بیماری " آلكاپتونوریا " نوعی بیماری ژنتیكی است كه در اثر نارسایی در فرایند تجزیهی اسیدآمینههای فنیل آلانین و تیروزین به وجود میآید. این بیماری پیامد كمبود آ نزیمی است كه اسید هموجنتیسیك (آلكاپتون) را به اسید مالیل استواستیك تبدیل میكند. در اثر كمبود این آنزیم، كه هموجنتیسیك اسید اكسیداز نام دارد، آلكاپتون در بدن بیمار انباشته میشود و از راه ادرار به بیرون راه مییابد . این نارسایی به بیماری خطرناكی نمیانجامد، اما وقتی ادرار در برخورد با هوا قرار میگیرد، آلكاپتون با اكسیژن واكنش میدهد كه پیامد آن، تبدیل آلكاپتون به فراوردهای تیره رنگ است و این فراورده باعث تیره شدن رنگ ادرار میشود. از این رو، مردم عادی نوزادنی را كه با این نارسایی به دنیا میآمدند، انسانهایی سیاه بخت و تیره روز میپنداشتند.
آرچیبلد گرود با پژوهش گستردهای كه روی این بیماری انجام داد، به این نتیجه رسید كه این نارسایی، به علت یك عامل ژنی نادر (باتوار ث مندلی) رخ میدهد و ازدواج بستگان درجهی اول، زمینهی بروز این صفت نهفته و نادر را آماده میسازد. برای این پژوهش بود كه نظریهی " یك ژن، یك آنزیم " ، با نام این پژوهشگر گره خورد. البته، همانطور كه در ادامه میخوانید، وی با گردآوری و تفسیر دادههای به دست آمده از پژوهشهای دانشمندان دیگری، به این مفهوم پایهای دست پیدا كرد.
در پژوهشهای گرود، كمتر با طراحی آزمایش روبهرو میشویم. در حقیقت ، او با مشاهده و گردآوری اطلاعات توانست، فرضیههای خود را تا اندازهای اثبات كند. سرانجام، زیستشیمیدانها با پژوهش هایی كه طی نیم سده انجام دادند، توانستند تصویر دقیقتری از اساس بیماری آلكاپتونوریا عرضه كنند.
در این مقاله، شما با شیوهی پژوهشی گرود آشنا میشوید و درمییابید كه چگوه گردآوری دادهها و تفسیر آنها به یك یافتهی زیستشناسی میانجامد.
طرح مسئله
در سال 1898 میلادی، خانوادهای به دكتر گرود مراجعه كردند كه ادرار كودكشان پس از برخورد با هوا ، تیره رنگ میشد ( پوشاك نوزاد در بخش جلو قهوهای تیره تا سیاه میشد). سه سال بعد، كودك دیگری در همان خانواده به دنیا آمد كه به همین بیماری دچار بود. مشاهد ههای آغازین گرود نشان داد، این بیماری در خانوادهها تكرار میشود، یعنی اگر یكی از خویشاوندان نسبی این صفت را داشته باشد، احتمال بروز آن در خویشاوندان دیگر نیز هست. اما به طور معمول، والدین كودكان بیمار ، این صفت را ندارند.
مسئله:
- چرا ادرار كودكان دچار شده به آلكاپتونوریا ، پس از برخورد با هوا، تیره میشود؟
- آیا این بیماری ارثی است؟
- الگوی توارث آن چگونه است؟
گردآوری اطلاعات:
در سال 1859، شیمیدانها ثابت كردند در ادرار این بیماران تركیبی به نام اسید هموجنتیسیك (آلكا پت ون) وجود داردكه پس از واكنش با اكسیژن هوا ، به ماده ی سیاه رنگی تبدیل میشود و ساختمان شیمیایی آن، شبیه ملانین (رنگیز ه ی پوست) است.
