Биохимический метод исследования. Биохимический метод исследования Выделяют два основных типа близнецов
23.Биохимический метод, его сущность, возможности применения при медико-генетическом консультировании.
Биохимические методы.
Эти методы используются для диагностики болезней обмена веществ, причиной которых является изменение активности определенных ферментов. С помощью биохимических методов открыто около 500 молекулярных болезней, являющихся следствием проявления мутантных генов. При различных типах заболеваний удается либо определить сам аномальный белок-фермент, либо промежуточные продукты обмена. Эти методы отличаются большой трудоемкостью, требуют специального оборудования и потому не могут быть широко использованы для массовых популяционных исследований с целью раннего выявления больных с наследственной патологией обмена.
В последние два десятилетия в разных странах разрабатываются и применяются для массовых исследований специальные программы.
Первый этап такой программы состоит в том, чтобы среди большого количества обследуемых выделит предположительно больных, имеющих, какое-то наследственное отклонение от нормы. Такая программа называется просеивающей, или скриннинг-программой (англ. screening - просеивание). Для этого этапа обычно используется небольшое количество простых, доступных методик (экспресс-методов). Экспресс-методы основаны на простых качественных реакциях выявления продуктов обмена в моче, крови.
На втором этапе проводится уточнение (подтверждение диагноза или отклонение при ложно-положительной реакции на первом этапе). Для этого используются точные хроматографические методы определения ферментов, аминокислот и т. п.
Применяют также микробиологические тесты, они основаны на том, что некоторые штаммы бактерий могут расти только в средах, содержащих определенные аминокислоты, углеводы. Удалось получить штаммы по веществам, являющимся субстратамиили промежуточными метаболитами у больных при нарушении обмена. Если в крови или моче есть требуемое для роста вещество, то в чашке Петри вокруг фильтровальной бумаги, пропитанной одной из этих жидкостей, наблюдается активное размножение микробов, чего не бывает в случае анализа у здорового человека. Разрабатываются различные варианты микробиологических методов.
Биохимические, иммунологические и другие параклинические методы не являются специфичными для генетической консультации, но применяются так же широко, как и при диагностике ненаследственных болезней. При наследственных болезнях часто возникает необходимость применять те же тесты не только у пациента, но и других членов семьи (составление биохимической или иммунологической "родословной")
24.Близнецовость у человека, критерии определения идентичности близнецов. Близнецовый метод в генетическом анализе.
Близнецы- дети одной матери, резвившиеся в течение одной беременности и появившиеся на свет в результате одних родов практически одновременно. Близнецы могут быть как однополые, так и разнополые.
Выделяют два основных типа близнецов:
монозиготные (гомозиготные);
дизиготные (гетерозиготные).
Монозиготные (однояйцовые, гомозиготные или идентичные) близнецы образуются из одной зиготы (одной яйцеклетки, оплодотворенной одним сперматозоидом), разделившейся на стадии дробления на две (или более) части. Они обладают одинаковыми генотипами. Монозиготные идентичные близнецы всегда одного пола и обладают очень большим портретным сходством.
Дизиготные близнецы развиваются в том случае, если две яйцеклетки оплодотворены двумя сперматозоидами. Естественно, дизиготные близнецы имеют различные генотипы. Они сходны между собой не более, чем братья и сестры, так как имеют около 50 % идентичных генов.
Общая частота рождения близнецов составляет примерно 1 %, из них около 1/3 приходится на монозиготных близнецов.
Для подтверждения монозиготности близнецов, используют ряд подходов:
сравнение по многим, главным образом, морфологическим признакам - пигментация глаз, волос и кожи, особенности волосяного покрова на голове и теле, а также форма волос, форма ушей, носа, губ и ногтей, пальцевые узоры (полисимптомный подход);
сравнение по эритроцитарным антигенам – группы крови АВО, резус, MN и др., по белкам и сыворотки крови: все перечисленные маркеры относятсяк категории моногенных менделирующих признаков, а контролирующие их гены отличаются узкой нормой реакции (иммунологический подход);
сравнение данных ЭКГ и ЭГ- электрокардиографии и энцефалограмм - близнецов (клинико-функциональный метод);
трансплантационный тест, заключающийся в перекрестной пересадке кожи у близнецов (вариант иммунологического подхода, успешная перекрестная пересадка – наиболее достоверный критерий монозиготности).
