. функциональных заболеваниях, которые затем на продолжительный период времени остаются за границами действенных терапевтических или профилактических мероприятий. Основная задача диспансеризации заключается в срочном распознавании болезней и угрожающих состояний и в выборе тактических решений по их устранению или снижению риска для жизни. Благодаря диспансеризации, может быть обеспечена первичная профилактика многих заболеваний, их превентивная терапия, или же лечение заболеваний в начальной стадии, когда оно наиболее эффективно. Напротив, именно из-за поздней диагностики результаты лечения в ряде случаев неудовлетворительны. Таким образом, идеалом диспансеризации могла бы стать такая система, которая могла бы обеспечить не только диагностику (прогноз) заболеваний на ранней (доклинической) стадии развития, но и принятие правильного решения.
популяция - это группа особей определенного вида, которая: 1) в течение достаточно длительного времени (большого числа поколений) населяет конкретный ареал; 2) в той или иной степени случайно скрещивается в его пределах; 3) не имеет внутри себя заметных изоляционных барьеров; отделена от соседних групп этого вида той или иной степенью давления тех или иных форм изоляции. Генетически популяции характеризуются:
- Генофондом - совокупностью всех генов всех членов популяции
- Генетическим единством, обусловленным панмиксией.
- Наследственным разнообразием генофонда - генетической гетерогенностью генофонда, обусловленной мутационным процессом, потоком генов (миграцией), рекомбинацией.
Между популяциями одного вида существует постоянный обмен генами, осуществляющийся за счет миграций отдельных особей и обеспечивающий сохранение единства генофонда вида. Таким образом, ценные приспособительные варианты, возникшие и размножившиеся в одной локальной популяции, постепенно распространяются в пределах всего вида. Еще одним важным фактором повышения изменчивости в популяции является процесс рекомбинации.
Процесс эволюции основывается на двух главных явлениях: изменчивости и изменении частот генов и генотипов, что составляет сущность элементарного эволюционного события.
К изменению частот аллелей и генотипов в популяции приводит отбор, однако оно возможно и в результате мутаций, миграции особей, случайного дрейфа генов, изоляции, а также избирательного, или ассортативного, скрещивания. Все эти факторы, действующие в популяциях, называют факторами динамики популяций.
Потоком генов называют изменение генетического состава популяции, возникшее вследствие поступления в популяцию новых генов в результате миграции или контактов с представителями других популяций (Маккьюсик, 1967; Мала, Кайгер, 1988). Если популяции имеют разные частоты аллелей, то миграция может приводить к изменению частот аллелей, привносимых особями-иммигрантами.
Непосредственные результаты такого события связаны с последствиями возникновения мутаций, однако миграция изменяет частоты аллелей значительно быстрее, чем мутации. Влияние потока генов на динамику популяций тех или иных организмов зависит от времени достижения половозрелости и скорости размножения, а также расстояния между локальными популяциями.
Внутри многочисленных популяций собак и кошек земного шара, благодаря скрещиваниям происходит свободный обмен генами. С другой стороны, огромное значение для генофонда популяций имеют миграции. Этот процесс идет в разных направлениях: во-первых, широко мигрируют по городам и странам владельцы собак и кошек, перевозящие с собой своих любимцев; во-вторых, идет интенсивный завоз щенков, котят и взрослых животных с целью улучшения местного поголовья владельцами питомников и руководителями кинологических и фелинологических объединений.
Из каких-то стран или городов завозятся единичные особи, вклад которых в популяцию может быть совсем небольшим. Из других вывоз племенного поголовья носит массовый характер, соответственно широким потоком вливаются в генофонд местных популяций их гены.
Закон Харди-Вайнберга - это закон популяционной генетики - в популяции бесконечно большого размера, в которой не действует отбор, не идет мутационный процесс, отсутствует обмен особями с другими популяциями, не происходит дрейф генов, все скрещивания случайны - частоты генотипов по какому-либо гену (в случае если в популяции есть два аллеля этого гена) будут поддерживаться постоянными из поколения в поколение и соответствовать уравнению:
p² + 2pq + q² = 1
Где p² - доля гомозигот по одному из аллелей; p - частота этого аллеля; q² - доля гомозигот по альтернативному аллелю; q - частота соответствующего аллеля; 2pq - доля гетерозигот.
