» , » Viens gēns viens enzīms

Viens gēns, viens ferments

         92
Publicēšanas datums: 2018. gada 24. jūlijs

    

Viena gēna-viena enzīma hipotēze ir 1940. gadu sākumā izvirzītā ideja, ka katrs gēns kontrolē viena enzīma sintēzi vai aktivitāti. Koncepciju, kas apvieno ģenētikas un bioķīmijas jomas, ierosināja amerikāņu ģenētiķis Džordžs Velss Bīdls un amerikāņu bioķīmiķis Edvards L. Tatums, kuri veica pētījumus par Neurospora crassa. Viņu eksperimenti vispirms ietvēra formas attēlveidošanu mutāciju izraisošos rentgena staros un pēc tam kultivēšanu minimālā augšanas barotnē, kas saturēja tikai nepieciešamās uzturvielas, lai savvaļas tipa celms izdzīvotu. Viņi atklāja, ka mutantu pelējuma celmiem, lai tie augtu, ir jāpievieno noteiktas aminoskābes. Izmantojot šo informāciju, pētnieki varēja saistīt specifisku gēnu mutācijas ar atsevišķu enzīmu traucējumiem vielmaiņas ceļos, kas parasti ražotu trūkstošās aminoskābes. Tagad ir zināms, ka ne visi gēni kodē fermentu un ka daži fermenti sastāv no vairākiem īsiem polipeptīdiem, ko kodē divi vai vairāki gēni.

Gēnu ekspresija ir process, kurā iedzimta informācija no gēna tiek pārvērsta funkcionālā produktā – RNS vai proteīnā. Gēnu ekspresiju var regulēt visos procesa posmos: transkripcijas laikā, translācijas laikā un proteīnu pēctranslācijas modifikāciju stadijā.

Gēnu ekspresija ir evolūcijas pārmaiņu substrāts.

Gēnu ekspresijas regulēšana transkripcijas līmenī prokariotos:

Transkripcijas regulēšana šūnās tiek veikta atsevišķu gēnu, to bloku un pat veselu hromosomu līmenī. Spēju kontrolēt daudzus gēnus, kā likums, nodrošina kopīgu regulējošo nukleotīdu sekvenču klātbūtne tajos, ar kurām mijiedarbojas viena veida transkripcijas faktori. Reaģējot uz specifisku efektoru darbību, šādi faktori iegūst spēju ar augstu precizitāti saistīties ar regulējošo gēnu sekvencēm. Tā sekas ir attiecīgo gēnu transkripcijas pavājināšanās vai nostiprināšanās. Trīs galvenie transkripcijas posmi, ko baktēriju šūnas izmanto, lai regulētu RNS sintēzi, ir iniciācija, pagarināšana un izbeigšana.

Eikariotu gēnu ekspresija atšķiras no prokariotu ekspresijas:

1) Eikariotiem ir trīs veidu RNS polimerāzes: RNS polimerāze1 katalizē ribosomu gēnu transkripciju. RNS polimerāze2 katalizē visu strukturālo gēnu transkripciju. RNS polimerāze3 katalizē tRNS un 5S-ribosomu RNS transkripciju (katalizē mRNS veidošanos, kas atrodas tikai eikariotos).

2) Promotora reģions eikariotos ir garāks.

3) Eikariotos jebkurš gēns ir attēlots ar mainīgām kodējošām un nekodējošām sekvencēm. Kodēšana - eksoni, nekodēšana - introni.

4) Eikariotiem ir pastiprinātāji, ko atpazīst proteīni. Tie var atrasties diezgan tālu no transkripcijas sākuma. Pastiprinātājs un ar to saistītais proteīns tuvojas RNS polimerāzes-DNS saistīšanās vietai.

5) Ir "klusinātāji", kas nomāc transkripciju.

Viens gēns, viens enzīms hipotēze, liecina, ka katrs gēns var kodēt tikai vienu polipeptīdu ķēdi, kuru, savukārt, var iekļaut kā apakšvienību sarežģītākā olbaltumvielu kompleksā. Šo teoriju 1941. gadā izvirzīja G. Bīdls un E. Tatums, pamatojoties uz neirosporu ģenētisko un bioķīmisko analīzi, un viņi atklāja, ka eksperimentālos apstākļos dažādu mutāciju ietekmē no jebkuras bioķīmisko reakciju ķēdes ir tikai viena. katru reizi izslēgts. Šaubas par šīs teorijas absolūto pamatotību radās saistībā ar sistēmas "divi gēni – viens polipeptīds" atklāšanu, kā arī ar gēnu pārklāšanos. No funkcionālā viedokļa šī teorija ir nosacīta saistībā ar daudzfunkcionālu proteīnu atklāšanu.

Šūnu eksistences modeļi laikā. Šūnu (dzīves) cikls. apoptoze un nekroze. Mitotiskais (proliferatīvais) cikls. Galvenie mitotiskā cikla notikumi. Mitotiskā cikla reproduktīvās (starpfāzes) un separācijas (mitozes) fāzes. Šūnu proliferācijas problēmas medicīnā.

šūnu cikls- tas ir šūnas pastāvēšanas periods no tās veidošanās brīža, daloties mātes šūnai, līdz savai dalīšanai vai nāvei.

