Adăugarea celor cu picioare lungi: flamingo squad. Flamingo este cu picioare lungi, chiar foarte lungi și este o pasăre neobișnuit de lungi. Dar din motive rezonabile, pe care nu le vom discuta aici, acum a fost exclus din ordinea gleznelor (tot din lamelare-cicuri, unde au fost incluse și flamingii)

Genomul de Neanderthal Până de curând, visul suprem pentru paleogeneticieni a fost să izoleze ADN-ul mitocondrial din oasele antice. Această mică parte a genomului, transmisă prin linia maternă, este prezentă în sute de copii în fiecare celulă și, de asemenea, are

Adăugarea la inoculările lui Pasteur O nouă și importantă completare la inoculările lui Pasteur a fost dezvoltată de oamenii de știință deja în secolul al XX-lea. În urmă cu câțiva ani, oamenii de știință sovietici au creat gama globulină antirabică. Odată cu disponibilitatea acestui medicament, prevenirea rabiei a devenit și mai mare

Capitolul 14 Primul genom uman Perspectiva de a fi înaintea ta într-o cursă științifică provoacă de obicei disperare și speranță nebună - ce se întâmplă dacă ai noroc și concurentul tău moare mâine. Uneori vrei doar să renunți la tot, dar atunci ani de muncă grea vor fi irosiți

1.5. Genom labil Ideile tradiționale despre stabilitatea genomului, dezvoltate în cadrul geneticii clasice, au fost puternic zdruncinate după descoperirea elementelor genetice mobile (migratoare) (MGE). MGE-urile sunt structuri care se pot mișca în interiorul genomului

Introducere

A trecut un sfert de secol de când moleculele de ADN au fost descoperite în mitocondrii înainte ca nu numai biologii moleculari și citologii, ci și geneticienii, evoluționiștii, precum și paleontologii și criminologii să devină interesați de ele. Un astfel de interes larg răspândit a fost provocat de munca lui A. Wilson de la Universitatea din California. În 1987, a publicat rezultatele unei analize comparative a ADN-ului mitocondrial prelevat de la 147 de reprezentanți ai diferitelor grupuri etnice ale tuturor raselor umane care locuiesc pe cinci continente. Pe baza tipului, locației și numărului de mutații individuale, s-a stabilit că tot ADN-ul mitocondrial a apărut dintr-o secvență de nucleotide ancestrală prin divergență. În presa pseudoștiințifică, această concluzie a fost interpretată într-un mod extrem de simplificat - întreaga umanitate descindea dintr-o singură femeie, numită Eva mitocondrială (deoarece atât fiicele, cât și fiii primesc mitocondriile doar de la mama lor), care locuia în nord-estul Africii cca. acum 200 de mii de ani. Alți 10 ani mai târziu, a fost posibil să se descifreze un fragment de ADN mitocondrial izolat din rămășițele unui Neanderthal și să se estimeze existența ultimului strămoș comun al oamenilor și al oamenilor de Neanderthal la 500 de mii de ani în urmă.

Astăzi, genetica mitocondrială umană se dezvoltă intens atât în ​​ceea ce privește populația, cât și aspectele medicale. S-a stabilit o legătură între o serie de boli ereditare severe și defecte ale ADN-ului mitocondrial. Modificările genetice asociate cu îmbătrânirea sunt cele mai pronunțate în mitocondrii. Care este genomul mitocondrial care diferă la oameni și alte animale de cel al plantelor, ciupercilor și protozoarelor ca mărime, formă și capacitate genetică? Care este rolul, cum funcționează și cum a apărut genomul mitocondrial la diferiți taxoni în general și la oameni în special? Acest lucru va fi discutat în eseul meu „mic și cel mai modest”.

Pe lângă ADN, matricea mitocondrială conține și proprii ribozomi, care diferă prin multe caracteristici de ribozomii eucarioți localizați pe membranele reticulului endoplasmatic. Cu toate acestea, nu mai mult de 5% din toate proteinele incluse în compoziția lor sunt formate pe ribozomii mitocondriilor. Majoritatea proteinelor care alcătuiesc componentele structurale și funcționale ale mitocondriilor sunt codificate de genomul nuclear, sintetizate pe ribozomii reticulului endoplasmatic și transportate prin canalele acestuia la locul de asamblare. Astfel, mitocondriile sunt rezultatul eforturilor combinate a doi genomi și a două aparate de transcripție și traducere. Unele enzime subunități ale lanțului respirator mitocondrial constau din polipeptide diferite, dintre care unele sunt codificate de genomul nuclear, iar altele de genomul mitocondrial. De exemplu, enzima cheie a fosforilării oxidative, citocrom c oxidaza din drojdie, constă din trei subunități codificate și sintetizate în mitocondrii și patru subunități codificate în nucleul celulei și sintetizate în citoplasmă. Expresia majorității genelor mitocondriale este controlată de gene nucleare specifice.

Teoria simbiotică a originii mitocondriilor

Ipoteza despre originea mitocondriilor și a plastidelor vegetale din bacteriile endosimbionte intracelulare a fost exprimată de R. Altman încă din 1890. De-a lungul secolului de dezvoltare rapidă a biochimiei, citologiei, geneticii și biologiei moleculare, care a apărut acum o jumătate de secol, ipoteza a a devenit o teorie bazată pe o mare cantitate de material factual. Esența sa este aceasta: odată cu apariția bacteriilor fotosintetice, oxigenul s-a acumulat în atmosfera Pământului - un produs secundar al metabolismului lor. Pe măsură ce concentrația sa a crescut, viața heterotrofilor anaerobi a devenit mai complicată, iar unii dintre ei au trecut de la fermentația fără oxigen la fosforilarea oxidativă pentru a obține energie. Astfel de heterotrofe aerobe ar putea, cu o eficiență mai mare decât bacteriile anaerobe, să descompună substanțele organice formate ca urmare a fotosintezei. Unii dintre aerobii care trăiesc liber au fost capturați de anaerobi, dar nu „digerați”, ci stocați ca stații energetice, mitocondrii. Mitocondriile nu trebuie privite ca niște sclavi, luați captivi pentru a furniza molecule de ATP celulelor care nu sunt capabile să respire. Sunt mai degrabă „creaturi” care, în Proterozoic, au găsit pentru ei și urmașii lor cele mai bune adăposturi, unde puteau depune cel mai mic efort fără a risca să fie mâncate.

Numeroase fapte vorbesc în favoarea teoriei simbiotice:

Dimensiunile și formele mitocondriilor și ale bacteriilor aerobe care trăiesc liber coincid; ambele conțin molecule circulare de ADN neasociate cu histonele (spre deosebire de ADN-ul nuclear liniar);

În ceea ce privește secvențele de nucleotide, ARN-urile ribozomale și de transfer ale mitocondriilor diferă de cele nucleare, demonstrând în același timp o similitudine surprinzătoare cu molecule similare ale unor eubacterii aerobe gram-negative;

ARN polimerazele mitocondriale, deși codificate în nucleul celulei, sunt inhibate de rifampicină, ca și cele bacteriene, iar ARN polimerazele eucariote sunt insensibile la acest antibiotic;

Sinteza proteinelor în mitocondrii și bacterii este suprimată de aceleași antibiotice care nu afectează ribozomii eucariotelor;

Compoziția lipidică a membranei interioare a mitocondriilor și a membranei plasmatice bacteriene este similară, dar este foarte diferită de cea a membranei exterioare a mitocondriilor, care este omoloagă cu alte membrane ale celulelor eucariote;

Cristele formate de membrana mitocondrială internă sunt analogii evolutivi ai membranelor mezosomale ale multor procariote;

Există încă organisme care imită forme intermediare pe drumul spre formarea mitocondriilor din bacterii (amiba primitivă Pelomyxa nu are mitocondrii, dar conține întotdeauna bacterii endosimbiotice).

Există ideea că diferite regate de eucariote au avut strămoși diferiți și endosimbioza bacteriană a apărut în diferite etape ale evoluției organismelor vii. Acest lucru este evidențiat și de diferențele în structura genomurilor mitocondriale ale protozoarelor, ciupercilor, plantelor și animalelor superioare. Dar, în toate cazurile, cea mai mare parte a genelor din promitocondrie a intrat în nucleu, eventual cu ajutorul unor elemente genetice mobile. Atunci când o parte din genomul unuia dintre simbioți este inclusă în genomul altuia, integrarea simbioților devine ireversibilă. Noul genom poate crea căi metabolice care duc la formarea de produse utile care nu pot fi sintetizate de niciun partener în mod individual. Astfel, sinteza hormonilor steroizi de către celulele cortexului suprarenal este un lanț complex de reacții, dintre care unele apar în mitocondrii, iar altele în reticulul endoplasmatic. Prin captarea genelor promitocondriale, nucleul a reușit să controleze în mod fiabil funcțiile simbiontului. Nucleul codifică toate proteinele și sinteza lipidelor membranei exterioare a mitocondriilor, majoritatea proteinelor matricei și membrana interioară a organitelor. Cel mai important, nucleul codifică enzime pentru replicarea, transcripția și traducerea ADNmt, controlând astfel creșterea și reproducerea mitocondriilor. Rata de creștere a partenerilor de simbioză ar trebui să fie aproximativ aceeași. Dacă gazda crește mai repede, atunci cu fiecare generație numărul de simbioți per individ va scădea și, în cele din urmă, vor apărea descendenți fără mitocondrii. Știm că fiecare celulă a unui organism care se reproduce sexual conține multe mitocondrii care își reproduc ADN-ul între diviziunile gazdei. Acest lucru asigură că fiecare dintre celulele fiice primește cel puțin o copie a genomului mitocondrial.

Rolul nucleului celular în biogeneza mitocondrială

Un anumit tip de drojdie mutantă are o deleție mare în ADN-ul mitocondrial, ceea ce duce la oprirea completă a sintezei proteinelor în mitocondrii; ca urmare, aceste organite nu își pot îndeplini funcția. Deoarece astfel de mutanți formează colonii mici atunci când cresc pe un mediu cu conținut scăzut de glucoză, ei sunt numiți mu citoplasmatictantamiminion.

Deși mutanții mici nu au sinteza proteinelor mitocondriale și, prin urmare, nu formează mitocondrii normale, astfel de mutanți conțin totuși promisocondriile, care sunt într-o oarecare măsură asemănătoare cu mitocondriile obișnuite, au o membrană exterioară normală și o membrană interioară cu criste slab dezvoltate. Promitocondriile conțin multe enzime codificate de gene nucleare și sintetizate pe ribozomii citoplasmatici, inclusiv ADN și ARN polimeraze, toate enzimele ciclului acidului citric și multe proteine ​​care alcătuiesc membrana internă. Acest lucru demonstrează în mod clar rolul predominant al genomului nuclear în biogeneza mitocondrială.

Este interesant de remarcat faptul că, deși fragmentele de ADN pierdute reprezintă 20 până la mai mult de 99,9% din genomul mitocondrial, cantitatea totală de ADN mitocondrial la mutanții mici rămâne întotdeauna la același nivel ca la tipul sălbatic. Acest lucru se datorează procesului încă puțin studiat de amplificare a ADN-ului, în urma căruia se formează o moleculă de ADN, constând din repetări în tandem de aceeași secțiune și de dimensiune egală cu o moleculă normală. De exemplu, ADN-ul mitocondrial al unui mutant mic care reține 50% din secvența de nucleotide a ADN-ului de tip sălbatic va consta din două repetări, în timp ce o moleculă care reține doar 0,1% genomul de tip sălbatic va fi construit din 1000 de copii ale fragmentului rămas. Astfel, mutanții mici pot fi folosiți pentru a obține cantități mari de secțiuni specifice de ADN mitocondrial, despre care se poate spune că sunt clonate de natura însăși.

Deși biogeneza organelelor este controlată în principal de gene nucleare, organelele în sine, judecând după unele date, au, de asemenea, un fel de influență reglatoare asupra principiului feedback-ului; cel puțin acesta este cazul mitocondriilor. Dacă sinteza proteinelor este blocată în mitocondriile celulelor intacte, atunci enzimele implicate în sinteza mitocondrială a ADN-ului, ARN-ului și proteinelor încep să se formeze în exces în citoplasmă, ca și cum celula ar încerca să depășească efectul agentului de blocare. Dar, deși existența unui semnal din mitocondrii este dincolo de orice îndoială, natura acestuia este încă necunoscută.

Din mai multe motive, mecanismele biogenezei mitocondriale sunt acum studiate în majoritatea cazurilor în culturi. Saccharomyces carlsbergensis(drojdie de bere și S. cerevisiae(drojdie de brutărie). În primul rând, atunci când cresc pe glucoză, aceste drojdii prezintă o capacitate unică de a exista numai prin glicoliză, adică de a se descurca fără funcția mitocondrială. Acest lucru face posibilă studierea mutațiilor în ADN-ul mitocondrial și nuclear care interferează cu dezvoltarea acestor organite. Astfel de mutații sunt letale în aproape toate celelalte organisme. În al doilea rând, drojdia - eucariote simple unicelulare - este ușor de cultivat și de studiat biochimic. În cele din urmă, drojdia se poate reproduce atât în ​​faza haploidă, cât și în faza diploidă, de obicei prin înmugurire asexuată (mitoză asimetrică). Dar în drojdie are loc și procesul sexual: din când în când, două celule haploide fuzionează pentru a forma un zigot diploid, care apoi fie se împarte prin mitoză, fie suferă meioză și produce din nou celule haploide. Prin controlul experimental al alternanței reproducerii asexuate și sexuale, se pot afla multe despre genele responsabile de funcția mitocondrială. Folosind aceste metode, este posibil, în special, să aflăm dacă astfel de gene sunt localizate în ADN-ul nuclear sau în ADN-ul mitocondrial, deoarece mutațiile în genele mitocondriale nu sunt moștenite conform legilor lui Mendel, care guvernează moștenirea genelor nucleare.

Sistemele de transport ale mitocondriilor

Majoritatea proteinelor conținute în mitocondrii și cloroplaste sunt importate în aceste organite din citosol. Acest lucru ridică două întrebări: cum direcționează celula proteinele către organele adecvate și cum intră aceste proteine ​​în celulă?

Un răspuns parțial a fost obținut prin studierea transportului subunității mici (S) a enzimei în stroma cloroplastică. ribuloză-1,5-bifosfat-carboxicămine de vizitare. Dacă ARNm este izolat din citoplasma unei alge unicelulare Chlamydomonas sau din frunze de mazăre, introduse ca matrice într-un sistem de sinteză a proteinelor in vitro, atunci una dintre multele proteine ​​rezultate va fi legată de un anticorp specific anti-S. Proteina S sintetizată in vitro se numește ppo-S deoarece este cu aproximativ 50 de resturi de aminoacizi mai mare decât proteina S obișnuită. Când proteina pro-S este incubată cu cloroplaste intacte, ea pătrunde în organele și este transformată acolo de peptidază în proteina S. Apoi proteina S se leagă de subunitatea mare a ribulozo-1,5-bifosfat carboxilază, sintetizată pe ribozomii cloroplastei și formează o enzimă activă cu ea în stroma cloroplastei.

Mecanismul transferului proteinei S este necunoscut. Se crede că pro-S se leagă de o proteină receptor situată pe membrana exterioară a cloroplastei sau la joncțiunea membranelor exterioare și interioare și apoi este transferată în stromă prin canale transmembranare ca urmare a unui proces care necesită energie. cheltuieli.

Transportul proteinelor în mitocondrii are loc într-un mod similar. Dacă mitocondriile purificate de drojdie sunt incubate cu un extract celular care conține proteine ​​radioactive de drojdie nou sintetizate, se poate observa că proteinele mitocondriale codificate de genomul nuclear sunt separate de proteinele non-mitocondriale în citoplasmă și încorporate selectiv în mitocondrii - exact așa cum se întâmplă în celulă intactă. În acest caz, proteinele membranelor exterioare și interioare, matricei și spațiului intermembranar își găsesc drumul către compartimentul corespunzător al mitocondriei.

Multe dintre proteinele nou sintetizate destinate membranei interioare, matricei și spațiului intermembranar au o peptidă lider la capătul lor N-terminal, care este scindată în timpul transportului de către o protează specifică localizată în matrice. Transportul proteinelor în aceste trei compartimente mitocondriale necesită energia unui gradient electrochimic de protoni creat la nivelul membranei interioare. Mecanismul de transfer al proteinei pentru membrana exterioară este diferit: în acest caz, nu este necesară nici energie, nici scindarea proteolitică a unei proteine ​​precursoare mai lungi. Acestea și alte observații sugerează că toate cele patru grupuri de proteine ​​mitocondriale sunt transportate în organelă prin următorul mecanism: se presupune că toate proteinele, cu excepția celor destinate membranei exterioare, sunt încorporate în membrana interioară ca urmare a unui proces care necesită cheltuiala de energie și care apar în locurile de contact dintre membranele exterioare și interioare. Aparent, după această încorporare inițială a proteinei în membrană, aceasta suferă clivaj proteolitic, ceea ce duce la o modificare a conformației sale; în funcție de modul în care se modifică conformația, proteina este fie ancorată în membrană, fie „împinsă” în matrice sau în spațiul intermembranar.

