» , » Üks geen üks ensüüm

Üks geen, üks ensüüm

         92
Avaldamise kuupäev: 24. juuli 2018

    

Üks geen-üks ensüüm hüpotees on 1940. aastate alguses välja pakutud idee, et iga geen kontrollib ühe ensüümi sünteesi või aktiivsust. Geneetika ja biokeemia valdkondi ühendava kontseptsiooni pakkusid välja Ameerika geneetik George Wells Beadle ja Ameerika biokeemik Edward L. Tatum, kes viisid läbi Neurospora crassa uuringuid. Nende katsed hõlmasid esmalt vormi pildistamist mutatsioone indutseerivate röntgenikiirgusega ja seejärel selle kultiveerimist minimaalses kasvusöötmes, mis sisaldas ainult metsiktüüpi tüve ellujäämiseks vajalikke olulisi toitaineid. Nad leidsid, et mutantsed hallitustüved vajavad kasvamiseks teatud aminohapete lisamist. Seda teavet kasutades suutsid teadlased siduda spetsiifiliste geenide mutatsioonid üksikute ensüümide häiretega metaboolsetes radades, mis tavaliselt toodavad puuduvaid aminohappeid. Nüüd on teada, et mitte kõik geenid ei kodeeri ensüümi ja mõned ensüümid koosnevad mitmest lühikesest polüpeptiidist, mida kodeerivad kaks või enam geeni.

Geeni ekspressioon on protsess, mille käigus geeni pärilik informatsioon muundatakse funktsionaalseks produktiks – RNA-ks või valguks. Geeniekspressiooni saab reguleerida protsessi kõikides etappides: transkriptsiooni ajal, translatsiooni ajal ja valkude translatsioonijärgsete modifikatsioonide etapis.

Geeniekspressioon on evolutsiooniliste muutuste substraat.

Geeniekspressiooni reguleerimine transkriptsiooni tasemel prokarüootides:

Transkriptsiooni reguleerimine rakkudes toimub üksikute geenide, nende plokkide ja isegi tervete kromosoomide tasemel. Võimalus juhtida paljusid geene tagab reeglina ühiste regulatoorsete nukleotiidjärjestuste olemasolu neis, millega interakteeruvad sama tüüpi transkriptsioonifaktorid. Vastuseks spetsiifiliste efektorite toimele omandavad sellised tegurid võime seostuda suure täpsusega reguleerivate geenijärjestustega. Selle tagajärjeks on vastavate geenide transkriptsiooni nõrgenemine või tugevnemine. Kolm peamist transkriptsioonietappi, mida bakterirakud kasutavad RNA sünteesi reguleerimiseks, on initsiatsioon, pikenemine ja lõpetamine.

Eukarüootsete geenide ekspressioon erineb prokarüootide ekspressioonist:

1) Eukarüootidel on kolme tüüpi RNA polümeraase: RNA polümeraas1 katalüüsib ribosomaalsete geenide transkriptsiooni. RNA polümeraas2 katalüüsib kõigi struktuursete geenide transkriptsiooni. RNA polümeraas3 katalüüsib tRNA ja 5S-ribosomaalse RNA transkriptsiooni (katalüüsib ainult eukarüootides esinevate mRNAde teket).

2) Eukarüootide promootorpiirkond on pikem.

3) Eukarüootides on mis tahes geen esindatud vahelduvate kodeerivate ja mittekodeerivate järjestustega. Kodeerimine - eksonid, mittekodeerimine - intronid.

4) Eukarüootidel on valkude poolt äratuntavad võimendajad. Need võivad asuda transkriptsiooni algusest üsna kaugel. Võimendaja ja sellega seotud valk lähenevad RNA polümeraasi-DNA sidumissaidile.

5) On olemas "summutid", mis suruvad maha transkriptsiooni.

Üks geen, üks ensüümi hüpotees, viitab sellele, et iga geen võib kodeerida ainult ühte polüpeptiidahelat, mis omakorda võib sisalduda allüksusena keerukamas valgukompleksis. Teooria esitasid G. Beadle ja E. Tatum 1941. aastal neurospooride geneetilise ja biokeemilise analüüsi põhjal, et katsetingimustes, erinevate mutatsioonide mõjul, oli biokeemiliste reaktsioonide ahelatest ainult üks. lülitatakse iga kord välja. Kahtlused selle teooria absoluutses kehtivuses tekkisid seoses süsteemi "kaks geeni - üks polüpeptiid" avastamisega, aga ka kattuvate geenide olemasoluga. Funktsionaalsest vaatenurgast on see teooria tingimuslik seoses multifunktsionaalsete valkude avastamisega.

Rakkude eksisteerimise mustrid ajas. Rakuline (elu)tsükkel. apoptoos ja nekroos. Mitootiline (proliferatiivne) tsükkel. Mitootilise tsükli peamised sündmused. Mitootilise tsükli paljunemis- (interfaas) ja eraldumise (mitoos) faasid. Rakkude proliferatsiooni probleemid meditsiinis.

rakutsükkel- see on raku eksisteerimise periood alates selle tekkimise hetkest emaraku jagunemise teel kuni tema enda jagunemiseni või surmani.

