Молекулярные основы наследственности у вирусов. Принципы биохимической генетики

Биохимические процессы в организме и в клетке своей упорядочностью и исключительно высокой скоростью реакции прежде всего обязаны системе – белков – ферментов, управляющих синтезом жизненно важных веществ.

Обмен веществ в каждом организме – это цеп реакций, связанных с действием ферментов. Вместе с тем наследственность – это воспроизведение в поколениях сходного типа обмена веществ. Вся биохимия ферментов в клетке должна находится под генетическим контролем. Этот тезис был развит в работах Бидла и Тотума, что положило начало биохимической генетике.

Гены и ферменты. Связь генов с белками – ферментами впервые была высказана Бидлом и Тотумом при изучении биохимических мутантов у нейроспоры. Микроорганизмы нуждающиеся для своего роста в источниках углевода, азота и минеральных веществ, из которых они синтезируют: аминокислоты, нуклеотиды, липиды и др. В том случае когда клетка не обладает способностью к синтезу данного вещества, она может жить получая его из вне в готовом виде. Опираясь на эти данные у нейроспоры, а затем у других организмов получили так называемые биохимические мутации. Эти мутации в большинстве случаев лишали клетку способности синтезировать те или иные вещества. Организмы, способные синтезировать вещества из простых соединений и развивающиеся на минеральной среде – называются прототрофы. Биохимические мутанты способны жить только при добавке в среду питания готовых веществ, которые они не могут синтезировать – это ауксотрофы.

У нейроспоры было выделено 380 биохимических ауксотрофных мутантов. Они были лишены способности синтезировать: аминокислоты, витамины, пуриновые и перимединовые основания. Было обнаружено, что в основе этих изменений лежат мутации более 100 генов, локализованных в самых различных местах семи хромосом нейроспоры. Например, в опытах было получено около 50 ауксотрофных мутантов нейроспоры неспособных синтезировать аргинин. Они требовали для своего роста добавления в среду различных веществ – предшественников аргинина: цитрулина, орнитина, глутаминовой кислоты.

Каждая химическая реакция катализируется специфическим ферментом. Это показывает, что мутации блокируют образование в каждом случае своего специфического фермента. В цепи биосинтеза аргинина разные ауксотрофные мутанты нейроспоры не содержат специфических белков-ферментов, контролируемых разными генами. Упрощено действие генов в цепи биосинтеза аргинина может быть представлено в таком виде:

глутаминовая кислота → пролин → орнитин → цитрулин → аргинин

ген-1 ген-2 ген-3 ген-4

На самом деле число реакций в этой цепи гораздо больше. Бидл проводит следующую схему действия семи различных генов на биосинтез аргинин.

Под действием аргиназы часть аргинина расщепляется и образовавшийся орнитин вновь включается в цикл биосинтеза.

К биохимическим мутациям относится заболевание – фенилкетонурия. У человека открытая Горродом в 1902 г. Фенилкетонурия связана с нарушением метаболических процессов фенилаланина и тирозина. Первая ступень в этом метаболизме связана с превращением фенилаланина в тирозин – ген – 1, что совершается под действием специфического фермента. Тирозин под действием другого фермента – ген-2, превращается в 4-диоксифенилаланин который является предшественником для гармонов адреналина и норадреналина и пигмента меланина. Тирозин, кроме того служит предшественником гармонов: тироксина и трийодтиродина – ген-5. При наличии избытков тирозин появляется гомогентизиновая кислота (ген-8 и 9). Мутации нарушающие синтез соответствующих ферментов, блокируют метаболизм фенилаланина и тирозина на разных ступенях, что приводит к появлению наследственных заболеваний людей.

Фенилкетонурия – тяжелое рецессивное наследственное заболевание – возникает в том случае, когда блокируется переход фенилаланина в тирозин. Этот блок ведет к накоплению фенилаланина в крови и моче. Больные страдают умственной неполноценностью, что вызвано накоплением фенилаланина в мозге. Резкое ограничение фенилаланина в диете, начиная с самого раннего возраста, уменьшает проявление заболевания.

Алкаптонурия – связана с тем, что у больных в их печени отсутствует фермент оксидаза гомогентезиновой кислоты, что вызывает накопление кислоты. Моча больных алкаптонурией при соприкосновении с воздухом темнеет благодаря наличию гомогентезиновой кислоты.

Тирозиновые заболевания вызываются мутацией гена, ответственного за фермент, препятствующий образованию гомогентезиной кислоты.

Кретинизм – представлен резкой умственной и физической задержкой развития, что вызвано нарушением в превращении тирозина.

Альбинизм – связан с потерей способности образовывать меланистический пигмент. Обычно пигмент образуется из ДОПА (диоксифенилаланин) в меланоцитах. Эти клетки имеются у альбиноса, но они лишены пигмента.