У бактерій і вірусів.
Передача спадкової інформації
Бактерії мають щільну клітинну оболонку, під якою знаходиться еластична, тонка протоплазматическая мембрана. У цитоплазмі бактерій є невеликі освіти, так звані плазміди (епісоми). Це невеликі кільцеві двуцепочечние молекули ДНК, які можуть існувати автономно (реплицироваться за допомогою ферментів клітини бактерії незалежно від основної хромосоми) або входити до складу молекули ДНК, яка знаходиться в хромосомі бактерії. Термін «плазміди» запропонований Дж. Ледербергом в 1952 р Маленькі плазміди включають 10-30 тис.пар підстав, і в клітці є їх від 10 до 100 копій. Великі плазміди містять до 100 тис. Пар основ, але в клітці вони представлені однією-двома копіями. Вивчено фактори (R-фактори) стійкості до лікарських речовин (стрептоміцину, тетрацикліну, сульфаніламідів). Термін «епісоми» запропонований Ф.Жакобом і Е.Вольманом (1958). Є епісома, яку називають статевим фактором F +. Вона виконує функцію обміну генетичним матеріалом між бактеріальними клітинами.
Кишкова паличка (Escherichia coli) має гаплоїдний набором хромосом, є швидкозростаючим організмом, який можна культіворовать на синтетичному середовищі. В бактеріях відбувається обмін генетичною інформацією, який призводить до виникнення нових рекомбінатівних генотипів, однак процеси, які призводять до такого обміну, істотно відрізняються від запліднення і мейозу, характерних для вищих організмів. Ці процеси називаються парасексуальними і включають в себе такі форми, як сексдукція. трансформаціяі трансдукция. Парасексуальними процеси - це обмін генетичною інформацією між клітинами різних штамів бактерій і вірусів.
Сексдукція - це перенесення генетичного матеріалу від однієї бактерії до іншої за допомогою статевого фактора (F +) при коньюгации. Вперше процес коньюгации у бактерій виявили Дж.Ледеберг і Е.Татум в 1946 р У 1952 р Хейс встановив нерівноцінні роль батьківських штамів при коньюгации. З'ясувалося, що один штам є донором (чоловічим), а інший - реципієнтом (жіночим). F + - це присутній статевої фактор, що характерно для чоловічих клітин бактерій, F- - це відсутній статевий фактор, що характерно для жіночих клітин бактерій.
Клітини-донори мають статевим фактором F +, який є коньюгатівной плазмидой і являє собою циркулярно замкнуту молекулу ДНК. При коньюгации клітини донори F + з'єднуються з клітинами-реципієнтами F- за допомогою коньюгаціонного містка - особливої протоплазматической трубки, утвореної клітиною F +. При коньюгации фактор F + зазвичай не передається, так як розташовується в кінці хромосоми. З більш високою частотою передаються гени, розташовані близько початкової точки хромосоми донора. Потім ДНК донора в гомологічних ділянках вступає в контакт з ДНК реципієнта і в результаті кросинговеру, деякі ділянки одного ланцюга ДНК реципієнта замінюються фрагментами ДНК донора. При коньюгации статевої фактор разом з фрагментами ДНК іноді переходить в жіночу клітку, перетворюючи її в чоловічу і передаючи їй властивості, контрольовані фрагментом хромосоми донора. Місток між коньюгірующімі клітинами крихкий, і перенесення всієї хромосоми донора, який при 37 0 С займає 90 хвилин рідко доходить до кінця. При даній температурі перенесення відбувається з постійною швидкістю. Велика швидкість ділення бактеріальних клітин за короткий проміжок часу, обумовлює їх показове використання в генетичних дослідженнях.
Трансформація - це процес передачі спадкової інформації від одного штаму бактерій іншому внаслідок перенесення ДНК. Таке явище вперше позначив Ф.Гріффітс в 1928 р на пневмококах. У 1944 році Евері, Мак-Леод і Мак-Карті здійснили хімічну ідентифікацію трансформує початку. Вони вбивали клітини пневмококів нагріванням, екстрагували за допомогою лізису в присутності детергенту і після осадження абсолютним етанолом і депротеїнізації хлороформом отримували трансформує початок в високоактивної формі. Кінцевий продукт давав негативну реакцію на білок і і РНК і резкоположітельних реакцію на ДНК. Трансформує активність препарату була стійка до протеолітичних ферментам і рибонуклеаза, але руйнувалася під дією ферментів, що розщеплюють ДНК. За допомогою цих експериментів було твердо встановлено, що ДНК здатна переносити генетичну інформацію від однієї бактерії до іншої.
