Μηχανισμοί που προκαλούν αλλαγές στη γενετική πληροφορία. Ταξινόμηση μεταλλάξεων με αλλαγές στην κωδικοποιητική αλληλουχία του DNA (υποκαταστάσεις, εισαγωγές, διαγραφές) Ταξινόμηση μεταλλάξεων με εντοπισμό στο κύτταρο

Οι κληρονομικές πληροφορίες μεταδίδονται από τη μια γενιά μικροοργανισμών στην άλλη από μεγάλο αριθμό γονιδίων που περιέχονται στο νουκλεοτίδιο κάθε κυττάρου. Οι πληροφορίες που περιέχονται στο γονίδιο διαβάζονται και χρησιμοποιούνται για τη σύνθεση μιας συγκεκριμένης ενζυμικής πρωτεΐνης. Η παρουσία αυτής της ενζυμικής πρωτεΐνης δημιουργεί τη χημική βάση για την εκδήλωση ενός συγκεκριμένου χαρακτηριστικού σε έναν μικροοργανισμό. Ως αποτέλεσμα, όλα τα κληρονομικά χαρακτηριστικά των μικροοργανισμών είναι τα τελικά προϊόντα των βιοχημικών διεργασιών, το οποίο είναι εξίσου εφαρμόσιμο στα φυσιολογικά χαρακτηριστικά και στα μορφολογικά χαρακτηριστικά.

Ένα γονίδιο μπορεί να ελέγξει την κληρονομικότητα ενός χαρακτηριστικού ή να καθορίσει πολλά ή πολλά χαρακτηριστικά που επηρεάζουν διαφορετικά μέρη του κυττάρου ενός μικροοργανισμού. Σε άλλες περιπτώσεις, πολλά γονίδια μπορεί να ελέγχουν από κοινού την έκφραση ενός μόνο χαρακτηριστικού. Σε ένα βακτηριακό χρωμόσωμα, όλα τα γονίδια είναι διατεταγμένα σε μια γραμμική αλληλουχία. Τα γονίδια για ορισμένα χαρακτηριστικά βρίσκονται σε αντίστοιχες θέσεις στο χρωμόσωμα, που ονομάζονται τόποι. Τα βακτήρια είναι συνήθως απλοειδή: έχουν μόνο ένα σύνολο γονιδίων.

Το πλήρες σύνολο γονιδίων που διαθέτει το κύτταρο ενός μικροοργανισμού αντιπροσωπεύει τον γονότυπο αυτού του μικροοργανισμού. Η εκδήλωση κληρονομικών μορφολογικών χαρακτηριστικών και φυσιολογικών διεργασιών στα άτομα ονομάζεται φαινότυπος (από το ελληνικό φαίνο - εκδηλώνω, δείχνω). Μικροοργανισμοί παρόμοιοι σε γονότυπο μπορεί να διαφέρουν σημαντικά ως προς τον φαινότυπο, δηλαδή στον τρόπο με τον οποίο εκδηλώνονται τα κληρονομικά χαρακτηριστικά. Οι φαινοτυπικές διαφορές μεταξύ μικροοργανισμών του ίδιου γονότυπου ονομάζονται τροποποιήσεις (φαινοτυπικές προσαρμογές). Έτσι, η αλληλεπίδραση των γενετικών κλίσεων με το εξωτερικό περιβάλλον μπορεί να προκαλέσει την εμφάνιση διαφορετικών φαινοτύπων, ακόμη και αν οι γονότυποι είναι πανομοιότυποι. Ωστόσο, το δυνητικό μέγεθος τέτοιων φαινοτυπικών διαφορών ελέγχεται από τον γονότυπο.

Οι τροποποιήσεις, κατά κανόνα, υπάρχουν εφόσον ισχύει ο συγκεκριμένος περιβαλλοντικός παράγοντας που τις προκάλεσε· δεν μεταδίδονται στους απογόνους και δεν κληρονομούνται από αυτούς. Έτσι, η θεραπεία βακτηρίων με μαστίγια με φαινόλη αποτρέπει την ανάπτυξη μαστιγίων σε αυτούς τους οργανισμούς. Ωστόσο, οι απόγονοι βακτηρίων χωρίς μαστίγια που έχουν υποστεί επεξεργασία με φαινόλη που αναπτύσσονται σε μέσα χωρίς φαινόλη αναπτύσσουν φυσιολογικά μαστίγια.

Έχει διαπιστωθεί ότι σχεδόν όλα τα μορφολογικά και φυσιολογικά χαρακτηριστικά των μικροοργανισμών ελέγχονται άμεσα ή έμμεσα από τις γενετικές πληροφορίες που περιέχονται στο DNA.

Οι πληροφορίες που μεταφέρει το DNA δεν είναι κάτι απολύτως σταθερό και αμετάβλητο. Εάν οι πληροφορίες που μεταδίδονται από τη μια γενιά στην άλλη δεν ήταν ικανές να αλλάξουν, τότε το εύρος των αντιδράσεων των στενά συνδεδεμένων οργανισμών σε περιβαλλοντικούς παράγοντες θα ήταν επίσης σταθερό και οποιαδήποτε ξαφνική αλλαγή σε αυτούς, που αποδεικνύεται επιβλαβής για μικροοργανισμούς με παγωμένο γονότυπο, θα μπορούσε να οδηγήσει στην εξαφάνιση του είδους . Κατά συνέπεια, οι πληροφορίες που μεταδίδονται από γενιά σε γενιά δεν είναι απολύτως σταθερές, κάτι που αποδεικνύεται χρήσιμο για την επιβίωση του είδους.

Οι αλλαγές στον γονότυπο, που ονομάζονται μεταλλάξεις (από το λατινικό mutare - to change), συμβαίνουν αυθόρμητα, δηλαδή τυχαία. Τέτοιες μεταλλάξεις προκαλούν δραματικές αλλαγές σε μεμονωμένα γονίδια που είναι υπεύθυνα για τις πληροφορίες που περιέχονται στο κύτταρο. Κατά κανόνα, τα σπάνια σφάλματα αντιγραφής του DNA δεν συνοδεύονται από τεράστιες αλλαγές στις πληροφορίες που περιλαμβάνουν μεγάλο αριθμό διαφορετικών χαρακτήρων. Ωστόσο, οι οργανισμοί έχουν αναπτύξει άλλους μηχανισμούς που συμβάλλουν στην εμφάνιση δραματικά αλλοιωμένης κληρονομικότητας στους απογόνους. Αυτοί οι μηχανισμοί περιλαμβάνουν τη συσχέτιση και συνήθως την άμεση αναδιάταξη (ανασυνδυασμό) γονιδίων που ανήκουν σε στενά συγγενείς αλλά γονοτυπικά διαφορετικούς οργανισμούς. Κατά τη διάρκεια του γενετικού ανασυνδυασμού, θραύσματα του χρωμοσώματος του μικροοργανισμού δότη εισάγονται στο χρωμόσωμα ενός μικροβιακού κυττάρου που χρησιμεύει ως δέκτης.

Στους μικροοργανισμούς, η ικανότητα ανασυνδυασμού γονιδίων μπορεί να αναπαρασταθεί με τη μορφή ενός διαγράμματος.

Επί του παρόντος, τρεις τύποι μεταφοράς χαρακτήρων από δότη σε δέκτη είναι γνωστοί στους μικροοργανισμούς: μετασχηματισμός, σύζευξη και μεταγωγή. μικροοργανισμός αερόβιο άλας σιδήρου

Μετάλλαξη: Αλληλόμορφο που εμφανίζεται σε πληθυσμό με συχνότητα ίση ή μικρότερη από 1%. Ο λόγος για τη μεταβλητότητα των οργανισμών δεν είναι μόνο η συνδυαστική μεταβλητότητα, αλλά και οι μεταλλάξεις. Πρόκειται για αλλαγές στο γονιδίωμα που συνίστανται είτε στην εμφάνιση νέων αλληλίων (ονομάζονται γονιδιακές μεταλλάξεις), είτε στην αναδιάταξη των χρωμοσωμάτων, για παράδειγμα, στη μεταφορά ενός κομματιού ενός χρωμοσώματος σε ένα άλλο (τότε ονομάζονται χρωμοσωμικά μεταλλάξεις), ή σε αλλαγές στο γονιδίωμα (γονιδιωματικές μεταλλάξεις). Ένα παράδειγμα γονιδιωματικής μετάλλαξης είναι μια αλλαγή στον αριθμό των χρωμοσωμάτων σε ένα κύτταρο. Μεμονωμένες μεταλλάξεις εμφανίζονται σπάνια. Για παράδειγμα, γονιδιακές μεταλλάξεις συμβαίνουν σε περίπου ένα γονίδιο σε εκατοντάδες χιλιάδες ή και σε ένα εκατομμύριο. Ωστόσο, δεδομένου ότι μπορεί να υπάρχουν αρκετά γονίδια, οι μεταλλάξεις συμβάλλουν σημαντικά στη μεταβλητότητα. Οι μεταλλάξεις συζητήθηκαν παραπάνω τόσο σε σχέση με το DNA όσο και σε σχέση με το έργο του Morgan. Στο Morgan, το σημάδι της μετάλλαξης ήταν κάποιο είδος μορφολογικής διαφοράς στη Drosophila, η οποία είναι κληρονομική. Έδειξε ότι το γενετικό υλικό του μεταλλαγμένου διαφέρει από το γονιδίωμα των μυγών άγριου τύπου. Από πού προέρχεται δεν ρωτήθηκε αρχικά. Οι μεταλλάξεις είναι τυχαία επίμονες αλλαγές στον γονότυπο που επηρεάζουν ολόκληρα χρωμοσώματα, μέρη τους ή μεμονωμένα γονίδια. Οι μεταλλάξεις μπορεί να είναι μεγάλες και σαφώς ορατές, για παράδειγμα, έλλειψη χρωστικής ουσίας (αλβινισμός), έλλειψη φτερώματος στα κοτόπουλα (Εικ. 11), κοντά πόδια, κ.λπ. Ωστόσο, τις περισσότερες φορές οι μεταλλάξεις είναι μικρές, ελάχιστα αισθητές αποκλίσεις από τον κανόνα. Ο όρος «μετάλλαξη» εισήχθη στη γενετική από έναν από τους επιστήμονες που ανακάλυψαν ξανά τους νόμους του Μέντελ - τον G. de Vries το 1901 (από το λατινικό mutatio - αλλαγή, αλλαγή). Αυτός ο όρος σήμαινε νέες κληρονομικές αλλαγές, χωρίς τη συμμετοχή διασταυρώσεων. Όπως ήδη αναφέρθηκε, οι μεταλλάξεις χωρίζονται σε γονιδιακές μεταλλάξεις, χρωμοσωμικές μεταλλάξεις και γονιδιωματικές μεταλλάξεις (Εικ. 118). Πρέπει να σημειωθεί ότι με χρωμοσωμικές και γονιδιωματικές μεταλλάξεις, νέα γονίδια δεν εμφανίζονται στο γονιδίωμα. Στην πραγματικότητα, αυτό είναι ένα ανακάτεμα παλαιών γονιδίων. Με την πρώτη ματιά, θα ήταν πιο λογικό να αποδοθεί αυτή η μεταβλητότητα στη συνδυαστική μεταβλητότητα. Ωστόσο, κατά τον προσδιορισμό του φύλου, η εμφάνιση ενός επιπλέον χρωμοσώματος Χ στο γονιδίωμα μπορεί να προκαλέσει ριζικές αλλαγές στον φαινότυπο. Ως εκ τούτου, υπήρξε ιστορικά μια παράδοση να ταξινομούνται τέτοιες αλλαγές γονιδιώματος ως μεταλλάξεις. Εκτός από την ταξινόμηση των μεταλλάξεων σύμφωνα με τη μέθοδο εμφάνισης, ταξινομούνται και σύμφωνα με άλλα χαρακτηριστικά. 1). Οι άμεσες μεταλλάξεις είναι μεταλλάξεις που προκαλούν απόκλιση από τον άγριο τύπο. Οι μεταλλάξεις στην πλάτη είναι μια επιστροφή στον άγριο τύπο. 2). Εάν συμβαίνουν μεταλλάξεις στα γεννητικά κύτταρα, ονομάζονται γενετικές μεταλλάξεις (από το lat. generatio - γέννηση), και αν σε άλλα κύτταρα του σώματος - σωματικές μεταλλάξεις (από το ελληνικό soma - σώμα). Οι σωματικές μεταλλάξεις μπορούν να μεταδοθούν στους απογόνους κατά τη διάρκεια του αγενούς πολλαπλασιασμού. 3). Με βάση τα αποτελέσματα, οι μεταλλάξεις χωρίζονται σε ωφέλιμες, ουδέτερες και επιβλαβείς (συμπεριλαμβανομένων των στείρων, ημιθανατηφόρων και θανατηφόρων). Οι ημιθανατηφόρες μεταλλάξεις είναι επιβλαβείς μεταλλάξεις που μειώνουν σημαντικά τη βιωσιμότητα, αλλά δεν είναι θανατηφόρες, ενώ οι θανατηφόρες μεταλλάξεις οδηγούν στο θάνατο του οργανισμού σε ένα ή άλλο στάδιο ανάπτυξης. Οι στείρες μεταλλάξεις είναι αυτές που δεν επηρεάζουν τη βιωσιμότητα του οργανισμού, αλλά μειώνουν απότομα (συχνά στο μηδέν) τη γονιμότητά του. Οι ουδέτερες μεταλλάξεις είναι μεταλλάξεις που δεν αλλάζουν τη βιωσιμότητα του οργανισμού. Τυπικά, το DNA αντιγράφεται ακριβώς κατά τη διάρκεια της διαδικασίας αντιγραφής και παραμένει αμετάβλητο μεταξύ δύο διαδοχικών αντιγραφών. Αλλά περιστασιακά συμβαίνουν λάθη και η αλληλουχία του DNA αλλάζει - αυτά τα λάθη ονομάζονται μεταλλάξεις. Μια μετάλλαξη είναι μια σταθερή κληρονομήσιμη αλλαγή στο DNA, ανεξάρτητα από τη λειτουργική της σημασία. Αυτός ο ορισμός υποδηλώνει μια αλλαγή στην πρωτογενή αλληλουχία νουκλεοτιδίων, ενώ άλλες αλλαγές, όπως η μεθυλίωση, συνήθως αποδίδονται σε επιγενετικά συμβάντα. Οι μεταλλάξεις στα σωματικά κύτταρα μπορεί να προκαλέσουν διαδικασίες γήρανσης, καρκίνο και άλλες, λιγότερο σημαντικές αλλαγές στο σώμα. Οι μεταλλάξεις στα γεννητικά κύτταρα των γονέων κληρονομούνται από τα παιδιά. Η ιδέα ότι οι μεταλλάξεις είναι γενικά σταθερές παραμένει σωστή, αλλά η ανακάλυψη δυναμικών μεταλλάξεων λόγω της αύξησης του αριθμού των τρινουκλεοτιδικών επαναλήψεων δείχνει ότι ορισμένες μεταλλάξεις αλλάζουν κατά τη διαίρεση των σωματικών ή γεννητικών κυττάρων. Ορισμένες μεταλλάξεις είναι θανατηφόρες και δεν μπορούν να μεταδοθούν στην επόμενη γενιά, ενώ άλλες δεν είναι τόσο επικίνδυνες και επιμένουν στους απογόνους. Από εξελικτική άποψη, οι μεταλλάξεις παρέχουν αρκετή γενετική ποικιλότητα για να επιτρέψουν στα είδη να προσαρμοστούν στις περιβαλλοντικές συνθήκες μέσω της φυσικής επιλογής. Κάθε γενετικός τόπος χαρακτηρίζεται από ένα ορισμένο επίπεδο μεταβλητότητας, δηλαδή την παρουσία διαφορετικών αλληλόμορφων, ή παραλλαγών αλληλουχιών DNA, σε διαφορετικά άτομα. Σε σχέση με ένα γονίδιο, τα αλληλόμορφα χωρίζονται σε δύο ομάδες - κανονικά ή άγριου τύπου αλληλόμορφα, στα οποία η λειτουργία του γονιδίου δεν επηρεάζεται, και μεταλλαγμένα αλληλόμορφα, τα οποία οδηγούν σε διαταραχή του γονιδίου. Σε κάθε πληθυσμό και για οποιοδήποτε γονίδιο, κυριαρχούν τα αλληλόμορφα άγριου τύπου. Ως μετάλλαξη νοείται όλες οι αλλαγές στην αλληλουχία του DNA, ανεξάρτητα από τη θέση τους και τον αντίκτυπό τους στη βιωσιμότητα του ατόμου. Έτσι, η έννοια της μετάλλαξης είναι ευρύτερη από την έννοια του μεταλλαγμένου αλληλόμορφου. Στην επιστημονική βιβλιογραφία, οι παραλλαγές αλληλουχιών γονιδίων που απαντώνται συχνά σε πληθυσμούς και δεν οδηγούν σε αξιοσημείωτες βλάβες στη λειτουργία θεωρούνται συνήθως ως ουδέτερες μεταλλάξεις ή πολυμορφισμοί, ενώ οι έννοιες «μετάλλαξη» και «μεταλλαγμένο αλληλόμορφο» χρησιμοποιούνται συχνά εναλλακτικά. Οι μεταλλάξεις μπορεί να περιλαμβάνουν τμήματα DNA διαφορετικού μήκους. Αυτό μπορεί να είναι ένα μεμονωμένο νουκλεοτίδιο, οπότε θα μιλήσουμε για μια σημειακή μετάλλαξη ή ένα εκτεταμένο τμήμα του μορίου. Επιπλέον, δεδομένης της φύσης των αλλαγών, μπορούμε να μιλήσουμε για αντικαταστάσεις νουκλεοτιδίων, διαγραφές και εισαγωγές (εισαγωγές) και αναστροφές. Η διαδικασία των μεταλλάξεων ονομάζεται μεταλλαξιογένεση. Ανάλογα με τους παράγοντες που προκαλούν τις μεταλλάξεις, διακρίνονται σε αυθόρμητες και επαγόμενες. Οι αυθόρμητες μεταλλάξεις συμβαίνουν αυθόρμητα σε όλη τη διάρκεια της ζωής ενός οργανισμού κάτω από κανονικές περιβαλλοντικές συνθήκες. Αυθόρμητες μεταλλάξεις σε ευκαρυωτικά κύτταρα συμβαίνουν με συχνότητα 10-9-10-12 ανά νουκλεοτίδιο ανά κυτταρική γενιά. Οι επαγόμενες μεταλλάξεις είναι αυτές που προκύπτουν ως αποτέλεσμα μεταλλαξογόνων επιδράσεων υπό πειραματικές συνθήκες ή υπό δυσμενείς περιβαλλοντικές επιδράσεις. Μεταξύ των πιο σημαντικών μεταλλαξογόνων παραγόντων, πρώτα απ 'όλα, είναι απαραίτητο να σημειωθούν χημικοί μεταλλαξιογόνοι παράγοντες - οργανικές και ανόργανες ουσίες που προκαλούν μεταλλάξεις, καθώς και ιονίζουσα ακτινοβολία. Δεν υπάρχουν σημαντικές διαφορές μεταξύ αυθόρμητων και επαγόμενων μεταλλάξεων. Οι περισσότερες αυθόρμητες μεταλλάξεις προκύπτουν ως αποτέλεσμα μεταλλαξογόνων επιδράσεων που δεν καταγράφονται από τον πειραματιστή. Πρέπει να τονιστεί ότι η χρησιμότητα ή η βλαβερότητα των μεταλλάξεων εξαρτάται από τις συνθήκες διαβίωσης: σε ορισμένες περιβαλλοντικές συνθήκες μια δεδομένη μετάλλαξη είναι επιβλαβής, σε άλλες είναι ωφέλιμη. Για παράδειγμα, μια μετάλλαξη που προκαλεί αλμπινισμό θα είναι ευεργετική για τους κατοίκους της Αρκτικής, παρέχοντας λευκό προστατευτικό χρωματισμό, αλλά επιβλαβής, αποκαλύπτοντας τα ζώα που ζουν σε άλλες συνθήκες. Η παραλλαγή παρέχει υλικό για τη δράση της φυσικής επιλογής και αποτελεί τη βάση της εξελικτικής διαδικασίας. Οι μεταλλάξεις παρέχουν υλικό για να εργαστούν οι κτηνοτρόφοι. Η παραγωγή και η επιλογή ωφέλιμων (για τον άνθρωπο) μεταλλάξεων αποτελούν τη βάση της δημιουργίας νέων ποικιλιών φυτών, ζώων και μικροοργανισμών. Η ταξινόμηση των μεταλλάξεων βασίζεται στις μοριακές διαδικασίες εμφάνισής τους.

