4.2.1. Hipoteza "en gen, en encim".

Prva raziskava. Potem ko je Garrod leta 1902 poudaril, da je genetska okvara alkaptonurije povezana z nezmožnostjo telesa, da razgradi homogentizinsko kislino, je bilo pomembno razjasniti poseben mehanizem, na katerem temelji ta motnja. Ker je bilo že takrat znano, da presnovne reakcije katalizirajo encimi, je bilo mogoče domnevati, da je motnja nekega encima privedla do alkaptonurije. O takšni hipotezi je razpravljal Driesch (leta 1896). Izrazila sta ga tudi Haldane (1920, glej) in Garrod (1923). Pomembne faze Razvoj biokemične genetike je olajšalo delo Küchna in Butenandta o preučevanju barve oči pri mlinskem molju Ephestia kuhniella in podobne študije Beadle in Ephrussi na Drosophila(1936). V teh pionirskih delih so bili izbrani mutanti žuželk, ki so jih prej proučevali z genetskimi metodami, da bi pojasnili mehanizme delovanja genov. Vendar ta pristop ni prinesel uspeha. Problem se je izkazal za preveč zapletenega in za njegovo rešitev je bilo potrebno:

1) izberite preprost modelni organizem, primeren za eksperimentalno študijo;

2) iskati genetsko osnovo biokemičnih lastnosti, namesto biokemične osnove genetsko določenih lastnosti. Oba pogoja sta bila izpolnjena v delu Beadlea in Tatuma leta 1941 (glej tudi Beadle, 1945).

Beadleov in Tatumov model. Članek teh raziskovalcev se je začel takole:

»Z vidika fiziološke genetike lahko razvoj in delovanje organizma zreduciramo na zapleten sistem kemičnih reakcij, ki jih nekako nadzirajo geni. Povsem logično je domnevati, da ti geni... bodisi sami delujejo kot encimi bodisi določajo njihovo specifičnost. Znano je, da genetiki fiziologi običajno poskušajo raziskati fiziološke in biokemične osnove že znanih dednih lastnosti. Ta pristop je omogočil vzpostavitev številnih bio kemične reakcije nadzorujejo specifični geni. Takšne študije so pokazale, da imajo encimi in geni specifičnost istega reda. Vendar pa so zmogljivosti tega pristopa omejene. Najresnejša omejitev je, da raziskovalci v tem primeru pridejo v pozornost na dedne lastnosti, ki nimajo smrtonosnega učinka in so zato povezane z reakcijami, ki za življenje organizma niso zelo pomembne. Druga težava ... je, da tradicionalni pristop k problemu vključuje uporabo zunanjih manifestiranih znakov. Mnogi od njih so morfološke variacije, ki temeljijo na biokemičnih reakcijskih sistemih, tako zapletenih, da je njihova analiza nenavadno težavna.

Podobna razmišljanja so nas pripeljala do naslednje ugotovitve. Preučevanje splošnega problema genetskega nadzora biokemičnih reakcij, ki določajo razvoj in metabolizem, je treba izvesti z uporabo postopek, ki je nasproten splošno sprejetemu: Namesto da bi poskušali ugotoviti kemično osnovo znanih dednih lastnosti, je treba ugotoviti ali in kako geni nadzorujejo znane biokemične reakcije. Neurospora, ki spada med askomicete, ima lastnosti, ki omogočajo izvedbo takšnega pristopa in hkrati služi kot priročen objekt za genetske raziskave. Zato je bil naš program zgrajen na uporabi tega posebnega organizma. Domnevali smo, da izpostavljenost rentgenskim žarkom povzroča mutacije v genih, ki nadzorujejo določene kemične reakcije. Predpostavimo, da mora organizem za preživetje v danem okolju izvesti nekakšno kemično reakcijo, potem bo mutant, ki nima takšne sposobnosti, pod temi pogoji nesposoben preživeti. Lahko pa ga vzdržujemo in preučujemo, če ga gojimo v mediju, ki mu je dodan vitalni produkt genetsko blokirane reakcije.«

4 Delovanje genov 9

riž. 4.1. Shema poskusa za odkrivanje biokemičnih mutantov Neurospora V popolnem gojišču mutacije, ki jih povzročajo rentgenski žarki ali ultravijolično sevanje, ne motijo ​​rasti glive. Vendar pa mutant ne raste na minimalnem gojišču. Ko se vitamini dodajo v minimalno količino, se obnovi sposobnost rasti Naslednji korak je identificirati vitamin, ki lahko obnovi normalno delovanje. Med reakcijami biosinteze vitamina najdemo genetski blok.