Svarīga šūnu cikla sastāvdaļa ir mitotiskais cikls- savstarpēji saistītu un laikā saskaņotu notikumu komplekss, kas notiek šūnas sagatavošanas procesā dalīšanai un pašas dalīšanās laikā. Turklāt dzīves cikls ietver periodu, kurā šūna veic daudzšūnu organisma specifiskās funkcijas, kā arī atpūtas periodus. Atpūtas periodos šūnas tūlītējais liktenis nav noteikts: tā var vai nu sākt gatavoties mitozei, vai arī sākt specializāciju noteiktā funkcionālā virzienā.

Mitotiskā cikla ilgums lielākajai daļai šūnu ir no 10 līdz 50 stundām Mitotiskā cikla bioloģiskā nozīme ir tāda, ka tas nodrošina hromosomu nepārtrauktību virknē šūnu paaudžu, šūnu veidošanos, kas ir līdzvērtīgas pēc tilpuma un satura. iedzimta informācija. Tādējādi cikls ir vispārējs eikariotu tipa šūnu organizācijas reprodukcijas mehānisms individuālajā attīstībā.

sastāv no mātes šūnas iedzimtības materiāla redublikācijas (pašdubultošanās) un šī materiāla vienmērīga sadalījuma starp meitas šūnām. Saskaņā ar diviem galvenajiem mitotiskā cikla notikumiem tajā iedala reproduktīvās un atdalīšanas fāzes, kas atbilst klasiskās citoloģijas starpfāzei un mitozei.

apoptoze- programmēta šūnu nāve, regulēts pašiznīcināšanās process šūnu līmenī, kā rezultātā šūna tiek sadrumstalota atsevišķos apoptotiskos ķermeņos, ko ierobežo plazmas membrāna. Atmirušās šūnas fragmentus parasti ļoti ātri fagocitē makrofāgi vai blakus esošās šūnas, apejot iekaisuma reakcijas attīstību. Apoptozes process ilgst 1-3 stundas. Viena no galvenajām apoptozes funkcijām ir bojātu (bojātu, mutantu, inficētu) šūnu iznīcināšana.

Nekroze- patoloģisks process, kas izpaužas kā lokāla audu nāve dzīvā organismā jebkura eksogēna vai endogēna bojājuma rezultātā. Nekroze izpaužas kā citoplazmas proteīnu pietūkums, denaturācija un koagulācija, šūnu organellu un, visbeidzot, visas šūnas iznīcināšana. Visbiežāk sastopamie nekrotisko audu bojājumu cēloņi ir: asins piegādes pārtraukšana un baktēriju vai vīrusu patogēno produktu iedarbība.

30.Mitozes cikls. Starpfāžu periodu galvenie notikumi. Mitozes fāžu saturs un nozīme. Mitozes bioloģiskā nozīme.

Mitotisks(proliferatīvs)cikls -savstarpēji saistītu un koordinētu notikumu komplekss, kas notiek šūnas sagatavošanas procesā dalīšanai un pašas dalīšanās laikā. Turklāt dzīves cikls ietver šūnu izpildes periods daudzšūnu organisms specifiskas funkcijas kā arī miera periodi. Atpūtas periodos šūnas tūlītējais liktenis nav noteikts: tā var vai nu sākt gatavoties mitozei, vai arī sākt specializāciju noteiktā funkcionālā virzienā. Mitotiskā cikla ilgums lielākajai daļai šūnu ir no 10 līdz 50 stundām.

Mitotiskā cikla bioloģiskā nozīme ir tas, ka tas nodrošina hromosomu nepārtrauktību vairākās šūnu paaudzēs, tādu šūnu veidošanos, kas ir līdzvērtīgas iedzimtās informācijas apjoma un satura ziņā. Tādējādi cikls ir vispārējs eikariotu tipa šūnu organizācijas reprodukcijas mehānisms individuālajā attīstībā.

Galvenie mitotiskā cikla notikumi ir iekšā redublikācija(sevis dubultošanās) no mātes šūnas iedzimtības materiāla un in vienmērīgs sadalījumsšī materiāla starp meitas šūnām. Šos notikumus pavada regulāras izmaiņas ķīmiskajā un morfoloģiskajā organizācijā hromosomas - kodolstruktūras, kurās koncentrējas vairāk nekā 90% no eikariotu šūnas ģenētiskā materiāla (dzīvnieka šūnas ārpuskodola DNS galvenā daļa atrodas mitohondrijās).

Hromosomas mijiedarbībā ar ārpushromosomu mehānismiem nodrošina: a) ģenētiskās informācijas uzglabāšanu, b) šīs informācijas izmantošanu šūnu organizācijas veidošanai un uzturēšanai, c) iedzimtas informācijas nolasīšanas regulēšanu, d) ģenētiskās informācijas dubultošanu (paškopēšanu). materiāls, e) tā pārnešana no mātes šūnas uz meitu.

Šūnu izmaiņas mitotiskajā ciklā.

Saskaņā ar diviem galvenajiem mitotiskā cikla notikumiem to izšķir reproduktīvs un sadalot atbilstošās fāzes starpfāze un mitoze klasiskā citoloģija (2.11. att.).

Sākotnējā starpfāzes segmentā ( postmitotisks, presintētisks, vai Gi periods) tiek atjaunotas starpfāzes šūnas organizācijas iezīmes, tiek pabeigta kodola veidošanās, kas sākās telofāzē. Ievērojams (līdz 90%) olbaltumvielu daudzums nonāk kodolā no citoplazmas. Citoplazmā paralēli ultrastruktūras reorganizācijai tiek pastiprināta proteīnu sintēze. Tas veicina šūnu masas pieaugumu. Ja meitas šūnai ir jāieiet nākamajā mitotiskajā ciklā, sintēzes kļūst virzītas: veidojas DNS ķīmiskie prekursori, fermenti, kas katalizē DNS reduplikācijas reakciju, un tiek sintezēts proteīns, kas sāk šo reakciju. Tādējādi tiek veikti nākamā starpfāzes perioda - sintētiskā - sagatavošanas procesi.

