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La genetica, è la Scienza che studia i geni, l'ereditarietà e la variabilità genetica degli organismi
Da cosa dipendono le nostre caratteristiche? Come si trasmettono?
Perché siamo simili o diversi?
Ogni organismo presenta specifiche caratteristiche:
- Morfologiche
- Fisiologiche
- Comportamentali
Conformazione fisica e strutturale
Organizzazione funzionale
Modalità di azione e reazione
Ognuna di queste singole caratteristiche prende il nome di carattere
Insieme di caratteri morfologici, fisiologici
e comportamentali
FENOTIPO
Il Fenotipo è l’insieme dei caratteri che un organismo manifesta
- Colore occhi
- Forma naso
- Attività enzimatica
- Metabolismo
- Aspetti comportamentali
Caratteri Fenotipici
L’informazione relativa ai diversi caratteri è codificata a livello dei GENI
Un gene rappresenta l’unità informazionale di ogni carattere posseduto da un organismo.
Il Genotipo è l’insieme dei geni di un organismo
Rappresenta il profilo genetico, la dotazione genetica di un organismo
Il termine genotipo può essere riferito anche all’insieme dei geni coinvolti nella determinazione di un singolo carattere fenotipico
Il fenotipo di un organismo è sempre il risultato dell’interazione tra genotipo ed ambiente
FENOTIPO
Caratteri morfologici fisiologici e
comportamentali
Dotazione genetica
Condizioni chimico-fisiche
esterne
= GENOTIPO + AMBIENTE
Interazione
Il genotipo di un organismo è costante durante la sua vita
L’ambiente, entro determinati limiti, può condizionare i caratteri fenotipici
Possono esistere diversi fenotipi ai quali un genotipo può dare luogo al variare delle condizioni ambientali
Esempi di interazione genotipo-ambiente:
Il colore del pelo di un coniglio è un carattere fenotipico
Uno stesso coniglio in primavera presenta una pelliccia bruna, in inverno un manto bianco
Primavera: pelliccia bruna
Inverno: pelliccia bianca
Esempi di interazione genotipo-ambiente:
I cambiamenti ambientali globali potrebbero portare alla comparsa di conigli a pois?
Esempi di interazione genotipo-ambiente:
Il numero di globuli rossi prodotto è un carattere fenotipico
Vivendo in alta quota, il numero di eritrociti aumenta in modo significativo
La trasmissione dei caratteri nel corso delle generazioni prende il nome di EREDITARIETA’
Generazione P
Generazione F1
trasmissione di caratteri
EREDITARIETA’
I caratteri trasmessi alla progenie prendono il nome di Caratteri Ereditari
La trasmissione dei caratteri ereditari è un meccanismo indispensabile per la continuità degli esseri viventi
Tutti gli organismi ereditano una organizzazione strutturale e funzionale dai loro progenitori
“Il simile origina il simile”
Ciò che si eredita dai genitori non sono i caratteri fenotipici, ma l’informazione genotipica
FENOTIPO
GENOTIPO
NO
SI
Ciò che si eredita dai genitori non sono i caratteri fenotipici, ma l’informazione genotipica
I geni parentali vengono trasmessi alla prole attraverso i gameti nel processo di riproduzione
I processi riproduttivi:
- introducono variabilità genetica
- garantiscono una certa continuità della informazione genetica
1) Crossing over 2) Assortimento indipentente dei cromosomi omologhi 3) Fusione dei materiali genetici dei due sessi
Genotipi simili ma non uguali
+ Ambiente
Fenotipi simili ma diversi
I geni codificano per i caratteri fenotipici
Per ogni gene possono essere presenti più alleli
Alleli: Forme diverse di uno stesso gene
Codificano per uno stesso carattere (es. colore occhi)
L’informazione genetica non è la stessa
(colore occhi neri, azzurri, verdi…)
Convenzionalmente gli alleli sono denominati con le lettere dell’alfabeto: - Solo 2 alleli stessa lettera,maiuscola e minuscola
Convenzionalmente gli alleli sono denominati con le lettere dell’alfabeto: - + di 2 alleli lettere diverse
Un cromosoma è caratterizato da una sequenza di Geni, presenti in specifici Loci
Gene A
Gene B
Gene X
Locus A
Locus B
Locus X
I cromatidi fratelli di un singolo cromosoma presentano geni identici in loci corrispondenti
stesso Allele
I cromosomi omologhi presentano geni corrispondenti in loci corrispondenti
1
1
gli Alleli possono essere diversi
I cromosomi omologhi presentano geni corrispondenti in loci corrispondenti
1 1 gli Alleli possono essere diversi
I cromosomi omologhi presentano geni corrispondenti in loci corrispondenti
gli Alleli possono essere diversi
