|
Реферат: Наследственные заболевания человека (Биология)
Реферат
по биологии
На тему:
«НАСЛЕДСТВЕННЫЕ ЗАБОЛЕВАНИЯ ЧЕЛОВЕКА»
Ученика 10
«Б» класса
лицея № 34
г. Костромы
Кудашева
Михаила
Научный
руководитель:
кандидат биологических
наук
Колесова
Татьяна
Максимовна
Г. Кострома
ПЛАН.
1. Введение
2. Предмет и методы антропогенетики и медицинской генетики.
3. Организация наследственного аппарата клеток человека (уровни
организации: генный, хромосомный, геномный).
4. Мутационный процесс и наследственные заболевания человека:
а) механизм генных мутаций. Болезни обмена веществ и молекулярные болезни
человека. Наследование генных аномалий;
б) хромосомные мутации, их разнообразие и проявление в форме синдромов;
в) геномные мутации и их последствия.
5. Факторы, вызывающие мутации наследственного аппарата.
6. Значение диагностики и лечение от наследственных болезней.
7. Медико-генетическое консультирование в профилактике наследственных
заболеваний.
1.Введение.
Заглядывая в будущее, можно с уверенностью сказать о по истине
фантастических перспективах преобразования живых организмов на основе
знаний закономерности наследственности.
Генетика в основе своей – наука о наследственности. Она имеет дело с
явлениями наследственности, которые были объяснены Менделем и его
ближайшими последователями. Очень важной проблемой является изучение
законов, по которым наследуются болезни и различные дефекты у человека. В
некоторых случаях элементарные знания в области генетики помогают людям
разобраться, имеют ли они дело с наследуемыми дефектами. Знание основ
генетики даёт уверенность людям, страдающим недугами, не передающимися по
наследству, что их дети не будут испытывать аналогичных страданий.
Развитие генетики для изучения проблем человека связана с ее общими
научными успехами и с тем, что эти успехи начинают занимать большое место в
идущей научно-технической революции. Развитие генетики имеет важное
значение для познания явлений жизни и в том числе для медицины. Генетика
– это фундамент медицины. Задача состоит в том, чтобы генетическая
программа каждого человека была бы полноценной и высокоактивной во всех
клетках человека. Важнейшей является и проблема генетической информации
людей. Генетическая информация людей – это самое драгоценное естественное
достояние страны, которое нужно беречь несравнимо в большей степени, чем
нефть, руды, газ, каменный уголь и другие ресурсы. В России
разрабатывается система генетической службы, которая позволит следить за
процессами, идущими в наследственности людей, прогнозировать эти процессы.
Эта работа выполняется в Институте общей генетики Академии наук Российской
Федерации.
В данном реферате поставлена цель проанализировать работы, посвященные
исследованию наследственных заболеваний человека.
Учитывая, что данная проблема широко исследуется в современной науке и
касается очень многих вопросов, в реферате поставлены следующие задачи:
. Определение предмета и методов антропогенетики и медицинской генетики.
. Исследование организации наследственного аппарата клеток человека
(уровней организации: генного, хромосомного, геномного).
. Изучение мутационных процессов и наследственных заболеваний
человека.
. Выяснение факторов, вызывающих мутации наследственного аппарата.
. Определение значения диагностики наследственных заболеваний и роли
медико-генетических консультаций в профилактике наследственных
заболеваний.
2.Предмет и методы антропогенетики и медицинской генетики.
Формирование, эволюция и становление вида Homo sapiens происходили, как
и у всех обитателей нашей планеты, под влиянием обычных факторов
микроэволюции, при ведущем участии естественного отбора, действующего на
элементарный эволюционный материал – мутации и их комбинации.
Наследственность человека подчиняется тем же биологическим
закономерностям, что и наследственность всех живых существ. У человека, как
и у других организмов, размножающихся половым путём, встречаются
доминирующие и рецессивные признаки. В формировании каждого фенотипического
свойства или признака человека также участвует как наследственность, так и
среда.
Наследственность человека изучает наука антропогенетика (от греч.
антропос – человек). Часть антропогенетики, занимающаяся изучением
наследственных болезней, нормальных и патологических свойств крови, наряду
с генетикой патогенных микроорганизмов продуцентов антибиотиков входит в
состав медицинской генетики.
Современная антропогенетика вооружена рядом методов, позволяющих
проследить некоторые закономерности передачи признаков по наследству. Это
способствует установлению диагноза, позволяет бороться с болезненными
состояниями и даёт возможность произвести генетическую консультацию лицам,
в ней нуждающимся.
Существуют разнообразные методы, изучающие наследственность человека.
Это генеалогический, близнецовый и популярно-статический методы,
предложенные в конце прошлого столетия Ф. Гальтоном. В наши дни пользуются
так же цитологическими, онтогенетическими, дерматоглифическими, молекулярно-
генетическими, а так же другими методами.
Генеалогический метод позволяет преодолеть сложности, возникающие в
связи с невозможностью скрещивания и малоплодностью человека. Если есть
родословные, то можно, используя суммарные данные по нескольким семьям
определить тип наследования (доминантный, рецессивный, сцеплённый с полом,
аутосомный) признака, а также его моногенность или полигенность.
Так, доминантный признак «габсбургская губа» (толстая выпяченная нижняя
губа) прослеживается в династии Габсбургов, начиная с XV в. Аналогичное
наследование легко выявляется для признака брахидактилия или
короткопалость, вследствие недоразвития (срастания) концевых фаланг. По
доминантному типу наследуя такой дефект, как ахондроплазия – карликовость,
связанная с резким укорочением конечностей и др.
Близнецовый метод используется для выяснения степени наследственной
обусловленности исследуемых признаков. Явление полиэмбрионии известно у
некоторых животных. Оно характеризуется появлением нескольких идентичных,
или однояйцовых близнецов (ОБ) – многозиготных близнецов. Наряду с такими
ОБ существуют разнояйцовые близнецы (РБ), рождающиеся при оплодотворении
одновременно созревающих яйцеклеток. Если ОБ как результат кланового
размножения одной оплодотворённой яйцеклетки всегда идентичны по полу и
очень похожи, часто практически неразличимы, то РБ могут иметь как
одинаковый, так и разный пол. Встречаются РБ, сильно различающиеся по
внешним признакам, как различаются особи, возникшие в результате
самостоятельных случаев оплодотворения. В этом случае РБ представляют
результат расщепления при скрещивании.
Близнецовый метод основан на трёх положениях:
1. ОБ имеют идентичные генотипы, а РБ различные генотипы.
2. Среда, в которой развиваются близнецы и под действием которой
появляются различия признаков у ОБ, может быть одинаковой и
неодинаковой для одной и той же пары ОБ.
3. Все свойства организма определяются взаимодействием только двух
факторов: генотипа и среды.
ОБ и РБ обычно сравнивают по ряду показателей на большом материале. На
основе полученных данных вычисляют показатели конкордантности (частоты
сходства) и дискордантности (частоты различий).