Ιστορία της διαμόρφωσης της μικροβιολογίας ως επιστήμης

Η Μικροβιολογία (από το ελληνικό micros. small, bios. life, logos. διδασκαλία) είναι επιστήμη που μελετά τη δομή, τη ζωτική δραστηριότητα και την οικολογία μικροοργανισμών των μικρότερων μορφών ζωής φυτικής ή ζωικής προέλευσης, αόρατες με γυμνό μάτι.

Η μικροβιολογία μελετά όλους τους εκπροσώπους του μικρόκοσμου (βακτήρια, μύκητες, πρωτόζωα, ιούς). Στον πυρήνα της, η μικροβιολογία είναι μια θεμελιώδης βιολογική επιστήμη. Για τη μελέτη μικροοργανισμών, χρησιμοποιεί μεθόδους από άλλες επιστήμες, κυρίως φυσική, βιολογία, βιοοργανική χημεία, μοριακή βιολογία, γενετική, κυτταρολογία και ανοσολογία. Όπως κάθε επιστήμη, έτσι και η μικροβιολογία χωρίζεται σε γενική και ειδική. Η γενική μικροβιολογία μελετά τα πρότυπα δομής και ζωτικής δραστηριότητας των μικροοργανισμών σε όλα τα επίπεδα. μοριακός, κυτταρικός, πληθυσμός; γενετική και τη σχέση τους με το περιβάλλον. Το αντικείμενο της μελέτης της ιδιωτικής μικροβιολογίας είναι μεμονωμένοι εκπρόσωποι του μικροκόσμου, ανάλογα με την εκδήλωση και την επιρροή τους στο περιβάλλον, τη ζωντανή φύση, συμπεριλαμβανομένων των ανθρώπων. Οι ειδικοί τομείς της μικροβιολογίας περιλαμβάνουν: ιατρική, κτηνιατρική, γεωργική, τεχνική (τμήμα βιοτεχνολογίας), θαλάσσια, διαστημική μικροβιολογία. Η ιατρική μικροβιολογία μελετά μικροοργανισμούς παθογόνους για τον άνθρωπο: βακτήρια, ιούς, μύκητες, πρωτόζωα. Ανάλογα με τη φύση των παθογόνων μικροοργανισμών που μελετώνται, η ιατρική μικροβιολογία χωρίζεται σε βακτηριολογία, ιολογία, μυκητολογία και πρωτοζωολογία. Κάθε ένας από αυτούς τους κλάδους εξετάζει τα ακόλουθα ζητήματα: - μορφολογία και φυσιολογία, δηλ. διεξάγει μικροσκοπικές και άλλους τύπους έρευνας, μελετά το μεταβολισμό, τη διατροφή, την αναπνοή, τις συνθήκες ανάπτυξης και αναπαραγωγής, γενετικά χαρακτηριστικά παθογόνων μικροοργανισμών. - ο ρόλος των μικροοργανισμών στην αιτιολογία και την παθογένεση των μολυσματικών ασθενειών. - κύριες κλινικές εκδηλώσεις και επικράτηση των προκαλούμενων ασθενειών. - ειδική διάγνωση, πρόληψη και θεραπεία μολυσματικών ασθενειών· - οικολογία παθογόνων μικροοργανισμών. Η ιατρική μικροβιολογία περιλαμβάνει επίσης την υγειονομική, κλινική και φαρμακευτική μικροβιολογία. Η Υγειονομική Μικροβιολογία μελετά τη μικροχλωρίδα του περιβάλλοντος, τη σχέση της μικροχλωρίδας με το σώμα, την επίδραση της μικροχλωρίδας και των μεταβολικών προϊόντων της στην ανθρώπινη υγεία και αναπτύσσει μέτρα για την πρόληψη των δυσμενών επιπτώσεων των μικροοργανισμών στον άνθρωπο. Εστίαση στην Κλινική Μικροβιολογία. Ο ρόλος των ευκαιριακών μικροοργανισμών στην εμφάνιση ανθρώπινων ασθενειών, διάγνωση και πρόληψη αυτών των ασθενειών. Η φαρμακευτική μικροβιολογία μελετά μολυσματικές ασθένειες φαρμακευτικών φυτών, αλλοίωση φαρμακευτικών φυτών και πρώτων υλών υπό την επίδραση μικροοργανισμών, μόλυνση των φαρμακευτικών προϊόντων κατά τη διαδικασία παρασκευής, καθώς και τελικές δοσολογικές μορφές, μεθόδους ασηψίας και αντισηπτικών, απολύμανση στην παραγωγή φαρμακευτικών προϊόντων προϊόντα, τεχνολογία για τη λήψη μικροβιολογικών και ανοσολογικών διαγνωστικών, προληπτικών και φαρμακευτικών φαρμάκων. Η κτηνιατρική μικροβιολογία μελετά τα ίδια θέματα με την ιατρική μικροβιολογία, αλλά σε σχέση με μικροοργανισμούς που προκαλούν ασθένειες των ζώων. Η μικροχλωρίδα του εδάφους, η χλωρίδα, η επίδρασή της στη γονιμότητα, η σύνθεση του εδάφους, οι μολυσματικές ασθένειες των φυτών κ.λπ. αποτελούν το επίκεντρο της γεωργικής μικροβιολογίας. Η θαλάσσια και διαστημική μικροβιολογία μελετά, αντίστοιχα, τη μικροχλωρίδα των θαλασσών και των δεξαμενών και του διαστήματος και άλλων πλανητών. Η τεχνική μικροβιολογία, η οποία αποτελεί μέρος της βιοτεχνολογίας, αναπτύσσει τεχνολογία για τη λήψη διαφόρων προϊόντων από μικροοργανισμούς για την εθνική οικονομία και την ιατρική (αντιβιοτικά, εμβόλια, ένζυμα, πρωτεΐνες, βιταμίνες). Η βάση της σύγχρονης βιοτεχνολογίας είναι η γενετική μηχανική. Πολυάριθμες ανακαλύψεις στον τομέα της μικροβιολογίας, η μελέτη των σχέσεων μεταξύ μακρο- και μικροοργανισμών στο δεύτερο μισό του 19ου αιώνα. συνέβαλε στην έναρξη της ραγδαίας ανάπτυξης της ανοσολογίας. Αρχικά, η ανοσολογία θεωρήθηκε ως η επιστήμη της ανοσίας του οργανισμού σε μολυσματικές ασθένειες. Επί του παρόντος, έχει γίνει μια γενική ιατρική και γενική βιολογική επιστήμη. Έχει αποδειχθεί ότι το ανοσοποιητικό σύστημα χρησιμεύει για να προστατεύει το σώμα όχι μόνο από μικροβιακούς παράγοντες, αλλά και από οποιεσδήποτε ουσίες γενετικά ξένες προς το σώμα, προκειμένου να διατηρήσει τη σταθερότητα του εσωτερικού περιβάλλοντος του σώματος, δηλ. ομοιοσταση. Η ανοσολογία είναι η βάση για την ανάπτυξη εργαστηριακών μεθόδων διάγνωσης, πρόληψης και θεραπείας μολυσματικών και πολλών μη λοιμωδών νόσων, καθώς και για την ανάπτυξη ανοσοβιολογικών φαρμάκων (εμβόλια, ανοσοσφαιρίνες, ανοσοτροποποιητές, αλλεργιογόνα, διαγνωστικά φάρμακα). Η ανοσοβιοτεχνολογία εμπλέκεται στην ανάπτυξη και παραγωγή ανοσοβιολογικών φαρμάκων. ένας ανεξάρτητος κλάδος της ανοσολογίας. Η σύγχρονη ιατρική μικροβιολογία και ανοσολογία έχουν σημειώσει μεγάλη επιτυχία και διαδραματίζουν τεράστιο ρόλο στη διάγνωση, πρόληψη και θεραπεία μολυσματικών και πολλών μη λοιμωδών νόσων που σχετίζονται με διαταραχή του ανοσοποιητικού συστήματος (ογκολογικά, αυτοάνοσα νοσήματα, μεταμόσχευση οργάνων και ιστών κ. ).

Μεταμορφώσεις σιδήρου

Σε ένα κανονικό εύκρατο κλίμα, ένα υγιές άτομο χρειάζεται 10-15 mg σιδήρου την ημέρα στα τρόφιμα. Αυτή η ποσότητα είναι αρκετή για να καλύψει τις απώλειές του από τον οργανισμό. Το σώμα μας περιέχει από 2 έως 5 g σιδήρου, ανάλογα με το επίπεδο αιμοσφαιρίνης, το βάρος, το φύλο και την ηλικία. Υπάρχει ιδιαίτερα μεγάλη ποσότητα στην αιμοσφαιρίνη του αίματος - τα δύο τρίτα της συνολικής ποσότητας που περιέχεται στο σώμα. το υπόλοιπο αποθηκεύεται στα εσωτερικά όργανα, κυρίως στο ήπαρ.

Ο σίδηρος από τα τρόφιμα απορροφάται στα έντερα και μεταφέρεται στα αιμοφόρα αγγεία, όπου δεσμεύεται από μια ειδική πρωτεΐνη μεταφοράς. Αυτή η πρωτεΐνη ανακαλύφθηκε για πρώτη φορά το 1920 στον ορό του αίματος. Αλλά οι μέθοδοι ανάλυσης που υπήρχαν εκείνη την εποχή δεν μας επέτρεψαν να προσδιορίσουμε με ακρίβεια τη δομή του. Μόλις το 1945, οι Σουηδοί επιστήμονες K-Holmberg και K.-B. Η Laurel μελέτησε λεπτομερώς αυτήν την πρωτεΐνη που περιέχει σίδηρο, καθόρισε τη φύση της και της έδωσε το όνομα «τρανσφερίνη».

Είναι ενδιαφέρον ότι μια παρόμοια πρωτεΐνη απομονώθηκε επίσης από το γάλα το 1939 και ονομάστηκε "λακτοφερρίνη". Τα μοριακά βάρη αυτών των πρωτεϊνών είναι περίπου τα ίδια και ανέρχονται σε περίπου 80 χιλιάδες. Είναι σε θέση να δεσμεύουν 2 άτομα σιδήρου, δίνοντάς τους ένα χαρακτηριστικό κοκκινωπό χρώμα. Στη συνέχεια, η λακτοφερρίνη ανακαλύφθηκε σε δάκρυα, χολή και άλλα σωματικά υγρά. Αυστηρά μιλώντας, οι πρωτεΐνες μεταφοράς επιτελούν παρόμοια λειτουργία με την αιμοσφαιρίνη, μόνο που μεταφέρουν όχι οξυγόνο, αλλά σίδηρο και τρισθενή σίδηρο. Μεταφέρεται κυρίως στο μυελό των οστών, ένα μικρό μέρος εισέρχεται στο ήπαρ και τη σπλήνα, όπου αποθηκεύεται ως αποθεματικό ταμείο. μια μικρή ποσότητα πηγαίνει στο σχηματισμό της μυοσφαιρίνης και ορισμένων ενζύμων της αναπνοής των ιστών. Τα κύρια όργανα στα οποία συμβαίνει ο μεταβολισμός του σιδήρου είναι ο μυελός των οστών, το ήπαρ και το λεπτό έντερο, όπου υπάρχουν ειδικοί υποδοχείς που χρησιμεύουν για τη λήψη τρανσφερίνης.

Στο μυελό των οστών εμφανίζεται ο σχηματισμός αιμοσφαιρίνης και ερυθρών αιμοσφαιρίων, η διάρκεια ζωής των οποίων είναι περίπου 4 μήνες. Μετά από αυτό το διάστημα, η αιμοσφαιρίνη καταστρέφεται και διασπάται σε αίμη και σφαιρίνη. Περαιτέρω μετασχηματισμοί αυτών των ουσιών προχωρούν με διαφορετικούς τρόπους. Η σφαιρίνη υδρολύεται σε αμινοξέα και η αίμη στο ήπαρ μετατρέπεται σε χολικές χρωστικές - πράσινη μπιλιβερδίνη, η οποία ανάγεται σε χολερυθρίνη, η οποία είναι κίτρινο-πορτοκαλί ή καφέ. Μόνο ένα μικρό μέρος αυτών των χρωστικών εισέρχεται ξανά στο αίμα, αλλά κυρίως απεκκρίνονται από το σώμα. Με ασθένειες του ήπατος, όπως ο ίκτερος, μια υπερβολική ποσότητα χολερυθρίνης εισέρχεται στο αίμα, η οποία δίνει το χαρακτηριστικό κίτρινο χρώμα στο δέρμα και το λευκό των ματιών.

Είπαμε παραπάνω ότι μέρος του σιδήρου στο σώμα αποθηκεύεται σε απόθεμα. Υπό κανονικές συνθήκες, αυτός ο αποθεματικός σίδηρος είναι μέρος της υδατοδιαλυτής πρωτεΐνης φερριτίνης, που είναι ευρέως διαδεδομένη στον φυτικό και ζωικό κόσμο. Βρίσκεται σε σπονδυλωτά, ασπόνδυλα, λουλούδια ακόμα και μανιτάρια. Αυτό υποδηλώνει τον παγκόσμιο ρόλο του και την αρχαία εξελικτική του προέλευση. Η φερριτίνη απομονώθηκε για πρώτη φορά από τον F. Laufberger το 1937 από τη σπλήνα ενός αλόγου. Λίγο αργότερα, καθιερώθηκε ο ρόλος του ως ένωση που συσσωρεύει σίδηρο στον οργανισμό. Τα μόρια φερριτίνης είναι συσσωματώματα σιδήρου με τη μορφή σύνθετων ενώσεων που περιβάλλονται από αποφερριτική πρωτεΐνη με μοριακό βάρος 480 χιλ. Ένα τέτοιο σύμπλεγμα μπορεί να περιέχει έως και 4,5 χιλιάδες άτομα σιδήρου. Εάν η τρανσφερρίνη είναι παρόμοια σε αξία με την αιμοσφαιρίνη, τότε η φερριτίνη από αυτή την άποψη είναι παρόμοια με τη μυοσφαιρίνη.

Έτσι, η κύρια ποσότητα σιδήρου κυκλοφορεί στο σώμα μας, κάποια συσσωρεύεται στη φερριτίνη και μια πολύ μικρή ποσότητα κατακάθεται με τη μορφή αδιάλυτων κόκκων της πρωτεΐνης αιμοσιδερίνης. Ο σίδηρος μπορεί να αποθηκευτεί στη φερριτίνη και την αιμοσιδερίνη για μεγάλο χρονικό διάστημα - έως ότου το σώμα τον χρειαστεί επειγόντως, για παράδειγμα, κατά την απώλεια αίματος. Στη συνέχεια ο αποθεματικός σίδηρος χρησιμοποιείται για τη σύνθεση της αιμοσφαιρίνης. Ο τρόπος με τον οποίο εξάγεται από πρωτεΐνες αποθήκευσης δεν έχει ακόμη εξακριβωθεί με ακρίβεια. Κατά πάσα πιθανότητα, ένας αριθμός ουσιών που με τον ένα ή τον άλλο τρόπο συνδέονται με τον σίδηρο στον οργανισμό μας δεν έχει τεκμηριωθεί.

