Dodatek k dolgonogim: flamingovci so dolgonogi, celo zelo dolgonogi ptiči. Toda iz razumnih razlogov, o katerih tukaj ne bomo razpravljali, je zdaj izključen iz reda gležnjarjev (tudi iz lamelnih kljunov, kamor so bili vključeni tudi plamenci)

Genom neandertalca Do nedavnega so bile največje sanje paleogenetikov izolacija mitohondrijske DNK iz starodavnih kosti. Ta majhen del genoma, ki se prenaša po materini liniji, je prisoten v stotinah kopij v vsaki celici in ima tudi

Dodatek Pasteurjevim cepivom Nov in pomemben dodatek Pasteurjevim cepivom so znanstveniki razvili že v 20. stoletju. Pred nekaj leti so sovjetski znanstveniki ustvarili gama globulin proti steklini. Z razpoložljivostjo tega zdravila je preprečevanje stekline postalo še večje

14. poglavje Prvi človeški genom Možnost, da boste v znanstveni tekmi pred vami, običajno povzroča obup in noro upanje – kaj če se vam posreči in vaš tekmec jutri umre. Včasih bi se radi vsemu odpovedali, potem pa bodo leta trdega dela izgubljena

1.5. Labilni genom Tradicionalne predstave o stabilnosti genomov, razvite v okviru klasične genetike, so se močno zamajale po odkritju mobilnih (migracijskih) genetskih elementov (MGE). MGE so strukture, ki se lahko premikajo znotraj genoma

Uvod

Četrt stoletja je minilo od odkritja molekul DNK v mitohondrijih, preden so se zanje začeli zanimati ne le molekularni biologi in citologi, ampak tudi genetiki, evolucionisti, pa tudi paleontologi in kriminologi. Tako široko zanimanje je izzvalo delo A. Wilsona z Univerze v Kaliforniji. Leta 1987 je objavil rezultate primerjalne analize mitohondrijske DNK 147 predstavnikov različnih etničnih skupin vseh človeških ras, ki živijo na petih celinah. Na podlagi vrste, lokacije in števila posameznih mutacij je bilo ugotovljeno, da je vsa mitohondrijska DNA nastala iz enega nukleotidnega zaporedja prednikov z divergenco. V psevdoznanstvenem tisku so ta sklep razlagali zelo poenostavljeno - vse človeštvo je izšlo iz ene ženske, imenovane mitohondrijska Eva (saj tako hčerke kot sinovi prejemajo mitohondrije le od matere), ki je živela v severovzhodni Afriki okoli Pred 200 tisoč leti. Še 10 let kasneje je bilo mogoče dešifrirati fragment mitohondrijske DNK, izolirane iz ostankov neandertalca, in oceniti obstoj zadnjega skupnega prednika človeka in neandertalcev pred 500 tisoč leti.

Danes se človeška mitohondrijska genetika intenzivno razvija tako v populacijskem kot v medicinskem smislu. Ugotovili so povezavo med številnimi hudimi dednimi boleznimi in okvarami mitohondrijske DNK. Genetske spremembe, povezane s staranjem, so najbolj izrazite v mitohondrijih. Kakšen je mitohondrijski genom, ki se pri ljudeh in drugih živalih razlikuje od genoma rastlin, gliv in praživali po velikosti, obliki in genetski zmogljivosti? Kakšna je vloga, kako deluje in kako je nastal mitohondrijski genom v različnih taksonih na splošno in še posebej pri ljudeh? O tem bo govora v mojem "majhnem in najbolj skromnem" eseju.

Mitohondrijski matriks vsebuje poleg DNK tudi lastne ribosome, ki se po številnih značilnostih razlikujejo od evkariontskih ribosomov, ki se nahajajo na membranah endoplazmatskega retikuluma. Vendar pa se na ribosomih mitohondrijev tvori največ 5% vseh beljakovin, vključenih v njihovo sestavo. Večino beljakovin, ki sestavljajo strukturne in funkcionalne komponente mitohondrijev, kodira jedrski genom, sintetizira se na ribosomih endoplazmatskega retikuluma in se skozi njegove kanale prenaša do mesta sestavljanja. Tako so mitohondriji rezultat združenih prizadevanj dveh genomov in dveh aparatov za prepisovanje in prevajanje. Nekatere podenote encimov mitohondrijske dihalne verige so sestavljene iz različnih polipeptidov, od katerih so nekateri kodirani z jedrnim genomom, nekateri pa z mitohondrijskim genomom. Na primer, ključni encim oksidativne fosforilacije, citokrom c oksidaza v kvasovkah, je sestavljen iz treh podenot, kodiranih in sintetiziranih v mitohondrijih, in štirih podenot, kodiranih v celičnem jedru in sintetiziranih v citoplazmi. Izražanje večine mitohondrijskih genov nadzirajo specifični jedrski geni.

Simbiotska teorija izvora mitohondrijev

Hipotezo o izvoru mitohondrijev in rastlinskih plastidov iz intracelularnih endosimbiontnih bakterij je že leta 1890 izrazil R. Altman. V stoletju hitrega razvoja biokemije, citologije, genetike in molekularne biologije, ki se je pojavila pred pol stoletja, se je hipoteza uveljavila. prerasel v teorijo, ki temelji na velikem dejanskem gradivu. Njegovo bistvo je naslednje: s pojavom fotosintetskih bakterij se je v zemeljski atmosferi kopičil kisik - stranski produkt njihovega metabolizma. Z večanjem njegove koncentracije se je življenje anaerobnih heterotrofov zapletlo in nekateri med njimi so za pridobivanje energije prešli z brezkisikove fermentacije na oksidativno fosforilacijo. Takšni aerobni heterotrofi bi lahko z večjo učinkovitostjo kot anaerobne bakterije razgradili organske snovi, ki nastanejo kot posledica fotosinteze. Nekaj ​​prostoživečih aerobov so ujeli anaerobi, vendar jih niso »prebavili«, temveč shranili kot energetske postaje, mitohondrije. Na mitohondrije ne bi smeli gledati kot na sužnje, ujetnike, da bi celice, ki niso sposobne dihanja, oskrbovali z molekulami ATP. So bolj »bitja«, ki so že v proterozoiku zase in za svoje potomce našla najboljša zatočišča, kjer so lahko porabili najmanj truda, ne da bi pri tem tvegali, da bodo pojedeni.

V prid teoriji o simbiozi govorijo številna dejstva:

Velikosti in oblike mitohondrijev in prostoživečih aerobnih bakterij sovpadajo; oba vsebujeta krožne molekule DNA, ki niso povezane s histoni (za razliko od linearne jedrske DNA);

V smislu nukleotidnih zaporedij se ribosomske in prenosne RNA mitohondrijev razlikujejo od jedrnih, hkrati pa izkazujejo presenetljivo podobnost s podobnimi molekulami nekaterih aerobnih gramnegativnih evbakterij;

Mitohondrijske RNA polimeraze, čeprav so kodirane v celičnem jedru, rifampicin inhibira tako kot bakterijske, evkariontske RNA polimeraze pa so na ta antibiotik neobčutljive;

Sintezo beljakovin v mitohondrijih in bakterijah zavirajo isti antibiotiki, ki ne vplivajo na ribosome evkariontov;

Lipidna sestava notranje membrane mitohondrijev in bakterijske plazemske membrane je podobna, vendar se zelo razlikuje od sestave zunanje membrane mitohondrijev, ki je homologna drugim membranam evkariontskih celic;

Kriste, ki jih tvori notranja mitohondrijska membrana, so evolucijski analogi mezosomskih membran mnogih prokariontov;

Še vedno obstajajo organizmi, ki posnemajo vmesne oblike na poti do nastanka mitohondrijev iz bakterij (primitivna ameba Pelomyxa nima mitohondrijev, vendar vedno vsebuje endosimbiotske bakterije).

Obstaja ideja, da so imela različna kraljestva evkariontov različne prednike in da je bakterijska endosimbioza nastala na različnih stopnjah evolucije živih organizmov. To dokazujejo tudi razlike v strukturi mitohondrijskih genomov praživali, gliv, rastlin in višjih živali. Toda v vseh primerih je glavnina genov iz promitohondrijev vstopila v jedro, verjetno s pomočjo mobilnih genetskih elementov. Ko je del genoma enega od simbiontov vključen v genom drugega, postane integracija simbiontov nepovratna. Novi genom lahko ustvari presnovne poti, ki vodijo do tvorbe uporabnih produktov, ki jih ne more sintetizirati noben partner posebej. Tako je sinteza steroidnih hormonov s celicami nadledvične skorje kompleksna veriga reakcij, od katerih se nekatere odvijajo v mitohondrijih, nekatere pa v endoplazmatskem retikulumu. Z zajetjem promitohondrijskih genov je jedro lahko zanesljivo nadzorovalo funkcije simbionta. Jedro kodira vse beljakovine in sintezo lipidov zunanje membrane mitohondrijev, večino proteinov matriksa in notranje membrane organelov. Najpomembneje je, da jedro kodira encime za replikacijo, transkripcijo in translacijo mtDNA, s čimer nadzoruje rast in razmnoževanje mitohondrijev. Stopnja rasti partnerjev v simbiozi mora biti približno enaka. Če gostitelj raste hitreje, se bo z vsako generacijo število simbiontov na posameznika zmanjšalo in sčasoma se bodo pojavili potomci brez mitohondrijev. Vemo, da vsaka celica spolno razmnoženega organizma vsebuje veliko mitohondrijev, ki posnemajo svojo DNK med deli gostitelja. To zagotavlja, da vsaka od hčerinskih celic prejme vsaj eno kopijo mitohondrijskega genoma.

Vloga celičnega jedra v mitohondrijski biogenezi

Določena vrsta mutiranih kvasovk ima veliko delecijo v mitohondrijski DNA, kar povzroči popolno prekinitev sinteze beljakovin v mitohondrijih; posledično ti organeli ne morejo opravljati svoje funkcije. Ker takšni mutanti tvorijo majhne kolonije, ko rastejo na mediju z nizko vsebnostjo glukoze, se imenujejo citoplazemski mutantamidrobna.

Čeprav majhni mutanti nimajo sinteze mitohondrijskih beljakovin in zato ne tvorijo normalnih mitohondrijev, takšni mutanti kljub temu vsebujejo promitohondriji, ki so do neke mere podobni navadnim mitohondrijem, imajo normalno zunanjo membrano in notranjo membrano s slabo razvitimi kristami. Promitohondriji vsebujejo veliko encimov, kodiranih z jedrnimi geni in sintetiziranih na citoplazmatskih ribosomih, vključno z DNA in RNA polimerazami, vsemi encimi cikla citronske kisline in številnimi proteini, ki tvorijo notranjo membrano. To jasno dokazuje prevladujočo vlogo jedrskega genoma v mitohondrijski biogenezi.

Zanimivo je omeniti, da čeprav izgubljeni fragmenti DNK predstavljajo 20 do več kot 99,9 % mitohondrijskega genoma, skupna količina mitohondrijske DNK pri petitnih mutantih vedno ostane na isti ravni kot pri divjem tipu. To je posledica še vedno malo raziskanega procesa pomnoževanja DNA, zaradi katerega nastane molekula DNA, ki je sestavljena iz tandemskih ponovitev istega odseka in je po velikosti enaka normalni molekuli. Na primer, mitohondrijska DNK malega mutanta, ki obdrži 50 % nukleotidnega zaporedja DNK divjega tipa, bo sestavljena iz dveh ponovitev, medtem ko bo molekula, ki obdrži samo 0,1% genom divjega tipa bo zgrajen iz 1000 kopij preostalega fragmenta. Tako lahko z majhnimi mutanti pridobimo velike količine specifičnih odsekov mitohondrijske DNA, za katere lahko rečemo, da jih je klonirala narava sama.

Čeprav biogenezo organelov nadzirajo predvsem jedrski geni, imajo organeli sami po nekaterih podatkih tudi nekakšen regulacijski vpliv na princip povratne zveze; vsaj tako je pri mitohondrijih. Če je sinteza beljakovin blokirana v mitohondrijih nedotaknjenih celic, se začnejo encimi, ki sodelujejo pri mitohondrijski sintezi DNA, RNA in beljakovin, v citoplazmi prekomerno tvoriti, kot da bi celica poskušala premagati učinek blokirnega sredstva. Čeprav obstoj nekega signala iz mitohondrijev ni dvomljiv, je njegova narava še vedno neznana.

Zaradi številnih razlogov se mehanizmi mitohondrijske biogeneze zdaj v večini primerov preučujejo v kulturah. Saccharomyces carlsbergensis(pivski kvas in S. cerevisiae(pekovski kvas). Prvič, ko rastejo na glukozi, te kvasovke izkazujejo edinstveno sposobnost obstoja samo z glikolizo, to je brez mitohondrijske funkcije. To omogoča preučevanje mutacij v mitohondrijski in jedrski DNK, ki ovirajo razvoj teh organelov. Takšne mutacije so smrtonosne pri skoraj vseh drugih organizmih. Drugič, kvas - preproste enocelične evkarionte - je enostavno gojiti in biokemično preučevati. Končno se lahko kvasovke razmnožujejo v haploidni in diploidni fazi, običajno z nespolnim brstenjem (asimetrična mitoza). Toda pri kvasovkah se pojavi tudi spolni proces: od časa do časa se dve haploidni celici zlijeta v diploidno zigoto, ki se nato deli z mitozo ali je podvržena mejozi in ponovno proizvede haploidne celice. Z eksperimentalnim nadzorom izmenjevanja nespolnega in spolnega razmnoževanja se lahko naučimo veliko o genih, odgovornih za delovanje mitohondrijev. S temi metodami je mogoče predvsem ugotoviti, ali so takšni geni lokalizirani v jedrski DNK ali v mitohondrijski DNK, saj se mutacije mitohondrijskih genov ne dedujejo po Mendelovih zakonih, ki urejajo dedovanje jedrnih genov.

Transportni sistemi mitohondrijev

Večina beljakovin, ki jih vsebujejo mitohondriji in kloroplasti, se v te organele uvozi iz citosola. To odpira dve vprašanji: kako celica usmerja beljakovine k ustreznim organelom in kako te beljakovine vstopijo v celico?

Delni odgovor smo dobili s proučevanjem transporta majhne podenote (S) encima v stromo kloroplasta. ribuloza-1,5-bisfosfat-karboksijaški.Če mRNA izoliramo iz citoplazme enocelične alge Chlamydomonas ali iz grahovih listov, vnesenih kot matriks v sistem za sintezo beljakovin in vitro, potem bo eden od mnogih nastalih proteinov vezan s specifičnim protitelesom proti S. Protein S, sintetiziran in vitro, se imenuje ppo-S, ker je približno 50 aminokislinskih ostankov večji od običajnega proteina S. Ko je pro-S protein inkubiran z nedotaknjenimi kloroplasti, prodre v organele in se tam s peptidazo pretvori v S protein. Nato se protein S veže na veliko podenoto ribuloza-1,5-bisfosfat karboksilaze, sintetizirano na ribosomih kloroplasta, in z njo tvori aktivni encim v stromi kloroplasta.

Mehanizem prenosa proteina S ni znan. Domneva se, da se pro-S veže na receptorski protein, ki se nahaja na zunanji membrani kloroplasta ali na stičišču zunanje in notranje membrane, in se nato transportira v stromo skozi transmembranske kanale kot rezultat procesa, ki zahteva energijo izdatki.

Prenos beljakovin v mitohondrije poteka na podoben način. Če očiščene mitohondrije kvasovk inkubiramo s celičnim izvlečkom, ki vsebuje na novo sintetizirane radioaktivne beljakovine kvasovk, lahko opazimo, da so mitohondrijske beljakovine, ki jih kodira jedrski genom, ločene od nemitohondrijskih beljakovin v citoplazmi in selektivno vključene v mitohondrije – tako kot se dogaja v nedotaknjena celica. V tem primeru beljakovine zunanje in notranje membrane, matriksa in medmembranskega prostora najdejo pot do ustreznega oddelka mitohondrija.

Številni na novo sintetizirani proteini, namenjeni notranji membrani, matriksu in medmembranskemu prostoru, imajo vodilni peptid na svojem N-koncu, ki se med transportom odcepi s specifično proteazo, ki se nahaja v matriksu. Za transport proteinov v te tri mitohondrijske predelke je potrebna energija elektrokemičnega protonskega gradienta, ki nastane na notranji membrani. Mehanizem prenosa beljakovin za zunanjo membrano je drugačen: v tem primeru ni potrebna niti energetska niti proteolitska cepitev daljšega prekurzorskega proteina. Ta in druga opažanja kažejo, da se vse štiri skupine mitohondrijskih proteinov transportirajo v organele po naslednjem mehanizmu: predpostavlja se, da so vsi proteini, razen tistih, ki so namenjeni zunanji membrani, vključeni v notranjo membrano kot rezultat procesa, ki zahteva poraba energije in se pojavljajo na mestih stika med zunanjo in notranjo membrano. Očitno je po tej začetni vključitvi proteina v membrano ta podvržen proteolitičnemu razcepu, kar vodi do spremembe njegove konformacije; glede na to, kako se spremeni konformacija, se protein bodisi zasidra v membrano bodisi »potisne« v matriks ali v medmembranski prostor.