Близнецовый метод используется для выяснения наследственной обусловленности признаков и хорошо демонстрирует взаимоотношения между генотипом и внешней средой. С помощью этого метода удалось оценить значимость генетической предрасположенности к многим заболеваниям, пенетрантность, экспрессивность и условия проявления тех или иных видов патологии. Близнецовые данные оказываются полезными для количественной оценки степени генетической детерминированности отдельных признаков, в связи с чем, близнецовый метод можно считать одним из важных методов количественной генетики.
Таким образом, близнецовый метод позволяет количественно оценить вклад наследственности (генотипа) и вклад окружающей среды в развитие изучаемого признака (болезни).
Близнецовый метод включает следующие этапы:
Этап 1. Подбор пар монозиготных и дизиготных близнецов.
Подбирают по 100 пар близнецов, у которых хотя бы у одного из двух близнецов имеется изучаемый признак
Этап 2. Вычисление степени сходства внутри каждой группы близнецов.
Определяются отдельно для каждой группы
Конкордантность(К) – наличие признака одновременно у обоих близнецов.
Дискордантность(Д) – наличие признака только у одного близнеца из пары.
Коэффициент наследуемости H
Мз- монозиготные
Дз- дизиготные
Формула Хольцингера
Н- коэффициент наследуемости
Е- доля среды в формировании изучаемого признака
Этап 3 Вычисление доли генотипа и доли среды в развитии изучаемого признака
Если НЕ преобладает влияние наследственности
Если НЕ определяющим фактором является средовой.
Причиной многих врожденных нарушений метаболизма являются различные дефекты ферментов, возникающие вследствие изменяющих их структуру мутаций.Биохимические показатели более точно отражают сущность болезни по сравнению с показателями клиническими, поэтому их значение в диагностике наследственных болезней постоянно возрастает. Использование современных биохимических методов позволяют определять любые метаболиты, специфические для конкретной наследственной болезни.
Предметом современной биохимической диагностики являются специфические метаболиты, энзимопатии, различные белки. Объектами биохимического анализа могут служить моча, пот, плазма и сыворотка крови.
Для биохимической диагностики используются как простые качественные реакции, так и более точные методы. Например, с помощью тонкослойной хроматографии мочи и крови можно диагностировать нарушение обмена аминокислот, олигосахаридов, мукополисахаридов. Газовая хроматография применяется для выявления нарушений обмена органических кислот.
Биохимические методы применяются и для диагностики гетерозиготных состояний у взрослых. Известно, что среди здоровых людей всегда имеется большое число носителей патологического гена. Хотя такие люди внешне здоровы, вероятность появления заболевания у их ребенка всегда существует. В связи с этим, выявление гетерозиготного носительства – важная задача медицинской генетики.
Если в брак вступают гетерозиготные носители какого-либо заболевания, то риск рождения больного ребенка в такой семье составит 25%.Шансы на встречу двух носителей одинакового патологического гена выше, если в брак вступают родственники, т.е. они могут унаследовать один и тот же рецессивный ген от своего общего предка.
Выявление гетерозиготных носителей того или иного заболевания возможно путем использования биохимических тестов, микроскопического исследования клеток крови и тканей, определения; активности фермента, измененного в результате мутации.
Известно, что заболевания, в основе которых лежит нарушение обмена веществ, составляют значительную часть наследственной патологии. Так, гетерозиготные носители фенилкетонурин реагируют на введение фенилаланина более сильным повышением содержания аминокислоты в плазме, чем нормальные гомозиготы.