Nato Beadle in Tatum opisujeta načrt eksperimenta (slika 4.1). Celoten medij je vseboval agar, anorganske soli, ekstrakt slada, ekstrakt kvasa in glukozo. Minimalni medij je vseboval samo agar, soli, biotin in vir ogljika. Najbolj podrobno smo raziskali mutante, ki so rasli v popolnem gojišču in niso rasli v minimalnem gojišču. Za identifikacijo spojine, katere sinteza je bila oslabljena pri vsakem od mutantov, smo posamezne komponente celotnega medija dodali minimalnemu agarju.

Na ta način so bili izolirani sevi, ki niso mogli sintetizirati določenih rastnih faktorjev: piridoksina, tiamina in paraaminobenzojske kisline. Dokazano je, da so te napake posledica mutacij na specifičnih lokusih. Delo je postavilo temelje številnim študijam o Neurospora, bakterijah in kvasovkah, v katerih je bilo ugotovljeno ujemanje »genetskih blokov«, odgovornih za posamezne presnovne faze in specifične encimske motnje. Ta pristop je hitro postal orodje, ki raziskovalcem omogoča odkrivanje presnovnih poti.

Hipoteza "en gen - en encim" je dobila močno eksperimentalno potrditev. Kot je pokazalo delo naslednjih desetletij, se je izkazalo za presenetljivo plodno. Analiza okvarjenih encimov in njihovih normalnih variant je kmalu omogočila identifikacijo vrste genetskih motenj, ki so povzročile spremembe v delovanju encima, čeprav je bil sam protein še vedno zaznaven in je ohranil svoje imunološke lastnosti. V drugih primerih se je temperaturni optimum za delovanje encimov spremenil. Nekatere različice bi lahko razložili z mutacijo, ki vpliva na splošni regulativni mehanizem in posledično spreminja aktivnost celotne skupine encimov. Podobne študije so vodile do oblikovanja koncepta regulacije genske aktivnosti v bakterijah, ki je vključeval koncept operona.

10 4. Delovanje genov

Prvi primeri encimskih motenj pri ljudeh. Prva dedna človeška bolezen, pri kateri je bilo mogoče dokazati encimsko motnjo, je bila methemoglobinemija z recesivnim načinom dedovanja (Gibson in Harrison, 1947; Gibson, 1948) (25080). V tem primeru je poškodovan encim NADH - odvisna methemoglobin reduktaza. Prvi poskus sistematičnega preučevanja skupine človeških bolezni, povezanih s presnovnimi okvarami, je bil narejen leta 1951. V študiji bolezni shranjevanja glikogena sta zakonca Corey pokazala, da je bila v osmih od desetih primerov patološkega stanja, ki je bilo diagnosticirano kot Gierkejeva bolezen (23220), jetrna glikogenska struktura normalna, v dveh primerih pa očitno nenormalna. Očitno je bilo tudi, da se jetrni glikogen, ki se kopiči v presežku, ne more neposredno pretvoriti v sladkor, saj so bolniki nagnjeni k hipoglikemiji. Veliko encimov je potrebnih za razgradnjo glikogena, da nastane glukoza v jetrih. Dva od njih, amilo-1,6-glukozidaza in glukoza 6-fosfataza, sta bila izbrana za študij kot možna okvarjena elementa encimskega sistema. Sproščanje fosfata iz glukoza-6-fosfata smo merili v jetrnih homogenatih pri različnih pH vrednostih. Rezultati so predstavljeni na sl. 4.2. V normalnih jetrih je bila ugotovljena visoka aktivnost z optimumom pri pH 6-7. Huda jetrna disfunkcija pri cirozi je povezana z rahlim zmanjšanjem aktivnosti. Po drugi strani pa pri Gierkejevi bolezni s smrtnim izidom encimske aktivnosti sploh ni bilo mogoče zaznati; enak rezultat je bil dosežen pri pregledu drugega podobnega bolnika. Dva bolnika z manj hudimi simptomi sta imela znatno zmanjšanje aktivnosti.

