Mekanisme yang menyebabkan perubahan informasi genetik. Klasifikasi mutasi berdasarkan perubahan urutan pengkodean DNA (substitusi, penyisipan, penghapusan) Klasifikasi mutasi berdasarkan lokalisasi dalam sel
Informasi herediter ditransmisikan dari satu generasi mikroorganisme ke generasi lainnya melalui sejumlah besar gen yang terkandung dalam nukleotida setiap sel. Informasi yang terkandung dalam gen dibaca dan digunakan untuk mensintesis protein enzimatik tertentu. Kehadiran protein enzimatik ini menciptakan dasar kimia untuk manifestasi sifat tertentu pada suatu mikroorganisme. Akibatnya, semua sifat keturunan mikroorganisme adalah produk akhir dari proses biokimia, yang juga berlaku untuk sifat fisiologis dan sifat morfologi.
Sebuah gen tunggal dapat mengontrol pewarisan suatu sifat, atau dapat menentukan beberapa atau banyak sifat yang mempengaruhi bagian sel mikroorganisme yang berbeda. Dalam kasus lain, beberapa gen mungkin secara bersama-sama mengontrol ekspresi suatu sifat. Dalam kromosom bakteri, semua gen tersusun dalam urutan linier. Gen untuk sifat-sifat tertentu terletak pada lokasi yang sesuai pada kromosom, yang disebut lokus. Bakteri biasanya haploid: mereka hanya mempunyai satu set gen.
Kumpulan lengkap gen yang dimiliki suatu sel suatu mikroorganisme merupakan genotipe mikroorganisme tersebut. Manifestasi ciri-ciri morfologi yang diwariskan dan proses fisiologis pada individu disebut fenotipe (dari bahasa Yunani faino - menunjukkan, menunjukkan). Mikroorganisme yang serupa dalam genotipe dapat berbeda secara signifikan dalam fenotipe, yaitu dalam cara manifestasi sifat-sifat keturunan. Perbedaan fenotipik antara mikroorganisme yang identik genotipenya disebut modifikasi (adaptasi fenotipik). Dengan demikian, interaksi kecenderungan genetik dengan lingkungan luar dapat menjadi penyebab munculnya fenotipe yang berbeda-beda, meskipun genotipe tersebut identik. Namun, kisaran potensi perbedaan fenotipik tersebut dikendalikan oleh genotipe.
Modifikasi, sebagai suatu peraturan, ada selama faktor spesifik lingkungan eksternal yang menyebabkannya bertindak, tidak diwariskan kepada keturunan atau diwariskan olehnya. Dengan demikian, pengobatan fenol pada bakteri dengan flagela mencegah perkembangan flagela pada organisme ini. Namun, keturunan bakteri bebas flagela yang diberi perlakuan fenol yang tumbuh pada media bebas fenol mengembangkan flagela normal.
Telah ditetapkan bahwa hampir semua ciri morfologi dan fisiologis mikroorganisme secara langsung atau tidak langsung dikendalikan oleh informasi genetik yang terkandung dalam DNA.
Informasi yang dibawa DNA bukanlah sesuatu yang benar-benar stabil dan tidak dapat diubah. Jika informasi yang ditransmisikan dari satu generasi ke generasi lainnya tidak dapat berubah, maka rentang reaksi organisme yang berkerabat dekat terhadap faktor lingkungan juga akan konstan, dan setiap perubahan mendadak yang ternyata berbahaya bagi mikroorganisme dengan genotipe beku dapat menyebabkan hingga kepunahan spesies tersebut.. Akibatnya, informasi yang diturunkan dari generasi ke generasi tidak sepenuhnya stabil sehingga berguna bagi kelangsungan spesies.
Perubahan genotipe yang disebut mutasi (dari bahasa Latin mutare - perubahan), terjadi secara spontan, yaitu secara kebetulan. Mutasi tersebut menyebabkan perubahan dramatis pada gen tunggal yang bertanggung jawab atas informasi yang terkandung dalam sel. Biasanya, kesalahan replikasi DNA yang jarang terjadi tidak disertai dengan perubahan besar-besaran dalam informasi yang melibatkan sejumlah besar fitur berbeda. Namun, organisme telah mengembangkan mekanisme lain yang berkontribusi terhadap munculnya perubahan hereditas secara dramatis pada keturunannya. Mekanisme ini terdiri dari asosiasi dan biasanya dalam pengocokan langsung (rekombinasi) gen-gen yang termasuk dalam organisme yang berkerabat dekat, tetapi berbeda secara genotip. Selama rekombinasi genetik, fragmen kromosom mikroorganisme donor dimasukkan ke dalam kromosom satu sel mikroba yang berfungsi sebagai penerima.
Pada mikroorganisme, kemampuan untuk menggabungkan kembali gen dapat direpresentasikan dalam bentuk diagram.
Saat ini, ada tiga jenis transfer sifat dari donor ke penerima yang dikenal dalam mikroorganisme: transformasi, konjugasi, dan transduksi. garam besi aerobik mikroorganisme
Mutasi: Alel yang terjadi pada suatu populasi dengan frekuensi sama dengan atau kurang dari 1%. Penyebab variabilitas suatu organisme bukan hanya variabilitas kombinasional, tetapi juga mutasi. Ini adalah perubahan dalam genom yang terdiri dari munculnya alel baru (disebut mutasi gen), atau dalam penataan ulang kromosom, misalnya, dalam perpindahan sebagian dari satu kromosom ke kromosom lainnya (kemudian disebut mutasi kromosom), atau perubahan genom (mutasi genom). Contoh mutasi genom adalah perubahan jumlah kromosom dalam sel. Mutasi individu jarang terjadi. Misalnya, mutasi gen terjadi pada sekitar satu dari ratusan ribu atau bahkan satu juta gen. Namun, karena jumlah gen cukup banyak, mutasi memberikan kontribusi yang signifikan terhadap variabilitas. Mutasi telah dibahas di atas baik yang berkaitan dengan DNA maupun yang berkaitan dengan karya Morgan. Bagi Morgan, tanda mutasi adalah adanya perbedaan morfologi pada Drosophila yang diturunkan. Hal ini menunjukkan bahwa pada materi genetik mutan terdapat perbedaan dengan genom lalat tipe liar. Dari mana asalnya, pertanyaan itu tidak diajukan pada awalnya. Mutasi adalah perubahan terus-menerus yang terjadi secara acak pada genotipe yang mempengaruhi seluruh kromosom, bagian-bagiannya, atau gen individu. Mutasi bisa berukuran besar, terlihat jelas, misalnya kekurangan pigmen (albinisme), kurangnya bulu pada ayam (Gbr. 11), kaki pendek, dll. Namun, paling sering perubahan mutasi berukuran kecil, penyimpangan yang hampir tidak terlihat dari norma. Istilah "mutasi" diperkenalkan ke dalam genetika oleh salah satu ilmuwan yang menemukan kembali hukum Mendel - G. de Vries pada tahun 1901 (dari bahasa Latin mutatio - perubahan, perubahan). Istilah ini berarti perubahan turun-temurun yang baru muncul, tanpa partisipasi persilangan. Seperti telah disebutkan, mutasi dibagi menjadi mutasi gen, mutasi kromosom, dan mutasi genom (Gbr. 118). Perlu dicatat bahwa dengan mutasi kromosom dan genom, tidak ada gen baru yang muncul dalam genom; sebenarnya, ini adalah perubahan gen lama. Sepintas, akan lebih logis untuk mengaitkan variabilitas tersebut dengan variabilitas kombinasional. Namun, ketika jenis kelamin ditentukan, kemunculan kromosom X tambahan dalam genom dapat menyebabkan perubahan fenotipe secara radikal. Oleh karena itu, secara historis ada tradisi yang mengaitkan perubahan genom tersebut dengan mutasi. Selain mengklasifikasikan mutasi menurut cara terjadinya, mutasi juga diklasifikasikan menurut ciri-ciri lainnya. 1). Mutasi langsung adalah mutasi yang menyebabkan penyimpangan dari tipe liarnya. Mutasi punggung adalah kembalinya ke tipe liar. 2). Jika mutasi terjadi pada sel germinal, maka disebut mutasi generatif (dari lat. generatio - kelahiran), dan jika di sel lain tubuh - mutasi somatik (dari bahasa Yunani soma - tubuh). Mutasi somatik dapat ditularkan ke keturunannya melalui perbanyakan vegetatif. 3). Berdasarkan hasil tersebut, mutasi dibedakan menjadi menguntungkan, netral dan merugikan (termasuk steril, semi-mematikan dan mematikan). Mutasi semi-mematikan adalah mutasi berbahaya yang sangat mengurangi kelangsungan hidup, tetapi tidak fatal, tetapi mematikan - yang menyebabkan kematian suatu organisme pada tahap perkembangan tertentu. Mutasi steril adalah mutasi yang tidak mempengaruhi kelangsungan hidup suatu organisme, tetapi secara tajam (seringkali sampai nol) mengurangi kesuburannya. Mutasi netral adalah mutasi yang tidak mengubah kelangsungan hidup suatu organisme. Biasanya, DNA disalin tepat selama proses replikasi dan tetap tidak berubah antara dua replikasi berturut-turut. Namun terkadang terjadi kesalahan dan urutan DNA berubah - kesalahan ini disebut mutasi. Mutasi adalah perubahan DNA yang diwariskan secara stabil, terlepas dari signifikansi fungsionalnya. Definisi ini menyiratkan perubahan urutan nukleotida primer, sedangkan perubahan jenis lain, seperti metilasi, biasanya disebut sebagai peristiwa epigenetik. Mutasi pada sel somatik dapat menyebabkan penuaan, kanker, dan perubahan lain yang kurang signifikan pada tubuh. Mutasi pada sel germinal orang tua diwarisi oleh anak. Konsep stabilitas mutasi secara umum masih berlaku, namun penemuan mutasi dinamis akibat peningkatan jumlah pengulangan trinukleotida menunjukkan bahwa beberapa mutasi berubah selama pembelahan sel somatik atau sel germinal. Beberapa mutasi bersifat mematikan dan tidak dapat diwariskan ke generasi berikutnya, sementara mutasi lainnya tidak terlalu berbahaya dan tetap ada pada keturunannya. Dari sudut pandang evolusi, mutasi memberikan keragaman genetik yang cukup untuk memungkinkan spesies beradaptasi dengan kondisi lingkungan melalui seleksi alam. Setiap lokus genetik dicirikan oleh tingkat variabilitas tertentu, yaitu adanya alel atau varian rangkaian DNA yang berbeda pada individu yang berbeda. Sehubungan dengan suatu gen, alel dibagi menjadi dua kelompok - alel normal atau alel tipe liar, di mana fungsi gen tidak terganggu, dan alel mutan, yang menyebabkan terganggunya fungsi gen. Dalam populasi mana pun dan untuk gen apa pun, alel tipe liar lebih dominan. Mutasi dipahami sebagai semua perubahan dalam urutan DNA, terlepas dari lokasinya dan dampaknya terhadap kelangsungan hidup individu. Dengan demikian, konsep mutasi lebih luas dibandingkan konsep alel mutan. Dalam literatur ilmiah, varian urutan gen yang sering terjadi dalam populasi dan tidak menyebabkan gangguan fungsional yang nyata biasanya dianggap sebagai mutasi netral atau polimorfisme, sedangkan konsep "mutasi" dan "alel mutan" sering digunakan sebagai sinonim. Mutasi dapat menangkap bagian DNA dengan panjang berbeda. Ini mungkin nukleotida tunggal, maka kita akan berbicara tentang mutasi titik, atau bagian molekul yang diperluas. Selain itu, mengingat sifat perubahannya, kita dapat berbicara tentang substitusi nukleotida, penghapusan dan penyisipan (insertion) dan inversi. Proses mutasi disebut mutagenesis. Tergantung pada faktor penyebab mutasi, mereka dibagi menjadi spontan dan diinduksi. Mutasi spontan terjadi secara spontan sepanjang hidup suatu organisme dalam kondisi lingkungan normal. Mutasi spontan pada sel eukariotik terjadi pada frekuensi 10-9-10-12 per nukleotida per generasi sel. Mutasi yang terjadi sebagai akibat dari pengaruh mutagenik dalam kondisi percobaan atau pengaruh lingkungan yang merugikan disebut terinduksi. Di antara faktor mutagenik yang paling penting, pertama-tama, perlu diperhatikan mutagen kimia - zat organik dan anorganik yang menyebabkan mutasi, serta radiasi pengion. Tidak ada perbedaan yang signifikan antara mutasi spontan dan mutasi induksi. Kebanyakan mutasi spontan disebabkan oleh efek mutagenik yang tidak dicatat oleh peneliti. Perlu ditekankan bahwa kegunaan atau bahaya mutasi bergantung pada kondisi lingkungan: dalam beberapa kondisi lingkungan, mutasi tertentu berbahaya, dalam kondisi lingkungan lain menguntungkan. Misalnya, mutasi yang menyebabkan albinisme akan bermanfaat bagi penghuni Arktik, memberikan warna putih pelindung, namun berbahaya, membuka kedok bagi hewan yang hidup dalam kondisi lain. Variabilitas menyediakan bahan bagi tindakan seleksi alam dan mendasari proses evolusi. Mutasi menyediakan bahan untuk pekerjaan para pemulia. Memperoleh dan memilih mutasi yang berguna (bagi manusia) mendasari terciptanya varietas baru tumbuhan, hewan, dan mikroorganisme. Klasifikasi mutasi didasarkan pada proses molekuler terjadinya mutasi.