AT sintētisks vai S-periodsšūnas iedzimtā materiāla daudzums dubultojas. Tas sastāv no DNS spirāles sadalīšanas divās ķēdēs, kam seko komplementāras ķēdes sintēze blakus katrai no tām. Rezultāts ir divas identiskas spoles. Mātes molekulām komplementāras DNS molekulas veidojas atsevišķos fragmentos visā hromosomas garumā, turklāt nevienlaicīgi (asinhroni) dažādās vienas hromosomas daļās, kā arī dažādās hromosomās. Pēc tam pakas (replikācijas vienības - replikoni) jaunizveidotās DNS tiek “savienoti” vienā makromolekulā.

Laika intervāls no sintētiskā perioda beigām līdz mitozes sākumam paiet postsintētisks(premitotisks), vai G 2 - periods starpfāzes. To raksturo intensīva RNS un īpaši olbaltumvielu sintēze. Citoplazmas masas dubultošanās ir pabeigta salīdzinājumā ar starpfāzes sākumu. Tas ir nepieciešams, lai šūna iekļūtu mitozē.

Eikariotu gēnu ekson-intronu organizācijas atklājumi un alternatīvas savienošanas iespēja ir parādījuši, ka viena un tā pati primārā transkripta nukleotīdu secība var nodrošināt vairāku polipeptīdu ķēžu ar dažādām funkcijām vai to modificēto analogu sintēzi. Piemēram, rauga mitohondriji satur kastes (vai vālītes) gēnu, kas kodē citohroma b elpošanas enzīmu. Tas var pastāvēt divos veidos: “Garajam” gēnam, kas sastāv no 6400 bp, ir 6 eksoni ar kopējo garumu 1155 bp. un 5 introni. Īsā gēna forma sastāv no 3300 bp. un tajā ir 2 introni. Tas patiesībā ir "garš" gēns, kurā nav pirmo trīs intronu. Abas gēna formas ir vienlīdz labi izteiktas.

Pēc “garā” kastes gēna pirmā introna noņemšanas, pamatojoties uz pirmo divu eksonu kombinēto nukleotīdu secību un daļu no otrā introna nukleotīdiem, veidojas neatkarīga proteīna, RNS maturāzes, veidne (att. 3.43). RNS maturāzes funkcija ir nodrošināt nākamo splicēšanas posmu - otrā introna izņemšanu no primārā transkripta un, visbeidzot, citohroma b šablona veidošanu.

Vēl viens piemērs ir izmaiņas primārā transkripta splicēšanas modelī, kas kodē antivielu molekulu struktūru limfocītos. Antivielu membrānas formai C-galā ir gara aminoskābju "aste", kas nodrošina proteīna fiksāciju uz membrānas. Izdalītajai antivielu formai šādas astes nav, kas izskaidrojams ar šo reģionu kodējošo nukleotīdu izņemšanu no primārā transkripta splicēšanas laikā.

Vīrusos un baktērijās ir aprakstīta situācija, kad viens gēns vienlaikus var būt cita gēna daļa vai kāda DNS nukleotīdu secība var būt daļa no diviem dažādiem pārklājošiem gēniem. Piemēram, fāga FX174 genoma fiziskajā kartē (3.44. att.) var redzēt, ka B gēna secība atrodas A gēna iekšpusē, bet E gēns ir daļa no D gēna sekvences. fāga genoma organizācijai izdevās izskaidrot pastāvošo neatbilstību starp tā salīdzinoši nelielo izmēru (tas sastāv no 5386 nukleotīdiem) un aminoskābju atlikumu skaitu visos sintezētajos proteīnos, kas pārsniedz teorētiski pieļaujamo konkrētai genoma kapacitātei. Iespēja montēt dažādas peptīdu ķēdes uz mRNS, kas sintezēta no pārklājošiem gēniem (A un B vai E un D), nodrošina ribosomu saistīšanās vietu klātbūtne šajā mRNS. Tas ļauj cita peptīda tulkošanu sākt no jauna atskaites punkta.

B gēna nukleotīdu secība ir arī daļa no A gēna, un E gēns ir daļa no D gēna.

λ fāga genomā tika atrasti arī pārklājošie gēni, kas tulkoti gan ar kadru nobīdi, gan tajā pašā lasīšanas rāmī. Tiek arī pieņemts, ka divas dažādas mRNS var pārrakstīt no viena un tā paša DNS reģiona abām komplementārajām virknēm. Tas prasa promotora reģionu klātbūtni, kas nosaka RNS polimerāzes kustību dažādos virzienos gar DNS molekulu.

Aprakstītās situācijas, kas liecina par dažādas informācijas nolasīšanas pieļaujamību no vienas un tās pašas DNS sekvences, liecina, ka gēni, kas pārklājas, ir diezgan izplatīts elements vīrusu un, iespējams, prokariotu genoma organizācijā. Eikariotos gēnu pārtraukums ļauj arī sintezēt dažādus peptīdus, kuru pamatā ir viena un tā pati DNS secība.