Transferul de proteine ​​prin membranele mitocondriilor și cloroplastelor este, în principiu, similar cu transferul lor prin membranele reticulului endoplasmatic. Cu toate acestea, există mai multe diferențe importante. În primul rând, atunci când este transportată în matrice sau stromă, proteina trece atât prin membrana exterioară, cât și prin membrana interioară a organelului, în timp ce atunci când este transportată în lumenul reticulului endoplasmatic, moleculele trec printr-o singură membrană. În plus, transferul proteinelor în reticul se realizează folosind mecanismul eliberare vizată(descărcare vectorială) - începe atunci când proteina nu a părăsit încă complet ribozomul (import cotraducere), iar transferul în mitocondrii și cloroplaste are loc după ce sinteza moleculei proteice este complet finalizată (import post-traducere).

În ciuda acestor diferențe, în ambele cazuri celula sintetizează proteine ​​precursoare care conțin o secvență semnal care determină către ce membrană este direcționată proteina. Aparent, în multe cazuri această secvență este scindată din molecula precursor după finalizarea procesului de transport. Cu toate acestea, unele proteine ​​sunt sintetizate imediat în forma lor finală. Se crede că în astfel de cazuri secvența semnal este conținută în lanțul polipeptidic al proteinei finite. Secvențele semnal sunt încă puțin înțelese, dar sunt probabil să existe mai multe tipuri de astfel de secvențe, fiecare dintre acestea determinând transferul unei molecule de proteină într-o anumită regiune a celulei. De exemplu, într-o celulă vegetală, unele dintre proteine, a căror sinteză începe în citosol, sunt apoi transportate în mitocondrii, altele în cloroplaste, altele în peroxizomi și altele în reticulul endoplasmatic. Procesele complexe care conduc la distribuția intracelulară corectă a proteinelor devin abia acum înțelese.

Pe lângă acizii nucleici și proteine, lipidele sunt necesare pentru a construi noi mitocondrii. Spre deosebire de cloroplaste, mitocondriile își obțin majoritatea lipidelor din exterior. În celulele animale, fosfolipidele sintetizate în reticulul endoplasmatic sunt transportate în membrana exterioară a mitocondriilor folosind proteine ​​speciale și apoi încorporate în membrana interioară; se crede că aceasta are loc în punctul de contact dintre două membrane. Principala reacție a biosintezei lipidelor, catalizată de mitocondriile înseși, este conversia acidului fosfatidic în fosfolipidul cardiolipin, care se găsește în principal în membrana mitocondrială internă și reprezintă aproximativ 20% din toate lipidele sale.

Dimensiunea și forma genomilor mitocondriali

Până în prezent, au fost citite peste 100 de genomi mitocondriali diferiți. Setul și numărul genelor lor din ADN-ul mitocondrial, pentru care secvența de nucleotide este complet determinată, variază foarte mult între diferitele specii de animale, plante, ciuperci și protozoare. Cel mai mare număr de gene a fost găsit în genomul mitocondrial al protozoarelor flagelate Rectinomo-nas americana- 97 de gene, inclusiv toate genele care codifică proteine ​​găsite în mtADN-ul altor organisme. La majoritatea animalelor superioare, genomul mitocondrial conține 37 de gene: 13 pentru proteinele lanțului respirator, 22 pentru ARNt și două pentru ARNr (pentru subunitatea ribozomală mare 16S ARNr și pentru ARNr mic 12S). La plante și protozoare, spre deosebire de animale și de majoritatea ciupercilor, genomul mitocondrial codifică și unele proteine ​​care alcătuiesc ribozomii acestor organite. Enzimele cheie ale sintezei polinucleotidelor șablon, cum ar fi ADN polimeraza (replica ADN mitocondrial) și ARN polimeraza (transcrie genomul mitocondrial), sunt criptate în nucleu și sintetizate pe ribozomi din citoplasmă. Acest fapt indică relativitatea autonomiei mitocondriale în ierarhia complexă a unei celule eucariote.

Genoamele mitocondriale ale diferitelor specii diferă nu numai prin setul de gene, ordinea locației și exprimării lor, ci și prin dimensiunea și forma ADN-ului. Marea majoritate a genomilor mitocondriali descriși astăzi sunt molecule circulare de ADN dublu catenar supraînrolate. La unele plante, alături de forme circulare, există și cele liniare, iar la unele protozoare, precum ciliați, în mitocondrii se găsește doar ADN liniar.

De regulă, fiecare mitocondrie conține mai multe copii ale genomului său. Astfel, în celulele hepatice umane există aproximativ 2 mii de mitocondrii și fiecare dintre ele conține 10 genomi identici. În fibroblastele de șoarece există 500 de mitocondrii care conțin doi genomi, iar în celulele de drojdie S. cerevisiae- până la 22 de mitocondrii, fiecare având patru genomi.

https://pandia.ru/text/78/545/images/image002_21.jpg" align="left" width="386 height=225" height="225"> Fig 2. Schema formării oligomerilor ADNmt liniari (A), circulari (B), cu lanț (C). ori este regiunea în care începe replicarea ADN-ului.

Dimensiunea genomului mitocondrial al diferitelor organisme variază de la mai puțin de 6 mii de perechi de nucleotide în plasmodium falciparum (în plus față de două gene ARNr, conține doar trei gene care codifică proteine) până la sute de mii de perechi de nucleotide în plantele terestre (pentru exemplu, Arabidopsis thaliana din familia cruciferelor 366924 perechi de nucleotide). Mai mult, diferențe de 7-8 ori în dimensiunea ADNmt al plantelor superioare se găsesc chiar și în cadrul aceleiași familii. Lungimea ADNmt la vertebrate diferă ușor: la om - 16569 perechi de nucleotide, la porci - 16350, la delfini - 16330, la broaște cu gheare Xenopus laevis- 17533, la crap - 16400. Acești genomi sunt, de asemenea, similari în localizarea genelor, dintre care majoritatea sunt localizate cap la cap; în unele cazuri chiar se suprapun, de obicei cu o singură nucleotidă, astfel încât ultima nucleotidă a unei gene este prima din următoarea. Spre deosebire de vertebrate, la plante, ciuperci și protozoare, ADNmt conține până la 80% secvențe necodante. Ordinea genelor din genomul mitocondrial diferă între specii.

Concentrația mare de specii reactive de oxigen în mitocondrii și un sistem de reparare slab cresc frecvența mutațiilor ADNmt cu un ordin de mărime în comparație cu ADN-ul nuclear. Radicalii de oxigen provoacă substituții specifice C®T (dezaminarea citozinei) și G®T (leziunea oxidativă a guaninei), ca urmare a cărora mtDNA este posibil bogat în perechi AT. În plus, toate ADN-urile mt au o proprietate interesantă - nu sunt metilate, spre deosebire de ADN-urile nucleare și procariote. Se știe că metilarea (modificarea chimică temporară a secvenței de nucleotide fără a perturba funcția de codificare a ADN-ului) este unul dintre mecanismele de inactivare programată a genelor.

Dimensiunea și structura moleculelor de ADN din organite

Cantități relative de organite ADN din unele celule și țesuturi

Funcționarea genomului mitocondrial

Ce este special la mecanismele de replicare și transcripție a ADN-ului mitocondriilor de mamifere?

Complementary" href="/text/category/komplementarij/" rel="bookmark"> Lanțurile complementare din mtDNA diferă semnificativ în densitatea specifică, deoarece conțin cantități inegale de purine „grele” și nucleotide pirimidinice „uşoare”. numită - H (grea - grea) și L (ușoară - ușoară) La începutul replicării moleculei de ADNmt, se formează o așa-numită buclă de deplasare - o buclă de deplasare. skop, constă dintr-o secțiune dublu catenară și una monocatenară (partea retrasă a lanțului H) Secțiunea dublu catenară este formată dintr-o parte a lanțului L și un fragment de ADN complementar nou sintetizat cu o lungime de. 450-650 (în funcție de tipul de organism) nucleotide, având 5"-. capătul primerului ribonucleotidic, care corespunde punctului de plecare al sintezei lanțului H (oriH). Sinteza lanțului L începe doar atunci când lanțul H fiică atinge punctul ori L. Acest lucru se datorează faptului că regiunea de inițiere a replicării lanțului L este accesibilă enzimelor de sinteză a ADN-ului doar într-un singur catenar. stare și, prin urmare, numai într-o stare neîmpletită dublu helix în timpul sintezei lanțului H. Astfel, catenele fiice ale ADNmt sunt sintetizate continuu și asincron (Fig. 3).

Fig 3. Schema de replicare a ADNmt de mamifere. Mai întâi, se formează bucla D, apoi se sintetizează lanțul H fiică, apoi începe sinteza lanțului L fiică.

Sfârșitul genei ARNr 16S (Fig. 4). Există de 10 ori mai multe astfel de transcrieri scurte decât cele lungi. Ca urmare a maturării (prelucrării), ei formează ARNr 12S și ARNr 16S, care sunt implicați în formarea ribozomilor mitocondriali, precum și a fenilalaninei și ARNt-ului valinei. ARNt-urile rămase sunt excizate din transcrierile lungi și se formează ARNm traduși, la capete de 3" ale căror secvențe de poliadenil sunt atașate. Capetele de 5" ale acestor ARNm nu sunt acoperite, ceea ce este neobișnuit pentru eucariote. Splicing (fuziunea) nu are loc, deoarece niciuna dintre genele mitocondriale de mamifere nu conține introni.

Fig 4. Transcrierea ADNmt uman care conține 37 de gene. Toate transcrierile încep să fie sintetizate în regiunea ori H. ARN-urile ribozomale sunt excizate din transcriptele lungi și scurte ale catenei H. ARNt și ARNm se formează ca rezultat al prelucrării din transcrierile ambelor catene de ADN. Genele ARNt sunt indicate cu verde deschis.

Vrei să știi ce alte surprize poate prezenta genomul mitocondrial? Grozav! Citește mai departe!..

Regiunile Leader și 3" necodificatoare, ca majoritatea ARNm-urilor nucleare. Un număr de gene conțin și introni. Astfel, în gena cutie care codifică citocrom oxidaza b, există doi introni. Din transcriptul ARN primar, autocatalitic (fără participarea oricare sau proteine) o copie a majorității primului intron este decupată. ARN-ul rămas servește ca matriță pentru formarea enzimei maturazei, care este implicată în splicing intronii. Maturaza îi decupează, distrugându-și propriile copii ale exonilor, iar ARNm pentru citocrom oxidaza b ne-a obligat să reconsiderăm ideea de introni „secvențe necodante”.

Fig 5. Procesarea (maturarea) ARNm a citocrom oxidazei b în mitocondriile drojdiei. În prima etapă de splicing se formează ARNm, care sintetizează maturaza, necesară pentru a doua etapă de splicing.

Când se studiază expresia genelor mitocondriale Trypanosoma brucei a fost descoperită o abatere surprinzătoare de la una dintre axiomele de bază ale biologiei moleculare, care afirmă că secvența nucleotidelor din ARNm corespunde exact cu cea din regiunile codificatoare ale ADN-ului. S-a dovedit că ARNm al uneia dintre subunitățile citocromului c oxidazei este editat, adică după transcripție, structura sa primară se modifică - sunt introduși patru uracili. Ca urmare, se formează un nou ARNm, care servește ca matrice pentru sinteza unei subunități suplimentare a enzimei, secvența de aminoacizi în care nu are nimic în comun cu secvența de viruși, ciuperci, plante și animale cercetătorul Burrell a comparat structura uneia dintre genele mitocondriale de vițel cu secvența de aminoacizi din subunitatea de citocrom oxidază codificată de această genă. S-a dovedit că codul genetic al mitocondriilor bovinelor (precum și al oamenilor) nu diferă doar de cel universal. unul este „ideal”, adică se supune următoarei reguli: „dacă doi codoni au două nucleotide identice, iar a treia nucleotide aparțin aceleiași clase (purină - A, G sau pirimidină - U, C). apoi codifică același aminoacid.” În codul universal există două excepții de la această regulă: tripletul AUA codifică izoleucină și codonul AUG pentru metionină, în timp ce în codul mitocondrial ideal, ambele triplete codifică metionină; Tripletul UGG codifică doar triptofanul, iar tripletul UGA codifică un codon stop. În codul universal, ambele abateri privesc aspectele fundamentale ale sintezei proteinelor: codonul AUG este cel inițiator, iar codonul stop UGA oprește sinteza polipeptidei. Codul ideal nu este inerent tuturor mitocondriilor descrise, dar niciuna dintre ele nu are un cod universal. Putem spune că mitocondriile vorbesc limbi diferite, dar niciodată limba nucleului.

Diferențele dintre codul genetic „universal” și cele două coduri mitocondriale

După cum sa menționat deja, există 22 de gene ARNt în genomul mitocondrial al vertebratelor. Cum servește un astfel de set incomplet toți cei 60 de codoni pentru aminoacizi (în codul ideal de 64 de tripleți există patru codoni stop, în codul universal sunt trei)? Faptul este că în timpul sintezei proteinelor în mitocondrii, interacțiunile codon-anticodon sunt simplificate - două din trei nucleotide anticodon sunt utilizate pentru recunoaștere. Astfel, un ARNt îi recunoaște pe toți cei patru membri ai familiei de codoni, diferind doar în a treia nucleotidă. De exemplu, ARNt de leucină cu anticodonul GAU se află pe ribozom opus codonilor TsU, TsUC, TsUA și Tsug, asigurând încorporarea inconfundabilă a leucinei în lanțul polipeptidic. Alți doi codoni de leucină, UUA și UUG, sunt recunoscuți de ARNt cu anticodonul AAU. În total, opt molecule diferite de ARNt recunosc opt familii de patru codoni fiecare, iar 14 ARNt recunosc diferite perechi de codoni, fiecare codificând un aminoacid.

Este important ca enzimele aminoacil-ARNt sintetază, responsabile de adăugarea de aminoacizi la ARNt-urile mitocondriale corespunzătoare, să fie codificate în nucleul celulei și sintetizate pe ribozomii reticulului endoplasmatic. Astfel, la vertebrate, toate componentele proteice ale sintezei polipeptidelor mitocondriale sunt criptate în nucleu. În acest caz, sinteza proteinelor în mitocondrii nu este suprimată de cicloheximidă, care blochează activitatea ribozomilor eucarioți, ci este sensibilă la antibioticele eritromicină și cloramfenicol, care inhibă sinteza proteinelor în bacterii. Acest fapt servește drept unul dintre argumentele în favoarea originii mitocondriilor din bacteriile aerobe în timpul formării simbiotice a celulelor eucariote.

Importanța de a avea propriul sistem genetic pentru mitocondrii

De ce mitocondriile au nevoie de propriul sistem genetic, în timp ce alte organite, cum ar fi peroxizomii și lizozomii, nu au? Această problemă nu este deloc banală, deoarece menținerea unui sistem genetic separat este costisitoare pentru celulă, având în vedere numărul necesar de gene suplimentare în genomul nuclear. Proteinele ribozomale, sintetazele aminoacil-ARNt, polimerazele ADN și ARN, enzimele de procesare și modificare a ARN, etc. ar trebui să fie codificate aici Majoritatea proteinelor studiate din mitocondrii diferă în secvența de aminoacizi față de omologii lor din alte părți ale celulei. este un motiv să credem că în aceste organe există foarte puține proteine ​​care ar putea fi găsite în altă parte. Aceasta înseamnă că doar pentru a menține sistemul genetic al mitocondriilor, trebuie să existe câteva zeci de gene suplimentare în genomul nuclear. Motivele acestei „risipă” sunt neclare, iar speranța că răspunsul va fi găsit în secvența de nucleotide a ADN-ului mitocondrial nu s-a materializat. Este greu de imaginat de ce proteinele formate în mitocondrii trebuie neapărat sintetizate acolo și nu în citosol.

De obicei, existența unui sistem genetic în organele energetice se explică prin faptul că unele dintre proteinele sintetizate în interiorul organelelor sunt prea hidrofobe pentru a trece prin membrana mitocondrială din exterior. Cu toate acestea, studiile asupra complexului ATP sintetază au arătat că o astfel de explicație este neplauzibilă. Deși subunitățile individuale de proteine ​​ale ATP sintetazei sunt foarte conservate în timpul evoluției, locurile de sinteză ale acestora se modifică. În cloroplaste, mai multe proteine ​​destul de hidrofile, inclusiv patru din cele cinci subunități ale părții F1-ATPaza a complexului, sunt produse pe ribozomi din organele. Dimpotrivă, ciuperca Neurospora iar în celulele animale, o componentă foarte hidrofobă (subunitatea 9) a părții membranare a ATPazei este sintetizată pe ribozomii citoplasmei și abia după aceea trece în organele. Localizarea diferită a genelor care codifică subunități ale proteinelor echivalente funcțional în diferite organisme este dificil de explicat folosind orice ipoteză care postulează anumite avantaje evolutive ale sistemelor genetice moderne de mitocondrii și cloroplaste.

