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15.1: Inmunodeficiencia primaria - Biología

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Objetivos de aprendizaje

  1. Definir inmunodeficiencia primaria.
  2. Comparar y contrastar inmunodeficiencias primarias convencionales y nuevas.
  3. Nombra cuatro categorías de inmunodeficiencias convencionales y da un ejemplo de cada una.

Una inmunodeficiencia primaria suele ser una inmunodeficiencia con la que uno nace. Hasta hace poco, las inmunodeficiencias primarias se definían como un defecto genético recesivo poco común en las respuestas inmunitarias que implicaba el desarrollo de linfocitos B, linfocitos T o ambos y provocaba múltiples infecciones recurrentes durante la infancia. Dependiendo del trastorno, los linfocitos en cuestión estaban completamente ausentes, presentes en niveles muy bajos o presentes pero no funcionaban normalmente. Estos trastornos representan las inmunodeficiencias convencionales.

Sin embargo, en base a nuestra mayor comprensión del genoma humano y las respuestas inmunitarias, ahora parece que hay una multitud de inmunodeficiencias primarias comunes y menos graves que involucran solo a uno o más de la gran cantidad de genes involucrados en las respuestas inmunitarias. Estas llamadas inmunodeficiencias primarias nuevas implican la disminución de la capacidad para combatir un solo tipo de infección o una gama estrecha de infecciones. Las inmunodeficiencias primarias convencionales se agruparon de la siguiente manera:

Convencional: trastornos de los linfocitos B

En el caso de los trastornos de los linfocitos B, puede haber una inmunidad humoral muy disminuida, pero la inmunidad mediada por células, mediada por linfocitos T, permanece normal.

1. Agammaglobulinemias: se producen pocos o ningún anticuerpo y hay un número reducido de linfocitos B. La persona es muy susceptible a infecciones recurrentes por bacterias piógenas comunes como Staphylococcus aureus, Streptococcus pyogenes, Streptococcus pneumoniae, Neisseria meningitidis, y Hemophilus influenzae. Estas las bacterias tienen cápsulas antifagocíticas que normalmente son eliminadas por anticuerpos mediante opsonización. Los ejemplos incluyen agammaglobulinemia ligada al cromosoma X y agammaglobulinemia autosómica recesiva.

2. Hipogammaglobulinemias / Defectos de isotipo: disminución de la producción general de anticuerpos o disminución de la producción de un solo isotipo de anticuerpo. Ejemplos incluyen:

  • Deficiencia de subclase de IgG2: Una persona no puede producir la subclase de IgG llamada IgG2, pero puede producir otras clases de anticuerpos. Existe una mayor susceptibilidad a las infecciones bacterianas.
  • Deficiencia selectiva de IgA: Una persona no puede producir IgA pero puede producir otras clases de anticuerpos. Existe una mayor susceptibilidad a las infecciones bacterianas y ciertas infecciones por protozoos.
  • Inmunodeficiencia variable combinada (CVID): hipogammaglobulinemia con un número normal o disminuido de linfocitos B.

Las formas más graves, como la agammaglobulinemia, se tratan con inmunización pasiva adquirida artificialmente: inyecciones periódicas de grandes cantidades de inmunoglobulina (IG o IVIG).

Convencional: trastornos de los linfocitos T

En el caso de los trastornos de linfocitos T, hay poca o ninguna inmunidad mediada por células si el trastorno involucra linfocitos T8 y / o linfocitos T4. También puede haber una disminución de la inmunidad humoral si hay un trastorno que involucra a los linfocitos T4.

1. Defectos de expresión de MHC

  • Deficiencia de MHC-I. Disminución de los niveles de producción de MHC-I y reducción del número de linfocitos T8.
  • Síndrome de linfocitos desnudos. Disminución de los niveles de MHC-II, disminución del número de linfocitos T4 y disminución de la producción de anticuerpos dependientes de T4 por los linfocitos B.

2. Defectos en la señalización de los linfocitos T

  • Síndrome de Wiskott-Aldrich. Activación de linfocitos T defectuosa y movilidad de leucocitos defectuosa.
  • Defectos de señalización de TCR proximal. Inmunidad mediada por células defectuosa y producción de anticuerpos dependiente de T4 defectuosa por linfocitos B.

3. Linfohistiocitosis hemofagocítica familiar

  • Desempeño de las deficiencias. Función defectuosa de las células CTL y NK; Activación incontrolada de macrófagos y CTL.
  • Defectos de fusión de gránulos. Función defectuosa de las células CTL y NK; Activación incontrolada de macrófagos y CTL.
  • Síndrome linfoproliferativo ligado al cromosoma X. Función defectuosa de las células CTL y NK; Activación incontrolada de macrófagos y CTL. Proliferación incontrolada de linfocitos B inducida por el virus de Epstein-Barr.

Convencional: trastornos combinados de linfocitos B y T (enfermedad de inmunodeficiencia combinada grave o SCID)

La enfermedad por inmunodeficiencia combinada grave o SCID afecta tanto a la inmunidad humoral como a la inmunidad mediada por células. Existe un defecto tanto en los linfocitos B como en los linfocitos T, o solo en los linfocitos T, en cuyo caso la deficiencia humoral se debe a la falta de linfocitos T4 auxiliares.

1. Defectos en la señalización de citocinas

  • SCID autosómico recesivo. Muestra una marcada disminución de linfocitos T pero niveles normales o aumentados de linfocitos B. Hay niveles reducidos de anticuerpos debido a la falta de linfocitos T4-helper.
  • SCID recesivo ligado al cromosoma X. Hay niveles reducidos de anticuerpos debido a la falta de linfocitos T4-helper.

2. Defectos en las vías de recuperación de nucleótidos

  • Deficiencia de PNP. Muestra una disminución progresiva de linfocitos T, linfocitos B y células NK, así como niveles reducidos de anticuerpos.
  • Deficiencia de ADA. Muestra una disminución progresiva de linfocitos T, linfocitos B y células NK, así como niveles reducidos de anticuerpos.

3. Defectos en la recombinación V (D) J (diversidad combinatoria)

  • Deficiencia de RAG1 o RAG2. Muestra una ausencia o deficiencia tanto de linfocitos T como de linfocitos B, así como niveles reducidos de anticuerpos.
  • Defectos de ARTEMIS. Muestra una ausencia o deficiencia tanto de linfocitos T como de linfocitos B, así como niveles reducidos de anticuerpos.

4. Desarrollo defectuoso del timo

El timo es necesario para el desarrollo de linfocitos T a partir de células madre.

  • Síndrome de DiGeorge. Muestra niveles reducidos de linfocitos T, niveles normales de linfocitos B y niveles reducidos de anticuerpos.
  • Puesto de control pre-TCR defectuoso. Muestra niveles reducidos de linfocitos T, niveles normales o reducidos de linfocitos B y niveles reducidos de anticuerpos.

Convencional: trastornos de la inmunidad innata

  • Enfermedad granulomatosa crónica. No hay vía de muerte dependiente del oxígeno en los fagocitos. Infecciones fúngicas y bacterianas intracelulares recurrentes.
  • Deficiencias en la adhesión de leucocitos. Adhesión, diapédesis y migración de leucocitos defectuosos. Infecciones bacterianas y fúngicas recurrentes.
  • Síndrome de Chediak-Higashi. Fusión de vesículas defectuosas y función lisosomal en neutrófilos, células dendríticas, macrófagos y otras células. Infecciones recurrentes por bacterias piógenas.

