Один ген один фермент современная трактовка. Теория один ген - один фермент
Первые исследования. После того как в 1902 г. Гэррод указал на связь генетического дефекта при алкаптонурии с неспособностью организма расщеплять гомогентизиновую кислоту, важно было выяснить специфический механизм, лежащий в основе этого нарушения. Поскольку тогда уже было известно, что метаболические реакции катализируются ферментами, можно было предположить, что именно нарушение какого-то фермента приводит к алкаптонурии. Такая гипотеза обсуждалась Дришем (в 1896 г.). Ее высказывали также Холдейн (1920 г., см. ) и Гэррод (1923 г. ). Важными этапами в развитии биохимической генетики стали работы Кюхна и Бутенандта по изучению окраски глаз у мельничной огневки Ephestia kuhniella и аналогичные исследования Бидла и Эфрусси на Drosophila (1936) . В этих пионерских работах для выяснения механизмов действия генов были выбраны мутанты насекомых, изученные ранее генетическими методами. Однако такой подход не привел к успеху. Проблема оказалась слишком сложной, и чтобы решить ее, необходимо было:
1) подобрать простой модельный организм, удобный для экспериментального изучения;
2) искать генетическую основу биохимических признаков, а не биохимическую основу генетически детерминированных признаков. Оба условия были выполнены в работе Бидла и Татума в 1941 году (см. также Бидл, 1945 ).
Модель Бидла и Татума. Статья этих исследователей начиналась так:
«С точки зрения физиологической генетики - развитие и функционирование организма может быть сведено к сложной системе химических реакций, которые каким-то образом контролируются генами. Вполне логично предположить, что эти гены... либо сами выступают в роли ферментов, либо определяют их специфичность. Известно, что генетики-физиологи обычно пытаются исследовать физиологические и биохимические основы уже известных наследственных признаков. Этот подход позволил установить, что многие биохимические реакции контролируются специфическими генами. Такие исследования показали, что ферменты и гены обладают специфичностью одного порядка. Однако возможности этого подхода ограниченны. Наиболее серьезное ограничение заключается в том, что при этом в поле зрения исследователей попадают наследственные признаки, не имеющие летального эффекта и, следовательно, связанные с реакциями, которые не очень существенны для жизнедеятельности организма. Второе затруднение... заключается в том, что традиционный подход к проблеме подразумевает использование внешне проявляющихся признаков. Многие из них представляют собой морфологические вариации, основанные на системах биохимических реакций, настолько сложных, что их анализ необычайно затруднен.
Подобные соображения привели нас к следующему выводу. Изучение общей проблемы генетического контроля биохимических реакций, определяющих развитие и метаболизм, должно проводиться с помощью процедуры, противоположной общепринятой: вместо того чтобы пытаться выяснить химические основы известных наследственных признаков, необходимо установить, обеспечивают ли гены контроль известных биохимических реакций и как они это делают. Нейроспора, относящаяся к аскомицетам, обладает свойствами, позволяющими реализовать такой подход и одновременно служит удобным объектом для генетических исследований. Вот почему наша программа была построена на использовании именно этого организма. Мы исходили из того, что облучение рентгеном вызывает мутации в генах, контролирующих определенные химические реакции. Пусть для выживания в данной среде организм должен осуществлять какую-то химическую реакцию, тогда мутант, лишенный такой способности, в этих условиях окажется нежизнеспособным. Однако его можно поддерживать и изучать, если выращивать в среде, к которой добавлен жизненно необходимый продукт генетически блокированной реакции».
4 Действие генов 9
Далее Бидл и Татум приводят описание схемы эксперимента (рис. 4.1). В состав полной среды входил агар, неорганические соли, солодовый экстракт, дрожжевой экстракт и глюкоза. Минимальная среда содержала только агар, соли, биотин и источник углерода. Наиболее подробно были исследованы мутанты, которые росли на полной среде и не росли на минимальной. Чтобы установить соединение, синтез которого нарушен у каждого из мутантов, в минимальный агар вносили отдельные компоненты полной среды.
