» , » Bir gen bir enzim

Bir gen, bir enzim

        92
Yayın tarihi: 24 Temmuz 2018

    

Bir-gen-bir-enzim hipotezi, 1940'ların başında ortaya atılan, her genin bir enzimin sentezini veya aktivitesini kontrol ettiği fikridir. Genetik ve biyokimya alanlarını birleştiren konsept, Amerikalı genetikçi George Wells Beadle ve Neurospora crassa üzerinde araştırma yapan Amerikalı biyokimyacı Edward L. Tatum tarafından önerildi. Deneyleri, önce mutasyona neden olan X-ışınları formunun görüntülenmesini ve ardından vahşi tip suşun hayatta kalması için gerekli olan temel besinleri içeren minimal bir büyüme ortamında kültürlenmesini içeriyordu. Mutant küf suşlarının büyümek için belirli amino asitlerin eklenmesini gerektirdiğini buldular. Bu bilgiyi kullanarak, araştırmacılar, belirli genlerdeki mutasyonları, normalde eksik amino asitleri üretecek olan metabolik yollardaki bireysel enzimlerin bozulmasına bağlayabildiler. Artık tüm genlerin bir enzimi kodlamadığı ve bazı enzimlerin iki veya daha fazla gen tarafından kodlanan birkaç kısa polipeptitten oluştuğu bilinmektedir.

gen ifadesi bir genden gelen kalıtsal bilginin işlevsel bir ürüne - RNA veya proteine ​​- dönüştürüldüğü süreçtir. Gen ekspresyonu, sürecin tüm aşamalarında düzenlenebilir: transkripsiyon sırasında, çeviri sırasında ve proteinlerin çeviri sonrası modifikasyonları aşamasında.

Gen ifadesi, evrimsel değişimin substratıdır.

Prokaryotlarda transkripsiyon düzeyinde gen ekspresyonunun düzenlenmesi:

Hücrelerde transkripsiyonun düzenlenmesi, bireysel genler, blokları ve hatta tüm kromozomlar düzeyinde gerçekleştirilir. Kural olarak, birçok geni kontrol etme yeteneği, içlerinde aynı tipteki transkripsiyon faktörlerinin etkileşime girdiği ortak düzenleyici nükleotit dizilerinin varlığı ile sağlanır. Spesifik efektörlerin etkisine yanıt olarak, bu tür faktörler, düzenleyici gen dizilerine yüksek hassasiyetle bağlanma yeteneği kazanır. Bunun sonucu, karşılık gelen genlerin transkripsiyonunun zayıflaması veya güçlendirilmesidir. Bakteri hücreleri tarafından RNA sentezini düzenlemek için kullanılan üç ana transkripsiyonel adım, başlatma, uzama ve sonlandırmadır.

Ökaryotik gen ekspresyonu prokaryotlardan farklıdır:

1) Ökaryotlarda üç tip RNA polimeraz bulunur: RNA polimeraz1, ribozomal genlerin transkripsiyonunu katalize eder. RNA polimeraz2, tüm yapısal genlerin transkripsiyonunu katalize eder. RNA polimeraz3, tRNA ve 5S-ribozomal RNA'nın transkripsiyonunu katalize eder (yalnızca ökaryotlarda bulunan mRNA'ların oluşumunu katalize eder).

2) Ökaryotlarda promotör bölgesi daha uzundur.

3) Ökaryotlarda herhangi bir gen, değişen kodlayan ve kodlamayan dizilerle temsil edilir. Kodlama - eksonlar, kodlamayan - intronlar.

4) Ökaryotlar, proteinler tarafından tanınan güçlendiricilere sahiptir. Transkripsiyonun başlangıcından oldukça uzakta bulunabilirler. Güçlendirici ve bununla ilişkili protein, RNA polimeraz-DNA bağlanma bölgesine yaklaşır.

5) Transkripsiyonu baskılayan "susturucular" vardır.

Tek gen, tek enzim hipotezi, her genin yalnızca bir polipeptit zinciri kodlayabildiğini ve bunun da daha karmaşık bir protein kompleksinde bir alt birim olarak dahil edilebileceğini öne sürüyor. Teori, 1941'de G. Beadle ve E. Tatum tarafından nörosporların genetik ve biyokimyasal analizi temelinde ortaya atıldı, deneysel koşullar altında, çeşitli mutasyonların etkisi altında, herhangi bir biyokimyasal reaksiyon zincirinden sadece birinin olduğunu buldular. her seferinde kapatıldı. Bu teorinin mutlak geçerliliği ile ilgili şüpheler, "iki gen - bir polipeptit" sisteminin keşfi ve ayrıca örtüşen genlerin varlığı ile bağlantılı olarak ortaya çıktı. İşlevsel bir bakış açısından, bu teori, çok işlevli proteinlerin keşfi ile bağlantılı olarak koşulludur.

Zaman içinde hücre varlığının kalıpları. Hücresel (yaşam) döngüsü. apoptoz ve nekroz. Mitotik (proliferatif) döngü. Mitotik döngünün ana olayları. Mitotik döngünün üreme (interfaz) ve ayrılma (mitoz) evreleri. Tıpta hücre çoğalması sorunları.

Hücre döngüsü- Bir hücrenin ana hücreyi bölerek oluştuğu andan kendi bölünmesine veya ölümüne kadar var olduğu dönemdir.