Rakutsükli oluline komponent on mitootiline tsükkel- omavahel seotud ja ajas koordineeritud sündmuste kompleks, mis toimub raku jagunemiseks ettevalmistamise protsessis ja jagunemise enda käigus. Lisaks hõlmab elutsükkel nii paljurakulise organismi spetsiifiliste funktsioonide raku täitmisperioodi kui ka puhkeperioode. Puhkeperioodidel ei ole raku otsest saatust kindlaks määratud: see võib alustada mitoosiks valmistumist või alustada spetsialiseerumist teatud funktsionaalses suunas.

Mitootilise tsükli kestus on enamikul rakkudel 10 kuni 50 tundi Mitootilise tsükli bioloogiline tähtsus seisneb selles, et see tagab kromosoomide järjepidevuse rakupõlvkondade seerias, mahult ja sisult samaväärsete rakkude moodustumise. pärilikku teavet. Seega on tsükkel eukarüootset tüüpi rakulise organisatsiooni taastootmise üldine mehhanism individuaalses arengus.

seisnevad emaraku pärilikkusmaterjali reduplikatsioonis (isekahendamises) ja selle materjali ühtlases jaotumises tütarrakkude vahel. Vastavalt kahele peamisele mitootilise tsükli sündmusele selles eraldada paljunemis- ja eraldusfaasid, mis vastavad klassikalise tsütoloogia interfaasile ja mitoosile.

apoptoos- programmeeritud rakusurm, reguleeritud enesehävitusprotsess raku tasandil, mille tulemusena rakk killustub eraldi apoptootilistest kehadest, mida piirab plasmamembraan. Surnud raku fragmendid fagotsüteeritakse tavaliselt väga kiiresti makrofaagide või naaberrakkude poolt, vältides põletikulise reaktsiooni teket. Apoptoosi protsess kestab 1-3 tundi. Apoptoosi üks peamisi funktsioone on defektsete (kahjustatud, mutantsete, nakatunud) rakkude hävitamine.

Nekroos- patoloogiline protsess, mis väljendub lokaalses koesurmas elusorganismis mis tahes eksogeense või endogeense kahjustuse tagajärjel. Nekroos avaldub tsütoplasma valkude turse, denaturatsiooni ja koagulatsioonina, rakuorganellide ja lõpuks kogu raku hävimises. Kõige sagedasemad nekrootiliste koekahjustuste põhjused on: verevarustuse katkemine ja kokkupuude bakterite või viiruste patogeensete saadustega.

30. Mitootiline tsükkel. Vahefaaside perioodide peamised sündmused. Mitoosi faaside sisu ja tähendus. Mitoosi bioloogiline tähtsus.

Mitootiline(proliferatiivne)tsükkel - omavahel seotud ja koordineeritud sündmuste kompleks, mis toimub raku jagunemiseks ettevalmistamise protsessis ja jagunemise enda käigus. Lisaks sisaldab elutsükkel lahtri täitmise periood mitmerakuline organism spetsiifilisi funktsioone samuti puhkeperioodid. Puhkeperioodidel ei ole raku otsene saatus kindlaks määratud: see võib alustada mitoosiks valmistumist või alustada spetsialiseerumist teatud funktsionaalses suunas. Enamiku rakkude mitootilise tsükli kestus on 10 kuni 50 tundi.

Mitootilise tsükli bioloogiline tähtsus on see, et see tagab kromosoomide järjepidevuse paljudes rakupõlvkondades, päriliku teabe mahu ja sisuga samaväärsete rakkude moodustumise. Seega on tsükkel eukarüootset tüüpi rakulise organisatsiooni taastootmise üldine mehhanism individuaalses arengus.

Mitootilise tsükli peamised sündmused on sees reduplikatsioon(enese kahekordistamine) emaraku pärandmaterjalist ja in ühtlane jaotus sellest materjalist tütarrakkude vahel. Nende sündmustega kaasnevad regulaarsed muutused keemilises ja morfoloogilises organisatsioonis kromosoomid - tuumastruktuurid, millesse on koondunud üle 90% eukarüootse raku geneetilisest materjalist (loomaraku tuumavälise DNA põhiosa asub mitokondrites).

Kromosoomid koostoimes ekstrakromosomaalsete mehhanismidega tagavad: a) geneetilise teabe salvestamise, b) selle teabe kasutamise rakulise organisatsiooni loomiseks ja säilitamiseks, c) päriliku teabe lugemise reguleerimise, d) geneetilise teabe kahekordistamist (isekopeerimist). materjal, e) selle ülekandmine emarakust tütrele .

Rakkude muutused mitootilises tsüklis.

Mitootilise tsükli kahe peamise sündmuse järgi eristatakse seda paljunemisvõimeline ja jagamine vastavad faasid interfaas ja mitoos klassikaline tsütoloogia (joon. 2.11).

