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What is genetically modified organism?

MCB2000­ Exam 2 Notes 

Genetics

­ GMO­ genetically modified organism, manipulating a seed or bacteria to have a  desired effect

­ Eukaryotic Cell: more complex, has 2 or more chromosomes, mitochondria &  chloroplasts have their own DNA that carries additional genes 

­ Prokaryotic Cell: simpler, DNA is THE genetic material  

­ Bacteria: has 1 chromosome 

­ Extra chromosome is available on DNA 

­ Virus: Acellular, have DNA or RNA, only viruses can have one or the other, may have single stranded DNA (always the exception)

­ DNA is a polymer of Nucleic Acid­ Nucleic Acid is made up of Nucleotides, double  stranded, connected together by hydrogen bonds, its helix shape makes it compact

What is the meaning of binary fission?

­ Duplicating DNA: relax DNA, separate two strands, make a copy for each one, then  have two

­ Nucleotide: sugar, phosphate, nitrogen base (ATCG) 

­ All cells have double stranded DNA, including plasmid, chloroplasts, and  mitochondria

Genes

­ segments of chromosome code for a specific protein­ called a gene ­ not all DNA are genes, only segments of genes 

­ some genes made code for an RNA molecule that is not coded for a protein ­ Virus­ few hundred genes 

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­ Bacteria­ couple thousand genes 

What is nucleotide?

If you want to learn more check out Which of the following is not an example of stabilizing selection?
We also discuss several other topics like What are the different types of observational studies?

­ Humans­ tens of thousands of genes (in Eukaryotes) 

­ every gene has a start and an end 

­ every gene has to be expressed, this happens in the form of RN ­ every gene copes for one molecule of RNA 

­ more complex the organism is, the more genes it has 

­ Vertical Gene Transfer: from parent gene directly to daughter gene 

­ Horizontal Gene Transfer: in bacteria, conducted through conjugation, transformation, and transduction If you want to learn more check out What are the six submodules of mental grammar?

­ Conjugation: there is direct contact, DNA is copied from the daughter and the copy of  DNA is transferred to the recipient, there is a Vector that carries the DNA­ the  plasmid, disease­causing genes are passed on through this conjugation, virulence  genes, antibiotic resistance genes/pathogenic genes

­ Transformation: pick up DNA from the environment (naked DNA), no direct contact,  DNA comes from other cells that die and cause DNA to be free, this process isn't very common, use this in lab to introduce genes into bacteria­ can be in the form of  plasma, also is a lab technique to introduce DNA into a host

­ Transduction: virus, attack one host­picks of DN fragment­ transfer to another host,   happens very naturally, carry toxic genes from one bacteria to another, involved in  spreading resistant genes, do not kill the host just carry the genes from one host to  another

­ Reverse Transcript: take RNA and copy it to DNA 

Bacteria­phage, take from one bacteria into the new bacteria—> then has a piece of  gene from another bacteria

Virus do exactly what plasmid does, one virus attacks one host—>picks up DNA from  that host and carries to another

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Exotoxins: contribute to the diseases, they kill human cells, genes encoding these  toxins are carried by phage, they go from one bacteria to another and carry these genes with them, We also discuss several other topics like What is an independent variable?

­ Transposons­ carry genes from one bacteria to another, can jump from chromosome  to plasmid or from plasmid to chromosome, help plasmid to carry gene from  chromosome also, sometimes called jumping genes, when these genes reach the  chromosome they are more permanent

­ Naked­DNA, Cell­free DNA 

Replication of DNA

­ Binary Fission: the cell doubling, replication (exact copy of the DNA) 

­ Enzymes involved in replication: Helicase­ unwinds the DNA and opens it up,  Primate­Synthesizes the RNA primer & is required to start replication, DNA  polymerase­ adding bases to the new DNA chain; proofreading the chain for mistakes & removes primer­closes gaps­repairing mismatches, Ligase­ final binding of nicks in  DNA during synthesis and repair, Topiosomerases­ supercoiling and untangling If you want to learn more check out What are the accounting standards in the us?