Цитогенетический метод. Довольно большое число трудно отличимых друг от
друга (в пределах групп) хромосом создавали трудности в применении
цитологического метода и в развитии цитогенетики человека. Разработка
методов дифференциальной окраски упростила проблему идентификации всех
хромосом человека. Благодаря культивированию клеток человека в vitro можно
получать достаточно большой материал для описания цитологических
особенностей исследуемого индивидуума. Для этого обычно используют
кратковременную культуру лейкоцитов периферической крови.
Цитологический метод приобрёл большое значение в связи с возможностями,
которые открыла гибридизация соматических клеток. Получение гибридов между
соматическими клетками человека и мыши позволяет в значительной степени
преодолеть проблемы, связанные с невозможностью скрещиваний и картировать
многие гены, контролирующие метаболизм клетки.
Популяционный метод, или методы генетики популяций широко применяются в
исследованиях человека. Он даёт информацию о степени гетерозиготности и
полиморфизма человеческих популяций, выявляет различия частот аллей между
разными популяциями. Так, хорошо изучено распространение аллей системы
групп крови АВО. Различную концентрацию конкретных аллей локуса 1 связывают
с известными данными о чувствительности разных генотипов к инфекционным
болезням. Это помогает понять направление эволюции и отбора, действовавшего
в разных регионах, в истории человечества.
Популяционный метод позволяет определить адаптивную ценность конкретных
генотипов. Многие признаки и соответственно обусловливающие их гены
адаптивно нейтральны и проявляются как естественный полиморфизм
человеческих популяций (например, многие морфологические признаки: цвет
глаз, волос, форма ушей и т.д.). Другие признаки возникли как адаптивные по
отношению к определенным условиям существования; например, темная
пигментация кожи негров предохраняет от действия солнечной радиации.
Известны примеры условно адаптивных аллелей. К их числу относится такая
генетическая аномалия, как серповидноклеточная анемия. Рецессивная
аллель, вызывающая в гомозиготном состоянии это наследственное заболевание,
выражается в замене всего одного аминокислотного остатка ? -цепи молекулы
гемоглобина.
В популяциях человека так же, как и в популяциях других организмов, в
гетерозиготном состоянии содержится значительный генетический груз, т. е.
рецессивные аллели, приводящие к развитию различных наследственных
болезней. Повышение степени инбридинга в популяциях должно приводить к
повышению частоты гомозиготации рецессивных аллелей. Эта закономерность
должна предостерегать от заключения близкородственных браков.
Большой удельный вес в решении проблем генетики человека и медицинской
генетики имеет онтогенетический метод, согласно которому развитие
нормальных и патологических признаков рассматривается в ходе
индивидуального развития.
Изучение и возможное предотвращение последствий генетических дефектов
человека – предмет медицинской генетики.
3. Организация наследственного аппарата клеток человека (уровни
организации: генный, хромосомный, геномный).
Ген – участок ДНК, кодирующий синтез одной полипептидной цепи
аминокислот (одной молекулы белка) размеры гена определяются числом пар
нуклеотидов. Есть гены размером в 59 пар нуклеотидов (п. н.) – у фага Т-4,
4 – в несколько тысяч п. н. (большинство генов человека). Учёные считают,
что в генотипе человека насчитывается около 1 миллиона генов.
Хромосома - (в переводе – «окрашенное тельце») сложное образование
внутри ядра, состоит из: ДНК, белков, РНК, липидов, углеводов. В одной
хромосоме размещается (локализуется) много генов. Хромосомы имеют разную
форму. Форма хромосомы определяется положением центромеры (первичной
перетяжки, к которой присоединяются нити веретена деления в митозе). Если
центромера делит хромосому пополам, то у неё образуются равные плечи,
поэтому такую хромосому называют «равноплечей» или метацентрической.
Если центромера немножко смещена в сторону одного плеча – это
«неравноплечая» или субметацентрическая хромосома.
Если центромера делит хромосому так, что одно плечо короче другого на
75%, то её называют «резко неравноплечая» или – акроцентрическая.
Если же центромера располагается в одном конце хромосомы, то хромосому
называют телоцентрической.
Совокупность хромосом ядра, их число, форма и структура называется
кариотипом. У человека кариотип 2n=46 был установлен в 1956г. двумя
учёными: Дж. Тийо и А. Леваном. Кариотип человека изображают в виде
идеограммы – схемы, на которой хромосомы располагают в ряд по мере убывания
их длинны, и по одной из каждой пары. Все хромосомы объединены в 7 групп,
обозначаемых буквами римского алфавита. Распределены хромосомы на
идеограмме с учётом размеров хромосом и локализации центромерного участка,
и каждая хромосома имеет свой номер (арабская цифра).
Группа А – 1 2 3
Группа В – 4 5
Группа С – 6 7 8 9 10 11 12
Группа D – 13 14 15
Группа Е – 16 17 18
Группа F – 19 20
Группа G – 21 22 половые хромосомы Х
y (23)
В кариотипе мужчин и женщин есть одинаковые хромосомы, их большинство –
44 – это неполовые хромосомы или аутосомы (44А); и есть одна пара хромосом
(23), по которой отмечается различие: у женщин ХХ, у мужчин Ху.
Если признак контролируется доминантным геном, локализованным в какой-
либо аутосоме, то его называют аутосомно-доминантный; а рецессивным геном –
аутосомно-рецессивным. Наследование признаков, контролируемых генами
аутосом, подчиняется законам Менделя. Менделирующих признаков, в том числе
и болезней, у человека около 3 тыс.
|Тип наследования. |1978 год.|
|Аутосомно-доминантный |1489 |
|Аутосомно-рецессивный |1117 |
|Сцепленный с Х-хромосомой |205 |
|Всего… |2811 |
Если признак контролируется генами, локализованными в Х-хромосоме, он
называется сцепленным с полом (или с Х-хромосомой). Если обнаруживается
сцепление с У-хромосомой, то признак называют голандрическим. Признак,
сцепленный с Х-хромосомой подчиняется правилу «крисс-кросса» (крест-
накрест): от матери – сыну, от отца к дочери. Голандрический признак
передаётся от отца – сыну, т. е. Только по мужской линии.
Геном - совокупность гаплоидного (1п) набора хромосом (23 хромосомы).
4. Мутационный процесс и наследственные заболевания человека:
а) механизм генных мутаций. Болезни обмена веществ и молекулярные болезни
человека. Наследование генных аномалий.
Мутации происходят на каждом из перечисленных уровней, и их называют
генными, хромосомными, геномными.
Многие мутации являются причиной наследственных заболеваний, которых
насчитывается около 2000. Изучение и возможное предотвращение последствий
генетических дефектов человека – предмет медицинской генетики. Это так
называемый «генетический груз» популяций людей.
Рассмотрим роль генных мутаций в формировании наследственных
заболеваний.