Interfaasi algsegmendis ( postmitootiline, presünteetiline, või Gi-periood) taastatakse faasidevahelise raku organisatsiooni tunnused, telofaasis alanud tuuma moodustumine on lõpule viidud. Märkimisväärne (kuni 90%) valku siseneb tsütoplasmast tuuma. Tsütoplasmas, paralleelselt ultrastruktuuri ümberkorraldamisega, intensiivistub valkude süntees. See aitab kaasa rakumassi kasvule. Kui tütarrakk peab sisenema järgmisse mitoositsüklisse, muutuvad sünteesid suunatuks: tekivad DNA keemilised prekursorid, ensüümid, mis katalüüsivad DNA reduplikatsioonireaktsiooni ja sünteesitakse valk, mis selle reaktsiooni käivitab. Seega viiakse läbi interfaasi järgmise perioodi - sünteetilise - ettevalmistamise protsessid.

AT sünteetiline või S-periood raku pärandmaterjali hulk kahekordistub. See seisneb DNA heeliksi lahknemises kaheks ahelaks, millele järgneb komplementaarse ahela süntees nende mõlema lähedal. Tulemuseks on kaks identset mähist. Ema omadega komplementaarsed DNA molekulid moodustuvad eraldi fragmentidena kogu kromosoomi pikkuses, pealegi mitte-sünkroonselt (asünkroonselt) sama kromosoomi erinevates osades, aga ka erinevates kromosoomides. Seejärel pakid (replikatsiooniühikud - replikonid) vastmoodustunud DNA "ristseotud" üheks makromolekuliks.

Sünteesiperioodi lõpust mitoosi alguseni kulub ajavahemik postsünteetiline(premitootiline), või G 2 - periood interfaasid. Seda iseloomustab intensiivne RNA ja eriti valkude süntees. Tsütoplasma massi kahekordistumine on lõpetatud võrreldes interfaasi algusega. See on vajalik raku mitoosi sisenemiseks.

Eukarüootsete geenide ekson-introni korralduse ja alternatiivse splaissimise võimaluse avastused on näidanud, et primaarse transkripti sama nukleotiidjärjestus võib tagada mitme erineva funktsiooniga polüpeptiidahela või nende modifitseeritud analoogide sünteesi. Näiteks pärmi mitokondrid sisaldavad kasti (või cob) geeni, mis kodeerib tsütokroom b hingamisensüümi. See võib eksisteerida kahel kujul: 6400 aluspaari pikkusel "pikal" geenil on 6 eksonit kogupikkusega 1155 aluspaari. ja 5 intronit. Geeni lühike vorm koosneb 3300 bp. ja sellel on 2 intronit. See on tegelikult "pikk" geen, millel puuduvad kolm esimest introni. Geeni mõlemad vormid on võrdselt hästi ekspresseeritud.

Pärast "pika" kasti geeni esimese introni eemaldamist, mis põhineb kahe esimese eksoni kombineeritud nukleotiidjärjestusel ja osal teise introni nukleotiididest, moodustub sõltumatu valgu, RNA maturaasi matriit (joonis fig. 3.43). RNA maturaasi ülesanne on tagada splaissimise järgmine etapp - teise introni eemaldamine primaarsest transkriptsioonist ja lõpuks tsütokroom b malli moodustamine.

Teine näide on lümfotsüütide antikehamolekulide struktuuri kodeeriva primaarse transkripti splaissimise mustri muutus. Antikehade membraanivormil on C-otsas pikk aminohapete "saba", mis tagab valgu fikseerimise membraanil. Antikehade sekreteeritud vormil sellist saba ei ole, mis on seletatav seda piirkonda kodeerivate nukleotiidide eemaldamisega primaarsest transkriptsioonist splaissimise käigus.

Viiruste ja bakterite puhul on kirjeldatud olukorda, kus üks geen võib olla samaaegselt teise geeni osa või mõni DNA nukleotiidjärjestus võib olla osa kahest erinevast kattuvast geenist. Näiteks faagi FX174 genoomi füüsilisel kaardil (joonis 3.44) on näha, et B-geeni järjestus paikneb A-geeni sees ja E-geen on osa D-geeni järjestusest. faagi genoomi korraldus suutis selgitada olemasolevat lahknevust selle suhteliselt väikese suuruse (koosneb 5386 nukleotiidist) ja kõigi sünteesitud valkude aminohappejääkide arvu vahel, mis ületab antud genoomi mahu jaoks teoreetiliselt lubatu. Erinevate peptiidahelate kokkupanemise võimaluse kattuvatest geenidest (A ja B või E ja D) sünteesitud mRNA-le tagab ribosomaalsete sidumissaitide olemasolu selles mRNA-s. See võimaldab teise peptiidi translatsiooni alustada uuest võrdluspunktist.

B-geeni nukleotiidjärjestus on samuti osa A-geenist ja E-geen on osa D-geenist.

λ-faagi genoomist leiti ka kattuvaid geene, mis tõlgiti nii kaadrinihkega kui ka samas lugemisraamis. Samuti eeldatakse, et sama DNA piirkonna mõlemast komplementaarsest ahelast saab transkribeerida kahte erinevat mRNA-d. See eeldab promootorpiirkondade olemasolu, mis määravad RNA polümeraasi liikumise erinevates suundades piki DNA molekuli.

Kirjeldatud olukorrad, mis annavad tunnistust samast DNA järjestusest erineva teabe lugemise lubatavusest, viitavad sellele, et kattuvad geenid on viiruste ja võib-olla ka prokarüootide genoomi organiseerimisel üsna tavaline element. Eukarüootides võimaldab geenide katkestus sünteesida ka erinevaid peptiide, mis põhinevad samal DNA järjestusel.

