تاریخ زیست شناسی آلکاپتونوریا

بیماری " آلکاپتونوریا " نوعی بیماری ژنتیکی است که در اثر نارسایی در فرایند تجزیه‌ی اسیدآمینه‌های فنیل آلانین و تیروزین به وجود می‌آید. این بیماری پیامد کمبود آ نزیمی است که اسید هموجنتیسیک (آلکاپتون) را به اسید مالیل استواستیک تبدیل می‌‌کند. در اثر کمبود این آنزیم، که هموجنتیسیک اسید اکسیداز نام دارد، آلکاپتون در بدن بیمار انباشته می‌شود و از راه ادرار به بیرون راه می‌یابد . این نارسایی به بیماری خطرناکی نمی‌انجامد، اما وقتی ادرار در برخورد با هوا قرار می‌گیرد، آلکاپتون با اکسیژن واکنش می‌دهد که پیامد آن، تبدیل آلکاپتون به فراورده‌‌ای تیره رنگ است و این فراورده باعث تیره شدن رنگ ادرار می‌شود. از این رو، مردم عادی نوزادنی را که با این نارسایی به دنیا می‌آمدند، انسان‌هایی سیاه بخت و تیره روز می‌پنداشتند.
آرچیبلد گرود با پژوهش گسترده‌ای که روی این بیماری انجام داد، به این نتیجه رسید که این نارسایی، به علت یک 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 که نظریه‌ی " یک ژن، یک آنزیم " ، با نام این پژوهشگر گره خورد. البته، همان‌طور که در ادامه می‌خوانید، وی با گردآوری و تفسیر داده‌های به دست آمده از پژوهش‌های دانشمندان دیگری، به این مفهوم پایه‌ای دست پیدا کرد.
در پژوهش‌های گرود، کم‌تر با طراحی آزمایش روبه‌رو می‌شویم. در حقیقت ، او با مشاهده و گردآوری اطلاعات توانست، فرضیه‌های خود را تا اندازه‌ای اثبات کند. سرانجام، زیست‌شیمی‌دان‌ها با پژوهش‌ هایی که طی نیم سده انجام دادند، توانستند تصویر دقیق‌تری از اساس بیماری آلکاپتونوریا عرضه کنند.
در این مقاله، شما با شیوه‌ی پژوهشی گرود آشنا می‌شوید و درمی‌یابید که چگوه گردآوری داده‌ها و تفسیر آن‌ها به یک یافته‌ی زیست‌شناسی می‌انجامد.
? طرح مسئله
در سال ???? میلادی، خانواده‌ای به دکتر گرود مراجعه کردند که ادرار کودکشان پس از برخورد با هوا ، تیره رنگ می‌شد ( پوشاک نوزاد در بخش جلو قهوه‌ای تیره تا سیاه می‌شد). سه سال بعد، کودک دیگری در همان خانواده به دنیا آمد که به همین بیماری دچار بود. مشاهد ه‌های آغازین گرود نشان داد، این بیماری در خانواده‌ها تکرار می‌شود، یعنی اگر یکی از خویشاوندان نسبی این صفت را داشته باشد، احتمال بروز آن در خویشاوندان دیگر نیز هست. اما به طور معمول، والدین کودکان بیمار ، این صفت را ندارند.
 مسئله:
- چرا ادرار کودکان دچار شده به آلکاپتونوریا ، پس از برخورد با هوا، تیره می‌شود؟
- آیا این بیماری ارثی است؟
- الگوی توارث آن چگونه است؟
? گردآوری اطلاعات:
در سال ????، شیمیدان‌ها ثابت کردند در ادرار این بیماران ترکیبی به نام اسید هموجنتیسیک (آلکا پت ون) وجود داردکه پس از واکنش با اکسیژن هوا ، به ماده ‌ی سیاه رنگی تبدیل می‌شود و ساختمان شیمیایی آن، شبیه ملانین (رنگیز ه ی پوست) است.
? پژوهشگران دریافتند :
?) این مولکول در ادرار افراد سالم وجود ندارد
?) همه‌ی بیماران از کودکی این نارسایی را دارند
?) تغییر رژیم غذایی، باعث تغییر مقدار آلکاپتون در ادرار نمی‌شود
? فرضیه سازی
داده‌های جدول نشان می‌دهد، بین سن بیمار ا و میزان ترشح اسید هموجنتیسیک ( و در واقع ، بیماری آلکاپتونوریا ) 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 واکنش‌های 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