Таким способом были выделены штаммы, неспособные синтезировать определенные факторы роста: пиридоксин, тиамин и парааминобензойную кислоту. Было показано, что эти дефекты обусловлены мутациями в специфических локусах. Работа положила начало многочисленным исследованиям на нейроспоре, бактериях и дрожжах, в которых было установлено соответствие «генетических блоков», ответственных за отдельные метаболические этапы, и специфических нарушений ферментов. Этот подход очень быстро превратился в инструмент, позволяющий исследователям раскрывать метаболические пути.
Гипотеза «один ген - один фермент» получила прочное экспериментальное подтверждение. Как показали работы последующих десятилетий, она оказалась удивительно плодотворной. Анализ дефектных ферментов и их нормальных вариантов позволил вскоре выявить такой класс генетических нарушений, которые приводили к изменению функции фермента, хотя сам белок по-прежнему обнаруживался и сохранял иммунологические свойства. В других случаях менялся температурный оптимум активности фермента. Некоторые варианты можно было объяснить мутацией, влияющей на общий регуляторный механизм и изменяющей в результате активность целой группы ферментов. Подобные исследования привели к созданию концепции регуляции активности генов у бактерий, которая включала и концепцию оперона.
10 4. Действие генов
Первые примеры ферментативных нарушений у человека. Первым наследственным заболеванием человека, для которого удалось показать ферментативное нарушение, была метгемоглобинемия с рецессивным типом наследования (Гибсон и Харрисон, 1947 ; Гибсон, 1948 ) (25080). В этом случае поврежденным ферментом является NADH - зависимая метгемоглобин-редуктаза. Первая попытка систематического изучения группы заболеваний человека, связанных с дефектами метаболизма, была предпринята в 1951 году. При исследовании болезни накопления гликогена супруги Кори показали, что в восьми из десяти случаев патологического состояния, которое диагностировалось как болезнь Гирке (23220), структура гликогена печени представляла собой нормальный вариант, а в двух случаях была явно нарушена. Было также очевидно, что гликоген печени, накапливаясь в избытке, не может быть непосредственно превращен в сахар, поскольку у больных проявляется тенденция к гипогликемии. Для расщепления гликогена с образованием глюкозы в печени необходимы многие ферменты. Два из них-амило-1,6-глюкозидаза и глюкозо6-фосфатаза-были выбраны для изучения как возможные дефектные элементы ферментной системы. В гомогенатах печени при различных значениях рН было измерено освобождение фосфата из глюкозо-6фосфата. Результаты представлены на рис. 4.2. В нормальной печени обнаруживалась высокая активность с оптимумом при рН 6-7. Сильное нарушение функции печени при циррозе коррелировало с незначительным уменьшением активности. С другой стороны, в случае болезни Гирке с летальным исходом, активность фермента обнаружить вообще не удалось; такой же результат был получен при обследовании второго подобного больного. У двух пациентов с менее выраженными симптомами наблюдалось значительное уменьшение активности.
Было сделано заключение, что в указанных случаях болезни Гирке с летальным исходом имел место дефект глюкозо-6-фосфатазы. Однако в большинстве более легких случаев активность этого фермента оказалась не ниже, чем при циррозе печени, и только у двух больных она была несколько меньшей (рис. 4.2).
По мнению супругов Кори, аномальное накопление гликогена в мышечной ткани нельзя связывать с недостатком глюкозо-6-фосфатазы, поскольку в мышцах этот фермент отсутствует и в норме. В качестве возможного объяснения гликогеноза мышц они предположили нарушение активности амило-1,6-глюкозидазы. Это предсказание вскоре подтвердилось: Форбс обнаружил такой дефект при одном из клинически выраженных случаев болезни накопления гликогена с вовлечением сердечной и скелетных мышц. Сейчас нам
4. Действие генов 11
известно большое число ферментативных дефектов при болезни накопления гликогена .
