Meccanismi che causano cambiamenti nell'informazione genetica. Classificazione delle mutazioni in base ai cambiamenti nella sequenza codificante del DNA (sostituzioni, inserzioni, delezioni) Classificazione delle mutazioni in base alla localizzazione nella cellula
L'informazione ereditaria viene trasmessa da una generazione di microrganismi all'altra da un gran numero di geni contenuti nel nucleotide di ciascuna cellula. L'informazione contenuta nel gene viene letta e utilizzata per sintetizzare una specifica proteina enzimatica. La presenza di questa proteina enzimatica crea la base chimica per la manifestazione di un tratto particolare in un microrganismo. Di conseguenza, tutti i tratti ereditari dei microrganismi sono il prodotto finale di processi biochimici, il che è ugualmente applicabile alle caratteristiche fisiologiche e ai tratti morfologici.
Un singolo gene può controllare l'ereditarietà di un singolo tratto o può determinare diversi o più tratti che interessano parti diverse della cellula di un microrganismo. In altri casi, diversi geni possono controllare congiuntamente l’espressione di un qualsiasi tratto. In un cromosoma batterico tutti i geni sono disposti in una sequenza lineare. I geni di alcuni tratti si trovano in posizioni corrispondenti sul cromosoma, chiamate loci. I batteri sono generalmente aploidi: hanno un solo set di geni.
L'insieme completo dei geni posseduti da una cellula di un microrganismo costituisce il genotipo di quel microrganismo. La manifestazione delle caratteristiche morfologiche ereditarie e dei processi fisiologici negli individui è chiamata fenotipo (dal greco faino - mostrare, mostrare). I microrganismi simili nel genotipo possono differire significativamente nel fenotipo, cioè nel modo in cui si manifestano i tratti ereditari. Le differenze fenotipiche tra microrganismi identici nel genotipo sono chiamate modifiche (adattamenti fenotipici). Pertanto, l'interazione delle inclinazioni genetiche con l'ambiente esterno può essere la causa dell'emergere di fenotipi diversi, anche se i genotipi sono identici. Tuttavia, la gamma potenziale di tali differenze fenotipiche è controllata dal genotipo.
Le modifiche, di regola, esistono finché agisce il fattore specifico dell'ambiente esterno che le ha causate, non vengono trasmesse ai discendenti e non vengono ereditate da loro. Pertanto, il trattamento con fenolo dei batteri dotati di flagelli impedisce lo sviluppo di flagelli in questi organismi. Tuttavia, la prole di batteri privi di flagellati trattati con fenolo coltivati su un terreno privo di fenolo sviluppa flagelli normali.
È stato stabilito che quasi tutte le caratteristiche morfologiche e fisiologiche dei microrganismi sono direttamente o indirettamente controllate dall'informazione genetica contenuta nel DNA.
L'informazione trasportata dal DNA non è qualcosa di assolutamente stabile e immutabile. Se le informazioni trasmesse da una generazione all'altra non fossero in grado di cambiare, anche la gamma di reazioni di organismi strettamente imparentati ai fattori ambientali sarebbe costante e qualsiasi cambiamento improvviso che si rivelasse dannoso per i microrganismi con un genotipo congelato potrebbe portare all'estinzione della specie... Di conseguenza, le informazioni trasmesse di generazione in generazione non sono assolutamente stabili, il che è utile per la sopravvivenza della specie.
I cambiamenti nel genotipo, chiamati mutazioni (dal latino mutare - cambiamento), avvengono spontaneamente, cioè per caso. Tali mutazioni causano cambiamenti drammatici nei singoli geni responsabili delle informazioni contenute nella cellula. Di norma, i rari errori di replicazione del DNA non sono accompagnati da massicci cambiamenti nelle informazioni che coinvolgono un gran numero di caratteristiche diverse. Tuttavia, gli organismi hanno sviluppato altri meccanismi che contribuiscono all'emergere di un'eredità radicalmente modificata nella prole. Questi meccanismi consistono nell'associazione e solitamente nell'immediato rimescolamento (ricombinazione) di geni appartenenti ad organismi strettamente imparentati, ma genotipicamente diversi. Durante la ricombinazione genetica, frammenti del cromosoma del microrganismo donatore vengono inseriti nel cromosoma di una cellula microbica che funge da ricevente.
Nei microrganismi, la capacità di ricombinare i geni può essere rappresentata sotto forma di diagramma.
Attualmente nei microrganismi sono noti tre tipi di trasferimento dei caratteri da un donatore a un ricevente: trasformazione, coniugazione e trasduzione. sale di ferro aerobico del microrganismo
Mutazione: un allele che si verifica in una popolazione con una frequenza pari o inferiore all'1%. La ragione della variabilità degli organismi non è solo la variabilità combinatoria, ma anche le mutazioni. Si tratta di cambiamenti nel genoma che consistono nella comparsa di nuovi alleli (sono chiamati mutazioni genetiche), o nel riarrangiamento dei cromosomi, ad esempio nel trasferimento di un pezzo di un cromosoma a un altro (quindi sono chiamati mutazioni cromosomiche) o in cambiamenti nel genoma (mutazioni genomiche). Un esempio di mutazione genomica è un cambiamento nel numero di cromosomi in una cellula. Raramente si verificano mutazioni individuali. Ad esempio, le mutazioni genetiche si verificano in circa un gene su centinaia di migliaia o addirittura in un milione. Tuttavia, poiché i geni possono essere numerosi, le mutazioni apportano un contributo significativo alla variabilità. Le mutazioni sono state discusse sopra sia in relazione al DNA che in connessione con il lavoro di Morgan. Per Morgan, un segno di mutazione era una qualche differenza morfologica nella Drosophila, che viene ereditata. Ha dimostrato che nel materiale genetico del mutante c'è una differenza rispetto al genoma delle mosche selvatiche. Da dove provenga, inizialmente la questione non è stata sollevata. Le mutazioni sono cambiamenti persistenti che si verificano casualmente nel genotipo e che colpiscono interi cromosomi, loro parti o singoli geni. Le mutazioni possono essere grandi, chiaramente visibili, ad esempio mancanza di pigmento (albinismo), mancanza di piumaggio nei polli (Fig. 11), zampe corte, ecc. Tuttavia, molto spesso i cambiamenti mutazionali sono piccole deviazioni appena percettibili dalla norma. Il termine "mutazione" è stato introdotto nella genetica da uno degli scienziati che hanno riscoperto le leggi di Mendel - G. de Vries nel 1901 (dal latino mutatio - cambiamento, cambiamento). Questo termine significava cambiamenti ereditari appena emersi, senza la partecipazione di croci. Come già accennato, le mutazioni si dividono in mutazioni genetiche, mutazioni cromosomiche e mutazioni genomiche (Fig. 118). Va notato che con le mutazioni cromosomiche e genomiche non si formano nuovi geni nel genoma; in effetti, si tratta di un rimescolamento di vecchi geni. A prima vista, sarebbe più logico attribuire tale variabilità alla variabilità combinatoria. Tuttavia, una volta determinato il sesso, la comparsa di un cromosoma X in più nel genoma può causare cambiamenti radicali nel fenotipo. Pertanto, storicamente c'è stata una tradizione che attribuiva tali cambiamenti nel genoma a mutazioni. Oltre a classificare le mutazioni in base al modo in cui si verificano, vengono classificate anche in base ad altre caratteristiche. 1). Le mutazioni dirette sono mutazioni che causano una deviazione dal tipo selvaggio. Le mutazioni posteriori sono un ritorno al tipo selvaggio. 2). Se le mutazioni si verificano nelle cellule germinali si chiamano mutazioni generative (dal lat. generatio - nascita), e se in altre cellule del corpo - mutazioni somatiche (dal greco soma - corpo). Le mutazioni somatiche possono essere trasmesse alla prole attraverso la propagazione vegetativa. 3). Secondo i risultati, le mutazioni sono suddivise in benefiche, neutre e dannose (incluse sterili, semi-letali e letali). Le mutazioni semi-letali sono mutazioni dannose che riducono notevolmente la vitalità, ma non fatali, ma letali, che portano alla morte dell'organismo in uno stadio o nell'altro dello sviluppo. Le mutazioni sterili sono quelle che non influenzano la vitalità dell'organismo, ma ne riducono drasticamente (spesso fino a zero) la fertilità. Le mutazioni neutre sono mutazioni che non modificano la vitalità dell'organismo. Normalmente il DNA viene copiato esattamente durante il processo di replicazione e rimane invariato tra due replicazioni successive. Ma occasionalmente si verificano errori e la sequenza del DNA cambia: questi errori sono chiamati mutazioni. Una mutazione è un cambiamento ereditario stabile nel DNA, indipendentemente dal suo significato funzionale. Questa definizione implica un cambiamento nella sequenza nucleotidica primaria, mentre cambiamenti di tipo diverso, come la metilazione, vengono solitamente definiti eventi epigenetici. Le mutazioni nelle cellule somatiche possono causare invecchiamento, cancro e altri cambiamenti meno significativi nel corpo. Le mutazioni nelle cellule germinali dei genitori vengono ereditate dai figli. Il concetto di stabilità della mutazione rimane generalmente valido, ma la scoperta di mutazioni dinamiche dovute ad un aumento del numero di ripetizioni di trinucleotidi mostra che alcune mutazioni cambiano durante la divisione delle cellule somatiche o germinali. Alcune mutazioni sono letali e non possono essere trasmesse alla generazione successiva, mentre altre non sono così pericolose e rimangono nella prole. Da un punto di vista evolutivo, le mutazioni forniscono una diversità genetica sufficiente per consentire alle specie di adattarsi alle condizioni ambientali attraverso la selezione naturale. Ogni locus genetico è caratterizzato da un certo livello di variabilità, cioè dalla presenza di alleli diversi, o varianti di sequenze di DNA, in individui diversi. In relazione a un gene, gli alleli sono divisi in due gruppi: alleli normali o di tipo selvaggio, in cui la funzione del gene non è compromessa, e alleli mutanti, che portano alla distruzione del gene. In ogni popolazione e per ogni gene predominano gli alleli wild-type. Per mutazione si intendono tutti i cambiamenti nella sequenza del DNA, indipendentemente dalla loro posizione e dall'impatto sulla vitalità dell'individuo. Pertanto, il concetto di mutazione è più ampio del concetto di allele mutante. Nella letteratura scientifica, le varianti delle sequenze geniche che si verificano frequentemente nelle popolazioni e che non portano a notevoli disturbi funzionali sono generalmente considerate mutazioni neutre o polimorfismi, mentre i concetti di "mutazione" e "allele mutante" sono spesso usati come sinonimi. Le mutazioni possono catturare sezioni di DNA di diversa lunghezza. Può trattarsi di un singolo nucleotide, allora si parlerà di mutazione puntiforme, ovvero di sezione estesa della molecola. Inoltre, data la natura dei cambiamenti, possiamo parlare di sostituzioni, delezioni e inserzioni nucleotidiche (inserimenti) e inversioni. Il processo di mutazioni è chiamato mutagenesi. A seconda dei fattori che causano le mutazioni, queste si dividono in spontanee e indotte. Le mutazioni spontanee si verificano spontaneamente durante tutta la vita di un organismo in normali condizioni ambientali. Le mutazioni spontanee nelle cellule eucariotiche si verificano con una frequenza di 10-9-10-12 per nucleotide per generazione cellulare. Le mutazioni che si verificano come risultato di influenze mutagene in condizioni sperimentali o sotto influenze ambientali avverse sono chiamate indotte. Tra i fattori mutageni più importanti, innanzitutto, è necessario notare i mutageni chimici: sostanze organiche e inorganiche che causano mutazioni, nonché radiazioni ionizzanti. Non ci sono differenze significative tra mutazioni spontanee e indotte. La maggior parte delle mutazioni spontanee deriva da un effetto mutageno che non viene registrato dallo sperimentatore. Va sottolineato che l'utilità o la nocività delle mutazioni dipende dalle condizioni ambientali: in alcune condizioni ambientali una data mutazione è dannosa, in altre è benefica. Ad esempio, una mutazione che causa l'albinismo sarà benefica per gli abitanti dell'Artico, fornendo una colorazione bianca protettiva, ma dannosa, smascherando gli animali che vivono in altre condizioni. La variabilità fornisce materiale per l'azione della selezione naturale ed è alla base del processo evolutivo. Le mutazioni forniscono materiale per il lavoro degli allevatori. L'ottenimento e la selezione di mutazioni utili (per l'uomo) sono alla base della creazione di nuove varietà di piante, animali e microrganismi. La classificazione delle mutazioni si basa sui processi molecolari del loro verificarsi.