Având în vedere toate cele de mai sus, putem doar presupune că sistemul genetic mitocondrial reprezintă o fundătură evolutivă. În cadrul ipotezei endosimbiotice, aceasta înseamnă că procesul de transfer al genelor endosimbiotice în genomul nuclear gazdă sa oprit înainte ca acesta să fie complet finalizat.

Moștenirea citoplasmatică

Consecințele transferului de gene citoplasmatice pentru unele animale, inclusiv pentru oameni, sunt mai grave decât pentru drojdie. Două celule de drojdie haploide care fuzionează au aceeași dimensiune și contribuie cu aceeași cantitate de ADN mitocondrial la zigotul rezultat. Astfel, la drojdii, genomul mitocondrial este moștenit de la ambii părinți, care contribuie în mod egal la fondul genetic al urmașilor (deși, după câteva generații separa descendenții vor conține adesea mitocondrii doar ale unuia dintre tipurile de părinți). În contrast, la animalele superioare ovulul contribuie cu mai multă citoplasmă la zigot decât spermatozoizii, iar la unele animale sperma poate să nu contribuie deloc cu citoplasmă. Prin urmare, se poate crede că la animalele superioare genomul mitocondrial va fi transmis doar de la un părinte (și anume prin maternă linii); și într-adevăr, acest lucru a fost confirmat de experimente. S-a dovedit, de exemplu, că atunci când se încrucișează șobolani a două tulpini de laborator cu ADN mitocondrial ușor diferit în secvența de nucleotide (tipurile A și B), se obțin descendenți care conțin

conţinând ADN mitocondrial doar de tip matern.

Moștenirea citoplasmatică, spre deosebire de cea nucleară, nu respectă legile lui Mendel. Acest lucru se datorează faptului că, la animalele și plantele superioare, gameții de diferite sexe conțin cantități disparate de mitocondrii. Deci, într-un ou de șoarece există 90 de mii de mitocondrii, dar într-un spermatozoid sunt doar patru. Este evident că într-un ovul fecundat mitocondriile sunt predominant sau numai de la femelă, adică moștenirea tuturor genelor mitocondriale este maternă. Analiza genetică a moștenirii citoplasmatice este dificilă din cauza interacțiunilor nuclear-citoplasmatice. În cazul sterilității citoplasmatice masculine, genomul mitocondrial mutant interacționează cu anumite gene nucleare ale căror alele recesive sunt necesare pentru dezvoltarea trăsăturii. Alelele dominante ale acestor gene, atât în ​​stare homo- cât și heterozigotă, restabilesc fertilitatea plantelor, indiferent de starea genomului mitocondrial.

Aș dori să mă opresc asupra mecanismului moștenirii materne a genelor, oferind un exemplu specific. Pentru a înțelege în sfârșit și irevocabil mecanismul moștenirii non-mendeliane (citoplasmatice) a genelor mitocondriale, să luăm în considerare ce se întâmplă cu astfel de gene atunci când două celule haploide se unesc pentru a forma un zigot diploid. În cazul în care o celulă de drojdie poartă o mutație care determină rezistența sintezei proteinelor mitocondriale la cloramfenicol, iar cealaltă, o celulă de tip sălbatic, este sensibilă la acest antibiotic: genele mutante pot fi ușor identificate prin creșterea drojdiei pe un mediu cu glicerol, pe care doar celulele cu mitocondriile intacte îl pot folosi; prin urmare, în prezența cloramfenicolului, doar celulele care poartă gena mutantă pot crește într-un astfel de mediu. Zigotul nostru diploid va avea inițial atât mitocondrii mutante, cât și de tip sălbatic. Ca urmare a mitozei, o celulă fiică diploidă va înmuguri din zigot, care va conține doar un număr mic de mitocondrii. După mai multe cicluri mitotice, în cele din urmă una dintre celulele noi va primi toate mitocondriile, fie mutante, fie de tip sălbatic. Prin urmare, toți descendenții unei astfel de celule vor avea mitocondrii identice genetic. Un astfel de proces aleatoriu, în urma căruia se formează descendenți diploizi care conține un singur tip de mitocondrii, se numește mitoticăth segregareth. Când o celulă diploidă cu un singur tip de mitocondrie suferă meioză, toate cele patru celule haploide fiice primesc aceleași gene mitocondriale. Acest tip de moștenire se numește nemendeun leu degresare sau citoplasmatic spre deosebire de moştenirea mendeliană a genelor nucleare. Transferul de gene citoplasmatice înseamnă că genele studiate sunt localizate în mitocondrii.

Studiul genomilor mitocondriali, evoluția lor, care urmează legile specifice geneticii populațiilor și relațiile dintre sistemele genetice nucleare și mitocondriale, este necesar pentru înțelegerea organizării ierarhice complexe a celulei eucariote și a organismului în ansamblu.

Unele boli ereditare și îmbătrânirea umană sunt asociate cu anumite mutații ale ADN-ului mitocondrial sau ale genelor nucleare care controlează funcția mitocondrială. Se acumulează date despre implicarea defectelor ADNmt în carcinogeneză. Prin urmare, mitocondriile pot fi o țintă pentru chimioterapia cancerului. Există fapte despre interacțiunea strânsă a genomului nuclear și mitocondrial în dezvoltarea unui număr de patologii umane. Deleții multiple de ADNmt au fost găsite la pacienții cu slăbiciune musculară severă, ataxie, surditate și retard mental, moștenite într-o manieră autosomal dominantă. Dimorfismul sexual a fost stabilit în manifestările clinice ale bolii coronariene, care se datorează cel mai probabil efectului matern - moștenirea citoplasmatică. Dezvoltarea terapiei genice dă speranță pentru corectarea defectelor genomilor mitocondriali în viitorul apropiat.

După cum se știe, pentru a verifica funcționarea uneia dintre componentele unui sistem multicomponent, devine necesară eliminarea acestei componente cu analiza ulterioară a modificărilor survenite. Deoarece subiectul acestui rezumat este de a indica rolul genomului matern pentru dezvoltarea urmașilor, ar fi logic să se cunoască consecințele tulburărilor în compoziția genomului mitocondrial cauzate de diverși factori. Instrumentul pentru studierea rolului de mai sus s-a dovedit a fi procesul de mutație, iar consecințele acțiunii sale care ne-au interesat au fost așa-numitele. boli mitocondriale.

Bolile mitocondriale sunt un exemplu de ereditate citoplasmatică la om, sau mai precis, „ereditatea organelor”. Această precizare ar trebui făcută deoarece existența, cel puțin la unele organisme, a determinanților ereditari citoplasmatici neassociați cu organele celulare - citogeni a fost acum dovedită (-Vechtomov, 1996).

Bolile mitocondriale sunt un grup eterogen de boli cauzate de defecte genetice, structurale și biochimice ale mitocondriilor și respirație tisulară afectată. Pentru a stabili un diagnostic al bolii mitocondriale, este importantă o analiză genealogică, clinică, biochimică, morfologică și genetică cuprinzătoare. Semnul biochimic principal al patologiei mitocondriale este dezvoltarea acidozei lactice în combinație cu acidemia hiperpiruvatică. Numărul de opțiuni diferite a ajuns la 120 de forme. Există o creștere stabilă a concentrației de acizi lactic și piruvic în lichidul cefalorahidian.

Bolile mitocondriale (MD) reprezintă o problemă semnificativă pentru medicina modernă. Conform metodelor de transmitere ereditară, MD includ boli moștenite monogenic de tip mendelian, în care, din cauza mutației genelor nucleare, fie structura și funcționarea proteinelor mitocondriale sunt perturbate, fie expresia ADN-ului mitocondrial se modifică, de asemenea. ca boli cauzate de mutații ale genelor mitocondriale, care se transmiteau în principal descendenților prin linia maternă.

Date din studii morfologice care indică patologia macroscopică a mitocondriilor: proliferarea anormală a mitocondriilor, polimorfismul mitocondriilor cu perturbarea formei și dimensiunii, dezorganizarea cristelor, acumulări de mitocondrii anormale sub sarcolemă, incluziuni paracristaline în mitocondrii, prezența vacuorilor interfibrilare.

Forme de boli mitocondriale

1 . Boli mitocondriale cauzate de mutații ale ADN-ului mitocondrial

1.1.Boli cauzate de delețiile ADN mitocondrial

1.1.1.Sindromul Cairns-Sayre

Boala se manifestă la vârsta de 4-18 ani, oftalmoplegie externă progresivă, retinită pigmentară, ataxie, tremor intenționat, bloc cardiac atrioventricular, niveluri crescute de proteine ​​în lichidul cefalorahidian mai mult de 1 g/l, fibre roșii „deformate” la nivelul scheletului. biopsii musculare

1.1.2.sindromul Pearson

Debutul bolii este de la naștere sau în primele luni de viață, uneori este posibil să apară encefalomiopatii, ataxie, demență, oftalmoplegie externă progresivă, anemie hipoplazică, afectare a funcției pancreatice exocrine, evoluție progresivă.

2 .Boli cauzate de mutaţii punctuale ale ADN-ului mitocondrial

Tip matern de moștenire, scădere acută sau subacută a acuității vizuale la unul sau ambii ochi, combinație cu tulburări neurologice și osteoarticulare, microangiopatie retiniană, evoluție progresivă cu posibilitatea de remisiune sau restabilire a acuității vizuale, debut al bolii la vârsta de 20 de ani -30 de ani

2.2.Sindromul NAPR (neuropatie, ataxie, retinită pigmentară)

Tip matern de moștenire, o combinație de neuropatie, ataxie și retinită pigmentară, dezvoltare psihomotorie întârziată, demență, prezența fibrelor roșii „rupte” în biopsiile țesutului muscular

2.3.Sindromul MERRF (mioclon-epilepsie, fibre roșii „zdrențuite”)

Tipul de moștenire maternă, debutul bolii la vârsta de 3-65 de ani, epilepsie mioclonică, ataxie, demență în combinație cu surditate neurosensorială, atrofie a nervilor optici și tulburări de sensibilitate profundă, acidoză lactică, examenele EEG relevă epilepsie generalizată în baie. complexe, fibre roșii „zdrențuite” în biopsiile mușchilor scheletici, curs progresiv

2.4 Sindromul MELAS (encefalomiopatie mitocondrială, acidoză lactică, episoade asemănătoare accidentului vascular cerebral)

Moștenire maternă, debutul bolii înainte de vârsta de 40 de ani, intoleranță la efort, dureri de cap migrenoase cu greață și vărsături, episoade asemănătoare accidentului vascular cerebral, convulsii, acidoză lactică, fibre roșii „zdrențuite” în biopsiile musculare, curs progresiv.

3 .Patologia asociată cu defecte în comunicarea intergenomică

3.1.Sindroame multiple de deleție a ADN mitocondrial

Blefaroptoză, oftalmoplegie externă, slăbiciune musculară, surditate neurosensorială, atrofie a nervului optic, curs progresiv, fibre roșii „rupte” în biopsiile mușchilor scheletici, scăderea activității enzimelor lanțului respirator.

3.2.Sindromul de deleție a ADN mitocondrial

Modul autosomal recesiv de moștenire

Forme clinice:

3.2.1.Fatal infantil

a) insuficienta hepatica severa b) hepatopatie c) hipotensiune musculara

Debut în perioada neonatală

3.2.2.Miopatie congenitală

Slăbiciune musculară severă, hipotensiune arterială generalizată, cardiomiopatie și convulsii, leziuni renale, glicozurie, aminoacidopatie, fosfaturie

3.2.3.Miopatie infantilă

apare în primii 2 ani de viață, slăbiciune musculară progresivă, atrofie a grupelor musculare proximale și pierderea reflexelor tendinoase, curs rapid progresiv, deces în primii 3 ani de viață.

4 Boli mitocondriale cauzate de mutațiile ADN-ului nuclear

4.1.Boli asociate cu defecte ale lanțului respirator

4.1.1. Deficiența complexului 1 (NADH: CoQ reductază)

Debutul bolii înainte de vârsta de 15 ani, sindrom de miopatie, dezvoltare psihomotorie întârziată, tulburări ale sistemului cardiovascular, convulsii rezistente la terapie, tulburări neurologice multiple, evoluție progresivă

4.1.2.Deficitul complexului 2 (succinat-CoQ reductază)

Caracterizat prin sindrom de encefalomiopatie, evoluție progresivă, convulsii, posibilă dezvoltare a ptozei

4.1.3. Deficiența complexului 3 (CoQ-citocrom C oxidoreductază)

Tulburări multisistemice, afectarea diferitelor organe și sisteme, care implică sistemul nervos central și periferic, sistemul endocrin, rinichii, evoluție progresivă

4.1.4.Deficit complex (citocrom C oxidaza)

4.1.4.1.Acidoza lactică congenitală infantilă fatală

Miopatie mitocondrială cu insuficiență renală sau cardiomiopatie, debut la vârsta neonatală, tulburări respiratorii severe, hipotensiune musculară difuză, evoluție progresivă, deces în primul an de viață.

4.1.4.2.Slăbiciune musculară infantilă benignă

Atrofia, cu tratament adecvat și în timp util, este posibilă stabilizarea rapidă a procesului și recuperarea până la 1-3 ani de viață.

5 Sindromul Menkes (tricopoliodistrofie)

O întârziere bruscă a dezvoltării psihomotorii, încetinirea creșterii, creșterea afectată și modificările distrofice ale părului,

6 . Encefalomiopatii mitocondriale

6.1.sindromul Leigh(encefalomielopatie neurotizantă subacută)

Apare după 6 luni de viață, se observă adesea hipotonie musculară, ataxie, nistagmus, simptome piramidale, oftalmoplegie, atrofie a nervului optic, adaos de cardiomiopatie și acidoză metabolică ușoară.

6.2.Sindromul Alpers(polidistrofie sclerozantă progresivă)

Degenerarea substanței cenușii a creierului în combinație cu ciroza hepatică, deficiența complexului 5 (ATP sintetaza), întârzierea dezvoltării psihomotorii, ataxie, demență, slăbiciune musculară, evoluție progresivă a bolii, prognostic nefavorabil

6.3.Deficit de coenzima-Q

Crize metabolice, slăbiciune musculară și oboseală, oftalmoplegie, surditate, scăderea vederii, episoade asemănătoare unui accident vascular cerebral, ataxie, epilepsie mioclonică, afectarea rinichilor: glucozurie, aminoacidopatie, fosfaturie, tulburări endocrine, evoluție progresivă, scăderea activității enzimelor lanțului respirator

7 .Boli asociate cu tulburări metabolice ale acidului lactic şi piruvic

7.1 Deficit de piruvat carboxilază Moștenire de tip autozomal recesiv, debutul bolii în perioada neonatală, complex de simptome „copil flasc”, convulsii rezistente la terapie, concentrații mari de corpi cetonici în sânge, hiperamoniemie, hiperlizinemie, scăderea activității piruvat carboxilază. muschii scheletici

7.2.Deficit de piruvat dehidrogenază

Manifestare în perioada neonatală, dismorfie cranio-facială, convulsii rezistente la terapie, tulburări de respirație și sucție, complex de simptome „copil flasc”, disginezie cerebrală, acidoză severă cu niveluri ridicate de lactat și piruvat

7.3.Scăderea activității piruvat dehidrogenazei

Debut în primul an de viață, microcefalie, dezvoltare psihomotorie întârziată, ataxie, distonie musculară, coreoatetoză, acidoză lactică cu conținut ridicat de piruvat

7.4.Deficit de dihidrolipoiltransacetilază

Moștenire de tip autozomal recesiv, debutul bolii în perioada neonatală, microcefalie, întârzierea dezvoltării psihomotorii, hipotonie musculară cu creșterea ulterioară a tonusului muscular, atrofie discului optic, acidoză lactică, scăderea activității dihidrolipoiltrans-acetilazei

7.5.Deficit de dihidrolipoil dehidrogenază

Moștenire de tip autozomal recesiv, debutul bolii în primul an de viață, complexul de simptome „copil flasc”, crize dismetabolice cu vărsături și diaree, întârziere în dezvoltare psihomotorie, atrofie a discurilor optice, acidoză lactică, niveluri crescute de alanină în serul sanguin, α-cetoglutarat, α-cetoacizi cu lanț ramificat, scăderea activității dihidrolipoil dehidrogenazei

8 .Boli cauzate de defecte de beta-oxidare a acizilor graşi

8.1.Deficit de acetil-CoA dehidrogenază cu lanț lung de carbon

Moștenire de tip autozomal recesiv, debutul bolii în primele luni de viață, crize metabolice cu vărsături și diaree, complex de simptome „copil flasc”, hipoglicemie, acidurie dicarboxilic, scăderea activității acetil-CoA dehidrogenazei lipidelor cu lanț lung de carbon acizi