Paturot to visu prātā, ir jāgroza gēna definīcija. Acīmredzot vairs nevar runāt par gēnu kā par nepārtrauktu DNS secību, kas unikāli kodē konkrētu proteīnu. Acīmredzot šobrīd par vispieņemamāko joprojām vajadzētu uzskatīt formulu "Viens gēns - viens polipeptīds", lai gan daži autori iesaka to mainīt: "Viens polipeptīds - viens gēns." Jebkurā gadījumā ar terminu gēns jāsaprot iedzimta materiāla funkcionāla vienība, kas pēc savas ķīmiskās būtības ir polinukleotīds un nosaka iespēju sintezēt polipeptīdu ķēdi, tRNS vai rRNS.

Viens gēns viens enzīms.

1940. gadā Dž. Bīls un Edvards Teitums ar jaunu pieeju pētīja, kā gēni nodrošina vielmaiņu ērtākā pētījuma objektā – mikroskopiskajā sēnē Neurospora crassa .. Viņi ieguva mutācijas, kurās; nebija viena vai otra vielmaiņas enzīma aktivitātes. Un tas noveda pie tā, ka mutējošā sēne pati nespēja sintezēt noteiktu metabolītu (piemēram, aminoskābi leicīnu) un varēja dzīvot tikai tad, kad leicīns tika pievienots uzturvielu barotnei. Dž.Bīla un E.Tatuma formulētā teorija "viens gēns – viens enzīms" ātri vien guva plašu atzinību ģenētiķu vidū, un viņiem pašiem tika piešķirta Nobela prēmija.

Metodes. Tā saukto "bioķīmisko mutāciju" atlase, kas izraisa traucējumus enzīmu darbībā, kas nodrošina dažādus vielmaiņas ceļus, ir izrādījusies ļoti auglīga ne tikai zinātnei, bet arī praksei. Pirmkārt, tie noveda pie ģenētikas un rūpniecisko mikroorganismu selekcijas, bet pēc tam līdz mikrobioloģiskajai nozarei, kurā izmanto mikroorganismu celmus, kas pārproducē tādas stratēģiski svarīgas vielas kā antibiotikas, vitamīni, aminoskābes utt. Atlases un gēnu inženierijas principi. Pārproducētāju celmu pamatā ir priekšstats, ka "viens gēns kodē vienu fermentu". Un, lai gan šī ideja ir lieliska prakse, kas nes vairāku miljonu dolāru peļņu un ietaupa miljoniem dzīvību (antibiotikas), tā nav galīga. Viens gēns nav tikai viens enzīms.

"

1. Gēns ir DNS molekulas daļa, kas ir iedzimtas informācijas funkcionāla vienība.

1. Gēns hromosomā aizņem noteiktu apgabalu – lokusu.

2. Rekombinācija var notikt gēna ietvaros.

3. DNS, kas ir daļa no gēna, spēj laboties.

4. Ir gēni: strukturālie, regulējošie utt.

5. Tripletu izkārtojums ir komplementārs aminoskābēm (mutācijas ar nolasīšanas kadra nobīdi).

6. Genotips, būdams diskrēts (sastāv no atsevišķiem gēniem), funkcionē kopumā.

7. Ģenētiskais kods ir universāls.

8. Ģenētiskais kods ir deģenerēts (daudzām aminoskābēm ir vairāk nekā viens kodons - vieta)

9. Gēni hromosomā ir sakārtoti lineārā secībā un veido saišu grupu. Saiknes grupu skaits atbilst haploīdajam hromosomu kopumam (23 cilvēkiem vai 24 ar atrunu attiecībā uz dzimumu - x un y hromosomas).

Olbaltumvielu struktūru nosaka aminoskābju kopums un secība to peptīdu ķēdēs. Tieši šī peptīdu aminoskābju secība tiek šifrēta DNS molekulās, izmantojot ģenētisko kodu.

Ģenētiskā koda īpašības:

1. Trīskāršība- katru aminoskābi kodē trīs blakus esošie nukleotīdi.
2. Deģenerācija- daudzas aminoskābes ir šifrētas ar vairākiem tripletiem.
3. Specifiskums- katrs triplets var kodēt tikai vienu noteiktu aminoskābi.
4. Daudzpusība- pilnīga koda atbilstība dažādām dzīvo organismu sugām.
5. Nepārtrauktība- nukleotīdu sekvences tiek nolasītas trīs reizes trīs reizes bez atstarpēm.
6. Kodoni, kas nepārklājas- blakus esošie trīnīši nepārklājas viens ar otru.

20. Olbaltumvielu sintēzes ribosomu cikls (iniciācija, pagarināšana, izbeigšana). Olbaltumvielu pēctranslācijas transformācijas.

Iedzimtā informācija, kas reģistrēta, izmantojot ģenētisko kodu, tiek glabāta DNS molekulās, taču tā tieši nepiedalās šūnas dzīvības nodrošināšanā. RNS pilda starpnieka lomu, kura funkcija ir DNS uzkrāto iedzimto informāciju pārvērst darba formā. MRNS un tRNS mijiedarbības process, kas nodrošina informācijas tulkošanu no nukleotīdu valodas aminoskābju valodā, tiek veikts uz ribosomām. Ribosomu RNS ir ne tikai ribosomu strukturāla sastāvdaļa, bet arī nodrošina to saistīšanos ar noteiktu mRNS nukleotīdu secību. Tas nosaka sākumu un nolasīšanas rāmi peptīdu ķēdes veidošanās laikā. Turklāt tie nodrošina mijiedarbību starp ribosomu un tRNS. Ribosomām ir 2 rievas. Vienā no tām ir augošā polipeptīdu ķēde, bet otrā mRNS. Turklāt ribosomās tiek izolētas 2 tRNS saistošas ​​vietas. Aminoacil-tRNS atrodas aminoacilā, A vietā, nesot īpašu aminoskābi. Peptidila P-sekcijā parasti atrodas tRNS. A un P vietu veidošanos nodrošina abas ribosomas apakšvienības. Tulkošanu var iedalīt trīs fāzēs: uzsākšana, pagarināšana un izbeigšana.