La storia della formazione della microbiologia come scienza
La microbiologia (dal greco micros. piccolo, bios. vita, logos. dottrina) è una scienza che studia la struttura, l'attività vitale e l'ecologia dei microrganismi delle più piccole forme di vita di origine vegetale o animale, non visibili a occhio nudo.
La microbiologia studia tutti i rappresentanti del microcosmo (batteri, funghi, protozoi, virus). Fondamentalmente, la microbiologia è una scienza biologica fondamentale. Per studiare i microrganismi, utilizza i metodi di altre scienze, principalmente fisica, biologia, chimica bioorganica, biologia molecolare, genetica, citologia e immunologia. Come ogni scienza, la microbiologia si divide in generale e particolare. La microbiologia generale studia i modelli di struttura e attività vitale dei microrganismi a tutti i livelli. molecolare, cellulare, popolazione; genetica e il suo rapporto con l’ambiente. Oggetto di studio della microbiologia privata sono i singoli rappresentanti del micromondo, a seconda della loro manifestazione e influenza sull'ambiente, sulla fauna selvatica, compresi gli esseri umani. Le sezioni private di microbiologia includono: microbiologia medica, veterinaria, agricola, tecnica (sezione di biotecnologia), marina, spaziale. La microbiologia medica studia i microrganismi patogeni per l'uomo: batteri, virus, funghi, protozoi. A seconda della natura dei microrganismi patogeni studiati, la microbiologia medica è divisa in batteriologia, virologia, micologia e protozoologia. Ognuna di queste discipline considera le seguenti tematiche: - morfologia e fisiologia, ovvero svolge ricerche microscopiche e di altro tipo, studia il metabolismo, la nutrizione, la respirazione, le condizioni di crescita e riproduzione, le caratteristiche genetiche dei microrganismi patogeni; - il ruolo dei microrganismi nell'eziologia e nella patogenesi delle malattie infettive; - principali manifestazioni cliniche e prevalenza delle malattie provocate; - diagnostica specifica, prevenzione e cura delle malattie infettive; - ecologia dei microrganismi patogeni. La microbiologia medica comprende anche la microbiologia sanitaria, clinica e farmaceutica. La microbiologia sanitaria studia la microflora dell'ambiente, la relazione della microflora con il corpo, l'influenza della microflora e dei suoi prodotti metabolici sulla salute umana, sviluppa misure che prevengono gli effetti negativi dei microrganismi sull'uomo. Il focus della microbiologia clinica. Il ruolo dei microrganismi condizionatamente patogeni nell'insorgenza di malattie umane, diagnosi e prevenzione di queste malattie. La microbiologia farmaceutica studia le malattie infettive delle piante medicinali, il deterioramento delle piante medicinali e delle materie prime sotto l'azione di microrganismi, la contaminazione dei medicinali durante la preparazione, nonché le forme di dosaggio finite, i metodi di asepsi e antisettici, la disinfezione nella produzione di medicinali, tecnologia per ottenere preparati diagnostici, profilattici e medicinali microbiologici e immunologici. La microbiologia veterinaria studia le stesse problematiche della microbiologia medica, ma con riferimento ai microrganismi che causano malattie animali. Microflora del suolo, flora, sua influenza sulla fertilità, composizione del suolo, malattie infettive delle piante, ecc. sono al centro della microbiologia agricola. La microbiologia marina e spaziale studia, rispettivamente, la microflora dei mari e dei bacini idrici, dello spazio e di altri pianeti. La microbiologia tecnica, che fa parte della biotecnologia, sviluppa una tecnologia per ottenere vari prodotti da microrganismi per l'economia e la medicina nazionale (antibiotici, vaccini, enzimi, proteine, vitamine). La base della moderna biotecnologia è l’ingegneria genetica. Numerose scoperte nel campo della microbiologia, lo studio dei rapporti tra macro e microrganismi nella seconda metà del XIX secolo. ha contribuito al rapido sviluppo dell’immunologia. Inizialmente, l'immunologia era considerata la scienza dell'immunità del corpo alle malattie infettive. Attualmente è diventata una scienza medica generale e biologica generale. È stato dimostrato che il sistema immunitario serve a proteggere l'organismo non solo dagli agenti microbici, ma anche da eventuali sostanze geneticamente estranee all'organismo al fine di mantenere la costanza dell'ambiente interno dell'organismo, ad es. omeostasi. L'immunologia è la base per lo sviluppo di metodi di laboratorio per la diagnosi, la prevenzione e il trattamento delle malattie infettive e di molte malattie non trasmissibili, nonché per lo sviluppo di preparati immunobiologici (vaccini, immunoglobuline, immunomodulatori, allergeni, preparati diagnostici). L'immunobiotecnologia è impegnata nello sviluppo e nella produzione di preparati immunobiologici. branca indipendente dell’immunologia. La moderna microbiologia medica e l'immunologia hanno ottenuto un grande successo e svolgono un ruolo enorme nella diagnosi, nella prevenzione e nel trattamento delle malattie infettive e di molte malattie non infettive associate a disturbi del sistema immunitario (malattie oncologiche, autoimmuni, trapianti di organi e tessuti, ecc.).
Trasformazioni del ferro
In un clima temperato normale, una persona sana ha bisogno di 10-15 mg di ferro al giorno nel cibo. Questa quantità è abbastanza per coprire le perdite dal corpo. Il nostro corpo contiene da 2 a 5 g di ferro, a seconda del livello di emoglobina, del peso, del sesso e dell'età. Soprattutto ce n'è molto nell'emoglobina del sangue: due terzi della quantità totale contenuta nel corpo; il resto viene immagazzinato negli organi interni, principalmente nel fegato.
Il ferro contenuto negli alimenti viene assorbito nell'intestino e trasferito nei vasi sanguigni, dove viene catturato da una speciale proteina di trasporto. Questa proteina fu scoperta per la prima volta nel 1920 nel siero del sangue. Ma i metodi di analisi esistenti a quel tempo non permettevano di determinarne con precisione la struttura. Solo nel 1945 gli scienziati svedesi K-Holmberg e K.-B. Laurell studiò in dettaglio questa proteina contenente ferro, ne stabilì la natura e le diede il nome di "transferrina".
È interessante notare che una proteina simile fu isolata anche dal latte nel 1939 e fu chiamata lattoferrina. I pesi molecolari di queste proteine sono all'incirca uguali e sono circa 80mila, sono in grado di legare 2 atomi di ferro, conferendo loro un caratteristico colore rossastro. La lattoferrina è stata poi ritrovata nelle lacrime, nella bile e in altri fluidi corporei. A rigor di termini, le proteine di trasporto svolgono una funzione simile all'emoglobina, solo che non trasportano ossigeno, ma ferro e ferro trivalente. Viene trasportato principalmente al midollo osseo, una piccola parte va al fegato e alla milza, dove viene immagazzinato come fondo di riserva; una piccola quantità va alla formazione della mioglobina e di alcuni enzimi della respirazione dei tessuti. I principali organi in cui avviene lo scambio del ferro sono il midollo osseo, il fegato e l'intestino tenue, dove sono presenti appositi recettori che servono a ricevere la transferrina.
Nel midollo osseo si formano emoglobina e globuli rossi, la cui durata è di circa 4 mesi. Trascorso questo tempo, l'emoglobina viene distrutta, scindendosi in eme e globina. Ulteriori trasformazioni di queste sostanze avvengono in modi diversi. La globina viene idrolizzata in amminoacidi e l'eme nel fegato viene convertito in pigmenti biliari - in biliverdina verde, che viene ridotta in bilirubina, che ha un colore giallo-arancio o marrone. Solo una parte insignificante di questi pigmenti ritorna nel sangue, ma per la maggior parte vengono espulsi dal corpo. Nelle malattie del fegato come l'ittero, una quantità eccessiva di bilirubina entra nel flusso sanguigno, conferendo il caratteristico colore giallo alla pelle e al bianco degli occhi.
Abbiamo detto sopra che parte del ferro nel corpo è immagazzinato come riserva. In condizioni normali, tale ferro immagazzinato fa parte della ferritina proteica idrosolubile rosso-marrone, ampiamente distribuita nel regno vegetale e animale. Si trova nei vertebrati, negli invertebrati, nei fiori e persino nei funghi. Questo parla del suo ruolo universale e dell'antica origine evolutiva. Per la prima volta la ferritina fu isolata da F. Laufberger nel 1937 dalla milza di un cavallo. Qualche tempo dopo, fu stabilito il suo ruolo come composto che accumula ferro nel corpo. Le molecole di ferritina sono aggregati di ferro sotto forma di composti complessi circondati da una proteina apoferritica con un peso molecolare di 480mila, tale complesso può contenere fino a 4,5mila atomi di ferro. Se il valore della transferrina è simile all'emoglobina, allora la ferritina è simile sotto questo aspetto alla mioglobina.
Quindi, la quantità principale di ferro circola nel nostro corpo, una parte si accumula nella ferritina e una quantità molto piccola si deposita sotto forma di granuli proteici insolubili di emosiderina. Nella ferritina e nell'emosiderina, il ferro può essere immagazzinato per un lungo periodo, fino a quando non è urgentemente necessario all'organismo, ad esempio durante la perdita di sangue. Quindi il ferro di riserva viene utilizzato per la sintesi dell'emoglobina. La modalità con cui viene estratto dalle proteine di deposito non è stata ancora stabilita con precisione. Poiché non è accertato, con ogni probabilità, una serie di sostanze, in un modo o nell'altro, sono collegate al ferro del nostro corpo.