Sejarah terbentuknya mikrobiologi sebagai ilmu
Mikrobiologi (dari bahasa Yunani micros. kecil, bios. kehidupan, logos. doktrin) adalah ilmu yang mempelajari struktur, aktivitas vital dan ekologi mikroorganisme dari bentuk kehidupan terkecil yang berasal dari tumbuhan atau hewan, tidak terlihat dengan mata telanjang.
Mikrobiologi mempelajari semua perwakilan mikrokosmos (bakteri, jamur, protozoa, virus). Pada intinya, mikrobiologi adalah ilmu biologi yang mendasar. Untuk mempelajari mikroorganisme, ia menggunakan metode ilmu-ilmu lain, terutama fisika, biologi, kimia bioorganik, biologi molekuler, genetika, sitologi, dan imunologi. Seperti ilmu pengetahuan lainnya, mikrobiologi terbagi menjadi umum dan khusus. Mikrobiologi umum mempelajari pola struktur dan aktivitas vital mikroorganisme di semua tingkatan. molekuler, seluler, populasi; genetika dan hubungannya dengan lingkungan. Subyek kajian mikrobiologi swasta adalah perwakilan individu dari dunia mikro, tergantung pada manifestasi dan pengaruhnya terhadap lingkungan, satwa liar, termasuk manusia. Bagian swasta mikrobiologi meliputi: mikrobiologi kedokteran, kedokteran hewan, pertanian, teknis (bagian bioteknologi), kelautan, luar angkasa. Mikrobiologi medis mempelajari mikroorganisme patogen bagi manusia: bakteri, virus, jamur, protozoa. Tergantung pada sifat mikroorganisme patogen yang diteliti, mikrobiologi medis dibagi menjadi bakteriologi, virologi, mikologi, dan protozoologi. Masing-masing disiplin ilmu mempertimbangkan isu-isu berikut: - morfologi dan fisiologi, yaitu. melakukan penelitian mikroskopis dan jenis lainnya, mempelajari metabolisme, nutrisi, respirasi, kondisi pertumbuhan dan reproduksi, karakteristik genetik mikroorganisme patogen; - peran mikroorganisme dalam etiologi dan patogenesis penyakit menular; - manifestasi klinis utama dan prevalensi penyakit yang ditimbulkan; - diagnosis spesifik, pencegahan dan pengobatan penyakit menular; - ekologi mikroorganisme patogen. Mikrobiologi medis juga mencakup mikrobiologi sanitasi, klinis dan farmasi. Mikrobiologi sanitasi mempelajari mikroflora lingkungan, hubungan mikroflora dengan tubuh, pengaruh mikroflora dan produk metabolismenya terhadap kesehatan manusia, mengembangkan langkah-langkah untuk mencegah dampak buruk mikroorganisme pada manusia. Fokus mikrobiologi klinis. Peran mikroorganisme oportunistik dalam terjadinya penyakit manusia, diagnosis dan pencegahan penyakit tersebut. Mikrobiologi farmasi mempelajari penyakit menular tanaman obat, pembusukan tanaman obat dan bahan baku akibat pengaruh mikroorganisme, pencemaran produk obat selama penyiapan, serta bentuk sediaan jadi, metode asepsis dan antiseptik, desinfeksi dalam produksi produk obat, teknologi untuk memperoleh sediaan mikrobiologi dan imunologi, diagnostik, profilaksis dan obat. Mikrobiologi veteriner mempelajari permasalahan yang sama dengan mikrobiologi medis, namun dengan mengacu pada mikroorganisme penyebab penyakit hewan. Mikroflora tanah, flora, pengaruhnya terhadap kesuburan, komposisi tanah, penyakit menular tanaman, dll. merupakan fokus mikrobiologi pertanian. Mikrobiologi kelautan dan luar angkasa mempelajari, masing-masing, mikroflora laut dan waduk serta luar angkasa dan planet lain. Mikrobiologi teknis yang merupakan bagian dari bioteknologi mengembangkan teknologi untuk memperoleh berbagai produk mikroorganisme untuk perekonomian nasional dan obat-obatan (antibiotik, vaksin, enzim, protein, vitamin). Dasar dari bioteknologi modern adalah rekayasa genetika. Banyak penemuan di bidang mikrobiologi, studi tentang hubungan antara makro dan mikroorganisme pada paruh kedua abad ke-19. berkontribusi pada pesatnya perkembangan imunologi. Awalnya imunologi dianggap sebagai ilmu tentang kekebalan tubuh terhadap penyakit menular. Saat ini telah menjadi ilmu kedokteran umum dan biologi umum. Telah terbukti bahwa sistem kekebalan tubuh berfungsi untuk melindungi tubuh tidak hanya dari agen mikroba, tetapi juga dari segala zat yang secara genetik asing bagi tubuh untuk menjaga kestabilan lingkungan internal tubuh, yaitu. homeostatis. Imunologi menjadi dasar pengembangan metode laboratorium untuk diagnosis, pencegahan dan pengobatan penyakit menular dan banyak penyakit tidak menular, serta pengembangan sediaan imunobiologis (vaksin, imunoglobulin, imunomodulator, alergen, sediaan diagnostik). Imunobioteknologi terlibat dalam pengembangan dan produksi sediaan imunobiologis. cabang independen dari imunologi. Mikrobiologi dan imunologi medis modern telah mencapai kesuksesan besar dan memainkan peran besar dalam diagnosis, pencegahan dan pengobatan penyakit menular dan tidak menular yang berhubungan dengan gangguan sistem kekebalan (onkologi, penyakit autoimun, transplantasi organ dan jaringan, dll.).
Transformasi besi
Di daerah beriklim sedang, orang sehat membutuhkan 10-15 mg zat besi per hari dalam makanan. Jumlah ini cukup untuk menutupi kerugiannya dari tubuh. Tubuh kita mengandung 2 hingga 5 g zat besi, tergantung pada tingkat hemoglobin, berat badan, jenis kelamin dan usia. Terutama banyak dalam hemoglobin darah - dua pertiga dari jumlah total yang terkandung dalam tubuh; sisanya disimpan di organ dalam, terutama di hati.
Zat besi dari makanan diserap di usus dan dipindahkan ke pembuluh darah, di mana zat besi tersebut ditangkap oleh protein transpor khusus. Protein ini pertama kali ditemukan pada tahun 1920 dalam serum darah. Namun metode analisis yang ada pada saat itu tidak memungkinkan kita menentukan strukturnya secara akurat. Baru pada tahun 1945 ilmuwan Swedia K-Holmberg dan K.-B. Laurell mempelajari protein yang mengandung zat besi ini secara rinci, menetapkan sifatnya dan memberinya nama "transferrin".
Menariknya, protein serupa juga diisolasi dari susu pada tahun 1939 dan diberi nama laktoferin. Berat molekul protein ini kurang lebih sama yaitu sekitar 80 ribu, mampu mengikat 2 atom besi sehingga memberikan ciri khas warna kemerahan. Laktoferin kemudian ditemukan dalam air mata, empedu dan cairan tubuh lainnya. Sebenarnya, protein transpor melakukan fungsi yang mirip dengan hemoglobin, hanya saja mereka tidak membawa oksigen, melainkan besi, dan besi trivalen. Ini diangkut terutama ke sumsum tulang, sebagian kecil masuk ke hati dan limpa, di mana ia disimpan sebagai dana cadangan; sejumlah kecil digunakan untuk pembentukan mioglobin dan beberapa enzim respirasi jaringan. Organ utama tempat terjadinya pertukaran zat besi adalah sumsum tulang, hati, dan usus halus, dimana terdapat reseptor khusus yang berfungsi untuk menerima transferin.
Di sumsum tulang terbentuk hemoglobin dan sel darah merah yang lamanya sekitar 4 bulan. Setelah itu, hemoglobin dihancurkan, terpecah menjadi heme dan globin. Transformasi lebih lanjut dari zat-zat ini berlangsung dengan cara yang berbeda. Globin dihidrolisis menjadi asam amino, dan heme di hati diubah menjadi pigmen empedu - menjadi biliverdin hijau, yang direduksi menjadi bilirubin, yang berwarna kuning-oranye atau coklat. Hanya sebagian kecil dari pigmen ini yang masuk kembali ke dalam darah, tetapi sebagian besar dikeluarkan dari tubuh. Pada penyakit hati seperti penyakit kuning, jumlah bilirubin berlebih memasuki aliran darah, yang memberikan ciri khas warna kuning pada kulit dan bagian putih mata.
Kami katakan di atas bahwa sebagian zat besi dalam tubuh disimpan sebagai cadangan. Dalam kondisi normal, besi penyimpanan tersebut merupakan bagian dari protein feritin yang larut dalam air berwarna merah-coklat, yang didistribusikan secara luas di dunia tumbuhan dan hewan. Hal ini ditemukan pada vertebrata, invertebrata, bunga, dan bahkan jamur. Ini menunjukkan peran universal dan asal usul evolusioner kuno. Ferritin pertama kali diisolasi oleh F. Laufberger pada tahun 1937 dari limpa kuda. Beberapa saat kemudian, perannya sebagai senyawa yang mengakumulasi zat besi dalam tubuh diketahui. Molekul feritin merupakan agregat besi berupa senyawa kompleks yang dikelilingi oleh protein apoferitik dengan berat molekul 480 ribu, kompleks tersebut dapat mengandung hingga 4,5 ribu atom besi. Jika transferin serupa nilainya dengan hemoglobin, maka feritin serupa dalam hal ini dengan mioglobin.