چند پژوهشگر مقدار اسید هموجنتسیك ادرار بیماران را اندازهگیری كردند.
|
شماره |
جنسیت |
سن (سال) |
اسید هموجنتیسیك (گرم) |
پژوهشگر |
|
1 |
مرد |
5/2 |
2/3 |
اریك مایر |
|
2 |
مرد |
5/3 |
6/2 |
آرچیبلد گرود |
|
3 |
مرد |
8 |
7/2 |
ایوالد استایر |
|
4 |
مرد |
18 |
9/5 |
استانج |
|
5 |
مرد |
44 |
6/4 |
میتلباخ |
|
6 |
مرد |
45 |
7/4 |
اوگدن |
|
7 |
مرد |
60 |
3/5 |
هامارستن |
|
8 |
زن |
60 |
3/2 |
املسن |
|
9 |
مرد |
68 |
8/4 |
ولكاو/ بومن |
توجه: میانگین ترشح اسید هموجنتیسیك به گرم در 24 ساعت و با رژیم غذایی معمولی
پژوهشگران دریافتند :
1. این مولكول در ادرار افراد سالم وجود ندارد
2. همهی بیماران از كودكی این نارسایی را دارند
3. تغییر رژیم غذایی، باعث تغییر مقدار آلكاپتون در ادرار نمیشود
فرضیه سازی
دادههای جدول نشان میدهد، بین سن بیمار ا و میزان ترشح اسید هموجنتیسیك ( و در واقع ، بیماری آلكاپتونوریا ) ارتباطی وجود ندارد و مردها بیش از زنها به این بیماری مادرزادی دچار میشوند. همچنین ، گرود و پژوهشگران دیگر دریافتند، بین این بیماری و رژیم غذایی افراد، ارتباط معناداری وجود
ندارد. از این رو، میتوان نتیجه گرفت، این بیماری به اختلالی در واكنشهای شیمیایی بیماران مربوط میشود و مبتلایان این نارسایی را از والدین خود به ارث بردهاند.
فرضیه : اگر این نارسایی ارثی باشد، احتمال بروز آن در بستگان بیمار (برادرها و خواهرها) نیز وجود دارد.
بررسی فرضیه
گرود، برای بررسی این فرضیه، اطلاعات مربوط به موارد بیماری را كه پژوهشگران دیگر گزارش كرده بودند، بررسی كرد
|
شماره |
تعداد افراد خانواده (برادر و خواهر) |
تعداد مبتلایان به آلكاپتونوریا |
تعداد افراد عادی خانواده |
پژوهشگر |
|
1 |
14 |
4 |
10 |
پاوه |
|
2 |
4 |
3 |
1 |
كایرس |
|
3 |
7 |
3 |
4 |
وینتر نیز |
|
4 |
2 |
1 |
1 |
استایر |
|
5 |
2 |
2 |
0 |
بومن |
|
6 |
1 |
1 |
0 |
مایر |
|
7 |
10 |
1 |
9 |
نوكیولی |
|
8 |
5 |
2 |
3 |
گرود |
|
9 |
3 |
2 |
1 |
گرود |
|
جمع |
48 |
19 |
29 |
|
پرسش1 : دادههای جدول را چگونه تفسیر میكنید؟ آیا این دادهها فرضی هی گرود را ثابت میكنند؟
الكاپتون از كجا میآید ؟
بررسیهای گرود نشان داد، آلكاپتونوریا یك بیماری ارثی است. اما چرا در ادرار مبتلایان مقدار زیادی آلكاپتون وجود دارد؟ در آن زمان، شیمیدانهایی كه دربار هی واك نشهای زیست شیمیایی مطالعه میكردند، میدانستند كه آنزیمها باعث سرعت این واكنشها میشوند و در نبود آنزیم، این واكنشها انجام نمیشوند. آنان نشان داده بودند كه واكنشهایی زیست شیمیایی زنجیره و ا ر انجام میشوند؛ به طوری كه ماد هی آغازین ، نخست به چند ماد هی میانی و سپس به فراورده تبدیل میشود. هر كدام از مرحل ههای یك زنجیر هی زیست شیمیایی را یك آنزیم پیش میبرد و اگر یكی از آنزیمها وجود نداشته باشند، ماد هی میانی، كه آن آنزیم روی آن كار میكند، انباشته میشود و در صورتی كه در آب محلول باشد، با ادرار به بیرون راه مییابد .