Ugotovljeno je bilo, da je v teh primerih usodne Gierkejeve bolezni prišlo do okvare glukoza-6-fosfataze. Vendar pa v večini blažjih primerov aktivnost tega encima ni bila nič nižja kot pri cirozi jeter, le pri dveh bolnikih je bila nekoliko nižja (slika 4.2).

Po mnenju zakoncev Corey nenormalnega kopičenja glikogena v mišičnem tkivu ni mogoče povezati s pomanjkanjem glukoza-6-fosfataze, saj tega encima v mišicah ni in je normalen. Predlagali so oslabljeno aktivnost amilo-1,6-glukozidaze kot možno razlago za mišično glikogenozo. Ta napoved je bila kmalu potrjena: Forbes je odkril takšno napako v enem od klinično pomembnih primerov bolezni shranjevanja glikogena, ki vključuje srčne in skeletne mišice. Zdaj mi

4. Delovanje genov 11

Pri bolezni shranjevanja glikogena je znanih veliko število encimskih napak.

Čeprav se različne oblike te bolezni nekoliko razlikujejo po stopnji manifestacije, imajo klinično veliko skupnega. Z eno izjemo se vse dedujejo avtosomno recesivno. Če encimskih napak ne bi odkrili, bi patologijo shranjevanja glikogena obravnavali kot eno bolezen z značilnimi znotrajdružinskimi korelacijami v resnosti, simptomatskih podrobnostih in času smrti. Tako imamo pred seboj primer, kjer je bila genetska heterogenost, ki bi jo lahko domnevali le na podlagi študije fenotipa (oddelek 3.3.5), potrjena z analizo na biokemični ravni: raziskava encimsko aktivnost omogoča identifikacijo specifičnih genov.

V naslednjih letih se je tempo raziskav na področju encimskih napak povečal in za 588 identificiranih recesivnih avtosomnih genov, ki jih McKusick opisuje v šesti izdaji svoje knjige Mendelsko dedovanje pri človeku (1983), so specifične encimske okvare našli v več kot 170 primerov. Naš napredek na tem področju je neposredno povezan z razvojem konceptov in metod molekularne genetike.

Nekatere stopnje preučevanja encimskih motenj pri ljudeh. Predstavljamo le najpomembnejše mejnike tega nenehnega procesa: 1934 je Fölling odkril fenilketonurijo

1941 Beadle in Tatum sta oblikovala hipotezo "en gen, en encim" 1948 Gibson je opisal prvi primer encimske motnje pri človeški bolezni (recesivna methemoglobinemija)

1952 Zakonca Corey sta odkrila pomanjkanje glukoza-6-fosfataze pri Gierkejevi bolezni

Leta 1953 je Jervis dokazal odsotnost fenilalanin hidroksilaze pri fenilketonuriji. Bickel je poročal o prvem poskusu ublažitve encimske motnje z dieto z nizko vsebnostjo fenilalanina

1955 Smithies je razvil tehniko elektroforeze s škrobnim gelom

1956 Carson in drugi so odkrili napako v glukoza-6-fosfat dehidrogenazi (G6PD) v primeru povzročene hemolitične anemije.

1957 Kalkar in drugi so opisali encimsko pomanjkanje pri galaktozemiji in pokazali, da imajo ljudje in bakterije enake napake v encimski aktivnosti.

1961 Krut in Weinberg sta pokazala encimsko napako pri galaktozemiji in vitro v gojenih fibroblastih

1967 Seegmiller in drugi so odkrili napako hipoksantin-gvanin fosforiboziltransferaze (HPRT) pri Lesch-Nyhanovem sindromu

Leta 1968 je Cleaver opisal motnjo popravljanja izrezov pri pigmentni kserodermi

1970 Neufeld je identificiral encimske napake v mukopolisaharidozah, kar je omogočilo identifikacijo poti za razgradnjo mukopolisaharidov

1974 Brown in Goldstein sta dokazala, da je genetsko pogojena čezmerna proizvodnja hidroksimetilglutarilCoA reduktaze pri družinski hiperholesterolemiji posledica okvare membransko lokaliziranega receptorja za lipoproteine ​​nizke gostote, ki modulira aktivnost tega encima (HMG).