Μικροοργανισμοί και περιβάλλον. Φυσικοί παράγοντες (συγκέντρωση αλατιού)

Τα προηγούμενα κεφάλαια έχουν περιγράψει διάφορους μικροοργανισμούς, ομαδοποιημένους ανάλογα με τις φυσιολογικές και βιοχημικές τους ιδιότητες. Αναφέρθηκαν επίσης οι βιότοποι. Οι πληροφορίες που λαμβάνονται τώρα μας επιτρέπουν να εξετάσουμε τη σχέση των μικροοργανισμών με το περιβάλλον τους. Αρχικά θα επικεντρωθούμε στις βασικές έννοιες και ιδέες της οικολογίας. Αυτή η επιστήμη μελετά τη συμπεριφορά των οργανισμών στα φυσικά τους ενδιαιτήματα, τις σχέσεις τους μεταξύ τους και με το περιβάλλον. Τα πρώτα ίχνη ζωής χρονολογούνται πριν από περισσότερα από 3 δισεκατομμύρια χρόνια. Αυτοί ήταν μικροοργανισμοί που κυριαρχούσαν στη βιόσφαιρα της Γης μέχρι πριν από μια περίοδο περίπου 0,5 δισεκατομμυρίων ετών. Έτσι, οι προκαρυώτες όχι μόνο στέκονται στις απαρχές της επίγειας ζωής, από αυτούς όχι μόνο αναπτύχθηκε όλη η ποικιλομορφία των ευκαρυωτικών μορφών, αλλά πάντα υπήρχαν και μετά. Οι ανώτερες μορφές ζωής σε όλη την εξέλιξή τους δεν ήταν ποτέ μόνες. διαρκώς είτε συνωστίζονταν έξω είτε υποστηρίζονταν από πανταχού παρόντες μονοκύτταρους οργανισμούς. Μεταξύ των σύγχρονων ανώτερων μορφών ζωής υπάρχουν εκείνες που έχουν καθιερωθεί όχι μόνο στον αγώνα ενάντια στο δικό τους είδος, αλλά και σε σχέσεις με μικροοργανισμούς. Στη διαδικασία της εξέλιξης, πολλοί οργανισμοί έχουν αναπτύξει ανεκτικές σχέσεις που βασίζονται σε εταιρική σχέση - αμοιβαία συμβίωση. Μικροοργανισμοί υπήρχαν ήδη όταν η επιφάνεια του πλανήτη μας πήρε τη σημερινή της μορφή. ήταν ήδη παρόντες σε μια εποχή που οι ήπειροι μετατοπίστηκαν, δημιουργήθηκαν ιζήματα πάχους πολλών χιλιάδων μέτρων, ο φλοιός της γης βυθίστηκε και διπλώθηκε πολλές φορές, εμφανίστηκαν κοιτάσματα μεταλλευμάτων, άνθρακα, πετρελαίου και φυσικού αερίου. Οι μικροοργανισμοί συμμετείχαν ενεργά σε πολλές από αυτές τις διαδικασίες. Για τουλάχιστον το 80% ολόκληρης της περιόδου της οργανικής εξέλιξης, η Γη κατοικήθηκε αποκλειστικά από μικροοργανισμούς. Εάν σπάνια βρίσκονται απολιθώματα μικροβίων, τότε τα δεδομένα από τη συγκριτική φυσιολογία και τη βιοχημεία παρέχουν επαρκή υποστήριξη για την ταξινόμηση των προκαρυωτών σύμφωνα με τον τύπο του μεταβολισμού. Ωστόσο, κατά την ανάγνωση της ενότητας για την εξέλιξη των οργανισμών, θα πρέπει να ληφθεί υπόψη ότι υπάρχουν ακόμη πολλά κενά και εικασίες σε αυτόν τον τομέα. ΦΥΣΙΚΟΙ ΠΑΡΑΓΟΝΤΕΣ

Το μεταλλικό νερό της Νεκράς Θάλασσας έχει υψηλή θερμική αγωγιμότητα και θερμική ικανότητα. Έτσι, ο πρώτος παράγοντας πρόσκρουσης είναι η θερμοκρασία. Το κύριο σημείο εφαρμογής είναι το δέρμα. Ο ερεθισμός των νευρικών υποδοχέων του δέρματος προκαλεί διάχυτη αναστολή στον εγκεφαλικό φλοιό, δηλ. ανακούφιση από την υπερένταση ως αποτέλεσμα ψυχολογικού στρες, στρες κ.λπ. Όταν εκτίθεται σε έντονη ζέστη κατά τη διάρκεια του μπάνιου, η απώλεια θερμότητας μέσω της εφίδρωσης αυξάνεται, γεγονός που προάγει τις διαδικασίες αποτοξίνωσης του σώματος. Επιπλέον, η θερμική επίδραση στους μύες τους βοηθά να χαλαρώσουν. Σε ένα λουτρό με αλάτι της Νεκράς Θάλασσας, μια στήλη νερού ύψους 40-50 cm ασκεί πίεση ίση με το 1/5 της ατμόσφαιρας, η οποία διεγείρει τη λειτουργία της αναπνοής και την κυκλοφορία του αίματος. Τα αγγεία των κοιλιακών οργάνων αντιδρούν στις αλλαγές της θερμοκρασίας του δέρματος: μια αύξηση της εξωτερικής θερμοκρασίας, που συνοδεύεται από διαστολή των δερματικών αγγείων, οδηγεί σε στένωση των αγγείων των κοιλιακών οργάνων και αντίστροφα. Εξαίρεση αποτελούν οι νεφροί: η αγγειοδιαστολή του δέρματος οδηγεί σε αγγειοδιαστολή των νεφρών. Για να επιτευχθεί επαρκής αγγειακή απόκριση, η θερμοκρασία όλων των μερών του σώματος πρέπει να εξισωθεί πριν κάνετε μπάνιο. Για παράδειγμα, τα κρύα πόδια πρέπει να ζεσταίνονται σε λεκάνη ή κάτω από τρεχούμενο ζεστό νερό. Σε αυτή την περίπτωση, η αγγειακή αντίδραση θα πάει προς τη σωστή κατεύθυνση και η επίδραση του λουτρού θα είναι θετική. Με βάση τα παραπάνω, προτείνεται να κάνετε μπάνια με άλατα της Νεκράς Θάλασσας σε θερμοκρασία νερού 37-39 βαθμούς, διάρκειας από 10 έως 15 λεπτά.

Μετατροπή του φωσφόρου

Ο κύκλος του φωσφόρου είναι πολύ πιο απλός από τον άνθρακα και το άζωτο. Συνίσταται κυρίως στην ανοργανοποίηση του οργανικού φωσφόρου και στη μεταφορά φωσφορικών αλάτων από λιγότερο διαλυτά σε πιο διαλυτά άλατα (κινητοποίηση φωσφόρου). Στο σώμα των ζώων και των φυτών, ο φώσφορος είναι μέρος πρωτεϊνικών ουσιών (νουκλεοπρωτεΐνες) και ορισμένων λιπιδίων (λεκιθίνες). Αυτός ο φώσφορος, μετά τον θάνατο των ζώων και των φυτών κατά την αποσύνθεση από σήψη και άλλα μικρόβια, μεταλλοποιείται και μετατρέπεται σε φωσφορικό οξύ, το οποίο δεσμεύεται γρήγορα από βάσεις και μετατρέπεται σε ελάχιστα διαλυτά άλατα ασβεστίου, μαγνησίου, σιδήρου, ακατάλληλα για τη διατροφή των φυτών. Περαιτέρω, η μετατροπή αυτών των ελάχιστα διαλυτών αλάτων σε διαλυτά άλατα συμβαίνει ως αποτέλεσμα βιοχημικών διεργασιών που συνοδεύονται από σχηματισμό οξέος. Αυτές οι διαδικασίες παράγουν βακτήρια που σχηματίζουν οξύ, δηλαδή νιτροποιητικά βακτήρια, βακτήρια θείου, θειονικά βακτήρια, βακτήρια αμμωνοποίησης, τα οποία σχηματίζουν μεγάλες ποσότητες διοξειδίου του άνθρακα, ειδικά εσείς. μυκοειδή.

Το ελάχιστα διαλυτό άλας τριασβεστίου μετατρέπεται σε ευδιάλυτο άλας διασβεστίου φωσφόρου:

Ca3(PO4)2+2CO2+2H2O=2CaHPO4+Ca(HCO3)2

Ca3(PO4)2+4HNO3=Ca(H2PO4)2+2Ca(NO3)2,

που απορροφάται από τα φυτά.

Υπό αναερόβιες συνθήκες, τα βακτήρια του εδάφους μπορούν να μειώσουν τα φωσφορικά άλατα μέχρι το υδροφωσφίδιο παρουσία οργανικής ύλης. Σε αυτή την περίπτωση χάνονται πολύτιμα άλατα φωσφορικού οξέος. Το καλύτερο φάρμακο κατά αυτής της επιβλαβούς διαδικασίας είναι ο καλός αερισμός του εδάφους.

Αερόβια αποσύνθεση κυτταρίνης

Αποσύνθεση κυτταρίνης σε αερόβιες συνθήκες. Σε καλά αεριζόμενα εδάφη, η κυτταρίνη αποσυντίθεται και χρησιμοποιείται από αερόβιους μικροοργανισμούς (μύκητες, μυξοβακτήρια και άλλα ευβακτήρια) και σε αναερόβιες συνθήκες, κυρίως κλωστρίδια. Υπό αερόβιες συνθήκες, οι μύκητες παίζουν σημαντικό ρόλο στην αποσύνθεση της κυτταρίνης. Είναι πιο αποτελεσματικά από τα βακτήρια από αυτή την άποψη, ειδικά σε όξινα εδάφη και στην αποσύνθεση της επικαλυμμένης με λιγνίνη κυτταρίνης (ξύλο). Οι εκπρόσωποι δύο γενών, του Fusarium και του Chaetomium, παίζουν σημαντικό ρόλο σε αυτή τη διαδικασία. Η κυτταρίνη διασπάται επίσης από Aspergillus fumigatus, A. nidulans, Botrytis cinerea, Rhizoctonia solani, Trichoderma viride, Chaetomium globosum και Myrothecium verrucaria. Τα τρία τελευταία είδη χρησιμεύουν ως δοκιμαστικοί οργανισμοί για την ανίχνευση της αποσύνθεσης της κυτταρίνης, καθώς και για τη δοκιμή προϊόντων που χρησιμοποιούνται για τον εμποτισμό διαφόρων υλικών για την προστασία τους από τη δράση μικροοργανισμών που αποσυνθέτουν την κυτταρίνη. Οι μύκητες παράγουν κυτταρινάσες, οι οποίες μπορούν να απομονωθούν από το μυκήλιο και από το θρεπτικό μέσο. Το Cytophaga και το Sporocytophaga είναι αερόβια βακτήρια που αποσυνθέτουν την κυτταρίνη. Απομονώνονται ευκολότερα με τη συνήθη μέθοδο καλλιέργειας εμπλουτισμού σε υγρά μέσα. Αυτά τα δύο γένη, που σχετίζονται στενά με τα μυξοβακτήρια, περιλαμβάνουν πολλά είδη. Λίγα είναι γνωστά για τη χρήση της κυτταρίνης από τα μυξοβακτήρια και τις πρωταρχικές τους επιπτώσεις σε αυτήν. Δεν μπόρεσαν να ανιχνεύσουν ούτε την εξωκυτταρική κυτταρίνη ούτε τα προϊόντα διάσπασης της κυτταρίνης. Τα κύτταρα αυτών των βακτηρίων είναι πολύ γειτονικά με τις ίνες κυτταρίνης, που βρίσκονται παράλληλα με τον άξονα των ινών. Προφανώς, υδρολύουν την κυτταρίνη μόνο σε στενή επαφή με την ίνα και τα προϊόντα υδρόλυσης απορροφώνται αμέσως. Στο άγαρ κυτταρίνης, οι αποικίες Cytophaga δεν περιβάλλονται ποτέ από μια διαφανή ζώνη στην οποία θα εντοπίζονται τα προϊόντα της ενζυμικής διάσπασης της κυτταρίνης. κυτταρίνη. Πολλά από αυτά τα αερόβια βακτήρια που θα μπορούσαν να ονομαστούν «παμφάγα» μπορούν επίσης να χρησιμοποιήσουν την κυτταρίνη ως υπόστρωμα για την ανάπτυξη. Μερικοί από αυτούς χρησιμοποιούν κυτταρίνη, προφανώς μόνο σε περιπτώσεις όπου δεν υπάρχουν άλλες πηγές άνθρακα. η σύνθεση και η έκκριση κυτταρινασών σε τέτοια βακτήρια ρυθμίζονται από την καταστολή του καταβολίτη. Ορισμένες μορφές παρόμοιες με το Pseudomonas είχαν προηγουμένως ομαδοποιηθεί ως Cellvibrio. Τώρα περιγράφονται ως Pseudomonas fluorescens var. κυτταρίνη. Από τα κορυνεόμορφα βακτήρια, πρέπει να γίνει αναφορά στο Cellulomonas. αυτό το βακτήριο υποτίθεται ότι θα χρησιμοποιηθεί για τη λήψη πρωτεΐνης από κυτταρίνη. Μεταξύ των ακτινομυκήτων, έχουν περιγραφεί μόνο μερικά είδη αποσύνθεσης κυτταρίνης: Micromonospora chalcea, Streptomyces cellulosae, Streptosporangium. Αποσύνθεση κυτταρίνης υπό αναερόβιες συνθήκες. Υπό αναερόβιες συνθήκες, η κυτταρίνη διασπάται συχνότερα από μεσόφιλα και θερμόφιλα κλωστρίδια. Το θερμόφιλο είδος Clostridium thermocellum αναπτύσσεται σε απλά συνθετικά μέσα, χρησιμοποιώντας κυτταρίνη ή κυτταροβιόζη ως υπόστρωμα και άλατα αμμωνίου ως πηγή αζώτου. Αυτό το βακτήριο δεν χρησιμοποιεί γλυκόζη και πολλά άλλα σάκχαρα. Τα προϊόντα της ζύμωσης της κυτταρίνης είναι η αιθανόλη, το οξικό, το μυρμηκικό και το γαλακτικό οξύ, το μοριακό υδρογόνο και το CO2. Έξω από τα κύτταρα, η κυτταρίνη πιθανώς διασπάται μόνο σε κυτταροβιόζη. Η ζύμωση της κυτταρίνης από το μεσόφιλο είδος Clostridium cellobioparum οδηγεί σε παρόμοια προϊόντα. Η μακριά ράβδος Bacillus dissolvens συμπεριφέρεται παρόμοια με τα είδη Cytophaga που αναφέρθηκαν παραπάνω: τα κύτταρα αυτού του βακτηρίου προσκολλώνται στενά στις ίνες κυτταρίνης και δεν απελευθερώνουν κυτταρινάση στο περιβάλλον.

Η αναπνοή είναι μια διαδικασία που εξασφαλίζει το μεταβολισμό των ζωντανών οργανισμών από το περιβάλλον με οξυγόνο (O2) και απελευθερώνει στο περιβάλλον σε αέρια κατάσταση ορισμένα από τα μεταβολικά προϊόντα του σώματος (CO2, H2O κ.λπ.). Η αναπνοή είναι η κύρια μορφή αφομοίωσης σε ανθρώπους, ζώα, φυτά και πολλούς μικροοργανισμούς. Κατά την αναπνοή, οι πλούσιες σε χημική ενέργεια ουσίες που ανήκουν στο σώμα οξειδώνονται σε ενεργειακά φτωχά τελικά προϊόντα (διοξείδιο του άνθρακα και νερό), χρησιμοποιώντας μοριακό οξυγόνο.

Ο όρος «αναερόβια» εισήχθη από τον Louis Pasteur, ο οποίος ανακάλυψε τα βακτήρια ζύμωσης βουτυρικού οξέος το 1861. Η αναερόβια αναπνοή είναι ένα σύνολο βιοχημικών αντιδράσεων που συμβαίνουν στα κύτταρα των ζωντανών οργανισμών όταν δεν χρησιμοποιείται οξυγόνο, αλλά άλλες ουσίες (για παράδειγμα, νιτρικά άλατα) ως τελικός αποδέκτης πρωτονίων και αναφέρεται στις διαδικασίες του ενεργειακού μεταβολισμού (καταβολισμός, αφομοίωση). χαρακτηρίζονται από την οξείδωση υδατανθράκων, λιπιδίων και αμινοξέων σε ενώσεις χαμηλού μοριακού βάρους.

Η ζύμωση γαλακτικού οξέος είναι η αναερόβια μετατροπή της ζάχαρης από βακτήρια γαλακτικού οξέος για να σχηματίσουν γαλακτικό οξύ.

Η αλκοολική ζύμωση είναι μια χημική αντίδραση ζύμωσης που πραγματοποιείται από μαγιά, ως αποτέλεσμα της οποίας ένα μόριο γλυκόζης μετατρέπεται σε 2 μόρια αιθανόλης και 2 μόρια διοξειδίου του άνθρακα.

