Айала ф., Кайгер Дж. Современная генетика: в 3-х т. Т. 2. Пер. С англ.: – м.: Мир, 1988. – 368 с.

10 Экспрессия генетического материала

пов информационных единиц, кодирующих определенные аминокислоты. Полинуклеотидная цепь, состоящая из n = 600 нуклеотидов, содержит n/3 = 200 неперекрывающихся триплетов. Число различных аминокислотных последовательностей, которые могут кодироваться цепями такой длины, достигает соответственно 20^n/3 = 20²⁰⁰≈10²⁶⁰, что значительно превышает число всех протонов и нейтронов во Вселенной (по существующим оценкам - около 10⁷⁶). Таким образом, теоретически число различных структур, которое может быть закодировано в достаточно протяженных полинуклеотидных цепочках, поистине безгранично.

"Врожденные ошибки метаболизма" по Гэрроду

Сегодня мы можем определенно ответить на вопрос о том, каким образом гены управляют развитием и жизнедеятельностью организмов. Гены контролируют клеточный метаболизм за счет содержащейся в них информации о структуре ферментов и других клеточных белков, а ферменты выступают в роли биокатализаторов, управляющих всеми химическими процессами в живых организмах. Первым, кто выдвинул предположение о существовании непосредственной связи между генами и ферментами, был английский врач Арчибальд Гэррод. В 1902 году он впервые четко описал эту взаимосвязь в случае алкаптонурии - заболевания, которое наследуется в соответствии с законами Менделя.

В моче больных алкаптонурией, страдающих от артрита, содержатся вещества, чернеющие при стоянии на воздухе. Гэррод предположил, что алкаптонурия связана с блокированием некоего метаболического процесса. Ему удалось обнаружить, что у больных алкаптонурией с мочой выделяются большие количества (несколько граммов ежедневно) гомогентизиновой кислоты, и таким образом установить природу блокируемого процесса. Гэррод предположил, что больные алкаптонурией лишены фермента, в норме метаболизирующего гомогентизиновую

Рис. 10.2. Метаболический этап, блокируемый при алкаптонурии. Отсутствие фермента (оксидазы гомогентизиновой кислоты), катализирующего реакцию превращения гомогентизиновой кислоты в 4-малеилацетоуксусную кислоту, приводит к накоплению гомогентизиновой кислоты, которая затем выводится с мочой.

Айала ф., Кайгер Дж. Современная генетика: в 3-х т. Т. 2. Пер. С англ.: – м.: Мир, 1988. – 368 с.

10. Генетические функции 11

кислоту. Таким образом, он впервые отметил связь между геном и ферментом (рис. 10.2). Гэррод предложил аналогичную интерпретацию еще для трех аномалий, включая и альбинизм, который, по его мнению, вызывается блокированием метаболического пути, ведущего от тирозина к меланину.

Гэррод назвал эти наследственные биохимические аномалии врожденными ошибками метаболизма. Ему удалось сделать свои открытия благодаря осознанию того обстоятельства, что метаболический «блок» можно идентифицировать по накоплению в организме вещества, которое образуется на стадии, предшествующей этому блоку. В дальнейшем использование этого простого принципа сыграло важнейшую роль в изучении многочисленных метаболических процессов.

Гипотеза "один ген - один фермент"

Впервые представление о взаимосвязи между генами и ферментами точно сформулировали Джордж Бидл и Эдуард Татум в 1941 г. в рамках гипотезы «один ген - один фермент». За это открытие в 1958 г. они были удостоены Нобелевской премии. Бидл и Татум изучали биохимическую роль различных генов в опытах с обычной хлебной плесенью - Neurospora crassa (см. рис. 5.15). В норме этот микроскопический гриб может расти на определенной минимальной среде, содержащей сахар, некоторые минеральные соли, источник азота (аммонийные соли) и витамин биотин.

С помощью мутагенеза, индуцируемого рентгеновским излучением, Бидл и Татум получали и затем отбирали мутанты, для роста которых требовалось добавлять в среду некоторые дополнительные питательные вещества (рис. 10.3). Такие мутанты называются ауксотрофами в отличие от исходных прототрофов, способных расти на минимальной среде. (Мутации, изменяющие питательные потребности бактерий, специально обсуждаются в главе 8.) Подход, использованный Бидлом и Татумом для подтверждения наследуемого характера мутаций, приводящих к ауксотрофности, проиллюстрирован на рис. 10.4.

Первые три мутанта, выделенные Бидлом и Татумом, были обозначены pab, pdx и thi. Для их роста на минимальной среде требовались добавки и-аминобензойной кислоты, пиридоксина и тиамина соответственно. В каждом из трех случаев наблюдалось блокирование определенного этапа метаболизма, в норме приводящего к образованию соответствующего недостающего питательного вещества. Таким образом, было установлено однозначное соответствие между генетической мутацией и исчезновением определенного фермента, необходимого на данной биохимической стадии метаболизма. Исходя из этого, Бидл и Татум и сформулировали гипотезу «один ген-один фермент»: каждый ген направляет синтез одного фермента (рис. 10.5). В ходе дальнейших исследований эта гипотеза в несколько модифицированном виде - «один генодна полипептидная цепь» - полностью подтвердилась.