IX.БИОХИМИЧНА ГЕНЕТИКА

Биохимичната генетика изучава генетичния контрол върху структурата на белтъчините при организмите и свързания с това генетичен полиморфизъм на различните признаци при отделните индивиди от един и същ вид. Генетичният полиморфизъм е широко разпространено общобиологично явление, в резултат на което в популациите съществува огромно разнообразие от генотипове и фенотипове. Първите описани полиморфни генетични признаци са кръвногруповите антигени при човека (А, В, О). Днес е известен генетичният полиморфизъм на голям брой антигени на еритроцитите, левкоцитите, тромбоцитите, серумните белтъци в т.ч. и ензими. Проучванията върху генетичния полиморфизъм показаха, че той е резултат от възникването на голям брой мутантни алели на един ген - множествени алели, всеки индивид носи само 2 от тях, но в популацията те създават огромно разнообразие от генотипове и фенотипове. Голямото разнообразие на алели има отношение към избора на донор при кръвопреливането, трансплантацията на органи и тъкани, в съдебната медицина за идентификация на тъкани и течности, при различната устойчивост към инфекциозни болести, различната реакция към лекарствени средства и др.

Най-новите изследвания доказват, че съществува хромозомен генетичен полиморфизъм (в кариотипа), ДНК-полиморфизъм.

Познанията върху генетичния полиморфизъм - хромозомен, генен, ДНК-полиморфизъм са от голямо значение за обясняване и решаване на редица проблеми във ветеринарната медицина.

Генетичен полиморфизъм - общо биологично явление, при което в популациите съществува огромно разнообразие от генотипове и фенотипове. 

Кръвно груповите антигени при човека са първите описани полиморфни генетични признаци. Генетичният полиморфизъм е резултат от възникването на голям брой мутантни алели на един ген (множествени алели), които създават огромно разнообразие от генотипове и фенотипове в популациите. Всеки индивид носи само два от тях.

Полиморфизмът може да бъде:

1. хромозомен
2. генен 
3. ДНК полиморфизъм .

Генетичен полиморфизъм на белтъците
Изоензими – генетично детерминирани варианти на един ензим със сходна субстратна специфичност и различна електрофоретична подвижност. Изоензимите са изградени от две или повече полипептидни вериги и за тяхната фенотипна изява са отговорни повече от един ген. Те се кодират от множествени алели на един локус или от множествени локуси.

ИЗОЕНЗИМИТЕ СЕ УНАСЛЕДЯВАТ КОДОМИНАНТНО. 

Изоензимите при един индивид могат да се бъдат хомозиготни и хетерозиготни. Разнообразието на изоензимите в популацията кодирани от алелите на един локус зависи от броя на алелите на този локус. 

При изоензимите кодирани от няколко генни локуса в едни и същи тъкани и органи могат да се срещнат едни изоензими, а в други тъкани други. 

Изоензими, кодирани от алели на един локус. Разнообразието на изоензимите в популацията, кодирани от алелите на един локус, зависи от броя на алелите, т.е. от множествените алели на този локус. При отделния индивид липсва такова разнообразие, защото всеки еукариотен организъм може да носи само 2 алела от възможните множествени алели. Той е или хомозиготен, поради което на електрофореза се получава само 1 фракция, или хетерозиготен - 2 фракции с различна подвижност. В цялата популация обаче разнообразието от изоензимите на даден ензим е толкова по-голяма, колкото по-голям е броят на множествените алели на един локус, кодиращи тези изоензими. Така изоензимите на алкалната фосфатаза при птиците се кодират от два алела на един локус - АкрF и АкрS. Тъй като се унаследяват кодоминантно всеки индивид може да бъде хомозиготен (в двете хомоложни хромозоми на един и същ локус се съдържа само единия тип алел) - с фенотип АкрSS или АкрFF; хетерозиготен (в двете хомоложни хромозоми се съдържат двата типа алели) - с фенотип AkpFS. В цялата популация обаче се срещат и трите фенотипа.

Изоензими, кодирани от няколко генни локуса. При изоензимите, кодирани от няколко генни локуса, поради автономното регулиране на всеки локус, в едни специализирани тъкани и органи могат да се срещнат едни изоензими, а в други тъкани - други изоензими. Затова при този начин на кодиране в отделния индивид могат да се срещнат няколко изоензима, локализирани в съответните тъкани и органи.

