Экзаменационный билет № 14

1. Возбудимые ткани. Возбуждение. Потенциал действия. Синапсы.

Нервная , мышечная ткани и железистый эпителий относятся к возбудимым тканям, которые в ответ на воздействие стимула (раздражителя) переходят из состояния покоя в состояние возбуждения. При этом возбуждение, возникающее в одном участке мышечного или нервного волокна, быстро передается на соседние участки этого волокна, а также с нервного волокна на другие через синапс или с нервного волокна на иннервируемую ими структуру.

Возбудимость -это способность клеток воспринимать изменения внешней среды и отвечать на них реакцией возбуждения. Проводимость - способность тканей проводить возбуждение.

Возбуждение - это состояние нейрона , в основе которого лежит повышение проводимости клеточной мембраны для ионов натрия , вызываемое ее деполяризацией до порогового уровня. Это подтверждается экспериментальными данными о том, что потенциал действия может генерироваться только при высокой внеклеточной концентрации ионов натрия.

При недостатке внеклеточных ионов натрия не может увеличиваться входящий поток ионов натрия и не может возникнуть деполяризационная фаза потенциала действия . Кроме того, во время потенциала действия повышается проводимость для ионовкалия , что подтверждается экспериментальными данными - при добавлении тетраэтиламмония , предотвращающего повышение проводимости для ионов калия, мембрана после потенциала действия реполяризуется гораздо медленнее.

Потенциа́л де́йствия — волна возбуждения, перемещающаяся по мембране живой клетки в процессе передачи нервного сигнала. По сути своей представляет электрический разряд — быстрое кратковременное изменение потенциала на небольшом участке мембраны возбудимой клетки (нейрона, мышечного волокна или железистой клетки), в результате которого наружная поверхность этого участка становится отрицательно заряженной по отношению к соседним участкам мембраны, тогда как его внутренняя поверхность становится положительно заряженной по отношению к соседним участкам мембраны. Потенциал действия является физической основой нервного или мышечного импульса, играющегосигнальную (регуляторную) роль.

Когда мембранное окружение популяции Na+- канальных белков деполяризовано, каналы с наиболее низким порогом открываются, и Na+ начинает по градиенту концентрации поступать в аксон. Этот процесс имеет эффект положительной обратной связи. По мере того, как Na+ во все большем количестве входит в клетку, мембрана деполяризуется еще больше, вследствие чего открываются соседние более высокопороговые Na+-каналы. Поток Na+ увеличивается, мембрана деполяризуется и так далее. Мембрана достигает нулевого потенциала и реполяризуется (отрицательный заряд снаружи, положительный - внутри. Вследствие эффекта положительной обратной связи реверсия потенциала происходит очень быстро. Очень вскоре после открытия Na+-каналов (менее 0,5 мс), срабатывает другой воротный механизм - открываются калиевые каналы. Это позволяет ионам К+ покинуть аксон, а, поскольку Na+-механизм закрывается, мембрана возвращается к исходной полярности, несколько превышает ее и приближается к К+- потенциалу, VK. Активность АТФ-зависимой Na+/K+-насоса в мембране возвращает ее к нормальному уровню потенциала покоя (Vm).

Синапс (synapse, от греч. synapsys - связь): специализированные межклеточные  контакты, посредством которых клетки нервной системы (нейроны) передают друг другу или не нейрональным клеткам сигнал (нервный импульс). Информация в виде потенциалов действия поступает от первой клетки, называемой пресинаптической, ко второй, называемой постсинаптической (рис. 129 , рис. 130 ). Как правило, под синапсом понимают химический синапс , в котором сигналы передаются с помощьюнейротрансмиттеров.

В синапсах происходит преобразование электрических сигналов в химические и обратно - химических в электрические. Таким образом, синапс - это место функционального контакта между нейронами , в котором происходит передача информации от одной клетки к другой. Различают аксодендритные синапсы и аксосоматические синапсы. 

Типичные синапсы - это образования, сформированные терминалями аксона одного нейрона и дендритами другого (аксодендритные синапсы). Но есть и другие типы: аксосоматические, аксоаксональные и дендродендритные. Синапс между аксоном мотонейрона и волокном скелетной мышцы называется двигательной концевой пластинкой, или нервно-мышечным соединением .

2. Конъюгация у бактерий. Ориентированный перенос хромосомы. Штаммы Hfr. Картирование хромосомы в единицах времени.

Конъюгацией называется непосредственный контакт между клетками бактерий, сопровождаемый переносом генетического ма­териала из клеток донора в клетки реципиента.

Процесс конъюгации у бактерий Escherihia coli (кишечной палочки) был открыт в 1946 г. Дж. Ледербергом и Е. Тэйтумом на основании ге­нетического подхода. При этом исследова­тели руководствова­лись следующими принципами, ставши­ми затем классичес­кими при обнаруже­нии полового процес­са у любых микро­организмов.