Хотя по степени проявления различные формы этого заболевания несколько различаются, в клиническом отношении между ними много общего. За одним исключением, все они наследуются по аутосомнорецессивному типу. Если бы ферментативные дефекты не были раскрыты, патология накопления гликогена рассматривалась бы как одно заболевание с характерными внутрисемейными корреляциями по тяжести течения, деталям симптоматики и срокам летального исхода. Таким образом, перед нами пример, когда генетическая гетерогенность, которую можно было лишь предполагать на основании изучения фенотипа (разд. 3.3.5), подтвердилась при анализе на биохимическом уровне: исследование ферментативной активности позволило идентифицировать специфические гены.
В последующие годы темп исследований в области ферментативных дефектов нарастал, и для 588 идентифицированных рецессивных аутосомных генов, которые Мак-Кьюсик описывает в шестом издании своей книги «Менделевское наследование у человека» (1983) , более чем в 170 случаях обнаружены специфические ферментативные нарушения. Наши успехи в этой области непосредственно связаны с развитием концепций и методов молекулярной генетики.
Некоторые этапы изучения ферментативных нарушений у человека. Мы приводим лишь наиболее важные вехи этого продолжающегося процесса: 1934 Фёллинг открыл фенилкетонурию
1941 Бидл и Татум сформулировали гипотезу «один ген - один фермент» 1948 Гибсон описал первый случай ферментативного нарушения при заболевании у человека (рецессивная метгемоглобинемия)
1952 Супруги Кори обнаружили недостаточность глюкозо-6-фосфатазы при болезни Гирке
1953 Джервис продемонстрировал отсутствие фенилаланингидроксилазы при фенилкетонурии . Бикель сообщил о первой попытке смягчить ферментативное нарушение, применив диету с низким содержанием фенилаланина
1955 Смитис разработал методику электрофореза в крахмальном геле
1956 Карсон и др. обнаружили дефект глюкозо-6-фосфат- дегидрогеназы (G6PD) в случае индуцированной гемолитической анемии
1957 Калькар и др. описали ферментативную недостаточность при галактоземии, показав, что у человека и бактерий наблюдается идентичное нарушение ферментативной активности
1961 Крут и Вайнберг продемонстрировали дефект фермента при галактоземии in vitro в культуре фибробластов
1967 Сигмиллер и др. обнаружили дефект гипоксантин-гуанин-фосфорибозилтрансферазы (HPRT) при синдроме Леша -Найхана
1968 Кливер описал нарушение эксцизионной репарации при пигментной ксеродерме
1970 Нейфельд выявил ферментативные дефекты при мукополисахаридозах, что позволило идентифицировать пути расщепления мукополисахаридов
1974 Браун и Голдстейн доказали, что генетически детерминированная суперпродукция гидроксиметилглютарилСоА-редуктазы при семейной гиперхолестеринемии обусловлена дефектом локализованного в мембране рецептора липопротеинов низкой плотности, который модулирует активность этого фермента (HMG)
1977 Слай и др. продемонстрировали, что маннозо-6-фосфат (как компонент лизосомальных ферментов) узнается рецепторами фибробластов. Генетический дефект процессинга препятствует связыванию лизосомных ферментов, в результате нарушается их выход в цитоплазму и последующая секреция в плазму (I-клеточная болезнь)
12 4. Действие генов
1980 При псевдогипопаратиреозе обнаружен дефект белка, обеспечивающего сопряжение рецептора и циклазы.
Это произошло в 1941 году. "Первым генетиком" оказался грибок с романтическим названием - нейроспора. Правда, красиво звучит? Больше того, нейроспора и на вид очень привлекательна. Поместите мицелий грибка под сильную лупу и любуйтесь: тонкое прозрачное кружево... Можно часами рассматривать выросший в пробирке грибок, восхищаясь совершенным созданием природы. Только американские генетики Бидл и Татум смотрели на него как исследователи, а не как домашние натурфилософы. Ученые в тонкостях узнали строение грибка, чтобы заставить его работать на генетику. И вот что радовало. Нейроспора - гаплоидный организм. У нее всего 7 хромосом, и в обычной жизни в мицелии грибка нет клеток с двойным набором. Это значит, что если у грибка возникнет мутантный ген, то следствия этого проявятся очень скоро - ведь второго-то гена, доминантного, у нейроспоры нет!