Hücre döngüsünün önemli bir bileşeni mitotik döngü- bir hücrenin bölünme için hazırlanması sürecinde ve bölünmenin kendisi sırasında meydana gelen birbiriyle ilişkili ve zaman içinde koordineli olayların bir kompleksi. Ek olarak, yaşam döngüsü, çok hücreli bir organizmanın belirli işlevlerinin hücre tarafından performans periyodunun yanı sıra dinlenme dönemlerini de içerir. Dinlenme dönemlerinde hücrenin ani kaderi belirlenmez: ya mitoz için hazırlanmaya başlayabilir ya da belirli bir işlevsel yönde uzmanlaşmaya başlayabilir.

Çoğu hücre için mitotik döngünün süresi 10 ila 50 saat arasındadır.Mitotik döngünün biyolojik önemi, bir dizi hücre neslinde kromozomların sürekliliğini, hacim ve içerik bakımından eşdeğer hücrelerin oluşumunu sağlamasıdır. kalıtsal bilgiler. Bu nedenle, döngü, ökaryotik tipin hücresel organizasyonunun bireysel gelişimde çoğaltılması için genel bir mekanizmadır.

ana hücrenin kalıtsal materyalinin ikilenmesinden (kendi kendini ikiye katlamasından) ve bu materyalin yavru hücreler arasında tek tip dağılımından oluşur. İçindeki mitotik döngünün iki ana olayına göre Klasik sitolojinin interfaz ve mitozuna karşılık gelen üreme ve ayırma evrelerini tahsis eder.

apoptoz- programlanmış hücre ölümü, hücrenin plazma zarı tarafından sınırlanan ayrı apoptotik gövdelere bölünmesinin bir sonucu olarak hücresel düzeyde düzenlenmiş bir kendi kendini yok etme süreci. Ölü bir hücrenin parçaları genellikle makrofajlar veya komşu hücreler tarafından çok hızlı bir şekilde fagosite edilir ve bir inflamatuar reaksiyonun gelişimi atlanır. Apoptoz süreci 1-3 saat sürer. Apoptozun ana işlevlerinden biri kusurlu (hasarlı, mutant, enfekte) hücrelerin yok edilmesidir.

Nekroz- herhangi bir eksojen veya endojen hasarın bir sonucu olarak canlı bir organizmada lokal doku ölümü olarak ifade edilen patolojik bir süreç. Nekroz, sitoplazmik proteinlerin şişmesi, denatürasyonu ve pıhtılaşması, hücre organellerinin yok edilmesi ve son olarak tüm hücrenin tahrip edilmesi ile kendini gösterir. Nekrotik doku hasarının en yaygın nedenleri şunlardır: kan akışının kesilmesi ve patojenik bakteri veya virüs ürünlerine maruz kalma.

30. Mitotik döngü. Fazlar arası dönemlerin ana olayları. Mitozun evrelerinin içeriği ve önemi. Mitozun biyolojik önemi.

mitotik(çoğalan)Çevrim -bir hücrenin bölünmeye hazırlanma sürecinde ve bölünmenin kendisi sırasında meydana gelen birbiriyle ilişkili ve koordineli olaylar kompleksi. Ayrıca, yaşam döngüsü şunları içerir: hücre yürütme süresiçok hücreli organizma belirli işlevler uyku dönemlerinin yanı sıra. Dinlenme dönemlerinde hücrenin ani kaderi belirlenmez: ya mitoz için hazırlanmaya başlayabilir ya da belirli bir işlevsel yönde uzmanlaşmaya başlayabilir. Çoğu hücre için mitotik döngünün süresi 10 ila 50 saat arasındadır.

Mitotik döngünün biyolojik önemi bir dizi hücre neslinde kromozomların sürekliliğini, kalıtsal bilgilerin hacmi ve içeriği bakımından eşdeğer hücrelerin oluşumunu sağlamasıdır. Bu nedenle, döngü, ökaryotik tipin hücresel organizasyonunun bireysel gelişimde çoğaltılması için genel bir mekanizmadır.

Mitotik döngünün ana olayları içinde ikileme(kendini ikiye katlama) ana hücrenin kalıtsal materyalinin ve üniforma dağıtımı kızı hücreler arasında bu malzemenin. Bu olaylara kimyasal ve morfolojik organizasyondaki düzenli değişiklikler eşlik eder. kromozomlar -ökaryotik bir hücrenin genetik materyalinin% 90'ından fazlasının yoğunlaştığı nükleer yapılar (bir hayvan hücresinin ekstranükleer DNA'sının ana kısmı mitokondride bulunur).

Kromozomlar, ekstrakromozomal mekanizmalarla etkileşim içinde şunları sağlar: a) genetik bilginin depolanması, b) hücresel organizasyonun oluşturulması ve sürdürülmesi için bu bilginin kullanılması, c) kalıtsal bilgilerin okunmasının düzenlenmesi, d) genetik bilginin iki katına çıkarılması (kendi kendini kopyalaması) materyal, e) ana hücreden yavruya aktarılması.

Mitotik döngüde hücre değişiklikleri.

Mitotik döngünün iki ana olayına göre, ayırt edilir üreme ve bölme karşılık gelen fazlar interfaz ve mitoz klasik sitoloji (Şekil 2.11).

