» , » Yksi geeni yksi entsyymi

Yksi geeni, yksi entsyymi

         92
Julkaisupäivämäärä: 24. heinäkuuta 2018

    

Yksi geeni yksi entsyymi -hypoteesi on 1940-luvun alussa esitetty ajatus, että jokainen geeni ohjaa yhden entsyymin synteesiä tai aktiivisuutta. Genetiikan ja biokemian alat yhdistävän konseptin ehdottivat amerikkalainen geneetikko George Wells Beadle ja amerikkalainen biokemisti Edward L. Tatum, jotka suorittivat Neurospora crassan tutkimusta. Heidän kokeisiinsa sisältyivät ensin muodon kuvantaminen mutaatioita aiheuttavaan röntgensäteeseen ja sen jälkeen sen viljeleminen minimaalisessa kasvualustassa, joka sisälsi vain villityypin kannan selviytymiseen tarvittavat välttämättömät ravintoaineet. He havaitsivat, että mutanttihomekannat vaativat tiettyjen aminohappojen lisäämistä kasvaakseen. Näiden tietojen avulla tutkijat pystyivät yhdistämään tiettyjen geenien mutaatiot yksittäisten entsyymien häiriöihin aineenvaihduntareiteillä, jotka normaalisti tuottaisivat puuttuvia aminohappoja. Nyt tiedetään, etteivät kaikki geenit koodaa entsyymiä ja että jotkut entsyymit koostuvat useista lyhyistä polypeptideistä, joita koodaa kaksi tai useampi geeni.

Geenien ilmentyminen on prosessi, jolla geenin perinnöllinen informaatio muunnetaan toiminnalliseksi tuotteeksi - RNA:ksi tai proteiiniksi. Geeniekspressiota voidaan säädellä prosessin kaikissa vaiheissa: transkription aikana, translaation aikana ja proteiinien translaation jälkeisten modifikaatioiden vaiheessa.

Geenien ilmentyminen on evoluutiomuutoksen substraatti.

Geeniekspression säätely prokaryoottien transkription tasolla:

Transkription säätely soluissa tapahtuu yksittäisten geenien, niiden lohkojen ja jopa kokonaisten kromosomien tasolla. Kyky hallita monia geenejä pääsääntöisesti varmistetaan yhteisten säätelevien nukleotidisekvenssien läsnäololla niissä, joiden kanssa samantyyppiset transkriptiotekijät ovat vuorovaikutuksessa. Vasteena spesifisten efektorien toiminnalle tällaiset tekijät saavat kyvyn sitoutua suurella tarkkuudella sääteleviin geenisekvensseihin. Seurauksena on vastaavien geenien transkription heikkeneminen tai vahvistuminen. Kolme pääasiallista transkription vaihetta, joita bakteerisolut käyttävät säätelemään RNA-synteesiä, ovat aloitus, elongaatio ja lopetus.

Eukaryoottisten geenien ilmentyminen eroaa prokaryoottien ekspressiosta:

1) Eukaryooteilla on kolmen tyyppisiä RNA-polymeraaseja: RNA-polymeraasi1 katalysoi ribosomaalisten geenien transkriptiota. RNA-polymeraasi2 katalysoi kaikkien rakennegeenien transkriptiota. RNA-polymeraasi3 katalysoi tRNA:n ja 5S-ribosomaalisen RNA:n transkriptiota (katalysoi vain eukaryooteissa esiintyvien mRNA:iden muodostumista).

2) Eukaryoottien promoottorialue on pidempi.

3) Eukaryooteissa mitä tahansa geeniä edustavat vuorottelevat koodaavat ja ei-koodaavat sekvenssit. Koodaus - eksonit, ei-koodaus - intronit.

4) Eukaryooteilla on proteiinien tunnistamia tehostajia. Ne voivat sijaita melko kaukana transkription alusta. Tehostaja ja siihen liittyvä proteiini lähestyvät RNA-polymeraasi-DNA-sitoutumiskohtaa.

5) On olemassa "äänenvaimentimia", jotka estävät transkription.

Yksi geeni, yksi entsyymi -hypoteesi, viittaa siihen, että jokainen geeni voi koodata vain yhtä polypeptidiketjua, joka puolestaan ​​voidaan sisällyttää alayksikkönä monimutkaisempaan proteiinikompleksiin. G. Beadle ja E. Tatum esittivät teorian vuonna 1941 neurosporien geneettisen ja biokemiallisen analyysin perusteella, ja he havaitsivat, että koeolosuhteissa, erilaisten mutaatioiden vaikutuksesta, vain yksi biokemiallisten reaktioiden ketjusta oli sammutetaan joka kerta. Epäilykset tämän teorian ehdottomasta pätevyydestä ilmaantuivat "kaksi geeniä - yksi polypeptidi" -järjestelmän löytämisen yhteydessä sekä päällekkäisten geenien olemassaolon yhteydessä. Toiminnallisesta näkökulmasta tämä teoria on ehdollinen monitoimisten proteiinien löytämisen yhteydessä.

Solun olemassaolon mallit ajassa. Solujen (elinkierto). apoptoosi ja nekroosi. Mitoottinen (proliferatiivinen) sykli. Mitoosisyklin tärkeimmät tapahtumat. Mitoosisyklin lisääntymisvaiheet (interfaasit) ja erotteluvaiheet (mitoosi). Solujen lisääntymisen ongelmat lääketieteessä.

solusykli- tämä on solun olemassaolon ajanjakso sen muodostumisesta emosolun jakautuessa sen omaan jakautumiseen tai kuolemaan.