Биохимический метод широко применяется в медико-генетическом консультировании для определения риска рождения больного ребенка. Успехи в области биохимической генетики способствуют более широкому внедрению диагностики гетерозиготного носительства в практику. Еще недавно можно было диагностировать не более 10-15 гетерозиготных состояний, в настоящее время – более200. Однако следует отметить, что до сих пор имеется немало наследственных заболеваний, для которых методы гетерозиготной диагностики еще не разработаны.
Биохимический метод - основной метод в биохимии из основных методов диагностики различных заболеваний, которые вызывают нарушение обмена веществ. Именно об этом методе анализа и пойдет речь в данной статье.
Объекты диагностики
Объектами диагностики биохимического анализа являются:
- кровь;
- моча;
- пот и другие биологические жидкости;
- ткани;
- клетки.
Биохимический метод исследования позволяет определять активность ферментов, содержание продуктов метаболизма в различных биологических жидкостях, а также выявлять нарушения в обмене веществ, которые обусловлены наследственным фактором.
История
Открыт биохимический метод английским врачом А. Гарродом в начале ХХ века. Он изучал алкаптонурию, и в ходе изучения им было установлено, что врожденный метаболизм или заболевание обмена веществ можно определить по признаку отсутствия специфических ферментов.
Различные наследственные заболевания обуславливаются мутациями в генах, которые изменяют структуру и скорость синтеза белков в организме. При этом нарушается углеводный, белковый и липидный обмен.
Основное
В целях клинической диагностики изучается химсостав биологических материалов и тканей, так как при патологии могут проявиться изменения концентрации, отсутствие компонентов или наоборот появление какого-либо другого компонента. По определяют количество определенных веществ, гормональный баланс, ферменты.
Исследуются молекулы, белки, нуклеиновые кислоты и другие вещества, которые входят в состав живого организма.
Результаты
Результат биохимического метода исследования может быть разделен на качественный (обнаружен или не обнаружен) и количественный (каково содержание того или иного вещества в биоматериале).
В качественном методе исследования используются свойства, характерные для используемого вещества, которые проявляются при определенных химических воздействиях (при нагревании, при прибавлении реагентов).
Прямой определяется на основе этого же принципа, но сначала определяют обнаружение какого-либо вещества, а затем уже измеряют его концентрацию.
Гормоны, медиаторы содержатся в организме в очень малых количествах, поэтому их содержание измеряют при помощи биологических тест-объектов (например, отдельного органа или целого экспериментального животного). Этим повышается чувствительность и специфичность исследований.
Историческая эволюция
Биохимический метод совершенствуется, чтобы получать наиболее точный результат и информацию о состоянии обменных процессов в организме, процессов обмена веществ в определенных органах и клетках. В последнее время биологические методы диагностики сочетают с другими методами исследований, такими как иммунные, гистологические, цитологические и другие. Для использования более сложного метода или методов обычно используют специальное оборудование.
Существует другое направление биохимического метода, которое не вызывается запросом клинической диагностики. С помощью разработки и применения быстрого и максимально упрощенного метода, который может позволить за несколько минут определить оценку нужных биохимических показателей.
В наше время лаборатории оснащены новейшим усовершенствованным оборудованием и механическими и автоматическими системами и приборами (анализаторами), которые позволяют быстро и точно определить нужный показатель.
Биохимический метод изучения: способы
Измерение какого-либо вещества в биологических жидкостях и их определение осуществляется разными многочисленными способами. Например, определить такой показатель как холестеринэстераза, можно сотнями вариантов методов биохимического исследования. Выбор конкретной методики во многом зависит от характера исследуемых биологических жидкостей.
Биохимический метод исследования используется для определения одного вещества или показателя как однократно, так и в динамике. Этот показатель проверяют при определенном времени суток, под определенной нагрузкой, в процессе заболевания, при приеме каких-либо препаратов.
Особенности метода
Особенности биохимического метода:
- минимальное количество используемого биоматериала;
- скорость выполнения анализа;
- возможное многократное применение данного метода;
- точность;
- биохимический метод можно использовать в процессе болезни;
- прием препаратов не влияет на результат исследования.