Seda kõike silmas pidades on vaja geeni määratlust muuta. Ilmselgelt ei saa enam rääkida geenist kui pidevast DNA järjestusest, mis unikaalselt kodeerib spetsiifilist valku. Ilmselt tuleks praegu siiski kõige vastuvõetavamaks pidada valemit "Üks geen – üks polüpeptiid", kuigi mõned autorid soovitavad seda muuta: "Üks polüpeptiid - üks geen". Igal juhul tuleks terminit geen mõista kui päriliku materjali funktsionaalset üksust, mis oma keemilise olemuse poolest on polünukleotiid ja määrab polüpeptiidahela, tRNA või rRNA sünteesimise võimaluse.

Üks geen üks ensüüm.

1940. aastal kasutasid J. Beadle ja Edward Tatum uut lähenemist, et uurida, kuidas geenid pakuvad ainevahetust mugavamal uurimisobjektil – mikroskoopilisel seenel Neurospora crassa .. Nad said mutatsioonid, milles; puudus ühe või teise metaboolse ensüümi aktiivsus. Ja see tõi kaasa asjaolu, et mutantseen ei suutnud ise sünteesida teatud metaboliiti (näiteks aminohapet leutsiini) ja sai elada ainult siis, kui toitainekeskkonda lisati leutsiin. J. Beadle'i ja E. Tatumi sõnastatud teooria "üks geen – üks ensüüm" saavutas geneetikute seas kiiresti laialdase tuntuse ning nad ise pälvisid Nobeli preemia.

meetodid. nn biokeemiliste mutatsioonide valik, mis põhjustab erinevaid metaboolseid radu tagavate ensüümide tegevuse häireid, on osutunud väga viljakaks mitte ainult teaduse, vaid ka praktika jaoks. Esiteks viisid need geneetika ja tööstuslike mikroorganismide selektsiooni tekkeni ning seejärel mikrobioloogiatööstuseni, kus kasutatakse mikroorganismide tüvesid, mis toodavad üle selliseid strateegiliselt olulisi aineid nagu antibiootikumid, vitamiinid, aminohapped jne. Valiku ja geenitehnoloogia põhimõtted Ületootjate tüved põhinevad arusaamal, et "üks geen kodeerib ühte ensüümi". Ja kuigi see idee on suurepärane praktika, toob mitme miljoni dollari suuruse kasumi ja päästab miljoneid elusid (antibiootikumid), pole see lõplik. Üks geen ei ole ainult üks ensüüm.

"

1. Geen on DNA molekuli osa, mis on päriliku informatsiooni funktsionaalne üksus.

1. Geen hõivab kromosoomis teatud ala – lookuse.

2. Rekombinatsioon võib toimuda geeni sees.

3. DNA, mis on osa geenist, on võimeline paranema.

4. On geene: struktuursed, reguleerivad jne.

5. Kolmikute paigutus on aminohapetega komplementaarne (lugemisraami nihkega mutatsioonid).

6. Genotüüp, olles diskreetne (koosneb üksikutest geenidest), toimib tervikuna.

7. Geneetiline kood on universaalne.

8. Geneetiline kood on degenereerunud (paljude aminohapete jaoks on rohkem kui üks koodon-sait)

9. Geenid paiknevad kromosoomis lineaarses järjekorras ja moodustavad aheldusrühma. Aheldusrühmade arv vastab haploidsele kromosoomide komplektile (23 inimesel või 24 soolise reservatsiooniga – x ​​ja y kromosoomid).

Valkude struktuuri määrab nende peptiidahelate aminohapete komplekt ja järjestus. Just see peptiidide aminohapete järjestus krüpteeritakse DNA molekulides geneetilise koodi abil.

Geneetilise koodi omadused:

1. kolmik- iga aminohapet kodeerib kolm külgnevat nukleotiidi.
2. Degeneratsioon- paljud aminohapped on krüpteeritud mitme kolmikuga.
3. Spetsiifilisus- iga kolmik võib kodeerida ainult ühte kindlat aminohapet.
4. Mitmekülgsus- koodi täielik vastavus erinevate elusorganismiliikide puhul.
5. Järjepidevus- nukleotiidjärjestusi loetakse kolm korda kolm korda ilma lünkadeta.
6. Mittekattuvad koodonid- naaberkolmikud ei kattu üksteisega.

20. Valgusünteesi ribosomaalne tsükkel (initsiatsioon, pikenemine, lõpetamine). Valkude translatsioonijärgsed transformatsioonid.

