Genetica: brevi note su geni ed enzimi

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Archibald Garrod (1902) fu il primo a suggerire che i geni funzionassero attraverso gli enzimi. Ha studiato un certo numero di disturbi umani ereditari e ha scoperto che sono errori innati del metabolismo o fallimento del meccanismo metabolico dell'organismo per svolgere una funzione particolare a causa della formazione di enzimi difettosi associati all'ereditarietà di geni difettosi.

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Garrod (1902) ha studiato l'alcaptonuria che è una malattia genetica o malattia di esseri umani caratterizzata dal colore marrone o nero dell'urina esposta. Giunse alla conclusione attraverso l'analisi del pedigree che la malattia era causata dall'ereditarietà di una coppia di geni recessivi. L'alcapton o l'acido omogentisico sono prodotti negli esseri umani a causa del non metabolismo della tirosina. Normalmente viene catabolizzato da un enzima ossidasi per produrre C0 ₂ e H ₂ 0. Nelle persone che soffrono di alcaptonuria, l'enzima ossidasi (alkapton ossidasi) è assente.

Di conseguenza, l'acido omo-gentisico o alcapton si accumula nel corpo. Una parte di essa viene escreta con le urine. A riposo l'acido viene ossidato per formare un prodotto nero marrone simile alla melanina. Alcali o saponi intensificano l'effetto oscurante. Il prodotto marrone-nero si accumula anche nel corpo nel tessuto connettivo e nella cartilagine.

Cambia l'occhio bianco, il naso e le orecchie in grigio o blu nero. A causa della deposizione continua di alcapton nel tessuto connettivo, negli anni successivi si sviluppa un tipo di artrite. Spalla, anca e colonna vertebrale sono particolarmente colpite. Il pigmento può anche depositarsi nelle arterie e nelle valvole cardiache causando il loro de-funzionamento.

Ipotesi di un solo gene per un enzima:

È un'ipotesi avanzata da Beadle e Tatum (1948) che afferma che un gene controlla un tratto strutturale o funzionale attraverso il controllo della sintesi di una specifica proteina o enzima formata da quest'ultimo. Sono arrivati ​​a questa conclusione attraverso le seguenti osservazioni, (a) Beadle e collaboratori hanno scoperto che il colore degli occhi rossi di Drosophila melanogaster è controllato da due geni ed è causato dalla fusione di pigmenti marroni e vermigli. Un pezzo di larva destinato a formare l'occhio di un vermiglio può essere prodotto per produrre il colore degli occhi rossi se è posto nella cavità del corpo della larva che ha l'occhio rosso perché quest'ultimo fornisce il suo enzima per il colore marrone che manca al trapianto, (b) Nel 1944, Beadle e Tatum irradiati Neurospora crassa con raggi X e ottenuto un numero di mutanti nutrizionali chiamati auxotroph.

Un auxotrofo o mutante nutrizionale è quel mutante che non è in grado di preparare i propri metaboliti dalle materie prime ottenute dall'esterno. Pertanto, non può vivere in ambiente naturale ma può essere mantenuto in coltura fornendo i metaboliti necessari. Il tipo selvaggio è chiamato prototroph. Un prototipo o tipo selvaggio è l'individuo normale che può sintetizzare tutti i metaboliti complessi necessari per la sua crescita da materie prime ottenute dall'esterno. Può crescere in laboratorio su terreno minimo costituito da ammoniaca, zucchero, sali e biotina.

Beadle e Tatum (Fig. 6.15) hanno trovato tre tipi di auxotrofi che richiedono aminoacidi, ornitina, citrullina e arginina. I prototipi sono stati trovati per avere l'amminoacido arginina nel loro corpo. Ovviamente è stato sintetizzato da ammoniaca e zucchero del medium minimo.

L'auxotrofia che richiede l'ornitina per la sua crescita non contiene arginina e muore a causa di carenza proteica. Quando viene fornito con ornitina, si trova che possiede l'arginina. L'auxotrofia che richiede citrullina possiede ornitina ma non arginina. Quando viene fornita la citrullina, l'auxotrofo viene ad avere l'arginina. Il mutante nutrizionale che richiede l'arginina contiene sia ornitina che citrullina. Sembra che l'arginina sia sintetizzata dall'ammoniaca e dallo zucchero del mezzo minimo attraverso almeno tre passaggi ciascuno che richiede il proprio enzima.

Beadle e Tatum hanno ragionato che gli enzimi difettosi sono dovuti a geni difettosi o mutanti. Quindi, i geni esprimono il loro effetto controllando la sintesi degli enzimi. Nel 1948, Beadle e Tatum proposero che un gene controllasse la sintesi di un enzima. Sono stati insigniti del premio Nobel per questo lavoro nel 1958. Così Beadle e Tatum hanno fondato la nuova scienza della genetica biochimica.

Ipotesi One-Gene One-Polypeptide:

Un'ipotesi di un gene un enzima ha alcuni difetti:

(i) Tutti i geni non producono enzimi o loro componenti. Alcuni controllano altri geni,

(ii) Gli enzimi sono generalmente di natura proteica, ma tutte le proteine ​​non sono enzimi,

(iii) Alcuni RNA esibiscono anche attività enzimatica,

(iv) Una proteina o una molecola di enzima può essere costituita da uno o più tipi di polipeptidi. Yanofsky ed altri (1965) trovarono che l'enzima triptofano sintetasi del batterio Escherichia coli è costituito da due polipeptidi separati, A e B. Il polipeptide A è di tipo α mentre il polipeptide В è di tipo β.

La sintesi dei due polipeptidi è controllata da diversi geni, trp A e trp B. Un cambiamento in uno qualsiasi dei due geni causa l'inattivazione del triptofano sintetasi attraverso la non sintesi di α o β- polipeptide. L'inattivazione dell'enzima interrompe la sintesi del triptofano da indolo 3-glicerolo fosfato e serina. Una situazione simile si riscontra in caso di formazione di molecole di emoglobina.

L'emoglobina consiste di quattro polipeptidi, 2α e 2β. La sintesi dei due tipi di polipeptidi è controllata da due diversi geni situati su diversi cromosomi. Pertanto, un'ipotesi di un gene un enzima è stata modificata in un'ipotesi di un gene un polipeptide. L'ipotesi afferma che un gene strutturale specifica la sintesi di un singolo polipeptide.