Преподаватель который помогает студентам и школьникам в учёбе.

Реферат на тему: Гомеостаз как механизм устойчивости и адаптации

Содержание:

Введение

В современном мире из-за ухудшения состояния окружающей среды увеличилось количество мутаций. Мутагенные факторы вызывают мутации, которые, как правило, негативно влияют на развитие и существование организма. Учитывая это, многие люди стремятся защитить свое здоровье, изменить образ жизни, место постоянного проживания, чтобы избежать нежелательных последствий в будущем.

В какой степени мутации влияют на нас? В своей работе мы хотим показать, что, конечно, мутации представляют значительную опасность, но они не обязательно приводят к серьезным последствиям.

Мутация - стойкое самопроизвольное изменение генотипа под действием внутренних и (или) внешних факторов.

Мутации обладают определенными свойствами: они возникают внезапно, передаются по наследству, ненаправленно, то есть любой ген может мутировать, вызывая изменения как второстепенных, так и жизненно важных функций.

Современные исследования доказали, что каждую секунду наше тело сопротивляется внешней среде, независимо от того, находимся мы в квартире, на работе или на природе. Для поддержания общего нормального состояния (особенно внутреннего), а следовательно, нормального функционирования всей системы, организм имеет особое свойство, называемое гомеостазом. Генетический гомеостаз играет важную роль в поддержании постоянства внутренней среды.

Соответствующие факторы воздействия могут быть физическими (радиация, температура), биологическими (вирусы, простейшие) и химическими (алкилирующие соединения, ксенобиотики). Кстати, химические вещества могут проникать в наш организм через желудочно-кишечный тракт, просто оставаясь в пище.

Мутагены напрямую влияют на молекулу ДНК, модифицируя ее.

Каждый час в каждой клетке нашего тела происходит до 1000 мутаций. Почему мы живем нормально и не замечаем этого? Потому что существуют специальные методы борьбы с мутациями, которые реализуются на разных уровнях организации живых существ.

Поддержание генетического гомеостаза на молекулярно-генетическом уровне

Поддержание генетического гомеостаза на молекулярно-генетическом уровне - одно из основных звеньев на этапе регулирования постоянства его внутреннего состояния и дальнейшего сбалансированного функционирования.

Основные способы поддержания генетического гомеостаза:

Репликация,
Ремонт (может происходить как во время, так и после репликации),
Точное распределение наследственного материала во время митоза.

Ремонт активируется при следующих типах повреждений ДНК:

Повреждение отдельных нуклеотидов или их пар,
Разрыв цепи ДНК,
Образование перекрестных связей между основаниями одной цепи или разных цепей ДНК.

Есть много видов репараций, рассмотрим некоторые из них:

Прямой
Эксцизионный
Пострепликативный
Несоответствие
Ремонт
Самокоррекция

Прямая репарация - это самый простой способ устранить повреждение в цепи ДНК посредством регенерации интактных азотистых оснований алкилтрансферазами или окислением алкильной группы.

Трансферазы - это специфические ферменты, которые облегчают перенос функциональных групп. У млекопитающих они используются для восстановления только гуанина - ферментов O 6 -алкилгуанинтрансферазы. Они присоединяют к себе метильную группу, таким образом инактивировавшись.

Окисление алкильной группы происходит с помощью белков AlkB Escherichia coli (E. coli) и его человеческих аналогов hABH2 и hABH3, которые окисляют метильные группы метиладенина и метилцитозина, восстанавливая их до аденина и цитозина соответственно.

Эксцизионная репарация является наиболее распространенным методом удаления поврежденных или несоответствующих азотистых оснований из цепи ДНК с последующим восстановлением молекулы путем синтеза последовательности, комплементарной интактной цепи.

Ферменты - эндонуклеаза и экзонуклеаза репарации, ДНК-полимераза, ДНК-лигаза.