Закон действует в идеальных популяциях, состоящих из бесконечного числа особей, полностью панмиктических и на которых не действуют факторы отбора.
Генетический полиморфизм , сосуществование в пределах популяции двух или нескольких различных наследственных форм, находящихся в динамическом равновесии в течение нескольких и даже многих поколений. Чаще всего Генетический полиморфизм обусловливается либо варьирующими давлениями и векторами (направленностью) отбора в различных условиях (например, в разные сезоны), либо повышенной относительной жизнеспособностью гетерозигот . Один из видов Генетический полиморфизм - сбалансированный Генетический полиморфизм - характеризуется постоянным оптимальным соотношением полиморфных форм, отклонение от которого оказывается неблагоприятным для вида, и автоматически регулируется (устанавливается оптимальное соотношение форм). В состоянии сбалансированного Генетический полиморфизм у человека и животных находится большинство генов. Различают несколько форм Генетический полиморфизм , анализ которых позволяет определять действие отбора в природных популяциях.
«Генетический груз » - термин, чаще всего используемый для обозначения суммы неблагоприятных летальных и сублетальных мутаций в генофонде популяции. Концепция была предложена английским популяционным генетиком Джоном Холдейном (1937) Генетический груз - накопление летальных и сублетальных отрицательных мутаций, вызывающих при переходе в гомозиготное состояние выраженное снижение жизнеспособности особей, или их гибель.
«Вырождение» - наблюдаемое при близкородственном скрещивании ухудшение фенотипических характеристик потомства.
В более строгом смысле генетический груз в популяционной генетике - это выражение уменьшения селективной ценности для популяции по сравнению с той, которую имела бы популяция, если бы все индивидуальные организмы соответствовали бы наиболее благоприятному генотипу. Обычно выражается в средней приспособленности по сравнению с максимальной приспособленностью.
Частью генетического груза является мутационный груз.
Генетический груз рассматривается, как мера неприспособленности популяции к условиям окружающей среды. Он оценивается по различию приспособленности реальной популяции - по отношению к приспособленности воображаемой, максимально приспособленной популяции.
Биохимический метод изучения генетики человека основан на изучении характера биохимических реакций в организме и обмена веществ для установления носительства аномального гена или уточнения диагноза.
В отличие от цитогенетического метода, который позволяет изучать структуру хромосом и кариотипа в норме и диагностировать наследственные болезни, связанные с изменением их числа и нарушением организации, наследственные заболевания, обусловленные генными мутациями, а также полиморфизм по нормальным первичным продуктам генов изучают с помощью биохимических методов.
Эти методы позволяют определить место и характер мутации по изменениям в составе затронутых мутацией белков. Например, при мутации, ведущей к замене всего одной аминокислоты в огромной молекуле переносчика кислорода — гемоглобина, возникает наследственное заболевание, получившее название серповидной анемии, при котором эритроциты принимают форму полумесяца. Исследовав аминокислотный состав гемоглобина и обнаружив замену, можно сразу поставить диагноз.
Впервые эти методы стали применять для диагностики генных болезней еще в начале XX в. В последние 30 лет их широко используют в поиске новых форм мутантных аллелей. С их помощью описано более 1000 врожденных болезней обмена веществ. Для многих из них выявлен дефект первичного генного продукта. Наиболее распространенными среди таких заболеваний являются болезни, связанные с дефектностью ферментов, структурных, транспортных или иных белков. Установлено большое разнообразие гемоглобинов у человека, связанное с изменением структуры его пептидных цепей, что нередко является причиной развития заболеваний. Дефекты ферментов устанавливают путем определения содержания в крови и моче продуктов метаболизма, являющихся результатом функционирования данного белка. Дефицит конечного продукта, сопровождающийся накоплением промежуточных и побочных продуктов нарушенного метаболизма, свидетельствует о дефекте фермента или его дефиците в организме.