­ Bacterial DNA circulator: 

­ Duplicating DNA: relax DNA, separate two strands, make a copy for each one, then  have two

­ 3 Prime side of strand, and 5 prime side of strand, the replication always goes from 5  to 3, DNA polymerase always synthesizes in one way

­ Replication always starts at one point ORI, it is Bi­directional­ it goes both ways, goes from 5­3 direction 

­ Replication is semi­conservative (one strand is old from the parent cell, one strand is  new)

­ the two strands are complimentary, G —> C, C —> G (3 hydrogen bonds), A —> T, T —>  A (2 hydrogen bonds), two strands are anti­parallel (5­3, then 3­5) If you want to learn more check out What is reciprocal influence?

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­ You can tell one strand from the other by regarding the Anti­parallel aspect and the  complimentary aspect

­ To start replication you need a Primer, RNA 

­ during replication one strand is segments and one strand is in one piece 

­Replication SUMMARIZED: Double stranded, one chromosome, circulator, super  coiled­compact molecule, always starts at ORI, moves in both directions, goes 5’—3’  direction, needs a RNA primer to start, semi­conservative, the two strands are  complimentary, are antiparallel, LIGASE&SIMPLE DIAGRAM OF RE

­ Genomic: the study of genes and structures 

­ Bioformatic: the science of comparing DNA 

Transcription

­ from DNA to RNA, read DNA and then make RNA 

­ transcription:  

­ making copy of DNA in form of RNA 

­ has multiple forms, tRNA­ mRNA­ rRNA 

­ all microbes in protein synthesis  

­ segments of DNA that code for RNA segment is called a gene 

­ some RNA molecules are made to make protein, some are not 

­ mRNA: codes for protein, where info comes from to make a protein, CODON­ used  as a template for making the protein

­ tRNA: help synthesize the protein coded for by mRNA 

­ RNA polymerase uses DNA as a template, it then reads the gene, and then  synthesizes RNA

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Translation 

­ Protein synthesis/translation, end result is a protein molecules 

­ the size and composition of ribosome in human is different from those in bacteria 

­ some antibiotics target bacterial ribosomes instead of human ribosomes because  they are different

­ happens at the Ribosome (every cell must have a ribosome) 

­ Ribosome is a complex molecule made of proteins plus RNA 

­ mRNA transcript reads the mRNA and uses it as a template to 

­ mRNA carries Codon for Amino Acid, a strand of molecule made of GCUA, every 3  base pair is one Amino Acid—> a polypeptide

­ Codons are triplets­ each Codon for a different Amino Acid, different combinations  code for different things

­ Ribosome hooks the tRNA and Amino acid together 

­ tRNA has a matching codon, an anti­codon, binds to an amino acid and brings them  to the Ribosome

­ Initiation: first step of translation, mRNA is sandwiched between two ribosome 

­ Elongation: second step of translation, a new amino acids and the polypeptide chain  is growing

­ UNDERSTAND CONCEPT OF EACH STEP 

­ Termination:  

Point Mutations

­ Spontaneous Mutations: mistakes naturally made by DNA polymerase, key is to have mistakes fixed

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­ Fidelity of Mutation:  DNA polymerase will go and correct itself and repair anything  that went wrong

­ Frameshift happens halfway through where you either add a base pair or remove a  base pair

Sequencing DNA

­ GCAT……

­ Human Genome Project: has all human genes/mitochondria/chromosome  sequenced, we know the sequence of DNA all the way from the first humans

Studying DNA

­ Gel Electrophora: Run it through gel and observe it, put DNA on the gel, run it  through electricity, then turned from negative to positive, this technique visualizes  DNA for you

­ RFLP: a friendly technology, used by law enforcement agency, takes human DNA  runs it through enzyme restriction, then runs it through the gel, every human has a  different pattern,used by forensic scientists to identify DNA from different sources 

­ Restriction Endonucleases: enzymes that cut DNA at certain points, cut DNA into  segments 

­ Restriction Enzymes: cut DNA with the enzyme, Restriction enzyme cuts the DNA at  different places­this is a natural source, take plasmids and cut them the same as  DNA­ connect them together to create Recombinant DNA (DNA from at least 2  sources)

Polymerase Chain Reaction

­ every cycle the DNA is doubled 

­ the key is what type of primer to use to perform the PCR 

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­ no matter how small it is we are now able to extract DNA from it 

­ DNA has to denature and open up and synthesize in this process Prokaryotes to Eukaryotes

Ti plasmid: bacteria that attacks plant, this has been tamed, now able to be put into  Eukaryotes­plants, introduced genes from other plants