Например, при УФ-облучении клетки обладают световой системой восстановления. При повреждении ДНК ультрафиолетовыми лучами образуются димеры тимина - соединения двух соседних азотистых оснований тимина. Поскольку эти нуклеотиды сшиты, они не могут играть роль шаблона. Затем димер вырезается с помощью эндонуклеазы, потерянный сайт ресинтезируется ДНК-полимеразой и сшивается с исходной цепью ДНК-лигазой.

Следствием неправильного действия эксцизионной пластики является пигментная ксеродермия, которая выражается в неспособности клеток кожи противостоять ультрафиолетовому излучению. Это заболевание может в дальнейшем привести к раку кожи.

Пострепликативная репарация заключается в обмене фрагментами между двумя вновь образованными цепями молекулы ДНК.

Например, восстановление молекулы ДНК при появлении димеров тимина,не удаленных эксцизионной репарацией. Затем исходная цепь, противоположная димеру, рекомбинирует с другой дочерней ДНК. Образовавшийся разрыв в исходной цепи заполняется путем синтеза на дополнительной цепи.

Несоответствие - это система, которая позволяет обнаруживать и исправлять вставки и пропуски несовпадающих нуклеотидов в молекуле ДНК.

Процесс репарации заключается в распознавании дефекта, идентификации исходной и дочерней цепей ДНК, удалении ошибочно включенного нуклеотида и замене его правильным нуклеотидом. Обычно удаляется не только неправильный нуклеотид, но и часть цепи ДНК вокруг него, после чего дочерняя цепь восстанавливается с использованием основной цепи в качестве матрицы.

К сожалению, этот процесс изучен только на грамположительных бактериях.

SOS-репарация - репарация, используемая при большом количестве повреждений в молекуле ДНК. Специальные ферменты восстанавливают целостность цепей ДНК, заполняя пробелы, не соблюдая принцип комплементарности.

Заболевания, возникающие в результате активации SOS-восстановления: пигментная ксеродермия, синдром Хатчинсона (Хатчинсона) -Гилфорда. Последнее заболевание еще называют прогерией. Проявляется в преждевременном старении организма.

Само-коррекция - расщепление с ошибочно вставленного нуклеотида в цепи ДНК, не спаренной с матричной нитью.

В результате химических реакций в организме образуются или попадают в него свободные радикалы. Они могут окислять его белки, тем самым запуская цепную реакцию изменения структуры других химических соединений, взаимодействующих с ними. Следовательно, необходима защита от воздействия этих генотоксикантов.

Мутагенная мутация генетического гомеостаза

Это как раз защитная функция антиоксидантов. Антиоксиданты - это химические вещества, естественные или искусственные, которые замедляют процесс окисления.

Действие наиболее распространенных антиоксидантов разорвать бегущую цепную реакцию: Антиоксидант молекула будет взаимодействовать с активными радикалами в виде минимум - активные радикалами.

Примеры антиоксидантов - β-каротин, ретинол, аскорбиновая кислота, пектин и тиофан.

Следует отметить, что на кону интроны составляют 92-95% длины гена. Следовательно, мутации, возникающие в неинформативных областях молекулы ДНК, также могут не передаваться, поскольку они удаляются при посттранскрипции у эукариот.

Кроме того, на каждые 30 миллионов нуклеотидов в одном поколении приходится одна мутация,- заключили совместные эксперименты ученых из Великобритании и Китая. То есть за 13 поколений произошло всего 4 естественных изменения (замены) одного нуклеотида в исследуемой области Y-хромосомы.

Когда нуклеотид заменяется в результате мутации, может образоваться стоп-кодон, так называемая нонсенс-мутация. В этом причина невозможности синтеза белка, кодируемого этой областью гена.

Наглядным примером результата соответствующей мутации является синдром Тричера Коллинза.

На молекулярно-генетическом уровне удаляется около 99,9% изменений генотипа. И все же это не 100%, поэтому срабатывают следующие уровни поддержания генетического гомеостаза.