فرضیه سازی
ساختمان شیمیایی اسید هموجنتیسیك شباهت زیادی به ساختمان شیمیایی اسید آمین هی تیروزین دارد. (شكل زیر ). از این رو به نظر میرسد، اسید هموجنتیسیك از این اسید آمینه به دست میآید . افراد دچار شده به آلكاپتونوریا ، آنزیمی را كه ماد هی میانی آلكاپتون را به مادهی میانی دیگری تبدیل میكند ، ندارند.
فرضیه: اگر این بیماری پیامد كمبود آنزیمی باشد كه روی اسید هموجنتیسیك اثر میگذارد، پس میزان فعالیت این آنزیم باید در بیماران پایین باشد.
بررسی فرضیه
شكل زیر فعالیت آنزیم را در سه گروه افراد عادی، والدین بیماران و افراد بیمار نشان میدهد.
پرسش2 : با توجه به شكل، آیا فرضیه ثابت میشود؟ ادرار والدین بیماران ، پس از قرار گرفتن در معرض هوا به رنگ تیره در نمیآید. با وجود این، فعالیت آنزیم در آنان از افراد عادی كمتر است. این حقیقت را چگونه توجیه میكنید؟ اگر به هر سه گروه مقداری اسید هموجنتیسیك بخورانیم، انتظار دارید تركیب ادرار آنان چه تغییری پیدا كند؟
50 سال طول كشید تا با نمونهبرداری از كبد مشخص شد، فعالیت آنزیمهای درگیر در تجزی هی اسیدآمینههای فنیل آلانین و تیروزین در افراد سالم و بیمار، به جز آنزیم هموجنتیسیك اسید اكسیداز، یكسان است (شكل زیر ). این آنزیم هموجنتیسیك را به مالیل استواستیك تبدیل میكند و كمبود فعالیت آن، باعث انباشته شدن این اسید در سلولها و سرانجام ترشح آن به ادرار میشود.
پرسش 3 : كودك دو سالهای به بیمارستان آورده شده است. مادرش میگوید، او زیاد استفراغ میكند ( به ویژه پس از شیر خوردن ). وزن كودك و میزان تحركش زیر اندازهی عادی است. موهایش تیرهاند، اما رگههای سفیدی دارند. نتیج هی بررسی ادرار كودك به صورت زیر است.
|
غلظت برحسب میلی مول | ||
|
ماده |
ادرار بیمار |
ادرار عادی |
|
فنیل آلانین فنیل پیرووات فنیل استات |
0/7 8/4 3/10 |
01/0 0 0 |
الف) با توجه به شكل زیر ، این كودك دچار كمبود چه آنزیمی است؟
ب) برای درمان كودك، چه پیشنهادی دارید.
ج) چرا موهای كودك، رگههای سفید دارند؟
پژوهشهای فراكلاسی
1. همان طور كه گفته شد، اسید هموجنتیسیك در برخورد با هوا به مادهای سیاه رنگ تبدیل میشود كه ساختمان آن شبیه ملانین (رنگیز هی پوست) است. پژوهش كنید، بین سوخت و ساز ملانین و اسیدهموجنتیسیك چه ارتباطی وجود دارد؟
2. آلبینیسم یكی دیگر از نارسایی مادر زادی در سوخت و ساز است. این نارسایی كه به كاهش تولید ملانین و در نتیجه سفید شدن مو میانجامد، به علت كمبود فعالیت یكی از آنزیمهای دخیل در تولید ملانین به وجود میآید. دربار هی این نارسایی اطلاعات بیشتری گردآوری كنید.
3. فنیل كتونوریا ( PKA ) نوعی نارسایی مادرزادی در سوخت و ساز است كه بر خلاف دو نارسایی دیگر كه گفته شد، میتواند با پیامدهای خطرناكی مانند كند ذهنی همراه باشد. دربار هی این نارسایی و چگونگی كا ستن از پیامدهای آن پژوهش كنید.