Iniciācijas fāze sastāv no divu ribosomas apakšdaļiņu apvienošanas, kas iepriekš bija atdalītas citoplazmā noteiktā mRNS vietā, un pievieno tai pirmo aminoacil-tRNS. Tas arī nosaka rāmi mRNS ietvertās informācijas lasīšanai.

pagarinājuma fāze jeb peptīda pagarinājums, ietver visas reakcijas no pirmās peptīda saites veidošanās brīža līdz pēdējās amk piestiprināšanai. Tas ir cikliski atkārtots notikums, kurā tiek specifiski atpazīts nākamais kodons aminoacil-tRNS, kas atrodas A vietā, papildinot saikni starp antikodonu un kodonu. Izbeigšanas fāze vai polipeptīdu sintēzes pabeigšana, ir saistīta ar viena no terminācijas kodoniem (UAA, UAG, UGA) atpazīšanu ar specifisku ribosomas proteīnu, kad tas nonāk ribosomas A vietā. Šajā gadījumā ūdens tiek pievienots pēdējai amc peptīdu ķēdē un tā karboksilgals tiek atdalīts no tRNS. Tā rezultātā pabeigtā peptīdu ķēde zaudē savienojumu ar ribosomu, kas sadalās divās apakšdaļiņās.

Olbaltumvielu pēctranslācijas transformācija. Translācijas laikā sintezētās peptīdu ķēdes, pamatojoties uz to primāro struktūru, iegūst sekundāro un terciāro un daudzas ceturtdaļas organizāciju, ko veido vairākas peptīdu ķēdes. Atkarībā no proteīnu veiktajām funkcijām to aminoskābju sekvences var iziet dažādas transformācijas, veidojot funkcionāli aktīvas olbaltumvielu molekulas. Daudzas membrānas olbaltumvielas tiek sintezētas kā pirmproteīni ar līdersekvenci N-galā, kas nodrošina tiem membrānas atpazīšanu. Sekretorajiem proteīniem ir arī vadošā secība N-galā, kas nodrošina to transportēšanu cauri membrānai. Dažām olbaltumvielām tūlīt pēc translācijas ir papildu aminoskābju pro-sekvences, kas nosaka aktīvo olbaltumvielu prekursoru stabilitāti. Olbaltumvielu nogatavināšanas laikā tie tiek noņemti, ļaujot neaktīvajam proteīnam pāriet uz aktīvo proteīnu. Veidojot terciāru un kvartāru organizāciju pēctranslācijas transformāciju gaitā, olbaltumvielas iegūst spēju aktīvi funkcionēt, iekļaujoties noteiktās šūnu struktūrās un veicot fermentatīvas un citas funkcijas.

Attiecības starp gēnu un iezīmi. Hipotēze "viens gēns - viens enzīms", tās mūsdienu interpretācija: "viens gēns - viena polipeptīdu ķēde"

Gene - DNS molekulas sadaļa, kas satur informāciju par polipeptīdu ķēdes vai makromolekulas struktūru. Vienas hromosomas gēni ir izkārtoti lineāri, veidojot saiknes grupu. DNS hromosomā veic dažādas funkcijas. Gēni ir maza izmēra, lai gan tie sastāv no tūkstošiem bāzes pāru. Gēna klātbūtni nosaka gēna pazīmes (galaprodukta) izpausme.

Mendelam gēns ir tikai simbols, kas ir ērts mantojuma likuma definēšanai. Attiecības starp gēnu un iezīmi (produktu) tika atklātas, pētot fermentāciju bezgaisa vidē - 1902. gadā Garrod. Viņš pētīja alkaptonūrijas pacientu ciltsrakstus, nonāca pie secinājuma, ka slimība ir slāpekļa metabolisma pārkāpuma rezultāts. Urīnvielas vietā veidojas tumša viela. Ar Sikspārņu palīdzību 1908. gadā tika ierosināts, ka slimība rodas recesīviem homozigotiem, kuriem trūkst kāda veida fermentatīvās reakcijas, kas izraisa substrāta uzkrāšanos un izdalīšanos, ko parasti vajadzētu sadalīt. Cilvēka asinis satur homogentīnskābi, bet parasti homogentīnskābes oksidāze to sadala līdz maleīnacetātam, pēc tam par ūdeni un oglekļa dioksīdu. Pacientiem nav oksidāzes, tāpēc skābe uzkrājas un izdalās ar urīnu.

Albinisms ir arī iedzimts, lai gan tas ir daudz izplatītāks. Šajā slimībā nav enzīma, kas pārvērš tirozīnu melanīnā.