8.2 Deficiență de acetil-CoA dehidrogenază cu lanț mediu de carbon

Moștenire de tip autozomal recesiv, debutul bolii în perioada neonatală sau primele luni de viață, crize metabolice cu vărsături și diaree,

slăbiciune musculară și hipotensiune arterială, se dezvoltă adesea sindromul morții subite, hipoglicemie, acidurie dicarboxilică, scăderea activității acetil-CoA dehidrogenazei a acizilor grași cu lanț mediu de carbon

8.3. Deficiență de acetil-CoA dehidrogenază de acid gras cu lanț scurt

Moștenire de tip autozomal recesiv, vârste diferite de debut a bolii, scăderea toleranței la efort, crize metabolice cu vărsături și diaree, slăbiciune musculară și hipotensiune arterială, excreție urinară crescută de acid metilsuccinic, acetil-CoA dehidrogenază a acizilor grași cu lanț scurt de carbon

8.4. Deficiență multiplă de acetil-CoA dehidrogenaze ale acizilor grași

Forma neonatală: dismorfie cranio-facială, disginezie cerebrală, hipoglicemie severă și acidoză, evoluție malignă, scăderea activității tuturor acetil-CoA dehidrogenazelor acizilor grași,

Forma infantilă: complex de simptome „copil flasc”, cardiomiopatie, crize metabolice, hipoglicemie si acidoza

8.5.Activitatea scăzută a tuturor acetil-CoA dehidrogenazelor acizilor grași

Forma de debut tardiv: episoadele periodice de slăbiciune musculară, crize metabolice, hipoglicemie și acidoză sunt mai puțin pronunțate, inteligența este păstrată,

9 .Enzimopatii ale ciclului Krebs

9.1.Deficit de fumază

Moștenire de tip autozomal recesiv, debutul bolii în perioada neonatală sau nou-născută, microcefalie, slăbiciune musculară generalizată și hipotensiune arterială, episoade de letargie, encefalopatie cu progresie rapidă, prognostic prost

9.2.Deficit sucnat dehidrogenază

O boală rară caracterizată prin encefalomiopatie progresivă

9.3 Deficit de alfa-cetoglutarat dehidrogenază

Moștenire autozomal recesiv, debutul neonatal al bolii, microcefalie, complex de simptome „copil flasc”, episoade de letargie, acidoză lactică, evoluție rapidă progresivă, scăderea conținutului de enzime ale ciclului Krebs în țesuturi

9.4.Sindroame de deficit de carnitină și enzime ale metabolismului acesteia

Deficit de carnitină palmitoiltransferază-1, moștenire de tip autozomal recesiv, debut precoce al bolii, episoade de comă hipoglicemică non-cetonemică, hepatomegalie, hipertrigliceridemie și hiperamoniemie moderată, scăderea activității carnitine palmitoiltransferazei-1 în fibroblaste și celule hepatice

9.5.Deficit de carnitina acilcarnitin translocaza

Debut precoce al bolii, tulburări cardiovasculare și respiratorii, complexul de simptome „copil flasc”, episoade de letargie și comă, concentrații crescute de esteri de carnitină și lanțuri lungi de carbon pe fondul scăderii carnitinei libere în serul sanguin, scăderea activității. de carnitina acilcarnitin translocaza

9.6.Deficit de carnitina palmitoil transferază-2

Tip autozomal recesiv de moștenire, slăbiciune musculară, mialgie, mioglobinurie, activitate scăzută a carnitinei palmitoiltransferazei-2 în mușchii scheletici

Moștenire de tip autozomal recesiv, complex de simptome miopatice, episoade de letargie și letargie, cardiomiopatie, episoade de hipoglicemie, scăderea nivelului seric de carnitină și creșterea excreției urinare.

După ce am analizat o listă atât de „teribilă” de patologii asociate cu anumite modificări în funcționarea genomului mitocondrial (și nu numai), apar anumite întrebări. Care sunt produsele genelor mitocondriale și la ce procese celulare super-mega-vitale iau parte?

După cum sa dovedit, unele dintre patologiile de mai sus pot apărea din cauza tulburărilor în sinteza a 7 subunități ale complexului NADH dehidrogenază, 2 subunități de ATP sintetază, 3 subunități de citocrom c oxidază și 1 subunitate de ubichinol-citocrom c reductază (citocrom) b) , care sunt produșii genici ai mitocondriilor. Pe baza acestui fapt, putem concluziona că aceste proteine ​​au un rol cheie în procesele de respirație celulară, oxidarea acizilor grași și sinteza ATP, transferul de electroni în sistemul de transport de electroni al membranei interne MT, funcționarea sistemului antioxidant etc.

Judecând după cele mai recente date despre mecanismele apoptozei, mulți oameni de știință au ajuns la concluzia că există un centru de control pentru apoptoză...

Rolul proteinelor mitocondriale a fost demonstrat și în utilizarea antibioticelor care blochează sinteza mitocondrială. Dacă celulele umane din cultura de țesut sunt tratate cu un antibiotic, cum ar fi tetraciclină sau cloramfenicol, creșterea lor se va opri după una sau două diviziuni. Acest lucru se datorează inhibării sintezei proteinelor mitocondriale, ceea ce duce la apariția mitocondriilor defecte și, în consecință, la formarea insuficientă de ATP. Atunci de ce pot fi folosite antibioticele pentru a trata infecțiile bacteriene? Există mai multe răspunsuri la această întrebare:

1. Unele antibiotice (cum ar fi eritromicina) nu trec prin membrana interioară a mitocondriilor mamiferelor.

2. Majoritatea celulelor din corpul nostru nu se divid sau nu se divid foarte lent, asa ca inlocuirea mitocondriilor existente cu altele noi are loc la fel de lent (in multe tesuturi, jumatate din mitocondrii sunt inlocuite in aproximativ cinci zile sau chiar mai mult). Astfel, numărul de mitocondrii normale va scădea la un nivel critic doar dacă blocarea sintezei proteinelor mitocondriale este menținută timp de mai multe zile.

3. Anumite condiții din țesut împiedică anumite medicamente să intre în mitocondriile celor mai sensibile celule. De exemplu, o concentrație mare de Ca2+ în măduva osoasă duce la formarea unui complex de Ca2+-tetraciclină, care nu poate pătrunde în precursorii celulelor sanguine care se divid rapid (și, prin urmare, cei mai vulnerabili).

Acești factori fac posibilă utilizarea unor medicamente care inhibă sinteza proteinelor mitocondriale ca antibiotice în tratamentul animalelor superioare. Doar două dintre aceste medicamente au efecte secundare: tratamentul pe termen lung cu doze mari de cloramfenicol poate duce la perturbarea funcției hematopoietice a măduvei osoase (suprimă formarea globulelor roșii și albe din sânge), iar utilizarea pe termen lung a tetraciclinei poate deteriora epiteliul intestinal. Dar, în ambele cazuri, nu este încă pe deplin clar dacă aceste efecte secundare sunt cauzate de o blocare a biogenezei mitocondriale sau de un alt motiv.

Concluzie

Caracteristicile structurale și funcționale ale genomului mt sunt următoarele. În primul rând, s-a stabilit că ADNmt se transmite de la mamă către toată ea

descendenți și de la fiicele ei la toate generațiile următoare, dar fiii nu își transmit ADN-ul (moștenirea maternă). Caracter matern

moștenirea ADNmt este probabil asociată cu două circumstanțe: fie proporția de ADNmt paternă este atât de mică (nu este transmisă prin linia paternă)

mai mult de o moleculă de ADN la 25 de mii de ADNmt matern), că nu pot fi detectate prin metodele existente, sau după fertilizare replicarea mitocondriilor paterne este blocată. În al doilea rând, absența variabilității combinative - ADNmt aparține doar unuia dintre părinți, prin urmare, evenimentele de recombinare caracteristice ADN-ului nuclear în meioză sunt absente, iar secvența de nucleotide se modifică de la o generație la alta numai din cauza mutațiilor. În al treilea rând, mtDNA nu are introni

(o probabilitate mare ca o mutație aleatorie să afecteze regiunea de codificare a ADN-ului), histonele protectoare și un sistem eficient de reparare a ADN-ului - toate acestea determină o rată de mutație de 10 ori mai mare decât în ​​ADN-ul nuclear. În al patrulea rând, ADNmt normal și mutant pot coexista simultan în interiorul aceleiași celule - fenomenul heteroplasmiei (prezența doar a ADNmt normal sau numai mutant se numește homoplasmie). În cele din urmă, ambele lanțuri sunt transcrise și traduse în mtDNA, iar într-o serie de caracteristici codul genetic al mtDNA diferă de cel universal (UGA codifică triptofan, AUA codifică metionina, AGA și AGG sunt stop-

codoni).

Aceste proprietăți și funcțiile de mai sus ale genomului mt au făcut din studiul variabilității secvenței de nucleotide ADNmt un instrument de neprețuit pentru medici, criminaliști, biologi evoluționiști,

reprezentanţi ai ştiinţei istorice în rezolvarea problemelor lor specifice.

Din 1988, când s-a descoperit că mutațiile genei ADNmt stau la baza miopatiilor mitocondriale (J. Y. Holt și colab., 1988) și a neuropatiei optice ereditare a lui Leber (D. C. Wallace, 1988), identificarea sistematică ulterioară a mutațiilor în genomul mt uman a condus la formarea conceptul de boli mitocondriale (MD). În prezent, mutații patologice ale ADNmt au fost descoperite în fiecare tip de genă mitocondrială.

Bibliografie

1. Skulachev, mitocondrii și oxigen, Soros. educaţie revistă

2. Fundamentele biochimiei: În trei volume, M.: Mir, .

3. Nicholes D. G. Bioenergetics, An Introd. la Chimiosm. Th., Acad. Press, 1982.

4. Stryer L. Biochimie, ed. a II-a. San Francisco, Freeman, 1981.

5. Membrane biologice Skulachev. M., 1989.

6. , Reticulul Chentsov: Structura și unele funcții // Rezultatele științei. Probleme generale de biologie. 1989

7. Citologia Chentsov. M.: Editura Universității de Stat din Moscova, 1995

8. , Domeniul de competență al genomului mitocondrial // Vestn. RAMS, 2001. ‹ 10. P. 31-43.

9. Holt I. J., Harding A. E., Morgan-Hughes I. A. Ştergerea ADN-ului mitocondrial muscular la pacienţii cu miopatii mitocondriale. Nature 1988, 331:717-719.

10. si etc. Genomul uman și genele predispozitive. Sankt Petersburg, 2000

11. , Genomul mitocondrial. Novosibirsk, 1990.

12. // Soros. educaţie revistă 1999. Nr. 10. P.11-17.

13. Rolul simbiozei în evoluția celulară. M., 1983.

14. // Soros. educaţie revistă 1998. Nr. 8. P.2-7.

15. // Soros. educaţie revistă 2000. Nr. 1. P.32-36.

Universitatea Națională din Kiev numită după. Taras Şevcenko

Departamentul de Biologie

Eseu

pe tema:

„Rolul genomului matern în dezvoltarea urmașilor”

CuAcoloenta IVcurs

Departamentul de Biochimie

Frolova Artema

Kiev 2004

Plan:

Introducere................................................. .............................1

Teoria simbiotică a originii mitocondriilor......2

Rolul nucleului celular în biogeneza mitocondrială........................................... ..........5

Sisteme de transport mitocondrial.................................................................. .............. ......7

Mărimea și forma genomilor mitocondriali..................................10

Funcţionarea genomului mitocondrial......14

Importanța de a avea propriul său sistem genetic pentru mitocondrii........................................ ...........................................................19

Moștenirea citoplasmatică..................................20

Transcrierea prezentării

Sindromul Leber: LHON (1871) pierderea vederii moștenită maternal apare la persoanele cu vârsta de 20-30 de ani din cauza atrofiei nervului optic și a degenerării stratului de celule ganglionare al retinei. Boala este asociată cu o mutație transmisă maternal a ADN-ului mitocondrial în una dintre genele ND (complexul I). În 70% din cazuri este G11778A(ND4), iar în Japonia în 90% din cazuri, în 13% din cazuri este G3460A (ND1); în 14% din cazuri T14484C (ND6) Mutația este în stare homoplasmatică

634 bp Diagnosticul ADN al sindromului Leber în familia N a fost efectuat de noi pentru prima dată în 2006 G11778 G11778A înlocuire proband cu sindromul Leber soră sănătoasă persoană mamă proband

În 80-85% din cazuri, bărbații sunt afectați (cromozomul X poartă un fel de locus de sensibilitate?) Doar 50% dintre bărbați și 10% dintre femeile care poartă mutații ale complexului I patogen suferă de fapt pierderea vederii? Cel mai adesea, mutațiile care conduc la sindromul Leber apar în haplogrupul J ADNmt; Acest grup este purtat de aproximativ 15% dintre europeni?? Există factori suplimentari implicați în formarea bolii (???)

Cea mai frecventă mutație punctiformă: A3243G în ARNt de leucină Găsită la majoritatea pacienților cu sindrom MELAS episoade asemănătoare accidentului vascular cerebral Miopatie acidoză lactică encefalopatie Mutația apare exclusiv în stare heteroplasmatică În unele familii A3243G provoacă predominant cardiomiopatie, în altele diabet și surditate, în altele PEO , în al patrulea rând - encefalopatie???

Am testat sindromul MELAS în 2007. Mamă: o femeie fenotipic sănătoasă I căsătorie ZPR. A murit brusc după o rănire Mitocondriopatie?? O mutație MELAS a fost descoperită la fiu (80% din moleculele mutante din sânge) și la mamă (40%)

ARN (continuare) Mutația A8344G în gena ARNt al lizinei la un nivel de molecule mutante > 85% duce la sindromul MERRF: Mioclon-epilepsie; fibre musculare roșii „rupte”; retard mintal; ataxie; atrofia musculară etc. Mamele pacienților sunt de obicei sănătoase din punct de vedere fenotipic sau au simptome ușoare Mutația reduce drastic eficiența translației în organism și provoacă astfel o deficiență a lanțului respirator

Cea mai frecventă mutație a genei ARNr 12S A1555G Provoacă hipoacuzie non-sindromică datorită sensibilității purtătorilor de mutații la aminoglicozide ototoxice Alte mutații ale genelor 12S și 16S provoacă cardiomiopatie, ataxie, MELAS, diabet zaharat, pierderea auzului neurosenzorial.

NARP (neuropathy ataxie and retinitis pigmentosa) Mutație în gena ATPaza6 - transversie T - G la nucleotida 8993 (70-90% din ADN mutant) T8993G: leucina este înlocuită cu arginină în ATPaza6, ceea ce duce la deteriorarea sintezei ATP Dacă proporția de ADNmt este mai mare de 90%, manifestările clinice sunt observate mai devreme și simptomele sunt mai severe severe: encefalopatie necrozantă subacută cu caracteristici ale sindromului Leigh (LS)

Boala neurodegenerativă: - leziuni necrotice simetrice în zonele subcorticale ale sistemului nervos central - ganglionii bazali, talamus, trunchiul cerebral, măduva spinării; - demielinizare, proliferare vasculară și „glioză”; - regresie motorie si psihica, ataxie, distonie, respiratie anormala Boala debuteaza in prima copilarie, mai rar la varsta adulta; Moartea apare de obicei la doi ani de la debutul bolii

ADN (MILS) 7/10 cazuri – mutații recesive ale genelor autozomale nucleare care codifică subunități ale lanțului respirator sau proteine ​​implicate în asamblarea acestuia ATPaza 6 LS 1/10 cazuri – mutații ale cromozomului X PDHC

Cauza este o ștergere mare de 5 kb. Se pierd 5 gene ARNt și 5 gene proteice KSS - o patologie multisistem fatală, se manifestă la vârsta de 4-18 ani: CPEO, retinită pigmentară, ataxie, surditate, disfuncție endocrină, bloc cardiac atrioventricular, niveluri crescute de proteine ​​în lichidul cefalorahidian peste 100 mg/dl, fibre „zdrențuite” în mușchii scheletici Deleția nu este moștenită

2 sindroame: Sindromul Pearson – PS Anemia hipoplazică, afectarea funcției exocrine a pancreasului Sindromul PEO – Oftalmoplegie externă progresivă Toate cele trei sindroame sunt sporadice, formate în funcție de segregarea ADNmt mutant cu acumulare în diferite țesuturi

P.n. în loc de KSS fatal, se poate observa PEO Oftalmoplegie externă progresivă, ptoză Patologia este asociată cu paralizia mușchilor extraoculari externi Procentul de molecule mutante în acest caz este mai mic decât în ​​sindromul KSS, sindromul nu este asociat cu o amenințare la adresa Viața pacientului Din punct de vedere biochimic, defecte ale enzimelor lanțului respirator se găsesc în mușchi, în special citocrom oxidaza

Depletie -MDS 1 - 30% din cantitatea normala de mtDNA ramane in celule Sindromul se manifesta in primele saptamani dupa nastere: hepatopatie fatala; miopatie cu hipotensiune generalizată; cardiomiopatie cu convulsii (sindrom de-Toni-Debreu-Fanconi); atrofia grupelor musculare proximale; pierderea reflexelor tendinoase. Moartea apare în cazuri severe în primul an de viață

Genele lanțului respirator LHON LHON+distonie Miopatie sporadică Miopatie sporadică Encefalomiopatie Miopatie sporadică NARP MILS FBSN M I Sindrom Ley Leucodistrofie Sindrom Ley Cardioencefalopatie Leucodistrofie/tubulopatie Sindrom Ley Paragangliom

Anomalii mitocondriale? Dacă simptomele sunt clare, extrageți sânge dintr-o venă și faceți un test PCR pentru mutații punctuale sau ștergeri Dacă rezultatul testului de sânge este negativ, aceasta nu înseamnă absența bolii (heteroplasmie!) Trebuie să faceți o biopsie: un test muscular sau cutanat la adulți la copii Pentru teste non-invazive utilizați sediment de urină, răzuire a suprafeței interioare a obrazului, mai rar foliculii de păr

Anomalii mitocondriale? (2) Mușchiul proaspăt este analizat histologic și histochimic. Măsurătorile sunt efectuate ale activității legăturilor individuale ale complexelor de lanț respirator, sunt evidențiate prin colorarea activității succinat dehidrogenazei sau folosind mușchiul proaspăt al culturii de fibroblaste cu „coloră tricrom”. Dacă este detectat un defect într-o legătură, aceasta indică o mutație a subunității corespunzătoare (i sau m), dacă defectele sunt multiple, este posibil un defect în mtRNA sau genele nucleare implicate în funcționarea mitocondriilor.