Some Mutagens and their Affects

Base Analaog: structured, GCAU

Alkylating agent: example­ nitrosoguanidine­ incorrect pairing—>point mutation Some chemicals damage 

Ames Test

­ FDA will require any new product to be testes through this for carcinogen (can cause  cancer)

­ every chemical in the new product has to be tested 

­ Simple test: bacteria grown on a plate, in the plate their is a missing amino acid, the  bacteria cant grow, you then add the amino acid to the plate to trick the bacteria,  some chemicals can cause that bacteria to grow even without amino acid 

­ Cancer: unregulated growth, whatever cancer you have: your cells keep growing  uncontrollably, each cell has a control gene

DNA Repair

­ DNA constantly repairs itself 

­ DNA polymerase is an enzyme that replicates 

­ Exonuclease Activity: chopping the DNA, cutting it back 

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­ if damage is not fixed, it becomes a mutation 

Recombinant DNA technology

­ Labs have been able to adjust DNA 

­ intentionally modifies genomes of organisms, by natural and artificial processes, for  practical purposes

­ Work with DNA, extract it, through genetic engineering 

­ phenotype: a gene that is expressed 

Tools of Recombinant DNA technology

­ Reverse Transcriptase: converts RNA to DNA, comes from HIV, good for us when we have to take a copy of RNA into the DNA form

­ Restriction Enzymes: use to cut your DNA and cut your vectors (plasmid, viruses,  man­made plasmid)

­ gene libraries: collection of Bacteria that each carry 2 DNA 

­ Protoplast fusion: two cells—> membrane fuses together—> become one cell, if they  have cell wall it has to be dissolved

Applications of Recombinant DNA technology

­ take pieces of pathogen, put it into another bacteria to grow 

­ taken protanes from different pathogens but into new bacteria 

­ RFLP: patterns of restriction enzyme, cutting DNA 

­ it is possible to express pathogens/genes into humans, to produce protein in your  body

­ plants, animals, fungi, parasites, protozoans —> Eukaryotes

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­ Endosymbiosis 

­ Monera—> unicellular, prokaryotes

­ not everyone has cell wall, bacteria does—> peptidoglycan

­ fungi and plants have cell wall 

Viruses

­ Acellular, no hallmarks of the cell 

­ lots of activity, but not alive, has an automatic pilot, is functional, works and does  what its supposed to do

­ Smaller than all else, nanometers (nm) 

­ need Electron Microscopy to see them 

­ can’t be grown on a plate, always need a host

­ Flask used to grow virus­ is a host, monolayer­ destructed when virus attacks 

­ make monolayer by taking host (animal tissue, human/plant tissue) homogenize it,  grows for few days and dies off­ primary culture­ comes straight from source, fuse  normal cell with cancer cell and that cell will grow forever

­ plaques: one virus got in, killed the host, cleared it out, bacteria­ colonies—> viruses plaque

­ fewer genes than others, has few hundred 

­ obligate intercellular parasite, always need host, have to be inside host cant just  attach to host

­ Virus can recognize skin as a host or respiratory system as a host, go straight to that  portion of host and cause issues there

­ eating food with Hepatitis A gives you Hepatitis A­straight to liver, Hepatitis C­ blood  or sex­ goes to specific liver to attack 

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­ Archaea attacked by viruses 

­ made of piece of protane and a piece of nucleic acid 

­ Capsid­ (protein), these proteins assemble automatically 

­ Nucleic Acid­ DNA and RNA, single­stranded or double­stranded, one or the other  but all possible 

­ cell “envelope” made of lipids, not membrane but similar to membrane

­ spikes­ needle embedded into the envelope of the virus molecule, allows attachment  to a specific host, additional layer

­ not a lot of cure, not a lot of treatment 

­ when attacking a human, the virus takes your polymerase & ATP to attack you and  your system, they take control of your movement

­ smallest of all molecules, some 15­20 nanometers 

­ unique structure­ Icosohedron­ multi face shape, covers the nucleic acid, due to  shape of the capsid

Viral Replication

­ set of steps to make sure virus gets into host 

­ attaches with capsid or spikes 

­ inject DNA or RNA into the host through penetration, the capsid remains outside­  sometimes gets in with the DNA­capsid then needs to get out of the host­happens  through Un­coating (additional step)­ target to stop virus from initiating suffocation