Ara fazın ilk bölümünde ( postmitotik, presentetik, veya Gi dönemi) interfaz hücresinin organizasyonunun özellikleri geri yüklenir, telofazda başlayan nükleol oluşumu tamamlanır. Önemli miktarda (% 90'a kadar) protein çekirdeğe sitoplazmadan girer. Sitoplazmada, üst yapının yeniden düzenlenmesine paralel olarak protein sentezi yoğunlaşır. Bu, hücre kütlesinin büyümesine katkıda bulunur. Kız hücrenin bir sonraki mitotik döngüye girmesi gerekiyorsa, sentezler yönlendirilir: DNA'nın kimyasal öncüleri oluşur, DNA ikileme reaksiyonunu katalize eden enzimler ve bu reaksiyonu başlatan bir protein sentezlenir. Böylece interfazın bir sonraki periyodunu - sentetik olanı - hazırlama işlemleri gerçekleştirilir.

AT sentetik veya S-dönemi hücrenin kalıtsal materyali miktarı iki katına çıkar. DNA sarmalının iki zincire ayrılmasından ve ardından her birinin yanında tamamlayıcı bir zincirin sentezinden oluşur. Sonuç iki özdeş bobindir. Maternal olanları tamamlayıcı olan DNA molekülleri, kromozom uzunluğu boyunca ayrı parçalar halinde, ayrıca aynı kromozomun farklı kısımlarında ve farklı kromozomlarda eşzamanlı olmayan (asenkron olarak) oluşturulur. Sonra parseller (çoğaltma birimleri - replikonlar) yeni oluşan DNA bir makromolekül halinde "çapraz bağlanır".

Sentetik dönemin sonundan mitozun başlangıcına kadar geçen zaman aralığı postsentetik(premitotik), veya G 2 - dönem interfazlar. RNA'nın ve özellikle proteinin yoğun sentezi ile karakterizedir. Sitoplazmanın kütlesinin iki katına çıkması, interfazın başlangıcına kıyasla tamamlanır. Hücrenin mitoza girmesi için bu gereklidir.

Ökaryotik genlerin ekson-intron organizasyonunun keşifleri ve alternatif ekleme olasılığı, birincil transkriptin aynı nükleotit dizisinin, farklı işlevlere veya bunların değiştirilmiş analoglarına sahip birkaç polipeptit zincirinin sentezini sağlayabildiğini göstermiştir. Örneğin, maya mitokondrisi sitokrom b solunum enzimini kodlayan kutu (veya koçanı) genini içerir. İki şekilde bulunabilir: 6400 bp'den oluşan “uzun” genin toplam uzunluğu 1155 bp olan 6 ekzonu vardır. ve 5 intron. Genin kısa formu 3300 bp'den oluşmaktadır. ve 2 intronu vardır. Aslında ilk üç introndan yoksun "uzun" bir gendir. Genin her iki formu da eşit derecede iyi ifade edilir.

İlk iki ekzonun birleşik nükleotid dizisine ve ikinci intronun nükleotitlerinin bir kısmına dayanan "uzun" kutu geninin ilk intronunun çıkarılmasından sonra, bağımsız bir protein olan RNA maturaz için bir şablon oluşur (Şekil 1). .3.43). RNA maturazının işlevi, eklemenin bir sonraki aşamasını sağlamaktır - ikinci intronun birincil transkriptten çıkarılması ve nihayetinde sitokrom b için bir şablon oluşturulması.

Başka bir örnek, lenfositlerdeki antikor moleküllerinin yapısını kodlayan birincil transkriptin birleşme modelindeki bir değişikliktir. Antikorların zar formu, C-terminalinde proteinin zar üzerinde sabitlenmesini sağlayan uzun bir amino asit "kuyruğuna" sahiptir. Antikorların salgılanan formunun, bu bölgeyi kodlayan nükleotitlerin ekleme sırasında birincil transkriptten çıkarılmasıyla açıklanan böyle bir kuyruğu yoktur.

Virüslerde ve bakterilerde, bir genin aynı anda başka bir genin parçası olabileceği veya bazı DNA nükleotit dizilimlerinin iki farklı örtüşen genin parçası olabileceği bir durum tarif edilmiştir. Örneğin faj FX174 genomunun fiziksel haritasında (Şekil 3.44), B gen dizisinin A geninin içinde yer aldığı ve E geninin D gen dizisinin bir parçası olduğu görülebilir. faj genomunun organizasyonu, nispeten küçük boyutu (5386 nükleotitten oluşur) ile belirli bir genom kapasitesi için teorik olarak izin verileni aşan tüm sentezlenmiş proteinlerdeki amino asit kalıntılarının sayısı arasındaki mevcut uyuşmazlığı açıklamayı başardı. Örtüşen genlerden (A ve B veya E ve D) sentezlenen mRNA üzerinde farklı peptit zincirlerinin bir araya gelme olasılığı, bu mRNA içinde ribozomal bağlanma bölgelerinin varlığı ile sağlanır. Bu, başka bir peptidin çevirisinin yeni bir referans noktasından başlamasına izin verir.

B geninin nükleotid dizisi de A geninin bir parçasıdır ve E geni D geninin bir parçasıdır.

λ faj genomunda, hem bir çerçeve kayması ile hem de aynı okuma çerçevesinde çevrilmiş örtüşen genler de bulundu. Aynı DNA bölgesinin her iki tamamlayıcı dizisinden iki farklı mRNA'nın kopyalanabileceği de varsayılmaktadır. Bu, RNA polimerazın DNA molekülü boyunca farklı yönlerde hareketini belirleyen promotör bölgelerinin varlığını gerektirir.