Un cromosoma ha origine materna
l’altro origine paterna
Un individuo diploide, relativamente ad ogni gene presenta in totale 2 alleli: uno su un cromosoma e l’altro sul cromosoma omologo
Si possono avere solo due condizioni:
1) I due alleli sono uguali
2) I due alleli sono diversi
Per un determinato gene, il genotipo può essere omozigote oppure eterozigote
Genotipo relativo ad un gene (o ad un carattere)
Omozigote Eterozigote
Stessi alleli Alleli diversi
A seconda del genotipo gli individui produrranno particolari tipi di gameti
Consideriamo un gene che presenta due sole forme alleliche: A e a
Individuo genotipicamente omozigote
Stesso allele sui 2 cromosomi omologhi
A seconda del genotipo gli individui produrranno particolari tipi di gameti
Consideriamo un gene che presenta due sole forme alleliche: A e a
Individuo genotipicamente eterozigote
Alleli diversi sui 2 cromosomi omologhi
A seconda del genotipo gli individui produrranno particolari tipi di gameti
Omozigoti AA
Omozigoti aa
gameti A
gameti a
Eterozigoti Aa gameti A e gameti a
Gregor Mendel (1822-1884)
Mendel è stato il precursore della genetica moderna
Intuì che l’ereditarietà è legata alla trasmissione di agenti specifici: i GENI
Mendel studiò la trasmissione dei caratteri ereditari osservando i risultati fenotipici ottenuti in seguito alla riproduzione delle piante di pisello
Mendel iniziò i suoi esperimenti ottenendo piante che per un determinato carattere fenotipico erano Linee Pure.
Linee pure per un carattere: individui che per diverse generazioni manifestano sempre lo stesso carattere fenotipico dei genitori
Es: Piante che per diverse generazione portano il fiore bianco, sono una linea pura per il carattere “colore del fiore”
Generazione Parentale
P
1°generazione filiale
2°generazione filiale
3°generazione filiale
F1 F2 F3
LINEA PURA
Le linee pure per un carattere sono organismi genotipicamente omozigoti per quel carattere
Carattere Fenotipico “colore del seme”:
Giallo Verde
2 varianti fenotipiche
Le linee pure per un carattere sono organismi genotipicamente omozigoti per quel carattere
Gene che codifica per il colore del seme
2 alleli
C
Seme giallo
Seme verde
c
Le linee pure per un carattere sono organismi genotipicamente omozigoti per quel carattere
Per ogni gene devono essere presenti due alleli (sui 2 cromosomi omologhi)
Piante a Seme giallo
Genotipo Omozigote CC
Piante a Seme verde
Genotipo Omozigote cc
Mendel decise di incrociare tra loro due linee pure:
Tutte le piante presentavano seme giallo
Piante a seme giallo CC
Piante a seme verde cc
Gameti C Gameti c
P
F1
X
L’incrocio tra linee pure che differiscono per una coppia di caratteri alternativi porta ad una prima generazione uniforme di organismi che presentano tutti uno soltanto dei due caratteri parentali
Dei due fenotipi, uno si manifesta e l’altro scompare
Carattere Recessivo:
Carattere Dominante:
carattere osservabile nella generazione F1
carattere non osservabile nella generazione F1
Per trovare il genotipo degli individui della generazione F1, si utilizza il quadrato di Punnett
CC
cc
C
c
C
c
X
Cc
Cc Cc
Cc
CC cc X
Cc Cc
Tutti gli individui della generazione F1 sono eterozigoti e mostrano lo stesso
carattere (seme giallo)
P
F1
Cc Cc
Cc
Dei due alleli, viene espresso solo l’allele C
C = ALLELE DOMINANTE
c = ALLELE RECESSIVO
(Allele espresso)
(Allele non espresso)
GENOTIPO
1) Omozigote dominante CC
2) Omozigote recessivo cc
3) Eterozigote Cc
FENOTIPO
Seme giallo
Seme giallo
Seme verde
3 GENOTIPI 2 FENOTIPI
Es. di alleli dominanti e recessivi nell’uomo
Carattere: attaccatura del lobo dell’orecchio
Gene: 2 forme alleliche F, f
F = allele dominante
f = allele recessivo
Genotipo
Omozigote dominante FF
Fenotipo
Lobo libero
Eterozigote Ff Lobo libero
Omozigote recessivo ff Lobo attaccato
(FF, Ff) Lobo libero (ff) Lobo attaccato
Es. di alleli dominanti e recessivi nell’uomo
Carattere: attaccatura dei capelli
Gene: 2 forme alleliche W, w
W = allele dominante
w = allele recessivo
Genotipo
Omozigote dominante WW
Fenotipo Attaccatura
a punta
Eterozigote Ww
Omozigote recessivo ww
Attaccatura a punta
Attaccatura lineare
Attaccatura a punta Attaccatura lineare
Il principio della dominanza di Mendel non ha una validità assoluta
Esistono infatti casi di:
- Dominanza incompleta
- Codominanza
Esistono casi in cui nessuno dei due alleli di un gene è completamente dominante sull’altro.