Tärkeä osa solusykliä on mitoottinen kierto- joukko toisiinsa liittyviä ja ajallisesti koordinoituja tapahtumia, jotka tapahtuvat valmisteltaessa solua jakautumista varten ja itse jakautumisen aikana. Lisäksi elinkierto sisältää ajanjakson, jonka solu suorittaa monisoluisen organismin erityisiä toimintoja, sekä lepojaksoja. Lepojaksojen aikana solun välitöntä kohtaloa ei määrätä: se voi joko aloittaa mitoosiin valmistautumisen tai aloittaa erikoistumisen tiettyyn toiminnalliseen suuntaan.

Useimpien solujen mitoosisyklin kesto on 10-50 tuntia Mitoosisyklin biologinen merkitys on, että se varmistaa kromosomien jatkuvuuden solusukupolvien sarjassa, tilavuudeltaan ja pitoisuudeltaan vastaavien solujen muodostumisen. perinnöllistä tietoa. Siten kierto on yleinen mekanismi eukaryoottityypin soluorganisaation lisääntymiselle yksilön kehityksessä.

koostuvat emosolun perinnöllisen materiaalin replikaatiosta (itsekaksinkertaistumisesta) ja tämän materiaalin tasaisesta jakautumisesta tytärsolujen välillä. Sen mitoosisyklin kahden päätapahtuman mukaan osoittaa lisääntymis- ja erotusvaiheet, jotka vastaavat klassisen sytologian interfaasia ja mitoosia.

apoptoosi- ohjelmoitu solukuolema, säädelty itsetuhoprosessi solutasolla, jonka seurauksena solu fragmentoituu erillisiksi apoptoottisiksi kappaleiksi, joita rajoittaa plasmakalvo. Makrofagit tai naapurisolut fagosytoivat yleensä hyvin nopeasti kuolleiden solujen fragmentit ohittaen tulehdusreaktion kehittymisen. Apoptoosiprosessi kestää 1-3 tuntia. Yksi apoptoosin päätehtävistä on viallisten (vaurioituneiden, mutanttien, infektoituneiden) solujen tuhoaminen.

Nekroosi- patologinen prosessi, joka ilmenee paikallisena kudoskuolemana elävässä organismissa minkä tahansa eksogeenisen tai endogeenisen vaurion seurauksena. Nekroosi ilmenee sytoplasman proteiinien turvotuksena, denaturoitumisena ja koaguloitumisena, soluelinten ja lopulta koko solun tuhoutumisena. Yleisimmät nekroottisten kudosvaurioiden syyt ovat: verenkierron katkeaminen ja altistuminen bakteerien tai virusten patogeenisille tuotteille.

30. Mitoosisykli. Välivaiheiden päätapahtumat. Mitoosin vaiheiden sisältö ja merkitys. Mitoosin biologinen merkitys.

Mitoottinen(proliferatiivinen)sykli - kompleksi toisiinsa liittyviä ja koordinoituja tapahtumia, jotka tapahtuvat valmisteltaessa solua jakautumista varten ja itse jakautumisen aikana. Lisäksi elinkaari sisältää solun suoritusaika monisoluinen organismi erityisiä toimintoja sekä lepojaksot. Lepojaksojen aikana solun välitöntä kohtaloa ei määrätä: se voi joko aloittaa mitoosiin valmistautumisen tai aloittaa erikoistumisen tiettyyn toiminnalliseen suuntaan. Useimpien solujen mitoosisyklin kesto on 10 - 50 tuntia.

Mitoosisyklin biologinen merkitys Se varmistaa kromosomien jatkuvuuden useissa solusukupolvissa, tilavuudeltaan ja perinnöllisen tiedon sisällöltään vastaavien solujen muodostumisen. Siten kierto on yleinen mekanismi eukaryoottityypin soluorganisaation lisääntymiselle yksilön kehityksessä.

Mitoosisyklin tärkeimmät tapahtumat ovat monistaminen(itsensä tuplaaminen) emosolun perinnöllisestä materiaalista ja sisään virka-asujen jakelu tästä materiaalista tytärsolujen välillä. Näihin tapahtumiin liittyy säännöllisiä muutoksia kemiallisessa ja morfologisessa organisaatiossa kromosomit - ydinrakenteet, joihin on keskittynyt yli 90 % eukaryoottisen solun geneettisestä materiaalista (pääosa eläinsolun nukleaarisen DNA:n ulkopuolisesta DNA:sta sijaitsee mitokondrioissa).

Kromosomit vuorovaikutuksessa kromosomin ulkopuolisten mekanismien kanssa tarjoavat: a) geneettisen tiedon tallentamisen, b) tämän tiedon käytön soluorganisaation luomiseen ja ylläpitämiseen, c) perinnöllisen tiedon lukemisen säätelyä, d) geneettisen tiedon kaksinkertaistamista (itsekopioimista). materiaali, e) sen siirtyminen emosolusta tyttärelle .

Solujen muutokset mitoottisessa syklissä.

Mitoosisyklin kahden päätapahtuman mukaan se erotetaan lisääntymiskykyinen ja jakamalla vastaavat vaiheet välivaihe ja mitoosi klassinen sytologia (kuva 2.11).

Välivaiheen alkusegmentissä ( postmitoottinen, presynteettinen, tai Gi-jakso) interfaasisolun organisoinnin ominaisuudet palautuvat, telofaasissa alkanut nukleoluksen muodostuminen on valmis. Merkittävä (jopa 90 %) määrä proteiinia tulee tumaan sytoplasmasta. Sytoplasmassa proteiinisynteesi tehostuu samanaikaisesti ultrarakenteen uudelleenjärjestelyn kanssa. Tämä edistää solumassan kasvua. Jos tytärsolun on päästävä seuraavaan mitoottiseen kiertoon, synteesit muuttuvat suunnatuiksi: muodostuu DNA:n kemiallisia esiasteita, entsyymejä, jotka katalysoivat DNA:n replikaatioreaktiota, ja syntetisoituu proteiini, joka käynnistää tämän reaktion. Siten välivaiheen seuraavan jakson - synteettisen - valmistusprosessit suoritetaan.