Генные мутации называют ещё точковыми мутациями. Они обусловлены
изменением молекулярной структуры ДНК. В соответствующем участке ДНК эти
изменения касаются нуклеотидов, входящих в состав гена. Такие изменения
нуклеотидного состава гена могут быть 4-х типов:
1. Вставка нового нуклеотида
2. Выпадение нуклеотида
3. Перестановка положения нуклеотидов
4. Замена нуклеотидов.
Любое из перечисленных изменений приводит к изменению триплета
(триплетов) в И-РНК, а это влечёт за собой изменение состава аминокислот в
полипептиде, т.е. приводит к нарушению синтеза нормальной молекулы белка.
Например:
Много сведений об изменении гена дало исследование гемоглобина. Было
установлено, что при тяжёлом заболевании – серповидноклеточной анемии –
эритроциты содержат аномальный гемоглобин (HbS) и имеют необычную,
отличающуюся от нормальной форму. Нормальный гемоглобин (HbA)содержит
четыре полипептидные цепи (две так называемые ?- и две ?-цепи, а ?-цепи HbS
не отличаются от ?-цепей HbA) Различие HbA и S заключается лишь в замене
одного аминокислотного остатка, а именно глютаминовой кислоты, на валин в
шестом положении ?-цепи.
Последовательность аминокислот в начальном участке ?-цепи нормального
(HbA) изменённого (HbS) гемоглобина следующая:
| |1 |2 |3 |4 |5 |6 |7 |8 |
|HbA |Вал...|Гис… |Лей...|Тре… |Про...|Глю...|Глю...|Лиз...|
|HbS |Вал...|Гис… |Лей...|Тре… |Про...|Вал...|Вал...|Лиз...|
Глютамированную кислоту кодирует в мРНК триплет ГАГ. Изменения в мРНК,
ответственное за включение валина вместо глютаминовой кислоты, состоит в
замене одного нуклеотида, а именно А на У, вследствие чего получается
триплет ГУГ, кодирующий валин. На этом основании можно заключить, что в
структурном гене ДНК, кодирующем ?-цепь гемоглобина, семнадцатый нуклеотид,
в норме представленный Т, заменён на А.
Наследственных болезней, вызванных генными мутациями, насчитывается
около 1500. Их условно подразделяют на: болезни обмена веществ и
молекулярные болезни.
Болезней обмена веществ насчитывается около 600, они затрагивают
изменения аминокислотного, углеводного и липидного состава клетки.
Некоторые мутации вызывают возникновение даже злокачественных образований.
| Признак | |наследования |
| |Характер | |
| |Доминантный |рецессивный |
|Обмен веществ: | | |
|аминокислотный | |Альбинизм |
| | |Фенилкетонурия |
|углеводный | |Галактоземия |
| | |Мукополисахаридозы |
| | |(гаргонтилизм) |
|липидный | |Амавротическая |
| | |семейная идиотия |
| | |(болезнь Тея-Сакса) |
|Злокачественные | |Глиома сетчатки глаза |
|заболевания | |Врождённый ихтиоз |
| |Нейрофиброматоз | |
Из этой таблицы явствует, что генные заболевания могут наследоваться
как по аутосомно-доминантному, так и по аутосомно-рецессивному типу.
По доминантному типу передаётся нейрофиброматоз, – хроническое
заболевание, характеризующееся множественным образованием опухолей нервных
стволов. Такие опухоли могут локализоваться в любых органах и тканях ( в
том числе и в ЦНС), но чаще всего они встречаются на коже, где имеют вид
пигментированных бородавок с избыточным ростом волос. К симптомам
заболевания относится даже отставание физического и умственного развития.
По рецессивному признаку передаётся фенилкетонурия (болезнь Феллинга) –
резкое повышение содержания в крови и ликворе аминокислоты фенилатина и
превращение её в ряд продуктов, например в фенилпировиноградную и
фенилмолочную кислоты. В отличие от гомогентезиновой кислоты, которая не
оказывает явного неблагоприятного влияния на ткани мозга, продукты,
образующиеся при фенилкетонурии, оказываются крайне токсичными. Поэтому у
детей при этой патологии наблюдается резко выраженная умственная
отсталость. Заболевание выражается также в снижении количества пигмента
меланина, поэтому больные всегда выглядят, как голубоглазые блондины со
светлой кожей. В настоящее время диагноз можно поставить при рождении
ребёнка экспресс-методом: на смоченную мочой плёнку наносят 5 капель 10%
раствора FeCl3 или добавляют в 1мл подкислённой мочи (при заболевании
наблюдается быстро проходящее потемнение).
Галактоземия – нарушение углеводного обмена. Она обусловлена нарушением
деятельности печени, накоплением в тканях (в том числе и крови) галактозы.
Без лечения развивается цирроз печени; в патологический процесс вовлекаются
и другие жизненно важные органы. В конечном итоге болезнь приводит к
слабоумию и ранней смерти. В начале жизни, как только новорождённый
начинает получать молоко, наблюдается желтуха, рвота, диспепсические
расстройства, падение массы тела. При ранней диагностике детей до
трёхлетнего возраста переводят на безмолочное вскармливание, т. е.
исключают продукты, содержащие галактозу. Такие дети развиваются нормально
и отклонений в психике у них не наблюдается. Носительство гена, вызывающего
заболевание, т. е. число гетерозигот, составляет в среднем 1:70 000.
Аномалии, связанные с нарушениями распада некоторых углеводосодержащих
соединений, вызывают развитие мукополисахаридозов (гаргоилизмы). При этих
заболеваниях поражена соединительная ткань, а следовательно, страдают
опорно-трофические функции и моторика. Доя больных мукополисахаридозом
характерно уродливое телосложение (дети напоминают уродцев – гаргоидов),
наличие множественных пороков внутренних органов ( печени органов , сердца,
аорты, нервной системы) и глаз.
Нарушение липидного обмена – амавротическая идиотия (болезнь Тея-
Сакса), связанная с отсутствием фермента гексосаминдазы А – тяжёлое
расстройство нервной системы. Эту болезнь можно обнаружить лишь во второй
половине первого года жизни ребёнка, когда наблюдается прогрессирующее
отставание физического развития, нарушение зрения и интеллекта. В
дальнейшем больной слепнет, развивается слабоумие и полная беспомощность.
Тяжёлые симптомы нарастают, что приводит к смерти ребёнка до 4 – 5 лет.
Молекулярные болезни лучше всего изучены на элементах крови. Известно
около 50 наследственных болезней крови. Некоторые из них наследуются по
типу неполного доминирования. Например два вида гемоглобингопатий:
серповидноклеточная анемия и талассимия (болезнь Кули). Гемоглобинопатии
выражаются в гемолизе – в распаде аномальных эритроцитов. При этом
наблюдается кислородное голодание, приступы лихорадки колики типа
желчнокаменных и др. симптомы, которые могут закончиться смертью. Особенно
тяжело эти заболевания протекают у гомозигот по данному признаку.
