بيمارى " آلکاپتونوريا " نوعى بيمارى ژنتيکى است که در اثر نارسايى در فرايند تجزيهى اسيدآمينههاى فنيل آلانين و تيروزين به وجود ميآيد. اين بيمارى پيامد کمبود آ نزيمى است که اسيد هموجنتيسيک (آلکاپتون) را به اسيد ماليل استواستيک تبديل ميکند. در اثر کمبود اين آنزيم، که هموجنتيسيک اسيد اکسيداز نام دارد، آلکاپتون در بدن بيمار انباشته ميشود و از راه ادرار به بيرون راه مييابد . اين نارسايى به بيمارى خطرناکى نميانجامد، اما وقتى ادرار در برخورد با هوا قرار ميگيرد، آلکاپتون با اکسيژن واکنش ميدهد که پيامد آن، تبديل آلکاپتون به فراوردهاى تيره رنگ است و اين فراورده باعث تيره شدن رنگ ادرار ميشود. از اين رو، مردم عادى نوزادنى را که با اين نارسايى به دنيا ميآمدند، انسانهايى سياه بخت و تيره روز ميپنداشتند. آرچيبلد گرود با پژوهش گستردهاى که روى اين بيمارى انجام داد، به اين نتيجه رسيد که اين نارسايى، به علت يک عامل ژنى نادر (باتوار ث مندلى) رخ ميدهد و ازدواج بستگان درجهى اول، زمينهى بروز اين صفت نهفته و نادر را آماده ميسازد. براى اين پژوهش بود که نظريهى " يک ژن، يک آنزيم " ، با نام اين پژوهشگر گره خورد. البته، همانطور که در ادامه ميخوانيد، وى با گردآورى و تفسير دادههاى به دست آمده از پژوهشهاى دانشمندان ديگرى، به اين مفهوم پايهاى دست پيدا کرد. در پژوهشهاى گرود، کمتر با طراحى آزمايش روبهرو ميشويم. در حقيقت ، او با مشاهده و گردآورى اطلاعات توانست، فرضيههاى خود را تا اندازهاى اثبات کند. سرانجام، زيستشيميدانها با پژوهش هايى که طى نيم سده انجام دادند، توانستند تصوير دقيقترى از اساس بيمارى آلکاپتونوريا عرضه کنند. در اين مقاله، شما با شيوهى پژوهشى گرود آشنا ميشويد و درمييابيد که چگوه گردآورى دادهها و تفسير آنها به يک يافتهى زيستشناسى ميانجامد. طرح مسأله در سال 1898 ميلادى، خانوادهاى به دکتر گرود مراجعه کردند که ادرار کودکشان پس از برخورد با هوا ، تيره رنگ ميشد ( پوشاک نوزاد در بخش جلو قهوهاى تيره تا سياه ميشد). سه سال بعد، کودک ديگرى در همان خانواده به دنيا آمد که به همين بيمارى دچار بود. مشاهد ههاى آغازين گرود نشان داد، اين بيمارى در خانوادهها تکرار ميشود، يعنى اگر يکى از خويشاوندان نسبى اين صفت را داشته باشد، احتمال بروز آن در خويشاوندان ديگر نيز هست. اما به طور معمول، والدين کودکان بيمار ، اين صفت را ندارند. مساله: چرا ادرار کودکان دچار شده به آلکاپتونوريا ، پس از برخورد با هوا، تيره ميشود؟ آيا اين بيمارى ارثى است؟ الگوى توارث آن چگونه است؟ گردآورى اطلاعات در سال 1859، شيميدانها ثابت کردند در ادرار اين بيماران ترکيبى به نام اسيد هموجنتيسيک (آلکا پت ون) وجود داردکه پس از واکنش با اکسيژن هوا ، به ماده ى سياه رنگى تبديل ميشود و ساختمان شيميايى آن، شبيه ملانين (رنگيز ه ى پوست) است. چند پژوهشگر مقدار اسيد هموجنتسيک ادرار بيماران را اندازهگيرى کردند. شماره | جنسيت | سن (سال) | اسيد هموجنتيسيک (گرم) | پژوشگر | 1 | مرد | 5/2 | 2/3 | اريک ماير | 2 | مرد | 5/3 | 6/2 | آرچيبلد گرود | 3 | مرد | 8 | 7/2 | ايوالد استاير | 4 | مرد | 18 | 9/5 | استانج | 5 | مرد | 44 | 6/4 | ميتلباخ | 6 | مرد | 45 | 7/4 | اوگدن | 7 | مرد | 60 | 3/5 | هامارستن | 8 | زن | 60 | 3/2 | املسن | 9 | مرد | 68 | 8/4 | ولکاو/ بومن |