Anomalii mitocondriale? (3) Uneori defectul se manifestă în timpul efortului (sindrom NARP datorat mutației genei ATPase6) - este necesară testarea clinică: exercițiu fizic cu măsurători de lactat, rezonanță magnetică sau spectroscopie în infraroșu În cele din urmă, în cazul nedescrise încă, rare Mutații „private”, se efectuează secvențierea directă a ADNmt

Boli care implică diferite organe și manifestarea simultană a unor anomalii aparent neînrudite Oftalmoplegie externă cu tulburări de conducere a mușchilor cardiaci și ataxie cerebeloasă Migrene cu slăbiciune musculară Encefalomiopatie cu diabet Greață, vărsături cu atrofie optică și cardiomiopatie Diabet cu surditate Surditate și staturopatie scurtă cu staturopatie externă cu miopatie și episoade asemănătoare accidentului vascular cerebral Disfuncție pancreatică exocrină cu anemie sideroblastică Întârziere în dezvoltare sau pierderea abilităților și oftalmoplegie, oftalmopareză

Boli mitocondriale? Frecvența encefalopatiilor mitocondriale este determinată a fi de aproximativ 1: 11.000 Frecvența totală a bolilor mitocondriale este de 1: 8.000 Vârsta de manifestare a bolilor mitocondriale variază foarte mult ~ 50% după 5 ani ~ 50% înainte de 5 ani Mortalitatea din bolile mitocondriale este de 5 ani. -20% pe an de la data manifestarii

Mitocondriopatie, apoi după ce suferă de boli infecțioase, starea lui se poate agrava brusc, de asemenea, starea este agravată de stres, post, hipotermie, imobilitate prelungită, folosiți anestezie locală și generală cu prudență!

Boli – cât de realist este acest lucru? Abordare farmacologică Vitamine, cofactori, captatori de radicali liberi - pentru a preveni deteriorarea lanțului respirator Cel mai de succes exemplu este dicloracetatul, utilizat pentru reducerea acidozei lactice la pacienții cu MELAS Succesul este parțial și temporar, de cele mai multe ori terapia este ineficientă

Boli (2) O altă abordare este reducerea raportului ADNmt mutant: normal I. Creșterea numărului de molecule non-mutante prin „deplasarea genelor” De obicei, celulele satelit proliferează și fuzionează cu miofibrilele scheletice ca răspuns la stres sau la efort Unii pacienți cu miopatie au un % mai mic de ADNmt mutant în celulele satelit decât în ​​mușchiul scheletic Proporția de molecule normale de ADNmt în mușchi a crescut, defectul a fost corectat Se induce proliferarea celulelor satelit în mușchii scheletici

Boli (3) II Reducerea numărului de molecule mutante de ADNmt Dezvoltarea moleculelor sintetice care se leagă selectiv de ADN-ul mutant și blochează replicarea acestora Introducerea unei enzime de restricție în mitocondrii care distruge selectiv ADN-ul mutant Succesul a fost obținut până acum doar in vitro.

Boli (4) „Reconstrucție intracelulară moleculară” Import de ARNt normale din citoplasmă în locul celor mitocondriale defecte Înlocuirea complexului respirator defect. lanțuri la unul normal obținut dintr-un alt organism (drojdie) Transplantul nucleului ovulului din citoplasma mutantă la cel normal Toate aceste abordări sunt în stadiul de dezvoltare experimentală

Boli – cât de realist este acest lucru? Este imposibil să se vindece boala mitocondrială astăzi. Se utilizează tratament simptomatic: Kinetoterapie, gimnastică aerobă, exerciții fizice moderate și ușoare. gastrotomie endoscopică, miotomie cricofaringiană Chirurgical

Boli mitocondriale sau agravează cursul acestora Valproat: crește frecvența convulsiilor în MELAS, hepatotoxice Aspirina, fenobarbital Corticosteroizi Tetraciclină, cloramfenicol Aminoglicozide streptomicina, gentamicina, amikacina, neomicina, kanamicina - otoprovocarea Etambutolului Manifestarea statică (LH) MELAS) Medicamente antiretrovirale: AZT – zidovudina, doxorubicină provoacă epuizarea ADNmt Lista este departe de a fi completă!

Incarca mai mult...

Trimiteți-vă munca bună în baza de cunoștințe este simplu. Utilizați formularul de mai jos

Studenții, studenții absolvenți, tinerii oameni de știință care folosesc baza de cunoștințe în studiile și munca lor vă vor fi foarte recunoscători.

postat pe http://www.allbest.ru/

Genetica mitocondrială

1. Genetica formală a mitocondriilor

Spre deosebire de plastide, mitocondriile se găsesc în toate eucariotele: plante, animale și ciuperci. Mitocondriile din toate cele trei regate îndeplinesc aceeași funcție, iar structura lor este în general similară. Mitocondriile sunt structuri rotunde cu dimensiuni de la 1 micron (Fig. 1).

Orez. 1 Micrografie electronică a mitocondriilor mezofilei frunzelor

Cu toate acestea, în unele cazuri, mitocondriile pot fi combinate într-o structură tubulară curbă destul de lungă. Conținutul intern al mitocondriilor se numește matrice. Matricea conține fibrile și granule subțiri. S-a constatat că granulele sunt ribozomi mitocondriali, care diferă ca mărime și densitate de ribozomii citoplasmei. Mitocondriile, ca și alte organele, sunt înconjurate de o membrană dublă exterioară. Membrana exterioară a mitocondriilor este similară cu membrana exterioară a plastidelor, nucleul și membrana reticulului endoplasmatic. Membrana interioară a mitocondriilor formează invaginări - cristae. Pe suprafața membranei interioare se află toate principalele ansambluri de enzime care asigură funcțiile mitocondriilor. Există metode pentru separarea membranelor interioare și exterioare ale mitocondriilor. Deoarece membrana exterioară a mitocondriilor este mai puțin densă și se umflă ireversibil într-o soluție de fosfat, aceasta duce la ruperea și separarea acesteia de cea interioară. După tratarea mitocondriilor izolate cu fosfat, membranele exterioare și interioare ale acestor organite pot fi separate prin centrifugare. Dacă le privești cu un microscop electronic, arată ca niște sfere goale transparente, iar volumul sferei formate de membrana interioară este mult mai mare decât volumul sferei membranei exterioare. Prin urmare, structura volumetrică a mitocondriilor este ușor de imaginat ca o minge mare plasată în interiorul unei mingi mici. În acest caz, la nivelul membranei interioare vor apărea numeroase pliuri, așa-numitele cristae. Activitatea proceselor care au loc în mitocondrii este direct legată de numărul și dimensiunea cristelor. Cu cât suprafața cristei și, în consecință, suprafața membranei interioare este mai mare, cu atât aceste procese sunt mai active. În consecință, membrana interioară a mitocondriilor își modifică dimensiunea în funcție de starea funcțională a organelelor.

Membranele interioare și exterioare diferă în densitate (cea interioară este mai densă), în permeabilitate (cea interioară are o permeabilitate foarte specifică, cea exterioară are permeabilitate nespecifică), diferite compoziții de enzime și diferite rapoarte de proteine ​​​​și lipide.

Membrana interioară a mitocondriilor este unică în structura sa. Conține complexe proteine-enzime multicomponente care efectuează transferul de electroni, fosfolarea oxidativă, sinteza lanțului de acizi grași, precum și proteine ​​care reglează transferul de molecule mici în cavitatea internă a mitocondriilor.

Mitocondriile, ca și plastidele, nu apar niciodată „de novo”. Chiar și organismele care trăiesc în condiții anaerobe au structuri similare cu mitocondriile. Dacă, de exemplu, aceeași tulpină de drojdie este cultivată în condiții aerobe și anaerobe, atunci în celulele crescute în condiții anaerobe dimensiunea mitocondriilor se modifică, dar numărul lor nu scade.

Divizarea mitocondriilor, la fel ca plastidele, se realizează folosind amitoză, cu formarea unor figuri în formă de gantere și legarea lor ulterioară.

În unele cazuri, a fost posibil să se demonstreze sincronicitatea diviziunii mitocondriale cu nucleul celulei și distribuția lor destul de precisă între celulele fiice din unele obiecte biologice. Astfel, la ciliați, se arată sincronia completă a diviziunii mitocondriale împreună cu nucleul celular. În celulele vegetale care se divid mitotic și în spermatocitele de viermi rotunzi, s-a demonstrat că mitocondriile sunt distribuite destul de precis de-a lungul fusului.

Din punct de vedere istoric, aproape toată genetica mitocondrială formală a fost studiată în ciuperci și în principal în drojdie. În alte organisme există doar fapte izolate de legătură a anumitor caracteristici cu mitocondriile. Ciclul de viață al drojdiei este prezentat în figură

Orez. 2 Ciclul de viață Saccharomyces cerevisiae

Drojdia este un organism unicelular, dar multinucleat. Își petrec o parte semnificativă a vieții în haplofază și, prin urmare, nucleii lor sunt haploizi. Clonele haploide care au factori de sex opus (sau tipuri de încrucișare), AȘi A, pot fuziona unele cu altele. Clonele haploide cu aceleași tipuri de încrucișare nu pot participa la fertilizare. După fertilizare, nucleii fuzionează și se formează clone diploide. În clonele diploide, apar sporularea și meioza, se formează un ascus, dând naștere la clone haploide de două tipuri opuse de încrucișare AȘi A in proportii egale. Desigur, genele mendeliane simple vor fi împărțite în același mod ca gena care controlează factorul sexual, adică. va oferi o împărțire 1:1.

Drojdia în faza zigotică este heterozigotă și se poate reproduce în două moduri: vegetativă și generativă. În timpul înmulțirii vegetative, pur și simplu se divid și mai multe nuclee diploide intră în celulele rezultate. În plus, înmulțirea vegetativă poate avea loc și prin înmugurire. În mugurii formați, nucleii sunt și diploizi. Desigur, în timpul reproducerii vegetative nu are loc divizarea genelor nucleare - heterozigoții rămân heterozigoți.

În timpul reproducerii generative, apare meioza și se formează celule cu nuclei haploizi, numite ascospori. Ascosporii sunt haploizi și se împart într-un număr egal de ascospori cu alele dominante și recesive, de exemplu. 1:1.

Astfel, dacă nu se observă segregarea 1:1, atunci aceasta ne-ar putea indica că aceste gene sunt posibil non-mendeliane și, prin urmare, posibil citoplasmatice.

Existența unui mutant extranuclear în drojdie a fost demonstrată pentru prima dată de cercetătorul francez B. Effrussi în 1949. Acești mutanți prezentau defecte respiratorii și o creștere slabă. Nu conțineau niște citocromi. Astfel de mutanți ar putea fi obținuți în cantități mari (uneori până la 100%) sub influența coloranților de acridină. Dar pot apărea și spontan cu o frecvență de până la 1%. Acești mutanți se numesc „ minion", de la cuvântul francez pentru „mic”.

Când acești mutanți au fost încrucișați cu tulpini normale, toți descendenții au fost normali fără excepție. Deși pentru alți markeri genetici, cum ar fi nevoia de adenină și tiamină, împărțirea în factori de tip sexual a fost normală - 1:1.

Dacă selectați aleatoriu celule din prima generație de hibrizi și le încrucișați din nou cu mutanți minion, toți urmașii au fost din nou normali, deși uneori au apărut descendenți mutanți rari cu o frecvență mai mică de 1%. Acestea. au apărut aproape cu aceeași frecvență ca și apariția spontană a acestor mutanți. A fost posibil să se selecteze din nou acești hibrizi și să îi încrucișeze cu alții normali cu același rezultat. Dacă presupunem că acestea sunt mutații ale genelor nucleare, atunci aceasta ar putea fi reprezentată ca rezultat al divizării la 20 de loci independenți. Apariția unui mutant cu mutație simultană în 20 de loci este un eveniment aproape incredibil.

R. Wright și D. Lederberg au obținut dovezi convingătoare că acești mutanți nu sunt nucleari. Designul experimentului lor a fost după cum urmează. Când celulele de drojdie se contopesc, nucleii nu fuzionează imediat, iar în acest moment pot fi depuși muguri care conțin încă nuclee haploide atât de la unul cât și de la celălalt părinte. Astfel de muguri haploizi se diploidizează spontan (A --> AA; a --> aa). Dacă o tulpină, de exemplu, cu o mutație minion marcat de incapacitatea de a crește pe arginină, iar al doilea - nu minion, este marcat de incapacitatea de a crește pe triptofan, apoi prin selectarea mugurilor din astfel de hibrizi, selectăm tulpini parentale pe baza genelor nucleare. Ce se întâmplă cu cele citoplasmatice? Ca rezultat al experimentului lui R. Wright și D. Lederberg, au fost dezvăluite următoarele. Din 91 de clone, s-au găsit 6 clone care aveau același nucleu ca non-clonele. minion mutant, dar fenotipul este tipic minion. În consecință, acest fenotip este determinat nu de nucleu, ci independent de acesta, iar această mutație ar putea fi numită non-nucleară.

Ulterior au fost descoperite mutații nucleare minion. În total, aproximativ 20 de astfel de mutanți au fost descoperiți, toți s-au mendelizat în mod normal, iar descendenții ascosporilor au dat un clivaj normal de 2:2, deși fenotipic erau foarte asemănători cu mutanții citoplasmatici. La traversarea citoplasmatică minion cu cele nucleare, s-a descoperit că zigoții dobândesc capacitatea de a respira normal, iar apoi se produce scindarea 2: Astfel, testul de completare a demonstrat că avem de-a face cu mutanți de localizare diferită. Descoperirea mutanților nucleari și citoplasmatici cu funcție mitocondrială afectată a indicat, de asemenea, că nu toate funcțiile acestor organite sunt codificate de gene citoplasmatice. Unele dintre ele codifică gene nucleare.

Ulterior, B. Effrussi a descoperit un alt fenotip similar ca minion, dar moștenirea acestei mutații s-a produs într-un mod diferit. Când încrucișați mutanți minion cu celule normale, toți descendenții au dobândit proprietatea de a crește lent, iar împărțirea a fost de 0:4. Primul tip de mutanți citoplasmatici, care au produs numai descendenți normali, a fost așadar numit neutru, iar al doilea, care a produs numai mutanți, a fost numit supresiv sau dominant, minion. Supresivitatea în acest caz este un fel de dominație. Dar acesta este un tip special de dominanță, atunci când alela recesivă nu este doar ascunsă în heterozigot, ea pur și simplu dispare complet. Numeroase experimente au arătat că mutanții supresivi minion sunt și citoplasmatice, deoarece factorii care provoacă apariția lor nu sunt moșteniți împreună cu nucleul.

Studiile moleculare ulterioare au arătat că mutanții supresivi minion spre deosebire de cele neutre, au molecule de ADN mitocondrial mai scurte, constând aproape exclusiv din perechi AT. Cel mai probabil, efectul supresor se bazează pe proliferarea mai rapidă a unui astfel de ADN mitocondrial și, ca urmare, deplasarea ADN-ului mitocondrial normal.

Astfel, la mutanții citoplasmatici de tip minion există fie deleții relativ mici în ADN-ul mitocondrial (mutanți neutri minion), sau rearanjamente totale ale genomului mitocondrial - (mutanți supresori minion).

În plus, au fost descoperiți mutanți cu suprimare incompletă, adică. capacitatea de a produce un anumit procent de indivizi de tip normal - 10, 20, 30 și chiar aproximativ 50 la sută.