Ген серповидноклеточной анемии S, ответственный за синтез аномального
гемоглобина HbS, приводит к образованию ненормальной серповидной формы
эритроцитов. Этот ген очень часто встречается в Средиземноморье (в Греции),
Центральной Африке, несколько реже в других частях африканского континента,
В Юго-Восточной Азии - в Индии). Распространение этого гемоглобиноза
совпадает с распространением тяжёлой формы тропической малярии и её
возбудителя – кровяного споровика Plasmodium falciparum. Малярийные
плазмодии способны развиваться лишь в нормальных эритроцитах. В
ьторгн76серповидноклеточных эритроцитах гомозиготы они не развиваются
совсем, поэтому и гетерозиготы , имеющие частично нормальные, частично
серповидноклеточные эритроциты, либо не болеют, либо болеют в более лёгкой
форме.
Другой ген – Т, также влияющий на свойства крови, в гомозиготном
состоянии (ТТ) приводят к развитию иного, несколько легче протекающего
гемоглобиноза – талассемии (микроцитарная форма анемии). Особенно
распространена талассемия на побережье Средиземного моря ( Италия, Греция,
Кипр), в Бирме, Бенгалии, а в России – в Средней Азии (обычно в кишлаках
благодаря близкородственным бракам), в Азербайджане; отдельные очаги
описаны в Узбекистане, у бухарских евреев.
Больные талассемией имеют характерный башенный череп, кости его
деформированы и имеют вид «иголок ежа». Такие больные (ТТ) обычно не
доживают до десятилетнего возраста, гетерозиготы же (Тт) практически мало
чем отличаются от здоровых людей (тт).
Некоторые генные заболевания сцеплены с полом. Примером такого рода
наследования является гемофилия, агаммаглобулинемия, несахарный диабет,
дальтонизм и облысение.
В крови людей, страдающих гемофилией, нет компонента фибриногена,
необходимого для её быстрого свёртывания. У таких людей происходит потеря
большого количества крови даже при легких ранениях и незначительных
операциях. Рассматривая историю рода, в котором есть ген, вызывающий
гемофилию, учёные установили, что это заболевание передаётся потомству
здоровыми женщинами, но не передаётся мужчинами. А подвержены ему только
они. Когда поражённый мужчина женится на нормальной женщине, его дети и
внуки от сыновей оказываются здоровыми. Среди его внуков от дочерей часть
мальчиков страдает гемофилией, в то время как все девочки здоровы. Но
некоторые из них имеют больных сыновей. Наследование гемофилии подчинено
закономерности передачи рецессивного признака, сцеплённого с полом.
Другой широко распространённый у человека ген, сцеплённый с полом,
вызывает цветовую слепоту. Этот ген рецессивен по отношению к нормальному.
Мужчины, имеющие один ген дальтонизма, оказываются дальтониками, а женщины
– потенциальными носителями. Это объясняет гораздо большую частоту
дальтоников среди мужчин. Только в браке больных мужчин с женщинами,
имеющими соответствующий ген, могут рождаться девочки-дальтоники.
б) хромосомные мутации, их разнообразие и проявление в форме синдромов.
Хромосомные болезни. Известно около 300 хромосомных синдромов, которые
могут быть обусловлены изменением числа хромосом – аутосом (синдром Дауна)
или половых хромосом (синдромы: Шерешевского – Тернера, Кляйнфельтера).
Если обнаруживается одна лишняя хромосома (46+1), то это трисомия. Например
синдром Дауна возникает при трисомии по 21 хромосоме (обозначают 21+).
Впервые открытие того, что синдромы врождённых пороков развития могут
быть обусловлены отклонениями в составе хромосом, произошло в 1959 г. на
болезни Дауна, клиническое описание которой было сделано ещё в прошлом
веке. Открытие последовало за разработкой к концу 50-х годов эффективных
методов определения числа и морфологии хромосом в клетках человека и
млекопитающих.
Синдром Клайнфельтера – это группа клинически сходных отклонений в
половом, соматическом и психическом развитии, которые развиваются у
индивидуумов мужского пола при полных или частичных Х- или Y- полисомиях.
Его суммарная частота 2,5 на 1000 живорожденных мальчиков.
Если одной хромосомы не хватает (46-1=45) – это моносомия. Если
моносомия у женщин по половым хромосомам, то обозначают ХО.
Часты синдромы Шерешевского - Тернера (частота 0,7 на 1000
новорожденных девочек) и трипло-Х (1,4 на 1000 девочек). Клинические
проявления синдрома в виде отставания в росте, отклонений в строении лица,
шеи и др. проявляются в ранние годы, но основная симптоматика, выражающаяся
в отсутствии развития или недоразвития вторичных половых признаков, в
первичной аменорее, развивается в годы полового созревания. Взрослые
пациенты бесплодны.
Наиболее частой из них и достаточно известной среди врачей и населения
является трисомия по хромосоме 21, или болезнь Дауна.
На втором месте по частоте находится трисомия по
хромосоме 18, или синдром Эдвардса. Она встречается в 10 раз реже болезни
Дауна, пороки развития тяжелее; такие младенцы погибают
в основном на первом году жизни.
Ещё реже, с частотой 7:100 000, рождаются живые дети с трисомией по
хромосоме 13 (синдром Патау). Очень редки также трисомии по аутосомам 8 и
9.
Изменение числа половых хромосом оказывают менее вредное влияние на
организм, чем аномалии аутосом. Большинство аутосомных хромосомных мутаций
летально, в связи с чем эмбрион погибает на ранних сроках беременности.
Не только изменение числа хромосом, но и аномалии их структуры
(делеции) вызывают хромосомные заболевания.
Синдромы, обусловленные делециями: 4р- (синдром Вольфа – Хиршхорна), 5р-
(синдром кошачьего крика), 9p-, 13q-, 18q-, 18r, 21q-, 22q-.
В качестве примера хромосомных мутаций приведём 5p – утрата короткого
плеча (p) 5-й хромосомы, или синдром «кошачьего крика» (название
обусловлено сходством плача ребёнка с мяуканьем кошки). Такой крик
объясняется не аномалией голосового аппарата, а нарушениями центральной
нервной системы. Для синдрома 5p характерны микрогнаитя (от греческого
гнатос – челюсть) и синдактилия, которые дополняют фенотипическую картину
синдрома. У больных отмечается понижение сопротивляемости к инфекциям,
поэтому относительно часто они умирают рано. Отягощающим фактором являются
различные нарушения внутренних органов (аномалии сердца, почек, грыжи и
др.).
Делеция – утеря участка хромосомы. Условное обозначение: 5р- (пятая
хромосома, утрата в плече р).
в) геномные мутации и их последствия.
Геномные мутации – это полиплодия – у человека редкое явление. Описаны
редкие триплоиды и тетраплоиды в основном среди спонтанно абортированных
эмбрионов или плодов и среди мертворождений. Новорождённые с такими
нарушениями живут несколько дней.
5.Факторы, вызывающие мутации наследственного аппарата.
Факторы вызывающие возникновение мутаций. Факторами, вызывающими
(индуцирующими) мутации, могут быть самые разнообразные влияния внешней
среды: температура, ультрафиолетовое излучение, радиация (как естественная,
так и искусственная), действия различных химических соединений – мутагенов.