Jadi, sebagian besar zat besi bersirkulasi dalam tubuh kita, sebagian terakumulasi dalam feritin, dan sebagian kecil lagi mengendap dalam bentuk butiran protein hemosiderin yang tidak larut. Pada feritin dan hemosiderin, zat besi dapat disimpan dalam waktu yang lama – hingga sangat dibutuhkan oleh tubuh, misalnya saat kehilangan darah. Kemudian besi cadangannya digunakan untuk sintesis hemoglobin. Cara mengekstraknya dari protein penyimpanan belum diketahui secara pasti. Seperti yang belum diketahui, kemungkinan besar sejumlah zat, dengan satu atau lain cara, berhubungan dengan zat besi dalam tubuh kita.
Mikroorganisme dan lingkungan. Faktor fisik (konsentrasi garam)
Pada bab-bab sebelumnya telah dijelaskan berbagai mikroorganisme, dikelompokkan menurut sifat fisiologis dan biokimianya. Ada juga yang menyebutkan habitat. Informasi yang diperoleh sekarang memungkinkan kita untuk mempertimbangkan hubungan mikroorganisme dengan lingkungannya. Kita akan fokus dulu pada konsep dasar dan konsep ekologi. Ilmu ini mempelajari perilaku organisme di habitat aslinya, hubungannya satu sama lain, dan dengan lingkungan. Jejak pertama kehidupan berasal dari lebih dari 3 miliar tahun yang lalu; ini adalah mikroorganisme yang mendominasi biosfer bumi hingga sekitar 0,5 miliar tahun yang lalu. Jadi, prokariota tidak hanya berdiri pada asal usul kehidupan duniawi, tidak hanya seluruh variasi bentuk eukariotik berkembang darinya, tetapi mereka selalu ada setelahnya. Bentuk-bentuk kehidupan yang lebih tinggi sepanjang evolusinya tidak pernah sendirian; mereka terus-menerus dikerumuni atau didukung oleh organisme uniseluler yang ada di mana-mana. Di antara bentuk-bentuk kehidupan modern yang lebih tinggi ada yang telah memantapkan dirinya tidak hanya dalam perjuangan melawan jenisnya sendiri, tetapi juga dalam hubungan dengan mikroorganisme. Banyak organisme dalam proses evolusi telah mengembangkan kemitraan yang toleran - simbiosis mutualistik. Mikroorganisme sudah ada ketika permukaan planet kita mulai berbentuk seperti sekarang; mereka sudah ada pada saat benua-benua sedang bergeser, terbentuklah sedimen setebal beberapa ribu meter, kerak bumi tenggelam dan terlipat berkali-kali, endapan bijih, batu bara, minyak dan gas alam muncul. Mikroorganisme secara aktif berpartisipasi dalam banyak proses ini. Setidaknya selama 80% dari seluruh periode evolusi organik, Bumi hanya dihuni oleh mikroorganisme. Jika sisa-sisa fosil mikroba jarang ditemukan, maka data perbandingan fisiologi dan biokimia cukup mendukung klasifikasi prokariota menurut jenis metabolismenya. Namun, ketika membaca bagian tentang evolusi organisme, kita harus mempertimbangkan fakta bahwa masih banyak kesenjangan dan dugaan di bidang ini. FAKTOR FISIK
Air mineral Laut Mati memiliki konduktivitas termal dan kapasitas panas yang tinggi. Jadi, faktor pengaruh pertama adalah suhu. Situs utama penerapannya adalah kulit. Iritasi pada reseptor saraf pada kulit menyebabkan penghambatan difus di korteks serebral, mis. penghapusan tegangan lebih akibat tekanan psikologis, stres, dll. Dengan paparan panas yang intens saat mandi, perpindahan panas ditingkatkan melalui keringat, yang berkontribusi pada detoksifikasi tubuh. Selain itu, efek termal pada otot berkontribusi terhadap relaksasinya. Dalam pemandian garam Laut Mati, kolom air setinggi 40-50 cm memberikan tekanan 1/5 atmosfer, sehingga merangsang fungsi pernapasan dan peredaran darah. Pembuluh darah organ perut bereaksi terhadap perubahan suhu kulit: peningkatan suhu luar, disertai perluasan pembuluh kulit, menyebabkan penyempitan pembuluh darah organ perut dan sebaliknya. Pengecualiannya adalah ginjal: vasodilatasi pada kulit menyebabkan vasodilatasi pada ginjal. Untuk memperoleh respon vaskular yang memadai, suhu seluruh bagian tubuh harus sama sebelum mandi. Misalnya, kaki yang dingin sebaiknya dihangatkan di baskom atau di bawah air panas yang mengalir. Dalam hal ini, reaksi vaskular akan menuju ke arah yang benar dan efek mandi akan menjadi positif. Berdasarkan hal tersebut di atas, disarankan untuk mandi dengan garam Laut Mati pada suhu air 37-39 derajat, durasi 10 hingga 15 menit.
Konversi fosfor
Daur fosfor jauh lebih sederhana dibandingkan karbon dan nitrogen. Ini terutama terdiri dari mineralisasi fosfor organik dan transfer garam fosfat dari garam yang kurang larut ke garam yang lebih larut (mobilisasi fosfor). Dalam tubuh hewan dan tumbuhan, fosfor merupakan bagian dari zat protein (nukleoprotein) dan beberapa lipoid (lesitin). Fosfor ini, setelah kematian hewan dan tumbuhan, ketika diurai oleh mikroba pembusuk dan mikroba lainnya, termineralisasi dan berubah menjadi asam fosfat, yang dengan cepat berikatan dengan basa dan berubah menjadi garam kalsium, magnesium, besi yang sedikit larut, tidak cocok untuk nutrisi tanaman. Selanjutnya, perpindahan garam-garam yang sedikit larut ini menjadi garam-garam yang larut terjadi sebagai akibat dari proses biokimia yang disertai dengan pembentukan asam. Proses-proses tersebut menghasilkan bakteri pembentuk asam yaitu nitrifikasi, bakteri belerang, tionat, amonifikasi, membentuk asam karbonat dalam jumlah besar, terutama Anda. mycoides.
Garam trikalsium yang sedikit larut diubah menjadi garam dikalsium fosfor yang mudah larut:
Ca3 (PO4) 2 + 2CO2 + 2H2O \u003d 2CaHPO4 + Ca (HCO3) 2
Ca3(PO4)2+4HNO3=Ca(H2PO4)2+2Ca(NO3)2,
yang diambil oleh tanaman.
Dalam kondisi anaerobik, bakteri tanah dapat mereduksi garam fosfat hingga hidrogen fosfida dengan adanya bahan organik. Hal ini mengakibatkan hilangnya garam fosfat yang berharga. Obat terbaik untuk melawan proses berbahaya ini adalah aerasi tanah yang baik.
Dekomposisi aerobik selulosa
Penguraian selulosa dalam kondisi aerobik. Di tanah yang memiliki aerasi yang baik, selulosa diurai dan digunakan oleh mikroorganisme aerob (jamur, myxobacteria, dan eubacteria lainnya), dan dalam kondisi anaerobik, terutama clostridia. Dalam kondisi aerobik, peran penting dalam penguraian selulosa adalah milik jamur. Dalam hal ini, mereka lebih efektif dibandingkan bakteri, terutama di tanah masam dan dalam penguraian selulosa yang dilapisi lignin (kayu). Perwakilan dari dua genera, Fusarium dan Chaetomium, memainkan peran penting dalam proses ini. Selulosa juga dicerna oleh Aspergillus fumigatus, A. nidulans, Botrytis cinerea, Rhizoctonia solani, Trichoderma viride, Chaetomium globosum dan Myrothecium verrucaria. Tiga spesies terakhir berfungsi sebagai organisme uji untuk mendeteksi pemecahan selulosa, serta sebagai bahan uji yang digunakan untuk menghamili berbagai bahan guna melindunginya dari aksi mikroorganisme pengurai selulosa. Jamur membentuk selulase, yang dapat diisolasi dari miselium dan media nutrisi. Cytophaga dan Sporocytophaga adalah bakteri aerob yang menguraikan selulosa. Mereka paling mudah diisolasi dengan metode pengayaan kultur yang biasa dilakukan dalam media cair. Kedua genera ini, berkerabat dekat dengan myxobacteria, mencakup banyak spesies. Sedikit yang diketahui tentang penggunaan selulosa oleh myxobacteria dan efek utamanya terhadap selulosa. Mereka gagal mendeteksi selulase ekstraseluler atau produk pembelahan selulosa. Sel-sel bakteri ini melekat erat pada serat selulosa, sejajar dengan sumbu serat. Rupanya, mereka menghidrolisis selulosa hanya jika bersentuhan dekat dengan serat, dan produk hidrolisis segera diserap. Pada agar-agar dengan selulosa, koloni Cytophaga tidak pernah dikelilingi oleh zona transparan di mana produk pembelahan selulosa secara enzimatik akan berada. Selain spesies Cytophaga, bakteri mixo dari genera Polyangium, Sporangium dan Archangium, yang membentuk tubuh buah, dapat tumbuh. pada selulosa. Banyak dari bakteri aerobik yang disebut "omnivora" juga dapat menggunakan selulosa sebagai substrat untuk pertumbuhan. Beberapa dari mereka menggunakan selulosa, tampaknya hanya jika tidak ada sumber karbon lain; sintesis dan pelepasan selulase pada bakteri tersebut diatur oleh jenis represi katabolit. Beberapa bentuk yang mirip dengan Pseudomonas sebelumnya dikelompokkan dalam Cellvibrio. Mereka sekarang digambarkan sebagai Pseudomonas fluorescens var. selulosa. Dari bakteri coryneform, Cellulomonas harus disebutkan; bakteri ini bahkan seharusnya digunakan untuk memperoleh protein dari selulosa. Di antara actinomycetes, hanya beberapa spesies pengurai selulosa yang telah dideskripsikan: Micromonospora chalcea, Streptomyces cellulosae, Strepto-sporangium. Penguraian selulosa dalam kondisi anaerobik. Dalam kondisi anaerobik, selulosa paling sering dipecah oleh clostridia mesofilik dan termofilik. Spesies termofilik Clostridium thermocellum tumbuh pada media sintetik sederhana, menggunakan selulosa atau selobiosa sebagai substrat, dan garam amonium sebagai sumber nitrogen; Bakteri ini tidak memanfaatkan glukosa dan banyak gula lainnya. Produk fermentasi selulosa adalah etanol, asetat, asam format dan laktat, molekul hidrogen dan CO2. Di luar sel, selulosa mungkin terurai hanya menjadi selobiosa. Fermentasi selulosa oleh spesies mesofilik Clostridium cellobioparum menghasilkan produk serupa. Batang panjang Bacillus disolvens berperilaku serupa dengan spesies Cytophaga yang disebutkan di atas: sel-sel bakteri ini melekat erat pada serat selulosa dan tidak melepaskan selulase ke dalam medium.
Respirasi adalah suatu proses yang menyediakan metabolisme organisme hidup dari lingkungan dengan oksigen (O2) dan mengeluarkan sebagian produk metabolisme tubuh (CO2, H2O, dll) ke lingkungan dalam bentuk gas. Respirasi adalah bentuk utama disimilasi pada manusia, hewan, tumbuhan dan banyak mikroorganisme. Selama respirasi, zat yang kaya energi kimia milik tubuh dioksidasi menjadi produk akhir yang miskin energi (karbon dioksida dan air), menggunakan oksigen molekuler untuk ini.
Istilah "anaerob" diperkenalkan oleh Louis Pasteur, yang menemukan bakteri fermentasi butirat pada tahun 1861. Respirasi anaerobik adalah serangkaian reaksi biokimia yang terjadi dalam sel organisme hidup ketika zat lain (misalnya nitrat) digunakan sebagai akseptor proton akhir dan mengacu pada proses metabolisme energi (katabolisme, disimilasi), yang ditandai dengan oksidasi karbohidrat, lipid dan asam amino menjadi senyawa dengan berat molekul rendah.