Η ζύμωση βουτυρικού οξέος είναι η διαδικασία μετατροπής της ζάχαρης από βακτήρια βουτυρικού οξέος υπό αναερόβιες συνθήκες για την παραγωγή βουτυρικού οξέος, διοξειδίου του άνθρακα και υδρογόνου.

Η νιτροποίηση είναι μια μικροβιολογική διαδικασία οξείδωσης της αμμωνίας σε νιτρώδες οξύ ή της ίδιας περαιτέρω σε νιτρικό οξύ, η οποία σχετίζεται είτε με την παραγωγή ενέργειας (χημεοσύνθεση, αυτοτροφική νιτροποίηση) είτε με την προστασία από αντιδραστικά είδη οξυγόνου που σχηματίζονται κατά την αποσύνθεση του υπεροξειδίου του υδρογόνου (ετερότροφη νιτροποίηση). .

Η απονιτροποίηση (αναγωγική αναγωγή νιτρικών) είναι το άθροισμα των μικροβιολογικών διεργασιών της αναγωγής των νιτρικών σε νιτρώδη και στη συνέχεια σε αέρια οξείδια και μοριακό άζωτο. Ως αποτέλεσμα, το άζωτό τους επιστρέφει στην ατμόσφαιρα και δεν είναι διαθέσιμο στους περισσότερους οργανισμούς. Εκτελείται μόνο από προκαρυώτες (τόσο τα βακτήρια όσο και τα αρχαία) υπό αναερόβιες συνθήκες και σχετίζεται με την παραγωγή ενέργειας τους.

Αζωτοδέσμευση - στερέωση μοριακού ατμοσφαιρικού αζώτου, διαζωτροφία. Η διαδικασία μείωσης ενός μορίου αζώτου και ενσωμάτωσής του στη βιομάζα τους από προκαρυωτικούς μικροοργανισμούς. Η πιο σημαντική πηγή αζώτου στον βιολογικό κύκλο. Στα χερσαία οικοσυστήματα, οι σταθεροποιητές του αζώτου εντοπίζονται κυρίως στο έδαφος.

Στρεπτόκοκκοι. Οι στρεπτόκοκκοι είναι στρογγυλοί, μικροί, κόκκοι διατεταγμένοι σε αλυσίδες διαφορετικού μήκους. Συχνά αυτές οι αλυσίδες αποτελούνται από ζευγαρωμένους κόκκους - διπλο-στρεπτόκοκκους. Οι στρεπτόκοκκοι βάφονται με χρώση Gram. Βρίσκονται στα πτύελα με βρογχίτιδα, απόστημα και γάγγραινα των πνευμόνων. Οι στρεπτόκοκκοι που βρίσκονται μεταξύ και μέσα στα λευκοκύτταρα θεωρούνται παθογόνοι.

Σταφυλόκοκκοι. Στρογγυλοί κόκκοι διαφόρων μεγεθών, που βρίσκονται σε ομάδες, καθώς και μεμονωμένοι, βάφονται με συμβατικές βαφές και λεκέδες Gram. Οι σταφυλόκοκκοι βρίσκονται συχνά μέσα στα λευκά αιμοσφαίρια. Οι στρεπτόκοκκοι συχνά παρατηρούνται ταυτόχρονα στα πτύελα.

Τετράκοκκοι (micrococcus tetragenus). Μοιάζουν με οβάλ ή στρογγυλούς κόκκους διαφόρων μεγεθών, διατεταγμένοι σε ομάδες των τεσσάρων και περιβάλλονται από μια κοινή κάψουλα. Βαμμένο σε γραμμάρια. Στα πτύελα παρατηρούνται σε απόστημα και γάγγραινα των πνευμόνων, βρογχίτιδα, αλλά και ως δευτερογενής λοίμωξη στη φυματίωση, συχνότερα παρουσία κοιλοτήτων.

ΣΑΡΚΙΝΑ (από το λατινικό sarcina - σύνδεσμος, κόμβος), σφαιρικά βακτήρια (κόκκοι), που σχηματίζουν κυβικά συστάδες που μοιάζουν με πακέτα. ακίνητος; μη παθογόνος.

BACILLES (από το λατινικό bacillum - ράβδος), ραβδοσχήμα βακτήρια. Με τη στενή έννοια, οι βάκιλοι είναι βακτήρια σε σχήμα ράβδου που σχηματίζουν ενδοκυτταρικά σπόρια (μορφές ηρεμίας, ανθεκτικές σε υψηλές θερμοκρασίες, ακτινοβολία και άλλες δυσμενείς επιπτώσεις). Ορισμένοι βάκιλλοι προκαλούν ασθένειες σε ζώα και ανθρώπους, όπως ο άνθρακας και ο τέτανος.

Τα Clostridia (lat. Clostridium) είναι ένα γένος θετικών κατά Gram, υποχρεωτικών αναερόβιων βακτηρίων ικανών να παράγουν ενδοσπόρια. Τα μεμονωμένα κύτταρα είναι επιμήκεις ράβδοι· το όνομα του γένους προέρχεται από το ελληνικό klptfed (άτρακτος). Πολλά είδη που ταξινομήθηκαν ως κλωστρίδια με βάση αυτόν τον μορφολογικό χαρακτήρα αναταξινομήθηκαν αργότερα. Τα ενδοσπόρια μπορούν να εντοπίζονται κεντρικά, έκκεντρα και τερματικά. Η διάμετρος των ενδοσπόρων συχνά υπερβαίνει τη διάμετρο του κυττάρου.

Τα Spirilla (νέο λατινικό spirilla, υποκοριστικό του λατινικού spira, ελληνικά speira - λυγίζω, στρίβω, γυρίζω) είναι βακτήρια που έχουν σχήμα σπειροειδώς στριμμένων ή τοξωτών ράβδων. Οι διαστάσεις του S. ποικίλλουν πολύ μεταξύ των διαφόρων ειδών: πλάτος από 0,6--0,8 έως 2--3 μικρά, μήκος από 1--3,2 έως 30--50 μικρά. Τα S. δεν σχηματίζουν σπόρια, είναι gram-θετικά και είναι κινητικά χάρη σε μια δέσμη μαστιγίων που βρίσκεται στο τέλος του κυττάρου. Υπάρχουν είδη S. που αναπτύσσονται ελάχιστα σε εργαστηριακά θρεπτικά μέσα. μεμονωμένα είδη δεν απομονώθηκαν καθόλου σε καθαρή καλλιέργεια. S. - σαπρόφυτα; Ζουν σε σώματα γλυκού και αλμυρού νερού και βρίσκονται επίσης σε στάσιμο νερό που σαπίζει, σε πολτό και στο εντερικό περιεχόμενο των ζώων.

Σπειροχαίτες (λατ. Spirochaetales) - μια σειρά βακτηρίων με μακριά (3-500 μικρά) και λεπτά (0,1-1,5 μικρά) σπειροειδώς (ελληνικά ureisb «μπούκλα») στριμμένα (μία ή περισσότερες στροφές μιας σπείρας) κύτταρα .

Οι ακτινομύκητες (απαρχαιωμένοι μύκητες ακτινοβόλησης) είναι βακτήρια που έχουν την ικανότητα να σχηματίζουν διακλαδισμένο μυκήλιο σε ορισμένα στάδια ανάπτυξης (ορισμένοι ερευνητές, τονίζοντας τη βακτηριακή φύση των ακτινομυκήτων, αποκαλούν το ανάλογο τους με λεπτά νημάτια μυκήλιου) με διάμετρο 0,4-1,5 microns, που εκδηλώνεται σε αυτά κάτω από βέλτιστες συνθήκες ύπαρξης. Έχουν θετικό κατά Gram τύπο κυτταρικού τοιχώματος και υψηλή (60-75%) περιεκτικότητα ζευγών GC στο DNA.

Τα Mycobacteriaceae είναι μια οικογένεια ακτινομυκήτων. Το μόνο γένος είναι το Mycobacterium. Ορισμένοι εκπρόσωποι του γένους Mycobacterium (π.χ. M. tuberculosis, M. leprae) είναι παθογόνοι για τα θηλαστικά (βλ. φυματίωση, μυκοβακτηρίωση, λέπρα).

Το Ensilage είναι ένας από τους τρόπους διατήρησης και αποθήκευσης των παχύφυτων ζωοτροφών. Το ενσίρωμα καλής ποιότητας έχει μια ευχάριστη αρωματική μυρωδιά τουρσί λαχανικών και φρούτων, χρώμα ανοιχτό πράσινο, κιτρινοπράσινο και καστανοπράσινο με οξύτητα στην περιοχή 3,9-4,2. Αποτελεί εξαιρετικό συστατικό της δίαιτας κατά τη χειμερινή περίοδο και τρώγεται εύκολα από τα ζώα.

άχυρα - αφυδάτωση πράσινων φυτών προκειμένου να δημιουργηθεί έλλειμμα νερού που εμποδίζει την ανάπτυξη ανεπιθύμητων βακτηρίων κατά την αποθήκευση της μάζας χωρίς πρόσβαση στον αέρα. Σε αντίθεση με το ενσίρωμα, οι διαδικασίες ζύμωσης κατά την παρασκευή του χόρτου αναστέλλονται, αφού το γρασίδι ξηραίνεται στο χωράφι σε υγρασία 45-55%, με αποτέλεσμα να επιτυγχάνεται η λεγόμενη φυσιολογική ξηρότητα της μάζας.

Τα Gram-αρνητικά βακτήρια (ονομάζονται Gram (-)) είναι βακτήρια που, σε αντίθεση με τα Gram-θετικά βακτήρια, αποχρωματίζονται όταν πλένονται χρησιμοποιώντας τη μέθοδο χρώσης Gram. Μετά τη λεύκανση, συνήθως χρωματίζονται ροζ με μια πρόσθετη βαφή (muchsin).

ΘΕΡΜΟΓΕΝΕΣΗ είναι η παραγωγή θερμότητας από το σώμα για τη διατήρηση σταθερής θερμοκρασίας του σώματος και τη διασφάλιση της λειτουργίας όλων των συστημάτων του, από τη λειτουργία των ενδοκυτταρικών διεργασιών έως τη διασφάλιση της κυκλοφορίας του αίματος, την πέψη της τροφής, την ικανότητα κίνησης κ.λπ.

Η παστερίωση είναι η διαδικασία της εφάπαξ θέρμανσης, τις περισσότερες φορές υγρών προϊόντων ή ουσιών, στους 60 °C για 60 λεπτά ή σε θερμοκρασία 70-80 °C για 30 λεπτά. Η τεχνολογία ανακαλύφθηκε στα μέσα του 19ου αιώνα από τον Γάλλο μικροβιολόγο Λουί Παστέρ. Χρησιμοποιείται για την απολύμανση τροφίμων, καθώς και για την παράταση της διάρκειας ζωής τους.

Η αποστείρωση (από το λατινικό sterilis - sterile) είναι η πλήρης απελευθέρωση διαφόρων ουσιών, αντικειμένων, προϊόντων διατροφής από ζωντανούς μικροοργανισμούς.

Τα θετικά κατά Gram βακτήρια (ονομάζονται Gram (+)) είναι βακτήρια που, σε αντίθεση με τα αρνητικά κατά Gram, διατηρούν το χρώμα και δεν αποχρωματίζονται όταν πλένονται χρησιμοποιώντας τη μέθοδο χρώσης Gram για μικροοργανισμούς.

Η πρόσφυση (από το λατινικό adhaesio - κόλλημα) στη φυσική είναι η πρόσφυση των επιφανειών ανόμοιων στερεών ή/και υγρών. Η πρόσφυση προκαλείται από διαμοριακή αλληλεπίδραση (van der Waals, πολική, μερικές φορές από το σχηματισμό χημικών δεσμών ή αμοιβαία διάχυση) στο επιφανειακό στρώμα και χαρακτηρίζεται από την ειδική εργασία που απαιτείται για τον διαχωρισμό των επιφανειών. Σε ορισμένες περιπτώσεις, η πρόσφυση μπορεί να είναι ισχυρότερη από τη συνοχή, δηλαδή η πρόσφυση μέσα σε ένα ομοιογενές υλικό· σε τέτοιες περιπτώσεις, όταν εφαρμόζεται δύναμη θραύσης, εμφανίζεται μια συνεκτική ρήξη, δηλ. μια ρήξη στον όγκο των λιγότερο ανθεκτικών υλικών που έρχονται σε επαφή .

Ο κομμενσαλισμός (λατινικά con mensa - κυριολεκτικά «στο τραπέζι», «στο ίδιο τραπέζι») είναι ένας τρόπος συνύπαρξης δύο διαφορετικών τύπων ζωντανών οργανισμών, στον οποίο ένας πληθυσμός ωφελείται από τη σχέση, ενώ ο άλλος δεν λαμβάνει ούτε όφελος ούτε κακό. (για παράδειγμα, silverfish και άνθρωποι).

ΦΑΓΙΑ (από το ελληνικό φάγος - καταβροχθίζω), συστατικό σύνθετων λέξεων, που αντιστοιχεί σε Σημασία με τις λέξεις τρώγος, απορροφητής.

Ο δορυφόρος είναι μια αύξηση στην ανάπτυξη ενός τύπου μικροοργανισμού υπό την επίδραση ενός άλλου μικροοργανισμού. Όταν πολλά είδη μικροβίων αναπτύσσονται μαζί, οι φυσιολογικές τους λειτουργίες μπορούν να ενεργοποιηθούν, με αποτέλεσμα την ταχύτερη έκθεση στο υπόστρωμα. Για παράδειγμα, αποικίες ζύμης ή σαρκίνης, που απελευθερώνουν μεταβολίτες στο θρεπτικό μέσο, ​​διεγείρουν την ανάπτυξη κάποιων άλλων μικροοργανισμών γύρω από τις αποικίες τους.

Οι φυτοορμόνες είναι οργανικές ουσίες χαμηλού μοριακού βάρους που παράγονται από τα φυτά και έχουν ρυθμιστικές λειτουργίες. Οι χαμηλές συγκεντρώσεις φυτοορμονών είναι αποτελεσματικές (μέχρι 10–11 M), ενώ οι φυτοορμόνες προκαλούν διάφορες φυσιολογικές και μορφολογικές αλλαγές σε μέρη των φυτών που είναι ευαίσθητα στη δράση τους.

1. Μορφές μικροοργανισμών

2. Δομή ενός βακτηριακού κυττάρου

3. Όργανα κίνησης βακτηρίων

4. Δομή μικροσκοπίου

5. Σχήματα αποικιών

6. Προφίλ αποικιών.

7. Edge of the Colonies

8. Κύκλος μετατροπής αζώτου

9. Κύκλος μετατροπής φωσφόρου

10. Κύκλος μετατροπής θείου

Οι γονιδιακές μεταλλάξεις είναι αλλαγές στη δομή ενός γονιδίου. Αυτή είναι μια αλλαγή στην αλληλουχία νουκλεοτιδίων: διαγραφή, εισαγωγή, αντικατάσταση κ.λπ. Για παράδειγμα, αντικατάσταση του a με t. Αιτίες - παραβιάσεις κατά τον διπλασιασμό του DNA (αντιγραφή)

Οι γονιδιακές μεταλλάξεις είναι μοριακές αλλαγές στη δομή του DNA που δεν είναι ορατές σε μικροσκόπιο φωτός. Οι γονιδιακές μεταλλάξεις περιλαμβάνουν οποιεσδήποτε αλλαγές στη μοριακή δομή του DNA, ανεξάρτητα από τη θέση και την επίδρασή τους στη βιωσιμότητα. Ορισμένες μεταλλάξεις δεν έχουν καμία επίδραση στη δομή ή τη λειτουργία της αντίστοιχης πρωτεΐνης. Ένα άλλο (μεγάλο) μέρος των γονιδιακών μεταλλάξεων οδηγεί στη σύνθεση μιας ελαττωματικής πρωτεΐνης που δεν είναι σε θέση να εκτελέσει την εγγενή της λειτουργία. Είναι γονιδιακές μεταλλάξεις που καθορίζουν την ανάπτυξη των περισσότερων κληρονομικών μορφών παθολογίας.

Οι πιο κοινές μονογονιδιακές ασθένειες στον άνθρωπο είναι: η κυστική ίνωση, η αιμοχρωμάτωση, το επινεφριδογεννητικό σύνδρομο, η φαινυλκετονουρία, η νευροϊνωμάτωση, οι μυοπάθειες Duchenne-Becker και μια σειρά από άλλες ασθένειες. Κλινικά εκδηλώνονται ως σημάδια μεταβολικών διαταραχών (μεταβολισμού) στον οργανισμό. Η μετάλλαξη μπορεί να είναι:

1) στην αντικατάσταση μιας βάσης σε ένα κωδικόνιο, αυτό είναι το λεγόμενο missense μετάλλαξη(από τα αγγλικά, mis - false, incorrect + λατ. sensus - έννοια) - αντικατάσταση ενός νουκλεοτιδίου στο κωδικοποιητικό τμήμα ενός γονιδίου, που οδηγεί σε αντικατάσταση ενός αμινοξέος σε ένα πολυπεπτίδιο.

2) σε μια τέτοια αλλαγή στα κωδικόνια που θα οδηγήσει σε διακοπή στην ανάγνωση πληροφοριών, αυτό είναι το λεγόμενο ανόητη μετάλλαξη(από το λατινικό non - no + sensus - έννοια) - η αντικατάσταση ενός νουκλεοτιδίου στο κωδικοποιητικό τμήμα ενός γονιδίου οδηγεί στον σχηματισμό ενός κωδικονίου τερματισμού (κωδικόνιο τερματισμού) και στη διακοπή της μετάφρασης.