Līdz 1940. gadam zinātnieku viedokļi dalījās, taču teorijas nebija. 1940. gads – Bīls un Teitums izvirzīja hipotēzi: 1 gēns - 1 enzīms. E ka hipotēzei bija liela nozīme – zinātnieki sāka apsvērt galaproduktus. Izrādījās, ka hipotēzei ir ierobežojumi, jo Visi fermenti ir olbaltumvielas, bet ne visi proteīni ir fermenti. Kā likums, olbaltumvielas ir oligomēri – t.i. pastāv kvartāra struktūrā. Piemēram, tabakas mozaīkas kapsulā ir vairāk nekā 1200 polipeptīdu. Šobrīd vispieņemamākā hipotēze ir "Viens gēns - viens polipeptīds". Ar terminu gēns jāsaprot iedzimtības funkcionāla vienība, kas pēc savas ķīmiskās būtības ir polinukleotīds un nosaka iespēju sintezēt polipeptīdu ķēdi.

Gēns kā mainīguma vienība. Gēnu mutācijas un to klasifikācija. Gēnu mutāciju cēloņi un mehānismi. Gēnu mutāciju sekas.

Gēns ir iedzimta materiāla elementāra vienība. Gēnu mutācijas saistīta ar izmaiņām gēnu iekšējā struktūrā, kas pārvērš vienu alēli citā.

Gēnu veidojošās DNS struktūras izmaiņas var iedalīt 3 grupās.

4.2.1. Viens gēns, viens enzīms hipotēze

Pirmais pētījums. Pēc tam, kad 1902. gadā Garrods norādīja uz alkaptonūrijas ģenētiska defekta saistību ar organisma nespēju sadalīt homogentīnskābi, bija svarīgi noskaidrot konkrēto mehānismu, kas ir šī traucējuma pamatā. Kopš tā laika jau bija zināms, ka vielmaiņas reakcijas katalizē enzīmi, varēja pieņemt, ka alkaptonūriju izraisa kāda enzīma pārkāpums. Šādu hipotēzi apsprieda Driesch (1896. gadā). To izteica arī Haldane (1920, sk.) un Garrods (1923). Svarīgi posmi bioķīmiskās ģenētikas attīstībā bija Kuhn un Butenandt darbs par acu krāsas izpēti dzirnavu kodē. Ephesia kuhniella un līdzīgi pētījumi, ko veica Beadle un Ephrussi on Drosophila(1936). Šajos novatoriskajos darbos tika atlasīti kukaiņu mutanti, kas iepriekš pētīti ar ģenētiskām metodēm, lai noskaidrotu gēnu darbības mehānismus. Tomēr šī pieeja nedeva panākumus. Problēma izrādījās pārāk sarežģīta, un, lai to atrisinātu, bija nepieciešams:

1) izvēlēties vienkāršu eksperimentālai izpētei piemērotu organisma modeli;

2) meklēt bioķīmisko pazīmju ģenētisko bāzi, nevis ģenētiski noteikto pazīmju bioķīmisko bāzi. Abus nosacījumus izpildīja Bīdls un Teitums 1941. gadā (sk. arī Bīls 1945).

Beadle un Tatum modelis. Viņu raksts sākās šādi:

“No fizioloģiskās ģenētikas viedokļa organisma attīstību un funkcionēšanu var reducēt līdz sarežģītai ķīmisko reakciju sistēmai, ko kaut kādā veidā kontrolē gēni. Ir diezgan loģiski pieņemt, ka šie gēni ... vai nu paši darbojas kā fermenti, vai arī nosaka to specifiku. Ir zināms, ka ģenētiskie fiziologi parasti cenšas izpētīt jau zināmo iedzimto īpašību fizioloģiskos un bioķīmiskos pamatus. Šī pieeja ļāva konstatēt, ka daudzas bioķīmiskās reakcijas kontrolē specifiski gēni. Šādi pētījumi ir parādījuši, ka fermentiem un gēniem ir tāda pati specifika. Tomēr šīs pieejas darbības joma ir ierobežota. Nopietnākais ierobežojums ir tas, ka šajā gadījumā pētnieku redzeslokā nonāk iedzimtas pazīmes, kurām nav letālas ietekmes un tāpēc tās ir saistītas ar organisma dzīvībai maz būtiskām reakcijām. Otrā grūtība ... ir tā, ka tradicionālā pieeja problēmai ietver ārēji acīmredzamu pazīmju izmantošanu. Daudzas no tām ir morfoloģiskas variācijas, kuru pamatā ir tik sarežģītas bioķīmisko reakciju sistēmas, ka to analīze ir ārkārtīgi sarežģīta.

Šie apsvērumi lika mums izdarīt šādu secinājumu. Bioķīmisko reakciju, kas nosaka attīstību un vielmaiņu, ģenētiskās kontroles vispārējās problēmas izpēte jāveic, izmantojot procedūra, kas ir pretēja vispārpieņemtajai: tā vietā, lai mēģinātu noskaidrot zināmo iedzimto īpašību ķīmisko pamatu, ir jānosaka, vai vai gēni kontrolē zināmās bioķīmiskās reakcijas un kā tās to dara. Ascomycete neirosporai piemīt īpašības, kas ļauj īstenot šādu pieeju un vienlaikus kalpo kā ērts objekts ģenētiskiem pētījumiem. Tāpēc mūsu programma tika balstīta uz šī konkrētā organisma izmantošanu. Mēs balstījāmies uz faktu, ka rentgenstaru iedarbība izraisa mutācijas gēnos, kas kontrolē noteiktas ķīmiskās reakcijas. Pieņemsim, ka, lai izdzīvotu noteiktā vidē, organismam ir jāveic kaut kāda ķīmiska reakcija, tad mutants, kuram ir atņemtas šādas spējas, šajos apstākļos izrādīsies dzīvotnespējīgs. Taču to var uzturēt un pētīt, ja audzē vidē, kurai pievienots ģenētiski bloķētas reakcijas dzīvībai svarīgais produkts.