AT synteettinen tai S-jakso solun perinnöllisen materiaalin määrä kaksinkertaistuu. Se koostuu DNA-heliksin hajoamisesta kahdeksi ketjuksi, jota seuraa komplementaarisen ketjun synteesi lähellä kumpaakin. Tuloksena on kaksi identtistä kelaa. DNA-molekyylit, jotka ovat komplementaarisia äidin molekyylien kanssa, muodostuvat erillisinä fragmentteina pitkin kromosomin pituutta, lisäksi ei-samanaikaisesti (asynkronisesti) saman kromosomin eri osissa sekä eri kromosomeissa. Sitten paketit (replikointiyksiköt - replikonit) vasta muodostuneesta DNA:sta "silloittuu" yhdeksi makromolekyyliksi.

Synteesijakson lopusta mitoosin alkuun kuluu aika postsynteettinen(premitoottinen), tai G 2 - jakso välivaiheet. Sille on ominaista intensiivinen RNA:n ja erityisesti proteiinin synteesi. Sytoplasman massan kaksinkertaistuminen on valmis verrattuna interfaasin alkuun. Tämä on välttämätöntä solun pääsemiseksi mitoosiin.

Löydöt eukaryoottisten geenien eksoni-introni-organisaatiosta ja vaihtoehtoisen silmukoinnin mahdollisuudesta ovat osoittaneet, että primaarisen transkriptin sama nukleotidisekvenssi voi tarjota useiden eri funktioiden polypeptidiketjujen tai niiden modifioitujen analogien synteesin. Esimerkiksi hiivan mitokondrioissa on sytokromi b -hengitysentsyymiä koodaava box (tai cob) geeni. Se voi esiintyä kahdessa muodossa: "Pitkä" geeni, joka koostuu 6400 bp:stä, sisältää 6 eksonia, joiden kokonaispituus on 1155 bp. ja 5 intronia. Geenin lyhyt muoto koostuu 3300 bp:stä. ja siinä on 2 intronia. Se on itse asiassa "pitkä" geeni, josta puuttuu kolme ensimmäistä intronia. Molemmat geenimuodot ilmentyvät yhtä hyvin.

"Pitkän" laatikkogeenin ensimmäisen intronin poistamisen jälkeen, joka perustuu kahden ensimmäisen eksonin yhdistettyyn nukleotidisekvenssiin ja osaan toisen intronin nukleotideista, muodostuu templaatti itsenäiselle proteiinille, RNA-maturaasille (kuva 1). 3.43). RNA-maturaasin tehtävänä on tarjota silmukoinnin seuraava vaihe - toisen intronin poistaminen primaarisesta transkriptista ja viime kädessä templaatin muodostaminen sytokromi b:lle.

Toinen esimerkki on muutos lymfosyyteissä olevien vasta-ainemolekyylien rakennetta koodaavan primaarisen transkriptin silmukointikuviossa. Vasta-aineiden kalvomuodossa on pitkä aminohappojen "häntä" C-päässä, mikä varmistaa proteiinin kiinnittymisen kalvolle. Vasta-aineiden eritetyllä muodolla ei ole tällaista häntää, mikä selittyy tätä aluetta koodaavien nukleotidien poistamisella primaarisesta transkriptista silmukoinnin aikana.

Viruksissa ja bakteereissa on kuvattu tilanne, jossa yksi geeni voi olla samanaikaisesti osa toista geeniä tai jokin DNA-nukleotidisekvenssi voi olla osa kahta eri päällekkäistä geeniä. Esimerkiksi faagin FX174 genomin fyysisellä kartalla (kuva 3.44) voidaan nähdä, että B-geenisekvenssi sijaitsee A-geenin sisällä ja E-geeni on osa D-geenisekvenssiä. faagigenomin järjestäytyminen onnistui selittämään olemassa olevan eron sen suhteellisen pienen koon (se koostuu 5386 nukleotidista) ja aminohappotähteiden lukumäärän välillä kaikissa syntetisoiduissa proteiineissa, mikä ylittää teoreettisesti sallitun tietylle genomikapasiteetille. Mahdollisuus koota erilaisia ​​peptidiketjuja päällekkäisistä geeneistä (A ja B tai E ja D) syntetisoidulle mRNA:lle varmistetaan ribosomaalisten sitoutumiskohtien läsnäololla tässä mRNA:ssa. Tämä mahdollistaa toisen peptidin translaation alkamisen uudesta vertailupisteestä.

B-geenin nukleotidisekvenssi on myös osa A-geeniä ja E-geeni on osa D-geeniä.

λ-faagigenomista löydettiin myös päällekkäisiä geenejä, jotka oli käännetty sekä kehyssiirrolla että samassa lukukehyksessä. Oletetaan myös, että kaksi erilaista mRNA:ta voidaan transkriptoida saman DNA-alueen molemmista komplementaarisista juosteista. Tämä edellyttää promoottorialueiden läsnäoloa, jotka määräävät RNA-polymeraasin liikkeen eri suuntiin pitkin DNA-molekyyliä.

Kuvatut tilanteet, jotka todistavat eri tiedon lukemisen sallittavuuden samasta DNA-sekvenssistä, viittaavat siihen, että päällekkäiset geenit ovat melko yleinen elementti virusten ja mahdollisesti prokaryoottien genomin organisoinnissa. Eukaryooteissa geenin epäjatkuvuus mahdollistaa myös useiden samaan DNA-sekvenssiin perustuvien peptidien synteesin.

