» , » หนึ่งยีนหนึ่งเอนไซม์

หนึ่งยีน หนึ่งเอนไซม์

  & nbsp & nbsp & nbsp & nbsp & nbsp & nbsp & nbsp & nbsp92
วันที่ตีพิมพ์: 24 กรกฎาคม 2018

    

สมมติฐานหนึ่งยีนหนึ่งเอนไซม์เป็นแนวคิดที่เสนอในช่วงต้นทศวรรษ 1940 ว่ายีนแต่ละตัวควบคุมการสังเคราะห์หรือกิจกรรมของเอนไซม์ตัวเดียว แนวคิดนี้ผสมผสานสาขาวิชาพันธุศาสตร์และชีวเคมีเข้าด้วยกัน ได้รับการเสนอโดย George Wells Beadle นักพันธุศาสตร์ชาวอเมริกัน และ Edward L. Tatum นักชีวเคมีชาวอเมริกัน ผู้ทำการวิจัยเกี่ยวกับ Neurospora crassa การทดลองของพวกเขาเกี่ยวข้องกับการถ่ายภาพในรูปแบบรังสีเอกซ์ที่กระตุ้นการกลายพันธุ์ก่อน จากนั้นจึงเพาะเลี้ยงในอาหารเลี้ยงเชื้อในอาหารที่มีการเจริญเติบโตน้อยที่สุดซึ่งมีสารอาหารที่จำเป็นเท่านั้นสำหรับสายพันธุ์ธรรมชาติเพื่อความอยู่รอด พวกเขาพบว่าสายพันธุ์ของเชื้อรากลายพันธุ์ต้องการการเพิ่มกรดอะมิโนบางชนิดเพื่อที่จะเติบโต การใช้ข้อมูลนี้ นักวิจัยสามารถเชื่อมโยงการกลายพันธุ์ในยีนที่เฉพาะเจาะจงกับการหยุดชะงักของเอนไซม์แต่ละตัวในวิถีการเผาผลาญที่ปกติจะผลิตกรดอะมิโนที่ขาดหายไป เป็นที่ทราบกันดีอยู่แล้วว่าไม่ใช่ทุกยีนที่เข้ารหัสเอนไซม์ และเอ็นไซม์บางตัวประกอบด้วยพอลิเปปไทด์สั้นหลายตัวเข้ารหัสโดยยีนสองตัวหรือมากกว่า

การแสดงออกของยีนเป็นกระบวนการที่ข้อมูลทางพันธุกรรมจากยีนถูกแปลงเป็นผลิตภัณฑ์ที่ใช้งานได้ - RNA หรือโปรตีน การแสดงออกของยีนสามารถควบคุมได้ในทุกขั้นตอนของกระบวนการ: ระหว่างการถอดรหัส ระหว่างการแปล และในขั้นตอนของการดัดแปลงโปรตีนหลังการแปล

การแสดงออกของยีนเป็นสารตั้งต้นสำหรับการเปลี่ยนแปลงทางวิวัฒนาการ

การควบคุมการแสดงออกของยีนในระดับการถอดรหัสในโปรคาริโอต:

ระเบียบการถอดรหัสในเซลล์ดำเนินการในระดับของยีนแต่ละตัว บล็อกของพวกมัน และแม้แต่โครโมโซมทั้งหมด ตามกฎแล้วความสามารถในการควบคุมยีนจำนวนมากนั้นทำให้มั่นใจได้จากการมีลำดับนิวคลีโอไทด์ควบคุมทั่วไปในยีนเหล่านี้โดยที่ปัจจัยการถอดรหัสประเภทเดียวกันมีปฏิสัมพันธ์ เพื่อตอบสนองต่อการกระทำของเอฟเฟกต์เฉพาะ ปัจจัยดังกล่าวได้รับความสามารถในการผูกมัดด้วยความแม่นยำสูงกับลำดับยีนควบคุม ผลที่ตามมาคือความอ่อนแอหรือความเข้มแข็งของการถอดรหัสยีนที่เกี่ยวข้อง ขั้นตอนการถอดรหัสหลักสามขั้นตอนที่ใช้โดยเซลล์แบคทีเรียเพื่อควบคุมการสังเคราะห์อาร์เอ็นเอ ได้แก่ การเริ่มต้น การยืดตัว และการสิ้นสุด

การแสดงออกของยีนยูคาริโอตแตกต่างจากโปรคาริโอต:

1) ยูคาริโอตมี RNA polymerase สามประเภท: RNA polymerase1 กระตุ้นการถอดรหัสของยีนไรโบโซม RNA polymerase2 กระตุ้นการถอดรหัสยีนโครงสร้างทั้งหมด RNA polymerase3 กระตุ้นการถอดรหัสของ tRNA และ 5S-ribosomal RNA (เร่งการก่อตัวของ mRNA ที่มีอยู่ในยูคาริโอตเท่านั้น)

2) ภูมิภาคโปรโมเตอร์ในยูคาริโอตนั้นยาวกว่า

3) ในยูคาริโอต ยีนใดๆ จะถูกแทนด้วยลำดับการเข้ารหัสและลำดับที่ไม่เข้ารหัสแบบสลับกัน การเข้ารหัส - exons, ไม่เข้ารหัส - introns

4) ยูคาริโอตมีสารเพิ่มสมรรถนะที่รู้จักโดยโปรตีน พวกเขาสามารถอยู่ค่อนข้างไกลจากจุดเริ่มต้นของการถอดความ เอนแฮนเซอร์และโปรตีนที่เกี่ยวข้องเข้าใกล้ไซต์การจับ RNA polymerase-DNA

5) มี "ตัวเก็บเสียง" ที่ปราบปรามการถอดความ

หนึ่งยีน หนึ่งสมมติฐานของเอนไซม์แสดงให้เห็นว่ายีนแต่ละตัวสามารถเข้ารหัสสายพอลิเปปไทด์ได้เพียงสายเดียว ซึ่งสามารถรวมเป็นหน่วยย่อยในโปรตีนที่ซับซ้อนมากขึ้นได้ ทฤษฎีนี้เสนอโดย G. Beadle และ E. Tatum ในปี 1941 บนพื้นฐานของการวิเคราะห์ทางพันธุกรรมและทางชีวเคมีของ neurospores พวกเขาพบว่าภายใต้เงื่อนไขการทดลอง ภายใต้อิทธิพลของการกลายพันธุ์ต่างๆ ปฏิกิริยาทางชีวเคมีเพียงสายเดียวคือ ปิดเครื่องทุกครั้ง ความสงสัยเกี่ยวกับความถูกต้องสมบูรณ์ของทฤษฎีนี้ปรากฏขึ้นเนื่องจากการค้นพบระบบ "ยีนสองตัว - หนึ่งโพลีเปปไทด์" รวมถึงการมีอยู่ของยีนที่ทับซ้อนกัน จากมุมมองเชิงหน้าที่ ทฤษฎีนี้มีเงื่อนไขที่เกี่ยวข้องกับการค้นพบโปรตีนมัลติฟังก์ชั่น

รูปแบบการดำรงอยู่ของเซลล์ในเวลา วงจรเซลล์ (ชีวิต) การตายของเซลล์และเนื้อร้าย วงจร Mitotic (การงอกขยาย) เหตุการณ์สำคัญของวัฏจักรไมโทติค ระยะการสืบพันธุ์ (ระหว่างเฟส) และการแยก (mitosis) ของวัฏจักรไมโทติค ปัญหาการเพิ่มจำนวนเซลล์ในยา

วัฏจักรเซลล์- นี่คือช่วงเวลาของการดำรงอยู่ของเซลล์ตั้งแต่ช่วงเวลาที่ก่อตัวโดยการแบ่งเซลล์แม่ออกเป็นส่วน ๆ หรือความตาย