Prenos proteinov skozi membrane mitohondrijev in kloroplastov je načeloma podoben njihovemu prenosu skozi membrane endoplazemskega retikuluma. Vendar pa obstaja več pomembnih razlik. Prvič, pri transportu v matriks ali stromo prehaja protein tako skozi zunanjo kot notranjo membrano organele, medtem ko pri transportu v lumen endoplazmatskega retikuluma preidejo molekule samo skozi eno membrano. Poleg tega se prenos beljakovin v retikulum izvede z uporabo mehanizma ciljno sproščanje(vektorski izpust) – začne se, ko protein še ni popolnoma zapustil ribosoma (kotranslacijski uvoz), prenos v mitohondrije in kloroplaste pa se pojavi po tem, ko je sinteza beljakovinske molekule popolnoma končana (post-prevodni uvoz).

Kljub tem razlikam v obeh primerih celica sintetizira prekurzorske proteine, ki vsebujejo signalno zaporedje, ki določa, na katero membrano je protein usmerjen. Očitno se v mnogih primerih to zaporedje odcepi od prekurzorske molekule po zaključku transportnega procesa. Nekatere beljakovine pa se takoj sintetizirajo v končni obliki. Menijo, da je v takih primerih signalno zaporedje vsebovano v polipeptidni verigi končnega proteina. Signalna zaporedja so še vedno slabo razumljena, vendar verjetno obstaja več vrst takih zaporedij, od katerih vsaka določa prenos proteinske molekule v določeno regijo celice. Na primer, v rastlinski celici se nekateri proteini, katerih sinteza se začne v citosolu, nato prenesejo v mitohondrije, drugi v kloroplaste, tretji v peroksisome in tretji v endoplazmatski retikulum. Kompleksni procesi, ki vodijo do pravilne intracelularne porazdelitve beljakovin, so šele zdaj razumljivi.

Za izgradnjo novih mitohondrijev so poleg nukleinskih kislin in beljakovin potrebni lipidi. Za razliko od kloroplastov dobijo mitohondriji večino lipidov od zunaj. V živalskih celicah se fosfolipidi, sintetizirani v endoplazmatskem retikulumu, transportirajo do zunanje membrane mitohondrijev s posebnimi proteini in se nato vključijo v notranjo membrano; to naj bi se zgodilo na mestu stika med dvema membranama. Glavna reakcija biosinteze lipidov, ki jo katalizirajo sami mitohondriji, je pretvorba fosfatidne kisline v fosfolipid kardiolipin, ki se nahaja predvsem v notranji mitohondrijski membrani in predstavlja približno 20 % vseh njenih lipidov.

Velikost in oblika mitohondrijskih genomov

Do danes je bilo prebranih več kot 100 različnih mitohondrijskih genomov. Nabor in število njihovih genov v mitohondrijski DNK, za katere je nukleotidno zaporedje povsem določeno, se med različnimi vrstami živali, rastlin, gliv in praživali zelo razlikuje. Največje število genov je bilo najdenih v mitohondrijskem genomu bičkovih praživali Rectinomo-nas americana- 97 genov, vključno z vsemi geni za kodiranje beljakovin, ki jih najdemo v mtDNA drugih organizmov. Pri večini višjih živali vsebuje mitohondrijski genom 37 genov: 13 za proteine ​​dihalne verige, 22 za tRNA in dva za rRNA (za veliko ribosomsko podenoto 16S rRNA in za malo 12S rRNA). Pri rastlinah in praživalih za razliko od živali in večine gliv mitohondrijski genom kodira tudi nekatere beljakovine, ki sestavljajo ribosome teh organelov. Ključni encimi sinteze šablonskih polinukleotidov, kot sta DNA polimeraza (podvaja mitohondrijsko DNA) in RNA polimeraza (prepisuje mitohondrijski genom), so šifrirani v jedru in sintetizirani na ribosomih v citoplazmi. To dejstvo kaže na relativnost mitohondrijske avtonomije v kompleksni hierarhiji evkariontske celice.

Mitohondrijski genomi različnih vrst se razlikujejo ne le po naboru genov, vrstnem redu njihove lokacije in izražanja, ampak tudi po velikosti in obliki DNK. Velika večina danes opisanih mitohondrijskih genomov je krožnih superzvitih dvoverižnih molekul DNA. Pri nekaterih rastlinah poleg krožnih oblik obstajajo tudi linearne, pri nekaterih praživalih, kot so migetalniki, pa je v mitohondrijih le linearna DNK.

Vsak mitohondrij praviloma vsebuje več kopij svojega genoma. Tako je v človeških jetrnih celicah približno 2 tisoč mitohondrijev, vsaka od njih pa vsebuje 10 enakih genomov. V mišjih fibroblastih je 500 mitohondrijev, ki vsebujejo dva genoma, v celicah kvasovk pa S. cerevisiae- do 22 mitohondrijev, od katerih ima vsak štiri genome.

https://pandia.ru/text/78/545/images/image002_21.jpg" align="left" width="386 height=225" height="225"> Slika 2. Shema tvorbe linearnih (A), krožnih (B), verižnih (C) oligomerov mtDNA. ori je regija, kjer se začne replikacija DNA.

Velikost mitohondrijskega genoma različnih organizmov se giblje od manj kot 6 tisoč nukleotidnih parov pri plazmodiju falciparum (poleg dveh genov rRNA vsebuje samo tri gene, ki kodirajo beljakovine) do več sto tisoč nukleotidnih parov pri kopenskih rastlinah (npr. primer, Arabidopsis thaliana iz družine križnic 366924 nukleotidnih parov). Poleg tega najdemo 7-8-kratne razlike v velikosti mtDNA višjih rastlin celo znotraj iste družine. Dolžina mtDNA vretenčarjev se nekoliko razlikuje: pri ljudeh - 16569 nukleotidnih parov, pri prašičih - 16350, pri delfinih - 16330, pri žabah s kremplji. Xenopus laevis- 17533, pri krapu - 16400. Ti genomi so podobni tudi pri lokalizaciji genov, ki se večinoma nahajajo od konca do konca; v nekaterih primerih se celo prekrivajo, običajno za en nukleotid, tako da je zadnji nukleotid enega gena prvi v naslednjem. Za razliko od vretenčarjev pri rastlinah, glivah in praživalih mtDNA vsebuje do 80 % nekodirajočih zaporedij. Vrstni red genov v mitohondrijskih genomih se med vrstami razlikuje.

Visoka koncentracija reaktivnih kisikovih vrst v mitohondrijih in šibek popravljalni sistem povečata pogostost mutacij mtDNA za red velikosti v primerjavi z jedrno DNA. Kisikovi radikali povzročajo specifične substitucije C®T (deaminacija citozina) in G®T (oksidativna poškodba gvanina), zaradi česar je mtDNA verjetno bogata z AT pari. Poleg tega imajo vse mtDNA zanimivo lastnost – niso metilirane, za razliko od jedrske in prokariontske DNA. Znano je, da je metilacija (začasna kemična modifikacija nukleotidnega zaporedja brez motenj kodirne funkcije DNA) eden od mehanizmov programirane inaktivacije genov.

Velikost in zgradba molekul DNA v organelih

Relativne količine organelov DNK v nekaterih celicah in tkivih

Delovanje mitohondrijskega genoma

Kaj je posebnega pri mehanizmih replikacije in transkripcije DNA mitohondrijev sesalcev?

Komplementarne" href="/text/category/komplementarij/" rel="bookmark">Komplementarne verige v mtDNA se bistveno razlikujejo po specifični gostoti, saj vsebujejo neenake količine “težkih” purinskih in “lahkih” pirimidinskih nukleotidov. To so imenovana - H (težka - težka) in L (lahka - lahka) veriga. skop, je sestavljen iz dvoverižnega in enoverižnega (umaknjenega dela H-verige) odsekov. Dvoverižni odsek je sestavljen iz dela L-verige in komplementarnega novo sintetiziranega fragmenta DNA 450-650. (odvisno od vrste organizma) nukleotidov, ki ima 5"-. konec ribonukleotidnega primerja, ki ustreza izhodiščni točki sinteze H-verige (oriH). Sinteza L-verige se začne šele, ko hčerinska H-veriga doseže točko ori L. To je posledica dejstva, da je območje iniciacije replikacije L-verige dostopno encimom za sintezo DNA samo v enoverižni stanju in torej samo v nepletenem stanju dvojne vijačnice med sintezo H-verige. Tako se hčerinske verige mtDNA sintetizirajo neprekinjeno in asinhrono (slika 3).

Slika 3. Shema replikacije mtDNA sesalcev. Najprej se oblikuje D-zanka, nato se sintetizira hčerinska H-veriga, nato se začne sinteza hčerinske L-verige.

Konec gena 16S rRNA (slika 4). Takšnih kratkih prepisov je 10-krat več kot dolgih. Kot rezultat zorenja (procesiranja) iz njih nastaneta 12S rRNA in 16S rRNA, ki sodelujeta pri tvorbi mitohondrijskih ribosomov, ter fenilalaninska in valin tRNA. Preostale tRNA so izrezane iz dolgih transkriptov in nastanejo prevedene mRNA, na katerih 3" konce so pritrjene poliadenilne sekvence. 5" konci teh mRNA niso omejeni, kar je nenavadno za evkarionte. Spajanja (fuzije) ne pride, ker nobeden od mitohondrijskih genov sesalcev ne vsebuje intronov.

Slika 4. Transkripcija človeške mtDNA, ki vsebuje 37 genov. Vsi transkripti se začnejo sintetizirati v ori H regiji. tRNA in mRNA nastaneta kot rezultat procesiranja iz prepisov obeh verig DNK. Geni tRNA so označeni s svetlo zeleno barvo.

Ali želite vedeti, kakšna presenečenja lahko predstavlja mitohondrijski genom? Super! Beri naprej!..

Leader in 3" nekodirajočih regij, tako kot večina jedrskih mRNA. Številni geni vsebujejo tudi introne. Tako sta v box genu, ki kodira citokrom oksidazo b, dva introna. Iz primarnega zapisa RNA avtokatalitsko (brez sodelovanja katerikoli ali proteini) je izrezana kopija preostale RNK, ki služi kot matrica za tvorbo encima maturaza, ki je vključena v sekvenco aminokislin Maturaza jih izreže, pri čemer nastanejo lastne kopije mRNA in nastane mRNA za citokrom oksidazo (sl. 5). »nekodirajoče sekvence«.

Slika 5. Obdelava (zorenje) mRNA citokrom oksidaze b v mitohondrijih kvasovk. Na prvi stopnji spajanja nastane mRNA, ki sintetizira maturazo, potrebno za drugo fazo spajanja.

Pri preučevanju izražanja mitohondrijskih genov Trypanosoma brucei odkrili so presenetljivo odstopanje od enega od osnovnih aksiomov molekularne biologije, ki pravi, da se zaporedje nukleotidov v mRNK natančno ujema s tistim v kodirnih regijah DNK. Izkazalo se je, da je mRNA ene od podenot citokrom c-oksidaze urejena, to je, da se po transkripciji spremeni njena primarna struktura - vstavijo se štirje uracili. Posledično nastane nova mRNA, ki služi kot matrica za sintezo dodatne podenote encima, katere aminokislinsko zaporedje nima nič skupnega z zaporedjem virusov, gliv, rastlin in živali raziskovalec Burrell je primerjal strukturo enega od telečjih mitohondrijskih genov z zaporedjem aminokislin v podenoti citokrom oksidaze, ki jo kodira ta gen. eden je »idealen«, to pomeni, da upošteva naslednje pravilo: »če imata dva kodona dva enaka nukleotida in tretji nukleotid pripada istemu razredu (purin - A, G ali pirimidin - U, C), potem kodirajo isto aminokislino.« V univerzalnem kodu obstajata dve izjemi od tega pravila: triplet AUA kodira izolevcin in kodon AUG za metionin, medtem ko v idealni mitohondrijski kodi oba tripleta kodirata metionin; Triplet UGG kodira samo triptofan, triplet UGA pa stop kodon. V univerzalni kodi se oba odstopanja nanašata na temeljne vidike sinteze beljakovin: kodon AUG je začetni, stop kodon UGA pa ustavi sintezo polipeptida. Idealna koda ni lastna vsem opisanim mitohondrijem, vendar nobena od njih nima univerzalne kode. Lahko rečemo, da mitohondriji govorijo različne jezike, nikoli pa jezika jedra.

Razlike med "univerzalnim" genetskim kodom in obema mitohondrijskima kodama

Kot smo že omenili, je v mitohondrijskem genomu vretenčarjev 22 genov tRNA. Kako tako nepopoln nabor služi vsem 60 kodonom za aminokisline (v idealni kodi 64 tripletov so štirje stop kodoni, v univerzalni kodi pa trije)? Dejstvo je, da so med sintezo beljakovin v mitohondrijih interakcije kodon-antikodon poenostavljene - za prepoznavanje se uporabljata dva od treh antikodonskih nukleotidov. Tako ena tRNA prepozna vse štiri člane družine kodonov, ki se razlikujejo le v tretjem nukleotidu. Na primer, levcinska tRNA z antikodonom GAU je nameščena na ribosomu nasproti kodonov TsU, TsUC, TsUA in Tsug, kar zagotavlja nedvoumno vključitev levcina v polipeptidno verigo. Dva druga kodona levcina, UUA in UUG, tRNA prepozna z antikodonom AAU. Skupaj osem različnih molekul tRNA prepozna osem družin po štirih kodonov in 14 tRNA prepozna različne pare kodonov, od katerih vsak kodira eno aminokislino.

Pomembno je, da so encimi aminoacil-tRNA sintetaze, odgovorni za dodajanje aminokislin k ustreznim mitohondrijskim tRNA, kodirani v celičnem jedru in sintetizirani na ribosomih endoplazmatskega retikuluma. Tako so pri vretenčarjih vse beljakovinske komponente sinteze mitohondrijskih polipeptidov šifrirane v jedru. V tem primeru sinteze beljakovin v mitohondrijih ne zavre cikloheksimid, ki blokira delo evkariontskih ribosomov, ampak je občutljiva na antibiotika eritromicin in kloramfenikol, ki zavirata sintezo beljakovin v bakterijah. To dejstvo služi kot eden od argumentov v prid izvoru mitohondrijev iz aerobnih bakterij med simbiotično tvorbo evkariontskih celic.

Pomen lastnega genetskega sistema za mitohondrije

Zakaj mitohondriji potrebujejo svoj genetski sistem, drugi organeli, kot so peroksisomi in lizosomi, pa ne? To vprašanje sploh ni trivialno, saj je vzdrževanje ločenega genetskega sistema drago za celico, glede na potrebno število dodatnih genov v jedrnem genomu. Tu bi morali biti kodirani ribosomski proteini, aminoacil-tRNA sintetaze, DNA in RNA polimeraze, encimi za predelavo in modifikacijo RNA itd. Večina proučevanih proteinov iz mitohondrijev se razlikuje po aminokislinskem zaporedju od svojih dvojnikov iz drugih delov celice. je razlog za domnevo, da je v teh organih zelo malo beljakovin, ki bi jih lahko našli drugje. To pomeni, da samo za ohranitev genetskega sistema mitohondrijev mora biti v jedrskem genomu več deset dodatnih genov. Razlogi za to »zapravljivost« so nejasni in upanje, da bi odgovor našli v zaporedju nukleotidov mitohondrijske DNK, se ni uresničilo. Težko si je predstavljati, zakaj se morajo beljakovine, ki nastanejo v mitohondrijih, nujno sintetizirati tam in ne v citosolu.

Običajno je obstoj genetskega sistema v energetskih organelih razložen z dejstvom, da so nekateri proteini, sintetizirani znotraj organelov, preveč hidrofobni, da bi šli skozi mitohondrijsko membrano od zunaj. Vendar so študije kompleksa ATP sintetaze pokazale, da je takšna razlaga neverjetna. Čeprav so posamezne proteinske podenote ATP sintetaze med evolucijo zelo ohranjene, se mesta njihove sinteze spreminjajo. V kloroplastih se na ribosomih znotraj organele proizvaja več dokaj hidrofilnih proteinov, vključno s štirimi od petih podenot dela kompleksa F1-ATPaze. Nasprotno, goba nevrospora v živalskih celicah pa se zelo hidrofobna komponenta (podenota 9) membranskega dela ATPaze sintetizira na ribosomih citoplazme in šele nato preide v organele. Različno lokalizacijo genov, ki kodirajo podenote funkcionalno enakovrednih proteinov v različnih organizmih, je težko razložiti s kakršno koli hipotezo, ki predpostavlja določene evolucijske prednosti sodobnih genetskih sistemov mitohondrijev in kloroplastov.

Glede na vse navedeno lahko samo domnevamo, da je mitohondrijski genetski sistem evolucijsko slepo ulico. V okviru endosimbiotske hipoteze to pomeni, da se je proces prenosa endosimbiontnih genov v jedrni genom gostitelja ustavil, še preden je bil popolnoma zaključen.