Поддержание генетического гомеостаза на клеточном уровне

На клеточном уровне также могут возникать ошибки, связанные с сохранением генома. Они образуются при нарушении формирования веретена деления или расхождении гомологичных хромосом.

Если повреждение не устранено, хромосомные аберрации (перестройки), полиплоидия и анеуплоидия могут быть результатом нарушения генетического гомеостаза на клеточном уровне.

Хромосомные аберрации включают делеции, инверсии, дупликации и транслокации.

Примером хромосомной аберрации является делеция хромосом - синдром плачущего кота.

Есть несколько форм анеуплоидии. Вот несколько примеров из них:

Моносомия - синдром Шерешевского-Тернера (ГО)
Трисомия - синдром Патау (13+), синдром Клайнфельтера (XXY)

Целостность генетического материала клетки проверяется на протяжении всего митотического цикла, а именно на его контрольных точках:

В точке G1 / S проверяется целостность ДНК;
Если в ДНК обнаруживается повреждение, то ген p21 синтезирует белки-ингибиторы других ферментов, что приводит к задержке перехода клетки из фазы G1 в фазу S;
В S / G2 - правильность репликации ДНК;
В G2 / M - проверка поражений, пропущенных во время прохождения предыдущих контрольных точек или полученных на последующих стадиях клеточного цикла; проверяется полнота репликации ДНК;
Клетки, в которых ДНК недостаточно реплицируется, не вступают в митоз.

Существует также контрольная точка сборки разделяющего веретена, которая проверяет, все ли центромеры прикреплены к микротрубочкам.

Если генетический материал клетки значительно поврежден, то он может сразу перейти к дифференцировке.

Однако существует также фаза G0 или фаза покоя. В этот период клетка не делится, только функции, однако может вступить в деление. Опять же, если его материал сильно поврежден, клетка может немедленно перейти к дифференцировке.

Одна из основных ролей в регуляции митотического цикла клетки принадлежит белку, называемому молекулярным хранителем генома - p53.

Было доказано, что при повреждении ДНК увеличивается уровень нормального белка p53. Это инициирует временное прерывание или даже прекращение митотического цикла в двух его контрольных точках: G1 / S и G2 / M, тем самым предотвращая репликацию.

Если ущерб существенных и не может быть восстановлен, p53 индуцирует экспрессию белков, что приводит к гибели клеток - апоптоз.

Белка р53 позволяет клетке перейти к следующему этапу митотического цикла. Ген mdm2 (от англ. Muose double minute 2 gene) служит для контроля гена p53, человеческий аналог - hdm2, который, продуцируя ферменты, инактивирует p53, тем самым подавляя транскрипцию ДНК. При мутации может произойти повреждение гена hdm2, следовательно, неспособность контролировать уровень p53. Активное размножение будет происходить до тех пор, пока не будет восстановлен ген hdm2.

Кроме того, если одна рука повреждена, хромосома не приведет к сбоям в работе организма, поскольку на другой руке есть гомологичный ей участок хромосомы, который кодирует синтез того же белка.

Но даже на клеточном уровне ошибки могут возникать во время митотического цикла, поэтому запускается следующий уровень защиты генома.

Поддержание генетического гомеостаза на уровне тела

На уровне организма мы можем рассмотреть несколько типов отбора. Эти стадии чаще всего проявляются в раннем возрасте изучаемого объекта.

Селекция презиготная (отбор на стадии образования гамет).
Зиготный отбор
Эмбриональный отбор
Отбор пренатальный
Натал (во время родов)
Послеродовой.

Давайте посмотрим на некоторые из этих шагов.

В некоторых случаях оплодотворение яйцеклетки может быть неполным (на самом деле оплодотворения нет), поскольку происходит раннее прерывание беременности, замаскированное под так называемую задержку менструации.

Процессы мутации происходят у половины эмбрионов, поэтому только 50% эмбрионов остаются жизнеспособными.