Мутагенами называют агенты внешней среды, вызывающие те или иные изменения
генотипа – мутацию, а сам процесс образования мутаций – мутагенезом.
Радиоактивным мутагенезом начали заниматься в 20-х годах нашего
столетия. В 1925 г. советские учёные Г. С. Филиппов и Г. А. Надсон впервые
в истории генетики применили рентгеновские лучи для получения мутаций у
дрожжей. Через год американский исследователь Г. Меллер (в последствии
дважды лауреат Нобелевской премии), длительное время работавший в Москве, в
институте, руководимом Н. К. Кольцовым, применил тот же мутаген на
дрозофиле.
Химический мутагенез впервые целенаправленно начали изучать сотрудник
Н. К. Кольцова В. В. Сахаров в 1931 г. на дрозофиле при воздействии на её
яйца йодом, а позже М. Е. Лобашов.
К химическим мутагенам относятся самые разнообразные вещества
(алкилирующие соединения, перекись водорода, альдегиды и кетоны, азотная
кислота и её аналоги, различные антиметаболиты, соли тяжёлых металлов,
красители, обладающие основными свойствами, вещества ароматического ряда),
инсектициды (от лат. insecta – насекомые, cida – убийца), гербициды (то
лат. herba – трава), наркотики, алкоголь, никотин, некоторые лекарственные
вещества и многие другие.
Генетически активные факторы можно разделить на 3 категории:
физические, химические и биологические.
Физические факторы. К их числу относятся различные виды ионизирующей
радиации и ультрафиолетовое излучение. Исследование действия радиации на
мутационный процесс показало, что пороговая доза в этом случае отсутствует,
и даже самые небольшие дозы повышают вероятность возникновения мутаций в
популяции. Повышение частоты мутаций опасно не столько в индивидуальном
плане, сколько с точки зрения увеличения генетического груза популяции.
Например, облучение одного из супругов дозой в пределах удваивающей частоту
мутаций (1,0 – 1,5 Гй) незначительно повышает опасность иметь больного
ребёнка (с уровня 4 - 5% до уровня 5 – 6%). Если такую же дозу получит
население целого района, то число наследственных заболеваний в популяции
через поколение удвоится.
Химические факторы. Химизация сельского хозяйства и других областей
человеческой деятельности, развитие химической промышленности обусловили
синтез огромного потока веществ (в общей сумме от 3,5 до 4,3 млн.), в том
числе таких, которых в биосфере никогда не было за миллионы лет
предшествующей эволюции. Это означает прежде всего неразложимость и таким
образом длительное сохранение чужеродных веществ попадающих в окружающую
среду. То, что было принято первоначально за достижения в борьбе с вредными
насекомыми, в дальнейшем обернулось сложной проблемой. Широкое применение в
40 – 60-е годы инсектицида ДДТ, относящегося к классу хлорированных
углеводородов, привело к его распространению по всему земному шару вплоть
до льдов Антарктиды.
Большинство пестицидов обладает большой устойчивостью к химическому и
биологическому разложению и имеет высокий уровень токсичности.
Биологические факторы. Наряду с физическими и химическими мутагенами
генетической активностью обладают также некоторые факторы биологической
природы. Механизмы мутагенного эффекта этих факторов изучены наименее
подробно. В конце 30-х годов С, М. Гершензоном начаты исследования
мутагенеза у дрозофилы под действием экзогенной ДНК и вирусов. С тех пор
установлен мутагенный эффект многих вирусных инфекций и для человека.
Аберрации хромосом в соматических клетках вызывают вирусы оспы, кори,
ветряной оспы, эпидемического паротита, гриппа, гепатита и др.
6. Значение диагностики и лечение от наследственных болезней.
По мере развития медицины возможность выявления наследственных
заболеваний увеличивается. Этот фактор указывает на растущее значение
медицинской генетики и генетики человека. Меры, принятые при раннем
выявлении наследственных болезней, могут предотвратить их развитие.
Диетологические меры позволяют избежать патологических последствий,
например при галактоземии, фенилкетонурии и других наследственных болезнях
обмена.
При диагностике наследственных заболеваний Н. П. Бочков с сотрудниками
рекомендует руководствоваться следующим:
1. Применять клинико-генеалогический метод, который позволяет
обнаруживать «семейные» болезни.
2. Часто к наследственным относятся заболевания, повторяющиеся
хронически и длительно не поддающиеся лечению, особенно в детском
возрасте.
3. На возможную наследственную форму заболевания указывают редко
встречающиеся специфические симптомы.
4. То же относится к патологическим изменениям многих органов и
систем.
Для многих наследственных заболеваний стала возможна так называемая
пренатальная (т. е. до рождения) диагностика. Это метод амниоцентеза,
который заключается в получении с помощью шприца 10-15 мл амниотической
жидкости, в которой находятся клетки плода. Так определяют соотношение
метаболитов, отражающих нормальное или патологическое состояние плода.
Культивируемые эмбриональные клетки используют для определения числа
хромосом и выявления возможных хромосомных аномалий.
Методы лечения:
Первый метод – диетотерапия: исключение или добавление определённых
веществ в рацион. Примером могут служить диеты: при галактоземии, при
фенилкетонурии, при гликогенозах и т. д.
Второй метод – возмещение не синтезируемых в организме веществ, так
называемая заместительная терапия. При сахарном диабете используют инсулин.
Известны и другие примеры заместительной терапии: введение антигемофильного
глобулина при гемофилии, гамма-глобулина при иммунодефицитных состояниях и
др.
Третий метод – удаление токсических продуктов обмена из организма.
Характерным примером может служить выведение меди при гепатолентикулярной
дегенерации с помощью пеницилламина, сульфида калия и других препаратов.
Четвёртый метод – медиеометозное воздействие, основная задача которого
оказать влияние на механизмы синтеза ферментов. Например, назначение
барбитуратов при болезни Криглера – Найара способствует индукции синтеза
фермента глюкоронил-трансферазы. Витамин В6 активизирует фермент
цистатионинсинтетазу и обладает лечебным действием при гомоцистинурии.
Пятый метод – исключение из употребления лекарств, как, например,
барбитуратов при порфирии, сульфаниламидов при глюкозо-6-
фосфатдегидрогеназы.
Шестой метод – хирургическое лечение. Прежде всего это относится к
новым методам пластической и восстановительной хирургии (врождённые пороки
сердца и сосудов, расщепление губы и нёба, различные костные дефекты и
деформации).
Медико-генетичесое консультирование – это сложный процесс, требующий от
консультанта всесторонней подготовки по генетике и по теории вероятности,
так как он сталкивается с решением многих разнообразных генетических задач.
Кроме того, консультант должен иметь опыт в области клинической медицины и
хорошо знать наследственную патологию в связи с необходимостью уточнять
диагноз наследственного заболевания. Наконец, консультант должен быть
высокогуманен и принципиален в отношении позиций различных категорий
пациентов, так как в процессе консультирования возникает множество морально-
этических проблем.