Microrganismi e ambiente. Fattori fisici (concentrazione di sale)
Nei capitoli precedenti sono stati descritti vari microrganismi, raggruppati in base alle loro proprietà fisiologiche e biochimiche. C'erano anche menzioni di habitat. Le informazioni ottenute ora ci consentono di considerare la relazione dei microrganismi con il loro ambiente. Ci concentreremo innanzitutto sui concetti e sui concetti di base dell'ecologia. Questa scienza studia il comportamento degli organismi nei loro habitat naturali, il loro rapporto tra loro e con l'ambiente. Le prime tracce di vita risalgono a più di 3 miliardi di anni fa; si trattava di microrganismi che dominavano la biosfera terrestre fino ad un periodo di circa 0,5 miliardi di anni fa. Quindi i procarioti non solo sono all'origine della vita terrena, non solo da essi si è sviluppata tutta la varietà delle forme eucariotiche, ma sono sempre esistiti anche dopo. Le forme di vita più elevate nel corso della loro evoluzione non sono mai state sole; erano costantemente spiazzati o supportati dagli onnipresenti organismi unicellulari. Tra le moderne forme di vita superiori ci sono quelle che si sono affermate non solo nella lotta contro i propri simili, ma anche nei rapporti con i microrganismi. Molti organismi nel processo di evoluzione hanno sviluppato partenariati tolleranti: simbiosi mutualistica. I microrganismi esistevano già quando la superficie del nostro pianeta assunse la forma attuale; erano già presenti in un'epoca in cui i continenti si spostavano, si creavano sedimenti spessi diverse migliaia di metri, la crosta terrestre affondava e si piegava più volte, sorsero depositi di minerali, carbone, petrolio e gas naturale. I microrganismi hanno partecipato attivamente a molti di questi processi. Per almeno l'80% dell'intero periodo dell'evoluzione organica, la Terra è stata abitata esclusivamente da microrganismi. Se i resti fossili di microbi vengono trovati raramente, i dati della fisiologia comparativa e della biochimica servono come supporto sufficiente per la classificazione dei procarioti in base al tipo di metabolismo. Tuttavia, leggendo la sezione sull'evoluzione degli organismi, si dovrebbe tener conto del fatto che ci sono ancora molte lacune e congetture in questo settore. FATTORI FISICI
L'acqua minerale del Mar Morto ha un'elevata conduttività termica e capacità termica. Pertanto, il primo fattore di influenza è la temperatura. Il principale sito di applicazione è la pelle. L'irritazione dei recettori nervosi della pelle provoca un'inibizione diffusa nella corteccia cerebrale, ad es. rimozione della sovratensione a causa di stress psicologico, stress, ecc. Con un'intensa esposizione al calore durante il bagno, il trasferimento di calore viene rafforzato dalla sudorazione, che contribuisce alla disintossicazione del corpo. Inoltre, l'effetto termico sui muscoli contribuisce al loro rilassamento. In un bagno ai sali del Mar Morto, una colonna d'acqua alta 40-50 cm esercita una pressione pari a 1/5 dell'atmosfera, che stimola la funzione della respirazione e della circolazione sanguigna. I vasi degli organi addominali reagiscono alle variazioni della temperatura della pelle: un aumento della temperatura esterna, accompagnato da una dilatazione dei vasi cutanei, porta ad un restringimento dei vasi degli organi addominali e viceversa. L'eccezione sono i reni: la vasodilatazione della pelle porta alla vasodilatazione dei reni. Per ottenere un'adeguata risposta vascolare, la temperatura di tutte le parti del corpo deve essere uguale prima di fare il bagno. Ad esempio, i piedi freddi dovrebbero essere riscaldati in una bacinella o sotto l'acqua calda corrente. In questo caso la reazione vascolare andrà nella giusta direzione e l'effetto del bagno sarà positivo. Sulla base di quanto sopra, si consiglia di fare bagni con i sali del Mar Morto ad una temperatura dell'acqua di 37-39 gradi, per una durata dai 10 ai 15 minuti.
Conversione del fosforo
Il ciclo del fosforo è molto più semplice di quello del carbonio e dell’azoto. Consiste principalmente nella mineralizzazione del fosforo organico e nel trasferimento dei sali fosfatici dai sali meno solubili a quelli più solubili (mobilizzazione del fosforo). Nell'organismo degli animali e delle piante il fosforo fa parte di sostanze proteiche (nucleoproteine) e di alcuni lipidi (lecitine). Questo fosforo, dopo la morte di animali e piante, quando decomposto da microbi putrefattivi e altri, si mineralizza e si trasforma in acido fosforico, che si lega rapidamente con le basi e si trasforma in sali scarsamente solubili di calcio, magnesio, ferro, inadatti alla nutrizione delle piante. Inoltre, il trasferimento di questi sali scarsamente solubili in sali solubili avviene a seguito di processi biochimici accompagnati dalla formazione di acidi. Questi processi producono batteri acidificanti, vale a dire nitrificanti, solforati, tionici, ammonificanti, formando grandi quantità di acido carbonico, soprattutto tu. mycoides.
Il sale tricalcico scarsamente solubile viene convertito nel sale di fosforo bicalcico facilmente solubile:
Ca3 (PO4) 2 + 2CO2 + 2H2O \u003d 2CaHPO4 + Ca (HCO3) 2
Ca3(PO4)2+4HNO3=Ca(H2PO4)2+2Ca(NO3)2,
che viene assorbito dalle piante.
In condizioni anaerobiche, i batteri del suolo possono ridurre i sali di fosfato fino all'idrogeno fosfuro in presenza di materia organica. Ciò si traduce nella perdita di preziosi sali fosfatici. Il miglior rimedio contro questo processo dannoso è una buona aerazione del terreno.
Decomposizione aerobica della cellulosa
Decomposizione della cellulosa in condizioni aerobiche. In terreni ben aerati, la cellulosa viene decomposta e utilizzata da microrganismi aerobici (funghi, mixobatteri e altri eubatteri) e in condizioni anaerobiche, principalmente clostridi. In condizioni aerobiche, un ruolo significativo nella decomposizione della cellulosa appartiene ai funghi. Sotto questo aspetto sono più efficaci dei batteri, soprattutto nei terreni acidi e nella decomposizione della cellulosa incrostata di lignina (legno). I rappresentanti di due generi, Fusarium e Chaetomium, svolgono un ruolo importante in questo processo. La cellulosa viene anche digerita da Aspergillus fumigatus, A. nidulans, Botrytis cinerea, Rhizoctonia solani, Trichoderma viride, Chaetomium globosum e Myrothecium verrucaria. Le ultime tre specie servono come organismi di prova per rilevare la decomposizione della cellulosa, nonché come agenti di prova utilizzati per impregnare vari materiali per proteggerli dall'azione dei microrganismi che decompongono la cellulosa. I funghi formano cellulasi che possono essere isolate dal micelio e dal mezzo nutritivo. Cytophaga e Sporocytophaga sono batteri aerobi che decompongono la cellulosa. Sono più facili da isolare con il metodo consueto di coltura di arricchimento in mezzi liquidi. Questi due generi, strettamente imparentati con i mixobatteri, comprendono molte specie. Poco si sa sull'uso della cellulosa da parte dei mixobatteri e sul loro effetto principale su di essa. Non sono riusciti a rilevare né la cellulasi extracellulare né alcun prodotto di scissione della cellulosa. Le cellule di questi batteri aderiscono strettamente alle fibre di cellulosa, essendo parallele all'asse delle fibre. Apparentemente idrolizzano la cellulosa solo a stretto contatto con la fibra e i prodotti dell'idrolisi vengono immediatamente assorbiti. Su agar con cellulosa, le colonie di Cytophaga non sono mai circondate da una zona trasparente in cui si troverebbero i prodotti della scissione enzimatica della cellulosa. Oltre alle specie Cytophaga, possono crescere batteri mixo dei generi Polyangium, Sporangium e Archangium, che formano corpi fruttiferi. sulla cellulosa. Molti di quei batteri aerobi che potremmo definire “onnivori” possono anche utilizzare la cellulosa come substrato per la crescita. Alcuni di essi utilizzano la cellulosa, a quanto pare solo quando non esistono altre fonti di carbonio; la sintesi e il rilascio di cellulasi in tali batteri sono regolati dal tipo di repressione dei cataboliti. Alcune forme simili a Pseudomonas erano precedentemente raggruppate sotto Cellvibrio. Ora sono descritti come Pseudomonas fluorescens var. cellulosa. Tra i batteri corineformi vanno citati Cellulomonas; si supponeva che questo batterio fosse addirittura utilizzato per ottenere proteine dalla cellulosa. Tra gli actinomiceti sono state descritte solo poche specie che decompongono la cellulosa: Micromonospora chalcea, Streptomyces cellulosae, Strepto-sporangium. Decomposizione della cellulosa in condizioni anaerobiche. In condizioni anaerobiche, la cellulosa viene spesso scomposta da clostridi mesofili e termofili. La specie termofila Clostridium thermocellum cresce su semplici terreni sintetici, utilizzando cellulosa o cellobiosio come substrato e sali di ammonio come fonte di azoto; Questo batterio non utilizza il glucosio e molti altri zuccheri. I prodotti della fermentazione della cellulosa sono etanolo, acido acetico, formico e lattico, idrogeno molecolare e CO2. Al di fuori delle cellule, la cellulosa viene probabilmente scomposta solo in cellobiosio. La fermentazione della cellulosa da parte della specie mesofila Clostridium cellobioparum porta a prodotti simili. Il lungo bastoncino di Bacillus dissolvens si comporta in modo simile alla specie Cytophaga sopra menzionata: le cellule di questo batterio aderiscono strettamente alle fibre di cellulosa e non rilasciano cellulasi nel mezzo.
La respirazione è un processo che fornisce ossigeno (O2) al metabolismo degli organismi viventi dall'ambiente e rimuove alcuni dei prodotti metabolici del corpo (CO2, H2O, ecc.) nell'ambiente allo stato gassoso. La respirazione è la principale forma di dissimilazione negli esseri umani, negli animali, nelle piante e in molti microrganismi. Durante la respirazione, le sostanze ricche di energia chimica appartenenti al corpo vengono ossidate in prodotti finali poveri di energia (anidride carbonica e acqua), utilizzando a questo scopo l'ossigeno molecolare.
Il termine "anaerobi" fu introdotto da Louis Pasteur, che scoprì i batteri della fermentazione butirrica nel 1861. La respirazione anaerobica è un insieme di reazioni biochimiche che si verificano nelle cellule degli organismi viventi quando altre sostanze (ad esempio i nitrati) vengono utilizzate come accettori finali di protoni e si riferisce a processi del metabolismo energetico (catabolismo, dissimilazione), che sono caratterizzati dall'ossidazione di carboidrati, lipidi e amminoacidi in composti a basso peso molecolare.
La fermentazione dell'acido lattico è la conversione anaerobica dello zucchero da parte dei batteri lattici per formare acido lattico.
La fermentazione alcolica è una reazione di fermentazione chimica effettuata dal lievito, a seguito della quale una molecola di glucosio viene convertita in 2 molecole di etanolo e 2 molecole di anidride carbonica.