Отдельно стоит сосредоточиться на самопроизвольных абортах. Потому что почти 15% всех зарегистрированных беременностей (то есть примерно с 4-5 недель) прерываются самопроизвольными абортами.

Не менее впечатляет частота хромосомных аномалий, вызвавших выкидыш: треть от упомянутых 15%.

Более 5% всех зигот погибают из-за несовместимости объединенных яиц и сперматозоидов по антигенам системы ABO. Это антигены, определяющие основные группы крови человека. И помимо такой антигенной несовместимости известно множество других: ведь существует огромное количество антигенов различных классов и типов.

А теперь, если провести черту под всем этим, а также под процентами, не упомянутыми здесь, станет ясно: только одно зачатие из семи приводит, в конце концов, к рождению ребенка. Каждый седьмой - 15%. Таким образом, мы можем видеть, насколько хорошо работает этот этап избавления тела от мутаций.

Но даже несмотря на указанные выше этапы защиты генома, мутации могут проявляться морфологически. Примером может служить ретинобластома - злокачественная опухоль глаза. Развивается в основном в детстве из тканей эмбрионального происхождения. Это заболевание встречается в большинстве случаев в возрасте до 5 лет. Чаще всего ретинобластома детерминирована генетически (если ребенок наследует мутантный аллель гена Rb, вторая мутация возникает уже в ретинобластоме, приводя к образованию опухоли). Случаи, когда родители, заболевшие ретинобластомой, рождаются здоровыми детьми, составляют довольно небольшой процент от общего числа детей в таких семьях

То есть все наши гипотезы подтверждаются. Это заболевание обнаруживается в раннем возрасте. Мы также видим, что довольно редко здоровые дети рождаются в семьях, где их родители болели аналогичным заболеванием.

Поддержание генетического гомеостаза на популяционно-видовом уровне

Гомеостаз популяции - это свойство популяции, которое позволяет при изменении условий окружающей среды сохранять инвариантность (относительную независимость функционирования) за счет соответствующих изменений внутри самой популяции. Это касается разных внутрипопуляционных групп: пола, возраста, территориальности. Если происходят глобальные количественные или качественные изменения в генотипе особи, которые не устраняются предыдущими уровнями генной защиты, то активируются механизмы контроля генофонда. Таким образом, удаление мутантных клеток здесь больше не применяется. Но защита от мутаций по-прежнему остается. Таким образом, поддержание гомеостаза на популяционно-видовом уровне - последний этап. То есть, если все же мутации удалось пробить предыдущие уровни, то этот уровень защиты просыпается.

Мы можем рассматривать множество болезней. Например, если во время пренатальной диагностики, являющейся ветвью искусственного отбора, не удалось выявить, что ребенок чем-то болен и в результате мать его рожает, то сам ребенок рождается с некоторыми отклонениями. Затем срабатывает естественный отбор: чаще всего иммунитет такого организма ослаблен (например, синдром Эдвардса - трисомия 18+: пороки сердца и крупных сосудов, гипоплазия (недоразвитие) мозжечка и мозолистого тела, выраженная задержка умственного развития, сокращение мышц тон). Также мутировавшие организмы часто просто не выживают (синдром Патау - трисомия 13+: смерть в первые недели или месяцы жизни) или не имеют возможности продолжать свой род, давать потомство, то есть не могут дать потомство и не может передать вашу мутацию популяции (синдром Шерешевского-Тернера: гипоплазия матки). Более того, ребенок может быть умственно отсталым (например, синдром Дауна - трисомия 21+), что является социальным критерием естественного отбора.