Fermentasi asam laktat adalah konversi gula secara anaerobik oleh bakteri asam laktat menjadi asam laktat.
Fermentasi alkohol adalah reaksi fermentasi kimia yang dilakukan oleh ragi, yang mengakibatkan satu molekul glukosa diubah menjadi 2 molekul etanol dan 2 molekul karbon dioksida.
Fermentasi butirat adalah proses pengubahan gula oleh bakteri butirat dalam kondisi anaerobik untuk membentuk asam butirat, karbon dioksida, dan hidrogen.
Nitrifikasi adalah proses mikrobiologis oksidasi amonia menjadi asam nitrat atau selanjutnya menjadi asam nitrat, yang berhubungan dengan produksi energi (kemosintesis, nitrifikasi autotrofik) atau dengan perlindungan terhadap spesies oksigen reaktif yang terbentuk selama dekomposisi hidrogen peroksida (nitrifikasi heterotrofik) .
Denitrifikasi (reduksi disimilasi nitrat) adalah penjumlahan proses mikrobiologis reduksi nitrat menjadi nitrit dan selanjutnya menjadi gas oksida dan molekul nitrogen. Akibatnya, nitrogen mereka kembali ke atmosfer dan tidak dapat diakses oleh sebagian besar organisme. Ini hanya dilakukan oleh prokariota (bakteri dan archaea) dalam kondisi anaerobik dan dikaitkan dengan produksi energinya.
Fiksasi nitrogen - fiksasi molekul nitrogen atmosfer, diazotrofi. Proses reduksi molekul nitrogen dan memasukkannya ke dalam biomassanya oleh mikroorganisme prokariotik. Sumber nitrogen terpenting dalam siklus biologis. Dalam ekosistem darat, pengikat nitrogen terlokalisasi terutama di dalam tanah.
Streptokokus. Streptococci berbentuk bulat, kecil, tersusun dalam rantai dengan berbagai panjang, kokus. Seringkali rantai ini terdiri dari kokus berpasangan - diplo-streptokokus. Pewarnaan streptokokus untuk Gram. Dalam dahak, mereka menderita bronkitis, abses, gangren paru-paru. Streptokokus dianggap patogen jika berada di antara dan di dalam leukosit.
stafilokokus. Kokus bulat berbagai ukuran, tersusun berkelompok, maupun tunggal diwarnai dengan cat konvensional dan Gram. Stafilokokus sering ditemukan di dalam sel darah putih. Dalam dahak, streptokokus sering diamati secara bersamaan.
Tetrakokus (mikrokokus tetragenus). Mereka tampak seperti kokus lonjong atau bulat dengan berbagai ukuran, tersusun empat dan dikelilingi oleh kapsul umum. bernoda Gram. Dalam dahak, mereka diamati dengan abses dan gangren paru-paru, bronkitis, dan juga sebagai infeksi sekunder pada tuberkulosis, lebih sering dengan adanya gigi berlubang.
SARCINA (dari lat. sarcina - seikat, simpul), bakteri berbentuk bola (cocci) yang membentuk kelompok seperti paket kubik. diam; tidak patogen.
BACILLA (dari bahasa Latin bacillum - tongkat), bakteri berbentuk batang. Dalam arti sempit, basil adalah bakteri berbentuk batang yang membentuk spora intraseluler (bentuk istirahat yang tahan terhadap suhu tinggi, radiasi dan pengaruh buruk lainnya). Beberapa basil menyebabkan penyakit pada hewan dan manusia, seperti antraks, tetanus.
Clostridia (lat. Clostridium) adalah genus bakteri anaerob obligat gram positif yang mampu menghasilkan endospora. Sel-selnya terpisah berbentuk batang memanjang, nama genusnya berasal dari bahasa Yunani klptfed (spindle). Banyak spesies yang dimasukkan ke dalam Clostridia berdasarkan sifat morfologi ini kemudian diklasifikasi ulang. Endospora dapat terletak secara terpusat, eksentrik, dan terminal. Diameter endospora seringkali melebihi diameter sel.
Spirilla (Novolatin spirilla, kecil dari bahasa Latin spira, bahasa Yunani speira - membengkokkan, memutar, menggulung) bakteri yang berbentuk batang berbelit-belit atau melengkung secara spiral. Ukuran S. bervariasi pada spesies yang berbeda dalam rentang yang luas: lebar dari 0,6-0,8 hingga 2-3 mikron, panjang dari 1-3,2 hingga 30-50 mikron. C. tidak membentuk spora, bersifat gram positif, mobile karena seikat flagela yang terletak di ujung sel. Ada spesies S. yang tumbuh buruk pada media nutrisi laboratorium; spesies individu belum diisolasi dalam budaya murni sama sekali. S. - saprofit; Mereka hidup di perairan tawar dan air asin, juga ditemukan di air tergenang yang membusuk, bubur dan isi usus hewan.
Spirochetes (lat. Spirochaetales) - ordo bakteri dengan sel yang panjang (3--500 mikron) dan tipis (0,1--1,5 mikron) secara spiral (Yunani ureisb "curl") (satu atau lebih putaran spiral) .
Actinomycetes (jamur bercahaya usang) adalah bakteri yang memiliki kemampuan untuk membentuk miselium bercabang pada beberapa tahap perkembangannya (beberapa peneliti, menekankan sifat bakteri dari actinomycetes, menyebutnya analog dengan filamen tipis miselium jamur) dengan diameter 0,4--1,5 mikron , yang terwujud di dalamnya dalam kondisi keberadaan yang optimal. Mereka memiliki tipe dinding sel gram positif dan kandungan pasangan GC dalam DNA yang tinggi (60-75%).
Mycobacteria (Mycobacteriaceae) adalah keluarga actinomycetes. Satu-satunya genus adalah Mycobacterium. Beberapa perwakilan dari genus Mycobacterium (misalnya M. tuberkulosis, M. leprae) bersifat patogen bagi mamalia (lihat tuberkulosis, mikobakteriosis, kusta).
Ensiling merupakan salah satu cara mengawetkan dan menyimpan pakan sukulen. Silase mutu tinggi mempunyai bau aromatik yang sedap dari acar sayur dan buah, warna hijau muda, hijau kekuningan dan hijau kecoklatan dengan tingkat keasaman 3,9-4,2. Ini adalah komponen makanan yang sangat baik di periode musim dingin, mudah dimakan oleh hewan.
silase - dehidrasi tanaman hijau untuk menciptakan defisit air yang mencegah perkembangan bakteri yang tidak diinginkan selama penyimpanan massal tanpa akses udara. Berbeda dengan ensiling, proses fermentasi selama persiapan haylage terhambat, karena rumput dikeringkan di ladang hingga kadar air 45-55%, sehingga apa yang disebut kekeringan fisiologis massa tercapai.
Bakteri Gram negatif (dilambangkan Gram (-)) adalah bakteri yang, tidak seperti bakteri Gram positif, menjadi tidak berwarna bila dicuci menggunakan metode pewarnaan Gram. Setelah pemutihan, biasanya diwarnai dengan pewarna tambahan (magenta) berwarna merah muda.
TERMOGENESIS adalah produksi panas oleh tubuh untuk mempertahankan suhu tubuh yang konstan dan memastikan berfungsinya semua sistemnya, mulai dari berfungsinya proses intraseluler, hingga memastikan sirkulasi darah, pencernaan makanan, kemampuan bergerak, dll.
Pasteurisasi adalah proses pemanasan satu kali pada produk atau zat cair hingga suhu 60°C selama 60 menit atau pada suhu 70-80°C selama 30 menit. Teknologi ini ditemukan pada pertengahan abad ke-19 oleh ahli mikrobiologi Perancis Louis Pasteur. Ini digunakan untuk mendisinfeksi produk makanan dan memperpanjang umur simpannya.
Sterilisasi (dari bahasa Latin sterilis - mandul) - pelepasan lengkap berbagai zat, benda, produk makanan dari mikroorganisme hidup.
Bakteri Gram positif (dilambangkan Gram (+)) adalah bakteri yang, tidak seperti bakteri Gram negatif, mempertahankan warnanya, tidak berubah warna saat dicuci menggunakan pewarna Gram mikroorganisme.
Adhesi (dari bahasa Latin adhaesio - menempel) dalam fisika - adhesi permukaan benda padat dan/atau cair yang berbeda. Adhesi disebabkan oleh interaksi antarmolekul (van der Waals, polar, kadang-kadang - pembentukan ikatan kimia atau difusi timbal balik) pada lapisan permukaan dan ditandai dengan kerja spesifik yang diperlukan untuk memisahkan permukaan. Dalam beberapa kasus, adhesi mungkin lebih kuat daripada kohesi, yaitu adhesi dalam bahan homogen, dalam kasus seperti itu, ketika gaya sobek diterapkan, terjadi pecahnya kohesif, yaitu pecahnya volume bahan yang bersentuhan dengan kekuatan yang lebih kecil.
Komensalisme (lat. con mensa - secara harfiah "di meja", "di meja yang sama") adalah cara hidup berdampingan antara dua jenis organisme hidup yang berbeda, di mana satu populasi mendapat manfaat dari hubungan tersebut, dan yang lain tidak menerima manfaat apa pun. manfaat atau bahaya (misalnya, gegat biasa dan manusia).
PHAGIA (dari bahasa Yunani phagos - pemakan), merupakan bagian integral dari kata majemuk, sesuai artinya dengan kata makan, menyerap.
Satelitisme adalah peningkatan pertumbuhan satu jenis mikroorganisme di bawah pengaruh mikroorganisme lain. Dengan pertumbuhan gabungan beberapa jenis mikroba, fungsi fisiologisnya dapat diaktifkan, yang menghasilkan efek lebih cepat pada substrat. Misalnya, koloni ragi atau sarcin, melepaskan metabolit ke dalam media nutrisi, merangsang pertumbuhan beberapa mikroorganisme lain di sekitar koloninya.
Fitohormon adalah zat organik dengan berat molekul rendah yang diproduksi oleh tanaman dan memiliki fungsi pengaturan. Fitohormon konsentrasi rendah (hingga 10–11 M) bersifat aktif, sedangkan fitohormon menyebabkan berbagai perubahan fisiologis dan morfologi pada bagian tanaman yang sensitif terhadap kerjanya.
1. Bentuk mikroorganisme
2. Struktur sel bakteri
3. Organ pergerakan bakteri
4. Perangkat mikroskop
5. Bentuk koloni
6. Profil koloni.
7. Tepian koloni
8. Siklus konversi nitrogen
9. Siklus konversi fosfor
10. Siklus konversi belerang
Mutasi gen - perubahan struktur satu gen. Ini adalah perubahan urutan nukleotida: dropout, penyisipan, penggantian, dll. Misalnya mengganti a dengan m Penyebabnya adalah pelanggaran pada saat penggandaan (replikasi) DNA
Mutasi gen adalah perubahan molekuler pada struktur DNA yang tidak terlihat di bawah mikroskop cahaya. Mutasi gen mencakup segala perubahan dalam struktur molekul DNA, terlepas dari lokasinya dan dampaknya terhadap kelangsungan hidup. Beberapa mutasi tidak berpengaruh pada struktur dan fungsi protein terkait. Bagian lain (sebagian besar) dari mutasi gen menyebabkan sintesis protein cacat yang tidak mampu menjalankan fungsinya dengan baik. Mutasi genlah yang menentukan perkembangan sebagian besar bentuk patologi herediter.