La fermentazione butirrica è il processo di conversione dello zucchero da parte dei batteri butirrici in condizioni anaerobiche per formare acido butirrico, anidride carbonica e idrogeno.
La nitrificazione è un processo microbiologico di ossidazione dell'ammoniaca in acido nitroso o successivamente in acido nitrico, che è associato alla produzione di energia (chemiosintesi, nitrificazione autotrofa) o alla protezione dalle specie reattive dell'ossigeno formate durante la decomposizione del perossido di idrogeno (nitrificazione eterotrofa). .
La denitrificazione (dissimilazione della riduzione dei nitrati) è la somma dei processi microbiologici di riduzione dei nitrati a nitriti e successivamente a ossidi gassosi e azoto molecolare. Di conseguenza, il loro azoto ritorna nell’atmosfera e diventa inaccessibile alla maggior parte degli organismi. Viene effettuato solo dai procarioti (sia batteri che archaea) in condizioni anaerobiche ed è associato alla loro produzione di energia.
Fissazione dell'azoto - fissazione dell'azoto atmosferico molecolare, diazotrofia. Il processo di ripristino della molecola di azoto e di inclusione nella composizione della sua biomassa da parte di microrganismi procarioti. La fonte più importante di azoto nel ciclo biologico. Negli ecosistemi terrestri i fissatori di azoto sono localizzati principalmente nel suolo.
Streptococchi. Gli streptococchi sono rotondi, piccoli, disposti in catene di varia lunghezza, cocchi. Spesso queste catene sono costituite da cocchi accoppiati - diplo-streptococchi. Colorazione streptococchi per Gram. Nell'espettorato si presentano con bronchite, ascesso, cancrena polmonare. Gli streptococchi sono considerati patogeni se si trovano tra e all'interno dei leucociti.
Stafilococchi. Cocchi rotondi di varie dimensioni, disposti in gruppi, nonché colorati singolarmente con vernici convenzionali e Gram. Gli stafilococchi si trovano spesso all'interno dei globuli bianchi. Nell'espettorato, gli streptococchi vengono spesso osservati contemporaneamente.
Tetracocco (micrococco tetragene). Hanno l'aspetto di cocchi ovali o rotondi di varie dimensioni, disposti in quattro e circondati da una capsula comune. Colorazione di Gram. Nell'espettorato si osservano negli ascessi e nella cancrena polmonare, nella bronchite e anche come infezione secondaria nella tubercolosi, più spesso in presenza di cavità.
SARCINA (dal lat. sarcina - grappolo, nodo), batteri (cocchi) sferici che formano grappoli cubici a forma di pacchetto. immobile; non patogeno.
BACILLA (dal latino bacillum - bastone), batterio a forma di bastoncino. In senso stretto, i bacilli sono batteri a forma di bastoncino che formano spore intracellulari (forme a riposo resistenti alle alte temperature, alle radiazioni e ad altri effetti avversi). Alcuni bacilli causano malattie negli animali e nell'uomo, come l'antrace e il tetano.
Clostridia (lat. Clostridium) è un genere di batteri anaerobi obbligati gram-positivi in grado di produrre endospore. Le cellule separate sono bastoncini allungati, il nome del genere deriva dal greco klptfed (fuso). Molte specie assegnate a Clostridia da questo tratto morfologico furono successivamente riclassificate. Le endospore possono essere localizzate centralmente, eccentricamente e terminalmente. Il diametro delle endospore spesso supera il diametro della cellula.
Spirilla (Novolatin spirilla, diminutivo del latino spira, greco speira - piegare, torcere, arrotolare) batteri che hanno la forma di bastoncini attorcigliati a spirale o arcuati. Le dimensioni di S. variano nelle diverse specie in un ampio intervallo: larghezza da 0,6-0,8 a 2-3 micron, lunghezza da 1-3,2 a 30-50 micron. C. non formano spore, sono Gram-positivi, mobili grazie ad un fascio di flagelli situato all'estremità della cellula. Esistono specie di S. che crescono scarsamente sui terreni nutritivi di laboratorio; le singole specie non sono state affatto isolate nella cultura pura. S. - saprofiti; Vivono in corpi d'acqua dolce e salata, si trovano anche nell'acqua stagnante in decomposizione, nei liquami e nel contenuto dell'intestino degli animali.
Spirochete (lat. Spirochaetales) - un ordine di batteri con cellule lunghe (3--500 micron) e sottili (0,1--1,5 micron) a spirale (greco ureisb "ricciolo") attorcigliate (uno o più giri della spirale) .
Gli attinomiceti (funghi radianti obsoleti) sono batteri che hanno la capacità di formare micelio ramificato in alcune fasi dello sviluppo (alcuni ricercatori, sottolineando la natura batterica degli attinomiceti, li chiamano analoghi dei filamenti sottili del micelio dei funghi) con un diametro di 0,4-1,5 micron , che si manifestava in loro in condizioni ottimali per l'esistenza. Hanno un tipo di parete cellulare gram-positiva e un contenuto elevato (60-75%) di coppie GC nel DNA.
I micobatteri (Mycobacteriaceae) sono una famiglia di attinomiceti. L'unico genere è Mycobacterium. Alcuni rappresentanti del genere Mycobacterium (ad es. M. tuberculosis, M. leprae) sono patogeni per i mammiferi (vedi tubercolosi, micobatteriosi, lebbra).
L'insilamento è uno dei modi per preservare e immagazzinare mangimi succulenti. L'insilato di alta qualità ha un gradevole odore aromatico di frutta e verdura in salamoia, colore verde chiaro, verde giallastro e verde brunastro con un'acidità di 3,9-4,2. Costituisce un ottimo componente delle diete nel periodo della stalla invernale, viene facilmente consumato dagli animali.
insilato - disidratazione delle piante verdi al fine di creare un deficit idrico che impedisca lo sviluppo di batteri indesiderati durante lo stoccaggio della massa senza accesso all'aria. A differenza dell'insilamento, i processi di fermentazione durante la preparazione dell'insilato vengono inibiti, poiché l'erba viene essiccata sul campo fino ad un contenuto di umidità del 45-55%, per cui si ottiene la cosiddetta secchezza fisiologica della massa.
I batteri Gram-negativi (denominati Gram (-)) sono batteri che, a differenza dei batteri Gram-positivi, diventano incolori se lavati con il metodo della colorazione di Gram. Dopo lo sbiancamento, di solito vengono colorati con un colorante aggiuntivo (magenta) rosa.
LA TERMOGENESI è la produzione di calore da parte del corpo per mantenere una temperatura corporea costante e garantire il funzionamento di tutti i suoi sistemi, dal funzionamento dei processi intracellulari, alla circolazione sanguigna, alla digestione del cibo, alla capacità di movimento, ecc.
La pastorizzazione è un processo di riscaldamento una tantum di prodotti o sostanze spesso liquidi fino a 60 ° C per 60 minuti o ad una temperatura di 70-80 ° C per 30 minuti. La tecnologia fu scoperta a metà del XIX secolo dal microbiologo francese Louis Pasteur. Viene utilizzato per disinfettare i prodotti alimentari e per prolungarne la durata di conservazione.
Sterilizzazione (dal lat. sterilis - sterile) - il rilascio completo di varie sostanze, oggetti, prodotti alimentari da microrganismi viventi.
I batteri Gram-positivi (denotati Gram (+)) sono batteri che, a differenza dei batteri Gram-negativi, mantengono il loro colore, non scoloriscono se lavati utilizzando la colorazione Gram dei microrganismi.
Adesione (dal latino adhaesio - attaccare) in fisica - adesione di superfici di corpi solidi e/o liquidi dissimili. L'adesione è dovuta all'interazione intermolecolare (van der Waals, polare, talvolta - formazione di legami chimici o diffusione reciproca) nello strato superficiale ed è caratterizzata dal lavoro specifico richiesto per separare le superfici. In alcuni casi l'adesione può essere più forte della coesione, cioè l'adesione all'interno di un materiale omogeneo, in questi casi, quando viene applicata una forza di strappo, si verifica una rottura coesiva, cioè una rottura del volume del meno resistente dei materiali a contatto.
Il commensalismo (lat. con mensa - letteralmente “a tavola”, “allo stesso tavolo”) è un modo di coesistenza di due diversi tipi di organismi viventi, in cui una popolazione beneficia della relazione e l'altra non riceve alcun beneficio o danno (ad esempio, pesciolini d'argento comuni e esseri umani).
FAGIA (dal greco phagos - divoratore), parte integrante di parole composte, corrispondente nel significato alle parole mangiare, assorbire.
Il satelliteismo è un aumento della crescita di un tipo di microrganismo sotto l'influenza di un altro microrganismo. Con la crescita congiunta di diversi tipi di microbi è possibile attivare le loro funzioni fisiologiche, il che porta ad un effetto più rapido sul substrato. Ad esempio, le colonie di lievito o di sarcina, rilasciando metaboliti nel mezzo nutritivo, stimolano la crescita di altri microrganismi attorno alle loro colonie.
I fitormoni sono sostanze organiche a basso peso molecolare prodotte dalle piante e con funzioni regolatrici. Sono attive basse concentrazioni di fitormoni (fino a 10–11 M), mentre i fitormoni provocano vari cambiamenti fisiologici e morfologici nelle parti delle piante sensibili alla loro azione.
1. Forme di microrganismi
2. La struttura di una cellula batterica
3. Organi di movimento di batteri
4. Dispositivo microscopio
5. Forme di colonie
6. Profili delle colonie.
7. Il confine delle colonie
8. Ciclo di conversione dell'azoto
9. Ciclo di conversione del fosforo
10. Ciclo di trasformazione dello zolfo
Mutazioni genetiche: un cambiamento nella struttura di un gene. Questo è un cambiamento nella sequenza dei nucleotidi: dropout, inserimento, sostituzione, ecc. Ad esempio, sostituendo A con M. Cause: violazioni durante il raddoppio (replicazione) del DNA
Le mutazioni genetiche sono cambiamenti molecolari nella struttura del DNA che non sono visibili al microscopio ottico. Le mutazioni genetiche includono qualsiasi cambiamento nella struttura molecolare del DNA, indipendentemente dalla loro posizione e dall'impatto sulla vitalità. Alcune mutazioni non hanno alcun effetto sulla struttura e sulla funzione della proteina corrispondente. Un'altra (la maggior parte) parte delle mutazioni genetiche porta alla sintesi di una proteina difettosa che non è in grado di svolgere la sua corretta funzione. Sono le mutazioni genetiche che determinano lo sviluppo della maggior parte delle forme ereditarie di patologia.