6.Медико-генетическое консультирование в профилактике наследственных
заболеваний.
Медико-генетические консультации – один из видов специализированной
медицинской помощи, суть которой состоит в диагностике наследственных
заболеваний, в прогнозировании вероятности рождения больного ребёнка и
помощи семье в принятии решения о деторождении.
Основные задачи медико-генетического консультирования включают:
1. установление точного диагноза наследственного заболевания;
2. определение типа наследования заболевания в данной семье;
3. расчёт риска повторения болезни в семье;
4. определение наиболее эффективного способа профилактики;
5. объяснение обратившимся смысла собранной и проанализированной
информации, медико-генетического прогноза и методов профилактики.
В Костроме создана медико-генетическая консультация при центре
репродукции и планировании семьи (ул. Свердлова).
Здесь ведут приём специалисты: врач-генетик, врач-гинеколог, врач-
андролог, врач-психолог, есть там и лаборатория.
В медико-генетические консультации обращаются чаще всего молодые
супруги, в родословной которых были случаи рождения детей с разными
аномалиями. Врач-генетик на основе генеалогического метода попытается
установить, является ли названное заболевание наследственным. Далее он
определит тип наследования признака (если аномалия наследственна):
аутосомно-доминантный, аутосомно-рецессивный, сцеплённый с полом; или
характерный синдром при хромосомных изменениях в генотипе.
Затем врач рассчитает риск рождения ребёнка с аномалией. Степень риска
рождения наследственно отягощённого ребёнка считается низкой от 0 до 5%,
средней степени – до 12%, более 12% – высокой. При низкой степени риска
врач рекомендует рождение ребёнка, при высокой – рекомендует воздержаться
от деторождения.
При средней степени риска врач рекомендует женщине обратиться в медико-
генетическую консультацию после наступления беременности для постановки
диагноза плоду (метод пренатальной диагностики).
Методы ультрасонографии или ультразвукового скеннирования можно
обнаружить у развивающегося плода нарушения анатомического строения органов
и общих пропорций тела. Этим методом выявляют пороки развития опорно-
двигательной системы. Раннее выявление таких аномалий как: мозговая грыжа,
гидроцеоралия даёт возможность произвести аборт по медицинским показаниям и
предотвратить рождение явно неполноценного ребёнка.
Внутриутробная диагностика возможна так же и с использованием метода
амниоцентеза. С помощью шприца из матки производят забор небольшого
количества аминотической жидкости вместе с живыми клетками плода, которые
всегда в ней присутствуют. После культивирования этих клеток на
искусственных питательных средах в них можно изучить кариотип и выявлять
хромосомные и геномные мутации, определять пол плода, что важно для
прогноза в отношении сцеплённого с полом наследования. Если обнаружится
тяжёлая патология, врач рекомендует искусственное прерывание беременности.
Грегор Мендель (1822-
Альбинос.
Хромосомы.
Хромосомы
Тест на дальтонизм
ЛИТЕРАТУРА
1. Ауэрбах Ш. Наследственность. – М., 1969.
2. Бадалян Л.О. Наследственные болезни у детей. - М., 1971.
3. Большая советская энциклопедия. Т. 7.- М., 1972.
4. Бочков Н.П. Генетика и медицина. – М., 1979.
5. Бочков Н.П. Генетика человека (Наследственность и
патология). – М., 1978
6. Дубинин Н.П. Генетика и человек. – М., 1978.
7. Инге-Вечтомов С.Г. Генетика с основами селекции. – М., 1989.
8. Карузина И.П. Учебное пособие по основам генетики. – М.,
1980.
9. Киселёва З.С. Генетика. – М., 1983.
10. Козлова С.И. наследственные синдромы и медико-генетическое
консультирование. – М., 1996.
11. Мюнтцинг А. Генетика. – М., 1967.
12. Полканов Ф.М. Мы и её величество ДНК. – М., 1968.
13. Фролов И.Т. Мендель, менделизм и диалектика. – М., 1972.
14. Шевцов И.А. Популярно о генетике. – Киев, 1989.
15. Encarta ’95. Компакт диск.
16. Encyclopaedia Britannica CD ’99 Компакт диск.
-----------------------
[pic]
[pic]
[pic]
[pic]
Реферат на тему: Настоящее и будущее биосенсоров
МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ
ТВЕРСКОЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ
Факультет химико-биолого-географический
Кафедра неорганической и аналитической химии
Курсовая работа
“Настоящее и будущее биосенсоров”
| |Выполнил: |студент Х-Б-Г факультета |
| |Курс: |2 |
|Проверил: |Группа: |26(2) |
|«_____»______________2002г. |Фамилия: |Лапшин С.В. |
Тверь - 2002г.
Содержание
Введение 3
Что такое биосенсор 3
Как работает биосенсор 5
Где применяют биосенсоры 6
Биосенсоры на основе других биоматериалов 7
Проблемы и перспективы развития 9
Литература 11
Введение
Биологические методы позволяют судить о присутствии какого-либо
вещества или его количественном содержании по характеру и величине его
воздействия на определенный организм, взятый как индикаторный.
Аналитическим сигналом при этом является изменение состояния
жизнедеятельности этого организма, то есть его реакция на раздражитель,
которым, например, могут быть токсиканты среды обитания или какие-либо
другие биологически активные соединения, вызывающие нарушение жизненных
функций индикаторного организма или его гибель. К биологическим методам
относят и биохимические методы, в частности ферментативные, а также
различные методики, например индикаторные трубки на основе ферментов и
других биологических материалов. Интересно, что механизм получения
информации о составе какого-либо объекта с помощью этих методов и устройств
моделирует процесс в живой природе, что особенно важно при анализе объектов
биологического происхождения.
Известно, что ферменты - это биологические катализаторы, обладающие
ярко выраженной способностью избирательно катализировать многие химические
превращения как в живой клетке, так и вне организма. Замечательные свойства
ферментов давно привлекали внимание исследователей, в том числе и
аналитиков, но практическому применению ферментов, например для
аналитических целей, препятствовали прежде всего малая доступность чистых
ферментов, неустойчивость во времени их растворов, препаратов при хранении
и воздействии на них различных факторов (тепловых, химических),
невозможность многократного использования одной порции фермента из-за
сложности отделения его от других компонентов раствора, высокая стоимость
очищенных препаратов. Однако выход из положения вскоре был найден, и
появилась возможность использования каталитических свойств ферментов вне их
связи с живым организмом и возможность сохранения этой способности в
течение длительного времени практически без изменения. Достижения в этой
области биохимии и энзимологии дали начало развитию нового направления
аналитической химии - безреагентных методов анализа, основанных на
использовании различных биохимических сенсоров.
Что такое биосенсор
Под термином "биосенсор" следует понимать устройство, в котором
чувствительный слой, содержащий биологический материал: ферменты, ткани,
бактерии, дрожжи, антигены / антитела, липосомы, органеллы, рецепторы, ДНК,
непосредственно реагирующий на присутствие определяемого компонента,
генерирует сигнал, функционально связанный с концентрацией этого
компонента. Конструктивно биосенсор представляет собой комбинированное
устройство, состоящее из двух преобразователей, или трансдьюсеров, -
биохимического и физического, находящихся в тесном контакте друг с другом.