Inmunodeficiencias nuevas

Si bien las raras inmunodeficiencias primarias convencionales mencionadas anteriormente siguen siendo muy importantes, según nuestro mayor conocimiento del genoma humano y las respuestas inmunitarias, ahora parece que hay una multitud de inmunodeficiencias primarias comunes, menos graves. Estos llamados novela inmunodeficiencias primarias se relacionan con la genética única de un individuo y pueden involucrar uno o más de muchos genes de inmunidad, que van desde cualquiera de la gran cantidad de genes que confieren inmunidad protectora en general, hasta genes individuales que confieren inmunidad específica a un solo patógeno.

Ahora se cree que casi todas las personas padecen una forma de inmunodeficiencia primaria u otra. Sin embargo, a diferencia de las inmunodeficiencias primarias clásicas, estos ejemplos principales incluyen:

  • Los trastornos de la vía interleucina-12 / interferón-gamma parecen hacer que los individuos sean más susceptibles a Mycobacterium y Salmonela infecciones.
  • Los trastornos de la vía TLR-3 hacen que los individuos sean más susceptibles a la encefalitis por virus del herpes simple.
  • Los trastornos de la vía kappa B del receptor toll-interleucina 1 / factor nuclear hacen que los individuos sean más susceptibles a las infecciones estafilocócicas y neumocócicas.
  • Los trastornos de la propina y los componentes terminales de las vías del complemento hacen que los individuos sean más susceptibles a Neisseria infecciones.
  • Las personas con sinusitis crónica que no responden bien al tratamiento tienen una actividad disminuida de TLR-9 y producen niveles reducidos de beta-defensina 2 humana, así como lectina de unión a manano necesaria para iniciar la vía del complemento de lectina.

Resumen

  1. La inmunodeficiencia resulta en la incapacidad de combatir ciertas enfermedades.
  2. Una inmunodeficiencia primaria suele ser una inmunodeficiencia con la que uno nace.
  3. Las inmunodeficiencias primarias convencionales son defectos genéticos recesivos poco frecuentes en las respuestas inmunitarias que involucran el desarrollo de linfocitos B, linfocitos T o ambos y dan como resultado múltiples infecciones recurrentes durante la infancia. Dependiendo del trastorno, los linfocitos en cuestión estaban completamente ausentes, presentes en niveles muy bajos o presentes pero no funcionaban normalmente.
  4. Las inmunodeficiencias primarias convencionales incluyen trastornos de linfocitos B, trastornos de linfocitos T, enfermedad de inmunodeficiencia combinada grave o SCID y trastornos de la inmunidad innata.
  5. Los trastornos de los linfocitos B pueden resultar en una inmunidad humoral muy disminuida, pero la inmunidad mediada por células, mediada por linfocitos T, permanece normal.
  6. Los trastornos de los linfocitos T pueden dar como resultado una inmunidad mediada por células escasa o nula si el trastorno involucra linfocitos T8 y / o linfocitos auxiliares T4. También puede haber una disminución de la inmunidad humoral si hay un trastorno que involucra a los linfocitos T4-helper.
  7. Las deficiencias graves de la enfermedad por inmunodeficiencia combinada afectan tanto a la inmunidad humoral como a la inmunidad mediada por células que pueden provocar un defecto tanto en los linfocitos B como en los linfocitos T, o solo en los linfocitos T, en cuyo caso la deficiencia humoral se debe a la falta de linfocitos auxiliares T4. .
  8. Los trastornos de la inmunidad innata se deben a defectos en los genes que desempeñan un papel en las respuestas inmunitarias innatas.
  9. Las nuevas inmunodeficiencias primarias incluyen una multitud de inmunodeficiencias primarias comunes, menos graves, que involucran solo uno o más de la gran cantidad de genes involucrados en las respuestas inmunitarias, lo que resulta en una disminución de la capacidad para combatir un solo tipo de infección o una gama estrecha de infecciones.

Un estudio piloto de un solo centro en Malasia sobre la utilidad clínica de la secuenciación del exoma completo para los errores innatos de inmunidad

Las enfermedades de inmunodeficiencia primaria se refieren a errores innatos de la inmunidad (IEI) que afectan el desarrollo normal y la función del sistema inmunológico. La heterogeneidad fenotípica y genética de IEI ha hecho que su diagnóstico sea un desafío. Por lo tanto, en este estudio piloto se empleó la secuenciación del exoma completo (WES) para identificar la etiología genética de 30 pacientes pediátricos diagnosticados clínicamente con IEI. Las posibles variantes causales identificadas por WES se validaron mediante secuenciación de Sanger. El diagnóstico genético se logró en el 46,7% (14/30) de los pacientes y se categorizó en trastornos autoinflamatorios (n = 3), enfermedades de desregulación inmune (n = 3), defectos en la inmunidad intrínseca e innata (n = 3), predominantemente anticuerpos deficiencias (n = 2), inmunodeficiencias combinadas con características asociadas y sindrómicas (n = 2) e inmunodeficiencias que afectan la inmunidad celular y humoral (n = 1). De las 15 variantes genéticas identificadas, dos eran variantes nuevas. Los hallazgos genéticos difirieron de los diagnósticos clínicos provisionales en siete casos (50,0%). Este estudio mostró que WES mejora la capacidad de diagnosticar IEI, lo que permite que más pacientes reciban la terapia adecuada y el manejo de la enfermedad.

Palabras clave: análisis bioinformático diagnóstico genético variante genética errores innatos de la inmunidad secuenciación del exoma completo.


15.1 El Código Genético

En esta sección, explorará las siguientes preguntas:

  • ¿Cuál es el "dogma central" de la síntesis de proteínas?
  • ¿Qué es el código genético y cómo la secuencia de nucleótidos prescribe la secuencia de aminoácidos y polipéptidos?

Conexión para cursos AP ®

Desde el redescubrimiento del trabajo de Mendel en la década de 1900, los científicos han aprendido mucho sobre cómo los planos genéticos almacenados en el ADN son capaces de replicarse, expresarse y mutarse. Así como las 26 letras del alfabeto inglés se pueden ordenar en lo que parece ser un número ilimitado de palabras, y cada año se agregan nuevas al diccionario, los cuatro nucleótidos del ADN (A, T, C y G) pueden generar secuencias de ADN llamadas genes que especifican decenas de miles de polímeros de aminoácidos. A su vez, estas secuencias se pueden transcribir en ARNm y traducir en proteínas que orquestan casi todas las funciones de la célula. El código genético se refiere al alfabeto de ADN (A, T, C, G), el alfabeto de ARN (A, U, C, G) y el alfabeto de polipéptidos (20 aminoácidos). Pero, ¿cómo los genes ubicados en un cromosoma producen en última instancia un polipéptido que puede resultar en un fenotipo físico como el color del cabello o de los ojos, o una enfermedad como la fibrosis quística o la hemofilia?

El Dogma Central describe el flujo normal de información genética del ADN al ARNm y a la proteína: el ADN en los genes especifica secuencias de ARNm que, a su vez, especifican secuencias de aminoácidos en proteínas. El proceso requiere dos pasos, transcripción y traducción. Durante la transcripción, los genes se utilizan para producir ARN mensajero (ARNm). A su vez, el ARNm se utiliza para dirigir la síntesis de proteínas durante el proceso de traducción. La traducción también requiere otros dos tipos de ARN: ARN de transferencia (ARNt) y ARN ribosómico (ARNr). El código genético es un código triplete, con cada codón de ARN que consta de tres nucleótidos consecutivos que especifican un aminoácido o la liberación de la cadena polipeptídica recién formada, por ejemplo, el codón de ARNm CAU especifica el aminoácido histidina. El código es degenerado, es decir, algunos aminoácidos están especificados por más de un codón, como sinónimos que estudias en tu clase de inglés (palabra diferente, mismo significado). Por ejemplo, CCU, CCC, CCA y CCG son todos codones de prolina. Es importante recordar que el mismo código genético es universal para casi todos los organismos de la Tierra. Existen pequeñas variaciones en la asignación de codones en las mitocondrias y algunos microorganismos.