Kaiken tämän huomioon ottaen on tarpeen muuttaa geenin määritelmää. On selvää, että geenistä ei voida enää puhua jatkuvana DNA-sekvenssinä, joka koodaa ainutlaatuisesti tiettyä proteiinia. Ilmeisesti tällä hetkellä kaavaa "Yksi geeni - yksi polypeptidi" pitäisi edelleen pitää hyväksyttävimpänä, vaikka jotkut kirjoittajat ehdottavat sen muuttamista: "Yksi polypeptidi - yksi geeni." Joka tapauksessa termi geeni tulee ymmärtää perinnöllisen materiaalin toiminnallisena yksikkönä, joka kemialliselta luonteeltaan on polynukleotidi ja määrittää polypeptidiketjun, tRNA:n tai rRNA:n syntetisoinnin mahdollisuuden.

Yksi geeni yksi entsyymi.

Vuonna 1940 J. Beadle ja Edward Tatum käyttivät uutta lähestymistapaa tutkiakseen, kuinka geenit tarjoavat aineenvaihduntaa kätevämmässä tutkimuskohteessa - mikroskooppisessa sienessä Neurospora crassa .. He saivat mutaatioita, joissa; yhden tai toisen metabolisen entsyymin aktiivisuutta ei ollut. Ja tämä johti siihen, että mutanttisieni ei kyennyt syntetisoimaan tiettyä metaboliittia itse (esimerkiksi aminohappo leusiini) ja pystyi elämään vain, kun leusiinia lisättiin ravintoalustaan. J. Beadlen ja E. Tatumin muotoilema teoria "yksi geeni - yksi entsyymi" sai nopeasti laajan tunnustuksen geneetikkojen keskuudessa, ja he itse saivat Nobel-palkinnon.

menetelmät. niin kutsuttujen "biokemiallisten mutaatioiden" valinta, jotka johtavat eri aineenvaihduntareittejä tarjoavien entsyymien toiminnan häiriintymiseen, osoittautui erittäin hedelmälliseksi paitsi tieteen, myös käytännön kannalta. Ensin ne johtivat genetiikan ja teollisten mikro-organismien valinnan syntymiseen ja sitten mikrobiologiseen teollisuuteen, jossa käytetään mikro-organismikantoja, jotka ylituottavat sellaisia ​​strategisesti tärkeitä aineita kuin antibiootteja, vitamiineja, aminohappoja jne. Valinnan ja geenitekniikan periaatteet Ylituottajakannoista perustuvat käsitykseen, että "yksi geeni koodaa yhtä entsyymiä". Ja vaikka tämä idea on erinomainen käytäntö, tuo useiden miljoonien dollarien voittoja ja säästää miljoonia ihmishenkiä (antibiootit) - se ei ole lopullinen. Yksi geeni ei ole vain yksi entsyymi.

"

1. Geeni on osa DNA-molekyyliä, joka on perinnöllisen tiedon toiminnallinen yksikkö.

1. Geeni sijaitsee tietyllä alueella kromosomissa - lokuksessa.

2. Rekombinaatio voi tapahtua geenin sisällä.

3. DNA, joka on osa geeniä, pystyy korjaamaan.

4. On geenejä: rakenteellisia, sääteleviä jne.

5. Triplettien järjestely on komplementaarinen aminohappoille (mutaatiot lukukehyksen siirrolla).

6. Genotyyppi, joka on erillinen (koostuu yksittäisistä geeneistä), toimii kokonaisuutena.

7. Geneettinen koodi on universaali.

8. Geneettinen koodi on rappeutunut (monilla aminohapoilla on useampi kuin yksi kodonipaikka)

9. Geenit on järjestetty lineaariseen järjestykseen kromosomissa ja muodostavat kytkentäryhmän. Kytkentäryhmien lukumäärä vastaa haploidista kromosomijoukkoa (23 ihmisellä tai 24 varauksella sukupuoli-x- ja y-kromosomit).

Proteiinien rakenteen määrää niiden peptidiketjujen aminohappojen sarja ja järjestys. Tämä peptidien aminohapposekvenssi on salattu DNA-molekyyleihin geneettisen koodin avulla.

Geneettisen koodin ominaisuudet:

1. Kolmiosaisuus- jokaista aminohappoa koodaa kolme vierekkäistä nukleotidia.
2. Degeneraatio- monet aminohapot on salattu useilla tripleteillä.
3. Spesifisyys- jokainen tripletti voi koodata vain yhtä tiettyä aminohappoa.
4. Monipuolisuus- koodin täydellinen noudattaminen eri elävien organismilajien osalta.
5. Jatkuvuus- Nukleotidisekvenssit luetaan kolminkertaisesti kolminkertaisesti ilman aukkoja.
6. Ei-päällekkäiset kodonit- vierekkäiset kolmoset eivät mene päällekkäin.

20. Proteiinisynteesin ribosomaalinen sykli (aloitus, elongaatio, lopetus). Proteiinien translaation jälkeiset muunnokset.

Geneettisen koodin avulla tallennettu perinnöllinen tieto tallentuu DNA-molekyyleihin, mutta se ei suoraan osallistu solun elämän ylläpitämiseen. Välittäjänä, jonka tehtävänä on kääntää DNA:han tallennettu perinnöllinen tieto toimivaan muotoon, on RNA. MRNA:n ja tRNA:n välinen vuorovaikutusprosessi, joka varmistaa tiedon muuntamisen nukleotidien kielestä aminohappojen kielelle, suoritetaan ribosomeissa. Ribosomaaliset RNA:t eivät ole vain ribosomien rakennekomponentti, vaan ne varmistavat myös niiden sitoutumisen tiettyyn mRNA-nukleotidisekvenssiin. Tämä määrittää alku- ja lukukehyksen peptidiketjun muodostumisen aikana. Lisäksi ne tarjoavat vuorovaikutuksen ribosomin ja tRNA:n välillä. Ribosomeissa on 2 uraa. Toisessa niistä on kasvava polypeptidiketju, toisessa mRNA. Lisäksi ribosomeista eristetään 2 tRNA:ta sitovaa kohtaa. Aminoasyyli-tRNA sijaitsee aminoasyylissä, A-kohdassa, kantaen tiettyä aminohappoa. Peptyyli-P-osassa tRNA sijaitsee yleensä. A- ja P-kohtien muodostumisen tarjoavat ribosomin molemmat alayksiköt. Käännös voidaan jakaa kolmeen vaiheeseen: aloitus, pidennys ja lopetus.

