Genetikk: Korte notater om gener og enzymer

Les denne artikkelen for å lære om genetikk: korte notater om gener og enzymer

Archibald Garrod (1902) var den første som antydet at gener opererer gjennom enzymer. Han studerte en rekke arvelige menneskelige lidelser og fant at de er innfødte feil i stoffskifte eller manglende metabolisme av organismen for å utføre en bestemt funksjon på grunn av dannelse av defekte enzymer forbundet med arv av defekte gener.

Image Courtesy: ninds.nih.gov/img/genes_brain8.jpg

Garrod (1902) studerte alkaptonuri som er en genetisk lidelse eller sykdom hos mennesker som er preget av brun eller svart farge på utsatt urin. Han kom til konklusjonen gjennom stamtavleanalyse at sykdommen var forårsaket av arv av et par recessive gener. Alkapton eller homogentisinsyre produseres hos mennesker på grunn av ikke-metabolisme av tyrosin. Det er normalt katabolisert av et oksidaseenzym for å produsere C02 og H2 0. For personer som lider av alkaptonuri, er oksidaseenzymet (alkaptonoksidase) fraværende.

Som et resultat akkumuleres homo-gentisinsyre eller alkapton i kroppen. En del av den utskilles i urinen. Ved stående blir oksygen oksidert for å danne et brunt svart produkt som ligner på melanin. Alkali eller såpe intensiverer mørkningseffekten. Det brune svarte produktet samler seg også i kroppen i bindevev og brusk.

Det endrer øyenvit, nese og ører til grå eller blå svart. På grunn av kontinuerlig avsetning av alkapton i bindevev, utvikler en type leddgikt i senere år. Skulder, hofte og ryggrad er spesielt berørt. Pigmentet kan også bli deponert i arterier og hjerteventiler som forårsaker at de fungerer.

En-gen-en-enzym-hypotesen:

Det er hypotese fremsatt av Beadle og Tatum (1948) som sier at et gen kontrollerer et strukturelt eller funksjonelt trekk ved å kontrollere syntesen av et spesifikt protein eller enzym dannet av sistnevnte. De kom til denne konklusjonen gjennom følgende observasjoner, (a) Beadle og medarbeidere fant at den røde øyenfargen på Drosophila melanogaster styres av to gener og skyldes blanding av brune og vermilljonspigmenter. Et stykke larver som er bestemt for å danne vermillionøyne, kan fremstilles for å produsere rød øyenfarge hvis den er plassert i legemets hulrom med rødt øye fordi sistnevnte gir sitt enzym for brun farge som transplantasjonen mangler, b) i 1944, Beadle og Tatum bestrålte Neurospora crassa med røntgenstråler og oppnådde en rekke ernæringsmessige mutanter kalt auxotrophs.

En auxotroph eller ernæringsmessig mutant er den mutanten som ikke er i stand til å forberede sine egne metabolitter fra råmaterialene oppnådd fra utsiden. Derfor kan den ikke leve i naturlig miljø, men kan opprettholdes i kultur ved å gi de nødvendige metabolitter. Den ville typen kalles prototroph. En prototrofi eller villtype er det normale individet som kan syntetisere alle komplekse metabolitter som kreves for vekst fra råmaterialer oppnådd fra utsiden. Det kan vokse i laboratoriet på minimalt medium bestående av ammoniakk, sukker, salter og biotin.

Beadle og Tatum (figur 6.15) fant tre typer auxotrofer som krever aminosyrene ornitin, citrullin og arginin. Prototrophene ble funnet å ha aminosyre arginin i kroppen. Det har tydeligvis blitt syntetisert fra ammoniakk og sukker av det minimale medium.

Auxotroph som krever ornitin for vekst inneholder ikke arginin og dør på grunn av proteinmangel. Når det leveres med ornitin, er det funnet å ha arginin. Auxotroph som krever citrullin besitter ornitin, men ingen arginin. Når citrullin leveres, kommer auxotrofen til å ha arginin. Den ernæringsmessige mutanten som krever arginin inneholder både ornitin og citrullin. Det virker som arginin syntetiseres fra ammoniakk og sukker av det minimale medium gjennom minst tre trinn som hver krever sitt eget enzym.

Beadle og Tatum begrunnet at defekte enzymer skyldes defekte eller mutante gener. Derfor uttrykker gener sin effekt ved å kontrollere syntesen av enzymer. I 1948 foreslo Beadle og Tatum at et gen kontrollerer syntesen av ett enzym. De ble tildelt Nobelprisen for dette arbeidet i 1958. Dermed etablerte Beadle og Tatum den nye vitenskapen om biokjemisk genetikk.

En-gen-en-polypeptid-hypotesen:

Et genetisk enzym-hypotesen har noen feil:

(i) Alle gener produserer ikke enzymer eller deres komponenter. Noen av dem kontrollerer andre gener,

(ii) Enzymer er generelt proteinholdige i naturen, men alle proteiner er ikke enzymer,

(iii) Noen RNAer utviser også enzymaktivitet,

(iv) Et protein eller enzymmolekyl kan bestå av en eller flere typer polypeptider. Yanofsky et al. (1965) fant at enzymet tryptofan syntetase av bakterie Escherichia coli består av to separate polypeptider, A og B. Polypeptid A er av a-type mens polypeptidet В er av β-type.

Syntesen av de to polypeptidene styres av forskjellige gener, trp A og trp B. En forandring i noen av de to gener forårsaker inaktivering av tryptofansyntetase gjennom ikke-syntese av a eller p-polypeptid. Inaktivering av enzym stopper syntesen av tryptofan fra indol 3-glycerolfosfat og serin. En lignende situasjon er funnet i tilfelle dannelsen av hemoglobinmolekyl.

Hemoglobin består av fire polypeptider, 2a og 2p. Syntese av de to typer polypeptider styres av to forskjellige gener plassert på forskjellige kromosomer. Derfor ble ett genetisk enzym-hypotese endret til en gen-en-polypeptid-hypotese. Hypotesen sier at et strukturelt gen spesifiserer syntesen av et enkelt polypeptid.