S-a dovedit că gradul de suprimare depinde de influențele mediului extern - temperatură, substrat etc. Mutanții nucleari nu au arătat o astfel de dependență, ceea ce a făcut posibilă distingerea între citoplasmatice incomplet supresive minion din nucleare.

După obținerea datelor privind mutanții de rezistență la antibiotice citoplasmatice la Chlamydomonas, au început să se obțină mutații de rezistență la antibiotice la drojdie. Un număr de astfel de mutanți s-au dovedit a fi, de asemenea, citoplasmatici. Când se încrucișează, de exemplu, sensibil la eritromicină cu rezistent la eritromicină ER-uriXERr, toți descendenții au fost sensibili la eritromicină Ers(adică la fel ca tipul sălbatic) și nu a avut loc nicio scindare. Același rezultat a fost demonstrat cu mutanții rezistenți la alte antibiotice. Cu toate acestea, dacă mugurii sunt selectați imediat după formarea zigotului, atunci pot fi găsite fenotipuri mutante printre aceștia.

În traversarea dihibridă, i.e. la încrucișarea a doi mutanți citoplasmatici sensibili la diferite antibiotice, de exemplu, rezistenți la cloramfenicol, dar sensibili la eritromicină cu sensibili la cloramfenicol, dar rezistenți la eritromicină CrER-uriXCsERr, fenotipul doar unuia dintre părinți a predominat la urmași - CrER-uri. În același timp, la selectarea din muguri imediat după fertilizare, s-au descoperit nu numai clase parentale de fenotipuri, ci și recombinante: CrERrȘiCsER-uri, acestea. sensibile sau rezistente la ambele antibiotice. Prezența recombinantelor a arătat pentru prima dată că genele mitocondriale se pot recombina în același mod ca și cele nucleare. În același timp, spre deosebire de experimentele privind recombinarea genelor plastidelor la Chlamydomonas, polaritatea recombinarii a fost descoperită în drojdie, adică. număr inegal de fenotipuri recombinate în funcție de direcția de încrucișare. Polaritatea recombinării a fost explicată ca prezența unui factor sexual genetic special în genomul mitocondrial. Acest factor a fost desemnat ca u+ și u-. Forma părinte având factorul u+, i.e. părintele feminin asigură transmiterea preferențială (frecvență mai mare de transmitere) a markerilor săi. La încrucișarea părinților de același sex pentru acest factor mitocondrial, polaritatea de recombinare nu este observată și se obține un număr egal de recombinanți. Factorul sexual al mitocondriilor în sine este moștenit indiferent de sexul organismului.

În realitate, organele citoplasmatice - mitocondriile în sensul general acceptat - fac sex? Putem presupune că există dacă credem că E. coli o are.

Dar principalul lucru a fost că, cu ajutorul multor mutații obținute și cu detectarea recombinării genelor mitocondriale, maparea lor a devenit posibilă.

În experimente privind mutațiile încrucișate ca minion cu mutații de rezistență la antibiotice, s-a constatat că cel puțin toate mutațiile supresive minion Genele de rezistență la antibiotice se pierd în încrucișări. S-a demonstrat că acest lucru se întâmplă din cauză că este supresiv minion au zone extinse de deteriorare a ADN-ului mitocondrial și, în acest caz, este pur și simplu imposibil de așteptat la recombinare. Când mutații ale insuficienței respiratorii au fost induse la mutanți cu rezistență la anumite antibiotice, s-a dovedit că markerii de rezistență s-au pierdut uneori. Atunci când se produc mutanți cu insuficiență respiratorie folosind mutanți cu rezistență dublă la antibiotice ca formă inițială, mutanții rezultați cu defecte în respirație ar putea pierde ambii markeri de rezistență sau doar unul dintre ei. Acest lucru a sugerat că mutanții insuficienței respiratorii au reprezentat un anumit grad de ștergere a ADN-ului mitocondrial și, prin urmare, acest lucru ar putea fi folosit și pentru a mapa genomul mitocondrial.

În Neurospora, în 1952, K. Mitchell a descoperit primul mutant cu creștere lentă, numit ulterior MI-1 (abreviere pentru „moștenirea maternă” în engleză - maternă moştenire). Moștenirea acestei mutații a avut loc în funcție de direcția de încrucișare și toți descendenții au fost la fel ca fenotip ca și forma maternă. Acest lucru se întâmplă probabil deoarece gametul masculin din Neurospora nu contribuie cu citoplasmă în timpul fertilizării. Legătura dintre această mutație care apare spontan cu mitocondriile a fost indicată nu numai de moștenirea maternă și diferențele de încrucișări reciproce, ci și de faptul că le lipseau citocromi. AȘi bîn sistemul de transfer de electroni.

Ulterior, au fost obținute și alte tulpini de Neurospora cu creștere lentă asociate cu insuficiența respiratorie mitocondrială. Unii dintre ei, de exemplu, sunt mutanți MI-3 Și MI-4, după cum sa dovedit, ei au fost moșteniți în același mod ca mutantul MI-1, în timp ce cealaltă parte, de exemplu, sunt mutanți S115Și S117 a prezentat moștenire monohibridă mendeliană normală. Acest lucru amintește de alte cazuri similare în care fenotipul organelelor, cloroplastelor și mitocondriilor se modifică atunci când apar atât mutații nucleare, cât și citoplasmatice, indicând faptul că atât sistemele genetice citoplasmatice, cât și cele nucleare le controlează împreună funcțiile.

Ulterior, au fost descoperite mai multe gene supresoare, a căror introducere a restabilit rata de creștere la mutanții cu creștere lentă. Este interesant de observat că fiecare dintre acești supresori a restabilit rata de creștere doar la unul dintre mutanți. De exemplu, o genă supresoare numită f, a restabilit rata de creștere a mutantului citoplasmatic MI-1, dar nu și în celălalt mutant citoplasmatic MI-3 sau MI-4, și nu în mutanții nucleari S115Și S117. Alți supresori au acționat în mod similar. Dacă, după multe generații, genele supresoare sunt îndepărtate din ciuperci prin încrucișare, va apărea din nou fenotipul citoplasmatic mutant. O interacțiune similară a genelor nucleare și citoplasmatice poate fi observată la plantele superioare, de exemplu, în timpul moștenirii trăsăturii de sterilitate masculină la multe plante.

La încrucișarea mutanților nucleari și citoplasmatici cu creștere lentă între ei, a fost demonstrată moștenirea independentă a genelor nucleare și citoplasmatice.

De exemplu, atunci când încrucișați tipul sălbatic x (MI-1 xS115) urmașii F 1 (MI-1 xS115) a fost omogen din punct de vedere fenotipic - toți indivizii aveau o creștere lentă, iar descendenții de întoarcere sau încrucișări de testare au fost de tip sălbatic x (MI-1 xS115) nu mai conținea mutații MI-1 și împărțite de-a lungul genei nucleare S-115într-un raport de 1:1.

Încrucișarea mutanților citoplasmatici între ei nu a dat rezultate noi, deoarece mutanții citoplasmatici, cel puțin în Neurospora, demonstrează moștenirea strict maternă în timpul reproducerii sexuale. Între timp, diferiți mutanți citoplasmatici, deși aveau în principiu același fenotip - creștere lentă - diferențe fenotipice între ei au putut fi încă detectați, deoarece aveau grade diferite de creștere lentă. Cu toate acestea, moștenirea maternă strictă în timpul reproducerii sexuale nu a permis combinarea a două mutații citoplasmatice într-un citoget (heterozigot citoplasmatic), ceea ce a făcut imposibilă recombinarea genelor citoplasmatice și, în consecință, maparea lor.

O cale de ieșire din această situație a fost găsită prin fuziunea hifelor neurosporei, care a făcut posibilă combinarea diferitelor genomi nucleari și nenucleari într-o singură celulă.

La crearea diferitelor cytogets, s-au obținut următoarele rezultate:

MI-1 / tip sălbatic -- toți descendenții sunt doar de tip sălbatic;

MI-3 / tip sălbatic - parte a descendenților tipului sălbatic, iar cealaltă parte crește cu viteza caracteristică mutantului MI-3;

MI-1 / MI-Z-- majoritatea descendenților cu fenotipul MI-3 și o proporție mică de descendenți cu fenotipul MI-1;

MI-1 / MI-4 -- inițial un fenotip de tip sălbatic, apoi împărțit în fenotipuri MI-1 Și MI-4.

Astfel, în acest din urmă caz, a fost detectată complementarea mutațiilor citoplasmatice, indicând faptul că aceste mutații au apărut în diferite regiuni ale genomului mitocondrial.

Ulterior, au fost obținute și alte mutații citoplasmatice ale Neurosporei. Metoda de fuziune a hifelor și producerea de cytogets a făcut posibilă speranța pentru producerea diverșilor recombinanți și construirea ulterioară a unei hărți genetice a Neurosporei. Cu toate acestea, acest lucru a fost îngreunat de faptul că Neurospora nu a produs o mare varietate de mutații citoplasmatice, cum ar fi în Chlamydomonas sau drojdie.

Ulterior, diferite mutații non-cromozomiale obținute de la Neurospora au fost studiate folosind metode de biologie moleculară și au putut fi asociate cu genomul mitocondrial.

Într-o altă ciupercă Podospore a fost descoperită o mutație care provoacă fenomenul de îmbătrânire prematură. La mutanți, viabilitatea culturii a scăzut treptat la reînsămânțare. Cu încrucișări reciproce s-a clarificat natura maternă a moștenirii fenomenului de îmbătrânire. Cu toate acestea, moștenirea maternă a fost incompletă. Trăsătura se transmite atât pe cale sexuală, cât și prin micelii de legătură. Prezența scindării, deși neregulată, indică natura corpusculară a moștenirii trăsăturii. Au fost efectuate destule cercetări pentru a arăta că acesta nu este un agent infecțios, ci o genă mitocondrială. Deși în prezent nu sunt disponibile date moleculare complete, este deja clar că acestea sunt și mutații ale genomului mitocondrial. Prezența genei îmbătrânirii în genomul mitocondrial a dat naștere multor speculații pe subiecte gerontologice, iar unii medici consideră că îmbătrânirea la om este asociată nu numai cu modificări ale funcțiilor mitocondriilor, ci și cu modificări ale genomului lor.

În ciuda naturii speculative a ideii unei legături între procesele gerontologice la oameni și modificările ADN-ului mitocondrial, noi date privind studiul variabilității genomului mitocondrial uman confirmă acest lucru.

Din cele mai vechi timpuri, la oameni au fost cunoscute un număr destul de mare de boli care sunt moștenite de-a lungul liniei materne - de la mamă la toți descendenții. Aceste boli sunt destul de rare, probabil din cauza faptului că se transmit doar de sexul feminin. În plus, modificările mari ale ștergerii ADN-ului mitocondrial, desigur, conduc cel mai adesea fie la moarte în perioada embrionară, fie la afectarea funcțiilor reproductive. În orice caz, ele sunt efectiv măturate de selecția naturală.

Abordarea genetică formală, care a fost destul de bine aplicată studiului genelor citoplasmatice în obiecte model (Chlamydomonas, drojdie etc.), nu a avut atât de mult succes pentru analiza trăsăturilor moștenite citoplasmatic la oameni și, prin urmare, cel mai mult care a putut fi învățat. din analiza pedigree-urilor a fost că astfel de boli ereditare mai există.

Pe lângă cunoscutul sindrom de atrofie a nervului optic (boala Leber sau neuropatia optică ereditară), există și alte boli moștenite în mod extranuclear. Aceste boli sunt asociate, în primul rând, cu disfuncții ale mușchilor, creierului, inimii, sistemelor endocrine și sunt asociate cu funcția mitocondrială insuficient activă în anumite organe. Există chiar și o formă de diabet mediată mitocondrial.

Numai cu ajutorul metodelor moleculare a fost posibilă identificarea naturii acestor boli. Un studiu asupra diferitelor familii cu boala Leber a arătat că în diferite cazuri există mutații în diferite părți ale genomului mitocondrial.

Cel mai adesea, familiile cu boli citoplasmatice ereditare prezintă heteroplasmie, iar mamele au ADN mitocondrial atât normal, cât și mutant, rezultând urmași cu plasmatipuri atât mutante, cât și normale.

Relația dintre vârsta umană și ADN-ul mitocondrial a fost, de asemenea, demonstrată folosind tehnici de biologie moleculară. Studiile asupra ADN-ului mitocondrial la persoane de diferite vârste au arătat că la persoanele în vârstă procentul de ADN mitocondrial mutant în celulele creierului și inimii crește rapid. În plus, studiile asupra unor sindroame ereditare arată că pacienții cu acestea au și o frecvență crescută a mutațiilor ADN mitocondrial, ceea ce poate fi motivul reducerii speranței de viață.

Pe lângă mutațiile genomului mitocondrial, care duc la patologii grave ale corpului, au fost descoperite multe mutații destul de neutre ale genomului mitocondrial în rândul diferitelor populații de rase umane. Aceste studii ample asupra a mii de oameni de pe toate continentele ajută la reconstruirea originilor și evoluției omului. Comparând ADN-ul mitocondrial uman cu cel al maimuțelor (gorile, urangutan, cimpanzeu) și presupunând că divergența dintre oameni și maimuțe a avut loc acum aproximativ 13 milioane de ani, este posibil să se calculeze numărul de ani necesari pentru ca o singură pereche de baze să se schimbe. Ulterior, prin compararea divergenței ADN-ului mitocondrial în diferite rase umane, a fost posibil să se determine locul nașterii primei femei, s-ar putea spune Eva, și momentul așezării umane pe diferite continente (Fig. 3).

postat pe http://www.allbest.ru/

Orez. 3 Aşezarea umană, conform lui D. Wallace, bazată pe analiza variabilităţii ADN mitocondrial. Cifrele indică momentul așezării acestui teritoriu în urmă cu mii de ani.

Deoarece cel mai variabil ADN mitocondrial a fost găsit printre aborigenii din Africa, se poate presupune că „înaintea” rasei umane a fost o femeie africană. Acest lucru s-a întâmplat acum aproximativ 100.000 de ani. Cu aproximativ 70.000 de ani în urmă, oamenii au început să populeze Asia Centrală prin Orientul Mijlociu și Arabia Saudită, iar puțin mai târziu în Asia de Sud-Est, Indonezia și Australia. În urmă cu aproximativ 50.000 de ani, oamenii au apărut în Europa. Aceleași date au arătat că așezarea continentului american s-a produs în două etape: mai întâi în urmă cu 30.000 de ani prin Berengia (tărâmul care exista la acea vreme care leagă America și Asia) de la nord până la sudul continentului american și apoi 8.000 de ani. cu ani în urmă tot din Asia de Nord-Est până în estul Americii de Nord. Coloniștii din Insulele Pacificului au apărut relativ recent - în urmă cu câteva mii de ani.

Trebuie remarcat faptul că aceste date, bazate pe o analiză comparativă a ADN-ului mitocondrial, sunt în acord destul de bun atât cu datele arheologice, cât și cu analiza lingvistică.

Utilizarea ADN-ului mitocondrial pentru a analiza istoria omenirii a devenit posibilă deoarece genomul mitocondrial este relativ mic ca dimensiune, este moștenit exclusiv prin linia maternă și, spre deosebire de genele nucleare, nu se recombină.

Genomul mitocondrial

Mitocondriile se găsesc nu numai în celulele vegetale, ci și în celulele animale și fungice. Aceste organite sunt mai versatile decât plastidele. ADN-ul în mitocondrii a fost descoperit pentru prima dată în 1963 (M. Naas) imediat după descoperirea ADN-ului în plastide. În ciuda asemănării funcțiilor și structurii mitocondriilor în toate cele trei regate ale eucariotelor, organizarea lor genetică este destul de diferită, așa că de obicei organizarea genomilor mitocondriali în aceste regate este luată în considerare separat, identificând caracteristicile comune ale organizării genomului.

Compoziția fizico-chimică a ADN-ului mitocondrial este diferită în diferite regate. La plante este destul de constant: de la 45 la 47% din ADN este format din perechi GC. La animale și ciuperci, variază mai semnificativ: de la 21 la 50% din perechile de HC.

La animalele multicelulare, dimensiunea genomului mitocondrial variază de la 14,5 la 19,5 kb. În practică, este întotdeauna o moleculă circulară de ADN. De exemplu, ADN-ul mitocondrial uman este o moleculă circulară care măsoară 16.569 de perechi de nucleotide. Această mărime poate fi exprimată în alte unități - sub formă de greutate moleculară - 10 6 daltoni sau sub forma lungimii conturului molecular - 5 microni. Structura primară a acestei molecule este complet determinată. Mitocondriile conțin propriul lor aparat de traducere - de ex. ribozomi proprii 70S, similari celor cloroplasti sau procarioti si formati din doua subunitati, ARN mesager propriu, enzime si factori proteici necesari. Genomul lor codifică ARN-uri ribozomale 12S și 16S, precum și 22 de ARN-uri de transfer. În plus, ADN-ul mitocondrial codifică 13 polipeptide, dintre care 12 au fost identificate. Toate secvențele de codare sunt situate direct una lângă alta. În cazuri extreme, ele sunt separate doar de câteva nucleotide. Secvențe necodante, de ex. fara introni. În urma secvenței de codificare există aproape întotdeauna o genă ARN de transfer. De exemplu, ordinea este următoarea: ARN de transfer al fenilalaninei - gena ARN ribozomal 12S - ARN transfer al valinei - gena ARN ribozomal 16S - ARN transfer leucină etc. Această ordine este caracteristică nu numai mitocondriilor umane, este foarte conservatoare și este caracteristică tuturor animalelor: muștele de fructe, taurii, șoarecii, păsările, reptilele și alte animale.