? الکاپتون از کجا می‌آید ؟
بررسی‌های گرود نشان داد، آلکاپتونوریا یک بیماری ارثی است. اما چرا در ادرار مبتلایان مقدار زیادی آلکاپتون وجود دارد؟ در آن زمان، شیمیدان‌هایی که دربار ه‌ی واک نش‌های زیست‌ شیمیایی مطالعه می‌کردند، می‌دانستند که آنزیم‌ها باعث سرعت این واکنش‌ها می‌شوند و در نبود آنزیم، این واکنش‌ها انجام نمی‌شوند. آنان نشان داده بودند که واکنش‌هایی زیست‌ شیمیایی زنجیره ‌و ‌ا ر انجام می‌شوند؛ به طوری که ماد ه‌ی آغازین ، نخست به چند ماد ه‌ی میانی و سپس به فراورده تبدیل می‌شود. هر کدام از مرحل ه‌های یک زنجیر ه‌ی زیست‌ شیمیایی را یک آنزیم پیش می‌برد و اگر یکی از آنزیم‌ها وجود نداشته باشند، ماد ه‌ی میانی، که آن آنزیم روی آن کار می‌کند، انباشته می‌شود و در صورتی که در آب محلول باشد، با ادرار به بیرون راه می‌یابد .
? فرضیه سازی
ساختمان شیمیایی اسید هموجنتیسیک شباهت زیادی به ساختمان شیمیایی اسید آمین ه‌ی تیروزین دارد. (شکل زیر ). از این رو به نظر می‌رسد، اسید هموجنتیسیک از این اسید آمینه به دست می‌آید . افراد دچار شده به آلکاپتونوریا ، آنزیمی را که ماد ه‌ی میانی آلکاپتون را به ماده‌ی میانی دیگری تبدیل می‌کند ، ندارند.
? فرضیه: اگر این بیماری پیامد کمبود آنزیمی باشد که روی اسید هموجنتیسیک اثر می‌گذارد، پس میزان فعالیت این آنزیم باید در بیماران پایین باشد.
? بررسی فرضیه
? پرسش? : با توجه به شکل، 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 کم‌تر است. این حقیقت را چگونه توجیه می‌کنید؟ اگر به هر سه گروه مقداری اسید هموجنتیسیک بخورانیم، انتظار دارید ترکیب ادرار آنان چه تغییری پیدا کند؟
?? سال طول کشید تا با نمونه‌برداری از کبد مشخص شد، فعالیت آنزیم‌های درگیر در تجزی ه‌ی اسیدآمینه‌های فنیل آلانین و تیروزین در افراد سالم و بیمار، به جز آنزیم هموجنتیسیک اسید اکسیداز، یکسان است (شکل زیر ). این آنزیم هموجنتیسیک را به مالیل استواستیک تبدیل می‌کند و کمبود فعالیت آن، باعث انباشته شدن این اسید در سلول‌ها و سرانجام ترشح آن به ادرار می‌شود.
? پرسش ? : کودک دو ساله‌ای به بیمارستان آورده شده است. مادرش می‌گوید، او زیاد استفراغ می‌کند ( به ‌ویژه پس از شیر خوردن ). وزن کودک و میزان تحرکش زیر اندازه‌ی عادی است. موهایش تیره‌اند، اما رگه‌های سفیدی دارند. نتیج ه‌ی بررسی ادرار کودک به صورت زیر است.
? پژوهش‌های فراکلاسی
?) همان طور که گفته شد، اسید هموجنتیسیک در برخورد با هوا به ماده‌ای سیاه رنگ تبدیل می‌شود که ساختمان آن شبیه ملانین (رنگیز ه‌ی پوست) است. پژوهش کنید، بین سوخت و ساز ملانین و اسیدهموجنتیسیک چه ارتباطی وجود دارد؟
?) آلبینیسم یکی دیگر از نارسایی مادر زادی در سوخت و ساز است. این نارسایی که به کاهش تولید ملانین و در نتیجه سفید شدن مو می‌انجامد، به علت کمبود فعالیت یکی از آنزیم‌های دخیل در تولید ملانین به وجود می‌آید. دربار ه‌ی این نارسایی اطلاعات بیش‌تری گردآوری کنید.
?) فنیل کتونوریا ( PKA ) نوعی نارسایی مادرزادی در سوخت و ساز است که بر خلاف دو نارسایی دیگر که گفته شد، می‌تواند با پیامدهای خطرناکی مانند کند ذهنی همراه باشد. دربار ه‌ی این نارسایی و چگونگی کا ستن از پیامدهای آن پژوهش کنید.

منبع:

یزد بیولوژی