Citoplazmatsko dedovanje

Posledice citoplazemskega prenosa genov so pri nekaterih živalih, vključno z ljudmi, hujše kot pri kvasovkah. Dve haploidni celici kvasovk, ki se spajata, sta enake velikosti in prispevata enako količino mitohondrijske DNA v nastalo zigoto. Tako je pri kvasovkah mitohondrijski genom podedovan od obeh staršev, ki enako prispevata k genskemu bazenu potomcev (čeprav po več generacijah ločiti potomci bodo pogosto vsebovali mitohondrije samo enega od starševskih vrst). Nasprotno pa pri višjih živalih jajčece prispeva več citoplazme v zigoto kot sperma, pri nekaterih živalih pa sperma morda sploh ne prispeva citoplazme. Zato lahko mislimo, da se bo pri višjih živalih mitohondrijski genom prenašal le od enega starša (in sicer materinskičrte); in res, to so potrdili poskusi. Izkazalo se je na primer, da pri križanju podgan dveh laboratorijskih sevov z mitohondrijsko DNA, ki se nekoliko razlikujeta po nukleotidnem zaporedju (tipa A in B), dobimo potomce, ki vsebujejo

ki vsebuje samo mitohondrijsko DNA materinega tipa.

Citoplazmatsko dedovanje, za razliko od jedrskega, ne sledi Mendelovim zakonom. To je posledica dejstva, da pri višjih živalih in rastlinah gamete različnih spolov vsebujejo različne količine mitohondrijev. Torej, v mišjem jajcu je 90 tisoč mitohondrijev, v spermi pa le štiri. Očitno je, da so v oplojenem jajčecu mitohondriji pretežno ali samo iz samice, to pomeni, da je dedovanje vseh mitohondrijskih genov materino. Genetska analiza citoplazmatskega dedovanja je težavna zaradi jedrsko-citoplazmatskih interakcij. V primeru citoplazemske moške sterilnosti mutirani mitohondrijski genom sodeluje z določenimi jedrnimi geni, katerih recesivni aleli so potrebni za razvoj lastnosti. Dominantni aleli teh genov, tako v homo- kot heterozigotnih stanjih, obnovijo plodnost rastlin, ne glede na stanje mitohondrijskega genoma.

Želel bi se osredotočiti na mehanizem materinskega dedovanja genov s posebnim primerom. Da bi dokončno in nepreklicno razumeli mehanizem nemendelskega (citoplazemskega) dedovanja mitohondrijskih genov, razmislimo, kaj se zgodi s takimi geni, ko se dve haploidni celici združita in tvorita diploidno zigoto. V primeru, da ima ena celica kvasovke mutacijo, ki določa odpornost sinteze mitohondrijskih beljakovin na kloramfenikol, druga, celica divjega tipa, pa je občutljiva na ta antibiotik: mutirane gene je mogoče zlahka identificirati z gojenjem kvasovk na gojišču z glicerol, ki ga lahko uporabljajo samo celice z intaktnimi mitohondriji; zato lahko v prisotnosti kloramfenikola v takem mediju rastejo samo celice, ki nosijo mutirani gen. Naša diploidna zigota bo imela na začetku mitohondrije mutiranega in divjega tipa. Zaradi mitoze bo iz zigote brstila diploidna hčerinska celica, ki bo vsebovala le majhno število mitohondrijev. Po več mitotskih ciklih bo sčasoma ena od novih celic prejela vse mitohondrije, bodisi mutantnega ali divjega tipa. Zato bodo imeli vsi potomci takšne celice genetsko enake mitohondrije. Takšen naključni proces, zaradi katerega nastanejo diploidni potomci, ki vsebujejo samo eno vrsto mitohondrijev, se imenuje mitotičenth seagregacijath. Ko je diploidna celica z eno samo vrsto mitohondrijev podvržena mejozi, vse štiri hčerinske haploidne celice prejmejo iste mitohondrijske gene. Ta vrsta dedovanja se imenuje nemendelev posneto oz citoplazemski v nasprotju z mendelskim dedovanjem jedrnih genov. Citoplazmatski prenos genov pomeni, da se geni, ki jih proučujemo, nahajajo v mitohondrijih.

Preučevanje mitohondrijskih genomov, njihove evolucije, ki sledi specifičnim zakonom populacijske genetike, in odnosov med jedrskimi in mitohondrijskimi genetskimi sistemi je potrebno za razumevanje kompleksne hierarhične organizacije evkariontske celice in organizma kot celote.

Nekatere dedne bolezni in staranje ljudi so povezani z nekaterimi mutacijami v mitohondrijski DNK ali v jedrskih genih, ki nadzorujejo delovanje mitohondrijev. Podatki o vpletenosti okvar mtDNA v karcinogenezo se kopičijo. Zato so lahko mitohondriji tarča kemoterapije raka. Obstajajo dejstva o tesni interakciji jedrskega in mitohondrijskega genoma pri razvoju številnih človeških patologij. Večkratne delecije mtDNA so odkrili pri bolnikih s hudo mišično oslabelostjo, ataksijo, gluhostjo in duševno zaostalostjo, podedovano avtosomno dominantno. V kliničnih manifestacijah koronarne srčne bolezni je bil ugotovljen spolni dimorfizem, ki je najverjetneje posledica maternalnega učinka - citoplazmatskega dedovanja. Razvoj genske terapije daje upanje za odpravo napak v mitohondrijskih genomih v dogledni prihodnosti.

Kot je znano, je za preverjanje delovanja ene od komponent večkomponentnega sistema potrebno to komponento odstraniti z naknadno analizo nastalih sprememb. Ker je tema tega povzetka nakazati vlogo materinega genoma za razvoj potomcev, bi bilo logično spoznati posledice motenj v sestavi mitohondrijskega genoma, ki jih povzročajo različni dejavniki. Izkazalo se je, da je orodje za preučevanje zgornje vloge mutacijski proces, posledice njegovega delovanja, ki so nas zanimale, pa so bile ti. mitohondrijske bolezni.

Mitohondrijske bolezni so primer citoplazemske dednosti pri človeku ali natančneje »organelne dednosti«. To pojasnilo je treba narediti, ker obstoj, vsaj pri nekaterih organizmih, citoplazemskih dednih determinant, ki niso povezane s celičnimi organeli - citogeni je zdaj dokazan (-Vechtomov, 1996).

Mitohondrijske bolezni so heterogena skupina bolezni, ki jih povzročajo genetske, strukturne in biokemične okvare mitohondrijev ter okvara tkivnega dihanja. Za postavitev diagnoze mitohondrijske bolezni je pomembna celovita genealoška, ​​klinična, biokemijska, morfološka in genetska analiza. Glavni biokemični znak mitohondrijske patologije je razvoj laktacidoze; običajno se odkrije hiperlaktična acidemija v kombinaciji s hiperpiruvatično kislino. Število različnih možnosti je doseglo 120 oblik. Obstaja stabilno povečanje koncentracije mlečne in piruvične kisline v cerebrospinalni tekočini.

Mitohondrijske bolezni (MD) predstavljajo velik problem sodobne medicine. Glede na načine dednega prenosa med MD spadajo bolezni, podedovane monogensko po mendelskem tipu, pri katerih je zaradi mutacije jedrnih genov porušena bodisi struktura in delovanje mitohondrijskih proteinov ali pa se spremeni izražanje mitohondrijske DNK. kot bolezni, ki jih povzročajo mutacije mitohondrijskih genov, ki se večinoma prenašajo na potomce po materini liniji.

Podatki morfoloških študij, ki kažejo na hudo patologijo mitohondrijev: nenormalna proliferacija mitohondrijev, polimorfizem mitohondrijev z motnjami v obliki in velikosti, dezorganizacija krist, kopičenje nenormalnih mitohondrijev pod sarkolemo, parakristalni vključki v mitohondrijih, prisotnost interfibrilarnih vakuol.

Oblike mitohondrijskih bolezni

1 . Mitohondrijske bolezni, ki jih povzročajo mutacije v mitohondrijski DNK

1.1.Bolezni, ki jih povzročajo delecije mitohondrijske DNA

1.1.1. Cairns-Sayrov sindrom

Bolezen se kaže v starosti od 4 do 18 let, napredujoča zunanja oftalmoplegija, pigmentni retinitis, ataksija, intencijski tremor, atrioventrikularni srčni blok, povečane ravni beljakovin v cerebrospinalni tekočini nad 1 g/l, "raztrgana" rdeča vlakna v skeletu. mišične biopsije

1.1.2. Pearsonov sindrom

Začetek bolezni je od rojstva ali v prvih mesecih življenja, včasih je možen razvoj encefalomiopatij, ataksije, demence, progresivne zunanje oftalmoplegije, hipoplastične anemije, okvarjene eksokrine funkcije trebušne slinavke, progresivni potek.

2 .Bolezni, ki jih povzročajo točkaste mutacije v mitohondrijski DNA

Tip dedovanja po materini strani, akutno ali subakutno zmanjšanje ostrine vida na enem ali obeh očesih, kombinacija z nevrološkimi in osteoartikularnimi motnjami, mikroangiopatija mrežnice, progresivni potek z možnostjo remisije ali ponovne vzpostavitve ostrine vida, pojav bolezni pri starosti 20 let. -30 let

2.2. Sindrom NAPR (nevropatija, ataksija, retinitis pigmentosa)

Materin tip dedovanja, kombinacija nevropatije, ataksije in retinitis pigmentosa, zapozneli psihomotorični razvoj, demenca, prisotnost "raztrganih" rdečih vlaken v biopsijah mišičnega tkiva

2.3 Sindrom MERRF (mioklonus-epilepsija, "raztrgana" rdeča vlakna)

Materin tip dedovanja, začetek bolezni v starosti 3-65 let, mioklonična epilepsija, ataksija, demenca v kombinaciji s senzorinevralno gluhostjo, atrofija vidnih živcev in motnje globoke občutljivosti, laktacidoza, EEG preiskave odkrivajo generalizirano kopalniško epilepsijo. kompleksi, "raztrgana" rdeča vlakna v biopsijah skeletnih mišic, progresivni potek

2.4. Sindrom MELAS (mitohondrijska encefalomiopatija, laktacidoza, kapi podobne epizode)

Tip dedovanja po materini strani, pojav bolezni pred 40. letom starosti, intoleranca za vadbo, migrenski podobni glavoboli s slabostjo in bruhanjem, možganski kapi podobne epizode, konvulzije, laktacidoza, "raztrgana" rdeča vlakna v mišičnih biopsijah, progresivni potek.

3 .Patologija, povezana z okvarami v medgenomski komunikaciji

3.1 Sindromi večkratne delecije mitohondrijske DNA

Blefaroptoza, zunanja oftalmoplegija, mišična oslabelost, senzorinevralna gluhost, atrofija vidnega živca, progresivni potek, "raztrgana" rdeča vlakna v biopsijah skeletnih mišic, zmanjšana aktivnost encimov dihalne verige.

3.2. Sindrom delecije mitohondrijske DNA

Avtosomno recesivni način dedovanja

Klinične oblike:

3.2.1.Usodna infantilnost

a) huda odpoved jeter b) hepatopatija c) mišična hipotenzija

Prvenec v neonatalnem obdobju

3.2.2.Prirojena miopatija

Huda mišična oslabelost, generalizirana hipotenzija, kardiomiopatija in konvulzije, okvara ledvic, glikozurija, aminoacidopatija, fosfaturija

3.2.3.Infantilna miopatija

pojavi se v prvih 2 letih življenja, progresivna mišična oslabelost, atrofija proksimalnih mišičnih skupin in izguba kitnih refleksov, hitro napredujoč potek, smrt v prvih 3 letih življenja.

4 Mitohondrijske bolezni, ki jih povzročajo mutacije jedrske DNK

4.1.Bolezni, povezane z okvarami v dihalni verigi

4.1.1. Pomanjkanje kompleksa 1 (NADH:CoQ reduktaza)

Začetek bolezni pred 15. letom starosti, sindrom miopatije, zapozneli psihomotorični razvoj, motnje srčno-žilnega sistema, konvulzije, odporne na zdravljenje, več nevroloških motenj, progresivni potek

4.1.2. Pomanjkanje kompleksa 2 (sukcinat-CoQ reduktaza)

Zanj je značilen sindrom encefalomiopatije, progresivni potek, epileptični napadi, možen razvoj ptoze

4.1.3. Pomanjkanje kompleksa 3 (CoQ-citokrom C oksidoreduktaza)

Multisistemske motnje, poškodbe različnih organov in sistemov, ki vključujejo osrednje in periferno živčevje, endokrini sistem, ledvice, progresivni potek.

4.1.4. Kompleksno pomanjkanje (citokrom C oksidaza)

4.1.4.1. Smrtna infantilna prirojena laktacidoza

Mitohondrijska miopatija z ledvično odpovedjo ali kardiomiopatijo, nastop pri novorojenčku, hude respiratorne motnje, difuzna mišična hipotenzija, progresivni potek, smrt v prvem letu življenja.

4.1.4.2.Benigna infantilna mišična oslabelost

Atrofija z ustreznim in pravočasnim zdravljenjem je možna hitra stabilizacija procesa in okrevanje do 1-3 let življenja

5 Menkesov sindrom (trihopoliodistrofija)

Močna zamuda v psihomotoričnem razvoju, zaostajanje rasti, oslabljena rast in distrofične spremembe las,

6 . Mitohondrijske encefalomiopatije

6.1.Leighov sindrom(subakutna nevrotizirajoča encefalomielopatija)

Pojavi se po 6 mesecih življenja, mišična hipotonija, ataksija, nistagmus, piramidni simptomi, oftalmoplegija, atrofija vidnega živca, dodatek kardiomiopatije in blage presnovne acidoze

6.2.Alpersov sindrom(progresivna sklerozirajoča polidistrofija)

Degeneracija sive snovi možganov v kombinaciji s cirozo jeter, pomanjkanje kompleksa 5 (ATP sintetaze), zapozneli psihomotorični razvoj, ataksija, demenca, mišična oslabelost, progresivni potek bolezni, neugodna prognoza.

6.3. Pomanjkanje koencima Q

Presnovne krize, mišična oslabelost in utrujenost, oftalmoplegija, gluhost, zmanjšan vid, kapi podobne epizode, ataksija, mioklonusna epilepsija, poškodbe ledvic: glukozurija, aminoacidopatija, fosfaturija, endokrine motnje, progresivni potek, zmanjšana aktivnost encimov dihalne verige

7 .Bolezni, povezane s presnovnimi motnjami mlečne in piruvične kisline

7.1 Pomanjkanje piruvat karboksilaze Avtosomno recesivni tip dedovanja, pojav bolezni v neonatalnem obdobju, kompleks simptomov "mlahav otrok", konvulzije, odporne na zdravljenje, visoke koncentracije ketonskih teles v krvi, hiperamonemija, hiperlizinemija, zmanjšana aktivnost piruvat karboksilaze pri skeletne mišice

7.2.Pomanjkanje piruvat dehidrogenaze

Manifestacija v neonatalnem obdobju, kraniofacialna dismorfija, konvulzije, odporne na terapijo, motnje dihanja in sesanja, kompleks simptomov "mlahav otrok", cerebralna disginezija, huda acidoza z visokimi koncentracijami laktata in piruvata

7.3. Zmanjšana aktivnost piruvat dehidrogenaze

Začetek v prvem letu življenja, mikrocefalija, zapozneli psihomotorični razvoj, ataksija, mišična distonija, koreoatetoza, laktacidoza z visoko vsebnostjo piruvata

7.4.Pomanjkanje dihidrolipoiltransacetilaze

Avtosomno recesivni tip dedovanja, pojav bolezni v neonatalnem obdobju, mikrocefalija, zapozneli psihomotorični razvoj, mišična hipotonija s posledično povečanjem mišičnega tonusa, atrofija optičnega diska, laktacidoza, zmanjšana aktivnost dihidrolipoiltransacetilaze

7.5.Pomanjkanje dihidrolipoil dehidrogenaze

Avtosomno recesivni tip dedovanja, pojav bolezni v prvem letu življenja, kompleks simptomov "mlahav otrok", dismetabolne krize z bruhanjem in drisko, zapozneli psihomotorični razvoj, atrofija optičnih diskov, laktacidoza, zvišane ravni alanina v krvni serum, α-ketoglutarat, razvejane α-keto kisline, zmanjšana aktivnost dihidrolipoil dehidrogenaze

8 .Bolezni, ki jih povzročajo napake v beta-oksidaciji maščobnih kislin

8.1. Pomanjkanje dolgoverižne acetil-CoA dehidrogenaze

Avtosomno recesivni tip dedovanja, pojav bolezni v prvih mesecih življenja, presnovne krize z bruhanjem in drisko, kompleks simptomov "mlahav otrok", hipoglikemija, dikarboksilna acidurija, zmanjšana aktivnost acetil-CoA dehidrogenaze dolgoverižnih maščobnih kislin. kisline

8.2 Pomanjkanje srednje ogljikove verige acetil-CoA dehidrogenaze

Avtosomno recesivna vrsta dedovanja, pojav bolezni v neonatalnem obdobju ali v prvih mesecih življenja, presnovne krize z bruhanjem in drisko,

mišična oslabelost in hipotenzija, pogosto se razvije sindrom nenadne smrti, hipoglikemija, dikarboksilna acidurija, zmanjšana aktivnost acetil-CoA dehidrogenaze srednje ogljikovih maščobnih kislin

8.3. Pomanjkanje acetil-CoA dehidrogenaze kratkoverižne maščobne kisline

Avtosomno recesivni tip dedovanja, različna starost nastopa bolezni, zmanjšana toleranca za telesno aktivnost, presnovne krize z bruhanjem in drisko, mišična oslabelost in hipotenzija, povečano izločanje metiljantarne kisline z urinom, acetil-CoA dehidrogenaze kratkoverižnih maščobnih kislin

8.4 Večkratna pomanjkljivost acetil-CoA dehidrogenaz maščobnih kislin

Neonatalna oblika: kraniofacialna dismorfija, možganska disginezija, huda hipoglikemija in acidoza, maligni potek, zmanjšana aktivnost vseh acetil-CoA dehidrogenaz maščobnih kislin,

Infantilna oblika: kompleks simptomov "mlahav otrok", kardiomiopatija, presnovne krize, hipoglikemija in acidoza

8.5. Zmanjšana aktivnost vseh acetil-CoA dehidrogenaz maščobnih kislin

Pozna debitantska forma: občasne epizode mišične oslabelosti, presnovne krize, hipoglikemija in acidoza sta manj izraziti, inteligenca je ohranjena,

9 .Encimopatije Krebsovega cikla

9.1. Pomanjkanje fumaraze

Avtosomno recesivni tip dedovanja, začetek bolezni v obdobju novorojenčka ali novorojenčka, mikrocefalija, splošna mišična oslabelost in hipotenzija, epizode letargije, hitro napredujoča encefalopatija, slaba prognoza

9.2.Pomanjkanje sukcinat dehidrogenaze

Redka bolezen, za katero je značilna progresivna encefalomiopatija

9.3 Pomanjkanje alfa-ketoglutarat dehidrogenaze

Avtosomno recesivni tip dedovanja, neonatalni začetek bolezni, mikrocefalija, kompleks simptomov "mlahav otrok", epizode letargije, laktacidoza, hitro progresivni potek, zmanjšana vsebnost encimov Krebsovega cikla v tkivih.