Penyakit monogenik yang paling umum pada manusia adalah: fibrosis kistik, hemokromatosis, sindrom adrenogenital, fenilketonuria, neurofibromatosis, miopati Duchenne-Becker dan sejumlah penyakit lainnya. Secara klinis, hal tersebut dimanifestasikan oleh tanda-tanda gangguan metabolisme (metabolisme) dalam tubuh. Mutasinya mungkin:
1) dalam substitusi basa dalam kodon, inilah yang disebut mutasi missense(dari bahasa Inggris, mis - false, false + lat. sensus - makna) - substitusi nukleotida di bagian pengkodean gen, yang mengarah ke substitusi asam amino dalam polipeptida;
2) dalam perubahan kodon yang akan menyebabkan terhentinya pembacaan informasi, inilah yang disebut mutasi yang tidak masuk akal(dari bahasa Latin non - no + sensus - makna) - penggantian nukleotida di bagian pengkodean gen mengarah pada pembentukan kodon terminator (stop kodon) dan penghentian penerjemahan;
3) pelanggaran pembacaan informasi, pergeseran kerangka bacaan, disebut pergeseran bingkai(dari bahasa Inggris frame - frame + shift: - shift, motion), ketika perubahan molekuler pada DNA menyebabkan perubahan kembar tiga selama translasi rantai polipeptida.
Jenis mutasi gen lainnya juga diketahui. Menurut jenis perubahan molekulnya, ada:
divisi(dari lat. deletio - kehancuran), ketika ada hilangnya segmen DNA yang ukurannya berkisar dari satu nukleotida hingga satu gen;
duplikasi(dari lat. duplicatio - penggandaan), mis. duplikasi atau penggandaan ulang segmen DNA dari satu nukleotida ke seluruh gen;
inversi(dari lat. inversio - membalik), mis. pergantian 180° segmen DNA dengan ukuran mulai dari dua nukleotida hingga sebuah fragmen yang mencakup beberapa gen;
sisipan(dari lat. insertio - lampiran), mis. penyisipan fragmen DNA dengan ukuran mulai dari satu nukleotida hingga seluruh gen.
Perubahan molekul yang mempengaruhi satu hingga beberapa nukleotida dianggap sebagai mutasi titik.
Hal yang mendasar dan khas dari suatu mutasi gen adalah bahwa 1) menyebabkan perubahan informasi genetik, 2) dapat diturunkan dari generasi ke generasi.
Bagian tertentu dari mutasi gen dapat diklasifikasikan sebagai mutasi netral, karena tidak menyebabkan perubahan fenotipe. Misalnya, karena degenerasi kode genetik, asam amino yang sama dapat dikodekan oleh dua kembar tiga yang hanya berbeda pada satu basa. Di sisi lain, gen yang sama dapat berubah (bermutasi) menjadi beberapa keadaan berbeda.
Misalnya gen yang mengontrol golongan darah sistem AB0. memiliki tiga alel: 0, A dan B, kombinasi keduanya menentukan 4 golongan darah. Golongan darah AB0 adalah contoh klasik variabilitas genetik sifat normal manusia.
Mutasi genlah yang menentukan perkembangan sebagian besar bentuk patologi herediter. Penyakit yang disebabkan oleh mutasi tersebut disebut penyakit gen, atau monogenik, yaitu penyakit yang perkembangannya ditentukan oleh mutasi pada satu gen.
Mutasi genom dan kromosom
Mutasi genom dan kromosom merupakan penyebab penyakit kromosom. Mutasi genom termasuk aneuploidi dan perubahan ploidi kromosom yang tidak berubah secara struktural. Dideteksi dengan metode sitogenetik.
Aneuploidi- perubahan (penurunan - monosomi, peningkatan - trisomi) jumlah kromosom pada himpunan diploid, bukan kelipatan haploid (2n + 1, 2n - 1, dst).
poliploidi- peningkatan jumlah set kromosom, kelipatan dari kromosom haploid (3n, 4n, 5n, dst).
Pada manusia, poliploidi, dan juga sebagian besar aneuploidi, adalah mutasi yang mematikan.
Mutasi genom yang paling umum meliputi:
trisomi- adanya tiga kromosom homolog dalam kariotipe (misalnya, untuk pasangan ke-21, dengan sindrom Down, untuk pasangan ke-18 untuk sindrom Edwards, untuk pasangan ke-13 untuk sindrom Patau; untuk kromosom seks: XXX, XXY, XYY);
monosomi- adanya hanya satu dari dua kromosom homolog. Dengan monosomi untuk salah satu autosom, perkembangan normal embrio tidak mungkin dilakukan. Satu-satunya monosomi pada manusia yang sesuai dengan kehidupan - monosomi pada kromosom X - mengarah (ke sindrom Shereshevsky-Turner (45, X0).
Alasan yang menyebabkan aneuploidi adalah non-disjungsi kromosom selama pembelahan sel selama pembentukan sel germinal atau hilangnya kromosom akibat ketertinggalan anafase, ketika salah satu kromosom homolog mungkin tertinggal dari semua kromosom non-homolog lainnya selama periode tersebut. pergerakan ke tiang. Yang dimaksud dengan “nondisjungsi” adalah tidak adanya pemisahan kromosom atau kromatid pada meiosis atau mitosis. Hilangnya kromosom dapat menyebabkan mosaikisme, di mana terdapat satu e uploid(normal) garis sel, dan yang lainnya monosomik.
Nondisjungsi kromosom paling sering diamati selama meiosis. Kromosom, yang biasanya membelah selama meiosis, tetap menempel dan berpindah ke satu kutub sel dalam anafase. Dengan demikian, dua gamet muncul, salah satunya memiliki kromosom tambahan, dan yang lainnya tidak memiliki kromosom ini. Ketika gamet dengan set kromosom normal dibuahi oleh gamet dengan kromosom ekstra, terjadi trisomi (yaitu, ada tiga kromosom homolog di dalam sel), ketika dibuahi oleh gamet tanpa satu kromosom, terjadi zigot dengan monosomi. Jika zigot monosomal terbentuk pada kromosom autosomal (non-seks), maka perkembangan organisme berhenti pada tahap awal perkembangannya.
Mutasi kromosom- Ini adalah perubahan struktural pada kromosom individu, biasanya terlihat di mikroskop cahaya. Sejumlah besar (dari puluhan hingga beberapa ratus) gen terlibat dalam mutasi kromosom, yang menyebabkan perubahan pada set diploid normal. Meskipun penyimpangan kromosom umumnya tidak mengubah urutan DNA pada gen tertentu, perubahan jumlah salinan gen dalam genom menyebabkan ketidakseimbangan genetik karena kekurangan atau kelebihan materi genetik. Ada dua kelompok besar mutasi kromosom: intrachromosomal dan interchromosomal.
Mutasi intrakromosom adalah penyimpangan dalam satu kromosom. Ini termasuk:
—penghapusan(dari lat. deletio - kehancuran) - hilangnya salah satu bagian kromosom, internal atau terminal. Hal ini dapat menyebabkan pelanggaran embriogenesis dan pembentukan beberapa anomali perkembangan (misalnya, pembelahan di wilayah lengan pendek kromosom ke-5, yang disebut 5p-, menyebabkan keterbelakangan laring, kelainan jantung, keterbelakangan mental) . Kompleks gejala ini dikenal sebagai sindrom "tangisan kucing", karena pada anak yang sakit, karena kelainan laring, tangisannya menyerupai mengeong kucing;
—inversi(dari lat. inversio - membalik). Akibat putusnya dua titik pada kromosom, fragmen yang dihasilkan dimasukkan ke tempat semula setelah diputar 180°. Akibatnya, hanya urutan gen yang dilanggar;
— duplikasi(dari Lat duplicatio - penggandaan) - penggandaan (atau penggandaan) bagian mana pun dari kromosom (misalnya, trisomi di sepanjang salah satu lengan pendek kromosom ke-9 menyebabkan banyak cacat, termasuk mikrosefali, keterlambatan perkembangan fisik, mental dan intelektual).
Skema penyimpangan kromosom yang paling sering terjadi:
Divisi: 1 - terminal; 2 - pengantara. Inversi: 1 - perikentrik (dengan penangkapan sentromer); 2 - parasentrik (dalam satu lengan kromosom)
Mutasi antarkromosom, atau mutasi penataan ulang- pertukaran fragmen antara kromosom non-homolog. Mutasi semacam itu disebut translokasi (dari bahasa Latin tgans - untuk, melalui + lokus - tempat). Ini:
Translokasi timbal balik, ketika dua kromosom bertukar fragmennya;
Translokasi non-resiprokal, ketika sebuah fragmen dari satu kromosom diangkut ke kromosom lain;
- fusi "sentris" (translokasi Robertsonian) - hubungan dua kromosom akrosentrik di wilayah sentromernya dengan hilangnya lengan pendek.
Dengan pecahnya kromatid secara melintang melalui sentromer, kromatid "saudara" menjadi lengan "cermin" dari dua kromosom berbeda yang mengandung set gen yang sama. Kromosom seperti ini disebut isokromosom. Penyimpangan dan isokromosom intrakromosom (penghapusan, inversi, dan duplikasi) dan antarkromosom (translokasi) berhubungan dengan perubahan fisik dalam struktur kromosom, termasuk kerusakan mekanis.
Patologi herediter sebagai akibat dari variabilitas herediter
Kehadiran ciri-ciri umum spesies memungkinkan untuk menyatukan seluruh manusia di bumi menjadi satu spesies Homo sapiens. Meski demikian, kita dengan mudah, dengan sekali pandang, mengenali wajah orang yang kita kenal di tengah kerumunan orang asing. Keanekaragaman manusia yang luar biasa, baik dalam suatu kelompok (misalnya keberagaman dalam suatu suku bangsa) maupun antar kelompok, disebabkan oleh perbedaan genetik yang dimilikinya. Saat ini, diyakini bahwa semua variabilitas intraspesifik disebabkan oleh perbedaan genotipe yang muncul dan dipertahankan melalui seleksi alam.
Diketahui bahwa genom haploid manusia mengandung 3,3x10 9 pasang residu nukleotida, yang secara teoritis memungkinkan terdapat hingga 6-10 juta gen. Pada saat yang sama, data penelitian modern menunjukkan bahwa genom manusia mengandung sekitar 30-40 ribu gen. Sekitar sepertiga dari semua gen memiliki lebih dari satu alel, yaitu polimorfik.
Konsep polimorfisme herediter dirumuskan oleh E. Ford pada tahun 1940 untuk menjelaskan keberadaan dua atau lebih bentuk berbeda dalam suatu populasi, ketika frekuensi bentuk yang paling langka tidak dapat dijelaskan hanya dengan peristiwa mutasi. Karena mutasi gen merupakan kejadian langka (1x10 6), frekuensi alel mutan yang lebih dari 1% hanya dapat dijelaskan dengan akumulasi bertahap dalam populasi karena keunggulan selektif pembawa mutasi ini.
Banyaknya lokus pembelahan, banyaknya alel di masing-masing lokus, serta fenomena rekombinasi, menciptakan keanekaragaman genetik manusia yang tidak ada habisnya. Perhitungan menunjukkan bahwa sepanjang sejarah umat manusia belum pernah terjadi, tidak akan terjadi, dan di masa mendatang tidak akan ada pengulangan genetik di bumi, yaitu. setiap orang yang dilahirkan merupakan fenomena unik di alam semesta. Keunikan konstitusi genetik sangat menentukan karakteristik perkembangan penyakit pada setiap individu.