Las desviaciones del esquema simple del dogma central se descubren a medida que los investigadores exploran la expresión génica con nueva tecnología. Por ejemplo, el virus de la inmunodeficiencia humana (VIH) es un retrovirus que almacena su información genética en moléculas de ARN monocatenarias. Tras la infección de una célula huésped, el ARN se utiliza como molde por la enzima codificada por virus, la transcriptasa inversa, para sintetizar el ADN. Posteriormente, el ADN viral se transcribe en ARNm y se traduce en proteínas. Algunos virus de ARN, como el virus de la influenza, nunca pasan por un paso de ADN. El genoma del ARN se replica mediante una ARN polimerasa dependiente de ARN que está codificada por virus.

El contenido presentado en esta sección apoya los Objetivos de aprendizaje descritos en la Gran Idea 1 y la Gran Idea 3 del Marco del Currículo de Biología AP ®. Los objetivos de aprendizaje combinan el contenido de conocimientos esenciales con una o más de las siete prácticas científicas. Estos objetivos de aprendizaje proporcionan una base transparente para el curso de biología AP ®, junto con experiencias de laboratorio basadas en la investigación, actividades de instrucción y preguntas del examen AP ®.

Gran idea 1 El proceso de evolución impulsa la diversidad y la unidad de la vida.
Comprensión duradera 1.B Los organismos están vinculados por líneas de descendencia de ancestros comunes.
Conocimiento esencial 1.B.1 Los organismos comparten muchos procesos y características centrales conservadas que evolucionaron y están ampliamente distribuidas entre los organismos de hoy.
Práctica de la ciencia 3.1 El alumno puede plantear cuestiones científicas.
Práctica de la ciencia 7.2 El estudiante puede conectar conceptos en y entre dominios para generalizar o extrapolar en y / o a través de entendimientos duraderos y / o grandes ideas.
Objetivo de aprendizaje 1.15 El estudiante es capaz de describir ejemplos específicos de procesos y características biológicos centrales conservados compartidos por todos los dominios o dentro de un dominio de la vida, y cómo estos procesos y características centrales conservados y compartidos apoyan el concepto de ascendencia común para todos los organismos.
Gran idea 3 Los sistemas vivos almacenan, recuperan, transmiten y responden a información esencial para los procesos de la vida.
Comprensión duradera 3.A La información heredable asegura la continuidad de la vida.
Conocimiento esencial 3.A.1 El ADN, y en algunos casos el ARN, es la principal fuente de información hereditaria.
Práctica de la ciencia 6.5 El alumno puede evaluar explicaciones científicas alternativas.
Objetivo de aprendizaje 3.1 El estudiante es capaz de construir explicaciones científicas que utilizan la estructura y las funciones del ADN y el ARN para respaldar la afirmación de que el ADN y, en algunos casos, el ARN son las fuentes primarias de información hereditaria.

Apoyo a los profesores

El Dogma Central ha sido validado por muchos experimentos. El flujo de información desde el ADN al ARNm y al polipéptido es el esquema común en todas las células, tanto procariotas como eucariotas. La información en el ADN está contenida en la secuencia de bases nitrogenadas. La siguiente pregunta es, ¿cómo se traduce la secuencia de las bases nitrogenadas en aminoácidos? Una combinación de dos de las cuatro letras da 16 aminoácidos posibles (4 2 = 16), por ejemplo, AA o AC, pero hay 20 aminoácidos. Una combinación de tres bases da 64 conjuntos posibles (4 3 = 64) por ejemplo, AAA o AAC. Una combinación de tres bases seguidas es un codón o "tripletes". Esto da lugar a combinaciones más que suficientes para los 20 ácidos comunes. Algunos aminoácidos están especificados por un solo codón, por ejemplo, metionina y triptófano, otros están codificados por hasta seis codones independientes, por ejemplo, leucina.

Aunque la síntesis de proteínas sigue el mismo esquema general en procariotas y eucariotas, el mecanismo detallado de cada uno puede ser bastante diferente. La presencia de la membrana nuclear agrega una capa de complejidad al proceso. En los procariotas, la transcripción y la traducción están estrechamente acopladas. Tan pronto como el extremo 5 'de un ARNm se ha transcrito a partir de la hebra molde de ADN, los ribosomas pueden adherirse a él y comienza la síntesis de polipéptidos. Las células eucariotas utilizan una serie de pasos más complejos. La enzima ARN polimerasa forma el complejo de iniciación de la transcripción con muchas proteínas llamadas factores de transcripción. Producto de la transcripción, el ARNm sufre varias modificaciones que cambian su estabilidad y facilitan la exportación desde el núcleo. Estos pasos adicionales permiten un mayor control sobre la expresión génica. Aunque el ARNm procariótico generalmente no se modifica, las hebras de ARNm eucariótico se someten a la adición de una capa de metilguanosina en el extremo 5 'y una cola de poliadenosina en el extremo 3', sin las cuales no pueden salir del núcleo. El ARNm también se somete a un corte y empalme para eliminar los intrones, las regiones del gen que no codifican proteínas. La traducción de proteínas depende de la presencia de ribosomas, ARNm, un complemento completo de moléculas de ARNt, muchas enzimas y muchos factores proteicos. A medida que se sintetiza el polipéptido, comienza a plegarse en su estructura tridimensional. Las modificaciones adicionales garantizarán que la proteína sea completamente funcional y se envíe a su destino.

Pregunte a los estudiantes qué es un dogma. Servirá como una introducción a las desviaciones del Dogma Central. Los virus presentan numerosas variaciones. El virus de la inmunodeficiencia humana (VIH) es un retrovirus. Su genoma está codificado en moléculas de ARN que sirven como molde para la síntesis de ADN por una enzima codificada por virus llamada transcriptasa inversa. Señale que esta enzima, que no se encuentra en los seres humanos, es el objetivo de muchos medicamentos contra el VIH. El virus de la gripe transporta hebras no codificantes de moléculas de ARN que se replican en la célula huésped mediante una ARN polimerasa dependiente de ARN, una enzima codificada en el genoma viral. En el caso del virus de la gripe, no hay ninguna etapa de ADN. El flujo de información es de ARN a ARN a proteínas. Más cerca de "casa", los telómeros, los extremos de los cromosomas lineales en eucariotas, son replicados por una enzima especial, una telomerasa, que sintetiza el ADN a partir de una plantilla de ARN.

Así como transferimos información usando letras y números, la célula transfiere información usando moléculas. Enfatice las similitudes entre la escritura y el código genético. Diga a los estudiantes que gran parte del vocabulario de la genética molecular se toma prestado de la edición: transcripción, traducción, corrección de pruebas, sinsentido, sinsentido, etc.

Aunque el capítulo no utiliza el término "marco de lectura abierto", vincúlelo a la Figura 15.4. Un marco de lectura abierto es una secuencia de ADN que sigue a un codón de inicio y termina con un codón de terminación. Es probable que un marco de lectura largo y abierto sea un gen.