9.4. Sindromi pomanjkanja karnitina in encimov njegove presnove

Pomanjkanje karnitin palmitoiltransferaze-1, avtosomno recesivni tip dedovanja, zgodnji začetek bolezni, epizode ne-ketonemične hipoglikemične kome, hepatomegalija, hipertrigliceridemija in zmerna hiperamonemija, zmanjšana aktivnost karnitin palmitoiltransferaze-1 v fibroblastih in jetrnih celicah

9.5. Pomanjkanje karnitin acilkarnitin translokaze

Zgodnji začetek bolezni, kardiovaskularne in dihalne motnje, kompleks simptomov "ohlapnega otroka", epizode letargije in kome, povečane koncentracije karnitinskih estrov in dolgih ogljikovih verig ob zmanjšanju prostega karnitina v krvnem serumu, zmanjšana aktivnost karnitina acilkarnitin translokaze

9.6. Pomanjkanje karnitin palmitoil transferaze-2

Avtosomno recesivni tip dedovanja, mišična oslabelost, mialgija, mioglobinurija, zmanjšana aktivnost karnitin palmitoiltransferaze-2 v skeletnih mišicah

Avtosomno recesivni tip dedovanja, kompleks miopatskih simptomov, epizode letargije in letargije, kardiomiopatija, epizode hipoglikemije, znižana raven karnitina v serumu in povečano izločanje z urinom.

Po analizi tako "strašnega" seznama patologij, povezanih z določenimi spremembami v delovanju mitohondrijskega (in ne samo) genoma, se pojavljajo nekatera vprašanja. Kaj so produkti mitohondrijskih genov in v katerih super-mega-vitalnih celičnih procesih sodelujejo?

Kot se je izkazalo, se lahko nekatere od zgornjih patologij pojavijo zaradi motenj v sintezi 7 podenot kompleksa NADH dehidrogenaze, 2 podenot ATP sintetaze, 3 podenot citokrom c oksidaze in 1 podenote ubikinol-citokrom c reduktaze (citokrom b), ki so genski produkti mitohondrijev. Na podlagi tega lahko sklepamo, da imajo ti proteini ključno vlogo v procesih celičnega dihanja, oksidacije maščobnih kislin in sinteze ATP, prenosa elektronov v elektronskem transportnem sistemu notranje membrane MT, delovanju antioksidativnega sistema itd.

Sodeč po najnovejših podatkih o mehanizmih apoptoze so številni znanstveniki prišli do zaključka, da obstaja nadzorni center za apoptozo...

Vloga mitohondrijskih proteinov se je pokazala tudi pri uporabi antibiotikov, ki blokirajo mitohondrijsko sintezo. Če človeške celice v tkivni kulturi zdravimo z antibiotikom, kot sta tetraciklin ali kloramfenikol, se bo njihova rast ustavila po eni ali dveh delitvah. To je posledica zaviranja sinteze mitohondrijskih beljakovin, kar vodi do pojava okvarjenih mitohondrijev in posledično nezadostne tvorbe ATP. Zakaj se potem antibiotiki lahko uporabljajo za zdravljenje bakterijskih okužb? Na to vprašanje obstaja več odgovorov:

1. Nekateri antibiotiki (kot je eritromicin) ne prehajajo skozi notranjo membrano mitohondrijev sesalcev.

2. Večina celic v našem telesu se ne deli oziroma se deli zelo počasi, zato enako počasi poteka zamenjava obstoječih mitohondrijev z novimi (v mnogih tkivih se polovica mitohondrijev zamenja v približno petih dneh ali celo dlje). Tako se bo število normalnih mitohondrijev zmanjšalo na kritično raven le, če se bo blokada sinteze mitohondrijskih beljakovin vzdrževala več dni.

3. Določeni pogoji v tkivu nekaterim zdravilom preprečujejo vstop v mitohondrije najbolj občutljivih celic. Na primer, visoka koncentracija Ca2+ v kostnem mozgu povzroči nastanek Ca2+-tetraciklinskega kompleksa, ki ne more prodreti skozi hitro deleče se (in zato najbolj ranljive) prekurzorje krvnih celic.

Ti dejavniki omogočajo uporabo nekaterih zdravil, ki zavirajo sintezo mitohondrijskih beljakovin, kot antibiotikov pri zdravljenju višjih živali. Samo dve od teh zdravil imata neželene učinke: dolgotrajno zdravljenje z velikimi odmerki kloramfenikola lahko povzroči motnje hematopoetske funkcije kostnega mozga (zavira tvorbo rdečih in belih krvničk), dolgotrajna uporaba tetraciklina pa lahko poškoduje črevesni epitelij. A v obeh primerih še ni povsem jasno, ali so ti neželeni učinki posledica blokade mitohondrijske biogeneze ali kakšnega drugega razloga.

Zaključek

Strukturne in funkcionalne značilnosti mt genoma so naslednje. Prvič, ugotovljeno je bilo, da se mtDNA prenaša z matere na vse nje

potomcev in od njenih hčera na vse naslednje generacije, sinovi pa ne prenašajo svoje DNK (materino dedovanje). Materinski značaj

dedovanje mtDNA je verjetno povezano z dvema okoliščinama: ali je delež očetove mtDNA tako majhen (ne prenaša se po očetovi liniji)

več kot ena molekula DNK na 25 tisoč materine mtDNK), da jih z obstoječimi metodami ni mogoče zaznati ali pa je po oploditvi blokirana replikacija očetovih mitohondrijev. Drugič, odsotnost kombinacijske variabilnosti - mtDNA pripada samo enemu od staršev, zato ni rekombinacijskih dogodkov, značilnih za jedrno DNA v mejozi, in nukleotidno zaporedje se spreminja iz generacije v generacijo samo zaradi mutacij. Tretjič, mtDNA nima intronov

(velika verjetnost, da bo naključna mutacija vplivala na kodirno regijo DNK), zaščitni histoni in učinkovit sistem popravljanja DNK – vse to določa 10-krat večjo stopnjo mutacije kot v jedrski DNK. Četrtič, normalna in mutirana mtDNA lahko sočasno obstajata znotraj iste celice - pojav heteroplazme (prisotnost samo normalne ali samo mutirane mtDNA se imenuje homoplazmija). Končno se obe verigi prepisujeta in prevajata v mtDNA, v številnih značilnostih pa se genetska koda mtDNA razlikuje od univerzalne (UGA kodira triptofan, AUA kodira metionin, AGA in AGG sta stop-

kodoni).

Zaradi teh lastnosti in zgornjih funkcij mt-genoma je preučevanje variabilnosti nukleotidnega zaporedja mtDNA neprecenljivo orodje za zdravnike, forenzične znanstvenike, evolucijske biologe,

predstavniki zgodovinske vede pri reševanju njihovih specifičnih problemov.

Od leta 1988, ko je bilo odkrito, da so genske mutacije mtDNA osnova mitohondrijskih miopatij (J. Y. Holt et al., 1988) in Leberjeve dedne optične nevropatije (D. C. Wallace, 1988), je nadaljnja sistematična identifikacija mutacij v človeškem mt genomu vodila do oblikovanja koncept mitohondrijskih bolezni (MD). Trenutno so patološke mutacije mtDNA odkrili v vseh vrstah mitohondrijskih genov.

Bibliografija

1. Skulachev, mitohondriji in kisik, Soros. izobraževanje revija

2. Osnove biokemije: V treh zvezkih, M.: Mir, .

3. Nicholes D. G. Bioenergetika, Uvod. do Chemiosma. Th., akad. Tisk, 1982.

4. Stryer L. Biokemija, 2. izd. San Francisco, Freeman, 1981.

5. Biološke membrane Skulacheva. M., 1989.

6. , Chentsov retikulum: Struktura in nekatere funkcije // Results of Science. Splošni problemi biologije. 1989

7. Citologija Čencova. M.: Založba Moskovske državne univerze, 1995

8. , Obseg pristojnosti mitohondrijskega genoma // Vestn. RAMS, 2001. ‹ 10. str. 31-43.

9. Holt I. J., Harding A. E., Morgan-Hughes I. A. Izbris mišične mitohondrijske DNA pri bolnikih z mitohondrijsko miopatijo. Narava 1988, 331:717-719.

10. in itd.Človeški genom in geni predispozicije. Sankt Peterburg, 2000

11. , Mitohondrijski genom. Novosibirsk, 1990.

12. // Soros. izobraževanje revija 1999. št. 10. Str.11-17.

13. Vloga simbioze v evoluciji celice. M., 1983.

14. // Soros. izobraževanje revija 1998. št. 8. Str.2-7.

15. // Soros. izobraževanje revija 2000. št. 1. Str.32-36.

Kijevska nacionalna univerza poimenovana po. Taras Ševčenko

Oddelek za biologijo

Esej

na temo:

"Vloga materinega genoma pri razvoju potomcev"

ztamenta IVseveda

Oddelek za biokemijo

Frolova Artema

Kijev 2004

Načrtujte:

Uvod................................................. ..............................1

Simbiotska teorija o nastanku mitohondrijev......2

Vloga celičnega jedra v mitohondrijski biogenezi.................................................. ...........5

Mitohondrijski transportni sistemi..................................................... .................. ......7

Velikost in oblika mitohondrijskih genomov.....................................10

Delovanje mitohondrijskega genoma...................14

Pomen lastnega genetskega sistema za mitohondrije............................................ ............................................19

Citoplazmatsko dedovanje.....................................20

Prepis predstavitve

Leberjev sindrom: LHON (1871) izguba vida, podedovana po materi, se pojavi pri ljudeh, starih 20-30 let, zaradi atrofije optičnega živca in degeneracije plasti ganglijskih celic mrežnice. Bolezen je povezana z mutacijo mitohondrijske DNA, ki se prenaša z matere. enega od genov ND (kompleks I). V 70 % primerov je G11778A(ND4), na Japonskem pa v 90 % primerov, v 13 % primerov pa G3460A (ND1); v 14 % primerov T14484C (ND6) Mutacija je v homoplazemskem stanju

634 bp DNK diagnozo Leberjevega sindroma v družini N smo prvič izvedli leta 2006 G11778 G11778A nadomestni proband z Leberjevim sindromom zdrava sestra mati oseba proband

V 80-85% primerov so prizadeti moški (kromosom X nosi nekakšen lokus občutljivosti?) Samo 50% moških in 10% žensk, ki so nosilci patogene mutacije kompleksa I, dejansko doživijo izgubo vida?? Najpogosteje se mutacije, ki vodijo do Leberjevega sindroma, pojavijo v mtDNA haploskupini J; To skupino nosi približno 15% Evropejcev?? Ali obstajajo dodatni dejavniki, ki sodelujejo pri nastanku bolezni (???)

Najpogostejša točkovna mutacija: A3243G v levcinski tRNA Najdemo jo pri večini bolnikov s sindromom MELAS možganski kapi podobne epizode miopatija laktacidoza encefalopatija Mutacija se pojavi izključno v heteroplazemskem stanju V nekaterih družinah A3243G povzroča predvsem kardiomiopatijo, v drugih sladkorno bolezen in gluhost, v tretjih PEO , četrtič - encefalopatija???

Sindrom MELAS smo testirali leta 2007. Mati: fenotipsko zdrava ženska I. zakon. Nenadoma umrl po poškodbi Mitohondriopatija?? Mutacijo MELAS so odkrili pri sinu (80 % mutantnih molekul v krvi) in pri materi (40 %).

RNA (nadaljevanje) Mutacija A8344G v genu lizinske tRNA na nivoju mutantnih molekul > 85 % vodi do sindroma MERRF: mioklonus-epilepsija; "raztrgana" rdeča mišična vlakna; duševna zaostalost; ataksija; mišična atrofija itd. Matere bolnikov so običajno fenotipsko zdrave ali imajo blage simptome. Mutacija močno zmanjša učinkovitost prevajanja v telesu in s tem izzove pomanjkljivost dihalne verige.

Najpogostejša mutacija gena 12S rRNA A1555G Povzroča nesindromsko izgubo sluha zaradi občutljivosti nosilcev mutacije na ototoksične aminoglikozide Druge mutacije genov 12S in 16S povzročajo kardiomiopatijo, ataksijo, MELAS, diabetes mellitus, senzorinevralno izgubo sluha.

NARP (nevropatija ataksija in retinitis pigmentosa) Mutacija v genu ATPase6 - transverzija T - G na nukleotidu 8993 (70-90% mutirane DNA) T8993G: levcin je v ATPase6 nadomeščen z argininom, kar vodi do motene sinteze ATP, če je delež mtDNA je več kot 90 %, klinične manifestacije opazimo prej in simptomi so resnejši, resnejši: subakutna nekrotizirajoča encefalopatija z značilnostmi Leighovega sindroma (LS)

Nevrodegenerativna bolezen: - simetrične nekrotične lezije v subkortikalnih predelih centralnega živčnega sistema - bazalni gangliji, talamus, možgansko deblo, hrbtenjača; - demielinizacija, vaskularna proliferacija in "glioza"; - motorična in duševna regresija, ataksija, distonija, nenormalno dihanje se začne v zgodnjem otroštvu, redko v odrasli dobi; Smrt običajno nastopi dve leti po začetku bolezni

DNA (MILS) 7/10 primerov – recesivne mutacije jedrnih avtosomnih genov, ki kodirajo podenote dihalne verige ali proteine, ki sodelujejo pri njenem sestavljanju ATPaza 6 LS 1/10 primerov – mutacije kromosoma X PDHC

Vzrok je velik izbris 5 kb. Izgubljenih je 5 genov tRNA in 5 proteinskih genov. KSS - smrtna multisistemska patologija, ki se kaže v starosti 4-18 let: CPEO, pigmentoza retinitisa, ataksija, gluhost, endokrina disfunkcija, atrioventrikularni srčni blok, povišane ravni beljakovin v cerebrospinalni tekočini nad 100 mg/dl, "raztrgana" vlakna v skeletnih mišicah Delecija se ne deduje

2 sindroma: Pearsonov sindrom – PS Hipoplastična anemija, oslabljena eksokrina funkcija trebušne slinavke Sindrom PEO – Progresivna zunanja oftalmoplegija Vsi trije sindromi so sporadični, nastali glede na segregacijo mutirane mtDNA z akumulacijo v različnih tkivih.

p.n. namesto smrtnega KSS lahko opazimo PEO Progresivna zunanja oftalmoplegija, ptoza Patologija je povezana s paralizo zunanjih ekstraokularnih mišic Odstotek mutantnih molekul je v tem primeru manjši kot pri sindromu KSS, sindrom ni povezan z nevarnostjo za pacientovo življenje Biokemično najdemo okvare encimov dihalne verige v mišicah, zlasti citokrom oksidaze

Deplecija -MDS 1 - v celicah ostane 30% normalne količine mtDNA Sindrom se pokaže v prvih tednih po rojstvu: smrtna hepatopatija; miopatija s splošno hipotenzijo; kardiomiopatija z napadi (de-Toni-Debreu-Fanconijev sindrom); atrofija proksimalnih mišičnih skupin; izguba kitnih refleksov. Smrt nastopi v hudih primerih v prvem letu življenja

Geni respiratorne verige LHON LHON+dystonia Sporadična miopatija Sporadična miopatija Encefalomiopatija Sporadična miopatija NARP MILS FBSN M I Leyev sindrom Levkodistrofija Leyjev sindrom Kardioencefalopatija Levkodistrofija/tubulopatija Leyev sindrom Paraganglioma

Mitohondrijska nenormalnost? Če so simptomi jasni, odvzemite kri iz vene in naredite PCR test za točkovne mutacije ali delecije. Če je rezultat krvnega testa negativen, to ne pomeni odsotnosti bolezni (heteroplazma!) Opraviti morate biopsijo: mišični ali kožni test pri odraslih pri otrocih Za neinvazivno testiranje uporabite urinski sediment, strganje notranje površine lica, redkeje lasne mešičke

Mitohondrijska nenormalnost? (2) Sveže mišice se analizirajo histološko in histokemično. Meritve posameznih členov kompleksov dihalnih verižnih vlaken se razkrijejo z barvanjem na aktivnost sukcinat dehidrogenaze ali z uporabo Gomorijeve kulture fibroblastov s trikromom. .Če je napaka odkrita v eni povezavi, to kaže na mutacijo ustrezne podenote (i ali m), če so napake večkratne, je možna okvara mt tRNA ali jedrnih genov, ki sodelujejo pri delovanju mitohondrijev.