4 Gēnu darbība 9

Rīsi. 4.1. Eksperimenta shēma bioķīmisko neirosporu mutantu noteikšanai Uz pilnīgas barotnes rentgenstaru vai ultravioleto staru izraisītas mutācijas netraucē sēnītes augšanu. Tomēr mutants neaug minimālā barotnē. Pievienojot vitamīnus minimālajai barotnei, atjaunojas spēja augt Pievienojot aminoskābes, augšana nenotiek Pamatojoties uz šiem datiem, var pieņemt, ka mutācija notikusi gēnā, kas kontrolē vitamīna metabolismu Nākamā solis ir noteikt vitamīnu, kas spēj atjaunot normālu darbību. Starp vitamīnu biosintēzes reakcijām tika konstatēts ģenētiskais bloks.

Tālāk Beadle un Tatum apraksta eksperimenta plānu (4.1. attēls). Pilnās barotnes sastāvā bija agars, neorganiskie sāļi, iesala ekstrakts, rauga ekstrakts un glikoze. Minimālā barotne saturēja tikai agaru, sāļus, biotīnu un oglekļa avotu. Sīkāk tika pētīti mutanti, kas auga uz pilnīgas barotnes un neauga uz minimālās barotnes. Lai izveidotu savienojumu, kura sintēze bija traucēta katrā no mutantiem, minimālajam agaram tika pievienotas atsevišķas pilnas barotnes sastāvdaļas.

Tādā veidā tika izolēti celmi, kas nespēja sintezēt noteiktus augšanas faktorus: piridoksīnu, tiamīnu un para-aminobenzoskābi. Ir pierādīts, ka šie defekti ir radušies mutāciju dēļ konkrētos lokos. Darbs iezīmēja sākumu daudziem pētījumiem par neirosporām, baktērijām un raugiem, kuros tika izveidota atbilstība starp "ģenētiskajiem blokiem", kas ir atbildīgi par atsevišķiem vielmaiņas posmiem un specifiskiem enzīmu traucējumiem. Šī pieeja ir strauji attīstījusies par rīku, lai pētnieki varētu atklāt vielmaiņas ceļus.

Hipotēze "viens gēns - viens enzīms" ir guvusi spēcīgu eksperimentālu apstiprinājumu. Kā parādīja turpmāko gadu desmitu darbs, tas izrādījās pārsteidzoši auglīgs. Bojātu enzīmu un to normālo variantu analīze drīz vien ļāva identificēt ģenētisko traucējumu klasi, kas izraisīja izmaiņas enzīma darbībā, lai gan pats proteīns joprojām bija nosakāms un saglabāja imunoloģiskās īpašības. Citos gadījumos enzīmu aktivitātes temperatūras optimums mainījās. Dažus variantus varētu izskaidrot ar mutāciju, kas ietekmē vispārējo regulēšanas mehānismu un rezultātā izmaina veselas enzīmu grupas aktivitāti. Līdzīgu pētījumu rezultātā tika izveidots gēnu aktivitātes regulēšanas jēdziens baktērijās, kas ietvēra operona jēdzienu.

10 4. Gēnu darbība

Pirmie enzīmu traucējumu piemēri cilvēkiem. Pirmā cilvēka iedzimtā slimība, kurai varēja pierādīt enzīmu traucējumus, bija methemoglobinēmija ar recesīvu mantojuma veidu (Gibsons un Harisons, 1947; Gibsons, 1948) (25080). Šajā gadījumā bojātais enzīms ir no NADH atkarīga methemoglobīna reduktāze. Pirmais mēģinājums sistemātiski pētīt cilvēku slimību grupu, kas saistītas ar vielmaiņas defektiem, tika veikts 1951. gadā. Pētījumā par glikogēna uzkrāšanās slimību Corys parādīja, ka astoņos no desmit patoloģiska stāvokļa gadījumiem, kas tika diagnosticēti kā Gierke slimība (23220), aknu glikogēna struktūra bija normāls variants, un divos gadījumos tā bija skaidri traucēta. . Bija arī skaidrs, ka aknu glikogēnu, kas uzkrājas pārmērīgi, nevar tieši pārvērst cukurā, jo pacientiem ir tendence uz hipoglikēmiju. Lai aknās sadalītu glikogēnu glikozē, ir nepieciešami daudzi fermenti. Divi no tiem, amil-1,6-glikozidāze un glikozes-6-fosfatāze, tika izvēlēti kā iespējamie enzīmu sistēmas defektīvie elementi. Fosfātu izdalīšanās no glikozes-6 fosfāta tika mērīta aknu homogenātos dažādās pH vērtībās. Rezultāti ir parādīti attēlā. 4.2. Normālām aknām augsta aktivitāte tika konstatēta ar optimālo pH 6-7. Smaga aknu disfunkcija cirozes gadījumā korelēja ar nelielu aktivitātes samazināšanos. Savukārt Gierke slimības gadījumā ar letālu iznākumu enzīma aktivitāti vispār nevarēja noteikt; tāds pats rezultāts tika iegūts arī otra līdzīga pacienta izmeklēšanā. Diviem pacientiem ar mazāk smagiem simptomiem bija ievērojama aktivitātes samazināšanās.