Биохимические методы генетики
В генетике чаще всего используется цитогенетический метод исследования. Он позволяет подробно изучить хромосомные структуры и их кариотип. С помощью данного метода можно выявить наследственные и моногенные заболевания, которые связаны с мутациями и полиморфизмами генов и их структур.
Биохимический метод генетики сейчас широко используется для того, чтобы находить новые формы мутантных аллелей в ДНК. При помощи данного метода было выявлено и описано больше 1000 вариантов заболеваний обмена веществ. Большинство описанных заболеваний - это болезни, которые связаны с дефектами ферментов и других структурных белков.
Диагностика нарушений обменных процессов биохимическими методами проводится двумя этапами.
Первый этап:
- проводится отбор предположительных случаев заболевания.
Второй этап:
- уточняется диагноз заболевания более точной и сложной методикой.
Новорожденным детям в пренатальный период при помощи биохимического метода исследования проводится диагностика наследственных заболеваний, что позволяет своевременно обнаружить патологию и вовремя начинать лечение.
Виды метода
Биохимический метод генетики может иметь множество видов. Все они делятся на две группы:
- Биохимические методы, в основе которых лежит выявление определенных биохимических продуктов. Это обусловлено изменениями действий различных аллелей.
- Метод, который основывается на том, чтобы непосредственно выявить измененные нуклеиновые кислоты и белки при помощи гель-электрофореза в сочетании с другими методиками, такими как блот-гибридизация, авторадиография.
Биохимический метод помогает выявить гетерозиготные носители различных заболеваний. в человеческом организме ведут к появлению аллелей и к хромосомным перестройкам, которые плохо влияют на здоровье человека.
Также биохимические методы диагностики позволяют выявить различные полиморфизмы и мутации генов. Усовершенствование биохимического метода и биохимической диагностики в наше время помогает выявить и подтвердить большое количество различных нарушений обменных процессов организма.
В статье был рассмотрен биохимический метод анализа.
Биохимический метод
Биохимические методы исследования применяют при подозрении на врожденные дефекты обмена. Они достаточно сложные и дорогостоящие, поэтому исследование проводится в два этапа. На первом этапе используют более дешевые и быстрые исследования. Это так называемые скринирующие (просеивающие) экспресс-методы, позволяющие обследовать большие группы населения. Сюда относится, например, микробиологический тест Гатри для обследования всех новорожденных на фенилкетонурию. Экспресс - методом диагностики фенилкетонурии можно считать также тест Феллинга. Таким тестом на галактоземию и фруктоземию является проба Бенедикта. Для проведения подобных тестов используют кровь и мочу.
На втором этапе диагностики пользуются более сложными методами биохимии и молекулярной биологии: методами фракционирования и количественного анализа, жидкостной и газовой хроматографией, иммунохимическими методами, изучают электрофоретическую подвижность белков. Возможно прямое измерение ферментативной активности. Применяются исследования мутантных белков с помощью меченых субстратов.
Популяционно-генетический метод
Данные, полученные при клинико-генеалогическом и близнецовом методах исследования, сравниваются с данными о частоте встречаемости признака (заболевания) в общей популяции. Частота того или иного гена в конкретной популяции определяет и особенности накопления больных в семьях.
Изучение генетической структуры популяции является необходимым этапом изучения распределения наследственных болезней в семьях.
Под популяцией в генетике понимается часть населения, занимающая одну территорию на протяжении многих поколений и свободно вступающая в брак между собой. В этой группе выполняется условие панмиксии, и нет изоляционных барьеров, препятствующих свободным бракам. В такой популяции соотношение частот доминантных и рецессивных аллелей при достаточно большом размере популяции сохраняется в ряду поколений без изменений. Закон генетической стабильности выражается формулой Харди-Вайнберга:
р 2АА: 2pqAa: q2aa, или (р + q)2 =1, тогда (p+q)=1,
т.е. частоты доминантного А и рецессивного гена а в сумме составляют единицу и являются постоянной величиной, а соотношение доминантных гомозигот, гетерозигот и рецессивных гомозигот определяется как квадрат встречаемости доминантного аллеля, произведение доминантного и рецессивного аллелей и квадрат встречаемости рецессивного аллеля соответственно.