Es. Colore del fiore “Bocca di leone”
Carattere controllato da un gene che presenta due diverse forme alleliche:
R, r Alleli che codificano per il colore
Fiore Rosso
Genotipo
1) Omozigote RR
Fenotipo
2) Omozigote rr Fiore Bianco
3) Eterozigote Rr
?
Fiore Rosso
Fiore Bianco
Fiore Rosso
Genotipo
1) Omozigote RR
Fenotipo
2) Omozigote rr Fiore Bianco
3) Eterozigote Rr Fiore Rosa
Nessuno dei due alleli (R,r) domina sull’altro
Gli eterozigoti manifestano un fenotipo con caratteristiche intermedie e distinte
ai fenotipi degli omozigoti
Non esiste un allele dominante ed uno recessivo
La Codominanza è un fenomeno che si verifica quando due alleli sono entrambi dominanti e quindi si manifestano fenotipicamente
Es: Gruppi sanguigni
Il gruppo sanguigno dell’uomo è un carattere determinato da un gene (I) che presenta tre forme alleliche:
IA
IB
I
3 Alleli
ALLELIA MULTIPLA
Un gene presenta più di 2 alleli
1) IA IA
2) IAI
3) IB IB
4) IB I
5) IAIB
6) I I
Genotipi
Gli alleli IA e IB sono dominanti rispetto all’allele I
1) IA IA
2) IAI
3) IB IB
4) IB I
5) IAIB
6) I I
Genotipi Fenotipi (antigene)
Gruppo sanguigno A
Gruppo sanguigno A
Gruppo sanguigno B
Gruppo sanguigno B
Gruppo sanguigno 0
Gli alleli IA e IB sono CODOMINANTI, si manifestano entrambi fenotipicamente
Vengono sintetizzati sia gli antigeni A che gli antigeni B
1) IA IA
2) IAI
3) IB IB
4) IB I
5) IAIB
6) I I
Genotipi Fenotipi (antigene)
Gruppo sanguigno A
Gruppo sanguigno A
Gruppo sanguigno B
Gruppo sanguigno B
Gruppo sanguigno 0
Gruppo sanguigno AB
Principio dominanza:
Incrociando linee pure solo uno dei due fenotipi si manifesta nella generazione F1,
l’altro scompare
Mendel incrocia tra loro individui della F1, ed osserva i risultati fenotipici nella generazione F2
Seme giallo
Cc
Seme giallo
Cc X
F1
F2
Mendel incrocia tra loro individui della F1, ed osserva i risultati fenotipici nella generazione F2
Nella generazione F2 ricompare il carattere recessivo
Alcuni individui presentano i semi verdi
Mendel incrocia tra loro individui della F1, ed osserva i risultati fenotipici nella generazione F2
Mendel osservò che il numero di piante a seme giallo era 3 volte maggiore di quelle a seme verde
Seme giallo
Seme verde
Mendel incrocia tra loro individui della F1, ed osserva i risultati fenotipici nella generazione F2
Il rapporto tra fenotipo dominante e recessivo era pari a 3:1
Seme giallo
3:1
Seme verde
Carattere dominante
Carattere recessivo
X P
F1
F2
Il carattere recessivo non scompare, ma rimane latente
La F1 riceve i “fattori determinanti” da
entrambi i genitori
X P
F1
F2
Questi fattori si devono separare,
altrimenti tutti gli individui di F2
sarebbero identici
Ogni carattere fenotipico è sotto il controllo di una coppia di fattori (alleli), che nel corso della riproduzione segregano con uguale probabilità in gameti diversi
Mendel intuì l’esistenza dei geni, la presenza dei cromosomi omologhi ed il processo di meiosi
Generazione
P Fiori
viola
Fiori
bianchi
Generazione
F1
(Ibridi) Tutte le piante
hanno fiori viola
Generazione
F2 3:1
Incrocio monoibrido:
Incrocio che coinvolge un solo carattere fenotipico presente in due varianti
Es. incrocio tra piante con seme verde e piante con seme giallo
- 1 carattere fenotipico (colore seme) - 2 varianti (giallo, verde)
Incrocio dibrido: Incrocio che coinvolge due caratteri fenotipici, ognuno presente in due varianti
Es. incrocio tra piante con seme verde e rugoso e piante con seme giallo e liscio
-2 caratteri fenotipici (colore e forma del seme) - 2 varianti (giallo, verde; liscio, rugoso)
Incrocio dibrido: Incrocio che coinvolge due caratteri fenotipici, ognuno presente in due varianti