Биохимический преобразователь, или биотрансдьюсер, выполняет функцию
биологического элемента распознавания, преобразуя определяемый компонент, а
точнее, информацию о химических связях в физическое или химическое свойство
или сигнал, а физический преобразователь это свойство фиксирует с помощью
специальной аппаратуры. В данном случае реализуется принципиально новый
способ получения информации о химическом составе раствора. Наличие в
устройстве биоматериала с уникальными свойствами позволяет с высокой
селективностью определять нужные соединения в сложной по составу смеси, не
прибегая ни к каким дополнительным операциям, связанным с использованием
других реагентов, концентрированием и т. д. (отсюда и название -
безреагентные методы анализа).
Существует большое разнообразие физических трансдьюсеров:
электрохимические, спектроскопические, термические, пьезоэлектрические,
трансдьюсеры на поверхностных акустических волнах и т.п. В настоящее время
наибольшее распространение получили электрохимические преобразователи. Одни
из них генерируют потенциал на специальном электроде, на поверхность
которого нанесен слой биоматериала, другие генерируют электрический ток
реакции продукта превращения определяемого вещества на поверхности
электрода, вызванного биоматериалом. Другими словами, существуют потенцио-
и амперометрические биосенсоры. Если физический преобразователь использует
изменение светопоглощения в области биослоя, то такой биосенсор называется,
например, оптоволоконным, поскольку измеряемый сигнал будет передаваться
измерительному прибору по оптическому волокну. Соответствующий физический
преобразователь по аналогии с электродом называют оптродом. По названию
преобразователя можно сделать вывод о характере физического свойства,
которое измеряется аппаратно, причем, как правило, при таком измерении
используется микропроцессорная техника, позволяющая сделать устройство
достаточно компактным.
Первое упоминание об аналитических устройствах на основе ферментов или
ферментсодержащих материалов появилось сравнительно недавно, в 60-х годах
нашего столетия. Затем в обиход вошло понятие "биосенсор" или "биочип". Это
важное событие в науке. Здесь отражаются глубокие причины, связанные с так
называемыми интеграционно-синтетическими процессами в науке, приводящими к
появлению новых знаний. Функционально, таким образом, биосенсоры
сопоставлены с датчиками живого организма - биорецепторами, способными
преобразовывать все типы сигналов, поступающих из окружающей среды, в
электрические.
Как работает биосенсор
Принцип работы биосенсора достаточно прост. Определяемое вещество
диффундирует через полупроницаемую мембрану в тонкий слой биокатализатора,
в котором и протекает ферментативная реакция. Поскольку в данном случае
продукт ферментативной реакции определяется с помощью электрода, на
поверхности которого закреплен фермент, то такое устройство еще называют
ферментным электродом. Таким образом, определения "биосенсор" и "ферментный
электрод" в данном случае синонимы.
Следует отметить, что характер ферментативной реакции зависит от
природы фермента, типа его каталитического действия. Среди ферментов можно
выделить оксидоредуктазы, осуществляющие реакции окисления и
восстановления, гидролазы, катализирующие гидролиз, трансферазы, вызывающие
перенос ацильных, гликозидных и т.п. остатков и т.д. Многие ферменты сейчас
доступны, их чистые препараты включены в каталоги ряда фирм-производителей.
Важно отметить, что при конструировании биосенсора увеличение
продолжительности действия фермента становится основной задачей. Дело в
том, что нативный фермент сохраняет свои свойства лишь в течение
относительно короткого времени. Поэтому была разработана операция так
называемой иммобилизации фермента. В ходе иммобилизации с помощью
специальных реагентов фермент "закрепляют" либо на поверхности адсорбентов,
например силикагеля, угля или целлюлозы, либо вводят в пленку пористого
полимера, либо ковалентно, то есть с помощью химических связей, "пришивают"
к какой-либо подложке. При этом фермент закрепляется, перестает быть
подвижным, не вымывается из биослоя, а его каталитическое действие
сохраняется.. Как видно, при иммобилизации ферментов используют
разнообразные способы их закрепления, в том числе и комбинированные.
Биосенсоры могут быть сконструированы и по так называемой объемной
технологии, при которой индивидуальные компоненты, составляют как бы единый
физический ансамбль. Хотя такие биосенсоры в настоящее время и применяются
на практике, они имеют недостатки, есть трудности и при их изготовлении. В
самом деле, послойное покрытие электрода или какого-либо твердого
преобразователя мембраной должно быть воспроизводимо. Соответствующая
технология формирования поверхности должна допускать возможность
изготовления достаточно миниатюрного электрода. Кроме того, биосенсоры со
сравнительно толстыми мембранами дают в итоге большее время отклика,
имеются сложности и при их градуировке. Успехи в области развития средств
микроэлектроники подтолкнули разработчиков конструкций биосенсоров к новым
решениям. Оказалось перспективным использовать так называемую планарную
технологию (фотолитографию, полупроводниковую технику покрытий и т. д.), по
которой можно изготовить так называемый биочип, объединяющий сенсорную
систему, трансдьюсер, аналого-цифровой преобразователь и микропроцессор для
измерения аналитического сигнала и расчета результатов анализа. Хотя такие
биочипы могут тиражироваться, основной проблемой в данном случае будет
являться воспроизводимость состояния, то есть микроструктуры поверхности с
нанесенным слоем биологически активного фермента. Трудной задачей
представляется в данном случае и оптимизация такой структуры в отличие от
объемной технологии, реализованной присутствием в конструкции сенсорной
части нескольких молекулярных слоев. Тем не менее "молекулярный дизайн" при
конструировании биосенсоров будущего может составить реальную конкуренцию
объемному их варианту.
Где применяют биосенсоры
По-видимому, самым распространенным в настоящее время является
амперометрический биосенсор на основе иммобилизованной глюкозоксидазы для
определения сахара в крови. Исторически этот биосенсор является самым
"древним". В настоящее время для определения глюкозы создано наибольшее
число различных биосенсоров, что связано с необходимостью контроля за
содержанием сахара в биологических жидкостях, например в крови, при
диагностировании и лечении некоторых заболеваний, прежде всего диабета.
Схема функционирования биосенсора на глюкозу в принципе типична и для
других амперометрических биосенсоров с аналогичным трансдьюсером. Ток
восстановления кислорода на платиновом катоде прямо пропорционален
концентрации кислорода. В присутствии субстрата (например, глюкозы в крови,
взятой для анализа) ферментативная реакция понижает концентрацию O2.Таким
образом, ток восстановления кислорода уменьшается пропорционально
концентрации субстрата
Преимущество данного типа биосенсора состоит прежде всего в его
высокой селективности. Избирательность подобных биосенсоров определяется
высокой специфичностью глюкозоксидазы и природой электрохимической реакции,
в которой участвуют компоненты ферментативного процесса. В целом класс
ферментов - оксидаз является высокоспецифичным по отношению к определяемым
субстратам. Системы же на основе небиологического преобразователя,
напротив, не столь селективны, как этого бы хотелось, что обусловлено рядом
причин. Тем не менее имеются ограничения и по применению данной конструкции
биосенсора, обусловленные влиянием кислорода и других посторонних веществ,
способных проникать через биослой (точнее, через мембрану), а потому задача
совершенствования конструкций биосенсоров на глюкозу представляется весьма
актуальной.