Популяций, полностью отвечающих требованиям идеальной генетической стабильности по Харди - Вайнбергу, в природе не существует, т.к. для выполнения выше указанных условий должны отсутствовать мутационный процесс, естественный отбор и миграция. Однако как рабочая формула закон Харди - Вайнберга с успехом используется в популяционно-генетических исследованиях, ибо в больших популяциях перечисленные процессы протекают достаточно медленно (в отсутствие войн и гуманитарных катастроф) и не вызывают сколько-нибудь значительных изменений соотношения частот аллелей.
Популяционно-генетический метод позволяет установить частоты генов болезней в популяции и частоту гетерозиготного носительства. Встречаемость гетерозиготного носительства при некоторых врожденных нарушениях обмена с аутосомно-рецессивным типом наследования показана в табл. 3.
Таблuца 3.Встречаемость гетерозиготного носительства
По распространенности частот генов и связанных с ними фенотипов можно судить об адаптивной ценности отдельных генотипов.
Благодаря бракам внутри отдельных популяций определенные гены могут ограничиваться пределами конкретных популяций либо распределяться неравномерно между различными популяциями. Если вступление в брак для любых членов популяции равновероятно, то такая популяция называется панмиксной. Если имеются препятствия (этнические, социальные, религиозные), то группы населения, различающиеся по этим параметрам, могут образовывать изоляты внутри популяции. Неизбирательные по указанным признакам браки (аутбридинг) предполагают случайный подбор супругов. Отклонения от панмиксии возникают, когда браки ассортативны, т.е. супруги подбираются по какому-либо признаку, например, по общим дефектам сенсорной сферы, опорно-двигательного аппарата или по психическому недоразвитию.
В наше время браки между индивидами, страдающими нарушениями слуха или зрения, являются скорее правилом, чем исключением. Отклонения от панмиксии происходят и тогда, когда в брак вступают родственники. Такой брак называется кровнородственным (инбридинг). Близкородственные браки между родственниками 1 степени родства (между родителями и детьми и родными братьями и сестрами) называются инцестными. Примеры таких браков можно привести лишь из истории. Так, царица Египта Клеопатра родилась от инцестного брака и состояла в браках с родными братьями. Это было связано со стремлением сохранить свою "голубую" кровь. В настоящее время такие браки повсеместно, запрещены. Запрет связан с повышенным риском выявления рецессивной и полигенной патологии. Браки между родственниками П степени родства (дядя - племянница, тетя племянник) распространены, в частности, в арабских странах, что обусловлено экономическими соображениями. В России частота кровнородственных браков не превышает 1 % и в основном в такой брак вступают двоюродные сибсы либо родственники более отдаленных степеней родства. Таким образом, степень родства между индивидуумами в различных популяциях неодинакова. Для ее оценки пользуются коэффициентом инбридинга F (Райт, 1885), определяющим вероятность идентичности по происхождению двух любых аллелей данного локуса. Например, нужно установить вероятность того, что у супругов - дяди и племянницы имеется по одному рецессивному гену фенилкетонурии, полученному от общего предка. Таким общим предком для них является бабушка или дедушка племянницы. Вероятность того, что бабушка (дедушка) передали свой ген (ФКУ) одному из своих детей, составляет 1/2. Вероятность того, что оба ребенка бабушки (дедушки) получили этот ген, составляет 1/2 х 1/2 = 1/4. Вероятность двух независимых событий равна произведению их вероятностей. Вероятность того, что один из детей бабушки передал этот ген своему ребенку, составляет также 1/2. Следовательно, коэффициент инбридинга составит 1/4 х 1/2 = 1/8. Рассуждая так, можно рассчитать, что коэффициент инбридинга для браков двоюродных сибсов составит 1/16, троюродных - 1/32, четвероюродных -1/64.