Но это еще не все. У нейроспоры можно обнаружить... половую стадию развития. В какой-то момент жизни в мицелии грибка появляются особые, "женские" клетки. Они, подобно всем клеткам мицелия, гаплоидны, но в отличие от них способны сливаться с любой другой клеткой, которая таким образом играет роль "мужской". Так возникает диплоидная клетка с двойным набором хромосом. Их теперь - 14.
Поначалу ядра у такой клетки не сливаются, и она несколько раз делится митотически, образуя в мицелии островок диплоидных клеток. Кстати, может быть, этот островок и есть "черновой вариант" природы при создании многоклеточного диплоидного организма животных и растений?
Но вот в одной из диплоидных клеток ядра сливаются. При этом в ядре происходит процесс кроссинговера и редукционное деление. Словом, клетка совершает два деления мейоза, после чего образуются четыре гаплоидные клетки. Они располагаются в оболочке точно в ряд, как солдаты в строю. Затем каждая клетка делится митотически еще раз, и на этом дело заканчивается. В итоге образуется 8 клеток (их называют аскоспоры), которые одеваются оболочкой.
А теперь представим себе, что с одним из генов материнской клетки случилась "беда" - он стал мутантным. После кроссинговера, который произойдет вслед за слиянием ядер, разовьются две гибридные клетки, и в одну из них попадет мутантный ген. Такая клетка тоже даст потомство-четыре аскоспоры. В сумке будут два генетически различных типа аскоспор. Как же узнать, есть ли среди них мутантные? Именно этим занимались Бидл и Татум. Они научились выбирать аскоспоры из сумки и сажать их по одной на питательную среду. Из каждой аскоспоры после целого цикла митотических делений вырастает мицелий - прямой ее потомок. Если сравнить свойства мицелиев от различных аскоспор, можно выделить среди них мутантные и нормальные.
Здесь надо сказать еще об одном чудесном качестве нейроспоры.
Она - крайне неприхотлива и прекрасно растет на бедной питательными веществами, так называемой "минимальной", или "голодной" среде (несколько неорганических солей, глюкоза, нитрат аммония и витамин биотин). Из этих продуктов нормальный грибок синтезирует все нужные ему аминокислоты, белки, углеводы и витамины, кроме биотина.
Но вот по одному из генов ученые "ударили" ультрафиолетовыми или рентгеновыми лучами, и он стал мутантным. Если с ним была связана способность синтезировать какую-либо жизненно важную аминокислоту, это незамедлительно обнаружится: некоторые аскоспоры - потомки женской клетки перестанут расти на голодной среде. И не надо ждать сотен поколений грибка. Ведь второго-то гена, компенсирующего нарушенную функцию, у аскоспоры нет: ее потомство, как мы уже говорили, гаплоидно, то есть содержит только один набор хромосом.
Осталось узнать, какая именно жизненно необходимая функция поражена. Бидл и Татум решили добавлять к голодной среде разные аминокислоты, витамины, соли и т. д. поочередно и сажать туда целые стада аскоспор. Наконец-то! Одна из аскоспор проросла на голодной среде с аргинином, другая - на среде с триптофаном. Значит, первая не росла потому, что была не в состоянии создать ни единой молекулы аргинина, вторая - триптофана. Причина только одна - на хромосоме аскоспоры поражен ген, "заведующий" синтезом триптофана. Примерно таким путем Бидл и Татум нашли 380 мутантов (!), которые несли мутацию в 100 отдельных генах, контролирующих жизненно важные биохимические реакции.
И вот что любопытно. Для каждого гена удалось найти по нескольку мутантов. Так, на ген, ответственный за синтез триптофана, пришлось 30 мутантов. А все ли они одинаковы? У всех ли способность синтезировать триптофан нарушена в одном месте гена? Чтобы ответить на этот вопрос, ученые скрестили друг с другом все 30 мутантов.