3) μια παραβίαση της ανάγνωσης πληροφοριών, μια μετατόπιση στο πλαίσιο ανάγνωσης, που ονομάζεται μετατόπιση πλαισίου(από το αγγλικό πλαίσιο - πλαίσιο + μετατόπιση: - μετατόπιση, κίνηση), όταν οι μοριακές αλλαγές στο DNA οδηγούν σε αλλαγές σε τρίδυμα κατά τη μετάφραση της πολυπεπτιδικής αλυσίδας.

Άλλοι τύποι γονιδιακών μεταλλάξεων είναι επίσης γνωστοί. Ανάλογα με τον τύπο των μοριακών αλλαγών, υπάρχουν:

διαίρεση(από το λατινικό deletio - καταστροφή), όταν χάνεται ένα τμήμα DNA που κυμαίνεται σε μέγεθος από ένα νουκλεοτίδιο έως ένα γονίδιο.

αντιγραφές(από το λατινικό duplicatio - διπλασιασμός), δηλ. διπλασιασμός ή αναδιπλασιασμός τμήματος DNA από ένα νουκλεοτίδιο σε ολόκληρα γονίδια.

αναστροφές(από το λατινικό inversio - αναποδογυρίζω), δηλ. μια περιστροφή 180° ενός τμήματος DNA που κυμαίνεται σε μέγεθος από δύο νουκλεοτίδια σε ένα θραύσμα που περιλαμβάνει πολλά γονίδια.

εισαγωγές(από το λατινικό insertio - συνημμένο), δηλ. εισαγωγή θραυσμάτων DNA που κυμαίνονται σε μέγεθος από ένα νουκλεοτίδιο έως ένα ολόκληρο γονίδιο.

Οι μοριακές αλλαγές που επηρεάζουν ένα έως πολλά νουκλεοτίδια θεωρούνται σημειακή μετάλλαξη.

Το θεμελιώδες και διακριτικό χαρακτηριστικό μιας γονιδιακής μετάλλαξης είναι ότι 1) οδηγεί σε αλλαγή στη γενετική πληροφορία, 2) μπορεί να μεταδοθεί από γενιά σε γενιά.

Ορισμένο μέρος των γονιδιακών μεταλλάξεων μπορεί να ταξινομηθεί ως ουδέτερες μεταλλάξεις, καθώς δεν οδηγούν σε αλλαγές στον φαινότυπο. Για παράδειγμα, λόγω του εκφυλισμού του γενετικού κώδικα, το ίδιο αμινοξύ μπορεί να κωδικοποιηθεί από δύο τριάδες που διαφέρουν μόνο σε μία βάση. Από την άλλη πλευρά, το ίδιο γονίδιο μπορεί να αλλάξει (μεταλλαχθεί) σε πολλές διαφορετικές καταστάσεις.

Για παράδειγμα, το γονίδιο που ελέγχει την ομάδα αίματος του συστήματος AB0. έχει τρία αλληλόμορφα: 0, Α και Β, οι συνδυασμοί των οποίων καθορίζουν 4 ομάδες αίματος. Η ομάδα αίματος ABO είναι ένα κλασικό παράδειγμα γενετικής διαφοροποίησης στα φυσιολογικά ανθρώπινα χαρακτηριστικά.

Είναι γονιδιακές μεταλλάξεις που καθορίζουν την ανάπτυξη των περισσότερων κληρονομικών μορφών παθολογίας. Οι ασθένειες που προκαλούνται από τέτοιες μεταλλάξεις ονομάζονται γενετικές ή μονογενείς ασθένειες, δηλαδή ασθένειες των οποίων η ανάπτυξη καθορίζεται από μια μετάλλαξη ενός γονιδίου.

Γονιδιωματικές και χρωμοσωμικές μεταλλάξεις

Γονιδιωματικές και χρωμοσωμικές μεταλλάξεις είναι οι αιτίες των χρωμοσωμικών ασθενειών. Οι γονιδιωματικές μεταλλάξεις περιλαμβάνουν ανευπλοειδίες και αλλαγές στην πλοειδία των δομικά αμετάβλητων χρωμοσωμάτων. Ανιχνεύεται με κυτταρογενετικές μεθόδους.

Ανευπλοειδία- αλλαγή (μείωση - μονοσωμία, αύξηση - τρισωμία) στον αριθμό των χρωμοσωμάτων σε ένα διπλοειδές σύνολο, όχι πολλαπλάσιο του απλοειδούς συνόλου (2n + 1, 2n - 1 κ.λπ.).

Πολυπλοειδία- αύξηση του αριθμού των συνόλων χρωμοσωμάτων, πολλαπλάσιο του απλοειδούς (3n, 4n, 5n, κ.λπ.).

Στον άνθρωπο, η πολυπλοειδία, όπως και οι περισσότερες ανευπλοειδίες, είναι θανατηφόρες μεταλλάξεις.

Οι πιο κοινές γονιδιωματικές μεταλλάξεις περιλαμβάνουν:

τρισωμία- η παρουσία τριών ομόλογων χρωμοσωμάτων στον καρυότυπο (για παράδειγμα, στο 21ο ζεύγος στο σύνδρομο Down, στο 18ο ζεύγος στο σύνδρομο Edwards, στο 13ο ζεύγος στο σύνδρομο Patau, στα φυλετικά χρωμοσώματα: XXX, XXY, XYY).

μονοσωμία- την παρουσία μόνο ενός από τα δύο ομόλογα χρωμοσώματα. Με μονοσωμία για οποιοδήποτε από τα αυτοσώματα, η φυσιολογική ανάπτυξη του εμβρύου είναι αδύνατη. Η μόνη μονοσωμία στον άνθρωπο που είναι συμβατή με τη ζωή, η μονοσωμία στο χρωμόσωμα Χ, οδηγεί στο σύνδρομο Shereshevsky-Turner (45, X0).

Ο λόγος που οδηγεί στην ανευπλοειδία είναι η μη διάσπαση των χρωμοσωμάτων κατά τη διαίρεση των κυττάρων κατά το σχηματισμό γεννητικών κυττάρων ή η απώλεια χρωμοσωμάτων ως αποτέλεσμα της υστέρησης αναφάσης, όταν κατά τη μετακίνηση προς τον πόλο ένα από τα ομόλογα χρωμοσώματα μπορεί να υστερεί σε σχέση με όλα τα άλλα μη ομόλογα χρωμοσώματα. Ο όρος nondisjunction σημαίνει την απουσία διαχωρισμού χρωμοσωμάτων ή χρωματιδών σε μείωση ή μίτωση. Η απώλεια χρωμοσωμάτων μπορεί να οδηγήσει σε μωσαϊκό, στον οποίο υπάρχει ένα ανεβάζω(κανονική) κυτταρική γραμμή και η άλλη μονοσωμικός.

Η μη αποσύνδεση των χρωμοσωμάτων συμβαίνει συχνότερα κατά τη διάρκεια της μείωσης. Τα χρωμοσώματα που κανονικά θα διαιρούνταν κατά τη διάρκεια της μείωσης παραμένουν ενωμένα μεταξύ τους και μετακινούνται σε έναν πόλο του κυττάρου κατά τη διάρκεια της ανάφασης. Έτσι, προκύπτουν δύο γαμέτες, εκ των οποίων ο ένας έχει ένα επιπλέον χρωμόσωμα και ο άλλος δεν έχει αυτό το χρωμόσωμα. Όταν ένας γαμετής με ένα κανονικό σύνολο χρωμοσωμάτων γονιμοποιηθεί από έναν γαμετή με ένα επιπλέον χρωμόσωμα, εμφανίζεται τρισωμία (δηλαδή υπάρχουν τρία ομόλογα χρωμοσώματα στο κύτταρο), όταν γονιμοποιηθεί ένας γαμετής χωρίς ένα χρωμόσωμα, εμφανίζεται ένας ζυγώτης με μονοσωμία. Εάν σχηματιστεί μονοσωμικός ζυγώτης σε οποιοδήποτε αυτοσωματικό (μη φύλο) χρωμόσωμα, τότε η ανάπτυξη του οργανισμού σταματά στα πρώτα στάδια ανάπτυξης.

Χρωμοσωμικές μεταλλάξεις- Πρόκειται για δομικές αλλαγές σε μεμονωμένα χρωμοσώματα, συνήθως ορατές με μικροσκόπιο φωτός. Μια χρωμοσωμική μετάλλαξη περιλαμβάνει μεγάλο αριθμό (από δεκάδες έως αρκετές εκατοντάδες) γονιδίων, γεγονός που οδηγεί σε αλλαγή στο φυσιολογικό διπλοειδές σύνολο. Αν και οι χρωμοσωμικές εκτροπές γενικά δεν αλλάζουν την αλληλουχία DNA συγκεκριμένων γονιδίων, οι αλλαγές στον αριθμό αντιγράφων των γονιδίων στο γονιδίωμα οδηγούν σε γενετική ανισορροπία λόγω έλλειψης ή περίσσειας γενετικού υλικού. Υπάρχουν δύο μεγάλες ομάδες χρωμοσωμικών μεταλλάξεων: οι ενδοχρωμοσωμικές και οι διαχρωμοσωμικές.

Οι ενδοχρωμοσωμικές μεταλλάξεις είναι εκτροπές μέσα σε ένα χρωμόσωμα. Αυτά περιλαμβάνουν:

—διαγραφές(από το λατινικό deletio - καταστροφή) - απώλεια ενός από τα τμήματα του χρωμοσώματος, εσωτερικού ή τερματικού. Αυτό μπορεί να προκαλέσει διαταραχή της εμβρυογένεσης και σχηματισμό πολλαπλών αναπτυξιακών ανωμαλιών (για παράδειγμα, η διαίρεση στην περιοχή του κοντού βραχίονα του 5ου χρωμοσώματος, που ορίζεται ως 5p-, οδηγεί σε υπανάπτυξη του λάρυγγα, καρδιακά ελαττώματα και νοητική υστέρηση). Αυτό το σύμπλεγμα συμπτωμάτων είναι γνωστό ως σύνδρομο «κραυγή της γάτας», καθώς σε άρρωστα παιδιά, λόγω ανωμαλίας του λάρυγγα, το κλάμα μοιάζει με νιαούρισμα γάτας.

—αναστροφές(από το λατινικό inversio - αντιστροφή). Ως αποτέλεσμα δύο σημείων θραύσης χρωμοσωμάτων, το προκύπτον θραύσμα εισάγεται στην αρχική του θέση μετά από περιστροφή 180°. Ως αποτέλεσμα, μόνο η σειρά των γονιδίων διαταράσσεται.

— αντιγραφές(από το λατινικό duplicatio - διπλασιασμός) - διπλασιασμός (ή πολλαπλασιασμός) οποιουδήποτε μέρους ενός χρωμοσώματος (για παράδειγμα, η τρισωμία σε έναν από τους βραχείς βραχίονες του 9ου χρωμοσώματος προκαλεί πολλαπλά ελαττώματα, συμπεριλαμβανομένης της μικροκεφαλίας, καθυστερημένη σωματική, πνευματική και πνευματική ανάπτυξη).

Μοτίβα των πιο κοινών χρωμοσωμικών ανωμαλιών:
Διαίρεση: 1 - τερματικό; 2 - παρενθετική. Αναστροφές: 1 - περικεντρικές (με σύλληψη του κεντρομερούς). 2 - παρακεντρικό (εντός ενός βραχίονα χρωμοσώματος)

Διαχρωμοσωμικές μεταλλάξεις ή μεταλλάξεις αναδιάταξης- ανταλλαγή θραυσμάτων μεταξύ μη ομόλογων χρωμοσωμάτων. Τέτοιες μεταλλάξεις ονομάζονται μεταθέσεις (από το λατινικό tgans - for, through + locus - τόπος). Αυτό:

Αμοιβαία μετατόπιση, όταν δύο χρωμοσώματα ανταλλάσσουν τα θραύσματά τους.

Μη αμοιβαία μετατόπιση, όταν ένα θραύσμα ενός χρωμοσώματος μεταφέρεται σε ένα άλλο.

- «κεντρική» σύντηξη (Robertsonian translocation) - η σύνδεση δύο ακροκεντρικών χρωμοσωμάτων στην περιοχή των κεντρομερών τους με την απώλεια βραχέων βραχιόνων.

Όταν οι χρωματίδες διασπώνται εγκάρσια μέσω των κεντρομερών, οι «αδελφές» χρωματίδες γίνονται «καθρέφτες» δύο διαφορετικών χρωμοσωμάτων που περιέχουν τα ίδια σύνολα γονιδίων. Τέτοια χρωμοσώματα ονομάζονται ισοχρωμοσώματα. Τόσο οι ενδοχρωμοσωμικές (διαγραφές, αναστροφές και διπλασιασμοί) όσο και οι διαχρωμοσωμικές (μετατοπίσεις) εκτροπές και τα ισοχρωμοσώματα σχετίζονται με φυσικές αλλαγές στη δομή των χρωμοσωμάτων, συμπεριλαμβανομένων των μηχανικών θραύσεων.

Κληρονομική παθολογία ως αποτέλεσμα κληρονομικής μεταβλητότητας

Η παρουσία κοινών χαρακτηριστικών του είδους μας επιτρέπει να ενώσουμε όλους τους ανθρώπους στη γη σε ένα ενιαίο είδος, τον Homo sapiens. Παρόλα αυτά, εύκολα με μια ματιά ξεχωρίζουμε το πρόσωπο ενός ατόμου που γνωρίζουμε μέσα σε ένα πλήθος αγνώστων. Η ακραία ποικιλομορφία των ανθρώπων - τόσο εντός ομάδων (για παράδειγμα, ποικιλομορφία εντός μιας εθνικής ομάδας) όσο και μεταξύ ομάδων - οφείλεται στις γενετικές διαφορές τους. Επί του παρόντος πιστεύεται ότι όλες οι ενδοειδικές παραλλαγές οφείλονται σε διαφορετικούς γονότυπους που προκύπτουν και διατηρούνται από τη φυσική επιλογή.

Είναι γνωστό ότι το απλοειδές ανθρώπινο γονιδίωμα περιέχει 3,3x10 9 ζεύγη υπολειμμάτων νουκλεοτιδίων, κάτι που θεωρητικά επιτρέπει έως και 6-10 εκατομμύρια γονίδια. Ταυτόχρονα, τα σύγχρονα ερευνητικά δεδομένα δείχνουν ότι το ανθρώπινο γονιδίωμα περιέχει περίπου 30-40 χιλιάδες γονίδια. Περίπου το ένα τρίτο όλων των γονιδίων έχουν περισσότερα από ένα αλληλόμορφα, δηλαδή είναι πολυμορφικά.

Η έννοια του κληρονομικού πολυμορφισμού διατυπώθηκε από τον E. Ford το 1940 για να εξηγήσει την ύπαρξη σε έναν πληθυσμό δύο ή περισσότερων διακριτών μορφών, όταν η συχνότητα των σπανιότερων από αυτές δεν μπορεί να εξηγηθεί μόνο από μεταλλάξεις. Δεδομένου ότι η γονιδιακή μετάλλαξη είναι ένα σπάνιο γεγονός (1x10 6), η συχνότητα του μεταλλαγμένου αλληλόμορφου, η οποία είναι μεγαλύτερη από 1%, μπορεί να εξηγηθεί μόνο από τη σταδιακή συσσώρευσή του στον πληθυσμό λόγω των επιλεκτικών πλεονεκτημάτων των φορέων αυτής της μετάλλαξης.

Η πολλαπλότητα των διαχωριστικών θέσεων, η πολλαπλότητα των αλληλόμορφων σε καθένα από αυτούς, μαζί με το φαινόμενο του ανασυνδυασμού, δημιουργούν ανεξάντλητη ανθρώπινη γενετική ποικιλότητα. Οι υπολογισμοί δείχνουν ότι σε ολόκληρη την ιστορία της ανθρωπότητας δεν υπήρξε, δεν υπάρχει και δεν θα συμβεί στο άμεσο μέλλον, γενετική επανάληψη, δηλ. Κάθε γεννημένος άνθρωπος είναι ένα μοναδικό φαινόμενο στο Σύμπαν. Η μοναδικότητα της γενετικής σύστασης καθορίζει σε μεγάλο βαθμό τα χαρακτηριστικά της ανάπτυξης της νόσου σε κάθε άτομο ξεχωριστά.

Η ανθρωπότητα έχει εξελιχθεί ως ομάδες απομονωμένων πληθυσμών που ζουν για μεγάλο χρονικό διάστημα κάτω από τις ίδιες περιβαλλοντικές συνθήκες, συμπεριλαμβανομένων κλιματικών και γεωγραφικών χαρακτηριστικών, διατροφικών προτύπων, παθογόνων παραγόντων, πολιτιστικών παραδόσεων κ.λπ. Αυτό οδήγησε στην ενοποίηση στον πληθυσμό συνδυασμών φυσιολογικών αλληλόμορφων ειδικών για καθένα από αυτά, πιο επαρκών για τις περιβαλλοντικές συνθήκες. Λόγω της σταδιακής επέκτασης του οικοτόπου, των εντατικών μεταναστεύσεων και της επανεγκατάστασης των λαών, δημιουργούνται καταστάσεις όταν συνδυασμοί συγκεκριμένων φυσιολογικών γονιδίων που είναι χρήσιμοι σε ορισμένες συνθήκες δεν διασφαλίζουν τη βέλτιστη λειτουργία ορισμένων συστημάτων του σώματος σε άλλες συνθήκες. Αυτό οδηγεί στο γεγονός ότι μέρος της κληρονομικής μεταβλητότητας, που προκαλείται από έναν δυσμενή συνδυασμό μη παθολογικών ανθρώπινων γονιδίων, γίνεται η βάση για την ανάπτυξη των λεγόμενων ασθενειών με κληρονομική προδιάθεση.