Apoyo a los profesores

Los estudiantes confunden el vocabulario utilizado para describir el Dogma Central. Copiar información de ADN a ARN es transcripción porque el idioma es el mismo. Ambos se construyen utilizando nucleótidos. Cuando se sintetiza un polipéptido, los componentes básicos o "letras" se han convertido en aminoácidos. Es una traducción. Aunque no sea del todo idéntico, muestre a los estudiantes un ejemplo similar al siguiente:

Perro a Perro (transcripción) a Canis (traducción)

Las dos primeras palabras representan la transcripción. Las letras se acaban de copiar. La última palabra tiene el mismo significado, "perro" en latín, pero ahora el idioma es diferente.

Considere usar la palabra "redundante" para ayudar a explicar el significado de la palabra "degenerado" en este contexto. Los estudiantes confunden el hecho de que el código está degenerado (varios codones pueden codificar el mismo aminoácido) con el hecho de que el código genético es universal, lo que significa que el mismo codón, AUG como ejemplo, se traduce como metionina en todas las células. La confusión surge de que los estudiantes aprenden los dos conceptos al mismo tiempo. Dé ejemplos de cambios en los codones que dan como resultado los mismos aminoácidos. Aunque la secuencia de genes es diferente, el polipéptido es el mismo. Recuerde a los estudiantes que cada codón especifica un aminoácido, pero lo contrario no es cierto. Dependiendo del aminoácido, más de un codón se traducirá en el mismo aminoácido.

Explique que muchas proteínas de interés se sintetizan en bacterias y levaduras insertando los genes de las proteínas en los sistemas de expresión del huésped. Esto es posible porque el código es universal. Si se inserta un gen que codifica la insulina humana en los cromosomas de E. coli, la bacteria sintetizará insulina humana.

Apoyo a los profesores

Dé a los estudiantes ejemplos de codones y pídales que encuentren el aminoácido correspondiente. Hágales saber que los errores tipográficos son una gran fuente de mutaciones. Deben revisar sus secuencias cuidadosamente.

Las preguntas del desafío de práctica científica contienen preguntas de prueba adicionales para esta sección que lo ayudarán a prepararse para el examen AP. Estas preguntas abordan los siguientes estándares:
[APLO 3.4] [APLO 3.25]

El proceso celular de transcripción genera ARN mensajero (ARNm), una copia molecular móvil de uno o más genes con un alfabeto de A, C, G y uracilo (U). La traducción de la plantilla de ARNm convierte la información genética basada en nucleótidos en un producto proteico. Las secuencias de proteínas constan de 20 aminoácidos comunes, por lo tanto, se puede decir que el alfabeto proteico consta de 20 letras (Figura 15.2). Cada aminoácido está definido por una secuencia de tres nucleótidos llamada codón triplete. Los diferentes aminoácidos tienen diferentes químicas (como ácido versus básico, o polar y no polar) y diferentes limitaciones estructurales. La variación en la secuencia de aminoácidos da lugar a una enorme variación en la estructura y función de las proteínas.

El dogma central: el ADN codifica el ARN El ARN codifica la proteína

El flujo de información genética en las células desde el ADN al ARNm y a la proteína se describe en el Dogma central (figura 15.3), que establece que los genes especifican la secuencia de los ARNm, que a su vez especifican la secuencia de las proteínas. La decodificación de una molécula a otra se realiza mediante proteínas y ARN específicos. Debido a que la información almacenada en el ADN es tan fundamental para la función celular, tiene sentido intuitivo que la célula haga copias de ARNm de esta información para la síntesis de proteínas, mientras mantiene el ADN mismo intacto y protegido. La copia de ADN a ARN es relativamente sencilla, y se agrega un nucleótido a la cadena de ARNm por cada nucleótido leído en la cadena de ADN. La traducción a proteína es un poco más compleja porque tres nucleótidos de ARNm corresponden a un aminoácido en la secuencia polipeptídica. Sin embargo, la traducción a proteína sigue siendo sistemática y colineal, de modo que los nucleótidos 1 a 3 corresponden al aminoácido 1, los nucleótidos 4 a 6 corresponden al aminoácido 2, y así sucesivamente.

El código genético es degenerado y universal

Dado el diferente número de "letras" en los "alfabetos" de ARNm y proteínas, los científicos teorizaron que las combinaciones de nucleótidos correspondían a aminoácidos individuales. Los dobletes de nucleótidos no serían suficientes para especificar cada aminoácido porque solo hay 16 combinaciones posibles de dos nucleótidos (4 2). En contraste, hay 64 posibles tripletes de nucleótidos (4 3), que es mucho más que el número de aminoácidos. Los científicos teorizaron que los aminoácidos estaban codificados por tripletes de nucleótidos y que el código genético estaba degenerado. En otras palabras, un aminoácido dado podría estar codificado por más de un triplete de nucleótidos. Esto se confirmó más tarde de forma experimental. Francis Crick y Sydney Brenner utilizaron el mutágeno químico proflavina para insertar uno, dos o tres nucleótidos en el gen de un virus. Cuando se insertaron uno o dos nucleótidos, la síntesis de proteínas se abolió por completo. Cuando se insertaron tres nucleótidos, la proteína se sintetizó y fue funcional. Esto demostró que tres nucleótidos especifican cada aminoácido. Estos tripletes de nucleótidos se denominan codones. La inserción de uno o dos nucleótidos cambió por completo el marco de lectura del triplete, alterando así el mensaje para cada aminoácido subsiguiente (Figura 15.4). Aunque la inserción de tres nucleótidos provocó la inserción de un aminoácido adicional durante la traducción, se mantuvo la integridad del resto de la proteína.

Los científicos resolvieron minuciosamente el código genético traduciendo ARNm sintéticos in vitro y secuenciando las proteínas que especificaban (Figura 15.5).

Además de indicar la adición de un aminoácido específico a una cadena polipeptídica, tres de los 64 codones terminan la síntesis de proteínas y liberan el polipéptido de la maquinaria de traducción. Estos tripletes se denominan codones sin sentido o codones de parada. Otro codón, AUG, también tiene una función especial. Además de especificar el aminoácido metionina, también sirve como codón de inicio para iniciar la traducción. El marco de lectura para la traducción lo establece el codón de inicio AUG cerca del extremo 5 'del ARNm.

El código genético es universal. Con algunas excepciones, prácticamente todas las especies utilizan el mismo código genético para la síntesis de proteínas. La conservación de codones significa que un ARNm purificado que codifica la proteína de globina en caballos podría transferirse a una célula de tulipán, y el tulipán sintetizaría globina de caballo. El hecho de que solo haya un código genético es una prueba poderosa de que toda la vida en la Tierra comparte un origen común, especialmente si se considera que existen alrededor de 10 84 combinaciones posibles de 20 aminoácidos y 64 codones tripletes.

Enlace al aprendizaje

Transcriba un gen y traduzcalo en proteína mediante el emparejamiento complementario y el código genético de este sitio.

