Mitokondrioissa on pyöreä DNA. Mitokondrioiden DNA: n tutkimus. DNA: n ominaisuudet ja toiminnot

Miksi mitokondriot tarvitsevat omaa DNA: taan? Vaikka miksi symbionteilla ei voisi olla omaa DNA: ta, joka tuottaa kaiken tarvitsemansa paikan päällä? Miksi sitten siirtää osa mitokondrioiden DNA: sta solun ytimeen, mikä luo tarpeen kuljettaa geenituotteita mitokondrioihin? Miksi mitokondriot periytyvät vain yhdeltä vanhemmalta? Miten äidiltä saadut mitokondriot tulevat toimeen solun genomin kanssa, joka koostuu äidin ja isän DNA: sta? Mitä enemmän ihmiset oppivat mitokondrioista, sitä enemmän kysymyksiä herää.

Tämä ei kuitenkaan koske vain mitokondrioita: missä tahansa tieteen alalla tietoalueen laajentuminen johtaa vain sen pinnan lisääntymiseen kosketuksessa tuntemattoman kanssa, mikä aiheuttaa yhä uusia kysymyksiä, joihin vastaukset laajentaa samaa alaa samalla ennustettavalla tuloksella.

Niinpä nykyaikaisten mitokondrioiden DNA jakautuu hyvin oudosti: pieni osa geeneistä on suoraan pyöreän kromosomin mitokondrioissa (tarkemmin sanottuna useissa saman kromosomin kopioissa kussakin mitokondrioissa) ja suurin osa tuotannon piirustuksista mitokondrioiden ainesosista varastoidaan solun ytimeen. Siksi näiden geenien kopiointi tapahtuu samanaikaisesti koko organismin genomin kopioinnin kanssa, ja niiden tuottamat tuotteet kulkevat pitkän matkan solun sytoplasmasta mitokondrioihin. Siitä huolimatta se on monella tapaa kätevää: mitokondriot vapautuvat tarpeesta kopioida kaikki nämä geenit lisääntymisen aikana, lukea niitä ja rakentaa proteiineja ja muita komponentteja keskittyen sen päätehtävään tuottaa energiaa. Miksi sitten mitokondrioissa on pieni DNA, jonka ylläpitoon tarvitaan kaikki nämä mekanismit ja joiden poistaminen mitokondrioista voisi heittää vielä enemmän resursseja olemassaolonsa päätarkoitukseen?

Aluksi oletettiin, että mitokondrioihin jäävä DNA on atavismi, perintö pro-mitokondrioista, jotka absorboi metanogeeni, jolla on täydellinen bakteerien genomi. Symbioosinsa alussa, vaikka näiden mitokondriogeenien ytimessä ( m-geenit), jotka olivat välttämättömiä miellyttävän ympäristön ylläpitämiseksi pro-mitokondrioille metanogeenin sisällä (tämä on kuvattu yksityiskohtaisesti mitokondrioita koskevassa osassa), samat geenit tallennettiin kussakin mitokondrioissa. Pro-mitokondriot elämänsä alussa symbiontina näyttivät suunnilleen samalta kuin moderni bakteeri tämän kappaleen vasemmalla puolella olevassa kaaviossa.

Ja hyvin hitaasti, kysynnän puutteen vuoksi, nämä geenit katosivat mitokondrioiden kromosomista erilaisten mutaatioiden seurauksena. Mutta solun ytimeen kertyi yhä enemmän m-geenejä, jotka tulivat sytoplasmaan tuhoutuneista symbionteista-mitokondrioista ja integroituvat eukaryoottisen kimeran genomiin. Heti kun vastikään rakennettu m-geeni alkoi lukea, solumekanismit tuottivat mitokondrioille välttämättömiä tuotteita vapauttaen symbionit niiden itsenäisestä luomisesta. Tämä tarkoittaa, että ytimeen siirtyneen geenin mitokondriaalinen analogi ei enää pitänyt toimintakunnossa luonnollista valintaa, ja mutaatiot poistivat sen samalla tavalla kuin kaikki edelliset. Siksi olisi loogista olettaa, että pian ne geenit, jotka ovat vielä mitokondrioissa, siirtyvät ytimeen, mikä johtaa suureen energiahyötyyn eukaryooteille: loppujen lopuksi raskaat mekanismit DNA: n kopioimiseksi, lukemiseksi ja korjaamiseksi voidaan poistaa jokaisesta mitokondrioista, ja niin kaikki mitä tarvitset proteiinien luomiseen.

Tultuaan tähän johtopäätökseen tutkijat laskivat, kuinka kauan kesti kaikkien geenien vaeltaminen luonnollisen ajelehtimisen kautta mitokondrioista ytimeen. Ja kävi ilmi, että tämä ajanjakso on jo ohi. Eukaryoottisolun ilmestymishetkellä mitokondrioilla oli yhteinen bakteerien genomi, joka koostui useista tuhansista geeneistä (tutkijat määrittävät, mikä tämä genomi oli, tutkimalla eri organismeihin ytimeen siirrettyjä m-geenejä) ja nyt kaiken tyyppisiä mitokondrioita eukaryooteista on menettänyt 95-99,9% geeneistään. Kukaan ei ole jättänyt yli sataa geeniä mitokondrioihin, mutta kenelläkään ei ole myöskään geenittömiä mitokondrioita. Jos sattumalla olisi ollut keskeinen rooli tässä prosessissa, ainakin muutama laji olisi jo käynyt läpi geenisiirron polun ytimeen loppuun asti. Mutta näin ei tapahtunut, ja tällä hetkellä tutkittujen eri lajien mitokondrioita, jotka menettivät geeninsä toisistaan ​​riippumatta, säilytti sama joukko niitä, mikä osoittaa suoraan tarvetta juuri näiden geenien läsnäololle mitokondrioissa.