Така изоензимите на лактатдехидрогеназата се кодират от 3 локуса - LDHA, LDHB и LDHC. Първите два са локализирани в различни тъкани, а третият - само в сперматозоидите. Ензимът е тетрамер, изграден от 4 полипептидни вериги и в зависимост от участващите полипептидни вериги се срещат 5 изоензима LDH1 - В4 (среща се в сърдечната мускулатура), LDH2 - АВ3, LDH3 - А2В2, LDH4 - А3В (срещат се в различни тъкани) и LDH5 - А4 (среща се в скелетната мускулатура).

ЕНЗИМОПАТИИ

Нарушение в регулацията на ензимите. Причиняват се от мутации на гените, които кодират синтезата на ензимите. Това води до:

1. блокиране производството на ензима
2. произвеждане на ензими с понижена активност и стабилност
3. ензими с променен афинитет към коензима.

В резултат на всичко това се наблюдава т.нар. генетичен блок. В зависимост от това на кой етап от протичането на дадена биохимична реакция е настъпил генетичният блок той бива:

1. Блок А- липса или недостатъчно количество ензим, катализиращ началото на биохимична реакция. 
2. Блок Б- липса или понижена активност на ензим, катализиращ междинни етапи на биохимична реакция.
3. Блок В- липса или понижена активност на ензим, катализиращ финалния етап на дадена биохимична реакция. 

Регулаторни нарушения - когато нарушаването на един биохимичен път води до нарушаването на друг биохимичен път, тогава генетичният блок води до тежка ензимопатия. Ензимопатиите биват:

1. смущения на въглехидратната обмяна
2. смущения на белтъчната и аминокиселинната обмяна 
3. смущения на липидната обмяна.

ЕНЗИМОПАТИИ СЪС СМУЩЕНИЯ НА ВЪГЛЕХИДРАТНАТА ОБМЯНА

1. Галактоземия – генетичен дефект в синтезата на галактокиназата. Унаследяват се автозомно-рецесивно. 
2. Лактоземия - генетичен дефект на гена, кодиращ синтезата на лактозата. 
3. Фруктоземия – понижена активност на ензима фруктозо-1-фосфаталдолазата, който потиска гликогенезата и се получава хипогликемия. Унаследява се автозомно-рецесивно. 
4. Гликогенази - смущения в синтезата на гликогена. Унаследява се автозомно-рецесивно. 

ЕНЗИМОПАТИИ СВЪРЗАНИ СЪС СМУЩЕНИЯ С БЕЛТЪЧНАТА И АМИНОКИСЕЛИННАТА ОБМЯНА

1. Фенилкетонория - причинява се от рецисивен ген, който потиска синтезата на ензима фенилаланинхидроксилаза. Фенотипно се проявява в хомозиготно състояние и фенилаланина в кръвта е по-висок над 50 пъти и води до промени в централната нервна система и умствено недоразвитие при хора. 
2. Тирозиноза - наследствено обусловена неспособност на организма да синтезира ензима, който катализира разграждането на тирозина.
3. Албинизъм - среща се при хора и животни. Представлява генетично обусловена липса на ензима тирозиназа, който участва в синтезата на предшествениците на меланина. Патологичен рецисивен автозомен ген е причината за появата му. 
4. Повечето болести, свързани със смущения на аминокиселините в белтъчната обмяна се унаследяват автозомно-рецесивно и по-рядко автозомно-кодоминантно. 

ЕНЗИМОПАТИИ СЪС СМУЩЕНИЯ В ЛИПИДНАТА ОБМЯНА

1. Хиперлипидемии - унаследяват се авотозомно-рецесивно и водят до повишено съдържание на липиди в кръвта. Водят до заболяването атеросклероза. 
2. Липидози - унаследяват се също автозомно-рецесивно, свързани са с отлагането на липиди в клетката (болести на натрупването) 
3. Муколипидози - протича с разхлабване на ставите, увеличаване на черния дроб и далака, потъмняване на корнеята и умствено изоставане. Неизяснена патогенеза. 

ЕНЗИМОПАТИИ СЪС СМУЩЕНИЯ В ОБМЯНАТА НА МЕТАЛИТЕ

1. Хемохроматоза - натрупване на желязо в клетките на черния дроб, сърцето и други органи. Унаследява се автозомно-доминантно.
2. Дискалемиа - нарушение в обмяната на калия. Унаследява се автозомно-доминантно.
3. Хематолентикулярна дегенерация – отлагане на мед в роговицата и черния дроб и отделянето му в урината. Унаследява се автозомно-рецесивно.

ЕНЗИМОПАТИИ, СВЪРЗАНИ С ОБМЯНАТА НА НУКЛЕИНОВИТЕ КИСЕЛИНИ - ОБМЯНАТА НА ПУРИНИТЕ И ПИРИМИДИНИТЕ

1. Синдром на Леш-Найан - пълна липса на ензима, превръщащ хипоксантина в гуанин. Натрупва се и образува пикочна киселина. 
2. Ксантинория – понижава се концентрацията на пикочната киселина в следствие понижаване на активността на ксантиноксиназата. Унаследпват се автозомно- рецесивно. 