  1. Si hay un error en la traducción, no se elaborarán los lípidos correctos para la señalización, el almacenamiento de energía o para realizar funciones vitales. Esto puede causar enfermedades hereditarias y relacionadas con la edad.
  2. La traducción es el proceso en el que un segmento particular de ADN es copiado en ARN (ARNm) por la enzima ARN polimerasa. El error en dicha copia puede conducir a diversas enfermedades hereditarias y relacionadas con la edad.
  3. La traducción es el proceso que utilizan los ribosomas para sintetizar proteínas a partir de aminoácidos. Si hay un error en este proceso, las proteínas correctas no se fabricarán para construir tejido corporal importante o realizar funciones vitales, lo que conducirá a enfermedades hereditarias y relacionadas con la edad.
  4. La traducción es el proceso que utilizan los cuerpos de Golgi para sintetizar proteínas a partir de aminoácidos. Si hay un error en este proceso, no se producirán las proteínas correctas para construir tejido corporal importante o realizar funciones vitales.

Conexión de práctica científica para cursos AP®

Piénsalo

  • Una hebra de ADN tiene la secuencia de nucleótidos 3 '…… GCT GTC AAA TTC GAT …… 5'. ¿Cuál es la secuencia de ARNm que es complementaria a esta secuencia de ADN? Utilizando la tabla de codones del texto, determine la secuencia de aminoácidos que se puede generar a partir de esta hebra de ADN.
  • ¿Cómo la degeneración del código genético hace que las células sean menos vulnerables a las mutaciones? ¿Cuál es la ventaja de la degeneración con respecto al impacto negativo de las mutaciones aleatorias en la selección natural y la evolución?

Apoyo a los profesores

La primera pregunta es una aplicación del Objetivo de aprendizaje 3.1 y la Práctica científica 6.5 porque los estudiantes están explicando cómo el lenguaje del ADN se puede transcribir y traducir en una secuencia de aminoácidos..

El segundo conjunto de preguntas es una aplicación del Objetivo de aprendizaje 1.15 y la Práctica científica 3.1 porque se les pide a los estudiantes que planteen preguntas sobre el código genético universal y el impacto de su degeneración en las mutaciones.

Respuesta

  • 3 '… GCT GTC AAA TTC GAT… 5'
  • ARNm 5 '…… CGA CAG UUU AAG CUA …… 3'
  • péptido… Arg Gln Phe Lys Leu ……

Se cree que la degeneración es un mecanismo celular para reducir el impacto negativo de las mutaciones aleatorias. Los codones que especifican el mismo aminoácido normalmente solo difieren en un nucleótido. Además, los aminoácidos con cadenas laterales químicamente similares están codificados por codones similares. Este matiz del código genético asegura que una mutación de sustitución de un solo nucleótido podría especificar el mismo aminoácido pero no tener ningún efecto o especificar un aminoácido similar, evitando que la proteína se vuelva completamente no funcional.

Conexión del método científico

¿Qué tiene más ADN: un kiwi o una fresa?

Pregunta: ¿Un kiwi y una fresa que son aproximadamente del mismo tamaño (Figura 15.6) también tendrían aproximadamente la misma cantidad de ADN?

Fondo: Los genes se encuentran en los cromosomas y están hechos de ADN. Todos los mamíferos son diploides, lo que significa que tienen dos copias de cada cromosoma. Sin embargo, no todas las plantas son diploides. La fresa común es octoploide (8norte) y el kiwi cultivado es hexaploide (6norte). Investigue la cantidad total de cromosomas en las células de cada una de estas frutas y piense cómo esto podría corresponder a la cantidad de ADN en los núcleos celulares de estas frutas. Lea sobre la técnica de aislamiento de ADN para comprender cómo cada paso del protocolo de aislamiento ayuda a liberar y precipitar el ADN.

Hipótesis: Haga la hipótesis de si sería capaz de detectar una diferencia en la cantidad de ADN de fresas y kiwis de tamaño similar. ¿Qué fruta crees que produciría más ADN?

Pon a prueba tu hipótesis: Aísle el ADN de una fresa y un kiwi de tamaño similar. Realice el experimento por lo menos por triplicado para cada fruta.

  1. Prepare una botella de tampón de extracción de ADN de 900 ml de agua, 50 ml de detergente para platos y dos cucharaditas de sal de mesa. Mezclar por inversión (taparlo y darle la vuelta unas cuantas veces).
  2. Moler una fresa y un kiwi a mano en una bolsa de plástico, o con un mortero y un manojo, o con un cuenco de metal y la punta de un instrumento romo. Triturar durante al menos dos minutos por fruta.
  3. Agregue 10 ml del tampón de extracción de ADN a cada fruta y mezcle bien durante al menos un minuto.
  4. Elimine los desechos celulares filtrando cada mezcla de frutas a través de una gasa o tela porosa y en un embudo colocado en un tubo de ensayo o un recipiente apropiado.
  5. Vierta etanol helado o isopropanol (alcohol isopropílico) en el tubo de ensayo. Debe observar ADN blanco precipitado.
  6. Reúna el ADN de cada fruta enroscándolo alrededor de varillas de vidrio separadas.

Registre sus observaciones: Debido a que no está midiendo cuantitativamente el volumen de ADN, puede registrar para cada ensayo si las dos frutas produjeron la misma o diferentes cantidades de ADN observadas a simple vista. Si una u otra fruta produjo notablemente más ADN, regístrelo también. Determina si tus observaciones son consistentes con varias piezas de cada fruta.

Analiza tus datos: ¿Notaste una diferencia obvia en la cantidad de ADN que produce cada fruta? ¿Fueron reproducibles sus resultados?

Obtener una conclusión: Dado lo que sabe sobre el número de cromosomas en cada fruta, ¿puede concluir que el número de cromosomas se correlaciona necesariamente con la cantidad de ADN? ¿Puede identificar algún inconveniente de este procedimiento? Si tuviera acceso a un laboratorio, ¿cómo podría estandarizar su comparación y hacerla más cuantitativa?

Imagínese si hubiera 200 aminoácidos comunes en lugar de 20. Dado lo que sabe sobre el código genético, ¿cuál sería la longitud de codón más corta posible? Explicar.

Analice cómo la degeneración del código genético hace que las células sean más resistentes a las mutaciones.


Los trastornos inmunológicos son alteraciones o desregulaciones de componentes del sistema inmunológico, ya sea en las células inmunitarias o en sus vías de señalización. Estas alteraciones pueden causar baja (inmunodeficiencia) o hiperactividad (autoinmunidad) del sistema inmunológico.

Las deficiencias del sistema inmunológico se producen cuando las respuestas inmunitarias no protegen al huésped contra las infecciones.

Las inmunodeficiencias primarias (PID), como la inmunodeficiencia combinada grave (SCID), ocurren cuando algunas partes del sistema inmunológico están ausentes o son deficientes. Las IDP suelen ser congénitas y se derivan de defectos genéticos hereditarios. 1


Diagnóstico de inmunodeficiencias primarias

SIGNOS DE ADVERTENCIA Y SINTOMAS

El Instituto Nacional de Salud Infantil y Desarrollo Humano inició recientemente un programa educativo para crear conciencia sobre las inmunodeficiencias primarias. Como parte de este programa, la Fundación Jeffrey Modell desarrolló una lista de señales de advertencia para la inmunodeficiencia primaria.2 Estas señales de advertencia, junto con otras señales de presentación comunes, se enumeran en la Tabla 3 .2, 6, 16 Un enfoque general para la evaluación de los pacientes con sospecha de inmunodeficiencia primaria se presenta en la Figura 1.

Señales de advertencia de los trastornos por inmunodeficiencia primaria

Ocho o más infecciones de oído en un año

Dos o más infecciones graves de los senos nasales en un año

Dos o más episodios de neumonía en un año

Dos o más infecciones profundas o infecciones en áreas inusuales

Abscesos profundos recurrentes de piel u órganos

Necesidad de antibioticoterapia intravenosa para eliminar la infección.