Mendel realizzò incroci diibridi per verificare se i caratteri fossero ereditati
indipendentemente tra loro
Mendel incrociò piante di linee pure per due caratteri dominanti con piante di linee pure per due caratteri recessivi
Es:
2 caratteri
Colore seme
Forma seme
D R
D R
1) Seme giallo e liscio
2) Seme verde e rugoso
Linee pure per 2 caratteri
Individui genotipicamente
omozigoti
1) Seme giallo e liscio
2) Seme verde e rugoso
Genotipi
CC LL
L = allele dominante l = allele recessivo
Forma seme
cc ll
Seme giallo e liscio
Seme verde e rugoso
CC LL cc ll
P X
Tutte le piante hanno seme giallo e liscio
F1
Mendel incrocio tra loro gli individui della generazione F1 ed osservò i risultati fenotipici nella generazione F2
L’incrocio portò alla comparsa di individui con 4 fenotipi diversi
- Semi gialli e lisci
Fenotipi
- Semi gialli e rugosi
- Semi verdi e lisci
- Semi verdi e rugosi
Rapporti fenotipici
9
3
3
1
L’incrocio portò alla comparsa di individui con 4 fenotipi diversi
Semi gialli e lisci
Semi gialli e rugosi
Semi verdi e rugosi
Semi verdi e lisci
Ogni volta che due o più coppie di caratteri fenotipici contrastanti si trovano insieme in un ibrido, gli alleli di coppie diverse segregano indipendentemente l’uno dall’altro
Ogni carattere è trasmesso alla prole indipendentemente dagli altri caratteri
Ogni volta che due o più coppie di caratteri fenotipici contrastanti si trovano insieme in un ibrido, gli alleli di coppie diverse segregano indipendentemente l’uno dall’altro
Ciò dipende dal meccanismo di assortimento indipente dei cromosomi omologhi durante la meiosi
Cc Ll
Gli individui della generazione F1 produco 4 tipi di gameti differenti:
Gameti CL
Gameti Cl
Gameti cL
Gameti cl
Ogni volta che due o più coppie di caratteri fenotipici contrastanti si trovano insieme in un ibrido, gli alleli di coppie diverse segregano indipendentemente l’uno dall’altro
La 2° legge di Mendel è valida solo se i caratteri si trovano su due cromosomi diversi
Ogni volta che due o più coppie di caratteri fenotipici contrastanti si trovano insieme in un ibrido, gli alleli di coppie diverse segregano indipendentemente l’uno dall’altro
Se i 2 caratteri si trovano sullo stesso cromosoma non segregano
indipendentemente tra loro
Le leggi di Mendel sono valide nel caso di caratteri fenotipici monogenici
Un carattere fenotipico è condizionato dalla presenza di un solo gene
Carattere Monogenico
1 gene 1 carattere fenotipico (+ alleli)
Le leggi di Mendel sono valide nel caso di caratteri fenotipici monogenici
Un carattere fenotipico è condizionato dalla presenza di un solo gene
Carattere Monogenico
gene C Colore del seme
(alleli C,c)
Molti caratteri fenotipici dell’uomo sono caratteri poligenici
Un carattere fenotipico è il risulato dell’azione combinata di più geni
Più geni sono coinvolti nell’espressione di un unico carattere fenotipico
Pleiotropia: un solo gene è responsabile per più di un carattere fenotipico
1 Gene carattere fenotipico 1 carattere fenotipico 2 carattere fenotipico 3
Più caratteri fenotipici
Es. pleiotropia nell’uomo
Gene che codifica per l’ormone della crescita
Altezza Dimensione mani
Dimensione piedi
Più effetti fenotipici
Per mutazione genetica si intende qualsiasi modificazione stabile a carico del materiale genetico
Una mutazione determina una variazione del GENOTIPO
Una mutazione genetica non determina necessariamente una variazione fenotipica
CC
Seme giallo
Cc
Seme giallo
(omozigote
dominante) (eterozigote)
MUTAZIONE
Il genotipo è variato, il fenotipo no
CC
Seme giallo
CC*
Seme giallo
(omozigote
dominante) (eterozigote)
MUTAZIONE
Il genotipo è variato, il fenotipo no