1. Необходимо ра­ботать со штаммами одного вида бакте­рий.

2.Следует учитывать различия по нескольким стабильным признакам.

3.Для получения гибридов или рекомбинантов необходимо применять метод селективных сред, для того чтобы регистриро­вать даже очень редкие события.

В соответствии с изложенными принципами Дж. Ледерберг и Е. Тэйтум взяли два штамма Е. coli, маркированные несколькими мутациями ауксотрофности:

I           thr leu thi + +

II           + + + bio met

Первый штамм нуждался в треонине, лейцине и тиамине, второй — в биотине и метионине. Реверсию, т. е. восстановление прототрофности по отдельным признакам, наблюдали с частотой около 1 X 10~7. Следовательно, выбранные штаммы могли бы ре- вертировать к дикому типу, т. е. к полной прототрофности с часто­той 1х10^-14 – 1х10^-21, если реверсии по всем признакам проис­ходят независимо друг от друга.

Эти штаммы смешали в жидкой полноценной среде и инкуби­ровали в течение 24 ч. После этого смесь высеяли на так называе­мую минимальную среду, не содержавшую тех соединений, в ко­торых нуждались исследуемые бактерии. Около 100 клеток на каждые 109 высеянных образовали колонии, т. е. прототрофы по­явились с частотой 1- 10^-7, что значительно превосходит (на 7— 14 порядков) частоту спонтанного ревертирования. Следовательно, эффект обусловлен именно совместным инкубированием двух штаммов и представляет собой какой-то вариант полового про­цесса.

Поскольку трансформация уже была известна, необходимо было выяснить, не имели ли Дж. Ледерберг и Е. Тэйтум дело с трансформацией. Оказалось, что обработка одного штамма фильт­ратом среды, в которой выращивали другой, не приводила к появ­лению прототрофов, так же как и выращивание двух штаммов в разных отсеках-U образной трубки, разделенной посередине бак­териальным фильтром. Эффект наблюдался только при непосред­ственном контакте бактерий и не подавлялся ДНКазой.

Перенос генетического материала от донора к реципиенту. В 1952 г. У. Хейс провел реципрокные скрещивания между штам­мами Е. coli, устойчивыми и чувствительными к стрептомицину (Strг и Strs):

I Str^S thr leu thi + + X Str^R + + + bio met

II Str^R thr leu thi + + X Str^S + + + bio met

Для учета рекомбинантов Смесь клеток высебали на две среды: со стрептомицином и без него. При первом скрещивании реком- бинанты появились только на среде без стрептомицина, а при втором — как на среде со стрептомицином, так и без стрептоми­цина. Следовательно, для образования рекомбинантов необходимо сохранение клеток родителя: thr leu thi           которого обозначили как женский (F~), а штамм + + + bio met — как мужской (F+).

Рекомбинация происходит в клетках F~ — реципиентах, а клетки F+ — доноры — передают генетический материал в клетки F~. В 1958 г. Т. Андерсон доказал это прямым методом, скрещи­вая клетки, различавшиеся морфологически. Клетки F~ круглые, a F+ — продолговатые, благодаря чему контакт между ними мож­но наблюдать в микроскоп. Кроме того, изолируя клет­ки после конъюгации, удалось показать, что только в потомстве бактерий F появляются рекомбинанты.

Контроль половой дифференцировки. Эписомы и плазмиды. Оказалось, что среди штаммов Е. coli существует разнообразие по частоте образования рекомбинантов при скрещивании.

1.         При совместной инкубации любых двух штаммов jFреком­бинанты не образуются.

2.         При скрещивании F+ и F образуются рекомбинанты с частотой около 1- Ю-4— 1 • 10~6. При этом около 90% клеток F~ за 1 ч превращаются в клетки F+. Следовательно, F-фактор имеет инфекционную природу. Он относится к категории плаз- мид — не хромосомных генетических детерминант.

3.         В комбинации F+XF+ рекомбинанты образуются с часто­той 1 • 10 7 и реже. В действительности эти события отражают переход F+ в F с последующей конъюгацией между клетками F+ и F~.

4.         Обнаружены также штаммы, которые при скрещивании с F~ образуют до 1- Ю--1 рекомбинантов. При этом клетки F^ незаражаются f-фактором. Такие высокоэффективные доноры на­званы Hfr (от англ. high frequency recombination — высокая частота рекомбинации). Оказалось, что клетки F+ могут превра­щаться в клетки Hfr и обратно. В дальнейшем в большинстве экспериментов по конъюгации бактерий использовали доноры Hfr. Способность быть донором если и передается реципиенту при конъюгации со штаммом Hfr, то очень редко. В этом случае почти все рекомбинанты сохраняют свойства F . На основании этих данных было сделано заключение, что F-фактор может объ­единяться с хромосомой Е. coli, интегрировать с ней.