Предметами современной биохимической диагностики являются специфические метаболиты, энзимопатии, различные белки. Объектами биохимического анализа могут служить моча, пот, плазма и сыворотка крови, форменные элементы крови, культуры клеток (фибробласты, лимфоциты). Для биохимической диагностики используются как простые качественные реакции (например, хлорид железа для выявления фенилкетонурии), так и более точные методы.
Биохимическую диагностику наследственных нарушений обмена проводят в два этапа. На первом этапе отбирают предположительные случаи заболеваний, на втором — более точными и сложными методами уточняют диагноз заболевания. Применение биохимических исследований для диагностики заболеваний в пренатальном периоде или непосредственно после рождения позволяет своевременно выявить патологию и начать специфические медицинские мероприятия, как, например, в случае фенилкетонурии. Для определения содержания в крови, моче или амниотической жидкости промежуточных, побочных и конечных продуктов обмена кроме качественных реакций со специфическими реактивами на определенные вещества используют хроматографические методы исследования аминокислот и других соединений.
Биохимические методы изучения наследственности человека помогают обнаружить ряд заболеваний обмена веществ (углеводного, аминокислотного, липидного и др.) при помощи, например, исследования биологических жидкостей путем качественного или количественного анализа.
С помощью биохимических методов открыто около 500 молекулярных болезней, являющихся следствием проявления мутантных генов. При различных типах заболеваний удается либо определить сам аномальный белок-фермент, либо установить промежуточные продукты обмена. По результатам биохимических анализов возможно поставить диагноз болезни и определить методы лечения. Ранняя диагностика и применение различных диет на первых этапах постэмбрионального развития позволяют излечить некоторые заболевания или хотя бы облегчить состояние больных с неполноценными ферментными системами.
В самостоятельную науку биологическая химия выделилась почти 100 лет назад, но многие биохимические процессы известны людям с давних времен и использовались в различных областях производства, сначала кустарного, а в последствии и промышленного масштаба. Например, на биохимических реакциях основано хлебопечение, сыроварение, изготовление вин, выделка кожи.
Сыроварением и изготовлением кисломолочных продуктов люди занимались еще до нашей эры, об этом упоминается даже в поэмах Пэмера. В процессе приготовления кисломолочных продуктов большую роль играют молочнокислые бактерии.
Использование лекарственных растений для лечения болезней привело к поиску действующего вещества и заставило задуматься о том, что с ним происходит в организме человека. Употребление плодов, зелени, изготовление растительных красок также привлекло интерес к химическому составу растений. Многие лекарственные вещества различного происхождения описаны в труде великого арабского врачевателя Авиценны «Канон врачебной науки».
Известный итальянский художник Леонардо да Винчи проводил различные опыты и сделал заключение о том, что живые организмы могут существовать только в той атмосфере, в которой может появиться пламя. Теперь уже всем известно, что почти всем жи4
вым организмам необходим кислород, содержащийся в атмосферном воздухе и обеспечивающий процесс горения. В конце XVIII в. было открыто значение дыхания и объяснена роль кислорода для живого организма.
Изучение химического состава живых организмов позволило английскому врачу и химику У. Прауту в 1827 г. разделить молекулы на белки, жиры и углеводы.
Химический состав организма человека вызывал большой интерес в научном мире. Немецкий химик Ф. Велер в 1828 г. впервые получил такое органическое вещество, как мочевина, сначала из аммиака и циановой кислоты, а затем из аммиака и углекислого газа. В 1882 г. ученый И.Я. Горбачевский (Украина) получил мочевую кислоту из глицина, а в дальнейших работах выявил процесс образования мочевой кислоты в живых организмах: мочевина и мочевая кислота образуются в результате превращения белков в организме, и их уровень в крови является важным показателем состояния белкового обмена. И. Я. Горбачевский известен и другими исследованиями в области биохимии (получение метилмочевой кислоты, креатина, открытие ксантиноксидазы). Именно он доказал то, что белки состоят из аминокислот, разработал способ определения азота в моче и других биологических материалах.