­ Synthesize­ make virus pieces, make all components of the virus, made inside the  host

­ Assemble­ put the pieces together at the same time, aka packaging or maturation,  made of Pre­formed components

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­ Release­ rupturing the cell to release all the viruses, lysis of the host, host is  disrupted, one virus gets into the host ­ hundred get out

­ using host polymerase the cells make more of themselves 

­ as the virus squeezes out of the host they carry a piece of membrane with them  which becomes their envelope, spikes develop later

­ this describes a typical Human virus (DNA) 

­ when viruses come in as an RNA virus and needs to go through a process to convert  RNA into DNA­ involves an enzyme called reverse transcription—> RNA copy to DNA —> DNA inserted into host for replication

­ HIV is a Retrovirus­ has to be converted to DNA first, take RT inhibiters  

­ when virus is inserted into the chromosome of the host­ stage of life called ProVirus­  refers to the DNA of the virus embedded into the chromosome of the host

­ as host replicates, DNA replicates, make more viruses  

One Step Growth Curve

­ After attachment and penetration and start of assembly there is a period of time  where no virus is detectable

­ during this period it is called Biosynthesis and Maturation—> Eclipse Period ­ once assembly stops they viruses are coming and keep showing up at the same time 

Viral Syndromes

­ oral and respiratory tract infections 

­ flu­like (body ache, feeling under the weather, heaviness on your system) and  systematic symptoms

­ congenital, neonatal and perinatal viruses 

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­ infections of the CNS 

­ Hepatitis ­ liver 

Important Human Virus Families

viruses­ herpes variety­ family of possible types

chicken pox viruses

Pollo virus

families: groups of viruses that have similar characteristics

Animal defenses against viral infection

­ fever: speeds up the immune system, slows down bacteria, viruses get killed,  beneficial immune system response

­ interferon: antiviral proteins, effect RNA viruses 

­ antibioties: proteins produced by immune system that recognizes viruses and  neutralizes them 

­ targeting viruses for cure are difficult because you have to target human cells 

­ Few Successful Drugs: need a drug that targets the viral mechanism instead of the  host machinery/system—> tamiflu: attack influenza virus A and B, amantadine,  acyclovir, ribovirin

­ viruses are obligate intracellular pathogens, this means they must have a host to  replicate or multiply, use the hosts machinery (metabolism, synthesis system,  transcription, translation, etc)

Properties of viruses

­ obligate intracellular parasites of bacteria, protozoa, fungi, algae, archaea  ­ must use host machine 

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­ ultramicroscopic­ submicroscopy­ Electron Microscope 

­ made of same polymers of others 

­ acellular, no cell membrane, not self­regulated, no regulation of their activities  ­ RNA or DNA as their genetic material (not both) 

­ could be single or double stranded 

­ Host specific 

­ must have capsid, must have nucleic acid, matrix proteins (spikes) may or may not  have 

oncogene: cause uncontrollable growth, this causes a tumor formation, example of this  type of virus is the Retroviruses

virus brings gene with them that takes over the gene of the human cell, takes control of  the hosts cell division

Virus Induced Changes in Cells

­ Virus gets in, starts multiplying and making more viruses­ Acute infection 

­ Permissive or productive infection: results in acute infection and host cell lysis (break up), typical outcome of virus infection

­ Abortive or non­productive: no viruses produced, no harm to the host 

­ Persistent infection: keep producing viruses at low level, host survives but keeps  making viruses, not good for the host, turns your system into a virus making  machinery, form of chronic infection

­ Latent: virus lives in you, stays in you, one day may flare up and cause problems,  also chronic, no virus produced, just hosted with possible flare up at any point

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­ transforming: cancer, transformation into malignant cells 

­ cytopathic effects (CPE): visual effects of the virus on the host, you can see from  eyes or under a microscope, cell lysis is a form, causes damages to the cell that can  be visualized, results in different infections (latent infection)