1977 Sly in drugi so dokazali, da fibroblastni receptorji prepoznajo manoza-6-fosfat (kot sestavni del lizosomskih encimov). Napaka v genetski obdelavi onemogoča vezavo lizosomskih encimov, zaradi česar je moteno njihovo sproščanje v citoplazmo in kasnejše izločanje v plazmo (I-celična bolezen)

12 4. Delovanje genov

1980 Pri psevdohipoparatiroidizmu odkrijejo napako v proteinu, ki zagotavlja sklopitev receptorja in ciklaze.

V vsaki živi celici potekajo številne kemične reakcije. Encimi so beljakovine s posebnimi in izjemno pomembnimi funkcijami. Imenujejo se biokatalizatorji. Glavna stvar v telesu je pospešiti biokemične reakcije. Začetni reaktanti, katerih interakcijo katalizirajo te molekule, se imenujejo substrati, končne spojine pa produkti.

V naravi encimski proteini delujejo le v živih sistemih. Toda v sodobni biotehnologiji, klinična diagnostika, farmaciji in medicini, uporabljajo se prečiščeni encimi ali njihovi kompleksi ter dodatne komponente, potrebne za delovanje sistema in vizualizacijo podatkov za raziskovalca.

Biološki pomen in lastnosti encimov

Brez teh molekul živ organizem ne bi mogel delovati. Vsi vitalni procesi potekajo nemoteno zahvaljujoč encimom. Glavna naloga encimskih beljakovin v telesu je uravnavanje metabolizma. Brez njih je normalna presnova nemogoča. Uravnavanje aktivnosti molekul poteka pod vplivom aktivatorjev (induktorjev) ali inhibitorjev. Nadzor deluje naprej različne ravni sinteza beljakovin. Prav tako "deluje" na že pripravljeno molekulo.

Glavne lastnosti encimskih proteinov so specifičnost za določen substrat. In s tem sposobnost kataliziranja samo ene ali redkeje niza reakcij. Običajno so takšni procesi reverzibilni. Za obe funkciji je odgovoren en encim. A to še ni vse.

Bistvena je vloga encimskih beljakovin. Brez njih ne pride do biokemičnih reakcij. Zaradi delovanja encimov postane reagentom omogočeno, da premagajo aktivacijsko pregrado brez znatne porabe energije. Telo ne more segreti temperature nad 100°C ali uporabiti agresivnih komponent, kot je kemijski laboratorij. Encimski protein se veže na substrat. V vezanem stanju pride do modifikacije z naknadnim sproščanjem slednjega. Natančno tako delujejo vsi katalizatorji, ki se uporabljajo v kemijski sintezi.

Kakšne so ravni organizacije beljakovinsko-encimske molekule?

Običajno imajo te molekule terciar (globule) ali kvartarne (več povezanih globul) struktura beljakovin. Najprej so sintetizirani v linearni obliki. In potem se zrušijo v zahtevano strukturo. Za zagotavljanje delovanja potrebuje biokatalizator določeno strukturo.

Encime, tako kot druge beljakovine, uničijo toplota, ekstremne vrednosti pH in agresivne kemične spojine.

Dodatne lastnosti encimov

Med njimi so naslednje značilnosti komponent:

1. Stereospecifičnost - nastanek samo enega produkta.
2. Regioselektivnost - vrzel kemična vez ali sprememba skupine v samo enem položaju.
3. Kemoselektivnost - kataliza samo ene reakcije.

Značilnosti dela

Stopnja se spreminja. Toda vsak encim je vedno aktiven proti specifičnemu substratu ali skupini spojin, ki so podobne strukturi. Neproteinski katalizatorji te lastnosti nimajo. Specifičnost merimo s konstanto vezave (mol/L), ki lahko doseže 10−10 mol/L. Delovanje aktivnega encima je hitro. Ena molekula katalizira na tisoče do milijone operacij na sekundo. Stopnja pospeševanja biokemičnih reakcij je znatno (1000-100000-krat) večja kot pri običajnih katalizatorjih.

Delovanje encimov temelji na več mehanizmih. Najenostavnejša interakcija se zgodi z eno molekulo substrata, ki ji sledi tvorba produkta. Večina encimov je sposobna vezati 2-3 različne molekule, ki vstopijo v reakcijo. Na primer prenos skupine ali atoma iz ene spojine v drugo ali dvojna zamenjava po principu "ping-ponga". Pri teh reakcijah se en substrat običajno kombinira, drugi pa je preko funkcionalne skupine povezan z encimom.