Le malattie monogeniche più comuni nell'uomo sono: fibrosi cistica, emocromatosi, sindrome adrenogenitale, fenilchetonuria, neurofibromatosi, miopatie di Duchenne-Becker e una serie di altre malattie. Clinicamente si manifestano con segni di disturbi metabolici (metabolismo) nel corpo. La mutazione può essere:
1) in una sostituzione di base in un codone, questo è il cosiddetto mutazione missenso(dall'inglese mis - falso, errato + lat. sensus - significato) - una sostituzione nucleotidica nella parte codificante del gene, che porta ad una sostituzione aminoacidica nel polipeptide;
2) in un tale cambiamento nei codoni, che porterà a un arresto nella lettura delle informazioni, questo è il cosiddetto mutazione senza senso(dal latino non - no + sensus - significato) - una sostituzione nucleotidica nella parte codificante del gene porta alla formazione di un codone terminatore (codone di stop) e alla cessazione della traduzione;
3) una violazione delle informazioni di lettura, uno spostamento nella cornice di lettura, chiamata frameshift(dall'inglese frame - frame + shift: - spostamento, movimento), quando i cambiamenti molecolari nel DNA portano a un cambiamento nelle triplette durante la traduzione della catena polipeptidica.
Sono noti anche altri tipi di mutazioni genetiche. Secondo il tipo di cambiamenti molecolari, ci sono:
divisione(dal lat. deletio - distruzione), quando si verifica la perdita di un segmento di DNA di dimensioni variabili da un nucleotide a un gene;
duplicazioni(dal lat. duplicatio - raddoppio), cioè duplicazione o riduplicazione di un segmento di DNA da un nucleotide a interi geni;
inversioni(dal lat. inversio - capovolgersi), cioè una rotazione di 180° di un segmento di DNA di dimensioni variabili da due nucpeotidi a un frammento che comprende diversi geni;
inserimenti(dal lat. insertio - attaccamento), cioè inserimento di frammenti di DNA di dimensioni variabili da un nucleotide all'intero gene.
I cambiamenti molecolari che interessano da uno a più nucleotidi sono considerati mutazioni puntiformi.
Fondamentale e distintivo per una mutazione genetica è che 1) porta a un cambiamento nell'informazione genetica, 2) può essere trasmessa di generazione in generazione.
Una certa parte delle mutazioni genetiche possono essere classificate come mutazioni neutre, poiché non portano ad alcun cambiamento nel fenotipo. Ad esempio, a causa della degenerazione del codice genetico, lo stesso amminoacido può essere codificato da due triplette che differiscono solo per una base. D'altra parte, lo stesso gene può cambiare (mutare) in diversi stati diversi.
Ad esempio, il gene che controlla il gruppo sanguigno del sistema AB0. ha tre alleli: 0, A e B, le cui combinazioni determinano 4 gruppi sanguigni. Il gruppo sanguigno AB0 è un classico esempio della variabilità genetica dei tratti umani normali.
Sono le mutazioni genetiche che determinano lo sviluppo della maggior parte delle forme ereditarie di patologia. Le malattie causate da tali mutazioni sono chiamate malattie genetiche o monogeniche, cioè malattie il cui sviluppo è determinato dalla mutazione di un gene.
Mutazioni genomiche e cromosomiche
Le mutazioni genomiche e cromosomiche sono le cause delle malattie cromosomiche. Le mutazioni genomiche includono aneuploidia e cambiamenti nella ploidia di cromosomi strutturalmente invariati. Rilevato con metodi citogenetici.
Aneuploidia- variazione (diminuzione - monosomia, aumento - trisomia) del numero di cromosomi dell'insieme diploide, non multiplo di quello aploide (2n + 1, 2n - 1, ecc.).
Poliploidia- un aumento del numero di corredi cromosomici, multiplo di quello aploide (3n, 4n, 5n, ecc.).
Negli esseri umani, la poliploidia, così come la maggior parte delle aneuploidie, sono mutazioni letali.
Le mutazioni genomiche più comuni includono:
trisomia- la presenza di tre cromosomi omologhi nel cariotipo (ad esempio, per la 21a coppia, con sindrome di Down, per la 18a coppia per sindrome di Edwards, per la 13a coppia per sindrome di Patau; per i cromosomi sessuali: XXX, XXY, XYY);
monosomia- la presenza di uno solo dei due cromosomi omologhi. Con la monosomia per uno qualsiasi degli autosomi, il normale sviluppo dell'embrione è impossibile. L'unica monosomia negli esseri umani compatibile con la vita - la monosomia sul cromosoma X - porta (alla sindrome di Shereshevsky-Turner (45, X0).
La ragione che porta all'aneuploidia è la mancata disgiunzione dei cromosomi durante la divisione cellulare durante la formazione delle cellule germinali o la perdita di cromosomi a causa del ritardo dell'anafase, quando uno dei cromosomi omologhi può rimanere indietro rispetto a tutti gli altri cromosomi non omologhi durante il movimento al palo. Il termine "non disgiunzione" indica l'assenza di separazione di cromosomi o cromatidi nella meiosi o nella mitosi. La perdita di cromosomi può portare al mosaicismo, in cui è presente un e uploid linea cellulare (normale) e l'altra monosomico.
La non disgiunzione cromosomica è più comunemente osservata durante la meiosi. I cromosomi, che normalmente si dividono durante la meiosi, rimangono attaccati insieme e si spostano verso un polo della cellula in anafase. Pertanto, sorgono due gameti, uno dei quali ha un cromosoma in più e l'altro non ha questo cromosoma. Quando un gamete con un set normale di cromosomi viene fecondato da un gamete con un cromosoma in più, si verifica la trisomia (cioè ci sono tre cromosomi omologhi nella cellula), quando fecondato da un gamete senza un cromosoma, si verifica uno zigote con monosomia. Se uno zigote monosomico si forma su qualsiasi cromosoma autosomico (non sessuale), lo sviluppo dell'organismo si ferma nelle prime fasi di sviluppo.
Mutazioni cromosomiche- Si tratta di cambiamenti strutturali nei singoli cromosomi, solitamente visibili al microscopio ottico. Un gran numero (da decine a diverse centinaia) di geni è coinvolto in una mutazione cromosomica, che porta a un cambiamento nel normale set diploide. Sebbene le aberrazioni cromosomiche generalmente non modifichino la sequenza del DNA in geni specifici, la modifica del numero di copie dei geni nel genoma porta a uno squilibrio genetico dovuto alla mancanza o all'eccesso di materiale genetico. Esistono due grandi gruppi di mutazioni cromosomiche: intracromosomiche e intercromosomiche.
Le mutazioni intracromosomiche sono aberrazioni all'interno di un cromosoma. Questi includono:
—eliminazioni(dal lat. deletio - distruzione) - la perdita di una delle sezioni del cromosoma, interna o terminale. Ciò può portare a una violazione dell'embriogenesi e alla formazione di molteplici anomalie dello sviluppo (ad esempio, la divisione nella regione del braccio corto del 5o cromosoma, designato come 5p-, porta al sottosviluppo della laringe, difetti cardiaci, ritardo mentale) . Questo complesso di sintomi è noto come sindrome del "grido di gatto", poiché nei bambini malati, a causa di un'anomalia della laringe, il pianto ricorda il miagolio di un gatto;
—inversioni(dal lat. inversio - ribaltamento). In seguito alla rottura di due punti del cromosoma, il frammento risultante viene inserito nella sua posizione originaria dopo una rotazione di 180°. Di conseguenza, viene violato solo l'ordine dei geni;
— duplicazioni(dal lat duplicatio - raddoppio) - raddoppio (o moltiplicazione) di qualsiasi parte del cromosoma (ad esempio, la trisomia lungo uno dei bracci corti del 9o cromosoma causa molteplici difetti, tra cui microcefalia, ritardo nello sviluppo fisico, mentale e intellettuale).
Schemi delle aberrazioni cromosomiche più frequenti:
Divisione: 1 - terminale; 2 - interstiziale. Inversioni: 1 - pericentrica (con cattura del centromero); 2 - paracentrico (all'interno di un braccio cromosomico)
Mutazioni intercromosomiche o mutazioni di riarrangiamento- scambio di frammenti tra cromosomi non omologhi. Tali mutazioni sono chiamate traslocazioni (dal lat. tgans - per, attraverso + locus - luogo). Questo:
Traslocazione reciproca, quando due cromosomi si scambiano i loro frammenti;
Traslocazione non reciproca, quando un frammento di un cromosoma viene trasportato su un altro;
- fusione "centrica" (traslocazione robertsoniana) - connessione di due cromosomi acrocentrici nella regione dei loro centromeri con la perdita dei bracci corti.
Con una rottura trasversale dei cromatidi attraverso i centromeri, i cromatidi "sorelli" diventano bracci "specchio" di due diversi cromosomi contenenti gli stessi insiemi di geni. Tali cromosomi sono chiamati isocromosomi. Sia le aberrazioni intracromosomiche (delezioni, inversioni e duplicazioni) che quelle intercromosomiche (traslocazioni) e gli isocromosomi sono associati a cambiamenti fisici nella struttura dei cromosomi, comprese rotture meccaniche.
Patologia ereditaria come risultato della variabilità ereditaria
La presenza di caratteristiche comuni delle specie consente di unire tutte le persone sulla terra in un'unica specie di Homo sapiens. Tuttavia, con un solo sguardo, individuiamo facilmente il volto di una persona che conosciamo in mezzo a una folla di estranei. La straordinaria diversità delle persone, sia all'interno di un gruppo (ad esempio, la diversità all'interno di un gruppo etnico) che tra gruppi, è dovuta alla loro differenza genetica. Attualmente si ritiene che tutta la variabilità intraspecifica sia dovuta a diversi genotipi che nascono e vengono mantenuti dalla selezione naturale.
È noto che il genoma aploide umano contiene 3,3x10 9 paia di residui nucleotidici, che teoricamente consentono di avere fino a 6-10 milioni di geni. Allo stesso tempo, i dati degli studi moderni indicano che il genoma umano contiene circa 30-40 mila geni. Circa un terzo di tutti i geni hanno più di un allele, cioè sono polimorfici.
Il concetto di polimorfismo ereditario fu formulato da E. Ford nel 1940 per spiegare l'esistenza di due o più forme distinte in una popolazione, quando la frequenza della più rara di esse non può essere spiegata solo da eventi mutazionali. Poiché la mutazione genetica è un evento raro (1x10 6), la frequenza dell'allele mutante, che è superiore all'1%, può essere spiegata solo dal suo graduale accumulo nella popolazione a causa dei vantaggi selettivi dei portatori di questa mutazione.
La molteplicità dei loci di divisione, la molteplicità degli alleli in ciascuno di essi, insieme al fenomeno della ricombinazione, crea un'inesauribile diversità genetica dell'uomo. I calcoli mostrano che nell'intera storia dell'umanità non c'è stata, non c'è e nel prossimo futuro non ci sarà una ripetizione genetica sul globo, ad es. ogni persona nata è un fenomeno unico nell'universo. L'unicità della costituzione genetica determina in gran parte le caratteristiche dello sviluppo della malattia in ogni singola persona.
L’umanità si è evoluta come gruppi di popolazioni isolate che vivono per lungo tempo nelle stesse condizioni ambientali, comprese le caratteristiche climatiche e geografiche, la dieta, gli agenti patogeni, le tradizioni culturali, ecc. Ciò ha portato alla fissazione nella popolazione di combinazioni specifiche di alleli normali per ciascuno di essi, le più adeguate alle condizioni ambientali. In connessione con la graduale espansione dell'habitat, le migrazioni intensive, il reinsediamento dei popoli, si verificano situazioni in cui combinazioni di specifici geni normali che sono utili in determinate condizioni in altre condizioni non garantiscono il funzionamento ottimale di alcuni sistemi corporei. Ciò porta al fatto che parte della variabilità ereditaria, dovuta a una combinazione sfavorevole di geni umani non patologici, diventa la base per lo sviluppo delle cosiddette malattie con predisposizione ereditaria.