องค์ประกอบสำคัญของวัฏจักรเซลล์คือ วงจรไมโทติค- ความซับซ้อนของเหตุการณ์ที่สัมพันธ์กันและประสานงานกันในเวลาที่เกิดขึ้นในกระบวนการเตรียมเซลล์สำหรับการหารและระหว่างการหารเอง นอกจากนี้วัฏจักรชีวิตยังรวมถึงระยะเวลาการทำงานของเซลล์ของหน้าที่เฉพาะของสิ่งมีชีวิตหลายเซลล์ตลอดจนช่วงเวลาที่เหลือ ในช่วงเวลาที่เหลือ ชะตากรรมของเซลล์จะไม่ถูกกำหนดโดยทันที: มันสามารถเริ่มต้นการเตรียมการแบ่งเซลล์หรือเริ่มต้นความเชี่ยวชาญเฉพาะด้านในทิศทางการทำงานบางอย่าง

ระยะเวลาของวัฏจักรไมโทติคสำหรับเซลล์ส่วนใหญ่อยู่ที่ 10 ถึง 50 ชั่วโมง ความสำคัญทางชีวภาพของวัฏจักรไมโทติกคือทำให้แน่ใจถึงความต่อเนื่องของโครโมโซมในชุดของเซลล์รุ่นต่างๆ การก่อตัวของเซลล์ที่มีปริมาตรและเนื้อหาเท่ากัน ข้อมูลทางพันธุกรรม ดังนั้นวัฏจักรจึงเป็นกลไกทั่วไปสำหรับการสืบพันธุ์ขององค์กรเซลล์ของประเภทยูคาริโอตในการพัฒนาบุคคล

ประกอบด้วยการทำซ้ำ (เพิ่มตัวเองเป็นสองเท่า) ของสารพันธุกรรมของเซลล์แม่และในการกระจายอย่างสม่ำเสมอของสารนี้ระหว่างเซลล์ลูกสาว ตามเหตุการณ์หลักสองประการของวัฏจักรไมโทติคในนั้น จัดสรรระยะการสืบพันธุ์และการแยกตัวที่สอดคล้องกับเฟสและการแบ่งเซลล์ของเซลล์วิทยาแบบคลาสสิก

อะพอพโทซิส- การตายของเซลล์ที่ตั้งโปรแกรมไว้ ซึ่งเป็นกระบวนการควบคุมการทำลายตนเองในระดับเซลล์ อันเป็นผลมาจากการที่เซลล์ถูกแยกส่วนออกเป็นส่วน apoptotic ที่แยกจากกัน ซึ่งถูกจำกัดโดยเมมเบรนในพลาสมา ชิ้นส่วนของเซลล์ที่ตายแล้วมักจะถูกฟาโกไซไลซ์อย่างรวดเร็วโดยมาโครฟาจหรือเซลล์ข้างเคียง โดยข้ามการพัฒนาของปฏิกิริยาการอักเสบ กระบวนการอะพอพโทซิสใช้เวลา 1-3 ชั่วโมง หนึ่งในหน้าที่หลักของอะพอพโทซิสคือการทำลายเซลล์ที่บกพร่อง (เสียหาย กลายพันธุ์ ติดเชื้อ)

เนื้อร้าย- กระบวนการทางพยาธิวิทยาซึ่งแสดงออกในการตายของเนื้อเยื่อท้องถิ่นในสิ่งมีชีวิตอันเป็นผลมาจากความเสียหายจากภายนอกหรือภายใน เนื้อร้ายแสดงออกในการบวม, denaturation และการแข็งตัวของโปรตีนไซโตพลาสซึม การทำลายออร์แกเนลล์ของเซลล์ และในที่สุด ของเซลล์ทั้งหมด สาเหตุที่พบบ่อยที่สุดของความเสียหายของเนื้อเยื่อที่เป็นเนื้อตาย ได้แก่ การหยุดชะงักของการจัดหาเลือดและการสัมผัสกับผลิตภัณฑ์ที่ทำให้เกิดโรคของแบคทีเรียหรือไวรัส

30. วงจร Mitotic เหตุการณ์หลักของช่วงเวลาระหว่างเฟส เนื้อหาและความสำคัญของเฟสของไมโทซิส ความสำคัญทางชีวภาพของไมโทซิส

ไมโทติค(เจริญงอกงาม)วงจร -ความซับซ้อนของเหตุการณ์ที่สัมพันธ์กันและประสานงานกันที่เกิดขึ้นในกระบวนการเตรียมเซลล์สำหรับการหารและระหว่างการหารด้วยตัวมันเอง นอกจากนี้ วงจรชีวิตยังรวมถึง ระยะเวลาการทำงานของเซลล์สิ่งมีชีวิตหลายเซลล์ ฟังก์ชั่นเฉพาะเช่นเดียวกับช่วงที่อยู่เฉยๆ ในช่วงเวลาที่เหลือ ชะตากรรมของเซลล์จะไม่ถูกกำหนดโดยทันที: มันสามารถเริ่มต้นการเตรียมการแบ่งเซลล์หรือเริ่มต้นความเชี่ยวชาญเฉพาะด้านในทิศทางการทำงานบางอย่าง ระยะเวลาของวงจรไมโทติคสำหรับเซลล์ส่วนใหญ่อยู่ที่ 10 ถึง 50 ชั่วโมง

ความสำคัญทางชีวภาพของวัฏจักรไมโทติคคือทำให้แน่ใจถึงความต่อเนื่องของโครโมโซมในหลายรุ่นของเซลล์ การสร้างเซลล์ที่มีปริมาตรและเนื้อหาของข้อมูลทางพันธุกรรมที่เท่ากัน ดังนั้นวัฏจักรจึงเป็นกลไกทั่วไปสำหรับการสืบพันธุ์ขององค์กรเซลล์ของประเภทยูคาริโอตในการพัฒนาบุคคล

เหตุการณ์สำคัญของวัฏจักรไมโทติคอยู่ใน การทำซ้ำ(ตัวเองเป็นสองเท่า) ของสารพันธุกรรมของเซลล์แม่และใน กระจายสม่ำเสมอของสารนี้ระหว่างเซลล์ลูกสาว เหตุการณ์เหล่านี้มาพร้อมกับการเปลี่ยนแปลงอย่างสม่ำเสมอในการจัดโครงสร้างทางเคมีและทางสัณฐานวิทยา โครโมโซม -โครงสร้างนิวเคลียร์ซึ่งมีความเข้มข้นมากกว่า 90% ของสารพันธุกรรมของเซลล์ยูคาริโอต (ส่วนหลักของ DNA นอกนิวเคลียร์ของเซลล์สัตว์ตั้งอยู่ในไมโตคอนเดรีย)

โครโมโซมในการโต้ตอบกับกลไก extrachromosomal ให้: a) การจัดเก็บข้อมูลทางพันธุกรรม b) การใช้ข้อมูลนี้เพื่อสร้างและรักษาองค์กรของเซลล์ c) การควบคุมการอ่านข้อมูลทางพันธุกรรม d) การเพิ่มทวีคูณ (การคัดลอกตัวเอง) ของพันธุกรรม วัสดุ e) การถ่ายโอนจากเซลล์แม่ไปยังลูกสาว

การเปลี่ยนแปลงของเซลล์ในวัฏจักรไมโทติค

ตามเหตุการณ์หลักสองประการของวัฏจักรไมโทติคนั้นมีความโดดเด่น เจริญพันธุ์และ การแบ่งขั้นตอนที่สอดคล้องกัน อินเตอร์เฟสและ ไมโทซิสเซลล์วิทยาคลาสสิก (รูปที่ 2.11)