В 1854 г. французский химик П. Бертло получил в ходе лабораторных опытов жиры, а в 1861 г. русский химик А. М. Бутлеров высказал теорию строения органических соединений. Изучением микроорганизмов и вызываемого ими брожения занимался французский микробиолог Л. Пастер. Брожение - это расщепление углеводов под воздействием ферментов, происходящее с участием кислорода или без него и приводящее к образованию энергии, которую микроорганизмы используют для своей жизнедеятельности.
В организме человека брожение осуществляется в кишечнике населяющими его микроорганизмами, под воздействием выделяемых ими ферментов. Изучением брожения занимался и немецкий химик Э. Бухнер, который доказал, что процесс расщепление сахара имеет более химическую природу, чем биологическую, так как происходит с участием не только дрожжей (живых грибков), но и экстракта из них.
Большой вклад в изучение белков внес немецкий химик Э. Фишер, определивший строение и свойства большинства аминокислот. Также он установил химическую связь между аминокислотами в белках, что явилось основой пептидной теории строения белков. В 1926 г. американский биохимик Д. Самнер получил уреазу (фермент) и доказал, что он является белком. Дальнейшее изучение ферментов привело к открытию строения витаминов и определило превращение их в организме. Были изучены гликолиз (бескислородное расщепление углеводов) и цикл трикарбоновых кислот (циклические реакции, в ходе которых образуются вещества с большим запасом энергии). Открытие нуклеиновых кислот в составе белков и модели строения ДНК стало прорывом для биологии и медицины (биохимии, генетики). За это в 1953 г. английский врач и биолог Ф. Крик и американский биолог Д. Уотсон были удостоены Нобелевской премии.
Все эти открытия и достижения, а также дальнейшие биохимические исследования позволили описать обмен веществ в организме человека. При различных патологических состояниях происходят изменения химического состава в клетках, тканях, биологических жидкостях и выделениях. Наиболее часто биохимическому анализу подвергают кровь, мочу, кал, слюну, ликвор, желчь и желудочный сок. Реже исследуют химический состав красного костного мозга, околоплодной жидкости, пота, рвотных масс, волос, ногтей и спермы.
Химический состав биологического материала может изменяться как количественно (увеличение или понижение содержания каких-либо веществ, нарушение соотношения между ними), так и качественно (выявление отсутствующих или не определяющихся в норме веществ). В связи с этим биохимический анализ в некоторых случаях проводят прицельно, определяя уровень вещества в исследуемом материале или выявляя только его присутствие.
Многие наследственные заболевания связаны с нарушением обмена веществ. Часто это вызвано генетически обусловленным дефицитом каких-либо ферментов, в таком случае биохимические исследования помогают поставить точный диагноз. Иногда для этого подвергают анализу и кусочки тканей внутренних органов.
Биохимические исследования позволяют выявить некоторые нарушения обмена веществ уже в период внутриутробного развития или сразу после рождения ребенка, при этом возможно раннее начало лечения наследственных заболеваний, что дает возможность нормализовать состояние плода или ребенка, наилучшим образом обеспечить условия для его развития в соответствии с возрастом.
С помощью распространенных биохимических анализов можно выявить наличие нарушений обмена веществ, а для постановки точного диагноза проводят более детальные исследования. Многие биохимические анализы, позволяющие выявить наследственные нарушения обмена веществ, угрожающие жизни или развитию детей, в настоящее время проводят массово в форме скрининг-тестов. Например, всех новорожденных в роддоме обследуют на фенилкетонурию. Кроме того, с помощью биохимических тестов выявляют такие за
болевания, как энзимопатии, гликогенозы, муковисцидоз, адреногенитальный синдром. Исследованию в таких случаях подвергают наиболее доступный материал от больного (кровь и мочу).
