If you're seeing this message, it means we're having trouble loading external resources on our website.

Ако си зад уеб филтър, моля, увери се, че домейните *. kastatic.org и *. kasandbox.org са разрешени.

Основно съдържание

Един ген, един ензим

Исторически експерименти: Изследванията на Гарод с алкаптонурия, работата на Бийдъл и Тейтъм с Neurospora мутанти.

Ключови точки:

  • Хипотезата един ген, един ензим е идеята, че всеки ген кодира един ензим. Днес знаем, че тази идея е по принцип (но не напълно) вярна.
  • Сър Арчибалд Гарод, британски лекар, бил първият, който предположил, че гените са свързани с ензимите.
  • Бийдъл и Тейтъм потвърдили хипотезата на Гарод, като използвали генетични и биохимични проучвания на хлебната плесен Neurospora.
  • Бийдъл и Тейтъм идентифицирали мутирали хлебни плесени, които били неспособни да изградят специфични аминокиселини. Във всяка от тях мутация "нарушила" ензим, необходим за изграждане на определена аминокиселина.

Въведение

Днес знаем, че един типичен ген предоставя инструкции за изграждане на протеин, който, на свой ред, определя наблюдаемите характеристики на един огранизъм. Например сега знаем, че генът за цвета в растенията, изследвани от Грегор Мендел, определя протеин, който помага за създаване на пигментни молекули, давайки на цветчетата лилав цвят, когато работи правилно.
Но Мендел не знаел, че гените (които той нарекъл "наследствени фактори") специфицирали протеини и други функционални молекули. Всъщност той дори не спекулирал как гените влияели върху наблюдаемите характеристики на живите организми. Тогава кой за пръв път направил връзката между гените и протеините?

"Вродените грешки на метаболизма" на Гарод

Често виждаме случаи, в които основни биологични открития се случват в лабораторията. Но те също често могат да се случат край леглото! Сър Арчибалд Гарод, английски лекар, който работел в началото на 20-ти век, бил първият, който извел връзка между гените и биохимията в човешкото тяло.
_Изображение, модифицирано от Archibald Edward Garrod." Original image by Frederick Gowland Hopkins (CC BY 4.0)._
Гарод работил с пациенти, които имали метаболитни заболявания, и видял, че тези заболявания често се предават в семействата. Той се фокусирал върху пациенти с това, което днес наричаме алкаптонурия. Това е нелетално заболяване, при което урината на пациента става черна, понеже той не може да разгради молекула, наречена алкаптон (която при нормални хора без заболяването се разгражда до други, безцветни молекули).1
Като разгледал семейните дървета на хора със заболяването, Гарод осъзнал, че алкаптонурията следвала рецесивен модел на унаследяване, като някои от чертите, които Мендел проучвал при граховите си растения. Гарод предложил идеята, че пациентите с алкаптонурия трябва да имат метаболитен дефект в разграждането на алкаптон и че този дефект може да е причинен от рецесивна форма на един от наследствените фактори на Мендел (тоест от рецесивен алел на един ген).2
Гарод нарекъл това "вродена грешка на метаболизма" и открил други заболявания, които следвали подобни модели. Въпреки че природата на гена не била напълно разбрана по това време от Гарод или който и да било друг, Гарод сега се приема за "бащата на химичната генетика" – тоест първият, който свързал гените с ензимите, които извършват метаболитните реакции.3

Бийдъл и Тейтъм: Свързване на гените с ензимите

За нещастие, идеите на Гарод останали до голяма степен незабелязани в собственото му време. Всъщност чак след като двама други изследователи, Джордж Бийдъл и Едуард Тейтъм, извършили поредица решаващи експерименти през 40-те години на 20-век, работата на Гарод била преоткрита и оценена.4
Бийдъл и Тейтъм работили с прост организъм: обикновената хлебна плесен Neurospora crassa. Като използвали Neurospora, те успели да покажат ясна връзка между гените и метаболитните ензими.

Защо хлебната плесен е чудесна за експерименти

Може би се чудиш защо Бийдъл и Тейтъм избрали да проучват нещо толкова гадно (и наглед неважно) като хлебната плесен.
Ами, първо Бийдъл планирал да работи с плодови мушици Drosophila (също малко гаден, но много по-често използван за експерименти организъм по това време). Но докато се заинтересувал все повече и повече от връзката между гените и метаболизма, той осъзнал, че Neurospora може да му даде по-добър начин да отговори на въпросите, които го вълнували. Все пак Neurospora имала бърз и удобен жизнен цикъл, такъв и с хаплоидни, и с диплоидни фази, което улеснявало извършването на генетични експерименти.5
Но може би най-важно било, че клетките Neurospora можело да се отглеждат в лабораторията върху проста среда (хранителна каша или гел), чийто химичен състав бил на 100% известен и контролиран от експериментатора. Всъщност клетките можели да растат в минимална среда – хранителен източник, съдържащ само захар, соли и един витамин (биотин). Клетките Neurospora могат да оцелеят в тази среда, докато много други организми (като хората!) не могат. Причината е в това, че Neurospora има биохимични пътища, които превръщат захарите, солите и биотина във всички други градивни блокове, необходими от клетките (като аминокиселини и витамини).6
Клетките Neurospora биха се развивали много щастливо и в пълноценна среда, която съдържа пълен набор аминокиселини и витамини. Те просто нямат нужда от такава пълноценна среда, за да оцелеят.