Majoritatea genelor sunt localizate în lanțul greu în lanțul ușor există doar gene pentru opt ARN de transport și o genă structurală. Astfel, spre deosebire de toate celelalte genomi, în genomul mitocondrial ambele lanțuri sunt semnificative.

Deși ordinea genelor din mitocondriile animalelor este aceeași, s-a descoperit că genele în sine au o conservare diferită. Cea mai variabilă este secvența de nucleotide a originii replicării și un număr de gene structurale. Cele mai conservate secvențe sunt localizate în genele de ARN ribozomal și unele gene structurale, inclusiv secvența de codificare a ATPazei.

Trebuie remarcat faptul că universalitatea codului genetic este perturbată în genomul mitocondrial. De exemplu, mitocondriile umane folosesc tripletul AUA ca codon pentru metionină, nu izoleucină, ca toți ceilalți, iar tripletul UGA, folosit în dicționarul genetic standard ca codon stop, codifică triptofanul din mitocondrii.

În general, ADN-ul mitocondrial uman arată la fel cu cel al altor mamifere: șoareci și tauri. În ciuda faptului că acestea sunt departe de a fi specii strâns înrudite, dimensiunile ADN-ului lor mitocondrial sunt destul de apropiate unele de altele: 16.569; 16.295; și, respectiv, 16.338 de perechi de baze. Genele ARN de transfer au unele gene de simț. Cele mai importante dintre genele structurale sunt genele pentru citocrom oxidaza, NADH dehidrogenaza, citocrom C oxidoreductaza si ATP sintetaza (Fig. 4).

Harta genomului mitocondrial uman, pe lângă gene, arată și cinci boli umane binecunoscute care sunt moștenite prin linia maternă și cauzate de mutații în genomul mitocondrial.

De exemplu, boala Leber - atrofia optică - este cauzată de o mutație a genei NADH dehidrogenazei. Aceeași boală poate fi cauzată și de o mutație a genei citocromului b si alte loci. În total, se știe că patru loci sunt perturbați și pot provoca același fenotip mutant. În plus, aceeași hartă arată încă patru boli asociate cu defecte ale creierului, mușchilor, inimii, rinichilor și ficatului. Toate aceste boli sunt moștenite pe linie maternă, iar dacă mama are nu numai ADN mitocondrial și mitocondrii defecte, ci și normale, atunci are loc o sortare a organitelor mutante și normale, iar descendenții pot avea ambele organele în proporții diferite, iar noi Putem observa, de asemenea, scindarea somatică, atunci când anumite părți ale corpului nu prezintă aceste defecte.

postat pe http://www.allbest.ru/

Orez. 4 Structura genomului mitocondrial de mamifere bazată pe secvența completă a ADN-ului mitocondrial uman, șoarece și bovin

Astfel, genomul mitocondrial mic al animalelor poate codifica funcții extrem de importante ale corpului și poate determina în mare măsură dezvoltarea lui normală.

La fel ca genomul plastidului, genomul mitocondrial codifică doar o parte din polipeptidele mitocondriale (Tabelul 1) și se observă fenomenul de codificare dublă. De exemplu, unele dintre subunitățile complexului ATPază sunt codificate de nucleu, în timp ce cealaltă parte este codificată de genomul mitocondrial. Majoritatea genelor care codifică ARN-urile miocondriale ribozomale și proteinele, precum și enzimele de transcripție și translație, sunt codificate de nucleul celulei.

tabelul 1

Genele ADN mitocondrial animal

genomului mitocondrial neurospora mezofilă

genomul animalului:

1. aranjare compactă a genelor pe ADNmt;

absența intronilor în gene;

3. absența regiunilor necodante în mtDNA, cu excepția regiunilor ORI;

4. localizarea genelor ARNt între alte gene;

5. asemănare mare în dimensiunea genomului și aranjarea genelor la diferite specii;

6. prezența unui ORI pentru fiecare catenă de ADNmt;

7. transcrierea simetrică a ambelor catene;

8. prezența, în principiu, a unei regiuni de inițiere a transcripției pentru fiecare catenă de ADN;

9. absenţa secvenţelor necodante terminale 5/- şi 3/- în ARNm;

10. maturarea ARNm ca rezultat al scindării transcriptului primar în secvențe de ARNt.

La ciuperci, dimensiunea genomului mitocondrial este în medie mult mai mare și variază de la 17,3 la 101 kb. Mai mult, pe lângă molecula principală, de regulă, circulară de ADN, se găsesc de la una până la 4 molecule circulare sau liniare asemănătoare plasmidelor, cu dimensiuni cuprinse între 1 și 13 kb. Mărimea genomului mitocondrial în drojdie variază nu numai între diferite specii, ci chiar și între diferite tulpini. Principalele motive pentru diferențele semnificative în genomul mitocondrial la ciuperci sunt prezența sau absența intronilor. La diferite specii de drojdie, de exemplu, dimensiunea ADN-ului mitocondrial variază de la 57 la 85 kb.

Prezența intronilor și a moleculelor de ADN mitocondrial de diferite clase de mărime este cea mai caracteristică trăsătură care distinge mitocondriile fungice de mitocondriile animale. Intronii rup multe secvențe - gene ARN ribozomal, gene ale unor proteine ​​structurale care codifică enzimele mitocondriale. Prezența majorității intronilor nu este necesară pentru funcționarea normală a mitocondriilor. Au fost construite artificial tulpini de drojdie care sunt complet lipsite de introni mitocondriali.

Mulți introni de ADN mitocondrial de drojdie conțin cadre de citire deschise care codifică muturazele implicate în splicing, în timp ce alți introni conțin secvențe de codificare pentru endonucleaze și chiar transcriptaze inverse.

Toate genele găsite în ADN-ul mitocondrial al animalelor sunt prezente și în ciuperci. În plus, în ciuperci au fost găsite și alte gene: au un număr mai mare de gene ARNt, au fost găsite gene pentru subunitățile a 6-a, a 8-a și a 9-a ale complexului ATPaza, o serie de gene structurale noi și un număr de gene cu funcție necunoscută ( Masa 2 ).

masa 2

Genele ADN mitocondrial de drojdie

Doar 2 gene de ARN ribozomal și doar 1 genă de proteină ribozomală au fost găsite în ADN-ul mitocondrial de drojdie. Această proteină este situată în subunitatea mică a ribozomului. Gena proteinei ribozomale este destul de variabilă ca mărime chiar și între diferite tulpini, motiv pentru care a primit numele de variabilă ( Var l). Proteinele rămase și ARN-ul ribozomilor mitocondriali sunt codificate de gene nucleare. 24 de gene de ARN de transfer asigură transportul tuturor aminoacizilor la locul sintezei proteinelor, iar un singur ARN de transfer, care transportă lizina, este importat din citoplasmă și codificat de nucleu. Toate ARN-urile de transfer ale mitocondriilor de drojdie sunt codificate de aceeași catenă de ADN și numai unul dintre ei este codificat de catena opusă. Niciuna dintre genele de transport ADN nu are introni. Genele proteinei citocromului b și genele proteinei citocromului C pot avea mulți introni - de la 5 la 9.

Din datele de mai sus rezultă că proteinele structurale codificate de genomul mitocondrial de drojdie sunt în mod clar insuficiente pentru funcționarea acestor organite și majoritatea dintre ele sunt codificate de genomul nuclear.

Trăsături caracteristice ale organizării și expresiei mitocondrialegenomul fungic:

1. diversitate semnificativă în seturile și aranjarea genelor mitocondriale la diferite specii;

o mare varietate de moduri de organizare a materialului genetic - de la organizarea compactă a genomului până la distribuția liberă a genelor de-a lungul ADNmt cu secvențe extinse necodificatoare între gene;

3. structura mozaică a unui număr de gene;

4. variații intraspecifice semnificative ale mărimii ADNmt asociate cu prezența intronilor „opționali”;

5. capacitatea segmentelor individuale de ADNmt de a fi excizate și amplificate pentru a forma un genom mitocondrial defect;

6. prezența unuia sau mai multor ORI, în fiecare dintre ele replicarea este inițiată bidirecțional;

7. localizarea tuturor genelor mitocondriale pe o catenă de ADNmt și transcripția asimetrică a ADNmt;

8.multiplicitatea unităților de transcripție ADNmt;

9. o varietate de semnale pentru procesarea transcriptelor primare, care pot fi fie blocuri de ARNt, fie blocuri de oligonucleotide de alt tip - în funcție de specie;

10. În cele mai multe cazuri, ARNm-urile conțin secvențe terminale necodante extinse.

Cea mai complexă organizare a genomului mitocondrial este la plantele superioare. Genomul lor mitocondrial este un set de molecule circulare și/sau liniare, supercoilate, dublu catenare. Toate secvențele genomului mitocondrial pot fi organizate într-un „cromozom circular” mare, iar diferitele clase de mărimi observate ale ADN-ului mitocondrial sunt cel mai probabil rezultatul proceselor de recombinare. Cel puțin pe spanac, specii din două genuri BrassicaȘi Raphanus, sfecla de zahăr și grâu, s-a demonstrat că motivul pentru o astfel de dispersie a genomului mitocondrial este recombinarea regiunilor omoloage ale ADN-ului mitocondrial. Datorită prezenței a două sau trei familii de repetă orientate direct, cu dimensiuni cuprinse între 1 și 14 kb, moleculele de ADN mitocondrial sunt capabile de rearanjamente active inter și intragenomice. Ca urmare a unor astfel de rearanjamente, ADN-ul mitocondrial poate fi prezent sub formă de molecule de diferite clase de mărime.

Deci, de exemplu, în crucifere Brassica campestris ADN-ul mitocondrial este prezent sub forma a trei tipuri de molecule circulare. Primul tip conține genomul complet - 218 kb, al doilea - 135 și al treilea - 83 kb. Inelele subgenomice sunt formate ca rezultat al recombinării inelelor genomice având o pereche de repetări directe de 2 kb lungime.

La grâu, dimensiunea genomului mitocondrial este mult mai mare - 430 kb și există mai mult de 10 repetări directe de recombinare, ca urmare, în timpul observației la microscop electronic, este posibil să se vadă multe inele de diferite dimensiuni, dar nimeni nu a observat. o moleculă circulară mare, poate în această stare, genomul mitocondrial de grâu nu este niciodată prezent. In Marchantia muschi si alte crucifere Brassica hirta Nu există repetări directe de recombinare și, probabil, acesta este motivul pentru care ADN-ul mitocondrial este sub formă de molecule circulare de aceeași clasă de mărime. Cu toate acestea, pentru ADN-ul mitocondrial al plantelor superioare, aceasta este mai degrabă excepția decât regula. La majoritatea plantelor superioare, genomul mitocondrial conține atât repetări de recombinare, cât și molecule de ADN mitocondrial de diferite clase de mărime.

Numărul de molecule din aceeași clasă de mărime poate varia foarte semnificativ în diferite țesuturi ale plantei, în funcție de starea plantei și de condițiile de mediu. O modificare a rapoartelor numerice ale moleculelor de ADN mitocondrial de diferite clase de mărime a fost observată în timpul cultivării plantelor. în vivoȘi în vitro. Poate că schimbările în relațiile numerice dintre moleculele de diferite clase de mărime reflectă adaptabilitatea plantelor prin amplificarea crescută a genelor dorite.

În plus, genomul mitocondrial poate conține plasmide, atât liniare, cât și circulare, cu atât secvențe de ADN, cât și de ARN, cu dimensiuni cuprinse între 1 și 30 kb. Plasmidele mitocondriale au provenit probabil din alți genomi celulari sau chiar din alte organisme. Uneori, prezența sau absența lor poate fi asociată cu sterilitatea masculină citoplasmatică a plantelor, dar, totuși, nu întotdeauna. Plasmidele sunt prezente la unele specii, dar sterilitatea nu este observată. În cel puțin un caz, s-a demonstrat clar că în mitocondriile liniilor cu așa-numitul tip S de sterilitate a porumbului s-a găsit o corelație între prezența ADN-ului mitocondrial asemănător plasmidic și manifestarea fenomenului citoplasmatic masculin. sterilitate. A fost observată capacitatea plasmidelor mitocondriale de a se integra atât în ​​genomul mitocondrial, cât și în cromozomii nucleari. Cu toate acestea, în alte cazuri, prezența ADN-ului plasmidic nu provoacă întotdeauna sterilitatea polenului.

Dimensiunea genomului mitocondrial al plantelor este cea mai variabilă - de la 200 la 2500 kb. Dimensiunea genomului mitocondrial al plantelor superioare este mai mare decât dimensiunea genomului lor de cloroplast.

Variația semnificativă a mărimii genomului mitocondrial este a doua caracteristică a genomului mitocondrial al plantei. Genomul nu este doar foarte mare, ci poate fi și diferit, chiar și între speciile strâns înrudite, iar în unele cazuri se poate observa o variabilitate scăzută - specii ale genului Brassica, la altele este foarte mare. Cea mai mare variabilitate a dimensiunilor este observată la plantele de dovleac. În cadrul acestei familii, dimensiunea genomului mitocondrial este cea mai variabilă - de la 330 kb. în pepene verde până la 2500 kb. la pepene galben. Prin urmare, ponderea ADN-ului mitocondrial în volumul total al genomului plantei poate varia semnificativ - aproximativ 1% la majoritatea plantelor, până la 15% în celulele hipocotil de pepene galben.

S-au încercat diferite motive pentru a explica prezența genomilor mitocondriali mari.

Prezența unor gene suplimentare sau secvențe speciale necesare funcționării mitocondriilor.

Prezența ADN-ului care este folosit de plantă, dar nu ca cod de cod, ci pentru o altă funcție.

ADN-ul care nu este folosit pentru funcționarea mitocondrială se numește ADN „egoist”.

Aparent, există o altă posibilitate de creștere a dimensiunii genomului mitocondrial - acestea sunt secvențe omoloage cu ADN-ul nuclear și cloroplastic. Secvențele omoloage cu ADN-ul nuclear, de exemplu, în Arabidopsis reprezintă până la 5% din genomul mitocondrial. Inițial, secvența genomului de cloroplast încorporată în genomul mitocondrial a fost descoperită în porumb. Acesta a inclus o regiune de aproximativ 14 kb care conținea gene alterate de ARN ribozomal 16S al cloroplastului și o regiune a subunității mari RDPK/O. Ulterior, inserțiile de cloroplast au fost descoperite în genomul mitocondrial al multor specii de plante superioare. De obicei, ele reprezintă 1-2% din secvențele mitocondriale și includ trei secvențe majore.

Secvența are o lungime de 12 kb. dintr-o repetare inversă a ADN-ului cloroplast. Conține secvențe pentru exonul de 3" a patru ARN-uri de transfer și secvența 16 S ARN ribozomal.

O secvență de 1,9 până la 2,7 kb care codifică complet subunitatea mare a Rubisco.

Secvența nu mai mare de 2 kb. În genomul cloroplastei, această regiune codifică capătul de 3" al ARN-ului ribozomal 23S, ARNr 4.5S și 5S, precum și trei ARN-uri de transfer. Dintre toate secvențele genomului de cloroplast care sunt prezente în genomul mitocondrial al plantei, numai ARN-ul de transfer secvenţele sunt de fapt transcrise .

Deoarece aceleași secvențe de cloroplaste sunt prezente în genomul mitocondrial al multor specii de plante, se poate presupune că au o anumită semnificație funcțională. În același timp, rolul lor, mecanismul transferului și momentul acestui transfer rămân necunoscute. Acest transfer a avut loc la un moment îndepărtat în evoluția formării unei celule eucariote sau prezența inserțiilor de cloroplast în genomul mitocondrial a indicat că acesta este un proces normal de schimb de informații între organele, care are loc acum, sau nu apar periodic în timpul evolutiv relativ recent al formării unor specii și genuri de plante specifice?

În plus, unele dintre secvențele genomului mitocondrial sunt secvențe omoloage celor virale.

Pentru a stabili numărul de gene din genomul mitocondriilor vegetale care funcționează efectiv, un număr de cercetători au determinat numărul de produse de traducere. S-a demonstrat că numărul benzilor de proteine ​​detectabile a fost același chiar și pentru plantele cu diferențe de 10 ori în dimensiunea genomului. Deși metodele utilizate nu oferă un răspuns direct la întrebarea privind numărul total de gene din genomul mitocondrial, este totuși interesant că același număr de produse de translație a fost identificat la speciile de angiosperme analizate și a fost aproape de numărul de gene. care codifică proteine ​​în mitocondriile și drojdiile animale.