Umat manusia telah berevolusi sebagai kelompok populasi terisolasi yang hidup dalam waktu lama dalam kondisi lingkungan yang sama, termasuk karakteristik iklim dan geografis, pola makan, patogen, tradisi budaya, dll. Hal ini menyebabkan fiksasi dalam populasi kombinasi spesifik alel normal untuk masing-masing alel, yang paling sesuai dengan kondisi lingkungan. Sehubungan dengan perluasan habitat secara bertahap, migrasi intensif, pemukiman kembali masyarakat, situasi muncul ketika kombinasi gen normal tertentu yang berguna dalam kondisi tertentu di kondisi lain tidak menjamin berfungsinya beberapa sistem tubuh secara optimal. Hal ini mengarah pada fakta bahwa bagian dari variabilitas herediter, karena kombinasi gen manusia non-patologis yang tidak menguntungkan, menjadi dasar perkembangan apa yang disebut penyakit dengan kecenderungan turun-temurun.
Selain itu, pada manusia, sebagai makhluk sosial, seleksi alam berlangsung dari waktu ke waktu dalam bentuk yang semakin spesifik, yang juga memperluas keanekaragaman keturunan. Apa yang dapat disingkirkan dari hewan akan dipertahankan, atau sebaliknya, hewan yang diselamatkan akan hilang. Dengan demikian, pemenuhan kebutuhan vitamin C secara penuh menyebabkan proses evolusi hilangnya gen L-gulonodactone oxidase, yang mengkatalisis sintesis asam askorbat. Dalam proses evolusi, umat manusia juga memperoleh tanda-tanda yang tidak diinginkan yang berhubungan langsung dengan patologi. Misalnya, pada manusia, dalam proses evolusi, muncul gen yang menentukan kepekaan terhadap toksin difteri atau virus polio.
Jadi, pada manusia, seperti halnya spesies biologis lainnya, tidak ada garis tegas antara variabilitas herediter, yang menyebabkan variasi sifat yang normal, dan variabilitas herediter, yang menyebabkan terjadinya penyakit keturunan. Manusia, yang telah menjadi spesies biologis Homo sapiens, seolah-olah dibayar untuk "kewajaran" spesiesnya dengan akumulasi mutasi patologis. Posisi ini mendasari salah satu konsep utama genetika medis tentang akumulasi evolusioner dari mutasi patologis pada populasi manusia.
Variabilitas herediter dalam populasi manusia, baik yang dipertahankan maupun dikurangi melalui seleksi alam, membentuk apa yang disebut beban genetik.
Beberapa mutasi patologis dapat bertahan dan menyebar dalam populasi untuk waktu yang lama, menyebabkan apa yang disebut beban genetik segregasi; mutasi patologis lainnya muncul pada setiap generasi sebagai akibat dari perubahan baru dalam struktur keturunan, sehingga menimbulkan beban mutasi.
Dampak negatif dari beban genetik diwujudkan dengan meningkatnya angka kematian (kematian gamet, zigot, embrio dan anak), penurunan kesuburan (berkurangnya reproduksi keturunan), berkurangnya angka harapan hidup, maladaptasi sosial dan kecacatan, serta menyebabkan meningkatnya kebutuhan akan pengobatan. peduli.
Ahli genetika Inggris J. Hoddane adalah orang pertama yang menarik perhatian para peneliti terhadap adanya beban genetik, meskipun istilah itu sendiri diusulkan oleh G. Meller pada akhir tahun 40-an. Arti dari konsep “beban genetik” dikaitkan dengan tingkat variabilitas genetik yang tinggi yang diperlukan suatu spesies biologis agar mampu beradaptasi terhadap perubahan kondisi lingkungan.
Variabilitas kombinasi
Ini bersifat herediter dan disebabkan oleh rekombinasi gen dalam genotipe. Ini bukan karena perubahan gen, tetapi karena kombinasinya! Kombinasi gen berkontribusi terhadap peningkatan kelangsungan hidup dalam perubahan kondisi lingkungan.
Kombinasi acak gamet selama pembuahan
Pertukaran segmen kromosom homolog selama pindah silang pada profase meiosis 1
Divergensi independen dari pasangan kromosom yang berbeda pada anafase meiosis 1, mengarah pada pembentukan gamet yang beragam secara genetik
Variabilitas mutasi
Mutasi - perubahan genotipe yang tiba-tiba, tiba-tiba, dan terus-menerus, yang terjadi di bawah pengaruh faktor lingkungan eksternal atau internal, diwariskan. Pada tingkat molekuler, ini adalah perubahan DNA yang bertahan selama replikasi NK. Mutagenesis adalah proses terbentuknya suatu mutasi. Faktor mutagenik menyebabkan mutasi, berdasarkan sifatnya bisa
- fisik mutagen: radiasi a, b, gamma, UV, suhu, kelembaban,
- bahan kimia mutagen: organik dan anorganik, zat narkotika, hasil industri pengolahan senyawa alam (batubara, minyak), zat sintetik yang belum pernah ditemukan di alam (pestisida, insektisida, herbisida), bahan pengawet makanan, obat-obatan. Mereka memiliki kemampuan penetrasi yang tinggi, menyebabkan mutasi genetik dan bertindak selama replikasi DNA.
Klasifikasi mutasi menurut kondisi terjadinya
Terjadi secara spontan tanpa alasan yang jelas, atau penyebabnya tidak diketahui.
Induksi muncul sebagai akibat dari paparan.
Klasifikasi mutasi berdasarkan lokalisasi dalam sel
Nuklir - mutasi pada inti sel
Sitoplasma - mutasi pada mitokondria dan plastida.
Klasifikasi mutasi menurut kemungkinan pewarisannya
Generatif muncul di sel germinal, diwariskan selama reproduksi seksual
Somatik muncul dalam sel somatik, diwariskan selama reproduksi vegetatif
Klasifikasi mutasi menurut derajat pengaruhnya terhadap kemampuan hidup dan kesuburan
Steril mempengaruhi kesuburan
Mematikan menyebabkan kematian
Semi-mematikan mengurangi kelangsungan hidup
Netral tidak mempengaruhi kelangsungan hidup
Positif meningkatkan vitalitas
Klasifikasi menurut tingkat kerusakan materi genetik:
Genetik - mengubah gen
Kromosom - perubahan struktur kromosom,
Genomik - mengubah genom
Mutasi gen
Intinya, menyebabkan perubahan struktur nukleotida DNA pada gen. Perubahan struktur gen akibat penggantian basa ada 2 jenis : kesalahan mutasi asam amino omong kosong dengan terbentuknya kodon terminal UAA, UAG, UGA.
- membaca pergeseran bingkai terjadi jika terjadi penyisipan atau hilangnya beberapa nukleotida. Akibatnya pembelahan mRNA menjadi kodon berubah, yang berarti urutan asam amino pada molekul protein yang disintesis berubah atau sintesis berakhir sebelum waktunya.
- transisi - penggantian basa purin dengan basa purin lain, dan basa pirimidin dengan pirimidin lain: A<-->G dan C<-->T.
- transversi - substitusi purin dengan pirimidin dan sebaliknya.
Mutasi kromosom
Penyimpangan - perubahan struktur kromosom karena pelanggaran integritasnya: kerusakan, yang disertai dengan penataan ulang gen, menyebabkan mutasi intra/antarkromosom.
- penghapusan - hilangnya segmen kromosom: AEF. Penghapusan lengan pendek kromosom ke-5 pada manusia - sindrom tangisan kucing.
- duplikasi - duplikasi segmen kromosom: ABCDCD, dengan munculnya materi herediter tambahan, identik dengan apa yang sudah ada dalam genom.
Penghapusan dan duplikasi selalu memanifestasikan dirinya secara fenotip, karena kumpulan gen berubah dan monosomi diamati di beberapa kromosom.
- inversi - rotasi masing-masing bagian kromosom sebesar 180 *. ABCDEF -----> AEDCBF
- translokasi - perpindahan bagian kromosom yang terpisah ke tempat lain pada kromosom yang sama atau berbeda: ABCKLM. Di mana jumlah gen tidak berubah !!! Pemindahan lengan kromosom ke-21 ke 13, 14, 15 menyebabkan perkembangan sindrom Down.
Inversi dan translokasi mungkin tidak muncul secara fenotip jika tidak ada perubahan pada materi genetik dan keseimbangan gen secara keseluruhan dalam genom tetap terjaga. Namun konjugasi kromosom homolog sulit dilakukan, yang dapat menyebabkan terganggunya materi genetik antar sel anak
Mutasi genom
Terkait dengan perubahan jumlah kromosom, menyebabkan penambahan atau hilangnya satu, beberapa atau seluruh set kromosom.
genom- satu set gen dari set kromosom haploid. Biasanya, itu terletak di sel germinal.
- poliploidi - peningkatan beberapa haploid dalam jumlah kromosom dalam sel. Sering digunakan dalam pemuliaan tanaman, biasanya menghasilkan hasil yang lebih tinggi. Sering ditemukan pada angiospermae, lebih jarang pada gymnospermae. Di antara hewan, poliploidi diketahui pada hermafrodit: cacing, krustasea, serangga, ikan, salamander. Bagi mamalia, poliploidi berakibat fatal.
- haploidi - penurunan jumlah kromosom haploid berganda. Akibatnya, ada satu set n kromosom di dalam sel. Organisme dengan kumpulan kromosom non-homolog haploid dalam sel somatik disebut haploid. Haploidi alami terjadi pada siklus hidup jamur pembentuk spora, bakteri, alga uniseluler, dan lebah drone. Kelangsungan hidup haploid menurun karena semua gen resesif yang terkandung dalam bentuk tunggal muncul. Bagi mamalia, haploidi berakibat fatal.
- aneuploidi - perubahan berulang dalam jumlah kromosom.
Trisomi adalah peningkatan kariotipe sebanyak satu kromosom (2n+1).
Polisomi adalah peningkatan kariotipe lebih dari satu kromosom.
Monosomi - penurunan kariotipe sebanyak satu kromosom (2n-1).
Nulisomi - tidak adanya sepasang kromosom, berakibat fatal.
Penyakit kromosom manusia
Kelompok penyakit yang berhubungan dengan perubahan jumlah kromosom (mutasi genom) atau strukturnya (penyimpangan kromosom). Mereka muncul sebagai akibat dari pelanggaran set kromosom dalam zigot karena non-disjungsi kromosom selama pembelahan reduksi, dan berbagai penyimpangan kromosom.
triploidi - pelanggaran set kromosom 3n. Anak yang baru lahir meninggal pada jam atau hari pertama setelah lahir.
trisomi pada kromosom X - XXX. Fenotipenya adalah perempuan normal, ditandai dengan keterbelakangan gonad, sedikit keterbelakangan mental.
Sindrom Klinefelter - XXY, XXXY, XXXXY, HUU, HUUU, XXYU, XXHUU. Fenotip laki-laki adalah testis yang kurang berkembang. Secara penampilan, terdapat bahu sempit ciri khas wanita, panggul lebar, ginekomastia, timbunan lemak menurut zhentip. Polisomi pada kromosom Y memberikan pertumbuhan tinggi, perilaku antisosial.
Sindrom Shereshevsky-Turner : pelanggaran set kromosom X0, satu-satunya monosomi yang layak untuk kromosom X pada manusia. Fenotipenya perempuan, struktur tubuh tidak proporsional, lipatan kulit di leher, pertumbuhan terhambat, organ genital internal kurang berkembang, infertilitas, penuaan dini.
Sindrom Down : trisomi pada kromosom ke-21. Perawakan pendek, kepala bulat kecil, tengkuk rata, telinga rendah, mata sipit, hidung pendek dengan pangkal rata, mulut setengah terbuka, lidah tebal, tonus otot rendah, jari pendek, jari kelingking bengkok, orang lesu dan kikuk. Keterbelakangan mental yang parah, kemampuan bicara yang buruk, penurunan kekebalan dan harapan hidup.