Latent Infections

­ virus lives with the host 

­ Herpes virus: HSV­1 oral, HSV­2 genital 

­ Chicken Pox 

­ CMV: causes mono  

­ EBV: Burkitt’s lymphoma­ type of cancer­HIV

Chronic Infections

­ Hepatits B & C: effects liver, plasma­saliva­genital secretions 

­ can cause cancer 

- cirrhosis- makes liver spongy, cells damaged

­ carcinoma: cancer 

­ Rubella virus: congenital­pass onto the fetus 

Viruses & Cancer

Cell division is a highly regulated process

Neoplasia­ uncontrollable cell division

mass of neoplastic cells is a tumor

Benign vs. Malignant tumors: metastasis, cancers

HPV: genital warts, can result in tumor

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Characteristics of Prions 

­ Acellular, non­cellular structures 

­ Mad­Cow disease 

­ Alpha helix­normal 

­ Beta sheet­ abnormal 

­ accumulation of Beta sheet protein results in neurological damage 

Microbial Pathogenesity

­ CDC­ keep in touch with this website, updated information 

­ microbes can possess molecules and structures that cause disease ­ Survival of the fittest 

­ very simple structures, no internal organelles­ no nucleus no mitochondria, grow  rapidly­ allows exchange of waste and brining in nutrients

­ survive harsh conditions­produce endospores, attachment devices help this­pili  capsule fibre

­ Capsule protects it against the immune system  

­ Symbiosis: Normal Flora­ symbiotic relationship with us, bacteria, no virus, no  parasite, this changes as your age changes 

­ no association of microbes in areas like middle, inner ear, sinuses, circulatory  system, glands, organs, brain and spinal cord, ovaries and testes

­ Epidermis­ constantly growing and shedding off dead cells, top layer of skin, covers a large portion, cooler, lower pH, salt

­ Staph can live on the skin 

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The Infectious Triangle 

­ Host—> Microbe —> Environment

­ number of how much you get exposed to microbes is important 

­ ID50 & LD50: the number of microbes that cause disease, lower the number the  lower the ID50­ the more virulence 

­ Immunocompromised Individuals: have some form of immune system deficiency,  receive immune suppressant drugs, receiving radiation or cancer qualifies, diabetes,  HIV

­ low ID50: get sick more often, come into contact with low amount of bacteria this will  get you sick

­ LD50: lower the lethal dose, the more vicious the bacteria is, a certain level will kill  you

­ Intracellular pathogens: the virus most go into the host to multiple, must go inside  obligate and intracellular to use the host machinery, protected when the immune  system try to fight off the pathogen

­ Biggest difference from bacteria­ bacteria uses its own system 

­ Extracellular systems: have more room to spread and move 

­ Produced toxins will send throughout the system­ by transportation by things like  living under the nails

Bacterial Pathogens

­ Usual pathogen: go there and touch it, you get sick 

­ Opportunistic pathogen: have to have a certain environment to infect you ­ Endotoxin­ Gram negative bacteria 

­ Systemic infection: spreads through several sites of the tissue fluids  16

Monday, February 15, y 

­ Focal infections: start at one point but spread of other locations from that point ­ Chronic infection: slow but long process, progresses over time 

Virulence Factors

­ attachment devices: pili, fimbrae, capsule, glycocalyx  

­ Virulence Factors can be an enzyme, a structure, a toxin, even simply just being able  to grow and invade

­ Extracellular enzymes: use to breakdown host barriers  

­ Toxins: exotoxins/endotoxins, produced by both Gram positive and Gram negative, it  is both produced and secreted, LPS­ only gram negative

­ Phagocytosis: white blood cells engulf and remove bacteria from the body 

Exotoxins & Endotoxins

­ LPS­ outer membrane of gram negative bacteria, endotoxin, part of Lipid A­ most  toxic part of LPS, causes inflammation, fever, drop in blood pressure, coagulation,  released when bacteria is dead, weakly toxic

­ Endotoxins: LOS & LPS 

­ Exotoxin: almost all gram negative, affects many things, made of proteins,  extracellular, highly toxic, enters body with high immune response, one can inactivate exotoxin and convert to toxoid (inactivated endotoxin, can be used as vaccine)

­ Endotoxins: proteins 

­ Examples: Hyaluronidase­ enzyme bacteria produces that allows the bacteria to  spread­makes an invasive bacteria­ facilitates movement for bacteria to go further  into the system, Hemolysin­ kills RBC, Leukocidin: kills WBCs, Alpha Toxin: kills all  kinds of cells, Streptokinase: blood clots, blocks bacteria from entering your system,  Coagulase: molecule forms clot around bacteria to protect it from the immune system to get into