Inoltre, nell'uomo, in quanto essere sociale, la selezione naturale si è sviluppata nel tempo in forme sempre più specifiche, che hanno ampliato anche la diversità ereditaria. Ciò che negli animali poteva essere spazzato via è stato preservato o, al contrario, ciò che gli animali hanno salvato è andato perduto. Pertanto, la piena soddisfazione del fabbisogno di vitamina C ha portato nel processo di evoluzione alla perdita del gene L-gulonodattone ossidasi, che catalizza la sintesi dell'acido ascorbico. Nel processo di evoluzione, l'umanità ha acquisito anche segni indesiderati direttamente correlati alla patologia. Ad esempio, negli esseri umani, nel processo di evoluzione, sono comparsi geni che determinano la sensibilità alla tossina difterica o al virus della poliomielite.
Pertanto, negli esseri umani, come in qualsiasi altra specie biologica, non esiste una linea netta tra la variabilità ereditaria, che porta a normali variazioni dei tratti, e la variabilità ereditaria, che causa l'insorgenza di malattie ereditarie. L'uomo, divenuto una specie biologica di Homo sapiens, come se pagasse la "ragionevolezza" della sua specie con l'accumulo di mutazioni patologiche. Questa posizione è alla base di uno dei principali concetti della genetica medica sull’accumulo evolutivo di mutazioni patologiche nelle popolazioni umane.
La variabilità ereditaria delle popolazioni umane, mantenuta e ridotta dalla selezione naturale, costituisce il cosiddetto carico genetico.
Alcune mutazioni patologiche possono persistere e diffondersi nelle popolazioni per un periodo storicamente lungo, provocando il cosiddetto carico genetico di segregazione; altre mutazioni patologiche si verificano in ogni generazione come risultato di nuovi cambiamenti nella struttura ereditaria, creando un carico di mutazioni.
L'effetto negativo del carico genetico si manifesta con un aumento della mortalità (morte di gameti, zigoti, embrioni e bambini), una diminuzione della fertilità (ridotta riproduzione della prole), una ridotta aspettativa di vita, disadattamento sociale e disabilità, e causa anche un aumento della necessità di cure mediche cura.
Il genetista inglese J. Hoddane fu il primo ad attirare l'attenzione dei ricercatori sull'esistenza di un carico genetico, sebbene il termine stesso fosse stato proposto da G. Meller alla fine degli anni '40. Il significato del concetto di "carico genetico" è associato ad un elevato grado di variabilità genetica necessaria affinché una specie biologica possa adattarsi alle mutevoli condizioni ambientali.
Variabilità della combinazione
È ereditario ed è causato dalla ricombinazione dei geni nel genotipo. Non è collegato al cambiamento dei geni, ma alla loro combinazione! Le combinazioni di geni contribuiscono ad aumentare la sopravvivenza in condizioni ambientali mutevoli.
Combinazione casuale di gameti durante la fecondazione
Scambio di segmenti di cromosomi omologhi durante il crossover nella profase della meiosi 1
Divergenza indipendente di diverse coppie di cromosomi nell'anafase della meiosi 1, che porta alla formazione di gameti geneticamente diversi
Variabilità mutazionale
Mutazioni: vengono ereditati cambiamenti improvvisi, bruschi e persistenti nel genotipo, che si verificano sotto l'influenza di fattori ambientali esterni o interni. A livello molecolare, si tratta di un cambiamento del DNA che persiste durante la replicazione delle NK. La mutagenesi è il processo di formazione di una mutazione. I fattori mutageni causano mutazioni, per loro natura possono essere
- fisico mutageni: radiazioni a, b, gamma, UV, temperatura, umidità,
- chimico mutageni: organici e inorganici, sostanze stupefacenti, prodotti della lavorazione industriale di composti naturali (carbone, petrolio), sostanze sintetiche che non sono state precedentemente trovate in natura (pesticidi, insetticidi, erbicidi), conservanti alimentari, farmaci. Hanno un'elevata capacità di penetrazione, causano mutazioni genetiche e agiscono durante la replicazione del DNA.
Classificazione delle mutazioni in base alle condizioni di occorrenza
Si verificano spontanei senza una ragione apparente o le ragioni sono sconosciute.
Gli indotti si presentano come risultato dell'esposizione.
Classificazione delle mutazioni in base alla localizzazione nella cellula
Nucleare: mutazioni nel nucleo della cellula
Citoplasmatico: mutazioni nei mitocondri e nei plastidi.
Classificazione delle mutazioni in base alla possibilità di ereditarietà
I generativi nascono nelle cellule germinali e vengono ereditati durante la riproduzione sessuale
I somatici nascono nelle cellule somatiche e vengono ereditati durante la riproduzione vegetativa
Classificazione delle mutazioni in base al grado di influenza sulla capacità vitale e sulla fertilità
La sterilità influisce sulla fertilità
Letale porta alla morte
Semi-letale riduce la vitalità
La neutralità non influisce sulla vitalità
Aumento positivo della vitalità
Classificazione in base al livello di danno al materiale genetico:
Genetico: cambiare un gene
Cromosomico: un cambiamento nella struttura del cromosoma,
Genomica: modifica del genoma
Mutazioni genetiche
Punto, portare a un cambiamento nella struttura nucleotidica del DNA nel gene. I cambiamenti nella struttura dei geni durante la sostituzione delle basi sono di 2 tipi: missenso mutazioni degli aminoacidi senza senso con la formazione dei codoni terminali UAA, UAG, UGA.
- spostamento del frame di lettura si verifica in caso di inserimento o perdita di più nucleotidi. Di conseguenza, la divisione dell'mRNA in codoni cambia, il che significa che la sequenza di aminoacidi nella molecola proteica sintetizzata cambia o la sintesi termina prematuramente.
- transizione - sostituzione di una base purinica con un'altra base purinica e di una base pirimidinica con un'altra pirimidina: A<-->G e C<-->T.
- trasversione - sostituzione della purina con la pirimidina e viceversa.
Mutazioni cromosomiche
Abberazioni - un cambiamento nella struttura dei cromosomi dovuto a una violazione della loro integrità: le rotture, accompagnate da riarrangiamenti genici, portano a mutazioni intra/intercromosomiche.
- cancellazione - perdita di un segmento cromosomico: AEF. Delezione del braccio corto del 5o cromosoma nell'uomo - sindrome del pianto di gatto.
- duplicazione - duplicazione di un segmento cromosomico: ABCDCD, con comparsa di materiale ereditario aggiuntivo, identico a quello già presente nel genoma.
La delezione e la duplicazione si manifestano sempre fenotipicamente, poiché l'insieme dei geni cambia e in parte dei cromosomi si osserva la monosomia.
- inversione - rotazione delle singole sezioni del cromosoma di 180 *. ABCDEF -----> AEDCBF
- traslocazione - trasferimento di una sezione separata del cromosoma in un altro posto sullo stesso o su un altro cromosoma: ABCKLM. In cui il numero di geni non cambia !!! Il trasferimento del braccio del 21° cromosoma a 13, 14, 15 porta allo sviluppo della sindrome di Down.
Le inversioni e le traslocazioni potrebbero non manifestarsi fenotipicamente se non vi è alcun cambiamento nel materiale genetico e se viene mantenuto l'equilibrio complessivo dei geni nel genoma. Ma la coniugazione dei cromosomi omologhi è difficile, il che può causare una violazione del materiale genetico tra le cellule figlie
Mutazioni genomiche
Associato a un cambiamento nel numero di cromosomi, porta all'aggiunta o alla perdita di uno, più o un set completo di cromosomi.
Genoma- un insieme di geni dell'insieme aploide di cromosomi. Di norma, si trova nelle cellule germinali.
- poliploidia - aumento multiplo aploide del numero di cromosomi nelle cellule. Spesso utilizzato nella selezione delle piante, di solito porta a rese più elevate. Si trova spesso tra le angiosperme, meno spesso tra le gimnosperme. Tra gli animali la poliploidia è nota negli ermafroditi: vermi, crostacei, insetti, pesci, salamandre. Per i mammiferi la poliploidia è letale.
- aploidia - diminuzione multipla aploide del numero di cromosomi. Di conseguenza, nella cellula è presente un unico set di n cromosomi. Un organismo con un insieme aploide di cromosomi non omologhi nelle cellule somatiche è un aploide. L'aploidia naturale si verifica nel ciclo vitale di funghi sporigeni, batteri, alghe unicellulari e nelle api fuchi. La vitalità degli aploidi è ridotta, poiché si manifestano tutti i geni recessivi contenuti al singolare. Per i mammiferi l’aploidia è letale.
-aneuploidia - cambiamento ripetuto nel numero di cromosomi.
La trisomia è un aumento del cariotipo di un cromosoma (2n + 1).
La polisomia è un aumento del cariotipo di più di un cromosoma.
Monosomia: una diminuzione del cariotipo di un cromosoma (2n-1).
La nulisomia, ovvero l'assenza di una coppia di cromosomi, è letale.
Malattie cromosomiche umane
Gruppi di malattie associate a cambiamenti nel numero dei cromosomi (mutazioni genomiche) o nella loro struttura (aberrazioni cromosomiche). Sorgono come risultato di una violazione del set cromosomico nello zigote a causa della mancata disgiunzione dei cromosomi durante la divisione di riduzione e di varie aberrazioni cromosomiche.
triploidia - violazione del set cromosomico 3n. I neonati muoiono nelle prime ore o giorni dopo la nascita.
trisomia sul cromosoma X - XXX. Il fenotipo è quello femminile normale, caratterizzato da sottosviluppo delle gonadi, un leggero grado di ritardo mentale.
Sindrome di Klinefelter - XXY, XXXY, XXXXY, HUU, HUUU, XXYU, XXHUU. Il fenotipo maschile è costituito da testicoli sottosviluppati. In apparenza, ci sono spalle strette caratteristiche delle donne, bacino ampio, ginecomastia, deposizione di grasso secondo lo zhentip. La polisomia sul cromosoma Y conferisce un comportamento antisociale ad alta crescita.
Sindrome di Shereshevskij-Turner : violazione del corredo cromosomico X0, l'unica monosomia praticabile per il cromosoma X nell'uomo. Il fenotipo è femminile, la struttura corporea è sproporzionata, pieghe cutanee sul collo, ritardo della crescita, organi genitali interni sottosviluppati, infertilità, invecchiamento precoce.
Sindrome di Down : trisomia sul 21° cromosoma. Bassa statura, testa piccola e rotonda, occipite piatto, orecchie basse, occhi obliqui, naso corto con ponte piatto, bocca semiaperta, lingua spessa, tono muscolare basso, dita accorciate, mignoli storti, persone letargiche e goffe. Grave ritardo mentale, linguaggio poco sviluppato, ridotta immunità e aspettativa di vita.