Mitohondrijska nenormalnost? (3) Včasih se okvara pokaže med vadbo (NARP sindrom zaradi mutacije gena ATPase6) – potrebno je klinično testiranje: telesna vadba z meritvami laktata, magnetna resonanca ali infrardeča spektroskopija »zasebnih« mutacij se izvaja direktno sekvenciranje mtDNA

Bolezni, ki zajamejo različne organe in sočasna manifestacija navidezno nepovezanih anomalij Zunanja oftalmoplegija z motnjami prevodnosti srčne mišice in cerebelarna ataksija Migrene z mišično oslabelostjo Encefalomiopatija s sladkorno boleznijo Slabost, bruhanje z optično atrofijo in kardiomiopatijo Sladkorna bolezen z gluhostjo Gluhost z zunanjo oftalmoplegijo, ptozo in retinopatija Nizka rast z miopatijo in možganski kapi podobnimi epizodami eksokrina disfunkcija trebušne slinavke s sideroblastno anemijo Razvojna zamuda ali izguba spretnosti in oftalmoplegija, oftalmopareza

Mitohondrijske bolezni? Pogostnost mitohondrijskih encefalopatij je določena na približno 1: 11.000 Celotna pogostnost mitohondrijskih bolezni je 1: 8.000 Starost manifestacije mitohondrijskih bolezni se zelo razlikuje ~ 50 % po 5 letih ~ 50 % pred 5 leti Umrljivost zaradi mitohondrijskih bolezni je 5 -20% letno od datuma manifestacije

Mitohondriopatija, nato pa se lahko po prebolelih nalezljivih boleznih stanje močno poslabša zaradi stresa, postenja, dolgotrajne nepokretnosti, jemanja pomirjeval, uporabljajte previdno!

Bolezni – kako realno je to? Farmakološki pristop Vitamini, kofaktorji, lovilci prostih radikalov - za preprečevanje poškodb dihalne verige Najuspešnejši primer je dikloroacetat, ki se uporablja za zmanjšanje laktacidoze pri bolnikih z MELAS. Uspeh je delen in začasen, pogosteje je terapija neučinkovita.

Bolezni (2) Drug pristop je zmanjšanje razmerja mutant:normalna mtDNA I. Povečanje števila nemutantnih molekul s »premikom genov« Običajno se satelitske celice razmnožujejo in spajajo s skeletnimi miofibrili kot odziv na stres ali vadbo pri bolnikih z miopatijo je % mutirane mtDNA v satelitskih celicah nižji kot v skeletnih mišicah Povečal se je delež normalnih molekul mtDNA v mišici, okvara je bila odpravljena Povzročena je proliferacija satelitskih celic v skeletnih mišicah

Bolezni (3) II.Zmanjšanje števila mutantnih molekul mtDNA Razvoj sintetičnih molekul, ki se selektivno vežejo na mutant DNA in blokirajo njihovo replikacijo Vnos restrikcijskega encima v mitohondrije, ki selektivno uničuje mutant DNA Uspeh je bil zaenkrat dosežen le in vitro.

Bolezni (4) “Molekularna intracelularna rekonstrukcija” Uvoz normalnih tRNA iz citoplazme namesto okvarjenih mitohondrijskih Zamenjava okvarjenega dihalnega kompleksa. verige na normalno pridobljeno iz drugega organizma (kvasovke) Presaditev jedra jajčne celice iz mutirane citoplazme v normalno Vsi ti pristopi so v fazi eksperimentalnega razvoja

Bolezni – kako realno je to? Mitohondrijske bolezni je danes nemogoče pozdraviti: Fizikalna fizioterapija, aerobna gimnastika, zmerna in lahka vadba Antiepileptiki, hormoni, vitamini, metaboliti, kofaktorji Farmakološka blefaroplastika, kohlearna implantacija, presaditev srca, ledvic, jeter, subkutana. endoskopska gastrotomija, krikofaringealna miotomija Kirurški

Mitohondrijske bolezni ali poslabša njihov potek Valproat: poveča pogostnost epileptičnih napadov pri MELAS, hepatotoksični Aspirin, fenobarbital Kortikosteroidi Tetraciklin, kloramfenikol Aminoglikozidi Streptomicin, gentamicin, amikacin, neomicin, kanamicin - ototoksični Etambutol (izzove manifestacijo LHON) Statin (izzove manifestacijo od MELAS) Protiretrovirusna zdravila: AZT – zidovudin, doksorubicin povzročajo deplecijo mtDNA Seznam še zdaleč ni popoln!

Naloži več...

Pošljite svoje dobro delo v bazo znanja je preprosto. Uporabite spodnji obrazec

Študenti, podiplomski študenti, mladi znanstveniki, ki bazo znanja uporabljajo pri študiju in delu, vam bodo zelo hvaležni.

Objavljeno na http://www.allbest.ru/

Mitohondrijska genetika

1. Formalna genetika mitohondrijev

Za razliko od plastidov se mitohondriji nahajajo v vseh evkariontih: rastlinah, živalih in glivah. Mitohondriji v vseh treh kraljestvih opravljajo enako funkcijo, njihova struktura pa je na splošno podobna. Mitohondriji so okrogle strukture velikosti od 1 mikrona (slika 1).

riž. 1 Elektronski mikrograf mitohondrijev mezofila listov

Vendar pa je v nekaterih primerih mogoče mitohondrije združiti v precej dolgo cevasto ukrivljeno strukturo. Notranja vsebina mitohondrijev se imenuje matriks. Matrica vsebuje tanke fibrile in granule. Ugotovljeno je bilo, da so zrnca mitohondrijski ribosomi, ki se po velikosti in gostoti razlikujejo od ribosomov citoplazme. Mitohondriji so tako kot drugi organeli obdani z zunanjo dvojno membrano. Zunanja membrana mitohondrijev je podobna zunanji membrani plastidov, jedra in membrane endoplazmatskega retikuluma. Notranja membrana mitohondrijev tvori invaginacije - kriste. Na površini notranje membrane se nahajajo vsi glavni encimski sklopi, ki zagotavljajo funkcije mitohondrijev. Obstajajo metode za ločevanje notranje in zunanje membrane mitohondrijev. Ker je zunanja membrana mitohondrijev manj gosta in v raztopini fosfata nepovratno nabrekne, to povzroči njeno pretrganje in ločitev od notranje. Po obdelavi izoliranih mitohondrijev s fosfatom lahko zunanjo in notranjo membrano teh organelov ločimo s centrifugiranjem. Če jih pogledate z elektronskim mikroskopom, so videti kot prozorne votle krogle, prostornina krogle, ki jo tvori notranja membrana, pa je veliko večja od prostornine krogle zunanje membrane. Zato si je volumetrično strukturo mitohondrijev enostavno predstavljati kot veliko kroglico, ki je nameščena znotraj majhne kroglice. V tem primeru se bodo v bližini notranje membrane pojavile številne gube, tako imenovane kriste. Aktivnost procesov, ki potekajo v mitohondrijih, je neposredno povezana s številom in velikostjo krist. Večja kot je površina krist in posledično površina notranje membrane, bolj aktivni so ti procesi. Posledično se notranja membrana mitohondrijev spreminja glede na funkcionalno stanje organelov.

Notranja in zunanja membrana se razlikujeta po gostoti (notranja je gostejša), po prepustnosti (notranja ima visoko specifično prepustnost, zunanja pa nespecifično prepustnost), različni encimski sestavi in ​​različnem razmerju med beljakovinami in lipidi.

Notranja membrana mitohondrijev je edinstvena po svoji strukturi. Vsebuje večkomponentne beljakovinsko-encimske komplekse, ki izvajajo prenos elektronov, oksidativno fosfolacijo, sintezo verige maščobnih kislin, pa tudi beljakovine, ki uravnavajo prenos majhnih molekul v notranjo votlino mitohondrijev.

Mitohondriji tako kot plastidi nikoli ne nastanejo »de novo«. Tudi organizmi, ki živijo v anaerobnih razmerah, imajo podobne strukture kot mitohondriji. Če na primer isti sev kvasovk gojimo v aerobnih in anaerobnih pogojih, potem se v celicah, ki rastejo v anaerobnih pogojih, velikost mitohondrijev spremeni, njihovo število pa se ne zmanjša.

Delitev mitohondrijev, tako kot plastid, poteka z uporabo amitoze, s tvorbo figur v obliki ročice in njihovo kasnejšo ligacijo.

V nekaterih primerih je bilo mogoče dokazati sinhronost mitohondrijske delitve s celičnim jedrom in njihovo dokaj natančno porazdelitev med hčerinskimi celicami v nekaterih bioloških objektih. Tako je pri migetalkah prikazana popolna sinhronizacija mitohondrijske delitve skupaj s celičnim jedrom. Pri mitotično delečih rastlinskih celicah in delečih se spermatocitih valjastih črvov je bilo dokazano, da so mitohondriji precej natančno razporejeni vzdolž vretena.

Zgodovinsko gledano so skoraj vso formalno mitohondrijsko genetiko preučevali pri glivah in predvsem pri kvasovkah. Pri drugih organizmih obstajajo le posamezni dokazi o povezavi nekaterih lastnosti z mitohondriji. Življenjski cikel kvasovk je prikazan na sliki

riž. 2 Življenjski cikel Saccharomyces cerevisiae

Kvas je enocelični, vendar večjedrni organizem. Velik del svojega življenja preživijo v haplofazi, zato so njihova jedra haploidna. haploidni kloni, ki imajo dejavnike nasprotnega spola (ali vrste križanja), A in A, se lahko združijo med seboj. Haploidni kloni z enakimi vrstami križanja ne morejo sodelovati pri oploditvi. Po oploditvi se jedra zlijejo in nastanejo diploidni kloni. Pri diploidnih klonih pride do sporulacije in mejoze, nastane askus, ki povzroči nastanek haploidnih klonov dveh nasprotnih tipov križanja A in A v enakih razmerjih. Seveda bodo preprosti mendelski geni razdeljeni na enak način kot gen, ki nadzoruje spolni faktor, tj. bo dal razdelitev 1:1.

Kvasovke v zigotni fazi so heterozigotne in se lahko razmnožujejo na dva načina: vegetativno in generativno. Med vegetativnim razmnoževanjem se preprosto delijo in v nastale celice vstopi več diploidnih jeder. Poleg tega lahko pride do vegetativnega razmnoževanja tudi z brstenjem. V oblikovanih popkih so tudi jedra diploidna. Seveda med vegetativnim razmnoževanjem ne pride do cepitve jedrskih genov - heterozigoti ostanejo heterozigoti.

Pri generativnem razmnoževanju pride do mejoze in nastanejo celice s haploidnimi jedri, imenovane askospore. Askospore so haploidne in se razcepijo na enako število askospor z dominantnimi in recesivnimi aleli, tj. 1:1.

Torej, če ni opaziti segregacije 1:1, bi nam to lahko nakazovalo, da so ti geni morda nemendelski in zato morda citoplazmatski.

Obstoj ekstranuklearnega mutanta v kvasovkah je prvi dokazal francoski raziskovalec B. Effrussi leta 1949. Ti mutanti so kazali okvare dihanja in slabo rast. Nekaterih citokromov niso vsebovali. Takšne mutante je bilo mogoče pridobiti v velikih količinah (včasih do 100%) pod vplivom akridinskih barvil. Lahko pa se pojavijo tudi spontano s pogostnostjo do 1 %. Ti mutanti se imenujejo " drobna«, iz francoske besede za »majhen«.

Ko so te mutante križali z normalnimi sevi, so bili vsi potomci brez izjeme normalni. Čeprav je bila za druge genetske označevalce, kot sta potreba po adeninu in tiaminu, razdelitev na dejavnike spolnega tipa normalna - 1:1.

Če naključno izberete celice iz prve generacije hibridov in jih ponovno križate z mutanti drobna, so bili vsi potomci spet normalni, čeprav so se včasih pojavili redki mutirani potomci s frekvenco manj kot 1 %. Tisti. pojavili so se s skoraj enako pogostostjo kot spontani nastanek teh mutantov. Te hibride je bilo mogoče ponovno selekcionirati in jih križati z običajnimi z enakim rezultatom. Če predpostavimo, da gre za mutacije jedrnih genov, potem bi to lahko predstavili kot rezultat cepitve na 20 neodvisnih lokusih. Pojav mutanta s sočasno mutacijo v 20 lokusih je skoraj neverjeten dogodek.

R. Wright in D. Lederberg sta dobila prepričljive dokaze, da ti mutanti niso jedrski. Zasnova njihovega eksperimenta je bila naslednja. Ko se celice kvasovk združijo, se jedra ne združijo takoj in v tem trenutku se lahko odložijo popki, ki še vsebujejo haploidna jedra tako enega kot drugega starša. Takšni haploidni popki se spontano diploidizirajo (A --> AA; a --> aa). Če en sev, na primer z mutacijo drobna zaznamuje nezmožnost rasti na argininu, in drugi - ne drobna, zaznamuje nezmožnost rasti na triptofanu, potem s selekcijo brstov iz takšnih križancev selekcioniramo starševske sorte na podlagi jedrnih genov. Kaj se zgodi s citoplazemskimi? Kot rezultat eksperimenta R. Wrighta in D. Lederberga je bilo razkrito naslednje. Od 91 klonov smo našli 6 klonov, ki so imeli enako jedro kot nekloni. drobna mutant, vendar je fenotip tipičen drobna. Posledično ta fenotip ni določen z jedrom, ampak neodvisno od njega, in to mutacijo bi lahko imenovali nejedrna.

Kasneje so odkrili jedrske mutacije drobna. Skupno je bilo odkritih približno 20 takih mutantov. Vsi so bili normalno mendelizirani in potomci askospor so dali normalno cepitev 2:2, čeprav so bili fenotipsko zelo podobni citoplazmatskim mutantom. Pri prehajanju citoplazme drobna pri jedrskih je bilo ugotovljeno, da zigote pridobijo sposobnost normalnega dihanja, nato pa pride do cepitve 2: Tako je komplementacijski test dokazal, da imamo opravka z mutanti različne lokalizacije. Odkritje jedrskih in citoplazemskih mutantov z oslabljeno mitohondrijsko funkcijo je tudi pokazalo, da niso vse funkcije teh organelov kodirane s citoplazmatskimi geni. Nekateri med njimi kodirajo jedrske gene.

Pozneje je B. Effrussi odkril še en podoben fenotip kot drobna, vendar se je dedovanje te mutacije zgodilo na drugačen način. Pri križanju mutantov drobna pri normalnih celicah so vsi potomci pridobili lastnost počasne rasti, cepitev pa je bila 0:4. Prvo vrsto citoplazemskih mutantov, ki so proizvajali samo normalne potomce, so zato imenovali nevtralni, drugo vrsto, ki je proizvajala samo mutante, pa so imenovali supresivne ali dominantne. drobna. Supresivnost je v tem primeru nekakšna dominanca. Toda to je posebna vrsta dominance, ko recesivni alel ni samo skrit v heterozigotu, ampak preprosto popolnoma izgine. Številni poskusi so pokazali, da supresivni mutanti drobna so tudi citoplazemske, saj dejavniki, ki povzročajo njihov videz, niso podedovani skupaj z jedrom.

Poznejše molekularne študije so pokazale, da supresivni mutanti drobna za razliko od nevtralnih imajo krajše molekule mitohondrijske DNA, sestavljene skoraj izključno iz parov AT. Najverjetneje temelji supresivni učinek na hitrejši proliferaciji takšne mitohondrijske DNA in posledično izpodrivanju normalne mitohondrijske DNA.