Infecciones por organismos inusuales u oportunistas.

Historia familiar de inmunodeficiencia primaria

Crecimiento deficiente, falta de crecimiento.

Ausencia de ganglios linfáticos o amígdalas

Lesiones cutáneas: telangiectasias, petequias, dermatomiositis, erupción similar al lupus

Ataxia (con ataxia-telangiectasia)

Candidiasis oral después de un año de edad

Adaptado con permiso de Los 10 signos de advertencia de inmunodeficiencia primaria. The Jeffrey Model Foundation, Copyright 2003. Consultado el 6 de octubre de 2003, en: http://npi.jmfworld.org/patienttopatient/index.cfm?section=warningsigns&ampCFID=4441749&ampCFTOKEN=89405863, con información adicional de referencias6 y 16.

Señales de advertencia de los trastornos de inmunodeficiencia primaria

Ocho o más infecciones de oído en un año

Dos o más infecciones graves de los senos nasales en un año

Dos o más episodios de neumonía en un año

Dos o más infecciones profundas o infecciones en áreas inusuales

Abscesos profundos recurrentes de piel u órganos

Necesidad de antibioticoterapia intravenosa para eliminar la infección.

Infecciones por organismos inusuales u oportunistas.

Historia familiar de inmunodeficiencia primaria

Crecimiento deficiente, falta de crecimiento.

Ausencia de ganglios linfáticos o amígdalas

Lesiones cutáneas: telangiectasias, petequias, dermatomiositis, erupción similar al lupus

Ataxia (con ataxia-telangiectasia)

Candidiasis oral después de un año de edad

Adaptado con permiso de Los 10 signos de advertencia de inmunodeficiencia primaria. The Jeffrey Model Foundation, Copyright 2003. Consultado el 6 de octubre de 2003, en: http://npi.jmfworld.org/patienttopatient/index.cfm?section=warningsigns&ampCFID=4441749&ampCFTOKEN=89405863, con información adicional de referencias6 y 16.

Evaluation for Suspected Primary Immunodeficiency

Algorithm for evaluation of the patient with suspected primary immunodeficiency. (HIV = human immunodeficiency virus CBC = complete blood cell count CH50 = total hemolytic complement assay)

Evaluation for Suspected Primary Immunodeficiency

Algorithm for evaluation of the patient with suspected primary immunodeficiency. (HIV = human immunodeficiency virus CBC = complete blood cell count CH50 = total hemolytic complement assay)

LABORATORY TESTING

When primary immunodeficiency is suspected, initial laboratory studies include a complete blood cell count (CBC) with manual differential, quantitative immunoglobulin measurements (IgG, IgM, IgA), measurements of functional antibodies against immunized antigens, and delayed-type hypersensitivity skin tests (Table 4) .6 , 16 , 17 The CBC with manual differential can detect deficiencies in immune cells and platelets. In most instances, a normal CBC eliminates the diagnosis of T-cell defects or combined B-cell and T-cell defects.

Laboratory Testing for Primary Immunodeficiency Disorders

Complete blood cell count with manual differential

T-cell, B-cell, and mixed B-cell and T-cell defects

Decreased numbers of T cells, B cells, or platelets

Delayed-type hypersensitivity skin test

Negative result signaling possible impaired T-cell response*

Serum IgG, IgM, and IgA levels

Decrease in any or all of the serum immunoglobulins

Antibody testing to specific antigens after vaccination

Decreased or absent antibody response to vaccination †

Total hemolytic complement assay (CH50)

Decreased or absent proteins if there is a deficiency in the classic pathway

Nitroblue tetrazolium test

*— Delayed-type hypersensitivity skin testing involves intracutaneous injection of a recall antigen such as Candida or tetanus toxoid to a previously sensitized patient a negative result could signal impaired T-cell response or lack of exposure .

†— Normal immunoglobulin levels cannot always exclude a deficiency in antibody production therefore, IgG subclasses and antibodies to specific antigens after vaccination against diphtheria, tetanus, and pneumococcus should be measured if humoral deficiencies are still suspected .

‡— Normal cells change the yellow nitroblue tetrazolium dye to a deep blue color, because of the superoxide generated by the oxidative burst function the neutrophils of patients with chronic granulomatous disease remain colorless .

Information from references 6 , 16, and 17 .

Laboratory Testing for Primary Immunodeficiency Disorders

Complete blood cell count with manual differential

T-cell, B-cell, and mixed B-cell and T-cell defects

Decreased numbers of T cells, B cells, or platelets

Delayed-type hypersensitivity skin test

Negative result signaling possible impaired T-cell response*

Serum IgG, IgM, and IgA levels

Decrease in any or all of the serum immunoglobulins

Antibody testing to specific antigens after vaccination

Decreased or absent antibody response to vaccination †

Total hemolytic complement assay (CH50)

Decreased or absent proteins if there is a deficiency in the classic pathway

Nitroblue tetrazolium test

*— Delayed-type hypersensitivity skin testing involves intracutaneous injection of a recall antigen such as Candida or tetanus toxoid to a previously sensitized patient a negative result could signal impaired T-cell response or lack of exposure .

†— Normal immunoglobulin levels cannot always exclude a deficiency in antibody production therefore, IgG subclasses and antibodies to specific antigens after vaccination against diphtheria, tetanus, and pneumococcus should be measured if humoral deficiencies are still suspected .

‡— Normal cells change the yellow nitroblue tetrazolium dye to a deep blue color, because of the superoxide generated by the oxidative burst function the neutrophils of patients with chronic granulomatous disease remain colorless .

Information from references 6 , 16, and 17 .

Caution should be used when assessing immunologic function in newborns. Because of engrafted maternal immune cells, neonates may have both a falsely elevated lymphocyte count and evidence of graft-versus-host disease.18 If severe combined immunodeficiency is strongly suspected and the lymphocyte count is normal or nearly normal, further investigation is warranted to determine the origin of the immune cells.

When a diagnosis is uncertain, additional tests, such as genetic assays or immunophenotyping, might be performed in consultation with a pediatric immunologist.1


Resistance of primary isolates of human immunodeficiency virus type 1 to neutralization by soluble CD4 is not due to lower affinity with the viral envelope glycoprotein gp120.

Recombinant soluble CD4 (rsCD4) has potent antiviral activity against cell line-adapted isolates of the human immunodeficiency virus type 1 (HIV-1) but low activity toward HIV-1 primary isolates from patients. A simple hypothesis proposed to explain this discrepancy, which questions the therapeutic utility of soluble CD4-based approaches, is that the major envelope glycoprotein, gp120, of patient virus has lower affinity for CD4 than does gp120 from laboratory viruses. To test this hypothesis, we have produced pairs of low- and high-passage HIV-1 isolates which, depending on culture passage history, display dramatically different sensitivities to neutralization by rsCD4. Here, we present evidence that the HIV-1 major envelope glycoprotein cDNAs cloned from one such isolate pair show only minor differences in their deduced gp120 primary structures, and these occur outside regions previously shown to be involved in CD4 interactions. In addition, recombinant gp120 from a low-passage rsCD4-resistant patient virus binds rsCD4 with high affinity, equal to that previously measured for recombinant gp120 from high-passage cell line-adapted virus isolates. These data indicate that differences in CD4-gp120 affinity do not account for rsCD4 resistance in HIV-1 recently isolated from patients.