ในส่วนเริ่มต้นของเฟส ( โพสต์ไมโทติก, พรีซินเทติก,หรือ Gi-ระยะเวลา) คุณสมบัติของการจัดระเบียบของเซลล์ระหว่างเฟสได้รับการฟื้นฟู การก่อตัวของนิวเคลียสซึ่งเริ่มขึ้นในเทโลเฟสจะเสร็จสมบูรณ์ ปริมาณโปรตีนที่มีนัยสำคัญ (มากถึง 90%) เข้าสู่นิวเคลียสจากไซโตพลาสซึม ในไซโตพลาสซึมขนานกับการปรับโครงสร้างของโครงสร้างพื้นฐาน การสังเคราะห์โปรตีนจะทวีความรุนแรงขึ้น สิ่งนี้มีส่วนช่วยในการเติบโตของมวลเซลล์ หากเซลล์ลูกสาวต้องเข้าสู่วัฏจักรไมโทติคถัดไป การสังเคราะห์จะกลายเป็นโดยตรง: สารตั้งต้นทางเคมีของ DNA จะถูกสร้างขึ้น เอ็นไซม์ที่กระตุ้นปฏิกิริยาการทำซ้ำของ DNA และโปรตีนจะถูกสังเคราะห์ที่เริ่มปฏิกิริยานี้ ดังนั้นกระบวนการในการเตรียมช่วงถัดไปของเฟส - ส่วนสังเคราะห์ - จะดำเนินการ

ที่ สังเคราะห์หรือ S-periodปริมาณสารพันธุกรรมของเซลล์เพิ่มขึ้นเป็นสองเท่า มันประกอบด้วยความแตกต่างของเกลียวดีเอ็นเอออกเป็นสองสายตามด้วยการสังเคราะห์สายโซ่เสริมที่อยู่ใกล้แต่ละสาย ผลที่ได้คือขดลวดสองอันที่เหมือนกัน โมเลกุลดีเอ็นเอที่ประกอบขึ้นจากมารดาจะก่อตัวเป็นชิ้นเล็กชิ้นน้อยตามความยาวของโครโมโซม นอกจากนี้ ในส่วนต่าง ๆ ของโครโมโซมเดียวกันและในโครโมโซมที่ต่างกันแบบไม่พร้อมกัน (แบบอะซิงโครนัส) จากนั้นพัสดุ (หน่วยจำลอง - ตัวจำลอง) ของ DNA ที่ก่อตัวขึ้นใหม่ถูก "เชื่อมขวาง" ให้เป็นหนึ่งโมเลกุลขนาดใหญ่

ช่วงเวลาตั้งแต่สิ้นสุดระยะเวลาสังเคราะห์จนถึงจุดเริ่มต้นของการแบ่งเซลล์ หลังสังเคราะห์(premitotic), หรือ G 2 - ระยะเวลาเฟส เป็นลักษณะการสังเคราะห์อาร์เอ็นเออย่างเข้มข้นและโดยเฉพาะอย่างยิ่งโปรตีน การเพิ่มมวลของไซโตพลาสซึมเป็นสองเท่านั้นเสร็จสมบูรณ์เมื่อเปรียบเทียบกับจุดเริ่มต้นของเฟส นี่เป็นสิ่งจำเป็นสำหรับเซลล์ที่จะเข้าสู่ไมโทซิส

การค้นพบการจัดกลุ่มยีนยูคาริโอตแบบเอ็กซอน-อินตรอนและความเป็นไปได้ของการประกบแบบทางเลือกได้แสดงให้เห็นว่าลำดับนิวคลีโอไทด์เดียวกันของการถอดเสียงหลักสามารถจัดให้มีการสังเคราะห์สายโซ่โพลีเปปไทด์หลายสายที่มีหน้าที่ต่างกันหรือแอนะล็อกที่ดัดแปลง ตัวอย่างเช่น ไมโทคอนเดรียของยีสต์มีกล่อง (หรือซัง) ยีนที่เข้ารหัสเอนไซม์ระบบทางเดินหายใจไซโตโครมบี สามารถอยู่ในสองรูปแบบ: ยีน "ยาว" ประกอบด้วย 6400 bp มี 6 exons มีความยาวรวม 1155 bp และ 5 อินตรอน รูปแบบสั้นของยีนประกอบด้วย 3300 bp และมีอินตรอน 2 ตัว แท้จริงแล้วมันเป็นยีน "ยาว" ที่ปราศจากอินตรอนสามตัวแรก ยีนทั้งสองรูปแบบมีการแสดงออกอย่างเท่าเทียมกัน

หลังจากการกำจัดอินตรอนแรกของยีนกล่อง "ยาว" ตามลำดับนิวคลีโอไทด์รวมของสองเอ็กซอนแรกและส่วนหนึ่งของนิวคลีโอไทด์ของอินตรอนที่สอง เทมเพลตสำหรับโปรตีนอิสระ RNA maturase จะเกิดขึ้น (รูปที่ . 3.43)). หน้าที่ของ RNA maturase คือการจัดเตรียมขั้นต่อไปของ splicing - การกำจัด intron ที่สองออกจากการถอดรหัสหลักและในท้ายที่สุดคือการก่อตัวของเทมเพลตสำหรับ cytochrome b

อีกตัวอย่างหนึ่งคือการเปลี่ยนแปลงในรูปแบบการประกบของการถอดเสียงหลักที่เข้ารหัสโครงสร้างของโมเลกุลแอนติบอดีในลิมโฟไซต์ รูปแบบเมมเบรนของแอนติบอดีมี "หาง" ยาวของกรดอะมิโนที่ปลาย C ซึ่งช่วยให้เกิดการตรึงโปรตีนบนเมมเบรน รูปแบบของแอนติบอดีที่หลั่งออกมานั้นไม่มีหางดังกล่าว ซึ่งอธิบายได้จากการกำจัดนิวคลีโอไทด์ที่เข้ารหัสบริเวณนี้จากการถอดรหัสหลักในระหว่างการต่อประกบ

ในไวรัสและแบคทีเรีย มีการอธิบายสถานการณ์โดยที่ยีนหนึ่งสามารถเป็นส่วนหนึ่งของยีนอื่นได้พร้อม ๆ กัน หรือลำดับดีเอ็นเอนิวคลีโอไทด์บางลำดับอาจเป็นส่วนหนึ่งของยีนที่ทับซ้อนกันสองยีนที่ต่างกัน ตัวอย่างเช่น ในแผนที่ทางกายภาพของจีโนม phage FX174 (รูปที่ 3.44) จะเห็นได้ว่าลำดับยีน B ตั้งอยู่ภายในยีน A และยีน E เป็นส่วนหนึ่งของลำดับยีน D คุณลักษณะนี้ของ การจัดระเบียบของฟาจจีโนมจัดการเพื่ออธิบายความคลาดเคลื่อนที่มีอยู่ระหว่างขนาดที่ค่อนข้างเล็ก (ประกอบด้วย 5386 นิวคลีโอไทด์) กับจำนวนกรดอะมิโนตกค้างในโปรตีนสังเคราะห์ทั้งหมด ซึ่งเกินความสามารถทางทฤษฎีที่อนุญาตสำหรับความสามารถของจีโนมที่กำหนด ความเป็นไปได้ของการประกอบสายโซ่เปปไทด์ที่แตกต่างกันบน mRNA ที่สังเคราะห์จากยีนที่ทับซ้อนกัน (A และ B หรือ E และ D) ทำให้เกิดความมั่นใจโดยการมีอยู่ของตำแหน่งที่จับไรโบโซมภายใน mRNA นี้ สิ่งนี้ช่วยให้การแปลเปปไทด์อื่นเริ่มต้นจากจุดอ้างอิงใหม่

ลำดับนิวคลีโอไทด์ของยีน B ก็เป็นส่วนหนึ่งของยีน A และยีน E ก็เป็นส่วนหนึ่งของยีน D

ในจีโนม λ ฟาจ ยังพบยีนที่ทับซ้อนกัน ซึ่งแปลทั้งด้วยการเปลี่ยนเฟรมและในกรอบการอ่านเดียวกัน นอกจากนี้ยังสันนิษฐานด้วยว่า mRNA ที่ต่างกันสองตัวสามารถถอดความจากสายเสริมทั้งสองเส้นของบริเวณ DNA เดียวกันได้ สิ่งนี้ต้องการการปรากฏตัวของภูมิภาคโปรโมเตอร์ที่กำหนดการเคลื่อนไหวของ RNA polymerase ในทิศทางที่ต่างกันไปตามโมเลกุลดีเอ็นเอ