Aloitusvaihe koostuu ribosomin kahden alipartikkelin yhdistämisestä, jotka on erotettu sytoplasmassa aiemmin tietyssä mRNA:n kohdassa, ja ensimmäisen aminoasyyli-tRNA:n kiinnittämisestä siihen. Tämä asettaa myös kehyksen mRNA:n sisältämän tiedon lukemiselle.

venymävaihe tai peptidin pidennys, sisältää kaikki reaktiot ensimmäisen peptidisidoksen muodostumishetkestä viimeisen amk:n kiinnittymiseen. Se on syklisesti toistuva tapahtuma, jossa tapahtuu A-kohdassa sijaitsevan seuraavan kodonin aminoasyyli-tRNA:n spesifinen tunnistus, joka on komplementaarinen antikodonin ja kodonin väliselle yhteydelle. Lopetusvaihe tai polypeptidisynteesin loppuun saattaminen, liittyy spesifisen ribosomaalisen proteiinin yhden terminaatiokodonin (UAA, UAG, UGA) tunnistamiseen, kun se tulee ribosomin A-kohdan vyöhykkeelle. Samaan aikaan vesi kiinnittyy peptidiketjun viimeiseen amc:hen ja sen karboksyylipää erotetaan tRNA:sta. Tämän seurauksena valmis peptidiketju menettää yhteyden ribosomiin, joka jakautuu kahdeksi osahiukkaseksi.

Proteiinien translaation jälkeinen transformaatio. Translaation aikana syntetisoidut peptidiketjut saavat primäärirakenteensa perusteella sekundaarisen ja tertiäärisen ja monet kvaternäärisen organisaation, joka muodostuu useista peptidiketjuista. Riippuen proteiinien toiminnoista, niiden aminohapposekvenssit voivat läpikäydä erilaisia ​​transformaatioita muodostaen toiminnallisesti aktiivisia proteiinimolekyylejä. Monet kalvoproteiinit syntetisoidaan esiproteiineina, joiden N-päässä on johtosekvenssi, joka tarjoaa niille kalvontunnistuksen. Eritysproteiineilla on myös johtosekvenssi N-päässä, joka varmistaa niiden kuljetuksen kalvon läpi. Jotkut proteiinit välittömästi translaation jälkeen sisältävät ylimääräisiä aminohappopro-sekvenssejä, jotka määrittävät aktiivisten proteiiniprekursorien stabiilisuuden. Proteiinin kypsymisen aikana ne poistetaan, mikä mahdollistaa inaktiivisen proproteiinin siirtymisen aktiiviseksi proteiiniksi. Muodostaessaan tertiäärisen ja kvaternäärisen organisaation translaation jälkeisten transformaatioiden aikana, proteiinit saavat kyvyn toimia aktiivisesti kuuluen tiettyihin solurakenteisiin ja suorittaen entsymaattisia ja muita toimintoja.

Geenin ja ominaisuuden välinen suhde. Hypoteesi "yksi geeni - yksi entsyymi", sen moderni tulkinta: "yksi geeni - yksi polypeptidiketju"

Gene - DNA-molekyylin osa, joka sisältää tietoa polypeptidiketjun tai makromolekyylin rakenteesta. Yhden kromosomin geenit ovat järjestetty lineaarisesti muodostaen kytkentäryhmän. Kromosomissa oleva DNA suorittaa erilaisia ​​​​toimintoja. Geenit ovat kooltaan pieniä, vaikka ne koostuvatkin tuhansista emäspareista. Geenin läsnäolo vahvistetaan geenin ominaisuuden (lopputuotteen) ilmentymisen perusteella.

Mendelille geeni on vain symboli, joka on kätevä määrittämään periytymislakia. Geenin ja ominaisuuden (tuotteen) välinen suhde löydettiin tutkiessaan käymistä ilmattomassa ympäristössä - 1902 Garrod. Hän tutki alkaptonuriapotilaiden sukututkimusta, tuli siihen tulokseen, että tauti on seurausta typen aineenvaihdunnan rikkomisesta. Urean sijasta muodostuu tumma aine. Batsin avustuksella vuonna 1908 ehdotettiin, että tauti esiintyy resessiivisissä homotsygooteissa, joilta puuttuu jonkinlainen entsymaattinen reaktio, mikä johtaa substraatin kerääntymiseen ja erittymiseen, joka normaalisti olisi pitänyt halkeilla. Ihmisveri sisältää homogentisiinihappoa, mutta normaalisti se hajoaa homogentisiinihappooksidaasin vaikutuksesta maleiiniasetaatiksi, sitten vedeksi ja hiilidioksidiksi. Potilailla ei ole oksidaasia, joten happo kerääntyy ja erittyy virtsaan.

Albinismi on myös perinnöllinen, vaikka se on paljon yleisempää. Tässä taudissa ei ole entsyymiä, joka muuntaa tyrosiinin melaniiniksi.