Geneetilise koodi abil salvestatud pärilik informatsioon talletub DNA molekulidesse, kuid see ei osale otseselt raku elutegevuse toetamises. Vahendaja rolli, kelle ülesanne on tõlkida DNA-sse salvestatud pärilik informatsioon töötavasse vormi, täidab RNA. Ribosoomidel viiakse läbi mRNA ja tRNA interaktsiooni protsess, mis tagab teabe tõlke nukleotiidide keelest aminohapete keelde. Ribosomaalsed RNA-d pole mitte ainult ribosoomide struktuurne komponent, vaid tagavad ka nende seondumise spetsiifilise mRNA nukleotiidjärjestusega. See määrab peptiidahela moodustumise ajal alguse ja lugemisraami. Lisaks pakuvad nad interaktsiooni ribosoomi ja tRNA vahel. Ribosoomidel on 2 soont. Üks neist hoiab kasvavat polüpeptiidahelat, teine ​​mRNA-d. Lisaks eraldatakse ribosoomides 2 tRNA-d siduvat kohta. Aminoatsüül-tRNA asub aminoatsüüli A-saidis, kandes spetsiifilist aminohapet. Peptüül-, P-sektsioonis asub tavaliselt tRNA. A- ja P-saitide moodustumist tagavad ribosoomi mõlemad alaühikud. Tõlke võib jagada kolme faasi: initsiatsioon, pikenemine ja lõpetamine.

Initsiatsioonifaas seisneb kahe eelnevalt tsütoplasmas eraldatud ribosoomi alamosakese ühendamises teatud mRNA kohas ja esimese aminoatsüül-tRNA kinnitamises sellele. See seab ka raami mRNA-s sisalduva teabe lugemiseks.

pikenemise faas või peptiidi pikenemine, hõlmab kõiki reaktsioone alates esimese peptiidsideme moodustumise hetkest kuni viimase amk kinnitumiseni. See on tsükliliselt korduv sündmus, mille puhul toimub spetsiifiline äratundmine järgmise koodoni aminoatsüül-tRNA kohta, mis asub A-saidis, mis on komplementaarne antikoodoni ja koodoni vahelise seosega. Lõpetamise faas või polüpeptiidi sünteesi lõpuleviimine, on seotud ühe terminatsioonikoodoni (UAA, UAG, UGA) äratundmisega spetsiifilise ribosoomivalgu poolt, kui see siseneb ribosoomi A-saidi tsooni. Sel juhul kinnitub vesi peptiidahela viimase amc külge ja selle karboksüülots eraldatakse tRNA-st. Selle tulemusena kaotab valminud peptiidahel ühenduse ribosoomiga, mis laguneb kaheks alamosakeseks.

Valkude translatsioonijärgne transformatsioon. Translatsiooni käigus sünteesitud peptiidahelad omandavad primaarstruktuuri alusel sekundaarse ja tertsiaarse ning paljud kvaternaarse organisatsiooni, mille moodustavad mitmed peptiidahelad. Sõltuvalt valkude poolt täidetavatest funktsioonidest võivad nende aminohappejärjestused läbida erinevaid transformatsioone, moodustades funktsionaalselt aktiivseid valgumolekule. Paljud membraanivalgud sünteesitakse eelvalkudena, mille N-otsas on liiderjärjestus, mis tagab neile membraani äratundmise. Sekretoorsetel valkudel on N-otsas ka liiderjärjestus, mis tagab nende transpordi läbi membraani. Mõned valgud kannavad vahetult pärast translatsiooni täiendavaid aminohapete pro-järjestusi, mis määravad aktiivsete valgu prekursorite stabiilsuse. Valkude küpsemise ajal need eemaldatakse, võimaldades inaktiivse proproteiini üleminekut aktiivseks valguks. Moodustades translatsioonijärgsete transformatsioonide käigus tertsiaarse ja kvaternaarse organisatsiooni, omandavad valgud võime aktiivselt toimida, kuuludes teatud rakustruktuuridesse ning täites ensümaatilisi ja muid funktsioone.

Geeni ja tunnuse suhe. Hüpotees "üks geen - üks ensüüm", selle kaasaegne tõlgendus: "üks geen - üks polüpeptiidahel"

Gene - DNA molekuli osa, mis kannab teavet polüpeptiidahela või makromolekuli struktuuri kohta. Ühe kromosoomi geenid paiknevad lineaarselt, moodustades aheldusrühma. Kromosoomis olev DNA täidab erinevaid funktsioone. Geenid on väikese suurusega, kuigi koosnevad tuhandetest aluspaaridest. Geeni olemasolu tehakse kindlaks geeni tunnuse (lõppsaaduse) avaldumisega.

Mendeli jaoks on geen vaid pärimisseaduse määratlemiseks sobiv sümbol. Seos geeni ja tunnuse (produkti) vahel avastati käärimist uurides õhuvabas keskkonnas – 1902 Garrod. Ta uuris alkaptonuuriaga patsientide sugupuud, jõudis järeldusele, et haigus on lämmastiku metabolismi rikkumise tagajärg. Karbamiidi asemel moodustub tume aine. Batsi abiga 1908. aastal tehti ettepanek, et haigus esineb retsessiivsetel homosügootidel, kellel puudub mingisugune ensümaatiline reaktsioon, mis viib substraadi kuhjumiseni ja väljutamiseni, mis tavaliselt oleks pidanud olema poolitatud. Inimese veri sisaldab homogentishapet, kuid tavaliselt laguneb see homogentishappe oksüdaasi toimel maleiinatsetaadiks, seejärel veeks ja süsinikdioksiidiks. Patsientidel ei ole oksüdaasi, mistõttu hape koguneb ja eritub uriiniga.

Albinism on ka päritav, kuigi seda esineb palju sagedamini. Selle haiguse korral puudub ensüüm, mis muudaks türosiini melaniiniks.