สถานการณ์ที่อธิบายไว้ซึ่งเป็นพยานถึงการยอมรับให้อ่านข้อมูลที่แตกต่างจากลำดับดีเอ็นเอเดียวกัน ชี้ให้เห็นว่ายีนที่ทับซ้อนกันเป็นองค์ประกอบที่ค่อนข้างธรรมดาในการจัดระเบียบของจีโนมของไวรัสและอาจเป็นโปรคาริโอต ในยูคาริโอต ความต่อเนื่องของยีนยังยอมให้มีการสังเคราะห์เปปไทด์ต่างๆ ตามลำดับดีเอ็นเอเดียวกัน

เมื่อคำนึงถึงสิ่งนี้ จำเป็นต้องแก้ไขคำจำกัดความของยีน เห็นได้ชัดว่าเราไม่สามารถพูดถึงยีนที่เป็นลำดับต่อเนื่องของ DNA ที่เข้ารหัสโปรตีนจำเพาะอย่างเฉพาะเจาะจงได้อีกต่อไป เห็นได้ชัดว่าในปัจจุบัน สูตร "หนึ่งยีน - หนึ่งพอลิเปปไทด์" ยังควรได้รับการพิจารณาว่าเป็นที่ยอมรับมากที่สุด แม้ว่าผู้เขียนบางคนแนะนำให้เปลี่ยนสูตรนี้: "หนึ่งโพลีเปปไทด์ - หนึ่งยีน" ไม่ว่าในกรณีใด คำว่ายีนควรถูกเข้าใจว่าเป็นหน่วยหน้าที่ของสารพันธุกรรม ซึ่งโดยลักษณะทางเคมีของมันคือพอลินิวคลีโอไทด์ และกำหนดความเป็นไปได้ของการสังเคราะห์สายโซ่โพลีเปปไทด์ tRNA หรือ rRNA

หนึ่งยีนหนึ่งเอนไซม์

ในปี ค.ศ. 1940 J. Beadle และ Edward Tatum ใช้แนวทางใหม่ในการศึกษาว่ายีนให้เมแทบอลิซึมในวัตถุที่สะดวกกว่าของการวิจัยได้อย่างไร - เชื้อรา Neurospora crassa ด้วยกล้องจุลทรรศน์ ไม่มีกิจกรรมของเอนไซม์เมตาบอลิซึมอย่างใดอย่างหนึ่ง และสิ่งนี้นำไปสู่ความจริงที่ว่าเชื้อรากลายพันธุ์ไม่สามารถสังเคราะห์สารเมตาโบไลต์บางอย่างได้เอง (เช่น กรดอะมิโนลิวซีน) และสามารถมีชีวิตอยู่ได้ก็ต่อเมื่อลิวซีนถูกเติมเข้าไปในอาหาร ทฤษฎี "หนึ่งยีน - หนึ่งเอนไซม์" ซึ่งกำหนดโดย J. Beadle และ E. Tatum ได้รับการยอมรับอย่างกว้างขวางในหมู่นักพันธุศาสตร์ และพวกเขาเองได้รับรางวัลโนเบล

วิธีการ การคัดเลือกสิ่งที่เรียกว่า "การกลายพันธุ์ทางชีวเคมี" ซึ่งนำไปสู่การรบกวนการทำงานของเอ็นไซม์ที่ให้วิถีการเผาผลาญที่แตกต่างกัน ได้พิสูจน์แล้วว่ามีผลอย่างมาก ไม่เพียงแต่สำหรับวิทยาศาสตร์เท่านั้น แต่สำหรับภาคปฏิบัติด้วย ประการแรก สิ่งเหล่านี้นำไปสู่การเกิดขึ้นของพันธุกรรมและการคัดเลือกจุลินทรีย์อุตสาหกรรม และจากนั้นไปสู่อุตสาหกรรมจุลชีววิทยาซึ่งใช้จุลินทรีย์สายพันธุ์ที่ผลิตสารสำคัญทางยุทธศาสตร์มากเกินไป เช่น ยาปฏิชีวนะ วิตามิน กรดอะมิโน เป็นต้น หลักการคัดเลือกและพันธุวิศวกรรม ของผู้ผลิตมากเกินหลายสายพันธ์อยู่บนพื้นฐานของแนวคิดที่ว่า "หนึ่งรหัสยีนสำหรับหนึ่งเอนไซม์" และถึงแม้ว่าแนวคิดนี้เป็นแนวปฏิบัติที่ยอดเยี่ยมจะนำมาซึ่งผลกำไรหลายล้านดอลลาร์และช่วยชีวิตคนนับล้าน (ยาปฏิชีวนะ) - ยังไม่สิ้นสุด ยีนตัวหนึ่งไม่ได้เป็นเพียงเอนไซม์ตัวเดียว

"

1. ยีนเป็นส่วนหนึ่งของโมเลกุลดีเอ็นเอ ซึ่งเป็นหน่วยหน้าที่ของข้อมูลทางพันธุกรรม

1. ยีนครอบครองพื้นที่หนึ่งในโครโมโซม - โลคัส

2. การรวมตัวกันใหม่อาจเกิดขึ้นภายในยีน

3. DNA ซึ่งเป็นส่วนหนึ่งของยีนนั้นสามารถซ่อมแซมได้

4. มียีน: โครงสร้าง กฎเกณฑ์ ฯลฯ

5. การจัดเรียงแฝดสามเป็นส่วนเสริมของกรดอะมิโน (การกลายพันธุ์ด้วยการเปลี่ยนกรอบการอ่าน)

6. จีโนไทป์ที่ไม่ต่อเนื่อง (ประกอบด้วยยีนแต่ละตัว) ทำหน้าที่โดยรวม

7. รหัสพันธุกรรมเป็นสากล

8. รหัสพันธุกรรมเสื่อม (สำหรับกรดอะมิโนจำนวนมากมีโคดอนมากกว่าหนึ่งแห่ง)

9. ยีนถูกจัดเรียงเป็นเส้นตรงบนโครโมโซมและสร้างกลุ่มเชื่อมโยง จำนวนกลุ่มเชื่อมโยงสอดคล้องกับชุดโครโมโซมเดี่ยว (23 ในมนุษย์หรือ 24 ตัวโดยสงวนไว้สำหรับโครโมโซมเพศ - x และ y)

โครงสร้างของโปรตีนถูกกำหนดโดยชุดและลำดับของกรดอะมิโนในสายเปปไทด์ของพวกมัน เป็นลำดับของกรดอะมิโนในเปปไทด์ที่เข้ารหัสในโมเลกุลดีเอ็นเอโดยใช้รหัสพันธุกรรม

คุณสมบัติของรหัสพันธุกรรม:

1. Tripletity-กรดอะมิโนแต่ละตัวถูกเข้ารหัสโดยนิวคลีโอไทด์สามตัวที่อยู่ติดกัน
2. ความเสื่อม-กรดอะมิโนจำนวนมากถูกเข้ารหัสด้วยแฝดสามหลายตัว
3. ความจำเพาะ- แฝดสามแต่ละตัวสามารถเข้ารหัสกรดอะมิโนเฉพาะได้เพียงตัวเดียวเท่านั้น
4. ความเก่งกาจ- การปฏิบัติตามรหัสอย่างสมบูรณ์ในสิ่งมีชีวิตประเภทต่างๆ
5. ความต่อเนื่อง- ลำดับนิวคลีโอไทด์อ่านสามเท่าโดยไม่มีช่องว่าง
6. รหัสที่ไม่ทับซ้อนกัน- แฝดสามข้างเคียงไม่ทับซ้อนกัน

20. วงจรไรโบโซมของการสังเคราะห์โปรตีน (การเริ่มต้น การยืดตัว การสิ้นสุด) การเปลี่ยนแปลงหลังการแปลของโปรตีน