После скринингового обследования делают уточняющие биохимические анализы, определяют количество вещества, свидетельствующего о заболевании, в единице исследуемого материала и следят за его уровнем в организме в дальнейшем.
Современные биохимические лаборатории оснащены компьютерами и анализаторами, которые делают возможным проводить одновременно большое число исследований с высокой точностью результатов и их расшифровкой. Биохимические анализы выполняют на основе таких методов, как хроматография, электрофорез и центрифугирование.
Хроматография
Хроматография - это метод установления химического состава смеси, основанный на определенном распределении веществ, находящихся в разном агрегатном состоянии (газ, жидкость, твердые частицы) между двумя фазами (подвижной или неподвижной). К подвижной фазе относятся газы и жидкости, а к неподвижной - твердые вещества. В определенных условиях вещества в смеси начинают распределяться по фазам: газы перемещаются вверх, твердые частицы осаждаются, между ними скапливается слой жидкости, некоторые жидкости тоже могут расслаиваться. Вещества подвижной фазы перемещаются с различной скоростью, что тоже позволяет судить о составе смеси. Распределяясь в анализаторе по фазам, компоненты смеси образуют цветовой столб, при этом для каждого вещества существуют свои цветовые характеристики.Основоположник метода - русский биолог М. С. Цвет, который, пропуская смеси красящих веществ растительного происхождения через бесцветное впитывающее вещество, обнаружил, что оно окрашивается слоями с различными цветовыми характеристиками. Такой цветовой столбик был назван хромограммой.
В настоящее время существуют множество видов хроматографии. Например, адсорбционная хроматография основана на использовании адсорбентов (твердых впитывающих веществ). Разные вещества впитываются адсорбентами по-разному, именно выявление этих особенностей и позволяет оценить качественный состав исследуемой смеси. Распределительная хроматография основана на разной растворимости веществ, находящихся в разной фазе.
Ионообменная хроматография основана на проникновении ионов подвижной фазы (исследуемой жидкости) в вещество неподвижной фазы, которое происходит за счет электростатического взаимодействия между ионами этих веществ. Способность твердых веществ выпадать в осадок позволяет проводить осадочную хроматографию.
Существует еще эксклюзионная хроматография, при которой распределение веществ обеспечивается за счет разной проницаемости молекул жидкой фазы в гель (неподвижную фазу).
Электрофорез
Биохимические анализы, основанные на принципе электрофореза, в медицинской практике используют очень широко, так как одновременно информативны и экономичны. Метод электрофореза, разработанный в 1937 г. шведским биохимиком А. Тиселиусом, позволяет разделять макромолекулы по фракциям и основан на свойствах макромолекул при растворении в воде приобретать электрический заряд. При воздействии на раствор электрического поля молекулы притягиваются к электроду с противоположным зарядом.Скорость перемещения молекул зависит от их размера и электрического заряда. Так, молекулы белка амфотерны, т. е. имеют положительный заряд на одном конце и отрицательный на другом, поэтому их скорость и направление перемещения зависят от среды (кислая или щелочная). На заряд белковых молекул в средах с одинаковой кислотностью влияют аминокислоты, входящие в их состав. При распаде белковой молекулы образуются цепи аминокислот с разным электрическим зарядом, которые под воздействием электрического поля притягиваются к противоположно заряженному электроду и таким образом разделяются.
Гель - это смесь нескольких веществ, обладающая свойствами твердых тел (сохраняет форму), но очень пластичных (деформируется). Одно вещество при этом всегда состоит из крупных молекул, образующих сетку (каркас), заполненную молекулами малого размера второго вещества.
Для упрощения разделения веществ электрофорез проводят на фильтровальной бумаге, целлюлозе, гелях и агарозе, в этом случае гели выступают в качестве ионного фильтра: мелкие ионы проникают в поры геля, а крупные - нет, что дает дополнительную информацию для исследования.