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Monday, February 15, y 

­ Respiratory tract is a main area where bacteria accesses into the system 

­ Endotoxins are always gram negative, toxic in high does, LPS­LOS part of structures  of bacteria, a small amount released when the bacteria is goring 

­ Exotoxins­ made of proteins secreted to the outside and they cause damage outside,  make toxoid with this not endotoxins­ used for vaccine production, highly toxic

Sources and Transmission of Infectious Agents

­ Soil­ not easy to survive in, not much nutrients, lots of composition, worry about  Endospores in soil­ bacterial, dormant, inactive, survive harsh conditions,  Clostridium­ causes Tetanus, fungal spores as well, not lots of viruses or parasites 

­ People who work with livestock are at risk of Bacilles, causes skin problem, Antrax  disease, in the form of endospore in the soil

Portals of Entry

­ 1) Skin: staph related­causes skin infection, strep­ flesh eating bacteria, herpes virus 

­ 2) Mucous Membrane: includes digestive tract, urogenital tract­HIV­chlamydia,  respiratory tract­fungi­bacteria­fungi, opening your mouth, inside body cavities, most  common entry

­ 3) Parenteral route: cutting your skin, Genital Tract, bit by an insect, bypass  conventional layers, surgery, cuts/bruises

­ Placenta can allow pass through to the fetus, congenital birth defect­ something  happened when fetus was developed in the womb

­ use the same routes for exit as well, can enter through one route and exit through the other as well

­ capsule­ antiphagocytic  

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Monday, February 15, y 

Modes of Transmission 

­ Communicable diseases: 

­ Direct contact: touching, sexual  

­ Indirect: airborne disease­travel more than a meter distance, droplet, sneezing,  famine: nonliving means of transmission through non direct contact­ drink from the  same glass­same razor­towels

­ Vehicle transmission: food and water 

­ Vector transmission: flies, mosquitos, other insects  

­ Arthopod borne disease 

­ no bacteria inside the womb, as fetus passes through birth control it accesses  bacteria, bacteria then becomes part of the normal flora of the body  

­ kids need some exposure to bacteria while growing up and developing to build  immunity to them 

Normal Flora

­ bladder­ urethra­ bacteria here, kidney, if you hold bladder to long, bacteria will travel  up and give you a kidney infection, flushing with urine gets the bacteria out

­ respiratory tract­ lung has antibacterial action to kill bacteria 

­ reproductive system­ no bacteria in uterus­ovaries­fallopian tubes 

­ Incubation period­time for bacteria to grow and multiply­ exposed to the disease and  where symptom start to show up­ can be hours or months, rabies is several weeks to  months

­ Prodromal Stage: flu­like symptoms 

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­ Convalescent period: final stage, recovery  

­ you are infectious through any stage of this process ^^ 

­  signs­ someone else cans see­rashes­reddness, 

­  symptoms­ feel but cannot see­pain­flu­like symptoms,  

­ syndrome­ collection of signs and symptoms­Ex: AIDS­not just one thing 

­ Reservoir infection: where disease is found on a regular basis, could be through  nature, lakes, animals, humans

­ carrier: carries disease and can transport it to another, healthy person can do this,  chronic carrier: carries disease for a long period of time, non­living or living

­ Zoonotic disease: disease from animal to human, only get from animals, rabies­ from  bites of animals­ west nile virus­ through mosquito bites, plague­ rodents bite humans

­ malaria­ human to human from mosquito, not zoonotic  

­ Arthropod borne diseases: carried through mosquitos  

Koch’s Postulates­ observation, isolation, Inoculate second subject, observe same as  original, re­isolate, compare , found one microbe­ one disease—> this doesn't apply to  all diseases 

only infectious diseases are caused by microbes

not possible to isolate in pure culture in some agents 

Nosocomial Infections

­ diseases acquired at a healthcare facility, staff, doctor, bathroom, being exposed to  elements of being sick  

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- Epidemiology 

­ study of the origin and spread of disease 

­ everything about the disease, how what when where why, all info besides treatment ­ they collect data and analyze the results and experiment 

­ CDC 

­ Pandemic: worldwide, passed through several countries 

­ Epidemic: in a region 

­ Endemic: ongoing disease, in population all the time, like a cold 

­ less infectious diseases now because of antibiotics, treatments, etc 

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