ข้อมูลทางพันธุกรรมที่บันทึกโดยใช้รหัสพันธุกรรมจะถูกเก็บไว้ในโมเลกุลดีเอ็นเอ แต่ไม่ได้มีส่วนโดยตรงในการช่วยชีวิตของเซลล์ บทบาทของตัวกลางที่มีหน้าที่ในการแปลข้อมูลทางพันธุกรรมที่เก็บไว้ใน DNA ให้อยู่ในรูปแบบการทำงานนั้นเล่นโดย RNA กระบวนการของการทำงานร่วมกันระหว่าง mRNA และ tRNA ซึ่งทำให้แน่ใจได้ว่าการแปลข้อมูลจากภาษาของนิวคลีโอไทด์เป็นภาษาของกรดอะมิโนนั้นดำเนินการบนไรโบโซม RNA ของไรโบโซมไม่เพียงแต่เป็นส่วนประกอบโครงสร้างของไรโบโซมเท่านั้น แต่ยังช่วยให้แน่ใจว่าพวกมันจับกับลำดับนิวคลีโอไทด์ของ mRNA จำเพาะอีกด้วย สิ่งนี้กำหนดจุดเริ่มต้นและกรอบการอ่านระหว่างการก่อตัวของสายเปปไทด์ นอกจากนี้ยังจัดให้มีปฏิสัมพันธ์ระหว่างไรโบโซมและ tRNA ไรโบโซมมี 2 ร่อง หนึ่งในนั้นมีสายโซ่โพลีเปปไทด์ที่กำลังเติบโต mRNA อีกตัวหนึ่ง นอกจากนี้ ไซต์ที่จับ tRNA 2 แห่งถูกแยกออกในไรโบโซม Aminoacyl-tRNA ตั้งอยู่ใน aminoacyl, A-site ซึ่งมีกรดอะมิโนจำเพาะ ในเปปทิดิล ส่วน P มักพบ tRNA การก่อตัวของไซต์ A และ P มีให้โดยหน่วยย่อยทั้งสองของไรโบโซม การแปลสามารถแบ่งออกเป็นสามขั้นตอน: การเริ่มต้น การยืด และการสิ้นสุด

ระยะเริ่มต้นประกอบด้วยการรวมอนุภาคย่อยสองส่วนของไรโบโซมที่ก่อนหน้านี้แยกจากกันในไซโตพลาสซึมที่ตำแหน่งหนึ่งของ mRNA และติด aminoacyl-tRNA ตัวแรกเข้ากับมัน นอกจากนี้ยังกำหนดกรอบสำหรับการอ่านข้อมูลที่มีอยู่ใน mRNA

ระยะการยืดตัวหรือการยืดตัวของเปปไทด์ รวมถึงปฏิกิริยาทั้งหมดตั้งแต่ช่วงเวลาของการก่อตัวของพันธะเปปไทด์ที่หนึ่งไปจนถึงการยึดติดของ amk สุดท้าย เป็นเหตุการณ์ที่เกิดซ้ำตามวัฏจักรซึ่งมีการรับรู้เฉพาะของ codon aminoacyl-tRNA ระยะสิ้นสุด หรือความสมบูรณ์ของการสังเคราะห์พอลิเปปไทด์นั้นสัมพันธ์กับการจดจำหนึ่งใน codon สิ้นสุด (UAA, UAG, UGA) โดยโปรตีนไรโบโซมจำเพาะเมื่อเข้าสู่โซน A-site ของไรโบโซม ในกรณีนี้ น้ำจะถูกยึดติดกับ amc สุดท้ายในสายเปปไทด์และปลายคาร์บอกซิลแยกออกจาก tRNA เป็นผลให้สายเปปไทด์ที่เสร็จสมบูรณ์สูญเสียการเชื่อมต่อกับไรโบโซมซึ่งแบ่งออกเป็นสองอนุภาคย่อย

การเปลี่ยนแปลงหลังการแปลของโปรตีนโซ่เปปไทด์สังเคราะห์ขึ้นระหว่างการแปล บนพื้นฐานของโครงสร้างหลัก ได้มาซึ่งสายรองและตติยภูมิ และองค์กรควอเทอร์นารีจำนวนมากที่เกิดจากสายโซ่เปปไทด์หลายสาย ขึ้นอยู่กับหน้าที่ที่ทำโดยโปรตีน ลำดับกรดอะมิโนของพวกมันสามารถผ่านการเปลี่ยนแปลงที่หลากหลาย ก่อรูปโมเลกุลโปรตีนที่ออกฤทธิ์ตามหน้าที่ โปรตีนเมมเบรนจำนวนมากถูกสังเคราะห์เป็นพรีโปรตีนด้วยลำดับของผู้นำที่ปลาย N ซึ่งให้การรับรู้เมมเบรน โปรตีนจากสารคัดหลั่งยังมีลำดับผู้นำที่ปลาย N ซึ่งทำให้แน่ใจได้ว่าการขนส่งข้ามเยื่อหุ้มเซลล์ โปรตีนบางชนิดทันทีหลังจากการแปลจะมีลำดับโปรของกรดอะมิโนเพิ่มเติมที่กำหนดความเสถียรของสารตั้งต้นของโปรตีนที่ออกฤทธิ์ ในระหว่างการสุกของโปรตีน พวกมันจะถูกลบออก ทำให้สามารถเปลี่ยนโปรโปรตีนที่ไม่ได้ใช้งานไปเป็นโปรตีนที่ใช้งานได้ การสร้างองค์กรระดับตติยภูมิและควอเทอร์นารีในระหว่างการเปลี่ยนแปลงหลังการแปล โปรตีนได้รับความสามารถในการทำงานอย่างแข็งขัน รวมอยู่ในโครงสร้างเซลล์บางอย่างและทำหน้าที่ของเอนไซม์และการทำงานอื่นๆ

ความสัมพันธ์ระหว่างยีนกับลักษณะ สมมติฐาน "หนึ่งยีน - หนึ่งเอนไซม์" การตีความสมัยใหม่: "ยีนหนึ่ง - หนึ่งสายโซ่โพลีเปปไทด์"

ยีน - ส่วนของโมเลกุล DNA ที่มีข้อมูลเกี่ยวกับโครงสร้างของสายโซ่โพลีเปปไทด์หรือโมเลกุลขนาดใหญ่ ยีนของโครโมโซมหนึ่งตัวถูกจัดเรียงเป็นเส้นตรง ก่อตัวเป็นกลุ่มเชื่อมโยง ดีเอ็นเอในโครโมโซมทำหน้าที่ต่างกัน ยีนมีขนาดเล็กถึงแม้จะประกอบด้วยคู่เบสหลายพันคู่ การปรากฏตัวของยีนนั้นเกิดจากการสำแดงลักษณะของยีน (ผลิตภัณฑ์ขั้นสุดท้าย)

สำหรับ Mendel ยีนเป็นเพียงสัญลักษณ์ที่สะดวกสำหรับการกำหนดกฎการสืบทอด ความสัมพันธ์ระหว่างยีนและลักษณะ (ผลิตภัณฑ์) ถูกค้นพบขณะศึกษาการหมักในสภาพแวดล้อมที่ไม่มีอากาศ - 1902 Garrod เขาศึกษาสายเลือดของผู้ป่วยที่มีอัลคัปโตนูเรียสรุปได้ว่าโรคนี้เป็นผลมาจากการเผาผลาญไนโตรเจนที่บกพร่องในขณะที่ สารมืดจะก่อตัวขึ้นแทนยูเรีย ด้วยความช่วยเหลือของค้างคาวในปี พ.ศ. 2451 มีข้อเสนอแนะว่าโรคนี้เกิดขึ้นในโฮโมไซโกตแบบถอยซึ่งขาดปฏิกิริยาของเอนไซม์บางชนิด ซึ่งนำไปสู่การสะสมและการขับถ่ายของสารตั้งต้น ซึ่งปกติควรแยกออก เลือดมนุษย์ประกอบด้วยกรดโฮโมเจนติซิก แต่โดยปกติ กรดโฮโมเจนทิซิก แอซิด ออกซิเดสจะสลายไปเป็นมาลิก อะซิเตต จากนั้นจึงสลายเป็นน้ำและคาร์บอนไดออกไซด์ ผู้ป่วยไม่มีออกซิเดส กรดจึงสะสมและขับออกทางปัสสาวะ