Tako pri citoplazmatskih mutantih tipa drobna v mitohondrijski DNK so relativno majhne delecije (nevtralni mutanti drobna) ali popolne preureditve mitohondrijskega genoma - (supresivni mutanti drobna).

Poleg tega so odkrili mutante z nepopolno supresijo, tj. sposobnost proizvajanja določenega odstotka posameznikov normalnega tipa - 10, 20, 30 in celo približno 50 odstotkov.

Izkazalo se je, da je stopnja zatiranja odvisna od vplivov zunanjega okolja – temperature, podlage itd. Jedrski mutanti niso pokazali takšne odvisnosti, kar je omogočilo razlikovanje nepopolno supresivnih citoplazemskih drobna iz jedrske.

Po pridobitvi podatkov o citoplazmatskih mutantih, odpornih na antibiotike pri Chlamydomonas, so se mutacije, odporne na antibiotike, začele pridobivati ​​pri kvasovkah. Številni taki mutanti so se tudi izkazali za citoplazmatske. Pri križanju, na primer, občutljivih na eritromicin z odpornimi na eritromicin urgentne službeXERr, vsi potomci so bili občutljivi na eritromicin Ers(tj. enako kot divji tip) in ni prišlo do cepitve. Isti rezultat je bil dokazan z mutanti odpornosti na druge antibiotike. Če pa so popki izbrani takoj po nastanku zigote, potem lahko med njimi najdemo mutirane fenotipe.

Pri dihibridnem križanju, tj. pri križanju dveh citoplazemskih mutantov, občutljivih na različne antibiotike, na primer odpornih na kloramfenikol, vendar občutljivih na eritromicin, z občutljivimi na kloramfenikol, vendar odpornih na eritromicin CrERsXCsERr, pri potomcih je prevladoval fenotip le enega od staršev - CrERs. Hkrati pri izbiri iz popkov takoj po oploditvi niso odkrili le starševskih razredov fenotipov, temveč tudi rekombinante: CrERrinCsERs, tiste. občutljivi ali odporni na oba antibiotika. Prisotnost rekombinantov je prvič pokazala, da se mitohondrijski geni lahko rekombinirajo na enak način kot jedrski. Hkrati so v nasprotju s poskusi rekombinacije plastidnih genov pri Chlamydomonas pri kvasovkah odkrili rekombinacijsko polarnost, tj. neenako število rekombinantnih fenotipov glede na smer križanja. Polarnost rekombinacije je bila razložena kot prisotnost posebnega genetskega spolnega faktorja v mitohondrijskem genomu. Ta faktor je bil označen kot u+ in u-. Nadrejena oblika s faktorjem u+, tj. ženska mati zagotavlja prednostni prenos (višjo frekvenco prenosa) svojih markerjev. Pri križanju istospolnih staršev za ta mitohondrijski faktor se polarnost rekombinacije ne opazi in dobi se enako število rekombinantov. Sam spolni dejavnik mitohondrijev se deduje ne glede na spol organizma.

Ali imajo citoplazmatski organeli – mitohondriji v splošno sprejetem smislu – v resnici spolne odnose? Domnevamo lahko, da obstaja, če verjamemo, da jo ima E. coli.

Toda glavno je bilo, da je s pomočjo številnih dobljenih mutacij in odkrivanja rekombinacije mitohondrijskih genov postalo mogoče njihovo preslikavo.

V poskusih križanja mutacij, kot je drobna z mutacijami odpornosti na antibiotike je bilo ugotovljeno, da vsaj vse supresivne mutacije drobna Geni za odpornost na antibiotike se med križanji izgubijo. Dokazano je, da se to zgodi zaradi zatiranja drobna imajo obsežna področja poškodbe mitohondrijske DNA in v tem primeru preprosto ni mogoče pričakovati rekombinacije. Ko so bile pri mutantih z odpornostjo na določene antibiotike inducirane mutacije respiratorne odpovedi, se je izkazalo, da so se markerji odpornosti včasih izgubili. Pri ustvarjanju mutantov z respiratorno odpovedjo z uporabo mutantov z dvojno odpornostjo na antibiotike kot začetno obliko, lahko nastali mutanti z okvarjenim dihanjem izgubijo oba markerja odpornosti ali samo enega od njiju. To je nakazovalo, da so mutanti z respiratorno odpovedjo predstavljali določeno stopnjo delecije mitohondrijske DNA, zato bi se to lahko uporabilo tudi za preslikavo mitohondrijskega genoma.

V Neurospora leta 1952 je K. Mitchell odkril prvega počasi rastočega mutanta, ki je bil pozneje poimenovan MI-1 (okrajšava za angleško "maternal inheritance" - materinski dedovanje). Dedovanje te mutacije je potekalo odvisno od smeri križanja in vsi potomci so bili po fenotipu enaki materini obliki. To se verjetno zgodi, ker moška gameta v Neurospora ne prispeva citoplazme med oploditvijo. Povezavo te spontano nastale mutacije z mitohondriji ni nakazovala le dednost po materi in razlike v vzajemnih križanjih, temveč tudi dejstvo, da nimajo citokromov. a in b v sistemu prenosa elektronov.

Kasneje so bili pridobljeni drugi počasi rastoči sevi Neurospora, povezani z mitohondrijsko respiratorno odpovedjo. Nekateri med njimi so na primer mutanti MI-3 in MI-4, kot se je izkazalo, so bili podedovani na enak način kot mutant MI-1, drugi del pa so na primer mutanti S115 in S117 je pokazala normalno mendelsko monohibridno dedovanje. To spominja na druge podobne primere, ko se fenotip organelov, kloroplastov in mitohondrijev spremeni, ko pride do jedrskih in citoplazemskih mutacij, kar kaže, da citoplazmatski in jedrski genetski sistem skupaj nadzorujeta svoje funkcije.

Pozneje je bilo odkritih več supresorskih genov, katerih uvedba je obnovila stopnjo rasti pri počasi rastočih mutantih. Zanimivo je omeniti, da je vsak od teh supresorjev obnovil stopnjo rasti samo pri enem od mutantov. Na primer, supresorski gen, imenovan f, obnovil stopnjo rasti citoplazemskega mutanta MI-1, vendar ne v drugem citoplazmatskem mutantu MI-3 oz MI-4, in ne pri jedrskih mutantih S115 in S117. Podobno so delovali tudi drugi zaviralci. Če po več generacijah glivam s križanjem odstranimo supresorske gene, se ponovno pojavi mutirani citoplazemski fenotip. Podobno interakcijo jedrskih in citoplazemskih genov lahko opazimo pri višjih rastlinah, na primer pri dedovanju lastnosti moške sterilnosti pri mnogih rastlinah.

Pri medsebojnem križanju jedrnih in citoplazemskih počasi rastočih mutantov se je pokazalo neodvisno dedovanje jedrnih in citoplazemskih genov.

Na primer pri križanju divjega tipa x (MI-1 xS115) potomci F 1 (MI-1 xS115) je bil fenotipsko homogen - vsi posamezniki so rasli počasi, potomci povratnih ali testnih križanj pa so bili divji tip x (MI-1 xS115) ni več vseboval mutacij MI-1 in se razcepi vzdolž jedrnega gena S-115 v razmerju 1:1.

Križanje citoplazemskih mutantov med seboj ni dalo nobenih novih rezultatov, saj citoplazemski mutanti, vsaj pri Neurospora, izkazujejo strogo materinsko dedovanje med spolnim razmnoževanjem. Medtem pa je bilo pri različnih citoplazmatskih mutantih, čeprav so imeli načeloma enak fenotip - počasna rast - vseeno mogoče zaznati fenotipske razlike med njimi, saj so imeli različne stopnje počasne rasti. Strogo materinsko dedovanje med spolnim razmnoževanjem pa ni omogočilo, da bi se dve citoplazemski mutaciji združili v citoget (citoplazemski heterozigot), kar je onemogočilo rekombinacijo citoplazemskih genov in posledično njihovo preslikavo.

Izhod iz te situacije je bil najden s fuzijo hif nevrospore, ki je omogočila združevanje različnih jedrskih in nejedrnih genomov v eni celici.

Pri ustvarjanju različnih citogetov so bili pridobljeni naslednji rezultati:

MI-1 / divji tip -- vsi potomci so samo divji tip;

MI-3 / divji tip - del potomcev divjega tipa, drugi del pa raste s hitrostjo, značilno za mutant MI-3;

MI-1 / MI-Z-- večina potomcev s fenotipom MI-3 in majhen delež potomcev s fenotipom MI-1;

MI-1 / MI-4 -- sprva fenotip divjega tipa, nato pa se je razdelil na fenotipe MI-1 in MI-4.

Tako je bilo v slednjem primeru odkrito komplementiranje citoplazemskih mutacij, kar kaže, da so se te mutacije pojavile v različnih regijah mitohondrijskega genoma.

Kasneje so bile pridobljene druge citoplazemske mutacije Neurospora. Metoda fuzije hif in proizvodnja citogetov je omogočila upanje na pridobivanje različnih rekombinantov in kasnejšo konstrukcijo genetske karte Neurospora. Vendar je to preprečilo dejstvo, da Neurospora ni povzročila široke palete citoplazemskih mutacij, kot so Chlamydomonas ali kvasovke.

Kasneje so različne nekromosomske mutacije, pridobljene iz Neurospora, proučevali z metodami molekularne biologije in jih je bilo mogoče povezati z mitohondrijskim genomom.

Pri drugi gobi Podospore so odkrili mutacijo, ki povzroča pojav prezgodnjega staranja. Pri mutantih se je sposobnost preživetja kulture po ponovni setvi postopoma zmanjšala. Z vzajemnimi križanji je bila razjasnjena materinska narava dedovanja pojava staranja. Vendar je bilo materinsko dedovanje nepopolno. Lastnost se prenaša spolno in s povezovanjem micelijev. Prisotnost cepitve, čeprav nepravilna, kaže na korpuskularno naravo dedovanja lastnosti. Opravljenih je bilo kar nekaj raziskav, ki so pokazale, da ne gre za povzročitelja okužbe, ampak za mitohondrijski gen. Čeprav popolni molekularni podatki trenutno niso na voljo, je že jasno, da gre tudi za mutacije mitohondrijskega genoma. Prisotnost gena za staranje v mitohondrijskem genomu je sprožila veliko ugibanj o gerontoloških temah, nekateri zdravniki pa menijo, da je staranje pri ljudeh povezano ne le s spremembami v delovanju mitohondrijev, ampak tudi s spremembami v njihovem genomu.

Kljub špekulativni naravi ideje o povezavi med gerontološkimi procesi pri ljudeh in spremembami mitohondrijske DNK novi podatki o študiju variabilnosti človeškega mitohondrijskega genoma to potrjujejo.

Že od antičnih časov je pri ljudeh znano precej veliko število bolezni, ki se dedujejo po materini liniji - od matere do vseh potomcev. Te bolezni so precej redke, verjetno zaradi dejstva, da jih prenašajo samo ženske. Poleg tega velike delecijske spremembe v mitohondrijski DNK seveda najpogosteje vodijo bodisi v smrt v embrionalnem obdobju bodisi v oslabljene reproduktivne funkcije. V vsakem primeru jih dejansko pomete naravna selekcija.

Formalni genetski pristop, ki je bil precej dobro uporabljen pri proučevanju citoplazemskih genov v modelnih objektih (Chlamydomonas, kvasovke itd.), ni bil tako uspešen za analizo citoplazmatsko podedovanih lastnosti pri ljudeh, zato je bilo največ, kar se je dalo naučiti. iz analize rodovnikov je bilo razvidno, da take dedne bolezni še obstajajo.

Poleg znanega sindroma atrofije vidnega živca (Leberjeva bolezen ali dedna optična nevropatija) obstajajo še druge bolezni, ki se dedujejo ekstranuklearno. Te bolezni so povezane predvsem z disfunkcijo mišic, možganov, srca, endokrinega sistema in so povezane z nezadostno aktivno funkcijo mitohondrijev v nekaterih organih. Obstaja celo mitohondrijsko posredovana oblika sladkorne bolezni.

Šele s pomočjo molekularnih metod je bilo mogoče ugotoviti naravo teh bolezni. Študija različnih družin z Leberjevo boleznijo je pokazala, da v različnih primerih obstajajo mutacije v različnih delih mitohondrijskega genoma.

Najpogosteje družine z dednimi citoplazemskimi boleznimi kažejo heteroplazmo in matere imajo normalno in mutirano mitohondrijsko DNK, kar ima za posledico potomce z mutiranimi in normalnimi plazmatipi.

Razmerje med človeško starostjo in mitohondrijsko DNK je bilo prikazano tudi s tehnikami molekularne biologije. Študije mitohondrijske DNK pri ljudeh različnih starosti so pokazale, da se pri starejših hitro poveča odstotek mutirane mitohondrijske DNK v možganskih in srčnih celicah. Poleg tega študije nekaterih dednih sindromov kažejo, da imajo bolniki z njimi tudi povečano pogostost mutacij mitohondrijske DNK, kar je lahko razlog za krajšanje pričakovane življenjske dobe.

Poleg mutacij mitohondrijskega genoma, ki vodijo do resnih patologij telesa, so med različnimi populacijami človeških ras odkrili številne dokaj nevtralne mutacije mitohondrijskega genoma. Te obsežne študije na tisoče ljudi z vseh celin pomagajo rekonstruirati izvor in razvoj človeka. Če primerjamo človeško mitohondrijsko DNK z mitohondrijsko DNK opic (gorila, orangutan, šimpanz) in ob predpostavki, da je do razhajanja človeka in opic prišlo pred približno 13 milijoni let, je mogoče izračunati število let, potrebnih za spremembo posameznega baznega para. Kasneje je bilo s primerjavo divergence mitohondrijske DNK pri različnih človeških rasah mogoče določiti kraj rojstva prve ženske, lahko bi rekli Eve, in čas človekove naselitve po različnih celinah (slika 3).

Objavljeno na http://www.allbest.ru/

riž. 3 Človeška poselitev po D. Wallaceu na podlagi analize variabilnosti mitohondrijske DNK. Številke označujejo čas poselitve tega ozemlja pred več tisoč leti.

Ker je bila najbolj spremenljiva mitohondrijska DNK najdena pri afriških staroselcih, lahko domnevamo, da je bila »pramati« človeške rase Afričanka. To se je zgodilo pred približno 100.000 leti. Pred približno 70.000 leti so ljudje začeli poseljevati osrednjo Azijo prek Bližnjega vzhoda in Savdske Arabije, nekoliko kasneje pa še v jugovzhodno Azijo, Indonezijo in Avstralijo. Pred približno 50.000 leti so se v Evropi pojavili ljudje. Isti podatki so pokazali, da je poselitev ameriške celine potekala v dveh fazah: najprej pred 30.000 leti preko Berengije (takrat obstoječa dežela, ki je povezovala Ameriko in Azijo) od severa do samega juga ameriške celine, nato pa 8.000 let. pred leti tudi iz severovzhodne Azije v vzhodno Severno Ameriko. Naseljenci na pacifiških otokih so se pojavili relativno nedavno - pred nekaj tisoč leti.

Opozoriti je treba, da se ti podatki, ki temeljijo na primerjalni analizi mitohondrijske DNK, dokaj dobro ujemajo tako z arheološkimi podatki kot z jezikovno analizo.

Uporaba mitohondrijske DNK za analizo zgodovine človeštva je postala mogoča, ker je mitohondrijski genom razmeroma majhen, deduje se izključno po materini liniji in se za razliko od jedrnih genov ne rekombinira.

Mitohondrijski genom

Mitohondrije ne najdemo le v rastlinskih celicah, ampak tudi v živalskih in glivičnih celicah. Ti organeli so bolj vsestranski kot plastidi. DNK v mitohondrijih je bila prvič odkrita leta 1963 (M. Naas) takoj po odkritju DNK v plastidih. Kljub podobnosti funkcij in strukture mitohondrijev v vseh treh kraljestvih evkariontov je njihova genetska organizacija precej različna, zato običajno organizacijo mitohondrijskih genomov v teh kraljestvih obravnavamo ločeno, pri čemer ugotavljamo skupne značilnosti organizacije genoma.

Fizikalno-kemijska sestava mitohondrijske DNK je v različnih kraljestvih različna. Pri rastlinah je precej konstantna: od 45 do 47 % DNK sestavljajo pari GC. Pri živalih in glivah se razlikuje bolj: od 21 do 50% parov HC.