Трансдукція- Це перенесення генів з однієї бактеріальної клітини в іншу за участю певних бактеріофагів. Вперше явище трансдукції встановили Н.Д.Ціндер і Дж.Ледеберг в 1952 р За будовою бактеріофаги - це віруси, що паразитують в бактеріальних клітинах. У бактеріофагів ДНК укладена в голівці фага. Якщо фаг отруйний, то інфікування цим фагом чутливої клітини-господаря призводить до її лізису і вивільненню фагів-нащадків. Фагові частки прикріплюються до специфічних ділянок бактеріальної клітинної стінки за допомогою фібрил відростка. Чохол відростка скорочується, і вміст головки проникає всередину бактерії, як би впорснути шприцом. Фагова ДНК проходить через відросток в бактеріальну клітину, пригнічуючи белоксинтезірующие механізми клітини-господаря, і змушує їх синтезувати компоненти фага, використовуючи як матрицю фотоспеціфіческіе мРНК. Є й такі фаги, які, інфікуючи клітку, не обов'язково викликають її лізис. Подібно коньюгации, трансдукція - односпрямований перенесення. Трансдуцірованние гени донора включаються в ту ділянку бактеріальної хромосоми, в якому розташовані гомологічні гени реципієнта. Іноді трансдуцірованний фрагмент ДНК не інтегрується, а залишається в цитоплазмі бактерії; в цьому випадку він не може ділитися, але здатний транскрибуватися і транслюватися. Це абортивна трансдукция; вона обумовлює гетерозиготность по генам, що містяться в перенесеному фрагменті, і дозволяє досліджувати функцію генів і їх взаємодія.
Експеримент Френкель-Конрат в 1955 р чітко показав, що саме РНК визначає взаємодію вірусу і клітини-господаря, а також генотип і фенотип вірусного потомства. У 1956 р Гігер і Шрамм показали, що генетичним матеріалом ряду вірусів, а зокрема вірусу тютюнової мозаїки (ВТМ) є одноцепочечная молекула РНК.
Фармакогенетика - наука про роль генетичних чинників в індивідуальній, видовий, статевої і вікової сприйнятливості організмів до лікарських речовин, метаболізмі цих речовин, толерантності, лікарської залежності, кумуляції, потенціірованія і антагонізмі. Фармакогенетика - це новий прикладної міждисциплінарний розділ генетики і фармакології (науки, що вивчає дію лікарських речовин на організм тварин і людей).
- реакції організму на дію лікарських речовин з урахуванням генетичних особливостей окремих індивідуумів в рамках вікових, сезонних, статевих, видових особливостей;
- прагнення досягнення бажаного ефекту при їх застосуванні;
- механізм і ступінь успадкування цих реакцій в нормі та патології;
- генетику ферментів, які перетворюють (метаболизируют) лікарські речовини в нормі і в разі патологічних змін в ферментної системі;
- розробляє способи профілактики патологічних медикаментозних реакцій і лікування органів з такими відхиленнями.
Термін «фармакогенетика» ввів в науку в 1959 р Вогель, який першим помітив існування генетичного контролю над реакціями організму на введення лікарських речовин.
Генетично обумовлені відмінності в реакціях організму на лікарські речовини залежать:
1. Від уповільненої метаболізму лікарських речовин, внаслідок чого виникає різка реакція організму на фармакологічні препарати (освіта недостатньої кількості відповідних ферментів, або з недостатньою їх активністю).
2. Від прискорений метаболізм лікарських речовин, результатом якого є слабка фармакологічна реакція організму і знижена лікувальна ефективність препаратів.
3. Від порушення нормальної взаємодії між лікарськими речовинами і метаболітами, що може призводити до утворення шкідливих хімічних сполук і негативної реакції організму.