Επιπλέον, στον άνθρωπο ως κοινωνικό ον, η φυσική επιλογή προχωρούσε με την πάροδο του χρόνου σε όλο και πιο συγκεκριμένες μορφές, γεγονός που διεύρυνε επίσης την κληρονομική ποικιλομορφία. Ό,τι μπορούσε να απορριφθεί από τα ζώα διατηρήθηκε ή, αντίθετα, ό,τι κρατούσαν τα ζώα χάθηκε. Έτσι, η πλήρης κάλυψη των αναγκών σε βιταμίνη C οδήγησε στη διαδικασία της εξέλιξης στην απώλεια του γονιδίου οξειδάσης L-gulonodactone, το οποίο καταλύει τη σύνθεση του ασκορβικού οξέος. Στη διαδικασία της εξέλιξης, η ανθρωπότητα απέκτησε επίσης ανεπιθύμητα χαρακτηριστικά που σχετίζονται άμεσα με την παθολογία. Για παράδειγμα, στη διαδικασία της εξέλιξης, οι άνθρωποι έχουν αποκτήσει γονίδια που καθορίζουν την ευαισθησία στην τοξίνη της διφθερίτιδας ή στον ιό της πολιομυελίτιδας.

Έτσι, στους ανθρώπους, όπως και σε κάθε άλλο βιολογικό είδος, δεν υπάρχει έντονη διαχωριστική γραμμή μεταξύ της κληρονομικής μεταβλητότητας που οδηγεί σε φυσιολογικές διαφορές στα χαρακτηριστικά και της κληρονομικής μεταβλητότητας που προκαλεί την εμφάνιση κληρονομικών ασθενειών. Ο άνθρωπος, έχοντας γίνει το βιολογικό είδος Homo sapiens, φαινόταν να πληρώνει για την «λογικότητα» του είδους του συσσωρεύοντας παθολογικές μεταλλάξεις. Αυτή η θέση αποτελεί τη βάση μιας από τις κύριες έννοιες της ιατρικής γενετικής σχετικά με την εξελικτική συσσώρευση παθολογικών μεταλλάξεων σε ανθρώπινους πληθυσμούς.

Η κληρονομική μεταβλητότητα των ανθρώπινων πληθυσμών, τόσο διατηρούμενη όσο και μειωμένη από τη φυσική επιλογή, σχηματίζει το λεγόμενο γενετικό φορτίο.

Ορισμένες παθολογικές μεταλλάξεις μπορεί να επιμείνουν και να εξαπλωθούν στους πληθυσμούς για ιστορικά μεγάλο χρονικό διάστημα, προκαλώντας το λεγόμενο γενετικό φορτίο διαχωρισμού. άλλες παθολογικές μεταλλάξεις προκύπτουν σε κάθε γενιά ως αποτέλεσμα νέων αλλαγών στην κληρονομική δομή, δημιουργώντας ένα φορτίο μετάλλαξης.

Η αρνητική επίδραση του γενετικού φορτίου εκδηλώνεται με αυξημένη θνησιμότητα (θάνατος γαμετών, ζυγωτών, εμβρύων και παιδιών), μειωμένη γονιμότητα (μειωμένη αναπαραγωγή απογόνων), μειωμένο προσδόκιμο ζωής, κοινωνική απογοήτευση και αναπηρία και επίσης προκαλεί αυξημένη ανάγκη για ιατρική φροντίδα. .

Ο Άγγλος γενετιστής J. Hoddane ήταν ο πρώτος που επέστησε την προσοχή των ερευνητών στην ύπαρξη γενετικού φορτίου, αν και ο ίδιος ο όρος προτάθηκε από τον G. Meller στα τέλη της δεκαετίας του '40. Η έννοια της έννοιας «γενετικό φορτίο» συνδέεται με τον υψηλό βαθμό γενετικής μεταβλητότητας που είναι απαραίτητος για ένα βιολογικό είδος ώστε να μπορεί να προσαρμοστεί στις μεταβαλλόμενες περιβαλλοντικές συνθήκες.

Συνδυαστική μεταβλητότητα

Είναι κληρονομικής φύσης και προκαλείται από τον ανασυνδυασμό γονιδίων στον γονότυπο. Δεν σχετίζεται με αλλαγές στα γονίδια, αλλά με τον συνδυασμό τους! Οι συνδυασμοί γονιδίων συμβάλλουν στην αύξηση της επιβίωσης στις μεταβαλλόμενες περιβαλλοντικές συνθήκες.

Τυχαίος συνδυασμός γαμετών κατά τη γονιμοποίηση

Ανταλλαγή περιοχών ομόλογων χρωμοσωμάτων κατά τη διασταύρωση στην πρόφαση της μείωσης 1

Ανεξάρτητος διαχωρισμός διαφορετικών ζευγών χρωμοσωμάτων στην ανάφαση της μείωσης 1, που οδηγεί στο σχηματισμό γενετικά διαφορετικών γαμετών

Μεταλλακτική μεταβλητότητα

Οι μεταλλάξεις είναι ξαφνικές, απότομες, επίμονες αλλαγές στον γονότυπο που συμβαίνουν υπό την επίδραση εξωτερικών ή εσωτερικών περιβαλλοντικών παραγόντων και κληρονομούνται. Σε μοριακό επίπεδο, αυτή είναι μια αλλαγή στο DNA που επιμένει κατά την αντιγραφή ΝΚ. Η μεταλλαξιογένεση είναι η διαδικασία σχηματισμού μετάλλαξης. Οι μεταλλαξιογόνοι παράγοντες προκαλούν μεταλλάξεις, οι οποίες από τη φύση τους μπορεί να είναι

- φυσικός μεταλλαξιογόνα: ακτινοβολία a, b, γάμμα, UV, θερμοκρασία, υγρασία,

- χημική ουσία μεταλλαξιογόνα: οργανικές και ανόργανες, ναρκωτικές ουσίες, προϊόντα βιομηχανικής επεξεργασίας φυσικών ενώσεων (άνθρακας, λάδι), συνθετικές ουσίες που δεν υπήρχαν προηγουμένως στη φύση (φυτοκτόνα, εντομοκτόνα, ζιζανιοκτόνα), συντηρητικά τροφίμων, φάρμακα. Έχουν υψηλή διεισδυτική ικανότητα, προκαλούν γονιδιακές μεταλλάξεις και δρουν κατά την αντιγραφή του DNA.

Ταξινόμηση μεταλλάξεων ανάλογα με τις συνθήκες εμφάνισης

Τα αυθόρμητα συμβαίνουν χωρίς προφανή λόγο ή οι λόγοι είναι άγνωστοι.

Οι επαγόμενες προκύπτουν ως αποτέλεσμα της έκθεσης.

Ταξινόμηση μεταλλάξεων με εντοπισμό στο κύτταρο

Πυρηνικές - μεταλλάξεις στον πυρήνα του κυττάρου

Κυτταροπλασματικά - μεταλλάξεις σε μιτοχόνδρια και πλαστίδια.

Ταξινόμηση μεταλλάξεων ανάλογα με την πιθανότητα κληρονομικότητας

Τα γενετικά προκύπτουν στα γεννητικά κύτταρα και κληρονομούνται κατά τη σεξουαλική αναπαραγωγή

Τα σωματικά εμφανίζονται σε σωματικά κύτταρα και κληρονομούνται κατά τη διάρκεια του βλαστικού πολλαπλασιασμού

Ταξινόμηση μεταλλάξεων ανάλογα με το βαθμό επιρροής στην ικανότητα ζωής και τη γονιμότητα

Το στείρο επηρεάζει τη γονιμότητα

Θανατηφόρο οδηγεί στο θάνατο

Ημιθανατηφόρα μειώνουν τη ζωτικότητα

Το ουδέτερο δεν επηρεάζει τη ζωτικότητα

Τα θετικά αυξάνουν τη ζωτικότητα

Ταξινόμηση ανάλογα με το επίπεδο βλάβης στο γενετικό υλικό:

Γενετική – γονιδιακή αλλαγή

Χρωμοσωμικό - αλλαγές στη δομή ενός χρωμοσώματος,

Γονιδιωματική – αλλαγές στο γονιδίωμα

Γονιδιακές μεταλλάξεις

Τα σημεία οδηγούν σε αλλαγές στη νουκλεοτιδική δομή του DNA σε ένα γονίδιο. Οι αλλαγές στη δομή των γονιδίων όταν αντικαθίστανται οι βάσεις είναι 2 τύπων: αστοχία μεταλλάξεις με υποκατάσταση αμινοξέων, ανοησίες με το σχηματισμό τερματικών κωδικονίων UAA, UAG, UGA.

- μετατόπιση πλαισίου ανάγνωσης συμβαίνει όταν εισάγονται ή διαγράφονται πολλαπλά νουκλεοτίδια. Ως αποτέλεσμα, η διάσπαση του mRNA σε κωδικόνια αλλάζει, πράγμα που σημαίνει ότι η αλληλουχία αμινοξέων στο μόριο της συντιθέμενης πρωτεΐνης αλλάζει ή η σύνθεση τελειώνει πρόωρα.

- μετάβαση - αντικατάσταση μιας βάσης πουρίνης με μια άλλη πουρίνη και μιας πυριμιδίνης με μια άλλη πυριμιδίνη: Α<-->G και C<-->Τ.

- μεταστροφή - αντικατάσταση της πουρίνης με πυριμιδίνη και αντίστροφα.

Χρωμοσωμικές μεταλλάξεις

Οι εκτροπές είναι αλλαγές στη δομή των χρωμοσωμάτων λόγω παραβίασης της ακεραιότητάς τους: οι διακοπές που συνοδεύονται από γονιδιακές ανακατατάξεις οδηγούν σε ενδο/διαχρωμοσωμικές μεταλλάξεις.

- διαγραφή - απώλεια τμήματος χρωμοσώματος: AEF. Η διαγραφή του κοντού βραχίονα του χρωμοσώματος 5 στους ανθρώπους ονομάζεται σύνδρομο κραυγής γάτας.

- αντιγραφή - διπλασιασμός μιας περιοχής χρωμοσώματος: ABCDCD, με την εμφάνιση πρόσθετου κληρονομικού υλικού πανομοιότυπου με αυτό που υπάρχει ήδη στο γονιδίωμα.

Η διαγραφή και ο διπλασιασμός εκδηλώνονται πάντα φαινοτυπικά, αφού το σύνολο των γονιδίων αλλάζει και παρατηρείται μονοσωμία ορισμένων χρωμοσωμάτων.

- αναστροφή – περιστροφή μεμονωμένων τμημάτων χρωμοσώματος κατά 180*. ABCDEF -----> AEDCBF

- μετατόπιση – μεταφορά χωριστού τμήματος χρωμοσώματος σε άλλο σημείο του ίδιου ή άλλου χρωμοσώματος: ABCKLM. Εν ο αριθμός των γονιδίων δεν αλλάζει !!! Η μεταφορά του 21ου βραχίονα χρωμοσώματος στο 13, 14, 15 οδηγεί στην ανάπτυξη του συνδρόμου Down.

Οι αναστροφές και οι μετατοπίσεις μπορεί να μην εκδηλωθούν φαινοτυπικά εάν δεν υπάρχει αλλαγή στο γενετικό υλικό και διατηρείται η συνολική ισορροπία των γονιδίων στο γονιδίωμα. Αλλά η σύζευξη των ομόλογων χρωμοσωμάτων γίνεται πιο δύσκολη, γεγονός που μπορεί να προκαλέσει διακοπή του γενετικού υλικού μεταξύ των θυγατρικών κυττάρων

Γονιδιωματικές μεταλλάξεις

Συνδέεται με μια αλλαγή στον αριθμό των χρωμοσωμάτων, που οδηγεί στην προσθήκη ή απώλεια ενός, πολλών ή ενός πλήρους συνόλου χρωμοσωμάτων.

Γονιδίωμα- ένα σύνολο γονιδίων ενός απλοειδούς συνόλου χρωμοσωμάτων. Κατά κανόνα, βρίσκεται στα γεννητικά κύτταρα.

- πολυπλοειδία - πολλαπλή απλοειδή αύξηση του αριθμού των χρωμοσωμάτων στα κύτταρα. Συχνά χρησιμοποιείται στην εκτροφή φυτών, συνήθως οδηγεί σε αυξημένες αποδόσεις. Συχνά συναντάται μεταξύ αγγειόσπερμων, σπανιότερα μεταξύ γυμνόσπερμων. Μεταξύ των ζώων, η πολυπλοειδία είναι γνωστή στους ερμαφρόδιτους: σκουλήκια, καρκινοειδή, έντομα, ψάρια, σαλαμάνδρες. Για τα θηλαστικά, η πολυπλοειδία είναι θανατηφόρα.

- απλοειδές - πολλαπλή απλοειδή μείωση του αριθμού των χρωμοσωμάτων. Ως αποτέλεσμα, το κύτταρο περιέχει ένα μοναδικό σύνολο n χρωμοσωμάτων. Ένας οργανισμός με απλοειδές σύνολο μη ομόλογων χρωμοσωμάτων σε σωματικά κύτταρα είναι απλοειδές. Η φυσική απλοειδία εμφανίζεται στον κύκλο ζωής μυκήτων που σχηματίζουν σπόρους, βακτηρίων, μονοκύτταρων φυκών και σε κηφήνες μελισσών. Η βιωσιμότητα των απλοειδών μειώνεται καθώς εμφανίζονται όλα τα υπολειπόμενα γονίδια που περιέχονται στον ενικό. Για τα θηλαστικά, η απλοειδία είναι θανατηφόρα.

- ανευπλοειδία - πολλαπλή αλλαγή στον αριθμό των χρωμοσωμάτων.

Η τρισωμία είναι η αύξηση του καρυότυπου κατά ένα χρωμόσωμα (2n+1).

Η πολυσωμία είναι η αύξηση του καρυότυπου κατά περισσότερα από ένα χρωμόσωμα.

Μονοσωμία είναι η μείωση του καρυότυπου κατά ένα χρωμόσωμα (2n-1).

Nulisomy - η απουσία ενός ζεύγους χρωμοσωμάτων, είναι θανατηφόρα.

Ανθρώπινες χρωμοσωμικές ασθένειες

Ομάδες ασθενειών που σχετίζονται με αλλαγές στον αριθμό των χρωμοσωμάτων (γονιδιωματικές μεταλλάξεις) ή στη δομή τους (χρωμοσωμικές εκτροπές). Προκύπτουν ως αποτέλεσμα παραβίασης του συνόλου χρωμοσωμάτων στο ζυγώτη λόγω μη αποσύνδεσης των χρωμοσωμάτων κατά τη διαίρεση αναγωγής και διαφόρων χρωμοσωμικών ανωμαλιών.

τριπλοειδία - παραβίαση του συνόλου χρωμοσωμάτων 3n. Τα νεογέννητα παιδιά πεθαίνουν τις πρώτες ώρες ή ημέρες μετά τη γέννηση.

τρισωμία Χ χρωμόσωμα - ΧΧΧ. Ο φαινότυπος είναι φυσιολογικός θηλυκός, που χαρακτηρίζεται από υπανάπτυξη των γονάδων, ελαφρύ βαθμό νοητικής υστέρησης.

Σύνδρομο Klinefelter - ХХУ, ХХХУ, ХХХХУ, ХУУ, ХУУУ, ХХУУ, ХХХУУ. Ανδρικός φαινότυπος - υπανάπτυκτοι όρχεις. Στην εμφάνιση, υπάρχουν στενοί ώμοι, φαρδιά λεκάνη, γενικομαστία και εναπόθεση λίπους τυπικά για τις γυναίκες. Η πολυσωμία στο χρωμόσωμα Υ οδηγεί σε υψηλή ανάπτυξη και αντικοινωνική συμπεριφορά.

Σύνδρομο Shereshevsky-Turner : παραβίαση του συνόλου χρωμοσωμάτων Χ0, η μόνη βιώσιμη μονοσωμία στο χρωμόσωμα Χ στον άνθρωπο. Γυναικείος φαινότυπος, δυσανάλογη δομή σώματος, δερματικές πτυχές στο λαιμό, καθυστέρηση ανάπτυξης, υπανάπτυκτα εσωτερικά γεννητικά όργανα, υπογονιμότητα, πρόωρη γήρανση.

Σύνδρομο Down : τρισωμία στο χρωμόσωμα 21. Κοντό ανάστημα, μικρό στρογγυλό κεφάλι, επίπεδο πίσω μέρος του κεφαλιού, χαμηλά αυτιά, λοξά μάτια, κοντή μύτη με επίπεδη γέφυρα, μισάνοιχτο στόμα, χοντρή γλώσσα, χαμηλός μυϊκός τόνος, κοντά δάχτυλα, στραβά δάχτυλα, νωθρή και αδέξια Ανθρωποι. Σοβαρή νοητική υστέρηση, κακώς αναπτυγμένη ομιλία, μειωμένη ανοσία και προσδόκιμο ζωής.

Σύνδρομο Patau : τρισωμία στο χρωμόσωμα 13. Βαθιά ηλίθιοι. Υπανάπτυκτο κεντρικό νευρικό σύστημα, μέτρια μικροκεφαλία, αδιαφάνεια του κερατοειδούς, χαμηλό μέτωπο, βυθισμένη ρινική γέφυρα, στενές κόγχες των ματιών, αμφίπλευρη σχισμή χείλους και υπερώας, ανωμαλίες στην ανάπτυξη του κεντρικού νευρικού συστήματος και των εσωτερικών οργάνων. Πεθαίνουν πριν από την ηλικία του ενός έτους· μόνο λίγοι επιβιώνουν μέχρι τα 3 χρόνια.