Таким образом, F-фактор может существовать в двух состоя­ниях: автономном и интегрированном. Такие генетические детер­минанты получили наименование эписом. К их числу относится бактериофаг λ , который или реплицируется автономно и лизирует клетки, или встраивается в геном Е. coli в виде профага и репли­цируется вместе с ним.

Перенос генов при конъюгации. Маркеры донора передаются реципиенту в определенной последовательности с убывающей ве­роятностью. Это указывало на ориентированный перенос генети­ческого материала.

Ф. Жакоб и Е. Вольман в 1961 г. провели эксперименты по прерыванию конъюгации у Е. coli. Они смешивали клетки F и Hfr при 37 °С в жидкой среде. Через равные интервалы времени они отбирали пробы и встряхивали их в гомогенизаторе при 4 °С, тем самым прерывая конъюгацию. Затем высевали на среду для учета рекомбинантов по различным маркерам. Первые 8 мин ре­комбинантов вообще не было, а затем они стали появляться в характерные для каждого типа рекомбинантов временные интер­валы (рис. 9. 3). С тех пор этот метод получил широкое распрост­ранение, и расстояния на генетической карте Е. coli измеряются в минутах.

Кольцевая структура генома. Оказалось, что различные штам­мы Hfr переносят гены в клетки-реципиенты в неодинаковой по­следовательности. Сопоставление этих последовательностей пока­зало, что все они согласуются с единой круговой генетической картой. Кольцевая структура генома Е. coli была подтверждена в исследованиях Дж. Кэйрнса, получившего радиоавтографы ее реп­лицирующейся хромосомы (рис. 9.4). Единая кольцевая молекула генома Е. coli содержит около 4000 тыс. п. н. Она может допол­нительно включать F-фактор, имеющий кольцевую форму и со­стоящий из 60 тыс. п. н., а также другие плазмиды, профаги и иные необязательные элементы.

Интеграция может происходить в разных точках. Тем самым определяется начало и направление передачи генов у разных штаммов Hfr (рис. 9.5). Весь геном Е. coli переносится при конъ­югации при 37 °С за 100 мин, однако это осуществляется очень редко. Известно несколько штаммов Hfr, способных на это. Они называются также vHfr (от англ. very high frequency recombina­tion— очень высокая частота рекомбинации). Только в результате переноса всей хромосомы клетки-реципиенты приобретают свойства донора.

3. Причины возникновения наследственных и врожденных заболеваний. Генетическая опасность радиации и химического загрязнения окружающей среды.

В основе наследственных заболеваний лежат нарушения (мутации) наследственной информации — хромосомные, генные и митохондриальные. Отсюда — классификация наследственных заболеваний. Наследственные болезни многочисленны (известно свыше 6000) и разнообразны по проявлениям. Для значительной части наследственных болезней тип наследования установлен — патологические признаки, также как и нормальные, могут наследоваться аутосомно-доминантно, аутосомно-рецессивно и сцепленно с полом (Х-сцепленный доминантный, Х-сцепленный рецессивный и Y-сцепленный типы наследования). Термин «аутосомный» указывает на то, что мутантный ген локализован в аутосоме, «Х-сцепленный» — в половой Х-хромосоме, а «Y-сцепленный» — в половой Y-хромосоме. Выделение доминантного и рецессивного типов наследования существенно с медицинской точки зрения, так как при доминантном типе наследования клиническое проявление болезни обнаруживается у гомо- и гетерозигот, а при рецессивном — только у гомозигот, то есть значительно реже. Основные методы, с помощью которых устанавливается тот или иной тип наследования, — клинико-генеалогический, базирующийся на анализе родословных, и более точный сегрегационный анализ, объектом которого, как правило, являются так называемые ядерные семьи (то есть родители и дети).

Хромосомные заболевания

1. Транслокации («семейный синдром Дауна»)

2. Делеции (синдром «кошачьего крика», микроцефалия)

3. Инверсии (не происходит потери генетического материала, как правило, не влияют на фенотип носителя)

Генные заболевания (болезни обмена веществ)

1. Болезни аминокислотного обмена (фенилкетонурия , глазно-кожный альбинизм)

2. Нарушения обмена углеводов (галактоземия, гликогеновая болезнь)

3. Болезни, связанные с нарушением липидного обмена (болезнь Ниманна-Пика, болезнь Гоше)

4. Наследственные болезни пуринового и пиримидинового обмена (подагра)

5. Болезни нарушения обмена соединительной ткани (синдром Марфана, фибродисплазия)

6. Наследственные болезни обмена металлов (болезнь Вильсона-Коновалова)

7. Синдромы нарушения всасывания в пищеварительном тракте (муковисцидоз)

Радиоактивное загрязнение. Воздействие радиа­ции сказывалось на всем протяжении длительной истории формирования жизни на Земле. Установле­но, что радиоактивность любой интенсивности вли­яет на наследственность живых организмов. То есть, нет нижнего безопасного предела радиации для жи­вых систем.