Рассмотрим подробнее такое заболевание, как синдром Шерешевского-Тернера. Это хромосомное заболевание, вызванное моносомией по Х-хромосоме (ХО). И признаки - это какие-то внешние синдромы, но стоит обратить внимание на половое развитие женщины с этим заболеванием. Их матка недоразвита. То есть возможность вынашивания ребенка в обычных условиях исключена. Но вырастить матку до нормальных размеров можно с помощью гормональной терапии. Затем происходит искусственное оплодотворение, когда яйцеклетка имплантируется (имплантируется) в матку женщины с мутацией. Но женщина с мутацией все равно не может передать свои гены ребенку. И есть очень мало случаев,когда их яйца выжившие. В целом, можно заметить,что эта болезнь не смертельна. Но все же это мутация. И это определенно отрицательная мутация. Отрицательные мутации не нужны для генофонда, а значит, именно на этом этапе вступает в силу генетический гомеостаз. Люди с такими заболеваниями находятся под воздействием искусственного отбора, в который входит и социальный фактор. Люди с подобным заболеванием - больше. сложно общаться с другими людьми, чем с людьми без подобных серьезных мутаций, а также в будущем найти пару, чтобы оставить потомство.

Если взять в качестве примера другое генетическое заболевание, вызванное мутацией, результат может немного отличаться. Нам известно такое известное заболевание, как синдром Дауна (трисомия по паре 21 хромосом) - одна из форм геномной патологии, при которой кариотип чаще всего представлен 47 хромосомами вместо нормальных 46.

И здесь мы можем заметить, что вероятность беременности намного выше. Конечно, не очень высокий процент, многие до сих пор не могут зачать ребенка. Но даже если получится, значит, у ребенка высокий уровень подобных или иных отклонений. Таким образом, сама природа защищает себя от мутаций, уменьшая их количество.

Панмиксия - еще один хороший способ избежать мутаций, созданных природой. По определению, панмиксия - это свободное скрещивание гетеросексуальных людей в популяции. То есть это еще один способ объединения генов. Здесь снижается вероятность проявления вышеназванной мутации и возможность внезапной встречи двух людей с рецессивными аллелями этого гена.

Движущими силами эволюции в контексте генетики популяцию можно рассматривать как естественный отбор, мутагенез, дрейф генов и поток генов.

И если мы говорим, что поддержание гомеостаза происходит в разных внутрипопуляционных группах (территориальных, половых, возрастных), то мы тоже должны приводить аргументы.

Мы помним, что мутации бывают положительными, отрицательными, летальными и нейтральными. Если мутация положительна и вызывает признак, наиболее приемлемый в данных условиях, то, например, животные с этим признаком будут увеличивать (воспроизводить, особи лучше адаптироваться) популяция с подобным признаком, соответственно, будет занимать большую территорию.. Затем, если признак, вызванный определенной мутацией, перестает быть актуальным для установленных условий окружающей среды, то количество особей с соответствующим признаком будет постепенно уменьшаться.

Большинство мутаций врожденные. Оказывается, их можно диагностировать пренатально. И, осознавая всю ответственность, либо отказаться от ребенка, либо смириться с этой болезнью и постараться с ней справиться. Пренатальная диагностика - это комплексная пренатальная диагностика с целью выявления патологии на этапе внутриутробного развития. Позволяет обнаружить более 98% плодов с синдромом Дауна, синдромом Эдвардса, синдромом Патау. При заболевании плода родители с помощью консультанта тщательно взвешивают возможности современной медицины и свои собственные в плане реабилитации ребенка. В результате семья решает судьбу этого ребенка и решает, продолжить ли вынашивание или прервать беременность.

В настоящее время в ряде стран уже доступна преимплантационная генетическая диагностика (перед имплантацией в матку) эмбриона, развившегося в результате искусственного оплодотворения. Выявляется около 6000 наследственных заболеваний, после чего решается вопрос о целесообразности имплантации эмбриона в матку. Это позволяет парам иметь собственного ребенка, который ранее не подвергался риску из-за высокого риска наследственных заболеваний.