توجه: ميانگين ترشح اسيد هموجنتيسيک به گرم در 24 ساعت و با رژيم غذايى معمولى پژوهشگران دريافتند : 1. اين مولکول در ادرار افراد سالم وجود ندارد 2. همهى بيماران از کودکى اين نارسايى را دارند 3. تغيير رژيم غذايى، باعث تغيير مقدار آلکاپتون در ادرار نميشود فرضيه سازى دادههاى جدول نشان ميدهد، بين سن بيمار ا و ميزان ترشح اسيد هموجنتيسيک ( و در واقع ، بيمارى آلکاپتونوريا ) ارتباطى وجود ندارد و مردها بيش از زنها به اين بيمارى مادرزادى دچار ميشوند. همچنين ، گرود و پژوهشگران ديگر دريافتند، بين اين بيمارى و رژيم غذايى افراد، ارتباط معنادارى وجود ندارد. از اين رو، ميتوان نتيجه گرفت، اين بيمارى به اختلالى در واکنشهاى شيميايى بيماران مربوط ميشود و مبتلايان اين نارسايى را از والدين خود به ارث بردهاند. فرضيه : اگر اين نارسايى ارثى باشد، احتمال بروز آن در بستگان بيمار (برادرها و خواهرها) نيز وجود دارد. بررسى فرضيه گرود، براى بررسى اين فرضى ه، اطلاعات مربوط به موارد بيمارى را که پژوهشگران ديگر گزارش کرده بودند، بررسى کرد. شماره | تعداد افراد خانواده (برادر و خواهر) | تعداد مبتلايان به آلکاپتونوريا | تعداد افراد عادى خانواده | پژوهشگر | 1 | 14 | 4 | 10 | پاوه | 2 | 4 | 3 | 1 | کايرس | 3 | 7 | 3 | 4 | وينتر نيز | 4 | 2 | 1 | 1 | استاير | 5 | 2 | 2 | 0 | بومن | 6 | 1 | 1 | 0 | ماير | 7 | 10 | 1 | 9 | نوکيولى | 8 | 5 | 2 | 3 | گرود | 9 | 3 | 2 | 1 | گرود | جمع | 48 | 19 | 29 | |
پرسش1 : دادههاى جدول را چگونه تفسير ميکنيد؟ آيا اين دادهها فرضى هى گرود را ثابت ميکنند؟ الکاپتون از کجا ميآيد بررسيهاى گرود نشان داد، آلکاپتونوريا يک بيمارى ارثى است. اما چرا در ادرار مبتلايان مقدار زيادى آلکاپتون وجود دارد؟ در آن زمان، شيميدانهايى که دربار هى واک نشهاى زيست شيميايى مطالعه ميکردند، ميدانستند که آنزيمها باعث سرعت اين واکنشها ميشوند و در نبود آنزيم، اين واکنشها انجام نميشوند. آنان نشان داده بودند که واکنشهايى زيست شيميايى زنجيره و ا ر انجام ميشوند؛ به طورى که ماد هى آغازين ، نخست به چند ماد هى ميانى و سپس به فراورده تبديل ميشود. هر کدام از مرحل ههاى يک زنجير هى زيست شيميايى را يک آنزيم پيش ميبرد و اگر يکى از آنزيمها وجود نداشته باشند، ماد هى ميانى، که آن آنزيم روى آن کار ميکند، انباشته ميشود و در صورتى که در آب محلول باشد، با ادرار به بيرون راه مييابد . فرضيه سازى ساختمان شيميايى اسيد هموجنتيسيک شباهت زيادى به ساختمان شيميايى اسيد آمين هى تيروزين دارد. (شکل زير ). از اين رو به نظر ميرسد، اسيد هموجنتيسيک از اين اسيد آمينه به دست ميآيد . افراد دچار شده به آلکاپتونوريا ، آنزيمى را که ماد هى ميانى آلکاپتون را به ماد هى ميانى ديگرى تبديل ميکند ، ندارند. فرضيه: اگر اين بيمارى پيامد کمبود آنزيمى باشد که روى اسيد هموجنتيسيک اثر ميگذارد، پس ميزان فعاليت اين آنزيم بايد در بيماران پا ى ين باشد. بررسى فرضيه شکل زير فعاليت آنزيم را در سه گروه افراد عادى، والدين بيماران و افراد بيمار نشان ميدهد. پرسش2 : با توجه به شکل، آيا فرضيه ثابت ميشود؟ ادرار والدين بيماران ، پس از قرار گرفتن در معرض هوا به رنگ تيره در نميآيد. با وجود اين، فعاليت آنزيم در آنان از افراد عادى کمتر است. اين حقيقت را چگونه توجيه ميکنيد؟ اگر به هر سه گروه مقدارى اسيد هموجنتيسيک بخورانيم، انتظار داريد ترکيب ادرار آنان چه تغييرى پيدا کند؟ 50 سال طول کشيد تا با نمونهبردارى از کبد مشخص شد، فعاليت آنزيمهاى درگير در تجزى هى اسيدآمينههاى فنيل آلانين و تيروزين در افراد سالم و بيمار، به جز آنزيم هموجنتيسيک اسيد اکسيداز، يکسان است (شکل زير ). اين آنزيم هموجنتيسيک را به ماليل استواستيک تبديل ميکند و کمبود فعاليت آن، باعث انباشته شدن اين اسيد در سلولها و سرانجام ترشح آن به ادرار ميشود. پرسش 3 : کودک دو سالهاى به بيمارستان آورده شده است. مادرش ميگويد، او زياد استفراغ ميکند ( به ويژه پس از شير خوردن ). وزن کودک و ميزان تحرکش زير اندازهى عادى است. موهايش تيرهاند، اما رگههاى سفيدى دارند. نتيج هى بررسى ادرار کودک به صورت زير است. غلظت برحسب ميلى مول | ماده | ادرار بيمار | ادرار عادى | فنيل آلانين فنيل پيرووات فنيل استات | 0/7 8/4 3/10 | 01/0 0 0 |
الف) با توجه به شکل زير ، اين کودک دچار کمبود چه آنزيمى است؟ ب) براى درمان کودک، چه پيشنهادى داريد. ج) چرا موهاى کودک، رگههاى سفيد دارند؟ پژوهشهاى فراکلاسى 1. همان طور که گفته شد، اسيد هموجنتيسيک در برخورد با هوا به مادهاى سياه رنگ تبديل ميشود که ساختمان آن شبيه ملانين (رنگيز هى پوست) است. پژوهش کنيد، بين سوخت و ساز ملانين و اسيدهموجنتيسيک چه ارتباطى وجود دارد؟ 2. آلبينيسم يکى ديگر از نارسايى مادر زادى در سوخت و ساز است. اين نارسايى که به کاهش توليد ملانين و در نتيجه سفيد شدن مو ميانجامد، به علت کمبود فعاليت يکى از آنزيمهاى دخيل در توليد ملانين به وجود ميآيد. دربار هى اين نارسايى اطلاعات بيشترى گردآورى کنيد. 3. فنيل کتونوريا ( PKA ) نوعى نارسايى مادرزادى در سوخت و ساز است که بر خلاف دو نارسايى ديگر که گفته شد، ميتواند با پيامدهاى خطرناکى مانند کند ذهنى همراه باشد. دربار هى اين نارسايى و چگونگى کا ستن از پيامدهاى آن پژوهش کنيد. منبع: Archibald E.Garrod, The Incidence of Alkaptonuria A: Study in Chemical Individuality, Lancet, Vol. Ii, 1902, pp.1616-1620 متن اصلى مقالهى گرود را دريافت کنيد پيرامون آلکاپتونوريا بيشتر بياموزيد |