Vuoteen 1940 asti tiedemiesten mielipiteet jakautuivat, mutta teoriaa ei ollut. 1940 - Beadle ja Tatum hypoteesi: 1 geeni - 1 entsyymi. E että hypoteesilla oli tärkeä rooli - tutkijat alkoivat harkita lopputuotteita. Kävi ilmi, että hypoteesilla on rajoituksia, koska Kaikki entsyymit ovat proteiineja, mutta kaikki proteiinit eivät ole entsyymejä. Pääsääntöisesti proteiinit ovat oligomeerejä - ts. olemassa kvaternaarisessa rakenteessa. Esimerkiksi tupakan mosaiikkikapselissa on yli 1200 polypeptidiä. Tällä hetkellä hyväksyttävin hypoteesi on "Yksi geeni - yksi polypeptidi". Termi geeni tulee ymmärtää toiminnallisena perinnöllisyyden yksikkönä, joka kemiallisen luonteensa vuoksi on polynukleotidi ja määrittää polypeptidiketjun syntetisoinnin mahdollisuuden.

Geeni vaihtelevuuden yksikkönä. Geenimutaatiot ja niiden luokittelu. Geenimutaatioiden syyt ja mekanismit. Geenimutaatioiden seuraukset.

Geeni on perinnöllisen materiaalin perusyksikkö. Geenimutaatiot liittyy geenien sisäisen rakenteen muutokseen, joka muuttaa alleelin toiseksi.

Muutokset geenin muodostavan DNA:n rakenteessa voidaan jakaa 3 ryhmään.

4.2.1. Yksi geeni, yksi entsyymi -hypoteesi

Ensimmäinen tutkimus. Sen jälkeen kun Garrod osoitti vuonna 1902 alkaptonurian geneettisen vian yhteyden kehon kyvyttömyyteen hajottaa homogentisiinihappoa, oli tärkeää selvittää tämän häiriön taustalla oleva erityinen mekanismi. Siitä lähtien tiedettiin jo, että entsyymit katalysoivat metabolisia reaktioita, joten voitiin olettaa, että alkaptonuriaan johtaa jonkin entsyymin rikkoutuminen. Driesch käsitteli tällaista hypoteesia (vuonna 1896). Sen ilmaisivat myös Haldane (1920, katso) ja Garrod (1923). Tärkeitä vaiheita biokemiallisen genetiikan kehityksessä olivat Kuhnin ja Butenandtin työ myllykoin silmien värin tutkimuksessa. Ephesia kuhniella ja vastaavat Beadlen ja Ephrussin tutkimukset Drosophila(1936). Näissä uraauurtavissa töissä valittiin aiemmin geneettisillä menetelmillä tutkittuja hyönteismutantteja selvittämään geenien toimintamekanismeja. Tämä lähestymistapa ei kuitenkaan johtanut menestykseen. Ongelma osoittautui liian monimutkaiseksi, ja sen ratkaisemiseksi tarvittiin:

1) valitse yksinkertainen malliorganismi, joka on kätevä kokeelliseen tutkimukseen;

2) etsiä biokemiallisten ominaisuuksien geneettistä perustaa, ei geneettisesti määrättyjen ominaisuuksien biokemiallista perustaa. Beadle ja Tatum täyttivät molemmat ehdot vuonna 1941 (katso myös Beadle 1945).

Beadle ja Tatum malli. Heidän artikkelinsa alkoi näin:

”Fysiologisen genetiikan näkökulmasta organismin kehitys ja toiminta voidaan pelkistää monimutkaiseksi kemiallisten reaktioiden järjestelmäksi, jota geenit jollain tavalla ohjaavat. On melko loogista olettaa, että nämä geenit ... joko toimivat itse entsyymeinä tai määrittävät niiden spesifisyyden. Tiedetään, että geneettiset fysiologit yrittävät yleensä tutkia jo tunnettujen perinnöllisten ominaisuuksien fysiologisia ja biokemiallisia perusteita. Tämä lähestymistapa mahdollisti sen toteamisen, että monia biokemiallisia reaktioita ohjaavat tietyt geenit. Tällaiset tutkimukset ovat osoittaneet, että entsyymeillä ja geeneillä on sama spesifisyysaste. Tämän lähestymistavan soveltamisala on kuitenkin rajallinen. Vakavin rajoitus on, että tässä tapauksessa tutkijoiden näkökenttään joutuvat perinnölliset ominaisuudet, joilla ei ole tappavaa vaikutusta ja jotka siksi liittyvät reaktioihin, jotka eivät ole kovin tärkeitä organismin elämälle. Toinen vaikeus... on, että perinteinen lähestymistapa ongelmaan sisältää ulkoisesti ilmeisten merkkien käytön. Monet niistä ovat morfologisia muunnelmia, jotka perustuvat niin monimutkaisiin biokemiallisiin reaktiojärjestelmiin, että niiden analysointi on erittäin vaikeaa.

Nämä pohdinnat johtivat meidät seuraavaan johtopäätökseen. Kehityksen ja aineenvaihdunnan määräävien biokemiallisten reaktioiden geneettisen hallinnan yleisen ongelman tutkimus tulisi suorittaa käyttämällä menettely, joka on päinvastainen kuin yleisesti hyväksytty: sen sijaan, että yritetään selvittää tunnettujen perinnöllisten ominaisuuksien kemiallinen perusta, on tarpeen selvittää, onko ohjaavatko geenit tunnettuja biokemiallisia reaktioita ja miten ne tekevät sen. Ascomycete-neurosporilla on ominaisuuksia, jotka mahdollistavat tällaisen lähestymistavan toteuttamisen, ja samalla se toimii kätevänä kohteena geneettisille tutkimuksille. Siksi ohjelmamme on rakennettu tämän organismin käyttöön. Lähdimme siitä, että röntgensäteily aiheuttaa mutaatioita geeneissä, jotka ohjaavat tiettyjä kemiallisia reaktioita. Oletetaan, että selviytyäkseen tietyssä ympäristössä organismin on suoritettava jonkinlainen kemiallinen reaktio, jolloin mutantti, jolta on riistetty tällainen kyky, osoittautuu elinkelpoiseksi näissä olosuhteissa. Sitä voidaan kuitenkin ylläpitää ja tutkia, jos sitä kasvatetaan alustassa, johon on lisätty geneettisesti estyneen reaktion elintärkeää tuotetta."