Да направим някои мутанти!

Ако гените са свързани с биохимичните ензими, разсъждавали Бийдъл и Тейтъм, трябва да е възможно да се индуцират мутации, или промени в гените, които "развалят" специфични ензими (и, следователно, специфични пътища), необходими за растеж в минимална среда. Клетъчна линия от Neurospora с такава мутация би расла нормално в пълноценна среда, но би изгубила способността си да оцелее в минимална среда.7
Диаграма, базирана на подобна диаграма в Griffiths et al. 8.
За да търсят такива мутанти, Бийдъл и Тейтъм изложили спори на Neurospora на радиация (рентгенови лъчи, ултравиолетови лъчи или неутрони), за да получат нови мутации. След няколко стъпки на генетично прочистване, те взели наследниците на облъчените спори и ги отгледали поотделно в епруветки, които съдържали пълноценна среда. След като от всяка спора се получила растяща колония, малка част от колонията била прехвърлена в друга епруветка, съдържаща минимална среда.
Повечето колонии растели и в пълноценна, и в минимална среда. Но няколко колонии растели нормално в пълноценна среда, но не можели да растат изобщо в минимална среда. Това били хранителните мутанти, които Бийдъл и Тейтъм се надявали да открият. В минималната среда всеки мутант би загинал, понеже не би могъл да изгради определена жизненоважна молекула от минималните хранителни вещества. Пълноценната среда би "спасила" мутанта (позволявайки му да живее), като предоставя липсващата молекула, заедно с различни други.9

Откриване на увредения път

За да открият кой метаболитен път бил "увреден" при всеки мутант, Бийдъл и Тейтъм осъществили находчив експеримент в две стъпки.
Първо, те отгледали всеки мутант върху минимална хранителна среда, към която били добавени или пълния набор аминокиселини, или пълния набор витамини (или захари, но този случай няма да го разглеждаме тук).8,10
  • Ако мутантът растял на минимална среда с добавени аминокиселини (но не и витамини), това означавало, че е неспособен да изгради една или повече аминокиселини.
  • Ако мутантът се развивал в среда с добавени витамини, но не и в средата с аминокиселините, това означавало, че не може да изгради един или повече витамини.
Диаграма, базирана на подобна диаграма в Griffiths et al. 8.
Бийдъл и Тейтъм открили "увредения" път във всеки мутант чрез втори кръг тестове. Например, ако един мутант растял в минимална среда, която съдържала всички 20 аминокиселини, те след това го тествали в 20 различни епруветки, всяка съдържаща минимална среда плюс една от 20-те аминокиселини. Ако мутантът нараствал в една от тези епруветки, Бийдъл и Тейтъм заключавали, че аминокиселината в тази епруветка трябва да е крайният продукт на пътя, нарушен при мутанта.8
По този начин Бийдъл и Тейтъм свързали много хранителни мутанти към специфични пътища за биосинтеза на аминокиселини и витамини. Тяхната работа довела до революция в генетичните изследвания и показала, че отделните гени наистина са свързани със специфични ензими.11

"Един ген-един ензим" днес

Първоначално откритата връзка между гените и ензимите била наречена хипотеза "един ген - един ензим". Тази хипотеза е преминала през някои важни актуализации след Бийдъл и Тейтъм12,13:
  • Някои гени кодират протеини, които не са ензими. Ензимите са само една категория протеини. В клетките има много протеини, които не са ензими, и те също се кодират от гени.
  • Някои гени кодират подединица от протеин, не цял протеин. Като цяло, един ген кодира един полипептид, което означава една верига аминокиселини. Някои протеини се състоят от няколко полипептида, кодирани от различни гени.
  • Някои гени не кодират полипептиди. Някои гени всъщност кодират функционални РНК молекули, вместо полипептиди!
Въпреки че концепцията "един ген - един ензим" не е напълно точна, тя е основополагаща – че един ген обикновено специфицира един протеин в зависимост едно-към-едно – и остава полезна за генетиците и до днес.

Искаш ли да се присъединиш към разговора?

Все още няма публикации.
Разбираш ли английски? Натисни тук, за да видиш още дискусии в английския сайт на Кан Академия.