Aynı DNA dizisinden farklı bilgilerin okunmasının kabul edilebilirliğine tanıklık eden açıklanan durumlar, örtüşen genlerin virüslerin ve muhtemelen prokaryotların genomunun organizasyonunda oldukça yaygın bir unsur olduğunu göstermektedir. Ökaryotlarda, gen süreksizliği aynı DNA dizisine dayalı çeşitli peptitlerin sentezine de izin verir.

Bütün bunları akılda tutarak, bir genin tanımını değiştirmek gerekir. Açıkçası, artık bir genden, belirli bir proteini benzersiz bir şekilde kodlayan sürekli bir DNA dizisi olarak söz edilemez. Görünüşe göre, şu anda, bazı yazarlar bunu değiştirmeyi önermelerine rağmen, "Bir gen - bir polipeptit" formülü hala en kabul edilebilir olarak kabul edilmelidir: "Bir polipeptit - bir gen." Her durumda, gen terimi, kimyasal yapısı gereği bir polinükleotit olan ve bir polipeptit zinciri, tRNA veya rRNA sentezleme olasılığını belirleyen kalıtsal materyalin işlevsel bir birimi olarak anlaşılmalıdır.

Bir gen bir enzim.

1940'ta J. Beadle ve Edward Tatum, genlerin metabolizmayı nasıl sağladığını incelemek için daha uygun bir araştırma nesnesi olan mikroskobik mantar Neurospora crassa'da yeni bir yaklaşım kullandılar. herhangi bir metabolik enzimin aktivitesi yoktu. Ve bu, mutant mantarın belirli bir metaboliti (örneğin, amino asit lösin) sentezleyemediği ve yalnızca besin ortamına lösin eklendiğinde yaşayabileceği gerçeğine yol açtı. J. Beadle ve E. Tatum tarafından formüle edilen "tek gen - bir enzim" teorisi, genetikçiler arasında hızla geniş bir kabul gördü ve kendilerine Nobel Ödülü verildi.

Yöntemler Farklı metabolik yollar sağlayan enzimlerin faaliyetinde bozulmalara yol açan "biyokimyasal mutasyonlar" olarak adlandırılanların seçiminin sadece bilim için değil, aynı zamanda pratik için de çok verimli olduğu kanıtlanmıştır. İlk olarak, genetiğin ortaya çıkmasına ve endüstriyel mikroorganizmaların seçimine ve ardından antibiyotikler, vitaminler, amino asitler vb. gibi stratejik olarak önemli maddeleri aşırı üreten mikroorganizma suşlarının kullanıldığı mikrobiyoloji endüstrisine yol açtılar. Seçim ve genetik mühendisliği ilkeleri Aşırı üretici suşların çoğu, "bir genin bir enzimi kodladığı" fikrine dayanmaktadır. Ve bu sunum mükemmel bir uygulama olsa da, milyonlarca dolar kar getiriyor ve milyonlarca hayat (antibiyotik) kurtarıyor - nihai değil. Bir gen sadece bir enzim değildir.

"

1. Bir gen, kalıtsal bilginin işlevsel bir birimi olan bir DNA molekülünün bir parçasıdır.

1. Gen, kromozomda belirli bir alanı kaplar - lokus.

2. Bir gen içinde rekombinasyon meydana gelebilir.

3. Genin bir parçası olan DNA, onarım yeteneğine sahiptir.

4. Genler vardır: yapısal, düzenleyici vb.

5. Üçlü diziliş amino asitleri tamamlayıcıdır (okuma çerçevesi kayması olan mutasyonlar).

6. Ayrık (bireysel genlerden oluşan) olan genotip, bir bütün olarak işlev görür.

7. Genetik kod evrenseldir.

8. Genetik kod dejeneredir (birçok amino asit için birden fazla kodon - site vardır)

9. Genler, kromozom üzerinde lineer bir düzende düzenlenir ve bir bağlantı grubu oluşturur. Bağlantı gruplarının sayısı, haploid kromozom setine karşılık gelir (insanlarda 23 veya cinsiyet için rezervasyonlu 24 - x ve y kromozomları).

Proteinlerin yapısı, peptit zincirlerindeki amino asitlerin seti ve sırası ile belirlenir. Genetik kod kullanılarak DNA moleküllerinde şifrelenen peptitlerdeki bu amino asit dizisidir.

Genetik kodun özellikleri:

1. üçlülük- her amino asit, üç bitişik nükleotit tarafından kodlanır.
2. yozlaşma- birçok amino asit birkaç üçlü ile şifrelenir.
3. özgüllük- her üçlü sadece belirli bir amino asidi kodlayabilir.
4. çok yönlülük- farklı canlı organizma türlerinde kodun tam uyumu.
5. süreklilik- nükleotid dizileri boşluksuz üçe üçe okunur.
6. Örtüşmeyen kodonlar- komşu üçüzler birbiriyle örtüşmez.