Pri večceličnih živalih je velikost mitohondrijskega genoma od 14,5 do 19,5 kb. V praksi gre vedno za eno krožno molekulo DNK. Na primer, človeška mitohondrijska DNK je krožna molekula, ki meri 16.569 nukleotidnih parov. To velikost lahko izrazimo v drugih enotah - v obliki molekulske mase - 10 6 daltonov ali v obliki dolžine molekularne konture - 5 mikronov. Primarna struktura te molekule je popolnoma določena. Mitohondriji vsebujejo lasten prevodni aparat – t.j. lastne ribosome 70S, podobne kloroplastnim ali prokariontskim in sestavljene iz dveh podenot, lastne messenger RNA, potrebnih encimov in proteinskih faktorjev. Njihov genom kodira 12S in 16S ribosomske RNA ter 22 prenosnih RNA. Poleg tega mitohondrijska DNA kodira 13 polipeptidov, od katerih je bilo 12 identificiranih. Vse kodirne sekvence se nahajajo neposredno ena poleg druge. V skrajnem primeru ju loči le nekaj nukleotidov. Nekodirajoča zaporedja, tj. brez intronov. Po kodirnem zaporedju je skoraj vedno gen za prenos RNA. Na primer, vrstni red je naslednji: fenilalaninska prenosna RNA - 12S ribosomski RNA gen - valin prenosna RNA - 16S ribosomski RNA gen - levcinska prenosna RNA itd. Ta red ni značilen samo za človeške mitohondrije, je zelo konzervativen in je značilen za vse živali: vinske mušice, bike, miši, ptice, plazilce in druge živali.

Večina genov se nahaja v težki verigi; v lahki verigi so le geni za osem transportnih RNK ​​in en strukturni gen. Tako sta za razliko od vseh drugih genomov v mitohondrijskem genomu obe verigi pomembni.

Čeprav je vrstni red genov v živalskih mitohondrijih enak, je bilo ugotovljeno, da imajo sami geni različno ohranjenost. Najbolj spremenljivo je nukleotidno zaporedje izvora replikacije in število strukturnih genov. Najbolj ohranjena zaporedja se nahajajo v genih ribosomske RNA in nekaterih strukturnih genih, vključno s kodirnim zaporedjem ATPaze.

Opozoriti je treba, da je v mitohondrijskem genomu porušena univerzalnost genetske kode. Na primer, človeški mitohondriji uporabljajo triplet AUA kot kodon za metionin, ne za izolevcin, kot vsi ostali, in triplet UGA, ki se v standardnem genetskem slovarju uporablja kot stop kodon, kodira triptofan v mitohondrijih.

Na splošno je človeška mitohondrijska DNK videti enako kot DNK drugih sesalcev: miši in bikov. Kljub temu, da še zdaleč ne gre za tesno sorodne vrste, so si velikosti njihove mitohondrijske DNK precej blizu: 16.569; 16.295; in 16.338 baznih parov. Geni za prenos RNK imajo nekaj čutnih genov. Med strukturnimi geni so najpomembnejši geni za citokrom oksidazo, NADH dehidrogenazo, citokrom C oksidoreduktazo in ATP sintetazo (slika 4).

Zemljevid človeškega mitohondrijskega genoma poleg genov prikazuje tudi pet znanih človeških bolezni, ki se dedujejo po materini liniji in so posledica mutacij v mitohondrijskem genomu.

Na primer, Leberjeva bolezen - optična atrofija - je posledica mutacije v genu NADH dehidrogenaze. Enako bolezen lahko povzroči tudi mutacija gena za citokrom b in drugi lokusi. Skupno je znano, da so štirje lokusi moteni in lahko povzročijo isti mutirani fenotip. Poleg tega isti zemljevid prikazuje še štiri bolezni, povezane z okvarami možganov, mišic, srca, ledvic in jeter. Vse te bolezni so podedovane po materini liniji in če ima mati ne le okvarjeno, ampak tudi normalno mitohondrijsko DNK in mitohondrije, potem pride do razvrščanja mutantnih in normalnih organelov in potomci imajo lahko oba organela v različnih razmerjih, mi pa lahko opazimo tudi somatsko razcepitev, ko posamezni deli telesa nimajo teh napak.

Objavljeno na http://www.allbest.ru/

riž. 4 Struktura mitohondrijskega genoma sesalcev na podlagi celotnega zaporedja mitohondrijske DNA človeka, miši in goveda

Tako lahko majhen mitohondrijski genom živali kodira izjemno pomembne funkcije telesa in v veliki meri določa njegov normalen razvoj.

Tako kot plastidni genom tudi mitohondrijski genom kodira le del mitohondrijskih polipeptidov (tabela 1) in opaziti je pojav dvojnega kodiranja. Na primer, nekatere podenote kompleksa ATPaze kodira jedro, medtem ko drugi del kodira mitohondrijski genom. Večino genov, ki kodirajo ribosomske miohondrijske RNA in proteine, kot tudi encime za prepisovanje in prevajanje, kodira celično jedro.

Tabela 1

Geni živalske mitohondrijske DNK

mitohondrijski genom nevrospora mezofil

živalski genom:

1. kompaktna razporeditev genov na mtDNA;

odsotnost intronov v genih;

3. odsotnost nekodirajočih regij v mtDNA, razen regij ORI;

4. lokacija genov tRNA med drugimi geni;

5. velika podobnost v velikosti genoma in razporeditvi genov pri različnih vrstah;

6. prisotnost enega ORI za vsako verigo mtDNA;

7. simetrično prepisovanje obeh pramenov;

8. načeloma prisotnost ene iniciacijske regije prepisovanja za vsako verigo DNA;

9. odsotnost 5 / - in 3 / - terminalnih nekodirajočih zaporedij v mRNA;

10. Zorenje mRNA kot posledica cepitve primarnega zapisa v zaporedja tRNA.

Pri glivah je velikost mitohondrijskega genoma v povprečju veliko večja in se giblje od 17,3 do 101 kb. Poleg tega poleg glavne, praviloma krožne molekule DNK, najdemo od ene do 4 plazmidom podobne krožne ali linearne molekule velikosti od 1 do 13 kb. Velikost mitohondrijskega genoma pri kvasovkah se razlikuje ne le med različnimi vrstami, ampak celo med različnimi sevi. Glavni razlogi za pomembne razlike v mitohondrijskem genomu pri glivah so prisotnost ali odsotnost intronov. Pri različnih vrstah kvasovk se na primer velikost mitohondrijske DNK giblje od 57 do 85 kb.

Prisotnost intronov in molekul mitohondrijske DNA različnih velikostnih razredov je najbolj značilna lastnost, ki razlikuje mitohondrije gliv od mitohondrijev živali. Introni prekinejo številna zaporedja - gene ribosomske RNA, gene nekaterih strukturnih proteinov, ki kodirajo mitohondrijske encime. Za normalno delovanje mitohondrijev prisotnost večine intronov ni potrebna. Umetno so bili sevi kvasovk, ki so popolnoma brez mitohondrijskih intronov.

Številni introni mitohondrijske DNA kvasovk vsebujejo odprte bralne okvirje, ki kodirajo muturaze, vključene v spajanje, medtem ko drugi introni vsebujejo kodirne sekvence za endonukleaze in celo reverzne transkriptaze.

Vsi geni, ki jih najdemo v mitohondrijski DNK živali, so prisotni tudi v glivah. Poleg tega so pri glivah odkrili še druge gene: imajo večje število genov za tRNA, odkrili so gene za 6., 8. in 9. podenoto kompleksa ATPaze, vrsto novih strukturnih genov in vrsto genov z neznano funkcijo ( tabela 2).

tabela 2

Geni mitohondrijske DNA kvasovk

V mitohondrijski DNA kvasovk so našli le 2 gena za ribosomsko RNA in samo 1 gen za ribosomski protein. Ta protein se nahaja v majhni podenoti ribosoma. Gen ribosomske beljakovine je precej variabilen po velikosti tudi med različnimi sevi, zato je dobil ime spremenljivka ( var l). Preostale beljakovine in RNA mitohondrijskih ribosomov kodirajo jedrski geni. 24 genov za prenosno RNK zagotavlja transport vseh aminokislin do mesta sinteze beljakovin in le ena prenosna RNK, ki prenaša lizin, se uvozi iz citoplazme in kodira jedro. Vse prenosne RNA mitohondrijev kvasovk so kodirane z isto verigo DNA, samo ena od njih pa je kodirana z nasprotno verigo. Noben od genov transportne DNK nima intronov. Geni proteina citokroma b in proteina citokroma C imajo lahko veliko intronov - od 5 do 9.

Iz zgornjih podatkov sledi, da so strukturni proteini, ki jih kodira mitohondrijski genom kvasovk, očitno nezadostni za delovanje teh organelov in jih večina kodira jedrski genom.

Značilnosti organizacije in izražanja mitohondrijevgenom gliv:

1. velika raznolikost v sklopih in razporeditvi mitohondrijskih genov pri različnih vrstah;

najrazličnejši načini organiziranja genskega materiala – od kompaktne organizacije genoma do proste porazdelitve genov vzdolž mtDNA z razširjenimi nekodirajočimi zaporedji med geni;

3. mozaična struktura številnih genov;

4. pomembne intraspecifične variacije v velikosti mtDNA, povezane s prisotnostjo "neobveznih" intronov;

5. sposobnost posameznih segmentov mtDNA, da se izrežejo in pomnožijo, da se tvori okvarjen mitohondrijski genom;

6. prisotnost enega ali več ORI, v vsakem od njih se replikacija sproži dvosmerno;

7. lokacija vseh mitohondrijskih genov na eni verigi mtDNA in asimetrična transkripcija mtDNA;

8.množica transkripcijskih enot mtDNA;

9. različni signali za procesiranje primarnih transkriptov, ki so lahko tRNA ali oligonukleotidni bloki drugega tipa - odvisno od vrste;

10. V večini primerov mRNA vsebujejo razširjene končne nekodirajoče sekvence.

Najbolj kompleksna organizacija mitohondrijskega genoma je pri višjih rastlinah. Njihov mitohondrijski genom je niz superzvitih dvoverižnih krožnih in/ali linearnih molekul. Vse sekvence mitohondrijskih genomov je mogoče organizirati v en velik krožni »kromosom«, opaženi različni velikostni razredi mitohondrijske DNA pa so najverjetneje posledica rekombinacijskih procesov. Vsaj na špinači, vrsti dveh rodov kapusnice in Raphanus, sladkorne pese in pšenice, je bilo dokazano, da je razlog za tako razpršenost mitohondrijskega genoma rekombinacija homolognih regij mitohondrijske DNA. Zaradi prisotnosti neposredno usmerjenih dveh ali treh družin ponovitev v velikosti od 1 do 14 kb so molekule mitohondrijske DNA sposobne aktivnih inter- in intragenomskih preureditev. Zaradi takšnih preureditev je lahko mitohondrijska DNK prisotna v obliki molekul različnih velikostnih razredov.

Tako, na primer, v križnicah kapusnice campestris Mitohondrijska DNK je prisotna v obliki treh vrst krožnih molekul. Prva vrsta vsebuje celoten genom - 218 kb, druga - 135 in tretja - 83 kb. Subgenomski obroči nastanejo kot rezultat rekombinacije genomskih obročev, ki imajo par neposrednih ponovitev dolžine 2 kb.

Pri pšenici je velikost mitohondrijskega genoma veliko večja - 430 kb, neposrednih rekombinacijskih ponovitev pa je več kot 10, zato je med opazovanjem z elektronskim mikroskopom mogoče videti veliko obročev različnih velikosti, vendar jih nihče ni opazil ena velika krožna molekula, morda v tem stanju mitohondrijski genom pšenice ni nikoli prisoten. V Marchantiji mah in druge križnice kapusnice hirta Neposrednih rekombinacijskih ponovitev ni in morda je zato mitohondrijska DNK v obliki krožnih molekul istega velikostnega razreda. Vendar je za mitohondrijsko DNK višjih rastlin to prej izjema kot pravilo. Pri večini višjih rastlin mitohondrijski genom vsebuje tako rekombinacijske ponovitve kot molekule mitohondrijske DNA različnih velikostnih razredov.

Število molekul istega velikostnega razreda se lahko v različnih rastlinskih tkivih zelo razlikuje, odvisno od stanja rastline in okoljskih pogojev. Med gojenjem rastlin so opazili spremembo v številčnih razmerjih molekul mitohondrijske DNA različnih velikostnih razredov. v vivo in v vitro. Morda spremembe v številčnih razmerjih med molekulami različnih velikostnih razredov odražajo prilagodljivost rastlin s povečanim pomnoževanjem želenih genov.

Poleg tega lahko mitohondrijski genom vsebuje plazmide, tako linearne kot krožne, z zaporedji DNA in RNA, velikosti od 1 do 30 kb. Mitohondrijski plazmidi verjetno izvirajo iz drugih celičnih genomov ali celo drugih organizmov. Včasih je njihova prisotnost ali odsotnost lahko povezana s citoplazmatsko moško sterilnostjo rastlin, vendar ne vedno. V nekaterih vrstah so plazmidi prisotni, vendar sterilnosti ni opaziti. Vsaj v enem primeru je bilo jasno dokazano, da je bila v mitohondrijih linij s tako imenovanim S-tipom sterilnosti koruze ugotovljena korelacija med prisotnostjo plazmidu podobne mitohondrijske DNA in pojavom pojava citoplazemskega samca. sterilnost. Opažena je bila sposobnost mitohondrijskih plazmidov, da se vključijo tako v mitohondrijski genom kot v jedrske kromosome. Vendar pa v drugih primerih prisotnost plazmidne DNA ne povzroči vedno sterilnosti cvetnega prahu.

Velikost mitohondrijskega genoma rastlin je najbolj spremenljiva - od 200 do 2500 kb. Velikost mitohondrijskega genoma višjih rastlin je večja od velikosti njihovega genoma kloroplasta.

Pomembne razlike v velikosti mitohondrijskega genoma so druga značilnost rastlinskega mitohondrijskega genoma. Genom ni samo zelo velik, ampak je lahko tudi različen, tudi med sorodnimi vrstami, v nekaterih primerih pa je mogoče opaziti nizko variabilnost - vrste rodu kapusnice, v drugih je zelo velik. Največjo variabilnost velikosti opazimo pri rastlinah buč. Znotraj te družine je velikost mitohondrijskega genoma najbolj spremenljiva – od 330 kb. v lubenici do 2500 kb. pri meloni. Zato lahko tudi delež mitohondrijske DNA v celotnem volumnu rastlinskega genoma zelo variira – približno 1 % pri večini rastlin, do 15 % v hipokotilnih celicah melone.

Prisotnost velikih mitohondrijskih genomov so poskušali pojasniti z različnimi razlogi.

Prisotnost dodatnih genov ali posebnih sekvenc, potrebnih za delovanje mitohondrijev.

Prisotnost DNK, ki jo rastlina uporablja, vendar ne kot kodirno, ampak za neko drugo funkcijo.

DNK, ki se ne uporablja za delovanje mitohondrijev, imenujemo "sebična" DNK.

Očitno obstaja še ena možnost za povečanje velikosti mitohondrijskega genoma - to so zaporedja, ki so homologna jedrski in kloroplastni DNK. Zaporedja, homologna jedrski DNK, na primer pri Arabidopsisu, predstavljajo do 5 % mitohondrijskega genoma. Sprva so zaporedje genoma kloroplasta, vključenega v mitohondrijski genom, odkrili v koruzi. Vključevalo je območje velikosti približno 14 kb, ki je vsebovalo spremenjene gene 16S-ribosomske RNA kloroplasta in območje velike podenote RDPK/O. Pozneje so v mitohondrijskem genomu mnogih vrst višjih rastlin odkrili vstavke kloroplastov. Običajno predstavljajo 1-2 % mitohondrijskih zaporedij in vključujejo tri glavna zaporedja.

Zaporedje je dolgo 12 kb. iz povratne ponovitve kloroplastne DNK. Vsebuje zaporedja za 3" ekson štirih prenosnih RNA in zaporedje 16 S ribosomska RNA.

Zaporedje od 1,9 do 2,7 kb, ki v celoti kodira veliko podenoto Rubisco.

Zaporedje ne daljše od 2 kb. V genomu kloroplasta ta regija kodira 3" konec ribosomske RNA 23S, 4,5S in 5S rRNA ter tri prenosne RNA. Od vseh zaporedij genoma kloroplasta, ki so prisotna v mitohondrijskem genomu rastlin, je samo prenosna RNA zaporedja so dejansko prepisana.

Ker so iste sekvence kloroplastov prisotne v mitohondrijskem genomu številnih rastlinskih vrst, lahko domnevamo, da imajo določen funkcionalni pomen. Hkrati njihova vloga, mehanizem prenosa in čas tega prenosa ostajajo neznani. Ali se je ta prenos zgodil v daljnem času evolucije nastanka evkariontske celice ali je prisotnost vstavkov kloroplastov v mitohondrijskem genomu nakazovala, da gre za normalen proces izmenjave informacij med organeli, ki se dogaja zdaj, ali pojavljajo občasno v relativno nedavnem evolucijskem času nastanka določenih vrst in rastlinskih rodov?

Poleg tega so nekatera zaporedja mitohondrijskega genoma zaporedja homologna virusnim.

Da bi ugotovili število genov v rastlinskem mitohondrijskem genomu, ki dejansko delujejo, so številni raziskovalci določili število produktov prevajanja. Pokazalo se je, da je bilo število zaznavnih proteinskih trakov enako tudi pri rastlinah z 10-kratnimi razlikami v velikosti genoma. Čeprav uporabljene metode ne dajejo neposrednega odgovora na vprašanje o skupnem številu genov v mitohondrijskem genomu, je vseeno zanimivo, da je bilo pri analiziranih vrstah kritosemenk ugotovljeno enako število translacijskih produktov in je bilo blizu števila genov kodiranje beljakovin v živalskih mitohondrijih in kvasovkah.