Kuni 1940. aastani jagunesid teadlaste arvamused kaheks, kuid teooriat polnud. 1940 – Beadle ja Tatum oletas: 1 geen - 1 ensüüm. E et hüpotees mängis olulist rolli – teadlased hakkasid kaaluma lõpptooteid. Selgus, et hüpoteesil on piirangud, sest Kõik ensüümid on valgud, kuid mitte kõik valgud pole ensüümid. Valgud on reeglina oligomeerid – st. eksisteerivad kvaternaarses struktuuris. Näiteks tubaka mosaiikkapslis on üle 1200 polüpeptiidi. Praegu on kõige vastuvõetavam hüpotees "Üks geen - üks polüpeptiid". Mõistet geen tuleks mõista kui funktsionaalset pärilikkuse ühikut, mis oma keemilise olemuse poolest on polünukleotiid ja määrab polüpeptiidahela sünteesimise võimaluse.

Geen kui muutlikkuse ühik. Geenimutatsioonid ja nende klassifikatsioon. Geenmutatsioonide põhjused ja mehhanismid. Geenmutatsioonide tagajärjed.

Geen on päriliku materjali elementaarne ühik. Geenimutatsioonid seotud geenide sisestruktuuri muutusega, mis muudab ühe alleeli teiseks.

Geeni moodustava DNA struktuuri muutused võib jagada 3 rühma.

4.2.1. Üks geen, üks ensüümi hüpotees

Esimene uuring. Pärast seda, kui Garrod 1902. aastal juhtis tähelepanu alkaptonuuria geneetilise defekti seosele organismi võimetusega homogentishapet lagundada, oli oluline selgitada välja selle häire konkreetne mehhanism. Sellest ajast saadik oli juba teada, et metaboolseid reaktsioone katalüüsivad ensüümid, võib oletada, et alkaptonuuria põhjustab mõne ensüümi rikkumist. Sellist hüpoteesi arutas Driesch (1896. aastal). Seda väljendasid ka Haldane (1920, vt) ja Garrod (1923). Biokeemilise geneetika arengu olulisteks etappideks olid Kuhni ja Butenandti tööd veskikoi silmavärvi uurimisel. Ephesia kuhniella ja sarnased Beadle'i ja Ephrussi uurimused Drosophila(1936). Nendes teedrajavates töödes valiti geenide toimemehhanismide selgitamiseks varem geneetiliste meetoditega uuritud putukate mutandid. See lähenemine ei toonud aga edu. Probleem osutus liiga keeruliseks ja selle lahendamiseks oli vaja:

1) valima eksperimentaalseks uurimiseks sobiva lihtsa mudelorganismi;

2) otsida biokeemiliste tunnuste geneetilist alust, mitte aga geneetiliselt määratud tunnuste biokeemilist alust. Mõlemad tingimused täitsid Beadle ja Tatum 1941. aastal (vt ka Beadle 1945).

Beadle ja Tatum mudel. Nende artikkel algas nii:

«Füsioloogilise geneetika seisukohalt võib organismi arengu ja toimimise taandada keeruliseks keemiliste reaktsioonide süsteemiks, mida kuidagi juhivad geenid. On üsna loogiline eeldada, et need geenid ... kas toimivad ise ensüümidena või määravad nende spetsiifilisuse. On teada, et geneetilised füsioloogid püüavad tavaliselt uurida juba teadaolevate pärilike tunnuste füsioloogilisi ja biokeemilisi aluseid. See lähenemine võimaldas kindlaks teha, et paljusid biokeemilisi reaktsioone juhivad spetsiifilised geenid. Sellised uuringud on näidanud, et ensüümidel ja geenidel on sama spetsiifilisuse järjekord. Selle lähenemisviisi ulatus on aga piiratud. Kõige tõsisem piirang seisneb selles, et antud juhul satuvad uurijate vaatevälja pärilikud tunnused, millel pole surmavat mõju ja mis on seetõttu seotud organismi eluks väheoluliste reaktsioonidega. Teine raskus ... seisneb selles, et traditsiooniline lähenemine probleemile hõlmab väliselt ilmnevate märkide kasutamist. Paljud neist on morfoloogilised variatsioonid, mis põhinevad nii keerukatel biokeemiliste reaktsioonide süsteemidel, et nende analüüsimine on äärmiselt keeruline.

Need kaalutlused viisid meid järgmise järelduseni. Arengut ja ainevahetust määravate biokeemiliste reaktsioonide geneetilise kontrolli üldise probleemi uurimine tuleks läbi viia kasutades Üldtunnustatud protseduur on vastupidine: selle asemel, et püüda välja selgitada teadaolevate pärilike tunnuste keemilist alust, on vaja kindlaks teha kas geenid juhivad teadaolevaid biokeemilisi reaktsioone ja kuidas nad seda teevad. Ascomycete neurospooril on omadused, mis võimaldavad sellist lähenemisviisi rakendada ja samal ajal on see mugav objekt geneetilisteks uuringuteks. Seetõttu on meie programm üles ehitatud selle konkreetse organismi kasutamisele. Lähtusime sellest, et röntgenkiirgus põhjustab teatud keemilisi reaktsioone kontrollivates geenides mutatsioone. Oletame, et antud keskkonnas ellujäämiseks peab organism läbi viima mingisuguse keemilise reaktsiooni, siis osutub sellisest võimest ilma jäänud mutant nendes tingimustes elujõuetuks. Seda saab aga säilitada ja uurida, kui kasvatada söötmes, kuhu on lisatud geneetiliselt blokeeritud reaktsiooni elutähtsat produkti.