20. Protein sentezinin ribozomal döngüsü (başlama, uzama, sonlandırma). Proteinlerin translasyon sonrası dönüşümleri.

Genetik kod kullanılarak kaydedilen kalıtsal bilgiler DNA moleküllerinde saklanır, ancak hücrenin yaşam desteğine doğrudan katılmaz. İşlevi DNA'da depolanan kalıtsal bilgiyi çalışan bir forma dönüştürmek olan bir aracı rolü, RNA tarafından oynanır. Bilginin nükleotidlerin dilinden amino asitlerin diline çevrilmesini sağlayan mRNA ve tRNA arasındaki etkileşim süreci, ribozomlar üzerinde gerçekleştirilir. Ribozomal RNA'lar, ribozomların yalnızca yapısal bir bileşeni değildir, aynı zamanda belirli bir mRNA nükleotid dizisine bağlanmalarını da sağlar. Bu, peptit zincirinin oluşumu sırasında başlangıç ​​ve okuma çerçevesini oluşturur. Ayrıca ribozom ile tRNA arasındaki etkileşimi sağlarlar. Ribozomlarda 2 oluk bulunur. Biri büyüyen polipeptit zincirini, diğeri mRNA'yı tutar. Ek olarak, ribozomlarda 2 tRNA bağlama bölgesi izole edilir. Aminoasil-tRNA, spesifik bir amino asit taşıyan aminoasil, A bölgesinde bulunur. Peptidilde, P-bölümünde, tRNA genellikle bulunur. A ve P bölgelerinin oluşumu, ribozomun her iki alt birimi tarafından sağlanır. Çeviri üç aşamaya ayrılabilir: başlatma, uzama ve sonlandırma.

başlatma aşaması mRNA'nın belirli bir bölgesinde sitoplazmada daha önce ayrılmış olan ribozomun iki alt parçacığının birleştirilmesinden ve ilk aminoasil-tRNA'nın buna eklenmesinden oluşur. Bu aynı zamanda mRNA'da bulunan bilgilerin okunması için çerçeveyi de belirler.

uzama aşaması ya da peptidin uzaması, ilk peptid bağının oluşum anından son amk'nın bağlanmasına kadar olan tüm reaksiyonları içerir. Antikodon ve kodon arasındaki bağlantıyı tamamlayan, A bölgesinde yer alan bir sonraki kodon aminoasil-tRNA'nın spesifik olarak tanınmasının olduğu, döngüsel olarak yinelenen bir olaydır. sonlandırma aşaması veya polipeptit sentezinin tamamlanması, ribozomun A bölgesine girdiğinde, sonlandırma kodonlarından birinin (UAA, UAG, UGA) spesifik bir ribozomal protein tarafından tanınması ile ilişkilidir. Bu durumda peptit zincirindeki son amc'ye su eklenir ve karboksil ucu tRNA'dan ayrılır. Sonuç olarak, tamamlanmış peptit zinciri, iki alt parçaya ayrılan ribozomla olan bağlantısını kaybeder.

Proteinlerin translasyon sonrası transformasyonu. Translasyon sırasında sentezlenen peptit zincirleri, birincil yapılarına dayanarak, ikincil ve üçüncül ve birçok peptit zinciri tarafından oluşturulan dörtlü bir organizasyon kazanır. Proteinler tarafından gerçekleştirilen işlevlere bağlı olarak, amino asit dizileri, işlevsel olarak aktif protein molekülleri oluşturan çeşitli dönüşümlere uğrayabilir. Pek çok zar proteini, onlara zar tanıma sağlayan N-terminalinde bir lider sekans ile ön proteinler olarak sentezlenir. Salgı proteinleri ayrıca N-terminalinde zar boyunca taşınmalarını sağlayan bir lider diziye sahiptir. Bazı proteinler, çeviriden hemen sonra, aktif protein öncülerinin stabilitesini belirleyen ek amino asit ön dizileri taşır. Protein olgunlaşması sırasında, aktif olmayan proproteinin aktif proteine ​​geçişine izin vererek çıkarılırlar. Çeviri sonrası dönüşümler sırasında üçüncül ve dördüncül bir organizasyon oluşturan proteinler, aktif olarak işlev görme, belirli hücresel yapılara dahil olma ve enzimatik ve diğer işlevleri yerine getirme yeteneği kazanır.

Bir gen ile bir özellik arasındaki ilişki. "Bir gen - bir enzim" hipotezi, modern yorumu: "bir gen - bir polipeptit zinciri"

Gen - bir polipeptit zincirinin veya makromolekülün yapısı hakkında bilgi taşıyan bir DNA molekülünün bir bölümü. Bir kromozomun genleri doğrusal olarak düzenlenir ve bir bağlantı grubu oluşturur. Kromozomdaki DNA farklı işlevleri yerine getirir. Binlerce baz çiftinden oluşsalar da genler küçüktür. Bir genin varlığı, genin özelliğinin (nihai ürün) tezahürü ile belirlenir.

Mendel için gen, yalnızca kalıtım yasasını tanımlamaya uygun bir semboldür. Bir gen ile bir özellik (ürün) arasındaki ilişki, havasız bir ortamda fermantasyon incelenirken keşfedildi - 1902 Garrod. Alkaptonüri hastalarının soyağacı üzerinde çalıştı, hastalığın nitrojen metabolizmasının ihlali sonucu olduğu sonucuna vardı. Üre yerine koyu renkli bir madde oluşur. 1908'de Bats'ın yardımıyla, hastalığın, normalde bölünmüş olması gereken substratın birikmesine ve atılmasına yol açan bir çeşit enzimatik reaksiyondan yoksun olan resesif homozigotlarda ortaya çıktığı öne sürülmüştür. İnsan kanı homogentisik asit içerir, ancak normalde homogentisik asit oksidaz tarafından maleik asetata, ardından su ve karbondioksite parçalanır. Hastalarda oksidaz bulunmadığından asit birikir ve idrarla atılır.

Albinizm çok daha yaygın olmasına rağmen kalıtsaldır. Bu hastalıkta tirozini melanine çeviren enzim yoktur.