В этих опытах мутанты распределились на две группы. Мутанты первой группы взаимно дополняли мутантов второй группы при кроссинговере. В результате среди аскоспор находили рекомбинантов "дикого" * типа, синтезирующих триптофан. Это значит, что в синтезе триптофана должны принимать участие два гена: у мутантов первой группы поражен один ген, у мутантов второй группы - другой. Но что контролируют эти гены?
* (Так называют тип, не измененный мутациями, наиболее часто встречающийся в естественных условиях. )
Мутанты обеих групп росли, если вместо триптофана добавляли серии и индол, при этом в среде появлялся триптофан. Значит, все мутанты могли превращать индол и серии в триптофан. Отсюда вывод: индол и серии - предшественники триптофана в цепи его биосинтеза в живой клетке.
Это предположение подтвердилось, когда обнаружили мутант, у которого была блокирована именно эта функция. Он не вырабатывал фермента триптофансинтетазы, который есть у дикой нейроспоры.
Мутанты первой группы были также способны синтезировать вещество, стимулировавшее рост мутантов второй группы. Этим веществом оказалась антраниловая кислота, которая, видимо, выполняет функцию предшественника индола. Значит, у мутантов первой группы нарушена реакция превращения антраниловой кислоты в индол, а мутанты второй группы не могут синтезировать антраниловую кислоту, но способны превратить ее в индол.
На основании этих данных был открыт способ синтеза триптофана в живых клетках: антраниловая кислота превращается в индол. Индол соединяется с серином и под влиянием фермента триптофансинтетазы превращается в триптофан. В синтезе триптофана участвует не менее трех генов, каждый из них отвечает за выработку ферментов. Эти гены можно картировать на хромосоме нейроспоры в реакциях скрещивания.
Так в 1941 году впервые в истории естествознания ученые нашли на хромосоме гены, ответственные за синтез белков - ферментов. Бидл и Татум сформулировали выводы своих исследований так: "Один ген - один фермент". Предполагается, что гены клетки контролируют синтез всех ее ферментов, катализирующих реакции обмена, причем каждый ген контролирует только один фермент.
Если вдуматься, можно себе представить, что рамки этой гипотезы гораздо шире, чем следует из ее названия. В самом деле. Мы знаем, что все ферменты - белки. Но ведь, кроме ферментов, в организме есть белки-неферменты. Это гемоглобин, антитела и другие. Где заложена информация для их синтеза? Тоже в хромосомных генах. Вот почему гипотеза "Один ген - один фермент" теперь звучит так: "Один ген - один белок", или даже: "Один ген - одна гюлипептидная цепь".
До 1941 года генетика и биохимия были обособленными науками, и каждая в силу своих возможностей пыталась найти ключ к тайнам жизни: генетики открыли гены, биохимики- ферменты. Опыты американских ученых Бидла, Татума и Бреннера связали воедино эти две единицы жизни и положили начало содружеству генетики и биохимии, а вместе с тем и такому прогрессу знаний, равного которому не было во всей истории биологии. Ген предстал как конкретная единица, контролирующая синтез конкретного белка. Это был качественно новый уровень исследований.
Опыты с нейроспорой окрылили ученых, но все-таки еще требовали ответа вопросы: что такое ген? Из какого вещества он построен? Как он регулирует синтез белка?
Генетика разгадала эти ребусы природы только после того, как стала вести поиск в царстве бактерий. Но прежде чем начать рассказ о новых героях генетических экспериментов, надо, наконец, поближе познакомиться с ними.
В каждой живой клетке происходит множество химических реакций. Ферменты (энзимы) - белки с особыми и крайне важными функциями. Их называют биокатализаторами. Основная в организме заключается в ускорении биохимических реакций. Исходные реагенты, взаимодействие которых катализируется этими молекулами, именуются субстратами, а конечные соединения - продуктами.
В природе белки-ферменты работают только в живых системах. Но в современной биотехнологии, клинической диагностике, фармацевтике и медицине применяются очищенные энзимы или их комплексы, а также дополнительные компоненты, необходимые для работы системы и визуализации данных для исследователя.