Наиболее часто электрофорез применяют для разделения белков по фракциям (все белки крови подразделяются на альбумины и несколько видов глобулинов). При многих заболеваниях изменяется не только общее количество белка в крови, но и соотношение его различных фракций. Результаты таких исследований важны для диагностики заболеваний печени, почек, злокачественных опухолей, нарушений иммунитета, инфекционных заболеваний и наследственных болезней.
Центрифугирование
С помощью центрифуги можно разделить жидкие смеси с компонентами разной удельной плотности, так как при очень быстром вращении смеси расслаиваются и частицы разных компонентов в центробежном поле осаждаются с разной скоростью, которая зависит от ихразмера и плотности.
Например, при центрифугировании крови в пробирке образуются несколько слоев: верхний желтый слой - плазма, нижний темный слой - клетки крови (эритроциты, лейкоциты и тромбоциты). При этом у границы жидкости можно заметить тонкий сероватый слой тромбоцитов.
Вещества, имеющие диагностическое значение, могут находиться в клетках крови или в плазме, некоторые химические элементы и вещества определяются и там, и там, поэтому разделение крови по фракциям позволяет провести точную диагностику.
Центрифугированию можно подвергнуть любые неоднородные жидкие среды, при этом оно подразделяется на препаративное и аналитическое.
Препаративное центрифугирование
Проводят с целью получения определенных компонентов из биологического материала для дальнейшего биохимического анализа. Такими компонентами могут быть клетки, их органеллы (митохондрии, рибосомы, ядра и др.) и макромолекулы (белки, ДНК и др.). Этот вид подготовки материала к дальнейшему исследованию применяют более часто, чем последующий.
Аналитическое центрифугирование
Проводят для выявления характеристик однородного материала, например, макромолекул. Материал центрифугируют, вследствие чего под контролем оптических систем происходит осаждение частиц. При этом можно определить их однородность, молекулярную массу, структуру, так как форма и масса частиц оказывают влияние на скорость осаждения. Проводя расчеты по стандартным формулам, можно вычислить эти параметры и составить характеристики исследуемого материала.
В отличие от цитогенетического метода, который позволяет изучать структуру хромосом и кариотипа в норме и диагностировать наследственные болезни, связанные с изменением их числа и нарушением организации, наследственные заболевания, обусловленные генными мутациями, а также полиморфизм по нормальным первичным продуктам генов изучают с помощью биохимических методов.
Впервые эти методы стали применять для диагностики генных болезней еще в начале XX в. В последние 30 лет их широко используют в поиске новых форм мутантных аллелей. С их помощью описано более 1000 врожденных болезней обмена веществ. Для многих из них выявлен дефект первичного генного продукта. Наиболее распространенными среди таких заболеваний являются болезни, связанные с дефектностью ферментов, структурных, транспортных или иных белков.
Дефекты структурных и циркулирующих белков выявляются при изучении их строения. Так, в 60-х гг. XX в. был завершен анализ (3-глобино-вой цепи гемоглобина, состоящей из 146 аминокислотных остатков. Установлено большое разнообразие гемоглобинов у человека, связанное с изменением структуры его пептидных цепей, что нередко является причиной развития заболеваний (см. § 4.1).
Дефекты ферментов устанавливают путем определения содержания в крови и моче продуктов метаболизма, являющихся результатом функционирования данного белка. Дефицит конечного продукта, сопровождающийся накоплением промежуточных и побочных продуктов нарушенного метаболизма, свидетельствует о дефекте фермента или его дефиците в организме (см. § 4.1).
Биохимическую диагностику наследственных нарушений обмена проводят в два этапа. На первом этапе отбирают предположительные случаи заболеваний, на втором -более точными и сложными методами уточняют диагноз заболевания. Применение биохимических исследований для диагностики заболеваний в пренатальном периоде или непосредственно после рождения позволяет своевременно выявить патологию и начать специфические медицинские мероприятия, как, например, в случае фенилкетонурии.
Для определения содержания в крови, моче или амниотической жидкости промежуточных, побочных и конечных продуктов обмена кроме качественных реакций со специфическими реактивами на определенные вещества используют хроматографические методы исследования аминокислот и других соединений.