Радиоактивное излучение проникает через живые ткани подобно крошечным пулям. Оно не оставляет внешних следов и само по себе не ощущается, но спо­собно разрушать молекулы в составе клеток. В больших дозах радиация может нанести им такой вред, что они перестанут делиться. Поэтому ее используют в радиотерапии для разрушения раковых опухолей. Однако если сильно облучить все тело, клеточное де­ление нарушится практически во всех тканях, а зна­чит, станет невозможным нормальное обновление кро­ви, кожи и т. д. Возникнет так называемая лучевая болезнь, которая может привести к смерти уже через несколько дней или месяцев после облучения. А очень сильная радиация способна полностью разрушить клетки и вызвать мгновенную гибель. 

Радиация опасна и в низких дозах, так как может повреждать молекулы ДНК, т. е. генетический материала организма. Деление клеток с такой измененной (мутантной) ДНК иногда становится бесконтрольным и ведет к развитию злокачественных опухолей. Облуче­ние яйцеклетки или сперматозоидов чревато врожден­ными дефектами у потомства. Все эти воздействия дол­гие годы могут никак не проявляться внешне. Основ­ная опасность ядерных установок и заключается в том, %и» слабые дозы облучения, незаметно воздействуя на лю­дей, повышают возможность возникновения у них рако­вых заболеваний и рождения неполноценного потомства.

Различают воздействие радиации соматическое и генетическое.

Соматическое — вызвано прямым воздействием радиации на живой организм, начиная от значитель­ного снижения средней возможности выживания и кончая мгновенной гибелью.

Генетическое — последствия облучения влияют на развитие и формирование половых клеток. Это мутагенное влияние радиации. Возникновение му­тации обусловлено изменением хромосом и хими­ческим нарушением генетического кода за счет по­явления в ядре половой клетки свободных радика­лов, которые, реагируя с азотистыми основаниями, изменяют структуру генетического кода. В этом за­ключается специфика действия радиации на биообъ­екты.Генетически опасна доза радиации любой ин­тенсивности.

Естественная доза облучения человека — 20-50 млрд/год (1 рентген - 1 рад). Предельно допусти­мая величина радиации для человека, по данным Международной комиссии по радиации, составляет 166 млрд/год. Смертельная доза одноразового облуче­ния — 10 тыс. рад.

Максимальная тенденция к накоплению радиации преимущественно в своем организме (включая молоко, мясо) наблюдается у животных — ⁹⁰Sr, ¹³¹J.

К радиоактивному загрязнению относятся корпус­кулярное и электромагнитное излучения.

Корпускулярное - α-излучение. Это поток ионизированных атомов гелия, движущийся со скоростью, близкой к световой. Сюда же относятся нейтронные, космические лучи и некоторые ядерные частицы — нуклоны.

Электромагнитное — это рентгеновское (с длиной волны 10^-12-10^-9 м) и гамма-излучение (с длиной волны <10^-12 м).

Особо опасны радиоактивные изотопы с малым периодом полураспада. Это прежде всего изотопы ⁹⁰Sr, ¹³⁷Cs. Они геохимически близки к кальцию (стронций) и к калию (цезий). Живые организмы, по­глощая кальций, накапливают и стронций в костных тканях. В мышечных тканях, помимо калия, накапли­вается и цезий.

Действие ионизирующей радиации на живые орга­низмы зависит от физической природы радиация.

ХИМИЧЕСКИЕ ЗАГРЯЗНЕНИЯ ОКРУЖАЮЩЕЙ ПРИРОДНОЙ СРЕДЫ

Пары, газы, жидкости, аэрозоли, соединения, смеси при контакте с организмом человека могут вызывать заболевания или отклонения в состоянии здоровья, обнаруживаемые современными методами исследования как в процессе контакта с ним, так и в отдаленные сроки жизни настоящего и последующих поколений. 

Многие химические вещества обладают канцерогенными и мутагенными свойствами, среди которых особенно опасны 200 наименований (список составлен экспертами ЮНЕСКО): бензол, асбест, бенз(а)пирен, пестициды (ДДТ, алдрин, линдан и др.), разнообразные красители и пищевые добавки. 

Химические вещества в зависимости от их практического использования классифицируются на:

• промышленные яды, используемые в производ­стве: органические растворители (дихлорэтан), топли­во (пропан, бутан), красители (анилин);

• ядохимикаты, используемые в сельском хозяйстве;

• бытовые химикаты, применяемые в виде пищевых добавок, средства санитарии, личной гигиены, кос­метики и т. д.;

• отравляющие вещества (ОВ).