Sindrom Patau : trisomi pada kromosom ke-13. Dasar idiot. Sistem saraf pusat terbelakang, mikrosefali sedang, kornea berkabut, dahi rendah, batang hidung cekung, rongga mata sempit, bibir sumbing dan langit-langit bilateral, kelainan perkembangan ODS dan organ dalam. Mereka meninggal pada usia hingga satu tahun, hanya sedikit yang hidup hingga 3 tahun.
Sindrom Edwards : trisomi pada kromosom ke-18. Kelainan tengkorak dan wajah: dahi sempit dengan retraksi tulang frontal di ubun-ubun, tengkuk menonjol lebar, rahang bawah kecil dan bukaan mulut, fisura palpebra sempit dan pendek, posisi telinga rendah, tulang dada pendek, dada lebar, perkembangan abnormal kaki, patologi struktur jantung dan pembuluh darah, sistem pencernaan, otak kecil. Kebanyakan meninggal sebelum usia satu tahun.
Mengisi aplikasi untuk persiapan ujian biologi atau kimia
Umpan balik dalam bentuk singkat
Hampir semua penelitian genetika didasarkan pada konsep tersebut variasi . Konsep ini mencakup semua jenis perubahan urutan DNA ( mutasi ) diamati pada tingkat kromosom atau gen. Di satu sisi, variasi genom menjelaskan keragaman antarindividu; di sisi lain, mutasi dapat menyebabkan perubahan patogen dalam aktivitas vital organisme, sehingga menjadi penyebab penyakit keturunan. Kita juga harus memperkenalkan beberapa istilah yang digunakan untuk menggambarkan proses perubahan mutasi pada DNA: tempat - bagian tertentu dari kromosom yang mengandung urutan DNA atau gen tertentu, alel - dua atau lebih bentuk alternatif dari suatu gen yang terletak di lokus yang sama dari sepasang kromosom homolog. Jika perbedaan urutan DNA dua alel pada lokus yang sama diamati dengan frekuensi lebih dari 1% pada populasi umum, maka jenis variasi ini disebut polimorfisme . Perubahan urutan DNA yang mempunyai frekuensi lebih rendah biasa disebut mutasi . Ada dua jenis mutasi utama yang terkait dengan patologi keturunan: kromosom (perubahan jumlah dan/atau struktur kromosom dalam sel) dan genetik (perubahan urutan DNA pada gen tertentu). Berdasarkan klasifikasi ini, kita dapat memilih arah studi genetik kelainan urutan DNA yang menyebabkan penyakit keturunan, yang dipelajari oleh genetika medis , yaitu pencarian perubahan urutan asam nukleat dan protein pada tingkat molekuler ( genetika molekuler ) dan studi tentang perubahan jumlah, struktur dan organisasi kromosom ( sitogenetika medis ).
Studi genetika molekuler didasarkan pada gagasan modern tentang ciri-ciri molekul DNA dan proses biokimia transkripsi dan translasi. Tujuan utama mereka adalah untuk mengidentifikasi mutasi gen yang mengarah pada manifestasi fenotipik yang khas. Mutasi gen adalah perubahan lokasi, kehilangan dan perolehan DNA relatif terhadap urutan liniernya, yang normal. Jenis mutasi gen yang paling umum adalah substitusi, kehilangan dan/atau penyisipan nukleotida tunggal. Yang terakhir ini disingkat SNP (polimorfsim nukleotida tunggal) dan termasuk yang paling sering ditemukan dalam genom manusia. Rata-rata, SNP yang menyebabkan variasi antar alel dalam satu individu terjadi pada setiap 1500 pasangan basa. Namun, kebanyakan dari mereka berada dalam urutan non-coding dan umumnya tidak memiliki konsekuensi fenotipik. Jika perubahan urutan DNA terjadi pada gen yang mengkode suatu protein, maka kemungkinan besar hal tersebut terkait dengan pelanggaran fungsi vital tubuh. Ada klasifikasi mutasi gen berikut:
Mutasi missense- substitusi satu nukleotida dengan nukleotida lainnya perubahan urutan DNA yang tidak identik . Secara teoritis, dua jenis mutasi tersebut dapat dibedakan: konservatif Dan non-konservatif . Mutasi missense konservatif menyebabkan penggantian satu kodon dengan kodon yang setara (kodon yang mengkode residu asam amino yang sama) atau dengan kodon residu asam amino lain yang tidak mengubah sifat fisikokimia protein yang dikodekan oleh gen terkait. Mutasi missense non-konservatif, sebagai suatu peraturan, mengubah sifat biokimia protein dan, akibatnya, menyebabkan terganggunya aktivitas fungsionalnya.
Mutasi yang tidak masuk akal- perubahan urutan pengkodean DNA, yang mengarah pada pembentukan kodon stop, sebagai akibat dari sintesis protein yang beberapa bagian urutannya hilang.
Mutasi pergeseran bingkai- setiap perubahan dalam urutan DNA suatu gen (terutama kehilangan atau penyisipan nukleotida) yang menyebabkan pergeseran pembacaan urutan selama transkripsi. Hasilnya adalah sintesis protein yang benar-benar baru atau pembentukan RNA pembawa pesan yang tidak membawa informasi apapun mengenai urutan asam amino.
Perubahan non-patogen dalam urutan DNA- variasi urutan DNA, termasuk mutasi missense konservatif, atau disebut mutasi sinonim , yang tidak mengubah informasi yang dikodekan dalam DNA gen atau tidak mempengaruhi aktivitas fungsional makromolekul protein.
Mutasi juga terjadi pada rangkaian DNA non-coding (intron). Variasi jenis ini biasanya tidak mempunyai konsekuensi fenotipik. Namun, ketika kerangka pembacaan digeser atau bentuk makromolekul protein alternatif terbentuk ( penyambungan alternatif ), variasi ini dapat menyebabkan terganggunya aktivitas fungsional makromolekul protein dan, sebagai akibatnya, konsekuensi fenotipik. Dalam konteks ini, identifikasi mutasi patogen tampaknya sulit, karena konsep "norma" dalam studi genetika medis cukup relatif, karena pada tingkat molekuler genom manusia sebagian besar tidak stabil. Dengan kata lain, hanya mutasi berulang (mutasi ulang yang paling sering ditemukan pada individu dengan penyakit keturunan yang diketahui) dapat dikenali sebagai patogen. Jika mutasi baru terdeteksi, perlu dilakukan studi genetik molekuler terhadap kerabat dekat pasien untuk menentukan apakah mutasi tersebut adalah penyebab penyakit.
Mutasi kromosom (anomali) dikaitkan dengan berbagai penataan ulang struktural kromosom, atau dengan perubahan jumlahnya (n). Perubahan numerik pada kumpulan kromosom ( kariotipe ) dapat terdiri dari dua jenis: poliploidi - perkalian set kromosom lengkap (3n, 4n, dll.), atau genom, kelipatan jumlah kromosom haploid (kadang-kadang disebut dalam literatur sebagai mutasi genom ); aneuploidi - penambahan atau pengurangan jumlah kromosom dalam suatu himpunan yang bukan kelipatan dari haploid. Perubahan kuantitatif pada kariotipe ini biasanya disebabkan oleh gangguan meiosis atau mitosis. Kelainan kromosom numerik berupa aneuploidi dibagi menjadi monosomi (kehilangan satu kromosom atau sebagiannya - monosomi parsial) dan trisomi atau polisomi (akuisisi satu/beberapa kromosom atau sebagiannya - trisomi parsial). Perubahan kariotipe ini berhubungan dengan malformasi kongenital yang kompleks dan, biasanya, dengan penyakit yang disertai keterbelakangan mental atau gangguan mental yang parah. Saat ini, kasus perubahan set kromosom yang melibatkan kromosom seks dan beberapa autosom pada skizofrenia dan autisme telah dijelaskan. Misalnya, 5-15% anak dengan kelainan autis memiliki kelainan kromosom. Hal ini memungkinkan kita untuk mempertimbangkan ketidakseimbangan kromosom dalam tubuh sebagai salah satu kemungkinan penyebab beberapa kasus penyakit mental.
Perubahan struktural dapat mempengaruhi keseluruhan kromosom, serta disertai dengan perubahan jumlah materi genetik dalam nukleus atau pergerakannya. Kelainan kromosom yang seimbang adalah penataan ulang, yang menyebabkan kariotipe muncul dengan kumpulan gen yang tidak berubah, tetapi lokasinya di dalam kromosom atau di antara kromosom berbeda dari biasanya. Dalam kebanyakan kasus, pembawa kelainan kromosom seimbang memiliki fenotip normal, namun keturunannya berisiko tinggi memiliki kariotipe tidak seimbang, namun dalam beberapa kasus, pembawa kariotipe seimbang mungkin memiliki berbagai kelainan bawaan dan/atau mikroanomali, serta kelainan. perkembangan neuropsikik. Jika terjadi kehilangan atau perolehan materi genetik selama mutasi kromosom struktural, maka hal tersebut memang terjadi kelainan kromosom yang tidak seimbang .
Penataan ulang struktur sitogenetik diklasifikasikan menurut prinsip urutan gen linier: penghapusan (hilangnya daerah kromosom), duplikasi (penggandaan daerah kromosom), inversi (pembalikan 180° relatif terhadap urutan normal daerah kromosom), sisipan (sisipan daerah kromosom) dan translokasi (perubahan letak daerah kromosom) kromosom.
Yang sangat penting adalah studi tentang mutasi kromosom di bawah pengaruh faktor lingkungan. Telah terbukti bahwa kromosom manusia sangat sensitif terhadap radiasi dan bahan kimia, yang biasa disebut faktor mutagenik ( mutagen ). Saat menganalisis dampak faktor-faktor ini, kita harus membedakan antara gangguan pada sel somatik dan sel germinal. Yang pertama secara langsung mempengaruhi aktivitas vital organisme yang diteliti, sedangkan yang kedua memanifestasikan dirinya pada generasi berikutnya. Mutasi kromosom pada sel germinal menyebabkan pembentukan gamet yang menyimpang, yang dapat mengakibatkan kematian zigot, embrio pada tahap awal perkembangan intrauterin, kelahiran anak dengan kelainan kromosom spesifik atau nonspesifik yang menampakkan diri sebagai gambaran klinis tertentu. atau fenotipe tertentu. Mutasi kromosom pada sel somatik menyebabkan terbentuknya kelainan kromosom non spesifik berupa kesenjangan kromosom atau kromatid, kesenjangan, pertukaran kariotipe, yang tidak mengarah pada karakteristik fenotip spesifik suatu penyakit tertentu. Mutasi seperti ini tidak diwariskan. Perlu dicatat bahwa ketika mempelajari dampak faktor mutagenik semacam ini, tampaknya mungkin untuk menilai secara kualitatif dan kuantitatif pengaruh radiasi pengion, bahan kimia, virus, namun data yang diperoleh tidak dapat ditransfer ke sel germinal, yang hasilnya adalah kromosom. penyakit pada anak-anak.
Kelainan kromosom dapat bermanifestasi dalam apa yang disebut bentuk mosaik, yang disebabkan oleh pembelahan sel yang tidak normal pada berbagai tahap perkembangan embrio dan pascakelahiran. Hal ini memungkinkan untuk membagi kelainan kromosom menjadi mosaik Dan reguler (kariotipe abnormal diamati di semua sel tubuh). Mosaikisme kromosom adalah adanya beberapa populasi sel dengan set kromosom yang berbeda satu sama lain. Sebagai aturan, dengan bentuk mosaik anomali kromosom, tidak adanya tanda-tanda klinis individu dari sindrom kromosom tertentu dan perjalanan penyakit yang lebih ringan diamati, namun beberapa gejala hampir selalu ada. Kelainan kromosom struktural mosaik cukup jarang diamati, oleh karena itu, ketika berbicara tentang anomali kromosom mosaik, yang kami maksud adalah anomali numerik, bentuk mosaik yang memiliki frekuensi populasi yang cukup tinggi. Fenomena tersebut juga perlu diperhatikan mosaikisme kromosom spesifik jaringan - sel dengan set kromosom abnormal hanya terdapat di jaringan tubuh tertentu.