1940'a kadar bilim adamlarının görüşleri bölündü, ancak teori yoktu. 1940 - Boncuk ve Tatum varsayımsal: 1 gen - 1 enzim. E bu hipotez önemli bir rol oynadı - bilim adamları nihai ürünleri düşünmeye başladı. Hipotezin sınırlamaları olduğu ortaya çıktı, çünkü Tüm enzimler proteindir, ancak tüm proteinler enzim değildir. Kural olarak, proteinler oligomerlerdir - yani. kuaterner yapıdadır. Örneğin, bir tütün mozaik kapsülü 1200'den fazla polipeptit içerir. Şu anda, en kabul edilebilir hipotez şudur: "Bir gen - bir polipeptit". Gen terimi, kimyasal yapısı gereği bir polinükleotit olan ve bir polipeptit zinciri sentezleme olasılığını belirleyen, kalıtımın işlevsel bir birimi olarak anlaşılmalıdır.

Bir değişkenlik birimi olarak gen. Gen mutasyonları ve sınıflandırılması. Gen mutasyonlarının nedenleri ve mekanizmaları. Gen mutasyonlarının sonuçları.

Bir gen, kalıtsal materyalin temel bir birimidir. gen mutasyonları genlerin iç yapısındaki bir aleli diğerine dönüştüren bir değişiklikle ilişkilidir.

Geni oluşturan DNA'nın yapısındaki değişiklikler 3 gruba ayrılabilir.

4.2.1. Tek gen, tek enzim hipotezi

İlk araştırma. 1902'de Garrod, alkaptonürideki genetik bir kusurun vücudun homogentisik asidi parçalayamamasıyla bağlantısına dikkat çektikten sonra, bu bozukluğun altında yatan spesifik mekanizmayı aydınlatmak önemliydi. O zamandan beri, metabolik reaksiyonların enzimler tarafından katalize edildiği zaten biliniyordu, alkaptonüriye yol açan bazı enzimlerin ihlali olduğu varsayılabilir. Böyle bir hipotez Driesch (1896'da) tarafından tartışıldı. Haldane (1920, bakınız) ve Garrod (1923) tarafından da ifade edilmiştir. Biyokimyasal genetiğin gelişimindeki önemli aşamalar, Kuhn ve Butenandt'ın değirmen güvesindeki göz rengi çalışması üzerine çalışmalarıydı. Ephesia kuhniella ve Beadle ve Ephrussi tarafından benzer çalışmalar Meyve sineği(1936). Bu öncü çalışmalarda, genlerin etki mekanizmalarını aydınlatmak için daha önce genetik yöntemlerle çalışılan böcek mutantları seçilmiştir. Ancak bu yaklaşım başarıya yol açmadı. Sorunun çok karmaşık olduğu ortaya çıktı ve bunu çözmek için gerekliydi:

1) deneysel çalışma için uygun basit bir model organizma seçin;

2) genetik olarak belirlenmiş özelliklerin biyokimyasal temelini değil, biyokimyasal özelliklerin genetik temelini aramak. Her iki koşul da 1941'de Beadle ve Tatum tarafından karşılandı (ayrıca bkz. Beadle 1945).

Boncuk ve Tatum modeli. Yazıları şöyle başladı:

“Fizyolojik genetik açısından, bir organizmanın gelişimi ve işleyişi, bir şekilde genler tarafından kontrol edilen karmaşık bir kimyasal reaksiyonlar sistemine indirgenebilir. Bu genlerin ya kendileri enzim gibi davrandıklarını ya da özgüllüklerini belirlediklerini varsaymak oldukça mantıklıdır. Genetik fizyologların genellikle zaten bilinen kalıtsal özelliklerin fizyolojik ve biyokimyasal temellerini araştırmaya çalıştıkları bilinmektedir. Bu yaklaşım, birçok biyokimyasal reaksiyonun spesifik genler tarafından kontrol edildiğini belirlemeyi mümkün kıldı. Bu tür çalışmalar, enzimlerin ve genlerin aynı özgüllük sırasına sahip olduğunu göstermiştir. Ancak bu yaklaşımın kapsamı sınırlıdır. En ciddi sınırlama, bu durumda, öldürücü etkisi olmayan ve dolayısıyla organizmanın yaşamı için çok önemli olmayan reaksiyonlarla ilişkili kalıtsal özelliklerin araştırmacıların görüş alanına girmesidir. İkinci zorluk ... soruna geleneksel yaklaşımın dışa dönük işaretlerin kullanımını içermesidir. Birçoğu, analizleri son derece zor olacak kadar karmaşık biyokimyasal reaksiyon sistemlerine dayanan morfolojik varyasyonlardır.

Bu düşünceler bizi şu sonuca götürdü. Gelişimi ve metabolizmayı belirleyen biyokimyasal reaksiyonların genel genetik kontrolünün genel probleminin incelenmesi, kullanılarak yapılmalıdır. genel olarak kabul edilenin tersi prosedür: Bilinen kalıtsal özelliklerin kimyasal temelini bulmaya çalışmak yerine, genlerin bilinen biyokimyasal reaksiyonları kontrol edip etmediği ve bunu nasıl yaptıkları. Ascomycete nörosporu, böyle bir yaklaşımın uygulanmasını mümkün kılan özelliklere sahiptir ve aynı zamanda genetik çalışmalar için uygun bir nesne olarak hizmet eder. Bu nedenle programımız bu özel organizmanın kullanımı üzerine inşa edilmiştir. X-ışınına maruz kalmanın belirli kimyasal reaksiyonları kontrol eden genlerde mutasyonlara neden olduğu gerçeğinden yola çıktık. Belirli bir ortamda hayatta kalabilmek için organizmanın bir tür kimyasal reaksiyon gerçekleştirmesi gerektiğini varsayalım, o zaman böyle bir yetenekten yoksun bir mutantın bu koşullar altında yaşayamaz hale geleceği ortaya çıkacaktır. Bununla birlikte, genetik olarak bloke edilmiş bir reaksiyonun hayati ürününün eklendiği bir ortamda yetiştirilirse korunabilir ve incelenebilir.”