Sindrome di Patau : trisomia sul 13° cromosoma. Profondi idioti. Sistema nervoso centrale sottosviluppato, microcefalia moderata, opacità della cornea, fronte bassa, ponte nasale infossato, orbite strette, labbro leporino e palatoschisi bilaterali, anomalie nello sviluppo dell'ODS e degli organi interni. Muoiono all'età di un anno, solo pochi vivono fino a 3 anni.
Sindrome di Edwards : trisomia sul 18° cromosoma. Anomalie del cranio e del viso: fronte stretta con retrazione delle ossa frontali nella fontanella, occipite largo e sporgente, mascella inferiore e apertura orale piccole, rime palpebrali strette e corte, orecchie basse, sterno corto, torace largo, sviluppo anormale del piede , patologia della struttura del cuore e dei vasi sanguigni, apparato digerente, cervelletto. La maggior parte muore prima di compiere un anno.
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Breve forma di feedback
Quasi tutta la ricerca genetica si basa su questo concetto variazioni . Questo concetto include tutti i tipi di cambiamenti nelle sequenze di DNA ( mutazioni ) osservati a livello cromosomico o genico. Da un lato le variazioni del genoma servono a spiegare la diversità interindividuale, dall’altro le mutazioni possono portare a cambiamenti patogeni nell’attività vitale dell’organismo e quindi essere causa di una malattia ereditaria. Dovremmo anche introdurre diversi termini usati per descrivere il processo di cambiamento mutazionale nel DNA: luogo - una sezione specifica del cromosoma contenente sequenze di DNA o geni specifici, allele - due o più forme alternative di un gene localizzato nello stesso locus di una coppia di cromosomi omologhi. Se la differenza nella sequenza del DNA di due alleli dello stesso locus viene osservata con una frequenza superiore all'1% nella popolazione generale, allora questo tipo di variazione viene definita polimorfismo . Di solito viene chiamato un cambiamento nella sequenza del DNA che ha una frequenza inferiore mutazione . Esistono due tipi principali di mutazioni associate alla patologia ereditaria: cromosomico (cambiamento nel numero e/o nella struttura dei cromosomi in una cellula) e genetico (cambiamento nella sequenza del DNA in un particolare gene). Sulla base di questa classificazione, è possibile individuare le direzioni degli studi genetici sui disturbi della sequenza del DNA che portano a malattie ereditarie, che vengono studiate da genetica medica , vale a dire, la ricerca di cambiamenti nelle sequenze di acidi nucleici e proteine a livello molecolare ( genetica molecolare ) e lo studio dei cambiamenti nel numero, nella struttura e nell'organizzazione dei cromosomi ( citogenetica medica ).
Gli studi di genetica molecolare si basano su idee moderne sulle caratteristiche della molecola del DNA e sui processi biochimici di trascrizione e traduzione. Il loro obiettivo principale è identificare le mutazioni genetiche che portano a manifestazioni fenotipiche caratteristiche. Le mutazioni genetiche sono un cambiamento nella posizione, perdita e acquisizione del DNA rispetto alla sua sequenza lineare, che si trova nella norma. I tipi più comuni di mutazioni genetiche sono la sostituzione, la perdita e/o l'inserimento di un singolo nucleotide. Questi ultimi sono abbreviati SNP (polimorfismi a singolo nucleotide) e sono tra i più frequenti nel genoma umano. In media, gli SNP che portano alla variazione tra alleli in un individuo si verificano ogni 1500 paia di basi. Tuttavia, la maggior parte di essi si trova in sequenze non codificanti e generalmente non ha conseguenze fenotipiche. Se si verifica un cambiamento nella sequenza del DNA in un gene che codifica per una proteina, è molto probabile che sia associato a violazioni delle funzioni vitali del corpo. Esiste la seguente classificazione delle mutazioni genetiche:
Mutazioni missenso- sostituzione di un nucleotide con un altro cambiamenti nella sequenza del DNA non sinonimo . Teoricamente si possono distinguere due tipi di tali mutazioni: conservatore E non conservativo . Le mutazioni missenso conservative portano alla sostituzione di un codone con uno equivalente (codoni che codificano per lo stesso residuo amminoacidico) o con un codone di un altro residuo amminoacidico che non modifica le proprietà fisico-chimiche della proteina codificata dal gene corrispondente. Le mutazioni missenso non conservatrici, di regola, modificano le proprietà biochimiche della proteina e, di conseguenza, portano a una violazione della sua attività funzionale.
Mutazioni senza senso- cambiamenti nella sequenza di codifica del DNA, che portano alla formazione di un codone di stop, a seguito del quale viene sintetizzata una proteina in cui manca una parte della sua sequenza.
Mutazione del frameshift- eventuali cambiamenti nella sequenza del DNA del gene (principalmente perdita o inserimento di nucleotidi) che portano ad uno spostamento nella lettura della sequenza durante la trascrizione. Il risultato è la sintesi di una proteina completamente nuova o la formazione di RNA messaggero che non contiene alcuna informazione sulla sequenza aminoacidica.
Cambiamenti non patogeni nella sequenza del DNA- variazioni nella sequenza del DNA, comprese mutazioni missenso conservatrici, o cosiddette mutazioni sinonime , che non modificano le informazioni codificate nel DNA del gene o non influenzano l'attività funzionale delle macromolecole proteiche.
Le mutazioni si verificano anche nelle sequenze di DNA non codificanti (introni). Questo tipo di variazione di solito non ha conseguenze fenotipiche. Tuttavia, quando il quadro di lettura viene spostato o si formano forme alternative di macromolecole proteiche ( giunzione alternativa ), queste variazioni possono portare all'interruzione dell'attività funzionale delle macromolecole proteiche e, di conseguenza, a conseguenze fenotipiche. In questo contesto, l'identificazione di mutazioni patogene sembra essere difficile, poiché il concetto di "norma" negli studi di genetica medica è abbastanza relativo, poiché a livello molecolare il genoma umano è in gran parte instabile. In altre parole, solo mutazioni ricorrenti (le remutazioni più frequenti che si riscontrano in individui con una malattia ereditaria nota) possono essere riconosciute come patogene. Nei casi in cui viene rilevata una nuova mutazione, diventa necessario condurre studi di genetica molecolare sui parenti stretti del paziente per determinare se è la causa della malattia.
Mutazioni cromosomiche (anomalie) sono associati a vari riarrangiamenti strutturali dei cromosomi o a un cambiamento nel loro numero (n). Cambiamenti numerici nell'insieme dei cromosomi ( cariotipo ) possono essere di due tipi: poliploidia - moltiplicazione dell'insieme cromosomico completo (3n, 4n, ecc.), o del genoma, un multiplo del numero aploide dei cromosomi (a volte indicato in letteratura come mutazioni genomiche ); aneuploidia - un aumento o una diminuzione del numero di cromosomi in un corredo che non è multiplo di quello aploide. Questi cambiamenti quantitativi nel cariotipo sono solitamente dovuti a disturbi della meiosi o della mitosi. Le anomalie cromosomiche numeriche sotto forma di aneuploidia sono suddivise in monosomia (perdita di un cromosoma o parte di esso - monosomia parziale) e trisomia O polisomia (acquisizione di uno/più cromosomi o parte di essi - trisomia parziale). Questi cambiamenti nel cariotipo sono associati a un complesso di malformazioni congenite e, di regola, a malattie accompagnate da ritardo mentale o gravi disturbi mentali. Attualmente vengono descritti casi di cambiamenti nell'insieme cromosomico che coinvolgono i cromosomi sessuali e alcuni autosomi nella schizofrenia e nell'autismo. Ad esempio, fino al 5-15% dei bambini con disturbi autistici presentano anomalie cromosomiche. Ciò ci consente di considerare lo squilibrio cromosomico nel corpo come una delle possibili cause di alcuni casi di malattia mentale.
I cambiamenti strutturali possono influenzare l'intero cromosoma, oltre ad essere accompagnati da un cambiamento nella quantità di materiale genetico nel nucleo o nel suo movimento. Anomalie cromosomiche bilanciate sono riarrangiamenti, a causa dei quali i cariotipi nascono con un insieme di geni invariato, ma la loro posizione all'interno dei cromosomi o tra i cromosomi è diversa dal normale. Nella maggior parte dei casi, i portatori di anomalie cromosomiche bilanciate sono fenotipicamente normali, ma la loro prole è ad alto rischio di avere un cariotipo sbilanciato, ma in alcuni casi, i portatori di un cariotipo bilanciato possono avere varie malformazioni congenite e/o microanomalie, nonché disturbi dello sviluppo neuropsichico. Se si verifica una perdita o un'acquisizione di materiale genetico durante le mutazioni cromosomiche strutturali, allora lo sono anomalie cromosomiche sbilanciate .
I riarrangiamenti citogeneticamente strutturali sono classificati secondo il principio di una sequenza lineare di geni: eliminazioni (perdita di regioni cromosomiche), duplicazioni (raddoppio delle regioni cromosomiche), inversioni (inversione di 180° rispetto alla normale sequenza delle regioni cromosomiche), inserimenti (inserti di regioni cromosomiche) e traslocazioni (cambiamento nella posizione delle regioni cromosomiche) dei cromosomi.
Di grande importanza è lo studio delle mutazioni cromosomiche sotto l'influenza di fattori ambientali. È stato dimostrato che i cromosomi umani sono altamente sensibili all’azione delle radiazioni e degli agenti chimici, comunemente chiamati fattori mutageni ( mutageni ). Quando si analizza l'impatto di questi fattori, si dovrebbe distinguere tra disturbi nelle cellule somatiche e germinali. I primi influenzano direttamente l'attività vitale dell'organismo studiato, mentre i secondi si manifestano nelle generazioni successive. Le mutazioni dei cromosomi nelle cellule germinali portano alla formazione di gameti aberranti, che possono provocare la morte di zigoti, embrioni nelle prime fasi dello sviluppo intrauterino, la nascita di bambini con anomalie cromosomiche specifiche o non specifiche che si manifestano come un determinato quadro clinico o un certo fenotipo. Le mutazioni dei cromosomi nelle cellule somatiche portano alla formazione di anomalie cromosomiche non specifiche sotto forma di lacune cromosomiche o cromatidiche, lacune, scambi nel cariotipo, che non portano a un fenotipo specifico caratteristico di una particolare malattia. Tali mutazioni non sono ereditarie. Va notato che quando si studia questo tipo di impatto dei fattori mutageni, sembra possibile valutare qualitativamente e quantitativamente l'effetto delle radiazioni ionizzanti, delle sostanze chimiche, dei virus, ma i dati ottenuti non possono essere trasferiti alle cellule germinali, il cui risultato è cromosomico malattie nei bambini.