В небольших популяциях в связи с ограниченностью выбора нарастает инбредность, возникает явление "инбредной депрессии": число гетерозигот по рецессивной болезни снижается, а гомозигот (больных) повышается. Коэффициент инбридинга может быть рассчитан как для популяций, так и для пары индивидов. Еще один близкий показатель, называемый коэффициентом родства (Ф), можно рассчитать только для двух индивидов. Коэффициент родства Фху - это вероятность того, что любой ген, принадлежащий индивиду Х, идентичен гену того же локуса, у индивида У. Коэффициент родства определяет долю общих генов у пары родственников. Так, у монозиготных близнецов 100% общих генов, у родственников 1 степени родства (родитель-ребенок, родные сибсы) - 50% общих генов, у родственников 11 степени родства (дяди, тети, племянники, бабушки (дедушки), внуки) - 25% общих генов у родственников 111 степени родства (двоюродные сибсы, прадедушки (прабабушки), правнуки) - 12,5% общих генов. Таким образом, долю общих генов у родственников можно определить по формуле (1j2n), где п - степень родства.
Биохимический метод – позволяет выявить наследственно обусловленные нарушения обмена веществ.
Введение данного метода в практику связано с открытием английского врача А. Гаррода в начале XX века биохимической природы наследственных болезней обмена веществ которые сам Гэррод назвал врожденными ошибками метаболизма. Изучая алкаптонурию он установил, что данное заболевание наследуется как рецессивный признак и определяется отсутствием специфического фермента.
Развитием идеи о механизме действия генов через контроль отдельных этапов метаболизма различных соединений в клетке следует считать работы Д.Бидла и Э.Татума, которые высказали гипотезу “один ген-один фермент”. Позже она модифицирована в гипотезу “один ген-одна полипептидная цепь”.
Наследственные заболевания, которые обусловлены генными мутациями, изменяющими структуру или скорость синтеза белков, обычно сопровождаются нарушением углеводного, белкового, липидного и других типов обмена веществ. Наследственные дефекты обмена можно диагностировать посредством определения структуры измененного белка или его количества, выявления дефектных ферментов или обнаружения промежуточных продуктов обмена веществ во внеклеточных жидкостях организма(крови, моче, поте и т.д.). Например, анализ аминокислотных последовательностей мутацонно измененных белковых цепей гемоглобина позволил выявить несколько наследственных дефектов, лежащих в основе ряда заболеваний – гемоглобинозов. Так, при серповидно-клеточной анемии у человека аномальный гемоглобин вследствие мутации отличается от нормального заменой только одной аминокислоты (глутаминовой кислоты на валин).
В настоящее время описано более 600 болезней обмена веществ. Например, фенилкетонурия относится к болезням аминокислотного обмена.
При этом блокируется превращение незаменимой аминокислоты фенилаланин в тирозин, и фенилаланин превращается в фенилпировиноградную кислоту, которая выводится с мочой. Заболевание приводит к быстрому развитию слабоумия у детей. Ранняя диагностика и диета позволяют приостановить развитие заболевания.
В практике здравоохранения кроме выявления гомозиготных носителей мутантных генов существуют методы выявления гетерозиготных носителей некоторых рецессивных генов, что особенно важно при медикогенетическом консультировании. Так, у фенотипически нормальных гетерозигот по фенилкетонурии (аутосомно-рецессивное заболевание; у гомозигот по мутантному гену нарушается обмен аминокислоты фенилаланина, что приводит к умственной отсталости) после приема фенилаланина обнаруживается повышенное его содержание в крови. При гемофилии гетерозиготное носительство мутантного гена может быть установлено с помощью определения активности фермента, измененного в результате мутации.
Внедрение и использование УМК «Изучаем русский язык» в двуязычной образовательной среде
Система образования в индии как фундамент знаний и жизни
Роман Вишневский – трейдер и владелец брокерской компании
Николай Кольцов – биолог из будущего