Albinism ยังเป็นกรรมพันธุ์แม้ว่าจะเป็นเรื่องธรรมดามาก ในโรคนี้ไม่มีเอ็นไซม์ที่เปลี่ยนไทโรซีนเป็นเมลานิน

จนถึงปี พ.ศ. 2483 ความคิดเห็นของนักวิทยาศาสตร์ถูกแบ่งออก แต่ไม่มีทฤษฎีใด 2483 - Beadle และ Tatumสมมุติฐาน: 1 ยีน - 1 เอ็นไซม์ อีสมมติฐานนั้นมีบทบาทสำคัญ - นักวิทยาศาสตร์เริ่มพิจารณาผลิตภัณฑ์ขั้นสุดท้าย ปรากฎว่าสมมติฐานมีข้อจำกัดเพราะ เอนไซม์ทั้งหมดเป็นโปรตีน แต่ไม่ใช่โปรตีนทั้งหมดที่เป็นเอนไซม์ ตามกฎแล้วโปรตีนคือโอลิโกเมอร์ - เช่น มีอยู่ในโครงสร้างสี่ส่วน ตัวอย่างเช่น แคปซูลโมเสกยาสูบมีพอลิเปปไทด์มากกว่า 1200 ตัว ปัจจุบันสมมติฐานที่ยอมรับได้มากที่สุดคือ "หนึ่งยีน - หนึ่งโพลีเปปไทด์".คำว่ายีนควรเข้าใจว่าเป็นหน่วยหน้าที่ของการถ่ายทอดทางพันธุกรรม ซึ่งโดยลักษณะทางเคมีของมันคือพอลินิวคลีโอไทด์และกำหนดความเป็นไปได้ของการสังเคราะห์สายโซ่พอลิเปปไทด์

ยีนเป็นหน่วยของความแปรปรวน การกลายพันธุ์ของยีนและการจำแนกประเภท สาเหตุและกลไกการกลายพันธุ์ของยีน ผลที่ตามมาของการกลายพันธุ์ของยีน

ยีนเป็นหน่วยพื้นฐานของสารพันธุกรรม การกลายพันธุ์ของยีนเกี่ยวข้องกับการเปลี่ยนแปลงโครงสร้างภายในของยีน ซึ่งเปลี่ยนอัลลีลหนึ่งให้กลายเป็นอัลลีลอื่น

การเปลี่ยนแปลงโครงสร้างของ DNA ที่สร้างยีน สามารถแบ่งออกได้เป็น 3 กลุ่ม

4.2.1. หนึ่งยีน หนึ่งสมมติฐานของเอนไซม์

การวิจัยครั้งแรกหลังจากในปี 1902 Garrod ได้ชี้ให้เห็นถึงความเชื่อมโยงของข้อบกพร่องทางพันธุกรรมในอัลคัปโตนูเรียกับการที่ร่างกายไม่สามารถย่อยสลายกรดโฮโมเจนติซิกได้ สิ่งสำคัญคือต้องอธิบายกลไกเฉพาะที่เป็นสาเหตุของความผิดปกตินี้ ตั้งแต่นั้นมาก็ทราบกันดีอยู่แล้วว่าปฏิกิริยาเมตาบอลิซึมถูกกระตุ้นโดยเอนไซม์ จึงสันนิษฐานได้ว่าเป็นการละเมิดของเอ็นไซม์บางตัวที่นำไปสู่อัลคัปโตนูเรีย สมมติฐานดังกล่าวถูกกล่าวถึงโดย Driesch (ในปี 1896) มันยังแสดงออกโดย Haldane (1920 ดู) และ Garrod (1923) ขั้นตอนสำคัญในการพัฒนาพันธุศาสตร์ทางชีวเคมีคืองานของ Kuhn และ Butenandt ในการศึกษาสีตาในมอดสี Ephesia kuhniellaและการศึกษาที่คล้ายกันโดย Beadle และ Ephrussi on แมลงหวี่(1936). ในงานบุกเบิกเหล่านี้ แมลงกลายพันธุ์ที่ศึกษาก่อนหน้านี้โดยวิธีทางพันธุกรรมได้รับการคัดเลือกเพื่ออธิบายกลไกการออกฤทธิ์ของยีน อย่างไรก็ตาม วิธีการนี้ไม่ได้นำไปสู่ความสำเร็จ ปัญหากลายเป็นเรื่องที่ซับซ้อนเกินไป และเพื่อที่จะแก้ไขได้ จำเป็น:

1) เลือกสิ่งมีชีวิตแบบง่าย ๆ ที่สะดวกสำหรับการศึกษาทดลอง

2) เพื่อค้นหาพื้นฐานทางพันธุกรรมของลักษณะทางชีวเคมี ไม่ใช่พื้นฐานทางชีวเคมีของลักษณะที่กำหนดทางพันธุกรรม Beadle และ Tatum ปฏิบัติตามเงื่อนไขทั้งสองข้อในปี 1941 (ดู Beadle 1945 ด้วย)

รุ่น Beadle และ Tatum บทความของพวกเขาเริ่มต้นเช่นนี้:

“จากมุมมองของพันธุศาสตร์ทางสรีรวิทยา การพัฒนาและการทำงานของสิ่งมีชีวิตสามารถลดลงไปสู่ระบบที่ซับซ้อนของปฏิกิริยาเคมีที่ควบคุมโดยยีน ค่อนข้างมีเหตุผลที่จะสมมติว่ายีนเหล่านี้ ... ทำหน้าที่เป็นเอนไซม์เองหรือกำหนดความจำเพาะ เป็นที่ทราบกันดีอยู่แล้วว่านักสรีรวิทยาทางพันธุกรรมมักจะพยายามตรวจสอบพื้นฐานทางสรีรวิทยาและชีวเคมีของลักษณะทางพันธุกรรมที่ทราบอยู่แล้ว วิธีการนี้ทำให้สามารถระบุได้ว่าปฏิกิริยาทางชีวเคมีจำนวนมากถูกควบคุมโดยยีนเฉพาะ การศึกษาดังกล่าวแสดงให้เห็นว่าเอนไซม์และยีนมีลำดับความจำเพาะเหมือนกัน อย่างไรก็ตาม ขอบเขตของแนวทางนี้มีจำกัด ข้อ จำกัด ที่ร้ายแรงที่สุดคือในกรณีนี้ลักษณะทางพันธุกรรมที่ไม่มีผลร้ายแรงและดังนั้นจึงเกี่ยวข้องกับปฏิกิริยาที่ไม่จำเป็นมากสำหรับชีวิตของสิ่งมีชีวิตตกอยู่ในมุมมองของนักวิจัย ความยากลำบากประการที่สอง ... คือแนวทางดั้งเดิมในการแก้ไขปัญหานั้นเกี่ยวข้องกับการใช้สัญญาณที่ชัดแจ้งจากภายนอก ส่วนมากเป็นรูปแบบทางสัณฐานวิทยาตามระบบของปฏิกิริยาทางชีวเคมีที่ซับซ้อนมากจนการวิเคราะห์เป็นเรื่องยากมาก