Le anomalie cromosomiche possono manifestarsi nelle cosiddette forme a mosaico, causate da una divisione cellulare anomala nelle varie fasi dello sviluppo embrionale e postnatale. Ciò rende possibile dividere le anomalie cromosomiche in mosaico E regolare (si osserva un cariotipo anormale in tutte le cellule del corpo). Mosaicismo cromosomico è la presenza di diverse popolazioni di cellule con set di cromosomi diversi l'uno dall'altro. Di norma, con le forme a mosaico di anomalie cromosomiche, si osserva l'assenza di segni clinici individuali di una certa sindrome cromosomica e un decorso più lieve della malattia, ma alcuni sintomi sono quasi sempre presenti. Le anomalie cromosomiche strutturali del mosaico si osservano abbastanza raramente, quindi, quando si tratta di anomalie cromosomiche del mosaico, intendiamo principalmente anomalie numeriche, le cui forme di mosaico hanno una frequenza di popolazione abbastanza elevata. Va inoltre segnalato il fenomeno Mosaicismo cromosomico tessuto-specifico - Le cellule con un corredo cromosomico anomalo sono presenti solo in un determinato tessuto del corpo.
Negli anni Cinquanta del XX secolo, gli scienziati dovettero affrontare uno strano fenomeno. Hanno attirato l'attenzione sul fatto che alcuni virus infettano diversi ceppi dello stesso batterio in modi diversi. Alcuni ceppi, ad esempio E. coli, si infettavano facilmente e diffondevano rapidamente l'infezione in tutta la colonia. Altri si sono infettati molto lentamente oppure erano completamente resistenti ai virus. Ma una volta adattatosi a questo o quel ceppo, in futuro il virus lo ha infettato senza difficoltà.
I biologi hanno impiegato due decenni per capire questa resistenza selettiva dei batteri. Come si è scoperto, la capacità di alcuni ceppi di batteri di resistere ai virus - si chiamava restrizione (cioè "restrizione") - è dovuta alla presenza in essi di enzimi speciali che tagliano fisicamente il DNA virale.
La particolarità di queste proteine - enzimi di restrizione - è che riconoscono una sequenza di DNA piccola e rigorosamente definita. I batteri "prendono di mira" gli enzimi di restrizione verso sequenze rare che essi stessi evitano nei loro geni, ma che possono essere presenti nel DNA virale. Diversi enzimi di restrizione riconoscono sequenze diverse.
Ogni ceppo di batteri ha un arsenale specifico di tali enzimi e quindi risponde a un insieme specifico di "parole" nel genoma del virus. Se immaginiamo che il genoma di un virus sia la frase “mamma ha lavato il telaio”, allora il virus non sarà in grado di infettare un batterio che riconosce la parola “mamma”, ma un batterio che prende di mira la parola “zio” sarà indifeso. Se il virus riesce a mutare e trasformarsi, ad esempio, in una "donna che lava un telaio", anche il primo batterio perderà la sua protezione.
Perché la scoperta dell'"immunità batterica" è in cima alla lista delle conquiste più importanti della biologia molecolare? Non sono i batteri stessi e nemmeno i virus.
Misura un pezzo di DNA
Gli scienziati che hanno descritto questo meccanismo hanno quasi immediatamente attirato l'attenzione sui dettagli più importanti di questo processo. Gli enzimi di restrizione (più precisamente, uno dei tipi di questi enzimi) sono in grado di tagliare il DNA in un punto ben definito. Ritornando alla nostra analogia, un enzima che prende di mira la parola "madre" nel DNA si lega a quella parola e la taglia, ad esempio, tra la terza e la quarta lettera.
Così, per la prima volta, i ricercatori hanno l’opportunità di “tagliare” dai genomi i frammenti di DNA di cui hanno bisogno. Con l'aiuto di speciali enzimi "incollanti", i frammenti risultanti potrebbero essere cuciti insieme, anche in un certo ordine. Con la scoperta degli enzimi di restrizione, gli scienziati hanno avuto in mano tutti gli strumenti necessari per "assemblare" il DNA. Nel corso del tempo, per riferirsi a questo processo si è radicata una metafora leggermente diversa: l'ingegneria genetica.
Sebbene oggi esistano altri metodi per lavorare con il DNA, la stragrande maggioranza della ricerca biologica degli ultimi venti o trent’anni non sarebbe stata possibile senza gli enzimi di restrizione. Dalle piante transgeniche alla terapia genica, dall'insulina ricombinante alle cellule staminali indotte, qualsiasi lavoro che coinvolga la manipolazione genetica utilizza questa "arma batterica".
Conosci il nemico di vista
Il sistema immunitario dei mammiferi, compreso l'uomo, è dotato di meccanismi di difesa sia innati che acquisiti. Le componenti innate dell'immunità di solito reagiscono a qualcosa in comune che unisce contemporaneamente molti nemici del corpo. Ad esempio, l’immunità innata può riconoscere componenti della parete cellulare batterica che sono gli stessi per migliaia di microbi diversi.
L'immunità acquisita si basa sul fenomeno della memoria immunologica. Riconosce componenti specifici di specifici agenti patogeni, "ricordandoli" per il futuro. La vaccinazione si basa su questo: il sistema immunitario si “allena” su un virus o batterio ucciso, e successivamente, quando un agente patogeno vivente entra nel corpo, lo “riconosce” e lo distrugge sul posto.
L’immunità innata è un posto di frontiera. Protegge da tutto e allo stesso tempo da niente in particolare. L'immunità acquisita è un cecchino che conosce il nemico di vista. Come si è scoperto nel 2012, i batteri hanno qualcosa di simile.
Se la restrizione è un analogo batterico dell'immunità innata, il ruolo dell'immunità acquisita nei batteri viene svolto da un sistema dal nome piuttosto ingombrante CRISPR / Cas9, o "Crisper".
L'essenza del lavoro di Crisper è la seguente. Quando un batterio viene attaccato da un virus, copia parte del DNA del virus in un posto speciale nel suo stesso genoma (questo "archivio" di informazioni sui virus si chiama CRISPR). Sulla base di questi "identikit" del virus salvati, il batterio realizza poi una sonda di RNA in grado di riconoscere i geni virali e di legarsi ad essi se il virus tenta di infettare nuovamente il batterio.
La sonda RNA in sé è innocua per il virus, ma è qui che entra in gioco un altro attore: la proteina Cas9. Si tratta di una "forbice" responsabile della distruzione dei geni virali, come un enzima di restrizione. Cas9 si aggrappa alla sonda RNA e, come al guinzaglio, viene consegnato al DNA virale, dopodiché gli viene dato un segnale: taglia qui!
In totale, l’intero sistema è costituito da tre componenti batterici:
1) Conservazione del DNA di vecchi virus "identikit";
2) una sonda RNA realizzata sulla base di queste "immagini identikit" e in grado di identificare da esse un virus;
3) "forbici" proteiche legate a una sonda di RNA e che tagliano il DNA virale esattamente nel punto da cui è stato prelevato l'"identikit" l'ultima volta.
Quasi subito dopo la scoperta di questa “immunità batterica”, tutti si dimenticarono dei batteri e dei loro virus. La letteratura scientifica è esplosa con articoli entusiastici sul potenziale del sistema CRISPR/Cas9 come strumento per l’ingegneria genetica e la medicina del futuro.
Come nel caso degli enzimi di restrizione, il sistema Crisper è in grado di tagliare il DNA in un punto strettamente definito. Ma rispetto alle "forbici" scoperte negli anni Settanta presenta enormi vantaggi.
Gli enzimi di restrizione vengono utilizzati dai biologi per “montare” il DNA esclusivamente in una provetta: è necessario prima realizzare il frammento desiderato (ad esempio un gene modificato) e solo successivamente introdurlo in una cellula o organismo. "Crisper" può tagliare il DNA sul posto, proprio in una cellula vivente. Ciò rende possibile non solo produrre geni introdotti artificialmente, ma anche “modificare” interi genomi: ad esempio, rimuovere alcuni geni e inserirne invece di nuovi. Fino a poco tempo fa si poteva solo sognare una cosa del genere.
Come è diventato chiaro nell'ultimo anno, il sistema CRISPR è senza pretese e può funzionare in qualsiasi cellula: non solo batterica, ma anche di topo o umana. "Installarlo" nella cella desiderata è abbastanza semplice. In linea di principio, ciò può essere fatto anche a livello di interi tessuti e organismi. In futuro, ciò consentirà di rimuovere completamente i geni difettosi, ad esempio quelli che causano il cancro, dal genoma umano adulto.
Diciamo che la frase "mamma ha lavato il telaio" presente nel tuo genoma ti fa provare una dolorosa voglia di stereotipi di genere. Per liberarsi da questo problema servono una proteina Cas9 – sempre la stessa – e una coppia di sonde di RNA puntate sulle parole “mama” e “frame”. Queste sonde possono essere qualsiasi cosa: i metodi moderni consentono di sintetizzarle in poche ore. Non ci sono assolutamente restrizioni sul numero: puoi “tagliare” il genoma almeno in mille punti contemporaneamente.
Mirare al corpo
Ma il valore di Crisper va oltre la funzione delle forbici. Come notano molti autori, questo sistema è il primo strumento a noi noto con cui è possibile organizzare un "incontro" di una certa proteina, un certo RNA e un certo DNA contemporaneamente. Questo di per sé apre enormi opportunità per la scienza e la medicina.
Ad esempio, è possibile disattivare la funzione "forbice" della proteina Cas9 e legarla invece a un'altra proteina, ad esempio un attivatore genetico. Con la sonda RNA giusta, la coppia risultante può essere inviata al posto giusto nel genoma: ad esempio, in alcuni diabetici, a un gene dell'insulina che funziona male. Organizzando in questo modo l'incontro tra la proteina attivante e il gene disabilitato, è possibile mettere a punto in modo preciso e fine il funzionamento del corpo.
Puoi legare non solo gli attivatori, ma qualsiasi cosa in generale, ad esempio una proteina che può sostituire un gene difettoso con la sua "copia di backup" da un altro cromosoma. Pertanto, in futuro sarà possibile curare, ad esempio, la malattia di Huntington. Il vantaggio principale del sistema CRISPR in questo caso è proprio la sua capacità di “inviare spedizioni” in qualsiasi punto del DNA che possiamo programmare senza troppe difficoltà. Qual è il compito di ogni particolare spedizione è determinato solo dall'immaginazione dei ricercatori.
Oggi è difficile dire che tipo di problemi il sistema CRISPR/Cas9 sarà in grado di risolvere tra qualche decennio. La comunità globale dei genetisti ora ricorda un bambino a cui è stato permesso di entrare in un'enorme sala piena fino a traboccare di giocattoli. L'importante rivista scientifica Science ha recentemente pubblicato una panoramica degli ultimi progressi nel campo chiamata "The CRISPR Craze" - "Crisper Madness". Eppure è già evidente adesso: i batteri e la scienza fondamentale ci hanno regalato ancora una volta una tecnologia che cambierà il mondo.
A gennaio è stata segnalata la nascita dei primi primati il cui genoma è stato modificato con successo dal sistema CRISPR/Cas9. Come esperimento di prova, alle scimmie sono state introdotte mutazioni in due geni: uno associato al sistema immunitario e l'altro responsabile della deposizione di grasso, il che suggerisce in modo opaco una possibile applicazione del metodo all'homo sapiens. Forse la soluzione al problema dell’obesità attraverso l’ingegneria genetica non è un futuro così lontano.