Minimal Region Sufficient for Genome Dimerization in the Human Immunodeficiency Virus Type 1 Virion and Its Potential Roles in the Early Stages of Viral Replication

HIGO. 1. The 5′ and 3′ ends of a functional domain of DLS. (A) A schematic image of monomer formation of the E/DLS duplicated mutant (DD-mutant) genome. Genomes of the WT virus form dimers, whereas those of DD-mutant form both dimers and monomers. Solid lines and open circles represent viral genome RNA and E/DLS, respectively. (B) Possible two-dimensional folds of the inserted fragment of each of the constructed mutants. nt., nucleotide. (C) Virion RNA profiles in native agarose gel. Viruses were prepared by transfection of 293T cells with pNLNh (WT) or its derivative mutants. At 48 h posttransfection, culture supernatants were harvested. Virions in the supernatant were collected by ultracentrifugation through a 20% sucrose cushion for isolation of the virion RNA. Open and solid arrowheads denote positions of dimers and monomers, respectively. HIGO. 2. Determination of the necessary and sufficient DLS in virions. (A) Probable two-dimensional folds of the inserted fragment of each of the constructed mutants. (B) Virion RNA profiles in native agarose gel. Virion RNA was isolated, and Northern hybridization was performed as described for Fig. 1. Open and solid arrowheads denote positions of dimers and monomers, respectively. HIGO. 3. Verification of the minimal DLS for its ability to induce RNA-RNA interaction in HIV-1 virions. (A) Virion RNA profiles in native agarose gel. Virion RNA was isolated, and Northern hybridization was performed as described for Fig. 1. Open and solid arrowheads denote positions of dimers and monomers, respectively. Schematic diagrams of mutants are shown above the blots. Solid lines, open circles, gray circles, and gray crosses represent viral genome RNA, authentic E/DLS, Lp4Δ2 fragments, and mutations introduced to knock out E/DLS functions, respectively. (B) A schematic Mfold representative of the verified area. HIGO. 4. Infectivity of mutant viruses. For each graph, the value of the WT was set at 1. Figures show the averages of results of at least two independent experiments. Error bars represent standard errors. (A) Single-round replication assay. M8166/H1Luc cells (1 × 10 6 ) were infected with the same quantity of CA-p24 of WT or mutant viruses pseudotyped with HIV-2 Env. At 24 to 48 h postinfection, cells were lysed and luciferase activity in the cell lysate was measured. (B) CA-p24 production and RNA packaging ability. Quantities of CA-p24 and viral RNA of purified virions were measured with the enzyme-linked immunosorbent assay and the RNase protection assay, respectively. Packaging efficiency was calculated by dividing the quantity of viral RNA by that of CA-p24. (C and D) Viral DNA quantification at early infection steps. A total of 1 × 10 6 MT-4 cells were infected with the same quantity of CA-p24 of WT or mutant viruses pseudotyped with HIV-2 Env. At 20 h postinfection, total cellular DNA was extracted and treated with DpnI overnight to digest methylated plasmid DNA. An equal amount of DNA was subjected to real-time PCR analysis. R/U5, strong-stop DNAs U3, first-strand transferred products Gag, negative-strand late products 2ndTf, second-strand transferred products 2LTR, 2-LTR viral circular DNA Alu, PCR quantification for integrated proviral DNA Infectivity, M8166/H1Luc cell assay as described for Fig. 4A. HIGO. 5. Replication assay of mutants carrying a monomeric genome. (A) Schematic diagrams of replication-competent form mutants. The positions of restriction enzyme sites on the viral genome used for insertion are shown in the upper part of the panel. Diagrams of the mutants are shown in the lower part of the panel. Symbols are the same as those described for Fig. 3. (B) Growth kinetics of viruses. Values are representative of the results of at least three independent experiments. Viruses were prepared by transfection of 293T cells with pNL4-3 (WT) or its derivative mutants (pDDEE+ [DDE], pDDXE+ [DDX], and pDTEXE+ [DTE]). At 48 h posttransfection, culture supernatants of transfected 293T cells were harvested, and equal quantities of CA-p24 were inoculated into MT-4 cells. The supernatants of the cells were harvested every 3 or 4 days. Ten microliters of each cell supernatant was subjected to exogenous RT assay and quantitated by PhosphorImager analysis. PSL, Photostimulierte Lumineszenz. (C) Virion RNA profiles produced from transfected 293T cells and visualized by native Northern blotting analysis. Open and solid arrowheads denote positions of dimers and monomers, respectively. (D) Virion RNA profiles produced from MT-4 cells. Viruses were harvested at their growth kinetic peak point (wild type, 10 days postinfection DDE and DDX, 28 days postinfection). (E) The nature of reversions. The sequences in the vicinity of the fragment-inserted sites are shown. The names of revertant sequences include “rev.” The positions of Lp4Δ2 fragment insertion of DDE and DDX are indicated. The numbers above the sequences represent nucleotide positions of pNL4-3 (WT).

33.4 Disruptions in the Immune System

En esta sección, explorará las siguientes preguntas:

  • What is hypersensitivity?
  • What is autoimmunity, and what is an example of an autoimmune disease?

Conexión para cursos AP ®

Gran parte de la información de esta sección no está dentro del alcance de AP ®. Immune systems can, at times, be defeated by pathogens. For example, some bacteria, including steotococos neumonia, surround themselves with a capsule that inhibits phagocytes from engulfing them and displaying antigens to the adaptive immune system. Human immunodeficiency virus (HIV), the virus that causes AIDS, infects helper T-cells via their CD4 surface molecules, gradually depleting the number of TH cells in the body this inhibits the adaptive immune system’s capacity to sufficiently respond to infection or tumors that persons with healthy immune systems can defend against. Allergies to pollen or pet dander occur when the immune system attacks the body’s own cells or tissues. Other example of autoimmune diseases include type I diabetes and ALS. In the rejection of transplanted organs, the immune system is responding to unmatched MHC proteins on the cells of the donated (“non-self”) organ. However, the immune system usually responds as it should, defending you against infection and getting you back to your AP ® Biology class as soon as possible.

Information presented and the examples highlighted in the section support concepts outlined in Big Idea 2 of the AP ® Biology Curriculum Framework. Los Objetivos de Aprendizaje AP ® que figuran en el Marco del Currículo proporcionan una base transparente para el curso de Biología AP ®, una experiencia de laboratorio basada en la investigación, actividades de instrucción y preguntas del examen AP ®. Un objetivo de aprendizaje fusiona el contenido requerido con una o más de las siete prácticas científicas.

Gran idea 2 Los sistemas biológicos utilizan energía libre y bloques de construcción moleculares para crecer, reproducirse y mantener la homeostasis dinámica.
Comprensión duradera 2.D Growth and dynamic homeostasis of a biological system are influenced by changes in the system’s environment.
Conocimiento esencial 2.D.3 Biological systems are affected by disruptions to their dynamic homeostasis.
Práctica de la ciencia 1.4 The student can use representations and models to analyze situations or solve problems qualitatively and quantitatively.
Objetivo de aprendizaje 2.28 The student is able to use representations or models to analyze quantitatively and qualitatively the effects of disruptions to dynamic homeostasis in biological systems.