การพิจารณาเหล่านี้ทำให้เราได้ข้อสรุปดังต่อไปนี้ การศึกษาปัญหาทั่วไปของการควบคุมยีนของปฏิกิริยาทางชีวเคมีที่กำหนดการพัฒนาและการเผาผลาญควรดำเนินการโดยใช้ ขั้นตอนที่ตรงกันข้ามกับที่ยอมรับกันทั่วไป:แทนที่จะพยายามค้นหาพื้นฐานทางเคมีของลักษณะทางพันธุกรรมที่ทราบ จำเป็นต้องสร้าง ยีนควบคุมปฏิกิริยาทางชีวเคมีที่รู้จักหรือไม่และทำอย่างไร ascomycete neurospore มีคุณสมบัติที่ทำให้สามารถใช้แนวทางนี้ได้และในขณะเดียวกันก็ทำหน้าที่เป็นวัตถุที่สะดวกสำหรับการศึกษาทางพันธุกรรม นั่นคือเหตุผลที่โปรแกรมของเราสร้างขึ้นจากการใช้สิ่งมีชีวิตโดยเฉพาะ เราดำเนินการจากข้อเท็จจริงที่ว่าการได้รับรังสีเอกซ์ทำให้เกิดการกลายพันธุ์ในยีนที่ควบคุมปฏิกิริยาเคมีบางอย่าง สมมุติว่าการจะอยู่รอดได้ในสภาพแวดล้อมที่กำหนด สิ่งมีชีวิตจะต้องทำปฏิกิริยาเคมี จากนั้นมนุษย์กลายพันธุ์ที่ขาดความสามารถดังกล่าวจะกลายเป็นสิ่งที่ไม่สามารถดำรงอยู่ได้ภายใต้สภาวะเหล่านี้ อย่างไรก็ตาม มันสามารถรักษาและศึกษาได้หากปลูกในอาหารที่มีการเพิ่มผลิตภัณฑ์ที่สำคัญของปฏิกิริยาปิดกั้นทางพันธุกรรม”

4 การกระทำของยีน 9

ข้าว. 4.1. แผนการทดลองสำหรับการตรวจหาการกลายพันธุ์ทางชีวเคมีของ neurospores บนสื่อที่สมบูรณ์ การกลายพันธุ์ที่เกิดจากรังสีเอกซ์หรือรังสีอัลตราไวโอเลตไม่รบกวนการเจริญเติบโตของเชื้อรา อย่างไรก็ตาม การกลายพันธุ์นั้นไม่เติบโตในสื่อที่น้อยที่สุด เมื่อวิตามินถูกเติมเข้าไปในสื่อที่น้อยที่สุดความสามารถในการเติบโตก็กลับคืนมา เมื่อเติมกรดอะมิโนเข้าไปก็ไม่มีการเจริญเติบโต จากข้อมูลเหล่านี้สามารถสันนิษฐานได้ว่าการกลายพันธุ์เกิดขึ้นในยีนที่ควบคุมการเผาผลาญของวิตามินต่อไป ขั้นตอนคือการระบุวิตามินที่สามารถฟื้นฟูการทำงานปกติ พบบล็อกทางพันธุกรรมในปฏิกิริยาของการสังเคราะห์วิตามิน

ถัดไป Beadle และ Tatum อธิบายการออกแบบการทดลอง (รูปที่ 4.1) องค์ประกอบของอาหารที่สมบูรณ์ ได้แก่ วุ้น เกลืออนินทรีย์ สารสกัดจากมอลต์ สารสกัดจากยีสต์ และกลูโคส สื่อขั้นต่ำมีเพียงวุ้น เกลือ ไบโอติน และแหล่งคาร์บอน พันธุ์กลายที่เติบโตบนอาหารที่สมบูรณ์และไม่เติบโตบนอาหารเลี้ยงเชื้อขั้นต่ำได้รับการศึกษาในรายละเอียดมากที่สุด เพื่อสร้างสารประกอบ การสังเคราะห์ซึ่งถูกทำให้บกพร่องในแต่ละการกลายพันธุ์ ส่วนประกอบแต่ละส่วนของตัวกลางที่สมบูรณ์จึงถูกเติมลงในวุ้นขั้นต่ำ

ด้วยวิธีนี้ สายพันธุ์จะถูกแยกออกซึ่งไม่สามารถสังเคราะห์ปัจจัยการเจริญเติบโตบางอย่างได้: ไพริดอกซิ ไทอามีน และกรดพารา-อะมิโนเบนโซอิก ข้อบกพร่องเหล่านี้แสดงให้เห็นว่าเกิดจากการกลายพันธุ์ที่ตำแหน่งเฉพาะ งานนี้เป็นจุดเริ่มต้นของการศึกษาเกี่ยวกับ neurospores แบคทีเรียและยีสต์จำนวนมากซึ่งมีการติดต่อระหว่าง "บล็อกทางพันธุกรรม" ที่รับผิดชอบขั้นตอนการเผาผลาญของแต่ละบุคคลและความผิดปกติของเอนไซม์เฉพาะ แนวทางนี้ได้พัฒนาอย่างรวดเร็วจนเป็นเครื่องมือสำหรับนักวิจัยในการค้นพบเส้นทางการเผาผลาญ

สมมติฐาน "หนึ่งยีน - หนึ่งเอนไซม์" ได้รับการยืนยันจากการทดลองอย่างเข้มงวด ดังที่ผลงานในทศวรรษต่อๆ มาแสดงให้เห็น มันพิสูจน์แล้วว่าได้ผลอย่างน่าประหลาดใจ การวิเคราะห์เอนไซม์ที่บกพร่องและตัวแปรปกติทำให้สามารถระบุกลุ่มของความผิดปกติทางพันธุกรรมที่นำไปสู่การเปลี่ยนแปลงในการทำงานของเอนไซม์ แม้ว่าตัวโปรตีนเองจะยังคงตรวจพบและรักษาคุณสมบัติทางภูมิคุ้มกันไว้ได้ ในกรณีอื่น อุณหภูมิที่เหมาะสมที่สุดของกิจกรรมของเอนไซม์เปลี่ยนไป ตัวแปรบางตัวสามารถอธิบายได้ด้วยการกลายพันธุ์ที่ส่งผลต่อกลไกการควบคุมทั่วไป และเป็นผลให้เปลี่ยนกิจกรรมของเอนไซม์ทั้งกลุ่ม การศึกษาดังกล่าวนำไปสู่การสร้างแนวคิดเรื่องการควบคุมการทำงานของยีนในแบคทีเรีย ซึ่งรวมถึงแนวคิดของโอเปอรอน

10 4. การกระทำของยีน

ตัวอย่างแรกของความผิดปกติของเอนไซม์ในมนุษย์โรคทางพันธุกรรมในมนุษย์ชนิดแรกที่สามารถแสดงความผิดปกติของเอนไซม์ได้คือ methemoglobinemia ที่มีการถ่ายทอดทางพันธุกรรมแบบถอยกลับ (Gibson and Harrison, 1947; Gibson, 1948) (25080) ในกรณีนี้ เอ็นไซม์ที่เสียหายคือ NADH - methemoglobin reductase ความพยายามครั้งแรกในการศึกษากลุ่มโรคของมนุษย์ที่เกี่ยวข้องกับข้อบกพร่องทางเมตาบอลิซึมอย่างเป็นระบบเกิดขึ้นในปี พ.ศ. 2494 ในการศึกษาโรคที่เกิดจากการสะสมไกลโคเจน กลุ่มคอรีส์แสดงให้เห็นว่าในแปดในสิบกรณีของภาวะทางพยาธิวิทยาที่ได้รับการวินิจฉัยว่าเป็นโรคของ Gierke (23220) โครงสร้างของไกลโคเจนในตับเป็นตัวแปรปกติ และในสองกรณีมีความผิดปกติอย่างชัดเจน . เห็นได้ชัดว่าไกลโคเจนในตับซึ่งสะสมมากเกินไปไม่สามารถเปลี่ยนเป็นน้ำตาลได้โดยตรง เนื่องจากผู้ป่วยมักมีภาวะน้ำตาลในเลือดต่ำ จำเป็นต้องมีเอนไซม์หลายชนิดในการทำลายไกลโคเจนเป็นกลูโคสในตับ สองของพวกเขาคือ amyl-1,6-glucosidase และ glucose-6-phosphatase ได้รับการคัดเลือกสำหรับการศึกษาว่าเป็นองค์ประกอบที่มีข้อบกพร่องของระบบเอนไซม์ การปล่อยฟอสเฟตจากกลูโคส-6ฟอสเฟตถูกวัดในตับโฮโมจิเนตที่ค่า pH ต่างๆ ผลลัพธ์ถูกนำเสนอในรูปที่ 4.2. ในตับปกติ พบกิจกรรมสูงที่ pH 6-7 เหมาะสมที่สุด ความผิดปกติของตับอย่างรุนแรงในโรคตับแข็งมีความสัมพันธ์กับกิจกรรมที่ลดลงเล็กน้อย ในทางกลับกัน ในกรณีของโรค Gierke ที่มีผลร้ายแรง การทำงานของเอนไซม์ไม่สามารถตรวจพบได้เลย ได้ผลลัพธ์เดียวกันในการตรวจผู้ป่วยที่คล้ายคลึงกันคนที่สอง ในผู้ป่วย 2 รายที่มีอาการรุนแรงน้อยกว่า กิจกรรมลดลงอย่างมีนัยสำคัญ