σύνδρομο Edwards : τρισωμία στο χρωμόσωμα 18. Ανωμαλίες του κρανίου και του προσώπου: στενό μέτωπο με ανάκληση των μετωπιαίων οστών στην περιοχή της γραμματοσειράς, φαρδύ προεξέχον ινίο, μικρό άνοιγμα κάτω γνάθου και στόματος, στενές και κοντές παλαμικές ρωγμές, χαμηλά αυτιά, κοντό στέρνο, φαρδύ στήθος, ανώμαλη ανάπτυξη του πόδι, παθολογίες της δομής της καρδιάς και των αιμοφόρων αγγείων, πεπτικό σύστημα, παρεγκεφαλίδα. Οι περισσότεροι πεθαίνουν πριν από την ηλικία του ενός έτους.

Συμπληρώστε μια αίτηση για να προετοιμαστείτε για την Ενιαία Κρατική Εξέταση στη βιολογία ή τη χημεία

Σύντομη φόρμα σχολίων

Σχεδόν όλη η γενετική έρευνα βασίζεται στην έννοια παραλλαγές . Αυτή η έννοια περιλαμβάνει όλους τους τύπους αλλαγών αλληλουχίας DNA ( μεταλλάξεις ), παρατηρείται σε χρωμοσωμικά ή γονιδιακά επίπεδα. Αφενός, οι παραλλαγές του γονιδιώματος εξηγούν τη διαφορετικότητα μεταξύ των ατόμων, αφετέρου, οι μεταλλάξεις μπορούν να οδηγήσουν σε παθογόνες αλλαγές στη λειτουργία του σώματος, αποτελώντας έτσι την αιτία μιας κληρονομικής νόσου. Θα πρέπει επίσης να εισαγάγετε αρκετούς όρους που χρησιμοποιούνται για να περιγράψουν τη διαδικασία μεταλλακτικής αλλαγής στο DNA: τόπος - μια συγκεκριμένη περιοχή ενός χρωμοσώματος που περιέχει συγκεκριμένες αλληλουχίες DNA ή γονίδια, αλληλόμορφο - δύο ή περισσότερες εναλλακτικές μορφές ενός γονιδίου που βρίσκεται στον ίδιο τόπο ενός ζεύγους ομόλογων χρωμοσωμάτων. Εάν παρατηρηθεί διαφορά στην αλληλουχία DNA δύο αλληλόμορφων του ίδιου τόπου με συχνότητα μεγαλύτερη από 1% στον γενικό πληθυσμό, τότε αυτός ο τύπος παραλλαγής ορίζεται πολυμορφισμός . Μια αλλαγή στην αλληλουχία DNA που έχει χαμηλότερη συχνότητα ονομάζεται συνήθως μετάλλαξη . Υπάρχουν δύο κύριοι τύποι μεταλλάξεων που σχετίζονται με την κληρονομική παθολογία: χρωμοσωμική (αλλαγή στον αριθμό ή/και τη δομή των χρωμοσωμάτων σε ένα κύτταρο) και γενετική (αλλαγή στην αλληλουχία DNA σε ένα συγκεκριμένο γονίδιο). Με βάση αυτή την ταξινόμηση, είναι δυνατό να εντοπιστούν τομείς γενετικής έρευνας για παραβιάσεις της αλληλουχίας DNA που οδηγούν σε κληρονομικές ασθένειες, οι οποίες μελετώνται ιατρική γενετική , δηλαδή, η αναζήτηση αλλαγών στις αλληλουχίες νουκλεϊκών οξέων και πρωτεϊνών σε μοριακό επίπεδο ( μοριακή γενετική ) και τη μελέτη των αλλαγών στον αριθμό, τη δομή και την οργάνωση των χρωμοσωμάτων ( ιατρική κυτταρογενετική ).

Η μοριακή γενετική έρευνα βασίζεται σε σύγχρονες ιδέες σχετικά με τα χαρακτηριστικά του μορίου του DNA και τις βιοχημικές διαδικασίες μεταγραφής και μετάφρασης. Ο κύριος στόχος τους είναι να εντοπίσουν γονιδιακές μεταλλάξεις που οδηγούν σε χαρακτηριστικές φαινοτυπικές εκδηλώσεις. Οι γονιδιακές μεταλλάξεις είναι αλλαγές στη θέση, την απώλεια και το κέρδος του DNA σε σχέση με τη γραμμική του αλληλουχία που βρίσκεται κανονικά. Οι πιο συνηθισμένοι τύποι γονιδιακών μεταλλάξεων είναι οι υποκαταστάσεις, οι απώλειες ή/και οι παρεμβολές ενός μόνο νουκλεοτιδίου. Τα τελευταία δηλώνονται με τη συντομογραφία SNP (μονονουκλεοτιδικά πολυμορφικά) και είναι από τα πιο κοινά στο ανθρώπινο γονιδίωμα. Κατά μέσο όρο, τα SNP που οδηγούν σε διακύμανση μεταξύ αλληλόμορφων σε ένα άτομο εμφανίζονται κάθε 1500 ζεύγη βάσεων. Ωστόσο, τα περισσότερα από αυτά βρίσκονται σε μη κωδικοποιητικές αλληλουχίες και γενικά δεν έχουν φαινοτυπικές συνέπειες. Εάν μια αλλαγή στην αλληλουχία του DNA συμβεί σε ένα γονίδιο που κωδικοποιεί μια πρωτεΐνη, τότε είναι πολύ πιθανό να σχετίζεται με διαταραχές του σώματος. Υπάρχει η ακόλουθη ταξινόμηση γονιδιακών μεταλλάξεων:

Missense μεταλλάξεις- αντικατάσταση ενός νουκλεοτιδίου με ένα άλλο ή μη συνώνυμες αλλαγές αλληλουχίας DNA . Θεωρητικά, μπορούν να διακριθούν δύο τύποι τέτοιων μεταλλάξεων: συντηρητικός Και μη συντηρητικός . Οι συντηρητικές εσφαλμένες μεταλλάξεις οδηγούν στην αντικατάσταση ενός κωδικονίου με ένα ισοδύναμο (κωδόνια που κωδικοποιούν το ίδιο υπόλειμμα αμινοξέος) ή με ένα κωδικόνιο διαφορετικού υπολείμματος αμινοξέος που δεν αλλάζει τις φυσικοχημικές ιδιότητες της πρωτεΐνης που κωδικοποιείται από το αντίστοιχο γονίδιο. Οι μη συντηρητικές λανθασμένες μεταλλάξεις, κατά κανόνα, αλλάζουν τις βιοχημικές ιδιότητες της πρωτεΐνης και, ως εκ τούτου, οδηγούν σε διαταραχή της λειτουργικής της δραστηριότητας.

Ανοησία μετάλλαξη- αλλαγές στην κωδικοποιητική αλληλουχία του DNA, που οδηγούν στο σχηματισμό κωδικονίου λήξης, με αποτέλεσμα να συντίθεται μια πρωτεΐνη στην οποία λείπει κάποιο μέρος της αλληλουχίας της.

Μετάλλαξη μετατόπισης πλαισίου- τυχόν αλλαγές στην αλληλουχία DNA ενός γονιδίου (κυρίως απώλειες ή εισαγωγές νουκλεοτιδίων) που οδηγούν σε αλλαγή στην ανάγνωση της αλληλουχίας κατά τη μεταγραφή. Αποτέλεσμα αυτού είναι η σύνθεση μιας εντελώς νέας πρωτεΐνης ή ο σχηματισμός αγγελιοφόρου RNA, το οποίο δεν φέρει καμία πληροφορία σχετικά με την αλληλουχία αμινοξέων.

Μη παθογόνες αλλαγές αλληλουχίας DNA- Παραλλαγές της αλληλουχίας του DNA, συμπεριλαμβανομένων των συντηρητικών μεταλλάξεων με λάθος νόημα, ή τα λεγόμενα συνώνυμες μεταλλάξεις , που δεν αλλάζουν τις κωδικοποιημένες πληροφορίες στο DNA του γονιδίου ή δεν επηρεάζουν τη λειτουργική δραστηριότητα των πρωτεϊνικών μακρομορίων.

Μεταλλάξεις συμβαίνουν επίσης σε μη κωδικοποιητικές αλληλουχίες DNA (εσώνια). Αυτός ο τύπος παραλλαγής συνήθως δεν έχει φαινοτυπικές συνέπειες. Ωστόσο, με μια μετατόπιση στο πλαίσιο ανάγνωσης ή το σχηματισμό εναλλακτικών μορφών πρωτεϊνικών μακρομορίων ( εναλλακτικό μάτισμα ), αυτές οι παραλλαγές μπορεί να οδηγήσουν σε διαταραχή της λειτουργικής δραστηριότητας των πρωτεϊνικών μακρομορίων και, κατά συνέπεια, σε φαινοτυπικές συνέπειες. Στο πλαίσιο αυτό, ο εντοπισμός παθογόνων μεταλλάξεων φαίνεται δύσκολος, καθώς η έννοια του «κανονικού» στην ιατρική γενετική έρευνα είναι αρκετά σχετική, λόγω του γεγονότος ότι σε μοριακό επίπεδο το ανθρώπινο γονιδίωμα είναι σε μεγάλο βαθμό ασταθές. Με άλλα λόγια, μόνο επαναλαμβανόμενες μεταλλάξεις (οι πιο συχνές επαναλαμβανόμενες μεταλλάξεις που εντοπίζονται σε άτομα με γνωστή κληρονομική νόσο) μπορεί να θεωρηθούν παθογόνες. Σε περιπτώσεις που ανακαλύπτεται νέα μετάλλαξη, χρειάζεται να γίνουν μοριακές γενετικές μελέτες στενών συγγενών του ασθενούς για να διαπιστωθεί εάν είναι η αιτία της νόσου.

Χρωμοσωμικές μεταλλάξεις (ανωμαλίες)σχετίζονται είτε με διάφορες δομικές ανακατατάξεις των χρωμοσωμάτων, είτε με αλλαγή του αριθμού τους (n). Αριθμητικές αλλαγές στο σύνολο των χρωμοσωμάτων ( καρυότυπος ) μπορεί να είναι δύο τύπων: πολυπλοειδία - πολλαπλασιασμός του πλήρους συνόλου χρωμοσωμάτων (3n, 4n, κ.λπ.), ή του γονιδιώματος, πολλαπλάσιο του απλοειδούς αριθμού των χρωμοσωμάτων (στη βιβλιογραφία μερικές φορές αναφέρεται ως γονιδιωματικές μεταλλάξεις ); ανευπλοειδία - αύξηση ή μείωση του αριθμού των χρωμοσωμάτων σε ένα σύνολο, όχι πολλαπλάσιο του απλοειδούς. Αυτές οι ποσοτικές αλλαγές στον καρυότυπο προκαλούνται συνήθως από διαταραχές της μείωσης ή της μίτωσης. Οι αριθμητικές χρωμοσωμικές ανωμαλίες με τη μορφή ανευπλοειδίας χωρίζονται σε μονοσωμία (απώλεια χρωμοσώματος ή μέρους αυτού - μερική μονοσωμία) και τρισωμία ή πολυσωμία (απόκτηση ενός/πολλών χρωμοσωμάτων ή μέρους αυτών - μερική τρισωμία). Αυτές οι αλλαγές καρυότυπου συνδέονται με ένα σύμπλεγμα συγγενών δυσπλασιών και, κατά κανόνα, με ασθένειες που συνοδεύονται από νοητική υστέρηση ή σοβαρές ψυχικές διαταραχές. Επί του παρόντος, έχουν περιγραφεί περιπτώσεις αλλαγών στο σύνολο των χρωμοσωμάτων που περιλαμβάνουν φυλετικά χρωμοσώματα και ορισμένα αυτοσώματα στη σχιζοφρένεια και τον αυτισμό. Για παράδειγμα, έως και 5-15% των παιδιών με αυτιστικές διαταραχές έχουν χρωμοσωμικές ανωμαλίες. Αυτό μας επιτρέπει να θεωρήσουμε τη χρωμοσωμική ανισορροπία στο σώμα ως μία από τις πιθανές αιτίες ορισμένων περιπτώσεων ψυχικής ασθένειας.

Οι δομικές αλλαγές μπορούν να επηρεάσουν ολόκληρο το χρωμόσωμα και μπορεί επίσης να συνοδεύονται από αλλαγή στην ποσότητα του γενετικού υλικού στον πυρήνα ή στην κίνηση του. Ισορροπημένες χρωμοσωμικές ανωμαλίες είναι αναδιατάξεις λόγω των οποίων οι καρυότυποι προκύπτουν με ένα αμετάβλητο σύνολο γονιδίων, αλλά η θέση τους μέσα στα χρωμοσώματα ή μεταξύ των χρωμοσωμάτων διαφέρει από την κανονική. Στις περισσότερες περιπτώσεις, οι φορείς ισορροπημένων χρωμοσωμικών ανωμαλιών είναι φαινοτυπικά φυσιολογικοί, αλλά υπάρχει υψηλός κίνδυνος οι απόγονοί τους να έχουν μη ισορροπημένο καρυότυπο, αλλά σε ορισμένες περιπτώσεις, οι φορείς ενός ισορροπημένου καρυότυπου μπορεί να έχουν επίσης διάφορα συγγενή ελαττώματα ή/και μικροανωμαλίες. ως διαταραχές νευροψυχολογικής ανάπτυξης. Εάν οι δομικές χρωμοσωμικές μεταλλάξεις οδηγούν σε απώλεια ή κέρδος γενετικού υλικού, τότε είναι μη ισορροπημένες χρωμοσωμικές ανωμαλίες .

Κυτταρογενετικά, οι δομικές αναδιατάξεις ταξινομούνται σύμφωνα με την αρχή της γραμμικής αλληλουχίας γονιδιακής διάταξης: διαγραφές (απώλεια χρωμοσωμικών τομών), αντιγραφές (διπλασιασμός χρωμοσωμικών περιοχών), αναστροφές (αναστροφή κατά 180° σε σχέση με την κανονική ακολουθία των χρωμοσωμικών περιοχών), εισαγωγές (εισαγωγές χρωμοσωμικών περιοχών) και μετατοπίσεις (αλλαγή στη διάταξη των χρωμοσωμικών περιοχών) των χρωμοσωμάτων.

Η μελέτη των χρωμοσωμικών μεταλλάξεων υπό την επίδραση περιβαλλοντικών παραγόντων έχει μεγάλη σημασία. Έχει αποδειχθεί ότι τα ανθρώπινα χρωμοσώματα είναι εξαιρετικά ευαίσθητα στις επιδράσεις της ακτινοβολίας και των χημικών ουσιών, που συνήθως ονομάζονται μεταλλαξιογόνοι παράγοντες ( μεταλλαξιογόνα ). Κατά την ανάλυση της επίδρασης αυτών των παραγόντων, είναι απαραίτητο να γίνει διάκριση μεταξύ των διαταραχών σε σωματικά και γεννητικά κύτταρα. Τα πρώτα επηρεάζουν άμεσα τη ζωτική δραστηριότητα του υπό μελέτη οργανισμού, ενώ τα δεύτερα εμφανίζονται στις επόμενες γενιές. Οι χρωμοσωμικές μεταλλάξεις στα γεννητικά κύτταρα οδηγούν στο σχηματισμό ανώμαλων γαμετών, που μπορεί να έχουν ως αποτέλεσμα τον θάνατο ζυγωτών, εμβρύων στα αρχικά στάδια της ενδομήτριας ανάπτυξης και τη γέννηση παιδιών με ειδικές ή μη ειδικές χρωμοσωμικές ανωμαλίες, οι οποίες εκδηλώνονται με τη μορφή μια συγκεκριμένη κλινική εικόνα ή έναν συγκεκριμένο φαινότυπο. Οι μεταλλάξεις των χρωμοσωμάτων στα σωματικά κύτταρα οδηγούν στο σχηματισμό μη ειδικών χρωμοσωμικών ανωμαλιών με τη μορφή χρωμοσωμικών ή χρωματιδικών κενών, θραύσεων και ανταλλαγών στον καρυότυπο, που δεν οδηγούν σε συγκεκριμένο φαινότυπο χαρακτηριστικό μιας συγκεκριμένης ασθένειας. Τέτοιες μεταλλάξεις δεν κληρονομούνται. Πρέπει να σημειωθεί ότι κατά τη μελέτη αυτού του είδους της επίδρασης μεταλλαξογόνων παραγόντων, είναι δυνατό να αξιολογηθεί ποιοτικά και ποσοτικά η επίδραση της ιονίζουσας ακτινοβολίας, των χημικών ουσιών, των ιών, αλλά τα δεδομένα που λαμβάνονται δεν μπορούν να μεταφερθούν σε γεννητικά κύτταρα, το αποτέλεσμα των οποίων είναι χρωμοσωμικό ασθένειες στα παιδιά.

Οι χρωμοσωμικές ανωμαλίες μπορεί να εκδηλωθούν με τις λεγόμενες μορφές μωσαϊκού, οι οποίες προκαλούνται από ακατάλληλη κυτταρική διαίρεση σε διάφορα στάδια της εμβρυϊκής και μεταγεννητικής ανάπτυξης. Αυτό επιτρέπει να χωριστούν οι χρωμοσωμικές ανωμαλίες σε μωσαϊκό Και τακτικός (παρατηρείται ανώμαλος καρυότυπος σε όλα τα κύτταρα του σώματος). Χρωμοσωμικός μωσαϊκισμός αντιπροσωπεύει την παρουσία πολλών πληθυσμών κυττάρων με διαφορετικά σύνολα χρωμοσωμάτων μεταξύ τους. Κατά κανόνα, με μωσαϊκές μορφές χρωμοσωμικών ανωμαλιών, υπάρχει απουσία μεμονωμένων κλινικών σημείων ενός συγκεκριμένου χρωμοσωμικού συνδρόμου και ηπιότερης πορείας της νόσου, αλλά ορισμένα συμπτώματα είναι σχεδόν πάντα παρόντα. Οι δομικές χρωμοσωμικές ανωμαλίες μωσαϊκού παρατηρούνται αρκετά σπάνια, επομένως, όταν μιλάμε για χρωμοσωμικές ανωμαλίες μωσαϊκού, εννοούμε κυρίως αριθμητικές ανωμαλίες, οι μωσαϊκές μορφές των οποίων έχουν αρκετά υψηλή πληθυσμιακή συχνότητα. Πρέπει επίσης να σημειωθεί το φαινόμενο χρωμοσωμικός μωσαϊκός ειδικός για τον ιστό - κύτταρα με μη φυσιολογικό σύνολο χρωμοσωμάτων υπάρχουν μόνο σε συγκεκριμένο ιστό του σώματος.