Pada tahun lima puluhan abad XX, para ilmuwan dihadapkan pada fenomena aneh. Mereka menarik perhatian pada fakta bahwa beberapa virus menginfeksi strain berbeda dari bakteri yang sama dengan cara yang berbeda. Beberapa strain - misalnya E. coli - mudah terinfeksi dan dengan cepat menyebarkan infeksi ke seluruh koloni. Yang lain terinfeksi dengan sangat lambat atau kebal sepenuhnya terhadap virus. Namun setelah beradaptasi dengan strain ini atau itu, di kemudian hari virus tersebut akan menginfeksinya tanpa kesulitan.
Para ahli biologi membutuhkan waktu dua dekade untuk mengetahui resistensi selektif bakteri ini. Ternyata, kemampuan strain bakteri tertentu untuk melawan virus - disebut pembatasan (yaitu, "pembatasan") - disebabkan oleh adanya enzim khusus di dalamnya yang secara fisik memotong DNA virus.
Keunikan protein ini - enzim restriksi - adalah mereka mengenali urutan DNA yang kecil dan jelas. Bakteri "menargetkan" enzim restriksi ke urutan langka yang mereka sendiri hindari dalam gen mereka - namun mungkin ada dalam DNA virus. Enzim restriksi yang berbeda mengenali urutan yang berbeda.
Setiap strain bakteri memiliki gudang enzim tertentu dan dengan demikian merespons serangkaian "kata" tertentu dalam genom virus. Jika kita bayangkan genom suatu virus adalah kalimat “ibu mencuci bingkai”, maka virus tersebut tidak akan mampu menginfeksi bakteri yang mengenali kata “ibu”, tetapi bakteri yang mengincar kata “paman” akan menjadi tak berdaya. Jika virus berhasil bermutasi dan berubah menjadi, katakanlah, “wanita yang sedang mencuci bingkai”, maka bakteri pertama juga akan kehilangan perlindungannya.
Mengapa penemuan "kekebalan bakteri" berada di urutan teratas dalam daftar pencapaian terpenting biologi molekuler? Bukan bakteri itu sendiri, atau bahkan virusnya.
Ukur sepotong DNA
Para ilmuwan yang mendeskripsikan mekanisme ini segera memperhatikan detail terpenting dari proses ini. Enzim restriksi (lebih tepatnya salah satu jenis enzim ini) mampu memotong DNA pada titik tertentu. Kembali ke analogi kita, enzim yang menargetkan kata "ibu" dalam DNA akan mengikat kata tersebut dan memotongnya, misalnya, antara huruf ketiga dan keempat.
Dengan demikian, untuk pertama kalinya, para peneliti memiliki kesempatan untuk “memotong” fragmen DNA yang mereka perlukan dari genom. Dengan bantuan enzim "perekatan" khusus, fragmen yang dihasilkan dapat dijahit menjadi satu - juga dalam urutan tertentu. Dengan ditemukannya enzim restriksi, para ilmuwan mempunyai semua alat yang diperlukan untuk "merakit" DNA di tangan mereka. Seiring waktu, metafora yang sedikit berbeda mengakar untuk merujuk pada proses ini - rekayasa genetika.
Meskipun saat ini terdapat metode lain untuk bekerja dengan DNA, sebagian besar penelitian biologi dalam dua puluh atau tiga puluh tahun terakhir tidak akan mungkin terjadi tanpa enzim restriksi. Dari tanaman transgenik hingga terapi gen, dari insulin rekombinan hingga sel induk terinduksi, setiap pekerjaan yang melibatkan manipulasi genetik menggunakan “senjata bakteri” ini.
Kenali musuh dengan melihat
Sistem kekebalan mamalia – termasuk manusia – memiliki mekanisme pertahanan bawaan dan didapat. Komponen imunitas bawaan biasanya bereaksi terhadap kesamaan yang menyatukan banyak musuh tubuh sekaligus. Misalnya, imunitas bawaan dapat mengenali komponen dinding sel bakteri yang sama pada ribuan mikroba berbeda.
Kekebalan yang didapat bergantung pada fenomena memori imunologis. Ia mengenali komponen spesifik dari patogen tertentu, "mengingatnya" untuk masa depan. Vaksinasi didasarkan pada hal ini: sistem kekebalan “melatih” virus atau bakteri yang telah dimatikan, dan kemudian, ketika patogen hidup masuk ke dalam tubuh, sistem kekebalan “mengenalinya” dan langsung menghancurkannya.
Imunitas bawaan adalah sebuah pos pemeriksaan perbatasan. Ini melindungi dari segala sesuatu sekaligus dan pada saat yang sama dari sesuatu yang khusus. Kekebalan yang didapat adalah penembak jitu yang mengetahui musuh secara langsung. Ternyata pada tahun 2012, bakteri memiliki hal serupa.
Jika pembatasan adalah analogi bakteri dari imunitas bawaan, maka peran imunitas didapat pada bakteri dilakukan oleh sistem dengan nama yang agak rumit CRISPR / Cas9, atau "Crisper".
Inti dari karya Crisper adalah sebagai berikut. Ketika suatu bakteri diserang oleh virus, bakteri tersebut menyalin sebagian DNA virus tersebut ke tempat khusus dalam genomnya (“gudang” informasi tentang virus ini disebut CRISPR). Berdasarkan “identikit” virus yang disimpan ini, bakteri kemudian membuat probe RNA yang mampu mengenali gen virus dan mengikatnya jika virus mencoba menginfeksi bakteri itu lagi.
Pemeriksaan RNA itu sendiri tidak berbahaya bagi virus, tetapi di sinilah peran lain yang berperan: protein Cas9. Ini adalah "gunting" yang bertanggung jawab atas penghancuran gen virus - seperti enzim restriksi. Cas9 meraih probe RNA dan, seolah-olah diikat, dikirimkan ke DNA virus, setelah itu diberi sinyal: potong di sini!
Secara total, keseluruhan sistem terdiri dari tiga komponen bakteri:
1) Penyimpanan DNA virus lama “identikit”;
2) penyelidikan RNA yang dibuat berdasarkan "gambar identitas" ini dan mampu mengidentifikasi virus dari gambar tersebut;
3) protein "gunting" diikatkan pada probe RNA dan memotong DNA virus tepat pada titik dimana "identikit" diambil terakhir kali.
Hampir seketika setelah ditemukannya “kekebalan bakteri” ini, semua orang melupakan bakteri dan virusnya. Literatur ilmiah dipenuhi dengan artikel-artikel yang antusias tentang potensi sistem CRISPR/Cas9 sebagai alat rekayasa genetika dan pengobatan masa depan.
Seperti halnya enzim restriksi, sistem Crisper mampu memotong DNA pada titik yang ditentukan secara ketat. Namun dibandingkan dengan "gunting" yang ditemukan pada tahun tujuh puluhan, ia memiliki keunggulan yang sangat besar.
Enzim restriksi digunakan oleh para ahli biologi untuk “memasang” DNA secara eksklusif dalam tabung reaksi: Anda harus terlebih dahulu membuat fragmen yang diinginkan (misalnya, gen yang dimodifikasi), dan baru kemudian memasukkannya ke dalam sel atau organisme. "Crisper" dapat memotong DNA di tempat, tepat di sel hidup. Hal ini memungkinkan tidak hanya pembuatan gen yang diperkenalkan secara artifisial, tetapi juga untuk “mengedit” seluruh genom: misalnya, membuang beberapa gen dan memasukkan gen baru. Sampai saat ini, hal seperti itu hanya bisa diimpikan.
Seperti yang terlihat jelas selama setahun terakhir, sistem CRISPR tidak bersahaja dan dapat bekerja di sel mana pun: tidak hanya sel bakteri, tetapi juga sel tikus atau manusia. "Instal" di sel yang diinginkan cukup sederhana. Pada prinsipnya, hal ini dapat dilakukan bahkan pada tingkat seluruh jaringan dan organisme. Di masa depan, hal ini akan memungkinkan untuk menghilangkan sepenuhnya gen yang rusak - misalnya, gen penyebab kanker - dari genom manusia dewasa.
Katakanlah ungkapan "ibu mencuci bingkai" yang ada dalam genom Anda menyebabkan Anda sangat mendambakan stereotip gender. Untuk mengatasi masalah ini, Anda memerlukan protein Cas9 - selalu sama - dan sepasang probe RNA yang ditujukan pada kata "mama" dan "frame". Probe ini bisa berupa apa saja - metode modern memungkinkan untuk mensintesisnya dalam beberapa jam. Tidak ada batasan jumlah sama sekali: Anda dapat “memotong” genom setidaknya pada seribu titik pada saat yang bersamaan.
Menargetkan tubuh
Namun nilai Crisper melampaui fungsi gunting. Seperti yang dicatat oleh banyak penulis, sistem ini adalah alat pertama yang kita kenal yang memungkinkan untuk mengatur "pertemuan" protein tertentu, RNA tertentu, dan DNA tertentu pada saat yang bersamaan. Hal ini dengan sendirinya membuka peluang besar bagi ilmu pengetahuan dan kedokteran.
Misalnya, protein Cas9 dapat dimatikan fungsi "guntingnya" dan sebagai gantinya mengikat protein lain - misalnya, aktivator gen. Dengan pemeriksaan RNA yang tepat, pasangan yang dihasilkan dapat dikirim ke tempat yang tepat dalam genom: misalnya, ke gen insulin yang tidak berfungsi dengan baik pada beberapa penderita diabetes. Dengan mengatur pertemuan protein pengaktif dan gen yang dinonaktifkan dengan cara ini, fungsi organisme dapat disesuaikan secara tepat dan halus.
Anda tidak hanya dapat mengikat aktivator, tetapi apa pun secara umum - misalnya, protein yang dapat menggantikan gen yang rusak dengan “salinan cadangan” dari kromosom lain. Dengan demikian, ke depan bisa disembuhkan, misalnya penyakit Huntington. Keuntungan utama sistem CRISPR dalam hal ini justru kemampuannya untuk “mengirim ekspedisi” ke titik mana pun dalam DNA yang dapat kita programkan tanpa banyak kesulitan. Apa tugas masing-masing ekspedisi tertentu hanya ditentukan oleh imajinasi para peneliti.
Saat ini sulit untuk mengatakan masalah seperti apa yang dapat diselesaikan oleh sistem CRISPR/Cas9 dalam beberapa dekade. Komunitas ahli genetika global kini mengingatkan kita pada seorang anak yang diizinkan masuk ke aula besar yang penuh dengan mainan. Jurnal ilmiah terkemuka Science baru-baru ini menerbitkan ikhtisar kemajuan terbaru di bidang yang disebut "The CRISPR Craze" - "Crisper Madness". Namun kini sudah jelas: bakteri dan ilmu pengetahuan dasar sekali lagi telah memberi kita teknologi yang akan mengubah dunia.
Pada bulan Januari, terdapat laporan kelahiran primata pertama yang genomnya berhasil dimodifikasi oleh sistem CRISPR/Cas9. Sebagai percobaan percobaan, monyet-monyet tersebut diperkenalkan dengan mutasi pada dua gen: satu terkait dengan sistem kekebalan tubuh, dan yang lainnya bertanggung jawab atas pengendapan lemak, yang secara samar-samar mengisyaratkan kemungkinan penerapan metode ini pada homo sapiens. Mungkin solusi terhadap masalah obesitas melalui rekayasa genetika tidak akan lama lagi.