Один из возможных путей такого усовершенствования заключается в
следующем. Если изменить полярность включения электрода-трансдьюсера в
глюкозном биосенсоре на противоположную, то есть платиновый катод сделать
анодом, то при потенциале +0,6В он становится совершенно нечувствительным
к кислороду, но зато дает отклик на пероксид водорода, который при данном
значении потенциала окисляется до воды. Чувствительность такого электрода к
пероксиду водорода оказалась привлекательной, а поскольку вода образуется
как продукт ферментативной реакции, по его содержанию можно сделать вывод о
концентрации, например глюкозы в различных объектах. Другой способ
улучшения селективности биосенсоров и устранения помех от посторонних
примесей состоит в использовании различных мембран - пленок,
предотвращающих их попадание непосредственно на электрод-преобразователь.
При этом внутренняя мембрана выполняет функцию защиты от примесей, а
внешняя мембрана пропускает субстрат в биослой. Однако необходимо отметить,
что с помощью специальных приемов, называемых химической модификацией,
можно до такой степени изменить свойства поверхности электрода, что он
будет "глухим" к большинству примесей и, напротив, чувствительным к
компонентам ферментативной реакции.
Биосенсоры, основанные на кислородном электроде как физическом
трансдьюсере, позволяют определять разнообразные субстраты ферментов: кроме
глюкозы - лактаты, L-аминокислоты, салицилаты, оксалаты, пируваты, то есть
анионы соответствующих карбоновых кислот. В литературе описаны другие
биосенсоры подобного типа, ряд которых применяется на практике.
С помощью биосенсоров можно решить и обратную задачу: при некоторой
определенной концентрации субстрата оценивать активность собственно
фермента по величине измеряемого сигнала ( потенциала, тока и т. д.). Из
описания работы фермента следует, что измеряемый сигнал зависит не только
от концентрации субстрата, но и от каталитической активности биологического
преобразователя, то есть фермента. Такое использование биосенсоров
позволяет измерить активность большого числа ферментов, например в крови.
Оценка активности ферментов, связанных с сердечной деятельностью, таких,
как аспартамаминотрансфераза, креатинкиназа, позволяет в клинических
условиях оценивать глубину инфаркта миокарда. Измерения активности фермента
амилазы используются в педиатрии.
Биосенсоры на основе других биоматериалов
Многие ферменты дороги и быстро теряют свою активность, использование
выполненных на их основе биосенсоров не может быть экономически
целесообразным. Поэтому применение бактерий, микроорганизмов и
биологических тканей различного происхождения более предпочтительно,
поскольку в данном случае отпадает необходимость в предварительном
получении и очистке ферментов. К существенным недостаткам таких биосенсоров
можно отнести низкую селективность определения вследствие того, что клетки
живых организмов фактически являются источником самых разнообразных
ферментов. Помимо этого время отклика биосенсоров на основе тканей и
микроорганизмов может быть достаточно большим, что также уменьшает их
практическую ценность. Тем не менее в последнее время наблюдается
повышенный интерес к разработке конструкций электродов, содержащих не сами
ферменты в очищенном виде, а их первозданные источники - биологические
материалы. Так, было установлено, что тканевые срезы в биосенсорах могут
выполнять функцию источников каталитической активности. Например, создан
биосенсор на аскорбиновую кислоту, состоящий из платинового электрода и
пластины кожуры огурца или тыквы, служащей источником аскорбиноксидазы.
Активность фермента в такой природной матрице достаточна для проведения 50-
80 определений аскорбиновой кислоты в различных объектах. Установлено, что
пластины биоматериала могут храниться без потери активности в течение года
в 50%-ном глицерине.
Аналогичный подход использовали при создании конструкции биосенсора на
допамин - важнейший биогенный амин, участвующий в регуляции деятельности
мозга. В данном биосенсоре ткань плода банана была иммобилизована на
поверхности кислородного электрода. В рассмотренных случаях биоматериалы
создают "естественное окружение" для ферментов, способствующее стабилизации
их активности. Тканевые материалы достаточно долго сохраняют высокую
специфичность, что очень важно для биосенсора, тогда как выделенные
ферменты в тех же условиях быстро разрушаются. Известны биосенсоры, в
которых использован цельный фрагмент ткани печени быка, являющийся
носителем фермента каталазы и иммобилизованный на кислородном электроде.
Ферментативное действие каталазы, проявляющееся в катализе реакции
разложения пероксида водорода, используют в этом случае для создания
соответствующего электрода. Разработан биосенсор на основе кожуры кабачка
или огурца и кислородного электрода для определения L-аскорбиновой кислоты
во фруктовых соках, функционирующий подобно аналогичному типу электрода,
уже рассмотренного выше. Тем не менее, несмотря на успехи в развитии
биосенсоров на основе биологических материалов, надежность их
функционирования все еще остается спорной. Еще один пример конструкции
биосенсорного устройства относится к ферментному электроду на основе
микроорганизмов - дрожжей, помещаемых между двумя пористыми мембранами.
Биосенсор на основе иммобилизованных дрожжей и кислородного электрода
позволяет определять этанол и метанол, например в промышленных стоках.
Интерес представляют биосенсоры на основе иммобилизованных на мембране
микроорганизмов, служащих элементом так называемого микробного сенсора. В
качестве примера таких устройств можно упомянуть амперометрический сенсор
на аммиак (в сточных водах) на основе иммобилизованных нитрифицирующих
бактерий и кислородного электрода. Такой биосенсор полезен при решении
вопросов охраны окружающей среды, и в частности при контроле степени
очистки промышленных стоков.
Можно отметить также использование биосенсоров на основе гидролаз -
ферментов, являющихся катализаторами гидролитического расщепления
субстратов. Эти биосенсоры предназначаются, как правило, для эколого-
аналитического контроля остаточных количеств пестицидов класса
фосфорорганических соединений, а также для определения некоторых ОВ. Если
при гидролизе какого-либо субстрата ферментом класса гидролаз образуется
электрохимически активное соединение, то, контролируя содержание
последнего, можно контролировать ферментативную реакцию так же, как в
предыдущих случаях. Однако в присутствии веществ, являющихся ингибиторами,
активность фермента уменьшается, что и обнаруживается по сигналу,
регистрируемому электродом. Интересно отметить высокую чувствительность
такого определения: эффект изменения активности фермента доступен для
измерения уже при действии ультраследовых количеств ингибитора - на уровне
пик | |