4 Geenide tegevus 9

Riis. 4.1. Biokeemiliste neurospoorsete mutantide tuvastamise katse skeem Täiskeskkonnal ei häiri röntgenikiirguse või ultraviolettkiirguse poolt esile kutsutud mutatsioonid seene kasvu. Kuid mutant ei kasva minimaalsel söötmel. Vitamiinide lisamisel miinimumsöötmele taastub kasvuvõime Aminohapete lisamisel kasvu ei toimu Nende andmete põhjal võib oletada, et mutatsioon toimus geenis, mis kontrollib vitamiini ainevahetust Järgmine samm on tuvastada vitamiin, mis suudab taastada normaalse funktsiooni. Geneetiline blokk leiti vitamiinide biosünteesi reaktsioonide hulgast.

Järgmisena kirjeldavad Beadle ja Tatum katse ülesehitust (joonis 4.1). Täissöötme koostis sisaldas agarit, anorgaanilisi sooli, linnaseekstrakti, pärmiekstrakti ja glükoosi. Minimaalne sööde sisaldas ainult agarit, sooli, biotiini ja süsinikuallikat. Kõige üksikasjalikumalt uuriti mutante, mis kasvasid täissöötmel ja ei kasvanud minimaalsel söötmel. Et luua ühend, mille süntees oli igas mutandis häiritud, lisati minimaalsele agarile täieliku söötme üksikud komponendid.

Sel viisil eraldati tüved, mis ei suutnud sünteesida teatud kasvufaktoreid: püridoksiini, tiamiini ja para-aminobensoehapet. On näidatud, et need defektid on tingitud spetsiifiliste lookuste mutatsioonidest. See töö tähistas arvukate neurospooride, bakterite ja pärmseente uuringute algust, mille käigus loodi vastavus üksikute metaboolsete etappide ja spetsiifiliste ensüümihäirete eest vastutavate "geneetiliste plokkide" vahel. See lähenemisviis on kiiresti arenenud teadlaste vahendiks metaboolsete radade avastamiseks.

Hüpotees "üks geen – üks ensüüm" on saanud tugeva eksperimentaalse kinnituse. Nagu järgnevate aastakümnete töö näitas, osutus see üllatavalt viljakaks. Defektsete ensüümide ja nende normaalsete variantide analüüs võimaldas peagi tuvastada geneetiliste häirete klass, mis viis ensüümi funktsiooni muutumiseni, kuigi valk ise oli endiselt tuvastatav ja säilitas immunoloogilised omadused. Muudel juhtudel muutus ensüümi aktiivsuse temperatuurioptimum. Mõningaid variante võiks seletada mutatsiooniga, mis mõjutab üldist regulatsioonimehhanismi ja muudab selle tulemusena terve rühma ensüümide aktiivsust. Sellised uuringud viisid bakterite geeniaktiivsuse reguleerimise kontseptsiooni loomiseni, mis hõlmas ka operoni mõistet.

10 4. Geenide toime

Esimesed näited ensümaatiliste häirete kohta inimestel. Esimene inimese pärilik haigus, mille puhul võis näidata ensümaatilist häiret, oli retsessiivne methemoglobineemia (Gibson ja Harrison, 1947; Gibson, 1948) (25080). Sel juhul on kahjustatud ensüümiks NADH-sõltuv methemoglobiini reduktaas. Esimene katse metaboolsete defektidega seotud inimeste haiguste rühma süstemaatiliseks uurimiseks tehti 1951. aastal. Glükogeeni ladestumise haiguse uuringus näitasid Corys, et kaheksal juhul kümnest Gierke'i tõvena (23220) diagnoositud patoloogilise seisundi korral oli maksa glükogeeni struktuur normaalne variant ja kahel juhul oli see selgelt häiritud. . Samuti oli ilmne, et liigselt akumuleeruvat maksa glükogeeni ei saa otseselt suhkruks muuta, kuna patsiendid kalduvad hüpoglükeemiasse. Glükogeeni lagundamiseks maksas glükoosiks on vaja palju ensüüme. Neist kaks, amüül-1,6-glükosidaas ja glükoos-6-fosfataas, valiti uurimiseks kui ensüümsüsteemi võimalikud defektsed elemendid. Fosfaadi vabanemist glükoos-6-fosfaadist mõõdeti maksa homogenaatides erinevatel pH väärtustel. Tulemused on esitatud joonisel fig. 4.2. Normaalses maksas leiti kõrge aktiivsus ja optimaalne pH 6-7. Tõsine maksafunktsiooni häire tsirroosi korral korreleerus aktiivsuse kerge langusega. Seevastu surmaga lõppenud Gierke'i tõve puhul ei suudetud ensüümi aktiivsust üldse tuvastada; sama tulemus saadi ka teise sarnase patsiendi uurimisel. Kahel kergemate sümptomitega patsiendil vähenes aktiivsus oluliselt.