ЕНЗИМОПАТИИ НА ЖЛЪЧНО-ПИГМЕНТНАТА ОБМЯНА

1. Фамилна нехемолитична жълтеница - унаследява се авотозомно-доминантно.
2. Хронична идиопатична жълтеница - унаследява се също автозомно- доминантно и се причинява също от първични ефекти в екскрецията на жлъчните пигменти от чернодробните клетки. 

ХЕМОГЛОБИНОПАТИИ

Изследванията на различните форми на хемоглобина допринесоха за разкриването на генетичната детерминация на структурата на белтъчините. Ето защо генетичната регулация на синтезата на различните типове хемоглобин се използва като паказател за генния контрол върху биосинтезата на белтъчините.

При хората, както и при всички останали видове бозайници, се срещат фетален хемоглобин (HbF) и нормален за възрастния организъм А (HbA - от adult - възрастен). HbF се състои от две идентични помежду си α-вериги и от две също еднакви γ- вериги. През първото тримесечие от развитието на зародиша при хората вместо γ-верига хемоглобинът съдържа δ-вериги. HbA съдържа две α-вериги и за разлика от феталния хемоглобин - две β-вериги. HbA2 се състои от две α- и две δ-вериги. α-веригите са съставени от 141, а β-веригите от 146 аминокиселинни остатъка. Обаче съпоставянето им показва, че голяма част от остатъците на аминокиселините в тези вериги съвпадат. Сходството между β- и  γ-веригите е по-голямо. Те имат еднакъв брой аминокиселинни остатъци - 146, като 104 от тях са еднакви. Разликата между β- и δ-веригите засяга само 8 аминокиселини. Според получените досега данни синтезата на всяка от тези 4 вида полипептидни вериги се регулира от отделен ген. Смята се, че тези гени произлизат от един общ ген в резултат на мутации и дивергенция.

Установено е, че гените, които контролират синтезата на различните типове хемоглобинови полипептидни вериги, се унаследяват по законите на Мендел. Между действието на гените за α-, β-, δ- и γ-веригите съществува сложна координация. Изследванията при хора, маймуни, говеда, мишки и др. показват, че заменянето на HbF с HbA се намира под контрола на гените, които регулират синтезата на отделните типове полипептидни вериги на хемоглобина. Генът, който контролира синтезата на α-полипептидните вериги, е активен през целия период на онтогенезата. Поради това α-веригите са идентични при HbF и при HbA. Тъй като γ-веригите имат решаващо значение за снабдяването на плода с кислород, към който те имат подчертан афинитет, контролиращият синтезата им ген е активен през периода преди раждането. След раждането активността му намалява. Генът, детерминиращ синтезата на β-полипептидните вериги, е пасивен през по-голяма част от периода на бременността, като преди раждането се активира. Процесът на заменянето на феталния с нормалния хемоглобин служи като пример за генната регулация на онтогенезата при бозайниците.

Видове хемоглобинопатии

Мутациите, които водят до различни форми на хемоглобинопатии могат да се
групират на:

1. Промени в структурните гени или делеции, водещи до структурни нарушения в глобиновите вериги и развитието на тежки хемоглобинози;
2. Неравномерен кросинговер и формиране на хибридни полипептидни вериги - лепоре-таласемии;
3. Мутации в ген-регулаторите, водещи до небалансирана синтеза на отделни нормални по структура полипептидни вериги - таласемии. Най-разпространени са хемоглобинозите и таласемиите.

Хемоглобинози

1. Сърповидноклетъчна анемия - причинява се от мутация, засягаща кодон ГАА, който е мутирал в кодон ГУА. Засяга се бета-веригата, при която глутаминовата киселина е заменена с валин. Появява се само в хомозиготно състояние. Еритроцитите придобиват сърповидна форма и заболяването има летален характер още в ранна възраст. При хетерозиготите 60-70% от еритроцитите са с нормален хемоглобин, което показва, че унаследяването на заболяването е интермедиерно.
2. Таласемии - мутациите засягат регулаторните гени, при което се синтезират недостатъчно количество полипептидни вериги.
3. Алфа-таласемии – липсват алфа-веригите на хемоглобина. Формира се H-хемоглобин, който води до тежки таласемии. 
4. Бета-таласемии - липсват или е понижен броя на бета-веригите.
5. В България се срещат повече бета-таласемиите като по-широко са разпространени хетерозиготните носители.