Можно делать прогнозы появления мутаций в популяции. В медицинской генетике закон Харди-Вайнберга позволяет оценить популяционный риск генетически детерминированных заболеваний, поскольку каждая популяция имеет свой пул аллелей и, соответственно, разные частоты неблагоприятных аллелей. Зная частоту рождения детей с наследственными заболеваниями, можно рассчитать структуру пула аллелей. В то же время, зная частоту неблагоприятных аллелей, можно спрогнозировать риск рождения больного ребенка.

Для подтверждения гипотез о негативном влиянии мутагенов на будущие поколения было проведено множество экспериментов:

В начале 21 века ученые из Университета Ньюкасла в Австралии провели серию экспериментов. Целью было изучить влияние курения матерей во время беременности на способность их сыновей к воспроизводству в будущем. То есть влияние мутагенов на способность воспроизводить потомство.

Несмотря на то, что это исследование включало только исследования воздействия сигаретного дыма на животных во время беременности и кормления грудью, ученые отмечают, что полученные результаты актуальны и для людей.

Во время эксперимента одна контрольная группа животных подвергалась воздействию сигаретного дыма, другая - нет.

И после получения потомства было обнаружено, что самцы животных, рожденные от самок, подвергавшихся воздействию сигаретного дыма во время беременности и кормления грудью, имели пониженное количество сперматозоидов, уровень их активности, многие из них были ненормальными и не могли оплодотворить яйцеклетку.

Результаты показывают, что когда эти животные достигают зрелости, они часто не могут воспроизводить потомство, являются субфертильными или бесплодными, - сказали ученые. Это позволило доказать, что действие мутагенов на организм влечет за собой ущерб здоровью не только этого организма, но и его потомства в будущем.

Конечно, эксперимент, проведенный на животных, не показывает полной картины, потому что это всего лишь имитация воздействия мутагенов на организм человека. Но данные этого эксперимента подтверждают наши гипотезы.

Заключение

Из-за наличия механизмов гомеостаза даже серьезные катастрофы, такие как авария на Чернобыльской АЭС, не привели к значительному росту онкологических и генетических заболеваний у людей, подвергшихся воздействию радиации.

Не все организмы подвержены патологическим процессам (или они не проявляют себя внешне), и мутации всегда происходят в организмах, независимо от дальнейшей элиминации. Подтверждением эффективности действия генетического гомеостаза является то, что генотип сохраняется у всех организмов.

Любой организм постоянно подвергается воздействию факторов, которые вызывают ограниченное количество генетических повреждений ДНК. Благодаря эффективному механизму генетического гомеостаза в подавляющем большинстве случаев удается избежать патологий, вызванных мутациями.

Механизм гомеостаза действует на всех уровнях организации биосистемы от молекулярно-генетического до популяционно-специфического и представляет собой сложную многокомпонентную систему.

Наша позволяет не только уточнить фундаментальные закономерности поддержания генетического гомеостаза, но и обосновать практические меры по профилактике генетически детерминированных патологий, в том числе онкологических.

Нарушение любого из механизмов генетического гомеостаза неминуемо приводит к серьезным последствиям, таким как раковые опухоли, различные генетические заболевания, такие как синдром Дауна, синдром Патау.

Список литературы

Биология. Руководство по практическим занятиям. Под редакцией академика РАЕН, профессора В.В. Маркина. М., ГЭОТАР-Медиа, 2011. С.105-106.
Модрич, П. Нить-специфическая репарация ошибочного спаривания в клетках млекопитающих. Кто первым в области клеточного ответа на повреждение ДНК, 2000 С.361-372.
Мюррей Р., Греннер Д., Мейес П., Родвелл В. Биохимия человека. - М.: Мир, 1994. - Т.2. - С.98. - 415.
Мураками, Х., Окаяма, Х., Экспериментальная и молекулярная медицина, 1996, 29, 1-11.
С.М. Кузин. Роль генетического гомеостаза в развитии генетических патологий человека. Медицинская генетика. 2006. Том 4. № 6. С.289.
Пачес А.И., Опухоли головы и шеи. - М.: Медицина, 1985. - 416 с.