Študija poteka z uporabo metod:

1. Definicije vmesnih in končnih izdelkov.
2. Preučevanje geometrije strukture in funkcionalnih skupin, povezanih s substratom in zagotavljanje visoke
3. Mutacije encimskih genov in ugotavljanje sprememb v njegovi sintezi in aktivnosti.

Aktivno in zavezujoče mesto

Molekula substrata je veliko manjša od encimskega proteina. Zato pride do vezave zaradi majhnega števila funkcionalnih skupin biokatalizatorja. Tvorijo aktivno središče, sestavljeno iz določenega sklopa aminokislin. Struktura vsebuje protetično skupino neproteinske narave, ki je lahko tudi del aktivnega centra.

Ločiti je treba ločeno skupino encimov. Njihova molekula vsebuje koencim, ki se nenehno veže na molekulo in se iz nje sprošča. Popolnoma oblikovan encimski protein se imenuje holoencim, ko je kofaktor odstranjen, pa apoencim. Kot koencimi pogosto delujejo vitamini, kovine, derivati ​​dušikovih baz (NAD - nikotinamid adenin dinukleotid, FAD - flavin adenin dinukleotid, FMN - flavin mononukleotid).

Vezavno mesto zagotavlja specifičnost afinitete substrata. Zaradi njega nastane stabilen substratno-encimski kompleks. Struktura globule je zgrajena tako, da ima na površini nišo (režo ali vdolbino) določene velikosti, ki zagotavlja vezavo substrata. To območje se običajno nahaja v bližini aktivnega središča. Posamezni encimi imajo mesta za vezavo na kofaktorje ali kovinske ione.

Zaključek

Encimske beljakovine igrajo pomembno vlogo v telesu. Takšne snovi katalizirajo kemične reakcije in so odgovorne za presnovni proces - metabolizem. V kateri koli živi celici se nenehno dogaja na stotine biokemičnih procesov, vključno z redukcijske reakcije, cepitev in sinteza spojin. Snovi nenehno oksidirajo z velikim sproščanjem energije. Po drugi strani pa se porabi za tvorbo ogljikovih hidratov, beljakovin, maščob in njihovih kompleksov. Produkti razgradnje so strukturni elementi za sintezo potrebnih organskih spojin.

» , » En gen, en encim

En gen, en encim

         92
Datum objave: 24. julij 2018

    

Hipoteza en gen, en encim je ideja, predstavljena v zgodnjih štiridesetih letih prejšnjega stoletja, da vsak gen nadzoruje sintezo ali aktivnost enega encima. Koncept, ki združuje področji genetike in biokemije, sta predlagala ameriški genetik George Wells Beadle in ameriški biokemik Edward L. Tatum, ki sta raziskovala Neurospora crassa. Njihovi poskusi so vključevali najprej slikanje oblike z rentgenskimi žarki, ki povzročajo mutacijo, in nato gojenje v minimalnem rastnem mediju, ki je vseboval le bistvena hranila, potrebna za preživetje divjega tipa seva. Odkrili so, da je za rast mutantnih sevov plesni potreben dodatek določenih aminokislin. Z uporabo teh informacij so raziskovalci lahko povezali mutacije v določenih genih z motnjami specifičnih encimov v presnovnih poteh, ki običajno proizvajajo manjkajoče aminokisline. Zdaj je znano, da vsi geni ne kodirajo encima in da so nekateri encimi sestavljeni iz več kratkih polipeptidov, kodiranih z dvema ali več geni.

Odkritja ekson-intronske organizacije evkariontskih genov in možnosti alternativnega spajanja so pokazala, da lahko isto nukleotidno zaporedje primarnega transkripta zagotovi sintezo več polipeptidnih verig z različne funkcije ali njihovi modificirani analogi. Na primer, mitohondriji kvasovk vsebujejo gen box (ali cob), ki kodira dihalni encim citokrom b. Lahko obstaja v dveh oblikah: »dolgi« gen, sestavljen iz 6400 bp, ima 6 eksonov s skupno dolžino 1155 bp. in 5 intronov. Kratka oblika gena je sestavljena iz 3300 bp. in ima 2 introna. To je pravzaprav "dolg" gen, ki nima prvih treh intronov. Obe obliki gena sta enako dobro izraženi.