Inmunodeficiencia

Failures, insufficiencies, or delays at any level of the immune response can allow pathogens or tumor cells to gain a foothold and replicate or proliferate to high enough levels that the immune system becomes overwhelmed. Inmunodeficiencia is the failure, insufficiency, or delay in the response of the immune system, which may be acquired or inherited. Immunodeficiency can be acquired as a result of infection with certain pathogens (such as HIV), chemical exposure (including certain medical treatments), malnutrition, or possibly by extreme stress. For instance, radiation exposure can destroy populations of lymphocytes and elevate an individual’s susceptibility to infections and cancer. Dozens of genetic disorders result in immunodeficiencies, including Severe Combined Immunodeficiency (SCID), Bare lymphocyte syndrome, and MHC II deficiencies. En raras ocasiones, pueden ocurrir inmunodeficiencias primarias que están presentes desde el nacimiento. Neutropenia is one form in which the immune system produces a below-average number of neutrophils, the body’s most abundant phagocytes. Como resultado, las infecciones bacterianas pueden pasar sin restricciones en la sangre y causar complicaciones graves.

Everyday Connection for AP® Courses

This is a white severe combined immunodeficiency (SCID) mouse. SCID mice are used to study the immune system.

Hypersensitivities

Maladaptive immune responses toward harmless foreign substances or self antigens that occur after tissue sensitization are termed hypersensitivities. The types of hypersensitivities include immediate, delayed, and autoimmunity. A large proportion of the population is affected by one or more types of hypersensitivity.

Alergias

The immune reaction that results from immediate hypersensitivities in which an antibody-mediated immune response occurs within minutes of exposure to a harmless antigen is called an allergy. En los Estados Unidos, el 20 por ciento de la población presenta síntomas de alergia o asma, mientras que el 55 por ciento da positivo frente a uno o más alérgenos. Upon initial exposure to a potential allergen, an allergic individual synthesizes antibodies of the IgE class via the typical process of APCs presenting processed antigen to TH cells that stimulate B cells to produce IgE. This class of antibodies also mediates the immune response to parasitic worms. The constant domain of the IgE molecules interact with mast cells embedded in connective tissues. Este proceso prepara o sensibiliza el tejido. Upon subsequent exposure to the same allergen, IgE molecules on mast cells bind the antigen via their variable domains and stimulate the mast cell to release the modified amino acids histamine and serotonin these chemical mediators then recruit eosinophils which mediate allergic responses. Figure 33.27 shows an example of an allergic response to ragweed pollen. The effects of an allergic reaction range from mild symptoms like sneezing and itchy, watery eyes to more severe or even life-threatening reactions involving intensely itchy welts or hives, airway contraction with severe respiratory distress, and plummeting blood pressure. This extreme reaction is known as anaphylactic shock. If not treated with epinephrine to counter the blood pressure and breathing effects, this condition can be fatal.

Delayed hypersensitivity is a cell-mediated immune response that takes approximately one to two days after secondary exposure for a maximal reaction to be observed. Este tipo de hipersensibilidad involucra la TH1 cytokine-mediated inflammatory response and may manifest as local tissue lesions or contact dermatitis (rash or skin irritation). La hipersensibilidad retardada ocurre en algunas personas en respuesta al contacto con ciertos tipos de joyas o cosméticos. La hipersensibilidad tardía facilita la respuesta inmune a la hiedra venenosa y también es la razón por la cual la prueba cutánea para la tuberculosis da como resultado una pequeña región de inflamación en personas que estuvieron previamente expuestas a Tuberculosis micobacteriana. That is also why cortisone is used to treat such responses: it will inhibit cytokine production.

Autoimmunity

Autoimmunity is a type of hypersensitivity to self antigens that affects approximately five percent of the population. Most types of autoimmunity involve the humoral immune response. Antibodies that inappropriately mark self components as foreign are termed autoantibodies. In patients with the autoimmune disease myasthenia gravis, muscle cell receptors that induce contraction in response to acetylcholine are targeted by antibodies. The result is muscle weakness that may include marked difficultly with fine and/or gross motor functions. In systemic lupus erythematosus, a diffuse autoantibody response to the individual’s own DNA and proteins results in various systemic diseases. As illustrated in Figure 33.28, systemic lupus erythematosus may affect the heart, joints, lungs, skin, kidneys, central nervous system, or other tissues, causing tissue damage via antibody binding, complement recruitment, lysis, and inflammation.

Autoimmunity can develop with time, and its causes may be rooted in molecular mimicry. Antibodies and TCRs may bind self antigens that are structurally similar to pathogen antigens, which the immune receptors first raised. As an example, infection with Streptococcus pyogenes (bacterium that causes strep throat) may generate antibodies or T cells that react with heart muscle, which has a similar structure to the surface of S. pyogenes. These antibodies can damage heart muscle with autoimmune attacks, leading to rheumatic fever. Insulin-dependent (Type 1) diabetes mellitus arises from a destructive inflammatory TH1 response against insulin-producing cells of the pancreas. Patients with this autoimmunity must be injected with insulin that originates from other sources.


Primary immunodeficiency diseases: dissectors of the immune system

Resumen: The past 50 years have seen enormous progress in this field. An unknown concept until 1952, there are now more than 100 different primary immunodeficiency syndromes in the world's literature. Each novel syndrome has shed new insight into the workings of the immune system, dissecting its multiple parts into unique functioning components. This has been especially true over the past decade, as the molecular bases of approximately 40 of these diseases have been identified in rapid succession. Advances in the treatment of these diseases have also been impressive. Antibody replacement has been improved greatly by the development of human immunoglobulin preparations that can be safely administered by the intravenous route, and cytokine and humanized anticytokine therapies are now possible through recombinant technologies. The ability to achieve life-saving immune reconstitution of patients with lethal severe combined immunodeficiency by administering rigorously T-cell-depleted allogeneic related haploidentical bone marrow stem cells has extended this option to virtually all such infants, if diagnosed before untreatable infections develop. Finally, the past 3 years have witnessed the first truly successful gene therapy. The impressive results in X-linked severe combined immunodeficiency offer hope that this approach can be extended to many more diseases in the future.


Autoimmunity is a type of hypersensitivity to self-antigens that affects approximately five percent of the population. Most types of autoimmunity involve the humoral immune response. An antibody that inappropriately marks self-components as foreign is termed an autoantibody. In patients with myasthenia gravis, an autoimmune disease, muscle-cell receptors that induce contraction in response to acetylcholine are targeted by antibodies. The result is muscle weakness that may include marked difficultly with fine or gross motor functions. In systemic lupus erythematosus, a diffuse autoantibody response to the individual’s own DNA and proteins results in various systemic diseases (Figure 12.23). Systemic lupus erythematosus may affect the heart, joints, lungs, skin, kidneys, central nervous system, or other tissues, causing tissue damage through antibody binding, complement recruitment, lysis, and inflammation.

Figure 12.23 Systemic lupus erythematosus is characterized by autoimmunity to the individual’s own DNA and/or proteins, which leads to varied dysfunction of the organs. (credit: modification of work by Mikael Häggström)

Autoimmunity can develop with time and its causes may be rooted in molecular mimicry, a situation in which one molecule is similar enough in shape to another molecule that it binds the same immune receptors. Antibodies and T-cell receptors may bind self-antigens that are structurally similar to pathogen antigens. As an example, infection with Streptococcus pyogenes (the bacterium that causes strep throat) may generate antibodies or T cells that react with heart muscle, which has a similar structure to the surface of S. pyogenes. These antibodies can damage heart muscle with autoimmune attacks, leading to rheumatic fever. Insulin-dependent (Type 1) diabetes mellitus arises from a destructive inflammatory TH1 response against insulin-producing cells of the pancreas. Patients with this autoimmunity must be treated with regular insulin injections.


Ver el vídeo: Clase de Inmunodeficiencias (Febrero 2023).