Le mutazioni genetiche possono essere classificate in base alla scala di azione:
3) Mutazioni Genomiche
1) Mutazioni Geniche
2) Mutazioni Cromosomiche
Le mutazioni genetiche possono essere classificate in base alla scala di azione:
1) Mutazioni Geniche
- Riguardano un singolo gene o una sua parte
- Determinano alterazione o inattivazione di un gene, comparsa di nuovi alleli…
Le mutazioni genetiche possono essere classificate in base alla scala di azione:
2) Mutazioni Cromosomiche
- Modificano la struttura e la sequenza genica di uno o più cromosomi
Le mutazioni genetiche possono essere classificate in base alla scala di azione:
3) Mutazioni Genomiche
- Determinano una variazione dell’assetto complessivo del cariotipo (es. variazione del numero dei cromosomi)
Molte malattie dell’uomo sono causate da mutazioni geniche
Spesso la mutazione di un gene porta alla comparsa di alleli non funzionali o la cui espressione è deleterea per la salute umana
A
A* Mutazione
Le mutazioni geniche possono riguardare il materiale genetico di cellule somatiche o di cellule germinali
Malattie genetiche somatiche:
Riguardano solo l’individuo che subisce la mutazione genica e non possono essere trasmesse alla prole
Sono dovute a mutazioni che coinvolgono i geni dei cromosomi presenti nelle cellule somatiche
Malattie genetiche ereditarie:
La mutazione sarà trasmessa alle generazioni future e quindi la malattia genetica è ereditabile
Sono dovute a mutazioni che coinvolgono i geni dei cromosomi presenti nelle cellule germinali
Malattie genetiche dominanti
Si manifestano in tutti gli individui che possiedono almeno una copia dell’allele mutato (*)
Gene X
Es.
allele X* mutazione
Malattie genetiche dominanti
Si manifestano in tutti gli individui che possiedono almeno una copia dell’allele mutato (*)
Es. Genotipo Fenotipo
- Omozigote XX
- Eterozigote XX*
- Omozigote X*X* Malato
Malato
Sano
Malattie genetiche dominanti
Si manifestano in tutti gli individui che possiedono almeno una copia dell’allele mutato (*)
La malattia si verifica anche in caso di eterozigosi
Malattie genetiche recessive
Si manifestano solo in individui omozigoti per l’allele mutato (*)
Es. Genotipo Fenotipo
- Omozigote XX
- Eterozigote XX*
- Omozigote X*X* Malato
Portatore sano
Sano
Malattie genetiche recessive
Si manifestano solo in individui omozigoti per l’allele mutato (*)
Fenotipicamente non manifesta la malattia, ma genotipicamente porta una copia dell’allele mutato
Eterozigote = Portatore sano
Le malattie genetiche ereditarie coinvolgono mutazioni a carico del materiale genetico delle cellule germinali
I gameti hanno un cariotipo n = 23
22 autosomi + 1 eterosoma (X oppure Y)
Le malattie genetiche ereditarie coinvolgono mutazioni a carico del materiale genetico delle cellule germinali
Gene di un Autosoma
Gene di un Eterosoma
mutazione mutazione
Malattia genetica autosomica
Malattia genetica legata al sesso
Le malattie genetiche autosomiche sono dovute a mutazioni a carico di geni presenti sui cromosomi autosomici
La loro trasmissione avviene con identiche modalità nei due sessi
Le malattie genetiche autosomiche sono dovute a mutazioni a carico di geni presenti sui cromosomi autosomici
Malattie autosomiche
Dominanti Recessive
Le malattie autosomiche dominanti si verificano sia in caso di omozigosi dominante che di eterozigosi
- X*X*
- XX*
Generalmente la malattia è letale: gli individui muoiono
Individui malati
Spesso la malattia si manifesta in età avanzata, quando l’individuo ha già generato figli
Le malattie autosomiche dominanti si verificano sia in caso di omozigosi dominante che di eterozigosi
Es.