4 Genlerin etkisi 9

Pirinç. 4.1. Biyokimyasal nörospor mutantlarının saptanması için deneyin şeması Tam bir ortam üzerinde, X-ışınları veya ultraviyole tarafından indüklenen mutasyonlar, mantarın büyümesine müdahale etmez. Bununla birlikte, mutant minimal ortamda büyümez. Minimum ortama vitaminler eklendiğinde büyüme yeteneği geri yüklenir Amino asitler eklendiğinde büyüme olmaz Bu verilere göre mutasyonun vitamin metabolizmasını kontrol eden gende meydana geldiği varsayılabilir. adım, normal işlevi geri getirebilecek vitaminin belirlenmesidir. Genetik blok, vitamin biyosentezinin reaksiyonları arasında bulundu.

Ardından, Beadle ve Tatum deneyin tasarımını açıklar (Şekil 4.1). Komple ortamın bileşimi, agar, inorganik tuzlar, malt özü, maya özü ve glikozu içeriyordu. Minimal ortam yalnızca agar, tuzlar, biyotin ve bir karbon kaynağı içeriyordu. Tam besiyerinde büyüyen ve minimal besiyerinde gelişmeyen mutantlar en detaylı şekilde incelenmiştir. Mutantların her birinde sentezi bozulmuş olan bileşiği oluşturmak için, minimal agara tüm ortamın ayrı ayrı bileşenleri ilave edildi.

Bu şekilde, belirli büyüme faktörlerini sentezleyemeyen suşlar izole edildi: piridoksin, tiamin ve para-aminobenzoik asit. Bu kusurların belirli lokuslardaki mutasyonlardan kaynaklandığı gösterilmiştir. Çalışma, bireysel metabolik adımlardan sorumlu "genetik bloklar" ve spesifik enzim bozuklukları arasında bir yazışmanın kurulduğu nörosporlar, bakteriler ve mayalar üzerinde çok sayıda çalışmanın başlangıcını işaret etti. Bu yaklaşım, araştırmacıların metabolik yolları ortaya çıkarması için hızla bir araca dönüşmüştür.

"Bir gen - bir enzim" hipotezi güçlü deneysel onay aldı. Sonraki on yılların çalışmalarının gösterdiği gibi, şaşırtıcı derecede verimli olduğu kanıtlandı. Kusurlu enzimlerin ve bunların normal varyantlarının analizi, proteinin kendisi hala tespit edilebilir ve immünolojik özelliklerini muhafaza etmesine rağmen, enzimin işlevinde bir değişikliğe yol açan bir genetik bozukluk sınıfını tanımlamayı kısa sürede mümkün kıldı. Diğer durumlarda, enzim aktivitesinin sıcaklık optimumu değişti. Bazı varyantlar, genel düzenleyici mekanizmayı etkileyen ve sonuç olarak bütün bir enzim grubunun aktivitesini değiştiren bir mutasyonla açıklanabilir. Bu tür çalışmalar, operon kavramını içeren bakterilerde gen aktivitesinin düzenlenmesi kavramının yaratılmasına yol açtı.

10 4. Genlerin etkisi

İnsanlarda enzimatik bozuklukların ilk örnekleri. Enzimatik bir bozukluğun gösterilebildiği ilk insan kalıtsal hastalığı, resesif methemoglobinemi idi (Gibson ve Harrison, 1947; Gibson, 1948) (25080). Bu durumda, hasarlı enzim NADH'ye bağımlı methemoglobin redüktazdır. Metabolik kusurlarla ilişkili bir grup insan hastalığını sistematik olarak incelemek için ilk girişim 1951'de yapıldı. Corys, glikojen depo hastalığıyla ilgili bir çalışmada, Gierke hastalığı (23220) olarak teşhis edilen on patolojik durum vakasından sekizinde karaciğer glikojen yapısının normal bir varyant olduğunu ve iki vakada açıkça bozulduğunu gösterdi. . Ayrıca, aşırı miktarda biriken karaciğer glikojeninin, hastalar hipoglisemi eğiliminde olduğu için doğrudan şekere dönüştürülemediği de açıktı. Karaciğerde glikojeni glikoza parçalamak için birçok enzime ihtiyaç vardır. Bunlardan ikisi, amil-1,6-glukosidaz ve glukoz-6-fosfataz, enzim sisteminin olası kusurlu elemanları olarak çalışma için seçildi. Glikoz-6fosfattan fosfat salınımı, çeşitli pH değerlerinde karaciğer homojenatlarında ölçülmüştür. Sonuçlar şek. 4.2. Normal bir karaciğerde, pH 6-7'de optimum ile yüksek aktivite bulundu. Sirozda şiddetli karaciğer fonksiyon bozukluğu, aktivitede hafif bir azalma ile koreledir. Öte yandan, ölümcül bir sonucu olan Gierke hastalığında enzimin aktivitesi hiç tespit edilememiştir; ikinci benzer hastanın muayenesinde de aynı sonuç alındı. Daha az şiddetli semptomları olan iki hastada aktivitede önemli bir azalma oldu.