สรุปได้ว่าในกรณีเหล่านี้ของโรค Gierke ที่มีผลร้ายแรง มีข้อบกพร่องในกลูโคส -6-ฟอสฟาเตส อย่างไรก็ตาม ในกรณีส่วนใหญ่ที่ไม่รุนแรง กิจกรรมของเอนไซม์นี้ไม่ต่ำกว่าในโรคตับแข็งในตับ และมีเพียงสองรายเท่านั้นที่ลดลงเล็กน้อย (รูปที่ 4.2)

ตามที่คู่สมรสของ Corey กล่าวว่าการสะสมของไกลโคเจนในเนื้อเยื่อของกล้ามเนื้อผิดปกติไม่สามารถเชื่อมโยงกับการขาดกลูโคส -6-phosphatase เนื่องจากเอนไซม์นี้ไม่มีอยู่ในกล้ามเนื้อและเป็นเรื่องปกติ เป็นคำอธิบายที่เป็นไปได้สำหรับไกลโคเจนในกล้ามเนื้อ พวกเขาแนะนำการละเมิดกิจกรรมของ amylo-1,6-glucosidase การคาดคะเนนี้ได้รับการยืนยันในไม่ช้า: ฟอร์บส์ค้นพบข้อบกพร่องดังกล่าวในกรณีที่สำคัญทางคลินิกของโรคการเก็บไกลโคเจนที่เกี่ยวข้องกับหัวใจและกล้ามเนื้อโครงร่าง ตอนนี้เรา

4. การกระทำของยีน 11

ข้อบกพร่องของเอนไซม์จำนวนมากเป็นที่รู้จักในโรคการจัดเก็บไกลโคเจน

แม้ว่ารูปแบบต่างๆ ของโรคนี้จะแตกต่างกันไปในระดับของการแสดงอาการ แต่ก็มีความเหมือนกันมากระหว่างโรคนี้ในทางคลินิก ด้วยข้อยกเว้นประการหนึ่ง พวกเขาทั้งหมดได้รับการสืบทอดในลักษณะถอยอัตโนมัติ หากไม่พบข้อบกพร่องของเอนไซม์ พยาธิสภาพของการสะสมไกลโคเจนจะถือเป็นโรคเดียวที่มีความสัมพันธ์ภายในครอบครัวในลักษณะเฉพาะในด้านความรุนแรง รายละเอียดอาการ และระยะเวลาของการเสียชีวิต ดังนั้นเราจึงมีตัวอย่างที่ความต่างทางพันธุกรรมซึ่งสามารถสันนิษฐานได้จากการศึกษาฟีโนไทป์เท่านั้น (ข้อ 3.3.5) ได้รับการยืนยันโดยการวิเคราะห์ในระดับชีวเคมี: การศึกษากิจกรรมของเอนไซม์ทำให้สามารถระบุได้ ยีนเฉพาะ

ในปีต่อๆ มา ความเร็วในการวิจัยในด้านความบกพร่องของเอนไซม์เพิ่มขึ้น และสำหรับ 588 ยีนระบุยีน autosomal ด้อย ซึ่ง McKusick อธิบายไว้ในหนังสือ Mendelian inheritance in man ฉบับที่หก (1983) พบความผิดปกติของเอนไซม์เฉพาะมากกว่า 170 ราย ความก้าวหน้าของเราในด้านนี้เกี่ยวข้องโดยตรงกับการพัฒนาแนวคิดและวิธีการของอณูพันธุศาสตร์

บางขั้นตอนของการศึกษาความผิดปกติของเอนไซม์ในมนุษย์เรานำเสนอเฉพาะเหตุการณ์สำคัญที่สำคัญที่สุดในกระบวนการต่อเนื่องนี้: 1934 Völling ค้นพบฟีนิลคีโตนูเรีย

ค.ศ. 1941 Beadle และ Tatum ได้กำหนดสมมติฐานหนึ่งยีน-หนึ่ง-เอนไซม์ 1948 Gibson อธิบายกรณีแรกของความผิดปกติของเอนไซม์ในโรคของมนุษย์ (methemoglobinemia ถอย)

ค.ศ. 1952 คอรีค้นพบการขาดกลูโคส -6-ฟอสฟาเตสในโรคของเกิร์เก

พ.ศ. 2496 เจอร์วิสแสดงให้เห็นว่าไม่มีฟีนิลอะลานีนไฮดรอกซีเลสในฟีนิลคีโตนูเรีย Bickel รายงานความพยายามครั้งแรกในการบรรเทาความผิดปกติของเอนไซม์โดยรับประทานอาหารที่มีฟีนิลอะลานีนต่ำ

ค.ศ. 1955 โรงตีเหล็กได้พัฒนาเทคนิคสตาร์ชเจลอิเล็กโตรโฟรีซิส

พ.ศ. 2499 คาร์สันและคณะค้นพบข้อบกพร่องในกลูโคส-6-ฟอสเฟตดีไฮโดรจีเนส (G6PD) ในกรณีของภาวะโลหิตจางจากเม็ดเลือดแดงที่เหนี่ยวนำให้เกิด

2500 Kalkar et al. อธิบายการขาดเอนไซม์ในกาแลคโตซีเมียซึ่งแสดงให้เห็นว่ามนุษย์และแบคทีเรียมีความผิดปกติของเอนไซม์เหมือนกัน

1961 Krut และ Weinberg แสดงให้เห็นถึงข้อบกพร่องของเอนไซม์ในกาแลคโตซีเมียในหลอดทดลองในไฟโบรบลาสต์ที่เพาะเลี้ยง

พ.ศ. 2510 Sigmiller et al. ค้นพบข้อบกพร่องของ

1968 Cleaver บรรยายถึงการละเมิดการซ่อมแซมการตัดออกในซีโรเดอร์มา รงควัตถุซา

1970 Neufeld ระบุข้อบกพร่องของเอนไซม์ใน mucopolysaccharidoses ซึ่งทำให้สามารถระบุเส้นทางสำหรับการสลายตัวของ mucopolysaccharides

ค.ศ. 1974 บราวน์และโกลด์สตีนได้พิสูจน์ว่าการผลิตไฮดรอกซีเมทิลกลูตาริล-CoA reductase ที่มากเกินไปซึ่งกำหนดทางพันธุกรรมในไขมันในเลือดสูงในครอบครัวนั้นเกิดจากข้อบกพร่องในตัวรับไลโปโปรตีนความหนาแน่นต่ำที่ตำแหน่งเมมเบรน ซึ่งปรับการทำงานของเอนไซม์นี้ (HMG)

1977 Sly et al. แสดงให้เห็นว่า mannose-6-phosphate (เป็นส่วนประกอบของเอนไซม์ lysosomal) ได้รับการยอมรับจากตัวรับไฟโบรบลาสต์ ข้อบกพร่องทางพันธุกรรมในกระบวนการผลิตป้องกันการผูกมัดของเอ็นไซม์ไลโซโซม ส่งผลให้มีการหลั่งในไซโตพลาสซึมบกพร่องและการหลั่งที่ตามมาในพลาสมา (โรค I-cell)

12 4. การกระทำของยีน

1980 ใน pseudohypoparathyroidism พบข้อบกพร่องในโปรตีนที่ให้การมีเพศสัมพันธ์ของตัวรับและไซโคลส