Биологическое значение и свойства ферментов
Без этих молекул живой организм не смог бы функционировать. Все процессы жизнедеятельности слажено работают благодаря энзимам. Главная функция белков-ферментов в организме - регулирование обмена веществ. Без них невозможен нормальный метаболизм. Регуляция активности молекул происходит под действием активаторов (индукторов) или ингибиторов. Контроль действует на разных уровнях синтеза белков. Он также «работает» в отношении уже готовой молекулы.
Основное свойства белков-ферментов - специфичность к определенному субстрату. И, соответственно, способность катализировать только одну или реже ряд реакций. Обычно подобные процессы обратимы. За выполнение обоих функций ответственен один фермент. Но это еще не все.
Роль белков-ферментов существенна. Без них не протекают биохимические реакции. За счет действия ферментов появляется возможность реагентам преодолеть активационный барьер без существенных затрат энергии. В организме нет возможности нагреть температуру более 100 °С или использовать агрессивные компоненты наподобие химической лаборатории. Белок-фермент соединяется с субстратом. В связанном состоянии происходит модификация с последующим освобождением последнего. Именно так действуют все катализаторы, применяемые в химическом синтезе.
Какие уровни организации молекулы белка-фермента?
Обычно эти молекулы имеют третичную (глобула) или четвертичную (несколько соединенных глобул) белковую структуру. Сначала они синтезируются в линейном виде. А потом сворачиваются в требуемую структуру. Для обеспечения активности биокатализатору необходимо определенное строение.
Ферменты, как и другие белки, разрушаются при нагреве, экстремальных значениях pH, агрессивных химических соединений.
Дополнительные свойства ферментов
Среди них выделяют следующие особенности компонентов:
- Стереоспецифичность - образование только одного продукта.
- Региоселективность - разрыв химической связи или модификация группы только в одном положении.
- Хемоселективность - катализ только одной реакции.
Особенности работы
Уровень варьируется. Но любой энзим всегда активен в отношении конкретного субстрата или группы соединений, аналогичных по структуре. Небелковые катализаторы не обладают таким свойством. Специфичность измеряется константой связывания (моль/л), которая может достигать 10 −10 моль/л. Работа активного фермента стремительна. Одна молекула катализирует тысячи-миллионы операций в секунду. Степень ускорения биохимических реакций существенно (в 1000-100000 раз) выше, чем у обычных катализаторов.
Действие ферментов построено на нескольких механизмах. Наиболее простое взаимодействие происходит с одной молекулой субстрата с последующим образованием продукта. Большинство энзимов способны связывать 2-3 разные молекулы, вступающие в реакцию. Например, перенос группы или атома от одного соединения к другому или двойное замещение по принципу «пинг-понг». В данных реакциях обычно соединяется один субстрат, а второй связывается посредством функциональной группы с ферментом.
Изучение происходит с помощью методов:
- Определения промежуточных и конечных продуктов.
- Изучения геометрии структуры и функциональных групп, связываемых с субстратом и обеспечивающих высокую
- Мутации генов фермента и определения изменения в его синтезе и активности.
Активный и связывающий центр
Молекула субстрата значительно меньше по размеру, чем белок-фермент. Поэтому связывание происходит за счет небольшого числа функциональных групп биокатализатора. Они формируют активный центр, состоящий из определенного набора аминокислот. В в структуре присутствует простетическая группа небелковой природы, которая также может входить в состав активного центра.
Следует выделить отдельную группу энзимов. У них в состав молекулы входит кофермент, постоянно связывающийся с молекулой и освобождающийся от нее. Полностью сформированный белок-фермент называется холоферментом, а при удалении кофактора - апоферментом. В качестве коферментов часто выступают витамины, металлы, производные азотистых оснований (НАД - никотинамидадениндинуклеотид, ФАД - флавинадениндинуклеотид, ФМН - флавинмононуклеотид).
Связывающий центр обеспечивает специфичность сродства к субстрату. За счет него формируется устойчивый субстратно-ферментный комплекс. Структура глобулы построена так, чтобы иметь на поверхности нишу (щель или впадину) определенного размера, обеспечивающего связывание субстрата. Располагается эта зона обычно недалеко от активного центра. У отдельных ферментов есть участки для соединения с кофакторами или ионами металлов.