Po odstranitvi prvega introna "dolgega" box gena na podlagi kombiniranega nukleotidnega zaporedja prvih dveh eksonov in dela nukleotidov drugega introna se oblikuje matrika za neodvisno beljakovino - RNA maturazo (sl. 3.43). Funkcija RNA maturaze je zagotoviti naslednji korak spajanja - odstranitev drugega introna iz primarnega transkripta in končno tvorbo matrice za citokrom b.

Drug primer je sprememba vzorca spajanja primarnega transkripta, ki kodira strukturo molekul protiteles v limfocitih. Membranska oblika protiteles ima na C-koncu dolg "rep" aminokislin, ki zagotavlja fiksacijo proteina na membrani. Izločena oblika protiteles nima takšnega repa, kar je razloženo z odstranitvijo nukleotidov, ki kodirajo to regijo, iz primarnega zapisa med spajanjem.

Pri virusih in bakterijah je bila opisana situacija, ko je lahko en gen hkrati del drugega gena ali pa je lahko določeno nukleotidno zaporedje DNK del dveh različnih prekrivajočih se genov. Na primer, fizični zemljevid genoma faga FX174 (slika 3.44) kaže, da se zaporedje gena B nahaja znotraj gena A, gen E pa je del zaporedja gena D. Ta značilnost organizacije faga genomu uspelo razložiti obstoječe neskladje med njegovo relativno majhno velikostjo (sestavljen je iz 5386 nukleotidov) in številom aminokislinskih ostankov v vseh sintetiziranih proteinih, ki presega teoretično dopustno za dano kapaciteto genoma. Možnost sestavljanja različnih peptidnih verig na mRNA, ki je sintetizirana iz prekrivajočih se genov (A in B ali E in D), je zagotovljena s prisotnostjo ribosomskih vezavnih mest znotraj te mRNA. To omogoča, da se prevajanje drugega peptida začne z nove začetne točke.

Nukleotidno zaporedje gena B je hkrati del gena A, gen E pa del gena D

Prekrivajoče se gene, prevedene s premikom okvirja in v istem bralnem okvirju, so našli tudi v genomu faga λ. Predpostavlja se tudi, da je mogoče prepisati dve različni mRNA iz obeh komplementarnih verig enega odseka DNA. To zahteva prisotnost promotorskih regij, ki določajo gibanje RNA polimeraze v različnih smereh vzdolž molekule DNA.

Opisane situacije, ki kažejo na dopustnost branja različnih informacij iz istega zaporedja DNK, nakazujejo, da so prekrivajoči se geni dokaj pogost element organizacije genoma virusov in morda tudi prokariotov. Pri evkariontih genska diskontinuiteta omogoča tudi sintezo različnih peptidov iz istega zaporedja DNK.

Glede na vse to je treba spremeniti definicijo gena. Očitno ne moremo več govoriti o genu kot o neprekinjenem zaporedju DNK, ki edinstveno kodira specifično beljakovino. Očitno je treba trenutno formulo "En gen - en polipeptid" še vedno šteti za najbolj sprejemljivo, čeprav nekateri avtorji predlagajo spremembo: "En polipeptid - en gen". Vsekakor moramo pod pojmom gen razumeti funkcionalno enoto dednega materiala, ki je po svoji kemični naravi polinukleotid in določa možnost sinteze polipeptidne verige, tRNA ali rRNA.

En gen, en encim.

Leta 1940 sta J. Beadle in Edward Tatum uporabila nov pristop za preučevanje, kako geni zagotavljajo metabolizem pri bolj priročnem raziskovalnem predmetu - mikroskopski glivi Neurospora crassa. Dobila sta mutacije, pri katerih; ni bilo aktivnosti enega ali drugega presnovnega encima. In to je pripeljalo do dejstva, da mutirana gliva ni mogla sama sintetizirati določenega presnovka (na primer aminokisline levcin) in je lahko živela le, če je bil levcin dodan v hranilni medij. Teorija "en gen, en encim", ki sta jo oblikovala J. Beadle in E. Tatum, je hitro pridobila široko priznanje med genetiki, sami pa so prejeli Nobelovo nagrado.