Ölümcül sonuçlanan bu Gierke hastalığı vakalarında glukoz-6-fosfatazda bir kusur olduğu sonucuna varıldı. Bununla birlikte, daha hafif vakaların çoğunda, bu enzimin aktivitesi karaciğer sirozundan daha düşük değildi ve sadece iki hastada biraz daha düşüktü (Şekil 4.2).

Corey eşlerine göre, kas dokusunda anormal glikojen birikimi, glikoz-6-fosfataz eksikliği ile ilişkilendirilemez, çünkü bu enzim kaslarda yoktur ve normaldir. Kas glikojenozu için olası bir açıklama olarak, amilo-1,6-glukozidaz aktivitesinin ihlal edildiğini öne sürdüler. Bu tahmin çok geçmeden doğrulandı: Forbes, kalp ve iskelet kaslarını içeren klinik olarak önemli glikojen depo hastalığı vakalarından birinde böyle bir kusur keşfetti. Şimdi biz

4. Genlerin Eylemi 11

glikojen depo hastalığında çok sayıda enzimatik kusur bilinmektedir.

Bu hastalığın çeşitli formları, tezahür derecesi bakımından biraz farklılık gösterse de, klinik olarak aralarında çok ortak nokta vardır. Bir istisna dışında hepsi otozomal resesif bir şekilde kalıtılır. Enzimatik kusurlar ortaya çıkarılmamış olsaydı, glikojen birikiminin patolojisi, şiddet, semptom ayrıntıları ve ölüm zamanlamasında karakteristik aile içi korelasyonları olan tek bir hastalık olarak kabul edilecekti. Bu nedenle, yalnızca fenotip çalışmasına (Bölüm 3.3.5) dayanarak varsayılabilen genetik heterojenliğin biyokimyasal düzeyde analizle doğrulandığı bir örneğimiz var: enzimatik aktivite çalışması, tanımlamayı mümkün kıldı. spesifik genler.

Sonraki yıllarda, enzimatik kusurlarla ilgili araştırmaların hızı arttı ve McKusick'in Mendelian Inheritance in Man (1983) kitabının altıncı baskısında tanımladığı 588 tanımlanmış resesif otozomal gen için 170'den fazla vakanın spesifik enzimatik bozukluklara sahip olduğu bulundu. . Bu alandaki ilerlememiz, moleküler genetik kavram ve yöntemlerinin gelişimi ile doğrudan ilişkilidir.

İnsanlarda enzimatik bozuklukların çalışmasının bazı aşamaları. Devam eden bu süreçte yalnızca en önemli kilometre taşlarını sunuyoruz: 1934 Völling fenilketonüriyi keşfetti

1941 Beadle ve Tatum bir gen bir enzim hipotezini formüle etti 1948 Gibson bir insan hastalığındaki ilk enzimatik bozukluk vakasını tanımladı (resesif methemoglobinemi)

1952 Cory, Gierke hastalığında glukoz-6-fosfataz eksikliği keşfetti

1953 Jervis, fenilketonüride fenilalanin hidroksilazın olmadığını gösterdi. Bickel, fenilalanin açısından düşük bir diyet uygulayarak enzimatik bir bozukluğu hafifletmeye yönelik ilk girişimi bildirdi.

1955 Smithies nişasta jel elektroforez tekniğini geliştirdi

1956 Carson ve arkadaşları, indüklenmiş bir hemolitik anemi vakasında glukoz-6-fosfat dehidrojenazda (G6PD) bir kusur keşfetti

1957 Kalkar ve diğerleri, galaktozemide enzimatik eksikliği tanımlayarak, insanların ve bakterilerin aynı enzimatik bozukluğa sahip olduğunu gösterdi.

1961 Krut ve Weinberg, kültürlenmiş fibroblastlarda in vitro galaktozemide bir enzim defekti gösterdiler.

1967 Sigmiller ve arkadaşları, Lesch-Nyhan sendromunda bir hipoksantin-guanin fosforibosiltransferaz (HPRT) defekti keşfetti

1968 Cleaver, xeroderma pigmentosa'da eksizyonel onarımın ihlalini tanımladı

1970 Neufeld, mukopolisakkaridozlardaki enzimatik kusurları tanımladı ve bu da mukopolisakkaritlerin parçalanması için yolları tanımlamayı mümkün kıldı.

1974 Brown ve Goldstein, ailesel hiperkolesterolemide hidroksimetilglutaril-CoA redüktazın genetik olarak belirlenmiş aşırı üretiminin, bu enzimin (HMG) aktivitesini modüle eden zara yerleştirilmiş düşük yoğunluklu lipoprotein reseptöründeki bir kusurdan kaynaklandığını kanıtladılar.

1977 Sly ve diğerleri, mannoz-6-fosfatın (lizozomal enzimlerin bir bileşeni olarak) fibroblast reseptörleri tarafından tanındığını gösterdi. İşlemedeki genetik bir kusur, lizozomal enzimlerin bağlanmasını engeller, bu da sitoplazmaya salınımın bozulmasına ve ardından plazmaya salgılanmasına neden olur (I-hücre hastalığı)

12 4. Genlerin etkisi

1980 Psödohipoparatiroidizmde, reseptör ve siklazın birleşmesini sağlayan proteinde bir kusur keşfedildi.