Pentru prima dată, secvența completă de nucleotide a ADN-ului mitocondrial la plante a fost determinată în 1986 la o specie - Marchantia ( Marchantia polimorfe), iar mai târziu în Arabidopsis și mai multe specii de alge.

Molecula de ADN mitocondrial din Marchantia are o dimensiune de 186.608 bp. Codifică gene pentru 3 ARNr, 29 gene pentru 27 tARN și 30 gene pentru proteine ​​funcționale cunoscute (16 proteine ​​ribozomale, 3 subunități de citocrom C oxidază, citocrom b, 4 subunități de ATP sintetază și 9 subunități de NADH dehidrogenază). Genomul conține, de asemenea, 32 de cadre de citire deschise neidentificate. În plus, s-au găsit 32 de introni localizați în 16 gene. Numărul de gene pentru un anumit complex poate varia în diferite plante, deoarece una sau mai multe gene ale acestui complex pot fi transferate în nucleu. Dintre genele neidentificate, cel puțin 10 se găsesc în mod constant în aproape toate speciile de plante, indicând importanța funcțiilor lor.

Numărul de gene mitocondriale care codifică ARN de transfer din mitocondriile plantelor este foarte variabil. La multe specii, propriile lor ARN de transfer mitocondrial sunt în mod clar insuficiente și, prin urmare, sunt exportate din citoplasmă (codificate de nucleu sau genomul plastidei). De exemplu, în Arabidopsis, 12 ARN de transfer sunt codificați mitocondrial, 6 sunt cloroplaste și 13 sunt nucleare; în Marchantia, 29 sunt mitocondriale și 2 sunt nucleare și niciunul dintre ARN-urile de transport nu are codificare pentru cloroplast; la cartofi, 25 sunt mitocondriale, 5 sunt cloroplaste și 11 sunt nucleare; la grâu, 9 sunt mitocondriale, 6 sunt cloroplaste și 3 sunt nucleare (Tabelul 3).

Spre deosebire de ADN-ul mitocondrial animal și genele de cloroplast, genele de ADN mitocondrial de plante sunt dispersate în întregul genom. Acest lucru se aplică atât genelor care codifică ARN de transfer, cât și genelor care codifică proteine.

Tabelul 3

Natura ARN-urilor de transfer mitocondrial la plante

La fel ca genomul mitocondriilor fungice, genomul mitocondriilor vegetale are introni pe care genomul mitocondriilor animale nu îi are.

La unele specii, un număr de gene din genom sunt duplicate. Astfel, la porumb și fasole, genele ARNr nu se repetă, dar la grâu se repetă de mai multe ori. Genele care codifică proteinele mitocondriale pot fi, de asemenea, repetate în genomul lor.

În mod natural, mitocondriile, ca și cloroplastele, conțin mult mai multe proteine ​​​​enzimatice decât genomul lor de gene. Și, prin urmare, majoritatea proteinelor sunt controlate de genomul nuclear, asamblate în citoplasmă pe ribozomi citoplasmatici mai degrabă decât mitocondriali și transportate în membranele mitocondriale.

Astfel, genomul mitocondrial al plantelor este un sistem extrem de variabil, dar destul de stabil în numărul de gene. Spre deosebire de genomul compact al cloroplastelor, în genomul mitocondrial al plantelor, genele alcătuiesc mai puțin de 20% din genom. Creșterea genomului mitocondriilor față de ciuperci sau animale este cauzată de prezența intronilor, a diverselor secvențe repetate, a inserțiilor din genomul cloroplastelor, nucleului și virusurilor. Funcțiile a aproximativ 50% din genomul mitocondrial al plantei nu au fost încă elucidate. Pe lângă faptul că multe gene structurale care controlează funcția mitocondriilor sunt localizate în nucleu, multe gene care controlează procesele de transcripție, procesare și traducere ale genelor mitocondriale sunt, de asemenea, localizate acolo. În consecință, mitocondriile sunt și mai puțin organele autonome decât plastidele.

Literatură

Principal:

1. Alekhina N.D., Balnokin Yu.V., Gavrilenko V.F. şi altele. Fiziologia plantelor. Manual pentru elevi. universități. M.: Academia. 2005. 640 p.

Davydenko O.G. Ereditatea non-cromozomială. Minsk: BSU. 2001. 189 p.

3. Danilenko N.G., Davydenko O.G. Lumi ale genomilor de organele. Minsk: Tehnologie. 2003. 494 p.

4. Ivanov V.I. și alții. M.: Akademkniga. 2006. 638 p.

5. Zhimulev I.S. Genetica generala si moleculara. Novosibirsk: Sib. Univ. 2007. 479 p.

6. Singer M., Berg P. Genes and genomes. M.: Mir. 1998. T. 1-

7. Chentsov Yu S. Introducere în biologia celulară. M.: Akademkniga. 2004. 495 p.

Adiţional:

1. Danilenko N.G. Editarea ARN: informația genetică este corectată după transcriere // Genetică. 2001. T. 37. Nr. 3. p. 294-316.

Margelis L. Rolul simbiozei în evoluția celulară. M.: Mir, 1983.

3. Odintsova M. S., Yurina N. P. Genomul mitocondriilor protiste // Genetica. 200 T. 38. Nr 6. p. 773-778.

4. Odintsova M. S., Yurina N. P. Genomul plastidelor plantelor și algelor superioare: structură și funcții // Mol. Biol. 2003. T. 37. Nr. 5. P. 768-783.

5. Yurina N. P., Odintsova M. S. Caracteristici generale ale organizării genomului cloroplastului. Comparație cu genomul pro- și eucariotelor // Mol. Biol. 199 T. 36. Nr 4. P. 757-771.

6. Yurina N. P., Odintsova M. S. Caracteristici comparative ale organizării structurale a genomilor cloroplastelor și mitocondriilor vegetale // Genetica. 1998. T. 34. Nr. 1. P. 5-2.

Postat pe Allbest.ru

Documente similare

Esența organizării ultrastructurale a mitocondriilor. Rolul mitocondriilor în menținerea echilibrului redox al celulei. Specificitatea funcțiilor energetice ale mitocondriilor. Modificări ale caracteristicilor morfofuncționale ale mitocondriilor în timpul acidozei.

teză, adăugată 27.01.2018


Studiul rolului funcțional și al organizării structurale a mitocondriilor. Considerarea și caracterizarea funcționării lanțului respirator mitocondrial în condiții de normoxie. Introducere în efectul antihipoxic al factorului neurotrofic derivat din creier.

lucru curs, adăugat 18.04.2018


Mecanisme de bază ale morții celulare. Mitocondriile ca punct central de control al apoptozei. Modificări morfologice și redistribuirea mitocondriilor în celulă în timpul apoptozei. Modele de eliberare a citocromului C Rolul mitocondriilor în procesul de îmbătrânire.

lucrare de curs, adăugată 01/07/2013


Un complex de enzime localizat pe membrana interioară a mitocondriilor. Procesul de fosforilare oxidativă. Sinteza ATP pe membrana mitocondrială internă în prezența oxigenului. Componentele lanțului respirator. Esenţa teoriei chemiosmotice a lui P. Mitchell.

prezentare, adaugat 22.10.2014


Studiul structurii mitocondriilor și plastidelor și al funcțiilor acestora. Ipoteza despre originea simbiotică a mitocondriilor și cloroplastelor. Caracteristici generale tipice ale țesutului muscular. Spermatogeneza, principalele sale perioade: reproducere, creștere, maturare și formare.

test, adaugat 03.11.2014


Conceptul și proprietățile mitocondriilor, structura lor, participarea la respirația celulară și schimbul de energie. Trăsături caracteristice ale gastrulației dezvoltării embrionare. Luarea în considerare a funcțiilor, structurii, clasificării leucocitelor. Aspectul timusului (glandei timusului).

test, adaugat 21.04.2015


Structura, compoziția chimică, distribuția în natură și semnificația grupului taxonomic al mucegaiurilor slime. Corpuri vegetative de mucegaiuri slime. Etape trofice și de dispersie. Procesul de formare a sporilor. Prezența stadiilor mobile în cicluri, structura mitocondriilor.

lucrare curs, adăugată 08.12.2015


Structura și componentele principale ale membranei celulare de alge. Cazuri de aranjare aleatorie a fibrilelor între algele verzi, organizarea citoplasmei la diferiți reprezentanți ai speciei, scopul flagelilor, mitocondriilor și cloroplastelor.

lucrare de curs, adăugată 29.07.2009


Aplicarea clinică a terapiei fotodinamice. Mecanismul de acțiune al fotosensibilizatorilor la nivel celular. Rolul mitocondriilor și al ionilor de calciu în apoptoza indusă fotodinamic. Participarea proceselor de semnalizare și a proteinelor protectoare în reacțiile celulare.

test, adaugat 19.08.2015


Mitocondriile sunt un organel granular sau filamentos cu membrană dublă, un element al celulelor eucariote (autotrofe și heterotrofe), o stație energetică. Funcția principală și generarea de energie; origine, structură. ADN-ul mitocondrial și ereditatea.

Funcționarea genomului mitocondrial Ce este special la mecanismele de replicare și transcripție a ADN-ului mitocondriilor de mamifere? La majoritatea animalelor, lanțurile complementare din ADNmt diferă semnificativ în densitatea specifică, deoarece conțin cantități inegale de purine „grele” și nucleotide pirimidinice „ușoare”. Deci se numesc - lanț H (greu - greu) și L (ușor - ușor). La începutul replicării moleculei de ADNmt, se formează o așa-numită buclă D (din bucla engleză Displacement). Această structură, vizibilă într-un microscop electronic, constă dintr-o regiune dublu catenară și una monocatenară (parte extinsă a lanțului H). Regiunea dublu catenară este formată dintr-o parte a lanțului L și un fragment de ADN nou sintetizat complementar acestuia, lungime de 450-650 de nucleotide (în funcție de tipul de organism), având un primer ribonucleotidic la capătul de 5”, care corespunde până la punctul de pornire al sintezei lanțului H (oriH ) Sinteza lanțului L începe numai atunci când lanțul H fiică atinge punctul ori L. Acest lucru se datorează faptului că regiunea de inițiere a replicării lanțului L este accesibile enzimelor de sinteză a ADN-ului doar într-o stare monocatenară și, prin urmare, numai într-o dublă helix nerăsucită în timpul sintezei catenei H. Astfel, catenele fiice ale ADNmt sunt sintetizate continuu și asincron (Fig. 3). Fig 3. În mitocondrii, numărul total de molecule cu o buclă D depășește semnificativ numărul de molecule care se replic complet. Acest lucru se datorează faptului că bucla D are funcții suplimentare - atașarea ADNmt la membrana internă și inițierea transcripției, deoarece promotorii de transcripție ai ambelor catene de ADN sunt localizați în această regiune. Spre deosebire de majoritatea genelor eucariote, care sunt transcrise independent una de cealaltă, fiecare dintre catenele de ADNmt de la mamifere este transcrisă pentru a forma o singură moleculă de ARN care începe în regiunea ori H, în plus față de aceste două molecule lungi de ARN, complementare H- și L-. se formează, de asemenea, secțiuni mai scurte ale lanțului H, care încep în același punct și se termină la capătul de 3" al genei ARNr 16S (Fig. 4). Există de 10 ori mai multe astfel de transcrieri scurte decât cele lungi. ca rezultat al maturării (prelucrării) din acestea se formează ARNr 12S și ARNr 16S, care sunt implicați în formarea ribozomilor mitocondriali, precum și ARNt-urile fenilalaninei și valinice ale căror capete de 3" sunt atașate secvențe de poliadenil. Capetele de 5" ale acestor ARNm nu sunt acoperite, ceea ce este neobișnuit pentru eucariote. Splicing (splicing) nu are loc, deoarece niciuna dintre genele mitocondriale de mamifere nu conține introni.

ND1-ND6, ND4L - gene ale subunităților complexului NAD-H-dehidrogenază; COI-COIII - gene ale subunităților citocrom c oxidazei; ATP6, ATP8 - gene ale subunităților ATP sintetazei Cyt b - gena citocromului b.

Fig 4. Transcrierea ADNmt uman care conține 37 de gene. Toate transcrierile încep să fie sintetizate în regiunea ori H. ARN-urile ribozomale sunt excizate din transcriptele lungi și scurte ale catenei H. ARNt și ARNm se formează ca rezultat al prelucrării din transcrierile ambelor catene de ADN. Genele ARNt sunt indicate cu verde deschis.

Vrei să știi ce alte surprize poate prezenta genomul mitocondrial? Grozav! Citește mai departe!..

În ciuda faptului că genomul mitocondriilor de mamifere și drojdie conține aproximativ același număr de gene, dimensiunea genomului de drojdie este de 4-5 ori mai mare - aproximativ 80 de mii de perechi de nucleotide. Deși secvențele de codificare ale ADNmt de drojdie sunt foarte omoloage cu secvențele corespunzătoare la om, ARNm-urile de drojdie au, în plus, un lider de 5" și o regiune necodantă de 3", ca majoritatea ARNm-urilor nucleare. Un număr de gene conțin și introni. Astfel, gena cutie care codifică citocrom oxidaza b are doi introni. O copie a majorității primului intron este excizată din transcriptul ARN primar în mod autocatalitic (fără participarea vreunei proteine). ARN-ul rămas servește ca șablon pentru formarea enzimei maturaze, care este implicată în splicing. O parte a secvenței sale de aminoacizi este codificată în copiile rămase ale intronilor. Maturaza le decupează, distrugându-și propriul ARNm, copiile exonilor sunt cusate împreună și se formează ARNm pentru citocrom oxidaza b (Fig. 5). Descoperirea unui astfel de fenomen ne-a forțat să reconsiderăm ideea intronilor ca „secvențe necodificatoare”.

Fig 5.

Când se studiază expresia genelor mitocondriale Trypanosoma brucei a fost descoperită o abatere surprinzătoare de la una dintre axiomele de bază ale biologiei moleculare, care afirmă că secvența nucleotidelor din ARNm corespunde exact cu cea din regiunile codificatoare ale ADN-ului. S-a dovedit că ARNm al uneia dintre subunitățile citocromului c oxidază este editat, adică. după transcriere, structura sa primară se modifică - se introduc patru uracili. Ca urmare, se formează un nou ARNm, care servește ca șablon pentru sinteza unei subunități suplimentare a enzimei, a cărei secvență de aminoacizi nu are nimic în comun cu secvența codificată de ARNm needitat (vezi tabelul).

Mitocondriile au prezentat cea mai mare surpriză oamenilor de știință în 1979. Până atunci, se credea că codul genetic este universal și că aceleași tripleți codifică aceiași aminoacizi în bacterii, viruși, ciuperci, plante și animale. Cercetătorul englez Burrell a comparat structura uneia dintre genele mitocondriale de vițel cu secvența de aminoacizi din subunitatea citocrom oxidazei codificată de această genă. S-a dovedit că codul genetic al mitocondriilor la bovine (precum și la om) nu numai că diferă de cel universal, ci este „ideal”, adică. respectă următoarea regulă: „dacă doi codoni au două nucleotide identice, iar a treia nucleotide aparțin aceleiași clase (purină - A, G sau pirimidină - U, C), atunci codifică același aminoacid”. În codul universal există două excepții de la această regulă: tripletul AUA codifică izoleucina, iar codonul AUG codifică metionina, în timp ce în codul mitocondrial ideal ambele triplete codifică metionina; Tripletul UGG codifică doar triptofanul, iar tripletul UGA codifică un codon stop. În codul universal, ambele abateri privesc aspectele fundamentale ale sintezei proteinelor: codonul AUG este cel inițiator, iar codonul stop UGA oprește sinteza polipeptidei. Codul ideal nu este inerent tuturor mitocondriilor descrise, dar niciuna dintre ele nu are un cod universal. Putem spune că mitocondriile vorbesc limbi diferite, dar niciodată limba nucleului.

Diferențele dintre codul genetic „universal” și cele două coduri mitocondriale

mitocondriale

codul mamiferelor

mitocondriale

codul drojdiei

"Universal"

Ar putea fi util să citiți:

• Genele ADN mitocondrial;
• Compatibilitatea Pești și Pești: iubire altruistă sau relații instabile Compatibilitatea conform horoscopului Peștilor este ca;
• Cum să returnezi un bărbat iubit fără comunicare - conspirații dovedite ale vrăjitorilor puternici Cum să returnezi o persoană la tine;
• Scolecifobia și cum să o combatem;
• Experții s-au exprimat în favoarea extinderii operațiunii ISS;
• Structura și activitatea vitală a ciliatelor folosind exemplul ciliatului papuc;
• Arhiepiscopul Jonathan (Eletsky): La originile nașterii Bisericii Ortodoxe Ucrainene;
• Autoritățile din regiunea Kurgan nu plătesc capitala regională, guvernatorul Osipov îndeplinește orientările federale pentru transparența alegerilor.;