Στη δεκαετία του πενήντα του 20ου αιώνα, οι επιστήμονες αντιμετώπισαν ένα περίεργο φαινόμενο. Παρατήρησαν ότι ορισμένοι ιοί μολύνουν διαφορετικά στελέχη του ίδιου βακτηρίου. Ορισμένα στελέχη - για παράδειγμα, το E. coli - μολύνθηκαν εύκολα και εξαπλώθηκαν γρήγορα σε όλη την αποικία. Άλλοι μολύνθηκαν πολύ αργά ή ήταν εντελώς ανθεκτικοί στους ιούς. Αλλά από τη στιγμή που είχε προσαρμοστεί στο ένα ή το άλλο στέλεχος, ο ιός στη συνέχεια το μόλυνε χωρίς δυσκολία.

Οι βιολόγοι χρειάστηκαν δύο δεκαετίες για να κατανοήσουν αυτή την επιλεκτική αντίσταση των βακτηρίων. Όπως αποδείχθηκε, η ικανότητα ορισμένων στελεχών βακτηρίων να αντιστέκονται στους ιούς - ονομάστηκε περιορισμός (δηλαδή "περιορισμός") - εξηγείται από την παρουσία ειδικών ενζύμων που κόβουν φυσικά το ιικό DNA.

Η ιδιαιτερότητα αυτών των πρωτεϊνών - περιοριστικών ενζύμων - είναι ότι αναγνωρίζουν μια μικρή και αυστηρά καθορισμένη αλληλουχία DNA. Τα βακτήρια «στοχεύουν» τα περιοριστικά ένζυμα σε σπάνιες αλληλουχίες που τα ίδια αποφεύγουν στα γονίδιά τους - αλλά που μπορεί να υπάρχουν στο DNA του ιού. Διαφορετικά περιοριστικά ένζυμα αναγνωρίζουν διαφορετικές αλληλουχίες.

Κάθε στέλεχος βακτηρίων έχει ένα συγκεκριμένο οπλοστάσιο τέτοιων ενζύμων και, έτσι, αντιδρά σε ένα συγκεκριμένο σύνολο «λέξεων» στο γονιδίωμα του ιού. Αν φανταστούμε ότι το γονιδίωμα του ιού είναι η φράση «η μαμά έπλυνε το πλαίσιο», τότε ο ιός δεν θα μπορεί να μολύνει ένα βακτήριο που αναγνωρίζει τη λέξη «μαμά», αλλά ένα βακτήριο που στοχεύει τη λέξη «θείος» θα είναι ανυπεράσπιστος. Εάν ο ιός καταφέρει να μεταλλαχθεί και να μετατραπεί, ας πούμε, σε μια «γυναίκα έπλυνε το πλαίσιο», τότε το πρώτο βακτήριο θα χάσει την προστασία του.

Γιατί η ανακάλυψη της «βακτηριακής ανοσίας» εμφανίστηκε στην κορυφή της λίστας με τα πιο σημαντικά επιτεύγματα στη μοριακή βιολογία; Δεν είναι τα ίδια τα βακτήρια ούτε καν οι ιοί.

Μετρήστε ένα κομμάτι DNA

Οι επιστήμονες που περιέγραψαν αυτόν τον μηχανισμό επέστησαν σχεδόν αμέσως την προσοχή στην πιο σημαντική λεπτομέρεια αυτής της διαδικασίας. Τα περιοριστικά ένζυμα (ακριβέστερα, ένας από τους τύπους αυτών των ενζύμων) είναι ικανά να κόψουν το DNA σε ένα σαφώς καθορισμένο σημείο. Επιστρέφοντας στην αναλογία μας, ένα ένζυμο που στοχεύει τη λέξη «μαμά» στο DNA συνδέεται με αυτή τη λέξη και την κόβει, για παράδειγμα, μεταξύ του τρίτου και του τέταρτου γράμματος.

Έτσι, για πρώτη φορά, οι ερευνητές μπόρεσαν να «κόψουν» τα θραύσματα DNA που χρειάζονταν από τα γονιδιώματα. Με τη βοήθεια ειδικών ενζύμων «κόλλησης», τα προκύπτοντα θραύσματα θα μπορούσαν να συρραφούν μεταξύ τους - επίσης με μια συγκεκριμένη σειρά. Με την ανακάλυψη των περιοριστικών ενζύμων, οι επιστήμονες είχαν όλα τα απαραίτητα εργαλεία για τη «συναρμολόγηση» του DNA στα χέρια τους. Με τον καιρό, μια ελαφρώς διαφορετική μεταφορά ρίζωσε για να δηλώσει αυτή τη διαδικασία - η γενετική μηχανική.

Αν και υπάρχουν σήμερα άλλες μέθοδοι εργασίας με το DNA, η συντριπτική πλειοψηφία της βιολογικής έρευνας των τελευταίων είκοσι έως τριάντα ετών δεν θα ήταν δυνατή χωρίς ένζυμα περιορισμού. Από τα διαγονιδιακά φυτά έως τη γονιδιακή θεραπεία, από την ανασυνδυασμένη ινσουλίνη έως τα επαγόμενα βλαστοκύτταρα, κάθε εργασία που περιλαμβάνει γενετικό χειρισμό χρησιμοποιεί αυτό το «βακτηριακό όπλο».

Γνωρίστε τον εχθρό από τη θέα

Το ανοσοποιητικό σύστημα των θηλαστικών -συμπεριλαμβανομένων των ανθρώπων- διαθέτει έμφυτους και επίκτητους αμυντικούς μηχανισμούς. Τα έμφυτα συστατικά του ανοσοποιητικού συστήματος συνήθως αντιδρούν σε κάτι κοινό που ενώνει πολλούς εχθρούς του σώματος ταυτόχρονα. Για παράδειγμα, το έμφυτο ανοσοποιητικό σύστημα μπορεί να αναγνωρίσει συστατικά του βακτηριακού κυτταρικού τοιχώματος που είναι κοινά σε χιλιάδες διαφορετικά μικρόβια.

Η επίκτητη ανοσία βασίζεται στο φαινόμενο της ανοσολογικής μνήμης. Αναγνωρίζει συγκεκριμένα συστατικά συγκεκριμένων παθογόνων μικροοργανισμών, «θυμάται» τα για το μέλλον. Ο εμβολιασμός βασίζεται σε αυτό: το ανοσοποιητικό σύστημα «εκπαιδεύεται» σε έναν σκοτωμένο ιό ή βακτήριο και αργότερα, όταν ένα ζωντανό παθογόνο εισέρχεται στο σώμα, το «αναγνωρίζει» και το καταστρέφει επί τόπου.

Η έμφυτη ανοσία είναι ένα σημείο επιθεώρησης των συνόρων. Προστατεύει από τα πάντα ταυτόχρονα και από τίποτα συγκεκριμένα. Επίκτητη ανοσία είναι ένας ελεύθερος σκοπευτής που γνωρίζει τον εχθρό από τη θέα. Όπως αποδείχθηκε το 2012, τα βακτήρια έχουν επίσης κάτι παρόμοιο.

Εάν ο περιορισμός είναι ένα βακτηριακό ανάλογο της έμφυτης ανοσίας, τότε ο ρόλος της επίκτητης ανοσίας στα βακτήρια εκτελείται από ένα σύστημα με το μάλλον δυσκίνητο όνομα CRISPR/Cas9 ή «Crisper».

Η ουσία του έργου του Crisper είναι η εξής. Όταν ένα βακτήριο δέχεται επίθεση από ιούς, αντιγράφει μέρος του DNA του ιού σε μια ειδική θέση στο δικό του γονιδίωμα (αυτή η «αποθήκη» πληροφοριών σχετικά με τους ιούς ονομάζεται CRISPR). Με βάση αυτές τις αποθηκευμένες «φωτογραφίες» του ιού, το βακτήριο δημιουργεί στη συνέχεια έναν ανιχνευτή RNA που μπορεί να αναγνωρίσει τα γονίδια του ιού και να συνδεθεί με αυτά εάν ο ιός προσπαθήσει να μολύνει ξανά το βακτήριο.

Ο ίδιος ο ανιχνευτής RNA είναι ακίνδυνος για τον ιό, αλλά εδώ παίζει άλλος παίκτης: η πρωτεΐνη Cas9. Είναι ένα «ψαλίδι» υπεύθυνο για την καταστροφή των ιικών γονιδίων - όπως ένα ένζυμο περιορισμού. Το Cas9 αρπάζει τον ανιχνευτή RNA και, σαν λουρί, παραδίδεται στο DNA του ιού, μετά από το οποίο του δίνεται ένα σήμα: κόψτε εδώ!

Συνολικά, ολόκληρο το σύστημα αποτελείται από τρία βακτηριακά συστατικά:

1) Αποθήκευση DNA «φωτογραφικών ταυτοτήτων» παλαιών ιών.

2) ένας ανιχνευτής RNA κατασκευασμένος με βάση αυτές τις «φωτογραφίες» και ικανός να αναγνωρίσει τον ιό από αυτές·

3) «ψαλίδι» πρωτεΐνης προσαρτημένο σε έναν ανιχνευτή RNA και κόβει το DNA του ιού ακριβώς στο σημείο από το οποίο τραβήχτηκε το «φωτογραφικό σκίτσο» την τελευταία φορά.

Σχεδόν αμέσως μετά την ανακάλυψη αυτής της «βακτηριακής ανοσίας», όλοι ξέχασαν τα βακτήρια και τους ιούς τους. Η επιστημονική βιβλιογραφία έχει εκραγεί με ενθουσιώδη άρθρα σχετικά με τις δυνατότητες του συστήματος CRISPR/Cas9 ως εργαλείου για τη γενετική μηχανική και τη μελλοντική ιατρική.

Όπως και με τα περιοριστικά ένζυμα, το σύστημα Crisper είναι ικανό να κόβει το DNA σε ένα αυστηρά καθορισμένο σημείο. Αλλά σε σύγκριση με το «ψαλίδι» που ανακαλύφθηκε τη δεκαετία του εβδομήντα, έχει τεράστια πλεονεκτήματα.

Τα περιοριστικά ένζυμα χρησιμοποιούνται από τους βιολόγους για να «συναρμολογήσουν» DNA αποκλειστικά σε δοκιμαστικό σωλήνα: πρέπει πρώτα να παράγετε το επιθυμητό θραύσμα (για παράδειγμα, ένα τροποποιημένο γονίδιο) και μόνο μετά να το εισάγετε σε ένα κύτταρο ή οργανισμό. Το "Crisper" μπορεί να κόψει το DNA επί τόπου, ακριβώς σε ένα ζωντανό κύτταρο. Αυτό καθιστά δυνατή όχι μόνο την παραγωγή τεχνητά εισαγόμενων γονιδίων, αλλά και την «επεξεργασία» ολόκληρων γονιδιωμάτων: για παράδειγμα, την αφαίρεση ορισμένων γονιδίων και την εισαγωγή νέων στη θέση τους. Μόλις πρόσφατα θα μπορούσε κανείς μόνο να ονειρευτεί αυτό.

Όπως έγινε σαφές τον περασμένο χρόνο, το σύστημα CRISPR είναι ανεπιτήδευτο και μπορεί να λειτουργήσει σε οποιοδήποτε κύτταρο: όχι μόνο σε βακτηριακό, αλλά και σε ποντίκι ή άνθρωπο. Η "εγκατάσταση" του στο επιθυμητό κελί είναι αρκετά απλή. Κατ' αρχήν, αυτό μπορεί να γίνει ακόμη και σε επίπεδο ολόκληρων ιστών και οργανισμών. Στο μέλλον, αυτό θα καταστήσει δυνατή την πλήρη αφαίρεση ελαττωματικών γονιδίων, όπως αυτά που προκαλούν καρκίνο, από το γονιδίωμα ενός ενήλικα.

Ας πούμε ότι η φράση «η μαμά έπλυνε το πλαίσιο» που υπάρχει στο γονιδίωμά σας προκαλεί σε εσάς μια οδυνηρή λαχτάρα για στερεότυπα φύλου. Για να απαλλαγείτε από αυτό το πρόβλημα, χρειάζεστε μια πρωτεΐνη Cas9 -πάντα την ίδια- και ένα ζευγάρι ανιχνευτών RNA που στοχεύουν τις λέξεις "mama" και "rama". Αυτοί οι ανιχνευτές μπορούν να είναι οτιδήποτε - οι σύγχρονες μέθοδοι καθιστούν δυνατή τη σύνθεσή τους σε λίγες ώρες. Δεν υπάρχουν καθόλου περιορισμοί στην ποσότητα: μπορείτε να «κόψετε» το γονιδίωμα τουλάχιστον σε χίλια σημεία ταυτόχρονα.

Στοχευμένη προσαρμογή του σώματος

Αλλά η αξία του Crisper δεν περιορίζεται στη λειτουργία ψαλιδιού. Όπως σημειώνουν πολλοί συγγραφείς, αυτό το σύστημα είναι το πρώτο εργαλείο που είναι γνωστό σε εμάς με το οποίο είναι δυνατό να οργανώσουμε μια «συνάντηση» μιας συγκεκριμένης πρωτεΐνης, ενός συγκεκριμένου RNA και ενός συγκεκριμένου DNA ταυτόχρονα. Αυτό από μόνο του ανοίγει τεράστιες ευκαιρίες για την επιστήμη και την ιατρική.

Για παράδειγμα, μπορείτε να απενεργοποιήσετε τη λειτουργία ψαλιδιού της πρωτεΐνης Cas9 και αντ' αυτού να συνδέσετε μια άλλη πρωτεΐνη σε αυτήν - ας πούμε, έναν ενεργοποιητή γονιδίου. Με τη βοήθεια ενός κατάλληλου ανιχνευτή RNA, το προκύπτον ζεύγος μπορεί να σταλεί στο επιθυμητό σημείο του γονιδιώματος: για παράδειγμα, σε ένα γονίδιο ινσουλίνης που δεν λειτουργεί σωστά σε ορισμένους διαβητικούς. Οργανώνοντας τη συνάντηση μιας ενεργοποιούμενης πρωτεΐνης και ενός απενεργοποιημένου γονιδίου με αυτόν τον τρόπο, είναι δυνατός ο ακριβής και ακριβής συντονισμός της λειτουργίας του σώματος.

Μπορείτε να δεσμεύσετε όχι μόνο ενεργοποιητές, αλλά οτιδήποτε γενικά - ας πούμε, μια πρωτεΐνη που μπορεί να αντικαταστήσει ένα ελαττωματικό γονίδιο με το «εφεδρικό αντίγραφό» του από ένα άλλο χρωμόσωμα. Με αυτόν τον τρόπο, στο μέλλον θα είναι δυνατή η θεραπεία, για παράδειγμα, της νόσου του Huntington. Το κύριο πλεονέκτημα του συστήματος CRISPR σε αυτή την περίπτωση είναι ακριβώς η ικανότητά του να «στέλνει αποστολές» σε οποιοδήποτε σημείο του DNA που μπορούμε να προγραμματίσουμε χωρίς μεγάλη δυσκολία. Το ποιο είναι το καθήκον κάθε συγκεκριμένης αποστολής καθορίζεται μόνο από τη φαντασία των ερευνητών.

Σήμερα είναι δύσκολο να πούμε ακριβώς ποια προβλήματα θα είναι σε θέση να λύσει το σύστημα CRISPR/Cas9 σε μερικές δεκαετίες. Η παγκόσμια κοινότητα γενετιστών μοιάζει τώρα με ένα παιδί που του άφησαν να μπει σε μια τεράστια αίθουσα γεμάτη παιχνίδια. Το κορυφαίο επιστημονικό περιοδικό Science δημοσίευσε πρόσφατα μια ανασκόπηση των πιο πρόσφατων προόδων στον τομέα που ονομάζεται «The CRISPR Craze». Κι όμως, είναι ήδη προφανές: τα βακτήρια και η θεμελιώδης επιστήμη μας έδωσαν για άλλη μια φορά μια τεχνολογία που θα αλλάξει τον κόσμο.

Τον Ιανουάριο, εμφανίστηκαν αναφορές για τη γέννηση των πρώτων πρωτευόντων των οποίων το γονιδίωμα τροποποιήθηκε επιτυχώς από το σύστημα CRISPR/Cas9. Ως δοκιμαστικό πείραμα, στους πιθήκους δόθηκαν μεταλλάξεις σε δύο γονίδια: το ένα σχετίζεται με τη λειτουργία του ανοσοποιητικού συστήματος και το άλλο υπεύθυνο για την εναπόθεση λίπους, κάτι που υποδηλώνει αδιαφανή την πιθανή εφαρμογή της μεθόδου στον homo sapiens. Ίσως η επίλυση του προβλήματος της παχυσαρκίας με τη χρήση γενετικής μηχανικής να μην είναι τόσο μακρινό μέλλον.