Prvič je bilo celotno nukleotidno zaporedje mitohondrijske DNK v rastlinah določeno leta 1986 pri eni vrsti - Marchantia ( Marchantia polimorfa), kasneje pa pri Arabidopsis in več vrstah alg.

Molekula mitohondrijske DNK v Marchantiji ima velikost 186.608 bp. Kodira gene za 3 rRNA, 29 genov za 27 tRNA in 30 genov za znane funkcionalne proteine ​​(16 ribosomskih proteinov, 3 podenote citokrom C oksidaze, citokroma b, 4 podenote ATP sintetaze in 9 podenot NADH dehidrogenaze). Genom vsebuje tudi 32 neidentificiranih odprtih bralnih okvirjev. Poleg tega so našli 32 intronov v 16 genih. Število genov za določen kompleks se lahko pri različnih rastlinah razlikuje, saj se lahko en ali več genov tega kompleksa prenese v jedro. Med neidentificiranimi geni jih je vsaj 10 dosledno najdenih v skoraj vseh rastlinskih vrstah, kar kaže na pomembnost njihovih funkcij.

Število mitohondrijskih genov, ki kodirajo prenosne RNA rastlinskih mitohondrijev, je zelo spremenljivo. Pri mnogih vrstah so njihove lastne mitohondrijske prenosne RNA očitno nezadostne in se zato izvažajo iz citoplazme (ki jo kodira jedro ali plastidni genom). Na primer, pri Arabidopsisu je 12 prenosnih RNA mitohondrijsko kodiranih, 6 kloroplastnih in 13 jedrskih; v Marchantii jih je 29 mitohondrijskih in 2 jedrska in nobena od transportnih RNA nima kodiranja kloroplasta; pri krompirju je 25 mitohondrijskih, 5 kloroplastnih in 11 jedrnih; pri pšenici jih je 9 mitohondrijskih, 6 kloroplastnih in 3 jedrske (tabela 3).

Za razliko od živalskih mitohondrijskih DNK in genov za kloroplaste so rastlinski mitohondrijski DNK geni razpršeni po celotnem genomu. To velja tako za gene, ki kodirajo prenosne RNA, kot za gene, ki kodirajo proteine.

Tabela 3

Narava mitohondrijskih prenosnih RNA v rastlinah

Tako kot mitohondrijski genom gliv ima tudi mitohondrijski genom rastlin introne, ki jih živalski mitohondrijski genomi nimajo.

Pri nekaterih vrstah se številni geni v genomu podvojijo. Tako se pri koruzi in fižolu geni rRNA ne ponavljajo, pri pšenici pa se ponovijo večkrat. V njihovem genomu se lahko ponavljajo tudi geni, ki kodirajo mitohondrijske proteine.

Seveda mitohondriji, tako kot kloroplasti, vsebujejo veliko več encimskih beljakovin kot njihov genom genov. In zato večino proteinov nadzoruje jedrski genom, ki se sestavi v citoplazmi na citoplazmatskih in ne mitohondrijskih ribosomih in prenese v mitohondrijske membrane.

Tako je mitohondrijski genom rastlin izjemno variabilen sistem po strukturi, vendar precej stabilen po številu genov. V nasprotju s kompaktnim genomom kloroplastov v mitohondrijskem genomu rastlin geni predstavljajo manj kot 20 % genoma. Povečanje genoma mitohondrijev v primerjavi z glivami ali živalmi je posledica prisotnosti intronov, različnih ponavljajočih se sekvenc, vstavkov iz genoma kloroplastov, jedra in virusov. Funkcije približno 50 % rastlinskega mitohondrijskega genoma še niso pojasnjene. Poleg tega, da se v jedru nahajajo številni strukturni geni, ki nadzorujejo delovanje mitohondrijev, se tam nahajajo tudi številni geni, ki nadzorujejo procese prepisovanja, procesiranja in prevajanja mitohondrijskih genov. Posledično so mitohondriji celo manj avtonomni organeli kot plastidi.

Literatura

Glavni:

1. Alekhina N.D., Balnokin Yu.V., Gavrilenko V.F. in drugi Fiziologija rastlin. Učbenik za študente. Univerze. M.: Akademija. 2005. 640 str.

Davidenko O.G. Nekromosomska dednost. Minsk: BSU. 2001. 189 str.

3. Danilenko N.G., Davidenko O.G. Svetovi genomov organelov. Minsk: Tehnologija. 2003. 494 str.

4. Ivanov V.I. in drugi. M.: Akademkniga. 2006. 638 str.

5. Zhimulev I.S. Splošna in molekularna genetika. Novosibirsk: Sib. Univ. 2007. 479 str.

6. Singer M., Berg P. Geni in genomi. M.: Mir. 1998. T. 1-

7. Chentsov Yu. Uvod v celično biologijo. M.: Akademkniga. 2004. 495 str.

Dodatno:

1. Danilenko N.G. Urejanje RNA: genetske informacije se popravijo po transkripciji // Genetika. 2001. T. 37. št. 3. strani 294-316.

Margelis L. Vloga simbioze v evoluciji celic. M.: Mir, 1983.

3. Odintsova M. S., Yurina N. P. Genom protističnih mitohondrijev // Genetika. 200 T. 38. št. 6. strani 773-778.

4. Odintsova M. S., Yurina N. P. Genom plastid višjih rastlin in alg: struktura in funkcije // Mol. Biol. 2003. T. 37. št. 5. P. 768-783.

5. Yurina N. P., Odintsova M. S. Splošne značilnosti organizacije genoma kloroplasta. Primerjava z genomi pro- in evkariontov // Mol. Biol. 199 T. 36. št. 4. str. 757-771.

6. Yurina N. P., Odintsova M. S. Primerjalne značilnosti strukturne organizacije genomov kloroplastov in rastlinskih mitohondrijev // Genetika. 1998. T. 34. št. 1. Str. 5-2.

Objavljeno na Allbest.ru

Podobni dokumenti

Bistvo ultrastrukturne organizacije mitohondrijev. Vloga mitohondrijev pri vzdrževanju redoks ravnovesja celice. Specifičnost energetskih funkcij mitohondrijev. Spremembe morfofunkcionalnih značilnosti mitohondrijev med acidozo.

diplomsko delo, dodano 27.01.2018


Preučevanje funkcionalne vloge in strukturne organizacije mitohondrijev. Upoštevanje in karakterizacija delovanja mitohondrijske dihalne verige v pogojih normoksije. Uvod v antihipoksični učinek nevrotrofičnega faktorja, pridobljenega iz možganov.

predmetno delo, dodano 18.04.2018


Osnovni mehanizmi celične smrti. Mitohondriji kot osrednja kontrolna točka apoptoze. Morfološke spremembe in prerazporeditev mitohondrijev v celici med apoptozo. Vzorci sproščanja citokroma C v procesu staranja.

tečajna naloga, dodana 01.07.2013


Kompleks encimov, lokaliziranih na notranji membrani mitohondrijev. Proces oksidativne fosforilacije. Sinteza ATP na notranji mitohondrijski membrani v prisotnosti kisika. Komponente dihalne verige. Bistvo kemiosmotske teorije P. Mitchella.

predstavitev, dodana 22.10.2014


Preučevanje zgradbe mitohondrijev in plastid ter njihovih funkcij. Hipoteza o simbiotskem izvoru mitohondrijev in kloroplastov. Splošne tipične značilnosti mišičnega tkiva. Spermatogeneza, njena glavna obdobja: razmnoževanje, rast, zorenje in nastanek.

test, dodan 3.11.2014


Pojem in lastnosti mitohondrijev, njihova zgradba, sodelovanje pri celičnem dihanju in izmenjavi energije. Značilnosti gastrulacije embrionalnega razvoja. Upoštevanje funkcij, strukture, klasifikacije levkocitov. Videz timusa (timusne žleze).

test, dodan 21.04.2015


Zgradba, kemična sestava, razširjenost v naravi in ​​pomen taksonomske skupine sluzavih plesni. Vegetativna telesa sluzavih plesni. Trofične in disperzijske stopnje. Proces nastajanja spor. Prisotnost mobilnih stopenj v ciklih, struktura mitohondrijev.

tečajna naloga, dodana 8.12.2015


Zgradba in glavne sestavine celične membrane alg. Primeri naključne razporeditve fibril med zelenimi algami, organizacija citoplazme pri različnih predstavnikih vrste, namen bičkov, mitohondrijev in kloroplastov.

tečajna naloga, dodana 29.07.2009


Klinična uporaba fotodinamične terapije. Mehanizem delovanja fotosenzibilizatorjev na celični ravni. Vloga mitohondrijev in kalcijevih ionov pri fotodinamično inducirani apoptozi. Sodelovanje signalnih procesov in zaščitnih proteinov v celičnih reakcijah.

test, dodan 19.08.2015


Mitohondriji so zrnati ali nitasti organeli z dvojno membrano, element evkariontskih celic (avtotrofi in heterotrofi), energijska postaja. Glavna funkcija in proizvodnja energije; izvor, struktura. Mitohondrijska DNK in dednost.

Delovanje mitohondrijskega genoma Kaj je posebnega pri mehanizmih replikacije in transkripcije DNA mitohondrijev sesalcev? Pri večini živali se komplementarne verige v mtDNA bistveno razlikujejo po specifični gostoti, saj vsebujejo neenake količine "težkih" purinskih in "lahkih" pirimidinskih nukleotidov. Tako se imenujejo - H (težka - težka) in L (lahka - lahka) veriga. Na začetku replikacije molekule mtDNA nastane tako imenovana D-zanka (iz angleškega Displacement loop). Ta struktura, vidna v elektronskem mikroskopu, je sestavljena iz dvoverižne in enoverižne (razširjen del H-verige) regije. Dvoverižno območje tvori del L-verige in njemu komplementaren na novo sintetiziran fragment DNA, dolg 450-650 nukleotidov (odvisno od vrste organizma), ki ima na 5" koncu ribonukleotidni začetnik, ki ustreza do začetne točke sinteze H-verige (oriH ) Sinteza L-verige se začne šele, ko hčerinska H-veriga doseže točko ori L. To je posledica dejstva, da je območje iniciacije replikacije L- veriga je dostopna encimom za sintezo DNA le v enoverižnem stanju in torej samo v nezaviti dvojni vijačnici med sintezo H-verige. Tako se hčerinske verige mtDNA sintetizirajo neprekinjeno in asinhrono (slika 3). Slika 3. V mitohondrijih skupno število molekul z D-zanko znatno presega število popolnoma podvajajočih se molekul. To je posledica dejstva, da ima D-zanka dodatne funkcije - pritrditev mtDNA na notranjo membrano in začetek transkripcije, saj so promotorji transkripcije obeh verig DNA lokalizirani v tej regiji. Za razliko od večine evkariontskih genov, ki se prepisujejo neodvisno drug od drugega, se vsaka veriga mtDNA pri sesalcih prepisuje tako, da tvori eno samo molekulo RNA, ki se začne v regiji ori H, poleg teh dveh dolgih molekul RNA, komplementarnih H- in L-. verige, nastanejo tudi krajši odseki H-verige, ki se začnejo na isti točki in končajo na 3" koncu gena 16S rRNA (slika 4). Takih kratkih transkriptov je 10-krat več kot dolgih. Kot kot rezultat zorenja (procesiranja) iz njih nastaneta 12S rRNA in 16S rRNA, ki sodelujeta pri tvorbi mitohondrijskih ribosomov, ter fenilalaninske in valinske tRNA 3" konci, na katere so pritrjene poliadenilne sekvence. 5" konci teh mRNA niso omejeni, kar je neobičajno za evkarionte. Do spajanja (spletanja) ne pride, saj nobeden od mitohondrijskih genov sesalcev ne vsebuje intronov.

ND1-ND6, ND4L - geni podenot kompleksa NAD-H-dehidrogenaze; COI-COIII - geni podenot citokrom c oksidaze; ATP6, ATP8 - geni podenot ATP sintetaze Cyt b - gen citokroma b.

Slika 4. Transkripcija človeške mtDNA, ki vsebuje 37 genov. Vsi transkripti se začnejo sintetizirati v ori H regiji. tRNA in mRNA nastaneta kot rezultat procesiranja iz prepisov obeh verig DNK. Geni tRNA so označeni s svetlo zeleno barvo.

Ali želite vedeti, kakšna presenečenja lahko predstavlja mitohondrijski genom? Super! Beri naprej!..

Kljub dejstvu, da genoma mitohondrijev sesalcev in kvasovk vsebuje približno enako število genov, je velikost genoma kvasovk 4-5 krat večja - približno 80 tisoč nukleotidnih parov. Čeprav so kodirne sekvence mtDNA kvasovk zelo homologne z ustreznimi sekvencami pri ljudeh, imajo mRNA kvasovk dodatno 5" vodilno in 3" nekodirajočo regijo, tako kot večina jedrskih mRNA. Številni geni vsebujejo tudi introne. Tako ima box gen, ki kodira citokrom oksidazo b, dva introna. Kopija večine prvega introna je avtokatalitsko izrezana iz primarnega zapisa RNA (brez sodelovanja kakršnih koli proteinov). Preostala RNA služi kot matrica za tvorbo encima ma-turaze, ki sodeluje pri spajanju. Del njegovega aminokislinskega zaporedja je kodiran v preostalih kopijah intronov. Maturaza jih izreže, pri čemer uniči lastno mRNA, kopije eksonov se zlepijo skupaj in nastane mRNA za citokrom oksidazo b (slika 5). Odkritje takšnega pojava nas je prisililo, da ponovno razmislimo o ideji intronov kot "nekodirajočih sekvenc".

Slika 5.

Pri preučevanju izražanja mitohondrijskih genov Trypanosoma brucei odkrili so presenetljivo odstopanje od enega od osnovnih aksiomov molekularne biologije, ki pravi, da se zaporedje nukleotidov v mRNK natančno ujema s tistim v kodirnih regijah DNK. Izkazalo se je, da je mRNA ene od podenot citokrom c-oksidaze urejena, tj. po transkripciji se njegova primarna struktura spremeni – vstavijo se štirje uracili. Posledično nastane nova mRNA, ki služi kot matrica za sintezo dodatne podenote encima, katere aminokislinsko zaporedje nima nič skupnega z zaporedjem, ki ga kodira nelektorirana mRNA (glej tabelo).

Največje presenečenje za znanstvenike so bili mitohondriji leta 1979. Do takrat je veljalo, da je genetska koda univerzalna in da isti trojčki kodirajo iste aminokisline v bakterijah, virusih, glivah, rastlinah in živalih. Angleški raziskovalec Burrell je primerjal strukturo enega od telečjih mitohondrijskih genov z zaporedjem aminokislin v podenoti citokrom oksidaze, ki jo kodira ta gen. Izkazalo se je, da se genetska koda mitohondrijev pri govedu (pa tudi pri ljudeh) ne le razlikuje od univerzalne, temveč je »idealna«, tj. upošteva naslednje pravilo: "če imata dva kodona dva enaka nukleotida in tretji nukleotid pripada istemu razredu (purin - A, G ali pirimidin - U, C), potem kodirata isto aminokislino." V univerzalnem kodu obstajata dve izjemi od tega pravila: triplet AUA kodira izolevcin, kodon AUG pa metionin, medtem ko v idealni mitohondrijski kodi oba tripleta kodirata metionin; Triplet UGG kodira samo triptofan, triplet UGA pa stop kodon. V univerzalni kodi se oba odstopanja nanašata na temeljne vidike sinteze beljakovin: kodon AUG je začetni, stop kodon UGA pa ustavi sintezo polipeptida. Idealna koda ni lastna vsem opisanim mitohondrijem, vendar nobena od njih nima univerzalne kode. Lahko rečemo, da mitohondriji govorijo različne jezike, nikoli pa jezika jedra.

Razlike med "univerzalnim" genetskim kodom in obema mitohondrijskima kodama

mitohondrijski

koda sesalcev

mitohondrijski

koda kvasa

"Univerzalno"

Morda bi bilo koristno prebrati:

• Geni mitohondrijske DNA;
• Združljivost rib in rib: nesebična ljubezen ali nestabilna razmerja. Združljivost po horoskopu rib je kot;
• Kako vrniti ljubljenega moškega brez komunikacije - dokazane zarote močnih čarovnikov Kako vrniti osebo k sebi;
• Skolecifobija in kako se z njo boriti;
• Strokovnjaki so naklonjeni podaljšanju delovanja ISS;
• Struktura in vitalna aktivnost ciliatov na primeru ciliata natikača;
• Nadškof Jonathan (Eletsky): Na začetku rojstva ukrajinske pravoslavne cerkve;
• Oblasti regije Kurgan ne plačujejo regionalnemu glavnemu mestu. Guverner Osipov izpolnjuje zvezne smernice za preglednost volitev.;