Белки, наследственность и обмен веществ
Началом биохимической генетики считается обоснование В. Бэтсоном связи между генами и ферментами на основании работ А. Гаррода начала 20 века. Гаррод при изучении причин алькаптонурии выяснил, что это моногенный рецессивный признак, т. е. гены контролируют химические реакции, протекающие в организме, а наследственные заболевания являются результатом нарушения нормального обмена веществ.
Фенилкетонурия
Наследуется как аутосомно-рецессивный признак, вызывает нарушение обмена веществ, сопряженное с умственной отсталостью. У больных блокировано превращение фенилаланина в тирозин (у тирозина есть ОН-группа, у фенилаланина нет).
Активность фермента фенилаланин гидроксилазы у больных не превышает 30% от нормы. При ранней диагностике болезнь можно предотвратить строгой диетой без фенилаланина.
В медицине обнаружен целый ряд болезней, связанных с генетическими нарушениями. Сейчас известны тысячи таких болезней
Для метаболизма аминокислот фенилаланина и тирозина требуется несколько ферментов.
Различные блоки метаболизма из-за мутаций приводят к дефектных ферментам и нарушениям - фенилкетонурия, тирозинемия, альбинизм и алькаптонурия.
Гипотеза один ген – один фермент
В 1933 г. Дж. Бидл экспериментально доказал прямое участие генов в синтезе ферментов, что позже в 1940-е гг. было показано в опытах Дж. Бидла и Э. Татума с нейроспорой. Мутации генов могут быть ассоциированы с утратой функций некоторых ферментов.
Опыты Билла и Татума с мутантами нейроспоры
Облучение спор гриба Х-лучами резко увеличило число мутаций. Мутанты выращивали на полной среде, т.к. из-за нарушений метаболизма на минимальной среде они расти не могут. Выращенные культуры переносили на минимальную среду, где все мутанты прекращали рост, но на разных средах можно было отобрать мутантов с нарушениями того или иного пути метаболизма. Результат - добавленное в минимальную среду вещество, восстанавливающее рост клеток, представляет собой субстрат, не синтезирующийся в результате мутации. Тестирование более 80000 спор доказало взаимосвязь генетических и биохимических нарушений в клетке. Выводом явилась гипотеза – «один ген – один фермент».
Бидл и Татум (Nobel 1958) индуцировали ауксотрофные мутации питания в Neurospora, подвергая бесполые конидии (споры) действию радиации.
При попытке вырастить мутанты на минимальной среде с добавлением различных органических соединений, мутации питательных веществ могут быть точно определены.
Бидл и Татум смогли определить, что каждая генетическая мутация связана с потерей ферментативной активности синтезировать какой-то витамин или аминокислоту.
Это привело их к гипотезе, что один ген определяет один фермент.
(Теперь мы знаем, что не все белки - ферменты и некоторые белки состоят из более, чем одной полипептидной цепи.)
Гены и ферменты – биохимический анализ
Одним из первых исследовали метаболизм аргинина у нейроспоры. А. Серб и Н. Горовиц – 7 мутантных штаммов для роста которых требовался аргинин. Им удалось определить, какие биохимические реакции приводят к синтезу аргинина в клетках и продемонстрировать возможности генетического анализа для биохимии.
Исследовали способность каждого штамма восстанавливать рост клеток после добавления в минимальную среду цитруллина или орнитина – химически близких аминокислот. Если рост клеток восстанавливался, значит вещество вовлечено в биосинтез аргинина. Оказалось, что по меньшей мере в одном штамме эти вещества взаимозаменяемы и восстанавливают рост клеток Четыре из семи штаммов росли при добавлении орнитина, цитруллина или аргинина (arg 4-7), два (arg 2 и 3) - цитруллина и аргинина, один (arg 1) – только аргинина, Исходя из этого была предложена схема мутаций и блокировки синтеза аргинина: предшественник – орнитин – цитруллин – аргинин.
Метаболический путь для синтеза аминокислоты аргинина в Neurospora был установлен путем предоставления смеси добавок семи различных ауксотрофным по аргинину
мутантам.
•Мутанты arg 4–7 растут при добавке citrulline, ornithine, или arginine.
•Мутанты arg 2 и arg 3 растут при добавке citrulline или arginine.
•Мутант arg 1 растет, только если arginine добавлен; ни citrulline, ни ornithine не позволяет рост.