4 Geenien toiminta 9

Riisi. 4.1. Koekaavio neuroitiöiden biokemiallisten mutanttien havaitsemiseksi Täydellisellä alustalla röntgen- tai ultraviolettisäteilyn aiheuttamat mutaatiot eivät häiritse sienen kasvua. Mutantti ei kuitenkaan kasva minimaalisella alustalla. Kun vitamiineja lisätään minimialustaan, kasvukyky palautuu Kun aminohappoja lisätään, kasvua ei tapahdu Näiden tietojen perusteella voidaan olettaa, että mutaatio tapahtui vitamiinin aineenvaihduntaa säätelevässä geenissä. Seuraava askel on tunnistaa vitamiini, joka voi palauttaa normaalin toiminnan Geneettinen lohko löydettiin vitamiinien biosynteesin reaktioista.

Seuraavaksi Beadle ja Tatum kuvaavat kokeen suunnittelua (kuva 4.1). Täydellisen alustan koostumus sisälsi agaria, epäorgaanisia suoloja, mallasuutetta, hiivauutetta ja glukoosia. Minimaaliväliaine sisälsi vain agaria, suoloja, biotiinia ja hiilenlähdettä. Mutanteja, jotka kasvoivat täydellisellä alustalla ja eivät kasvaneet minimaalisella alustalla, tutkittiin yksityiskohtaisimmin. Jotta saataisiin aikaan yhdiste, jonka synteesi oli heikentynyt kussakin mutantissa, täydellisen alustan yksittäisiä komponentteja lisättiin minimaaliseen agariin.

Tällä tavalla eristettiin kannat, jotka eivät kyenneet syntetisoimaan tiettyjä kasvutekijöitä: pyridoksiinia, tiamiinia ja para-aminobentsoehappoa. Näiden vikojen on osoitettu johtuvan mutaatioista tietyissä lokuksissa. Työ merkitsi alkua lukuisille neurosporeja, bakteereja ja hiivoja koskeville tutkimuksille, joissa löydettiin vastaavuus yksittäisistä aineenvaihduntavaiheista vastaavien "geneettisten lohkojen" ja tiettyjen entsyymihäiriöiden välillä. Tämä lähestymistapa on nopeasti kehittynyt työkaluksi, jolla tutkijat voivat paljastaa aineenvaihduntareittejä.

Hypoteesi "yksi geeni - yksi entsyymi" on saanut vahvan kokeellisen vahvistuksen. Kuten seuraavien vuosikymmenten työ osoitti, se osoittautui yllättävän hedelmälliseksi. Viallisten entsyymien ja niiden normaalien muunnelmien analyysi mahdollisti pian tunnistaa geneettisten häiriöiden luokan, joka johti muutokseen entsyymin toiminnassa, vaikka itse proteiini oli edelleen havaittavissa ja säilytti immunologiset ominaisuudet. Muissa tapauksissa entsyymiaktiivisuuden lämpötilaoptimi muuttui. Jotkut variantit voidaan selittää mutaatiolla, joka vaikuttaa yleiseen säätelymekanismiin ja muuttaa sen seurauksena kokonaisen entsyymiryhmän aktiivisuutta. Samanlaiset tutkimukset johtivat bakteerien geenitoiminnan säätelyn käsitteen luomiseen, joka sisälsi operonin käsitteen.

10 4. Geenien toiminta

Ensimmäiset esimerkit entsymaattisista häiriöistä ihmisillä. Ensimmäinen ihmisen perinnöllinen sairaus, jolle voitiin osoittaa entsymaattinen häiriö, oli resessiivinen methemoglobinemia (Gibson ja Harrison, 1947; Gibson, 1948) (25080). Tässä tapauksessa vaurioitunut entsyymi on NADH-riippuvainen methemoglobiinireduktaasi. Ensimmäinen yritys tutkia systemaattisesti ryhmää ihmisen sairauksia, jotka liittyvät aineenvaihduntahäiriöihin, tehtiin vuonna 1951. Glykogeenin varastointisairautta koskevassa tutkimuksessa Corys osoitti, että kahdeksassa kymmenestä Gierken taudiksi (23220) diagnosoidusta patologisesta tilasta maksan glykogeenin rakenne oli normaali muunnos, ja kahdessa tapauksessa se oli selvästi häiriintynyt. . Oli myös ilmeistä, että ylimääräistä maksan glykogeenia ei voitu muuttaa suoraan sokeriksi, koska potilailla on taipumus hypoglykemiaan. Monia entsyymejä tarvitaan hajottamaan glykogeeni glukoosiksi maksassa. Kaksi niistä, amyyli-1,6-glukosidaasi ja glukoosi-6-fosfataasi, valittiin tutkittavaksi mahdollisiksi entsyymijärjestelmän viallisiksi elementeiksi. Fosfaatin vapautuminen glukoosi-6-fosfaatista mitattiin maksahomogenaateissa eri pH-arvoilla. Tulokset on esitetty kuvassa. 4.2. Normaalissa maksassa havaittiin korkea aktiivisuus ja optimi pH-arvossa 6-7. Vaikea maksan vajaatoiminta kirroosissa korreloi aktiivisuuden lievään laskuun. Toisaalta kuolemaan johtaneen Gierken taudin tapauksessa entsyymin aktiivisuutta ei voitu havaita ollenkaan; sama tulos saatiin toisen samanlaisen potilaan tutkimuksessa. Kahdella potilaalla, joilla oli lievempiä oireita, aktiivisuus väheni merkittävästi.