Заключение
Белок-фермент играет важную роль в организме. Подобные вещества катализируют химические реакции, отвечают за процесс обмена веществ - метаболизм. В любой живой клетке постоянно происходит сотни биохимических процессов, включающих восстановительные реакции, расщепление и синтез соединений. Постоянно происходит окисление веществ с большим выделением энергии. Она в свою очередь тратится на формирование углеводов, белков, жиров и их комплексов. Продукты расщепления являются структурными элементами для синтеза необходимых органических соединений.
Генетика - наука отнюдь не молодая, исследования в ней ведутся на протяжении нескольких столетий, начиная с Менделя в 1865 г. и до наших дней. Термин «ген» для обозначения единицы наследственной характеристики впервые предложил Johannsen в 1911 г., а в 1940-е годы был уточнен концепцией «один ген - один фермент», которую предложили Tatum и Beadle.
Это положение определено в экспериментах на мухах-дрозофилах, но в равной степени распространяется и па человека; в конечном итоге жизнь всех существ определяется их ДНК. Молекула ДНК у человека больше, чем у всех остальных организмов, и она устроена сложнее, но суть ее функций одинакова у всех живых существ.
Концепция «один ген - один фермент
», возникшая на основе идей Tatum и Beadle, может быть сформулирована следующим образом:
1. Все биологические процессы находятся под генетическим контролем.
2. Все биохимические процессы происходят в виде поэтапных реакций.
3. Каждая биохимическая реакция в конечном счете находится под контролем различных отдельных генов.
4. Мутация в определенном гене ведет к изменению способности клетки к осуществлению определенной химической реакции.
С тех пор концепция «один ген - один фермент» несколько расширилась, и звучит теперь как «один ген - один белок ». Кроме того, последние исследования свидетельствуют, что некоторые гены действуют в содружестве с другими, в результате чего образуются уникальные белки, т. е. некоторые гены могут кодировать более одного белка.
Геном человека содержит около 3 млрд нуклеотидных пар; полагают, что в нем содержится от 50 000 до 100 000 . После расшифровки генома выяснилось, что генов всего около 30 000. Взаимодействие этих генов гораздо сложнее, чем предполагалось. Гены зашифрованы в нитях ДНК, которые в комплексе с определенными ядерными белками формируют хромосомы.
Гены - не просто отрезки ДНК: их образуют кодирующие последовательности - экзоны, перемежающиеся с некодирующими последовательностями - нитронами. Экзоны как экспрессирующаяся часть ДНК составляют лишь малую часть самой главной молекулы организма; большая часть ее не экспрессируется, образована нитронами и часто называется «молчащей» ДНК.
Примерные размер и структура человеческого генома представлены на рисунке ниже. Функциональная длина человеческой хромосомы выражается в сантиморганидах. Сантиморганида (сМ) - расстояние, на протяжении которого вероятность кроссинговера в течение мейоза составляет 1 %. Анализ сцепления генов показал, что продолжительность человеческого генома около 3000 сМ.
Средняя хромосома содержит примерно 1500 генов, зашифрованных в 130 млн пар нуклеотидных оснований. На рисунке ниже схематически представлены физический и функциональный размеры генома: первый рассчитан в нуклеотидных парах, а второй - в сМ. Большая часть человеческого генома представлена «молчащей» ДНК и не экспрессируется.
На матрице ДНК
в результате процесса транскрипции синтезируется РНК, а затем - белок. Следовательно, последовательность ДНК полностью определяет последовательность функциональных белков клетки. Все белки синтезируются следующим образом:
ДНК => РНК => белок
Генетический аппарат человека и других млекопитающих устроен сложнее, чем у остальных живых организмов, т. к. участки некоторых генов у млекопитающих могут объединяться с частями других генов , в результате чего синтезируется совершенно новый белок или контролируется отдельная клеточная функция.
Следовательно, у человека возможно повышение числа экспрессирующихся генов без действительного увеличения объема экспрессирующейся ДНК
или абсолютного числа генов.
В целом около 70 % всего генетического материала не экспрессируются.