Metode. izbor tako imenovanih »biokemičnih mutacij«, ki povzročajo motnje v delovanju encimov, ki zagotavljajo različne presnovne poti, se je izkazal za zelo plodnega ne le za znanost, ampak tudi za prakso. Najprej so pripeljali do nastanka genetike in selekcije industrijskih mikroorganizmov, nato pa do mikrobiološke industrije, ki uporablja seve mikroorganizmov, ki prekomerno proizvajajo tako strateško pomembne snovi, kot so antibiotiki, vitamini, aminokisline itd. Načela selekcije in genskega inženiringa sevov superproducentov temeljijo na ideji, da "en gen kodira en encim." In čeprav je ta ideja odlična za prakso, prinaša večmilijonske dobičke in rešuje milijone življenj (antibiotiki) – ni dokončna. En gen ni le en encim.

"

Genetika- znanost nikakor ni mlada, raziskave v njej potekajo že več stoletij, od Mendla leta 1865 do danes. Izraz "gen" za enoto dedne značilnosti je prvi predlagal Johannsen leta 1911, v 1940-ih pa je bil izpopolnjen s konceptom "en gen, en encim", ki sta ga predlagala Tatum in Beadle.

Ta položaj je bil določen v poskusih na muhah Drosophila, vendar enako velja za ljudi; Navsezadnje življenja vseh bitij določa njihov DNK. Človeška molekula DNK je večja od molekule vseh drugih organizmov, njena struktura je bolj zapletena, vendar je bistvo njenih funkcij enako pri vseh živih bitjih.

Koncept " en gen – en encim", ki je nastala na podlagi idej Tatuma in Beadleja, je mogoče formulirati na naslednji način:
1. Vse biološki procesi so pod genetskim nadzorom.
2. Vsi biokemični procesi potekajo v obliki postopnih reakcij.
3. Vsaka biokemična reakcija je na koncu pod nadzorom različnih posameznih genov.
4. Mutacija v določenem genu povzroči spremembo sposobnosti celice za izvedbo določene kemične reakcije.

Od takrat se je koncept "en gen - en encim" nekoliko razširil in zdaj zveni kot " en gen – en protein" Poleg tega nedavne raziskave kažejo, da nekateri geni delujejo usklajeno z drugimi in proizvajajo edinstvene beljakovine, tj. nekateri geni lahko kodirajo več kot eno beljakovino.

Človeški genom vsebuje približno 3 milijarde nukleotidnih parov; domneva se, da jih vsebuje od 50.000 do 100.000. Po dešifriranju genoma se je izkazalo, da je interakcija teh genov veliko bolj zapletena, kot je bilo pričakovano. Geni so kodirani v verigah DNK, ki se združijo z nekaterimi jedrskimi proteini in tvorijo kromosome.

Geni- ne samo segmenti DNK: tvorijo jih kodirajoča zaporedja - eksoni, prepredena z nekodirajočimi zaporedji - nitroni. Eksoni kot izraženi del DNK predstavljajo le majhen del najpomembnejše molekule organizma; večina se ne izraža, tvorijo ga nitroni in se pogosto imenuje "tiha" DNK.

Približna velikost in struktura človeški genom so predstavljeni na spodnji sliki. Funkcionalna dolžina človeškega kromosoma je izražena v centimorganidih. Centimorganid (cM) je razdalja, na kateri je verjetnost prehoda med mejozo 1 %. Analiza genske povezanosti je pokazala, da je dolžina človeškega genoma približno 3000 cM.

Povprečje kromosom vsebuje približno 1500 genov, kodiranih v 130 milijonih nukleotidnih baznih parov. Spodnja slika shematsko prikazuje fizične in funkcionalne velikosti genoma: prva je izračunana v nukleotidnih parih, druga pa v cM. Večino človeškega genoma predstavlja »tiha« DNK in ni izražena.

Vklopljeno DNK matrika Kot rezultat procesa prepisovanja se sintetizira RNA in nato beljakovina. Posledično zaporedje DNA popolnoma določa zaporedje funkcionalnih proteinov celice. Vse beljakovine se sintetizirajo na naslednji način:
DNA => RNA => beljakovine

Genetski aparat človeka in drugih sesalcev je bolj zapleten kot pri drugih živih organizmih, saj se deli nekaterih genov pri sesalcih lahko kombinirajo z deli drugih geni, kar ima za posledico sintezo popolnoma novega proteina ali nadzor ločene celične funkcije.

Posledično je pri ljudeh mogoče povečati število izraženih genov, ne da bi dejansko povečali količino izraženih genov. DNK ali absolutno število genov.
Na splošno približno 70 % vsega genskega materiala ni izraženega.