Pääteltiin, että näissä kuolemaan johtaneissa Gierken taudin tapauksissa glukoosi-6-fosfataasissa oli vika. Useimmissa lievissä tapauksissa tämän entsyymin aktiivisuus ei kuitenkaan ollut alhaisempi kuin maksakirroosissa, ja vain kahdella potilaalla se oli hieman alhaisempi (kuva 4.2).

Coreyn puolisoiden mukaan glykogeenin epänormaalia kertymistä lihaskudokseen ei voida yhdistää glukoosi-6-fosfataasin puutteeseen, koska tämä entsyymi puuttuu lihaksista ja on normaalia. Mahdollisena selityksenä lihasglykogenoosille he ehdottivat amylo-1,6-glukosidaasin aktiivisuuden rikkomista. Tämä ennuste vahvistettiin pian: Forbes löysi tällaisen vian yhdessä kliinisesti merkittävistä glykogeenin varastoinnin sairaudesta, joka koski sydäntä ja luustolihaksia. Nyt me

4. Geenien toiminta 11

suuri määrä entsymaattisia vikoja tunnetaan glykogeenin varastoinnin taudissa.

Vaikka tämän taudin eri muodot vaihtelevat jonkin verran ilmenemisasteeltaan, niillä on paljon yhteistä kliinisesti. Yhtä poikkeusta lukuun ottamatta ne kaikki periytyvät autosomaalisesti resessiivisesti. Jos entsymaattisia vikoja ei olisi paljastettu, glykogeenin kertymisen patologiaa pidettäisiin yhtenä sairautena, jolla on tyypillisiä perheensisäisiä korrelaatioita vakavuuden, oireiden yksityiskohtien ja kuoleman ajoituksen suhteen. Meillä on siis esimerkki, jossa geneettinen heterogeenisyys, joka voitiin olettaa vain fenotyypin tutkimuksen perusteella (kohta 3.3.5), vahvistettiin biokemiallisen tason analyysillä: entsymaattisen aktiivisuuden tutkiminen mahdollisti tunnistamisen. tietyt geenit.

Seuraavina vuosina entsymaattisten vikojen tutkimuksen vauhti kiihtyi, ja 588 tunnistetulle resessiiviselle autosomaaliselle geenille, jotka McKusick kuvailee kirjansa Mendelian inheritance in man (1983) kuudennessa painoksessa, spesifisiä entsymaattisia häiriöitä löydettiin yli 170 tapausta. Edistymisemme tällä alueella liittyy suoraan molekyyligenetiikan käsitteiden ja menetelmien kehittämiseen.

Jotkut ihmisten entsymaattisten häiriöiden tutkimuksen vaiheet. Esittelemme vain tärkeimmät virstanpylväät tässä jatkuvassa prosessissa: 1934 Völling löysi fenyyliketonurian

1941 Beadle ja Tatum muotoilivat yksi geeni-yksi entsyymi -hypoteesin 1948 Gibson kuvasi ensimmäisen tapauksen entsymaattisesta häiriöstä ihmisen sairaudessa (resessiivinen methemoglobinemia)

1952 Cory havaitsi glukoosi-6-fosfataasin puutteen Gierken taudissa

1953 Jervis osoitti fenyylialaniinihydroksylaasin puuttumisen fenyyliketonuriassa. Bickel kertoi ensimmäisestä yrityksestä lievittää entsymaattista häiriötä noudattamalla vähän fenyylialaniinia sisältävää ruokavaliota.

1955 Smithies kehitti tärkkelysgeelielektroforeesitekniikan

1956 Carson ym. havaitsivat vian glukoosi-6-fosfaattidehydrogenaasissa (G6PD) indusoidun hemolyyttisen anemian tapauksessa

1957 Kalkar ym. kuvasivat entsymaattista puutetta galaktosemiassa osoittaen, että ihmisillä ja bakteereilla on identtinen entsymaattinen häiriö

1961 Krut ja Weinberg osoittivat entsyymivirheen galaktosemiassa in vitro viljellyissä fibroblasteissa

1967 Sigmiller ym. havaitsivat hypoksantiini-gu(HPRT) -vian Lesch-Nyhanin oireyhtymässä

1968 Cleaver kuvaili leikkauskorjauksen rikkomista xeroderma pigmentosassa

1970 Neufeld tunnisti entsymaattisia vikoja mukopolysakkaridooseissa, mikä mahdollisti mukopolysakkaridien hajoamisreittien tunnistamisen

1974 Brown ja Goldstein osoittivat, että geneettisesti määrätty hydroksimetyyliglutaryyli-CoA-reduktaasin ylituotanto familiaalisessa hyperkolesterolemiassa johtuu viasta kalvossa sijaitsevassa matalatiheyksisessä lipoproteiinireseptorissa, joka moduloi tämän entsyymin (HMG) aktiivisuutta.

1977 Sly ym. osoittivat, että fibroblastireseptorit tunnistavat mannoosi-6-fosfaatin (lysosomaalisten entsyymien komponenttina). Geneettinen prosessointivirhe estää lysosomaalisten entsyymien sitoutumisen, mikä johtaa heikentyneeseen vapautumiseen sytoplasmaan ja myöhempään plasmaan erittymiseen (I-solusairaus)

12 4. Geenien toiminta

1980 Pseudohypoparatyreoosissa havaittiin vika proteiinissa, joka muodostaa reseptorin ja syklaasin kytkennän.