Secināts, ka šajos Gierkes slimības gadījumos ar letālu iznākumu ir bijis glikozes-6-fosfatāzes defekts. Tomēr lielākajā daļā vieglāko gadījumu šī enzīma aktivitāte nebija zemāka kā aknu cirozes gadījumā, un tikai diviem pacientiem tā bija nedaudz zemāka (4.2. att.).

Pēc Corey laulāto domām, patoloģisku glikogēna uzkrāšanos muskuļu audos nevar saistīt ar glikozes-6-fosfatāzes trūkumu, jo šī enzīma muskuļos nav un tas ir normāli. Kā iespējamo muskuļu glikogenozes skaidrojumu viņi ierosināja amilo-1,6-glikozidāzes aktivitātes pārkāpumu. Šī prognoze drīz tika apstiprināta: Forbes atklāja šādu defektu vienā no klīniski nozīmīgajiem glikogēna uzkrāšanās slimības gadījumiem, kas skar sirdi un skeleta muskuļus. Tagad mēs

4. Gēnu darbība 11

glikogēna uzkrāšanās slimības gadījumā ir zināms liels skaits enzīmu defektu.

Lai gan dažādas šīs slimības formas nedaudz atšķiras pēc izpausmju pakāpes, klīniski starp tām ir daudz kopīga. Ar vienu izņēmumu tie visi tiek mantoti autosomāli recesīvā veidā. Ja fermentatīvie defekti nebūtu atklāti, glikogēna uzkrāšanās patoloģija tiktu uzskatīta par vienu slimību ar raksturīgām intrafamiliālām korelācijām pēc smaguma pakāpes, simptomu detaļām un nāves laika. Tādējādi mums ir piemērs, kur ģenētisko neviendabīgumu, ko varēja pieņemt, tikai pamatojoties uz fenotipa izpēti (3.3.5. sadaļa), apstiprināja analīze bioķīmiskā līmenī: fermentatīvās aktivitātes izpēte ļāva identificēt specifiski gēni.

Turpmākajos gados enzīmu defektu izpētes temps palielinājās, un attiecībā uz 588 identificētajiem recesīviem autosomālajiem gēniem, kurus Makkusiks apraksta savas grāmatas Mendeļa mantojums cilvēkā (1983) sestajā izdevumā, vairāk nekā 170 gadījumos tika konstatēti specifiski fermentatīvie traucējumi. . Mūsu progress šajā jomā ir tieši saistīts ar molekulārās ģenētikas koncepciju un metožu attīstību.

Daži enzīmu traucējumu izpētes posmi cilvēkiem. Mēs piedāvājam tikai vissvarīgākos pagrieziena punktus šajā procesā: 1934. gadā Vollings atklāja fenilketonūriju.

1941. gads Bīls un Teitums formulēja viena gēna-viena enzīma hipotēzi. 1948. Gibsons aprakstīja pirmo fermentatīvā traucējuma gadījumu cilvēka slimībā (recesīvā methemoglobinēmija).

1952. gads Korijs atklāj glikozes-6-fosfatāzes deficītu Gierke slimībā

1953 Jervis demonstrēja fenilalanīna hidroksilāzes neesamību fenilketonūrijā. Bikels ziņoja par pirmo mēģinājumu atvieglot enzīmu traucējumus, pieņemot diētu ar zemu fenilalanīna saturu.

1955 Smithies izstrādāja cietes gēla elektroforēzes tehniku

1956. gads Kārsons un citi atklāja glikozes-6-fosfāta dehidrogenāzes (G6PD) defektu inducētas hemolītiskās anēmijas gadījumā

1957 Kalkar et al. aprakstīja fermentu deficītu galaktozēmijā, parādot, ka cilvēkiem un baktērijām ir identiski enzīmu traucējumi

1961. gads Kruts un Veinbergs kultivētos fibroblastos in vitro demonstrēja galaktoēmijas enzīmu defektu

1967. gads Sigmillers un citi atklāj hipoksantīna-guanīna fosforiboziltransferāzes (HPRT) defektu Leša-Nīhana sindromā

1968. gads Klīvers aprakstīja kserodermas pigmentosa ekscīzijas remonta pārkāpumu

1970. gads Noifelds atklāja fermentatīvus defektus mukopolisaharidozēs, kas ļāva noteikt mukopolisaharīdu sadalīšanās ceļus.

1974 Brauns un Goldšteins pierādīja, ka ģenētiski noteiktā hidroksimetilglutaril-CoA reduktāzes pārprodukcija ģimenes hiperholesterinēmijā ir saistīta ar defektu membrānā izvietotā zema blīvuma lipoproteīna receptorā, kas modulē šī enzīma (HMG) aktivitāti.

1977 Sly un citi pierādīja, ka mannozes-6-fosfātu (kā lizosomu enzīmu sastāvdaļu) atpazīst fibroblastu receptori. Ģenētisks apstrādes defekts novērš lizosomu enzīmu saistīšanos, kā rezultātā tiek traucēta izdalīšanās citoplazmā un sekojoša sekrēcija plazmā (I-šūnu slimība).

12 4. Gēnu darbība

1980. gads Pseidohipoparatireozes gadījumā tiek atklāts proteīna defekts, kas nodrošina receptora un ciklāzes savienojumu.