Також можуть виникати нетипові реакції організму на лікарські речовини, прямо не пов'язані з генотипом організму, а є результатом алергізації, ослаблення захисних механізмів організму. Найчастіше це результат ферментних дефектів (ензимопатія).
Ензимопатії - спадкові порушення структури і функції ферментів, метаболизирующих лікарські речовини. Вони виникають в результаті мутацій певних генів і відіграють важливу роль у виникненні негативної дії багатьох лікарських речовин. В одному випадку дію лікарських речовин посилюється настільки, що обумовлює небажані наслідки, а в іншому - лікарські речовини провокують загострення хронічних захворювань, які протікали латентно.
Широке застосування антибіотиків та інших ліків призвело до того, що генетична резистентність патогенних бактерій зросла до такої міри, при якій часто утруднено лікування інфекційних хвороб. В Англії серед вивчених штамів сальмонел 61% виявився резистентним до одного або більше антибіотиків. У цій же країні в 1977 р 62,6% штамів E.coly, виділених від великої рогатої худоби, були резистентними до стрептоміцину і 47% - до тетрацикліну, а у свиней - відповідно 5,5 і 47,1%.
У худоби, полеглого від респіраторних хвороб, виділено понад 50% культур пастерелл, стійких до сульфаніламідів і стрептоміцину, а 75% були нечутливі до тетрацикліну.
На деяких фермах в Японії під час епізоотії сальмонельозу у телят виділяли до 77% стійких до хлорамфеніколу штамів сальмонел, серед яких 85% були також стійкі до тетрацикліну, стрептоміцину і сульфаніламідів. Резистентність повністю передавалася наступним поколінням сальмонел.
У багатьох країнах підвищення резистентності до різних ліків виявлено у гельмінтів і кліщів. Встановлено, що застосування одного препарату веде до виникнення стійкості кліщів до цього препарату протягом 5-10 років.
Механізм резистентності мікроорганізмів
проти лікарських речовин.
Резистентність мікроорганізмів залежить від освіти в бактеріальних клітинах так званих плазмід - Епіс з R-фактором (здатним забезпечити стійкість бактерій проти лікарських речовин). Плазміди по коньюгаціонному містку можуть проникати в іншу бактерію, навіть іншого виду, обумовлюючи або несприйнятливість до певних лікарських речовин, або здатність до синтезу коліцінов. Коліціногени включають гени, які і обумовлюють синтез бактерією особливих білкових речовин - коліцінов. Однак утворені метаболіти згубно впливають на організм тварини або людини, погіршуючи стан здоров'я. Періодичне чергування різних лікарських речовин (в межах 2-3 діб), як правило, призводить до повної втрати здатності бактеріальної клітини до швидкого розмноження R-факторів, розмноженню самої клітини і до її загибелі. Деякі з плазмід здатні вбудовуватися в хромосому бактерії, і тоді при переході з однієї бактерії в іншу вони, подібно до статевого фактору, перетягують за собою частину, а іноді всю хромосому.
Ефективність введення лікарських речовин залежить від:
- Пола. Чоловіча стать має менше активних генів, ніж жіночий, внаслідок інертності Y-хромосоми. Наприклад жіноча стать чутливий до нікотину, стрихніну, снодійного, але резистентний до алкоголю.
- Віку. Новонароджені більш чутливі до лікарських речовин, ніж дорослі. При внутрибрюшном введенні новонародженим крольчатам гексабарбитал 75мг / кг призводить до глибокого сну, а потім до загибелі. У 10-денних кроленят сон 1-2 години, і гинуть 50%. У 16-денних кроленят - сон 10-20 хвилин. Дорослі кролі не засинають. Такі лікарські речовини, як ацетилхолін, адреналін, нікотин у старих тварин викликають реакцію в 3-10 разів вище, ніж у молодих.
- Зміни дня і ночі. Так морфін, амфетамін найбільш активні в нічний час, а нікотинамід - днем. У мишей токсичність етилового спирту ввечері і вночі вище, ніж вранці і вдень. Ритмічна діяльність організму повністю залежить від генетичного контролю і дії залоз внутрішньої секреції.