Corea di Huntigton, ipercolesterolemia familiare, poliposi del colon
Genitore sano Genitore malato
Figlio malato
Figlio malato
Figlio sano
Figlio sano
X X X* X
X X*
X X X
X X X*
P
F1
50% 50%
XX*
XX
X*
X
X
X
x
XX
XX
XX*
XX*
Ciascun individuo che eredita l’allele mutato eredita anche la malattia
Le malattie autosomiche recessive si verificano solo in caso di omozigosi recessiva (X*X*)
Es.
Fibrosi cistica, sordità congenita, albinismo, anemia falciforme
Genitore portatore sano
Genitore portatore sano
Figlio sano
Figlio portatore
sano
Figlio malato
X X* X X*
X X
X X* X*
X* X* X
P
F1
25%
Figlio portatore
sano
Le malattie genetiche legate al sesso sono dovute a mutazioni a carico di geni presenti sui cromosomi eterosomici
La loro trasmissione avviene con modalità differenti nei due sessi
La probabilità di acquisire una malattia legata al sesso è diversa tra maschi e femmine
Ogni individuo, essendo diploide, possiede due cromosomi eterosomici:
XX
XY
Sesso Femminile
Sesso Maschile
Anche le malattie legate al sesso si distinguono in dominanti e recessive, ma ciò non ha senso in riferimento agli individui di sesso maschile
I geni dei cromosomi X ed Y del maschio, essendo presenti in unica copia, sono sempre espressi
Malattie legate al sesso
Malattie legate al cromosoma Y
(Y-Linked)
Malattie legate al cromosoma X
(X-Linked)
Dominanti Recessive
Malattie legate al sesso
Malattie legate al cromosoma Y
(Y-Linked)
Malattie legate al cromosoma X
(X-Linked)
- Molto rare
- Coinvolgono solo i maschi
: il cromosoma Y è molto piccolo
: non si presentano e non si trasmettono alle femmine
Dominanti: X* domina su X
UOMO
XY: sano
X*Y: malato
Le malattie dominanti X-linked sono in genere letali per l’uomo
(50%)
(50%)
Dominanti: X* domina su X
DONNA
XX: sana
XX*: malata
Le malattie dominanti X-linked sono più frequenti nelle donne
(33,3%)
(33,3%)
X*X*: malata (33,3%) 2/3
Madre sana Padre malato
Figlia malata
Figlia malata
Figlio sano
Figlio sano
X X X* Y
X X*
X Y X
X Y X*
P
F1
Tutte le femmine sono malate
Tutti i maschi sono sani
X*Y
XX
Y
X
X*
X
x
XX*
XX*
XY
XY
I maschi ricevono il cromosoma Y dal padre; il cromosoma col gene mutato è ceduto alle figlie femmine
Recessive: X domina su X*
Questo tipo di malattie è più frequente nei maschi (che presentano un solo cromosoma X) che nelle femmine (che presentano due cromosomi X)
Es. Emofilia, distrofia muscolare, daltonismo
Madre portatrice sana Padre sano
Figlia sana
Figlia portatrice
sana
Figlio sano
Figlio malato
X X* X Y
X X
X Y X*
X* Y X
P
F1
50% femmine portatrici
50% maschi malati