Järeldati, et nendel surmaga lõppenud Gierke tõve juhtudel oli glükoos-6-fosfataasi defekt. Kuid enamikul kergematel juhtudel ei olnud selle ensüümi aktiivsus madalam kui maksatsirroosi korral ja ainult kahel patsiendil oli see veidi madalam (joonis 4.2).

Corey abikaasade sõnul ei saa glükogeeni ebanormaalset akumuleerumist lihaskoes seostada glükoos-6-fosfataasi puudumisega, kuna see ensüüm lihastes puudub ja on normaalne. Lihase glükogenoosi võimaliku seletusena pakkusid nad välja amülo-1,6-glükosidaasi aktiivsuse rikkumise. See ennustus leidis peagi kinnitust: Forbes avastas sellise defekti ühes kliiniliselt olulises südame- ja skeletilihaseid hõlmava glükogeeni ladestumise haiguse juhtumis. Nüüd meie

4. Geenide tegevus 11

glükogeeni ladestumise haiguse korral on teada suur hulk ensümaatilisi defekte.

Kuigi selle haiguse erinevad vormid on manifestatsiooni astme poolest mõnevõrra erinevad, on neil kliiniliselt palju ühist. Ühe erandiga on need kõik päritud autosomaalsel retsessiivsel viisil. Kui ensümaatilisi defekte poleks avastatud, loetaks glükogeeni akumuleerumise patoloogiat üheks haiguseks, millel on iseloomulikud perekonnasisesed korrelatsioonid raskuse, sümptomite üksikasjade ja surma ajastuse osas. Seega on meil näide, kus geneetiline heterogeensus, mida sai oletada ainult fenotüübi uurimise põhjal (punkt 3.3.5), leidis kinnitust biokeemilise tasandi analüüsiga: ensümaatilise aktiivsuse uuring võimaldas tuvastada. spetsiifilised geenid.

Järgnevatel aastatel kasvas ensümaatiliste defektide uurimise tempo ja 588 tuvastatud retsessiivse autosomaalse geeni puhul, mida McKusick kirjeldab oma raamatu Mendelian Heritance in Man (1983) kuuendas väljaandes, leiti enam kui 170 juhtumil spetsiifilisi ensümaatilisi häireid. . Meie edusammud selles valdkonnas on otseselt seotud molekulaargeneetika kontseptsioonide ja meetodite väljatöötamisega.

Inimeste ensümaatiliste häirete uurimise mõned etapid. Esitame ainult selle käimasoleva protsessi kõige olulisemad verstapostid: 1934 avastas Völling fenüülketonuuria

1941 Beadle ja Tatum sõnastasid üks geen-üks ensüüm hüpoteesi. 1948 Gibson kirjeldas esimest ensümaatilise häire juhtumit inimese haiguses (retsessiivne methemoglobineemia)

1952 Cory avastas Gierke'i haiguses glükoos-6-fosfataasi puudulikkuse

1953. aastal näitas Jervis fenüülalaniini hüdroksülaasi puudumist fenüülketonuuria korral. Bickel teatas esimesest katsest leevendada ensümaatilist häiret madala fenüülalaniinisisaldusega dieediga.

1955 Smithies töötas välja tärklisegeeli elektroforeesi tehnika

1956 Carson jt avastasid glükoos-6-fosfaatdehüdrogenaasi (G6PD) defekti indutseeritud hemolüütilise aneemia korral

1957 Kalkar jt kirjeldasid galaktoseemia ensümaatilist puudulikkust, näidates, et inimestel ja bakteritel on identne ensümaatiline häire

1961 Krut ja Weinberg demonstreerisid kultiveeritud fibroblastides in vitro galaktoseemia ensüümdefekti

1967 Sigmiller jt avastasid hüpoksantiin-guaniinfosforibosüültransferaasi (HPRT) defekti Lesch-Nyhani sündroomi korral

1968 Cleaver kirjeldas kseroderma pigmentosa ekstsisiooniparanduse rikkumist

1970 Neufeld tuvastas mukopolüsahharidoosides ensümaatilised defektid, mis võimaldasid tuvastada mukopolüsahhariidide lagunemise teed

1974 Brown ja Goldstein tõestasid, et hüdroksümetüülglutarüül-CoA reduktaasi geneetiliselt määratud ületootmine perekondliku hüperkolesteroleemia korral on tingitud defektist membraanil paiknevas madala tihedusega lipoproteiini retseptoris, mis moduleerib selle ensüümi (HMG) aktiivsust.

1977 Sly jt näitasid, et fibroblasti retseptorid tunnevad ära mannoos-6-fosfaadi (lüsosomaalsete ensüümide komponendina). Töötlemise geneetiline defekt takistab lüsosomaalsete ensüümide seondumist, mille tulemuseks on häiritud vabanemine tsütoplasmasse ja sellele järgnev sekretsioon plasmasse (I-raku haigus)

12 4. Geenide toime

1980 Pseudohüpoparatüreoidismi korral avastati defekt valgus, mis tagab retseptori ja tsüklaasi sidestamise.