Lisäksi muilla energiaa tuottavilla soluorganelleilla, kloroplasteilla, on myös oma DNA, ja samalla tavalla eri lajien kloroplasteja kehittyi rinnakkain ja itsenäisesti, jokaisella oli sama geenisarja.

Tämä tarkoittaa sitä, että kaikki ne merkittävät haitat oman genomin ylläpitämisessä kussakin solumitokondrioissa (ja keskimäärin yksi solu sisältää useita satoja!) Ja iso laite sen kopioimiseen, korjaamiseen ja kääntämiseen (tärkein, mutta ei kaikki!) jostain.

Ja tällä hetkellä on olemassa johdonmukainen teoria tästä "jostakin": kyky tuottaa tiettyjä yksityiskohtia mitokondrioista suoraan sen sisällä on tarpeen säätää hengitystaajuutta ja mukauttaa mitokondrioissa tapahtuvat prosessit joka minuutti muuttuviin tarpeisiin koko organismin.

Kuvittele, että yhdestä sadasta solun mitokondrioista puuttuu yhtäkkiä hengitysketjun elementit (katso yksityiskohtia siitä) tai siinä ei ole tarpeeksi ATP -syntaaseja. Se osoittautuu joko ylikuormitetuksi ruoalla ja hapella eikä pysty käsittelemään niitä tarpeeksi nopeasti, tai sen kalvojen välinen tila on täynnä protoneja, joilla ei ole minnekään mennä - yleinen katastrofi. Tietenkin kaikki nämä poikkeamat ihanteellisesta elämäntilanteesta laukaisevat useita signaaleja, joiden tarkoituksena on tasoittaa uppoavan aluksen rulla.

Nämä signaalit käynnistävät juuri sellaisten osien tuotannon, jotka puuttuvat tällä hetkellä mitokondrioista, aktivoimalla proteiinien rakentamien geenien lukeminen. Heti kun mitokondrioissa on riittävästi hengitysketjun tai ATPaasien komponentteja, "rulla tasaantuu", signaalit uusien osien rakentamisen tarpeesta lakkaavat ja geenit sammutetaan uudelleen. Tämä on yksinkertaisuudessaan yksi hämmästyttävän tyylikkäistä solun itsesääntelyn välttämättömistä mekanismeista, pienikin sen rikkominen johtaa vakavaan sairauteen tai jopa elinkelvottomuuteen.

Yritetään loogisesti määrittää, mihin tähän hätäsignaaliin reagoimiseen tarvittavat geenit tulisi sijoittaa. Kuvittele tilanne, että nämä geenit sijaitsevat parisataa mitokondriaa sisältävän solun ytimessä. Esimerkiksi yhdessä mitokondrioista sen puute NADH -dehydrogenaasi: ensimmäinen entsyymi hengitysketjussa, jonka tehtävänä on irrottaa kaksi elektronia NADH-molekyylistä, siirtää ne seuraavaan entsyymiin ja pumpata 2-4 protonia kalvon poikki.

Itse asiassa tällaisia ​​minkä tahansa entsyymin puutteita esiintyy melko usein, koska ne epäonnistuvat ajoittain, kulutetun ruoan määrä muuttuu jatkuvasti, solun ATP -tarpeet hyppäävät myös tämän solun sisältävän kehon hyppyjen tai huovuttamisen jälkeen. Siksi tilanne on hyvin tyypillinen. Ja niin mitokondrio lähettää signaalin: "Meidän on rakennettava lisää NADH -dehydrogenaasia!" Solustandardien mukaan tämän signaalin siirtoaika on erittäin merkittävä, mutta on myös tarpeen vetää rakennettu lähetti -RNA ytimestä sytoplasmaan, luoda siitä proteiineja, lähettää ne mitokondrioihin ...

Ja tässä syntyy ongelma, joka on paljon merkittävämpi kuin ylimääräisen ajan tuhlaaminen: kun luodaan erikoistuneita mitokondrioproteiineja, ne on merkitty signaalilla "toimita mitokondrioille", mutta mikä? Tuntematon. Siksi jokainen parista sadasta mitokondriosta alkaa saada proteiineja, joita he eivät tarvitse. Solu käyttää resursseja niiden tuotantoon ja jakeluun, mitokondriot ovat täynnä ylimääräisiä hengitysketjuja (mikä johtaa hengitysprosessien tehottomuuteen), ja ainoat mitokondriot, jotka tarvitsevat näitä proteiineja, eivät saa niitä riittävinä määrinä, koska se saa parhaimmillaan , sadasosa tuotetusta. Siksi hän lähettää edelleen hätäsignaaleja ja kaaos jatkuu. Jopa tästä lyyrisestä ja pinnallisesta kuvauksesta siitä, mitä tapahtuu, on selvää, että tällainen solu ei ole elinkelpoinen. Ja että on olemassa geenejä, jotka on luettava ja käännettävä suoraan mitokondrioihin, jotta voidaan säännellä niissä esiintyviä prosesseja eikä luottaa ydinpuolueen käynnistämään suunnitelmaan kynsien valmistamiseksi ... eli proteiineihin hengitysketju kaikille mitokondrioille kerralla.

Tarkistettuamme, mitä mitokondrioihin jääneet eri organismit tuottavat (ja siten siirtämällä m-geenejä ytimeen toisistaan ​​riippumatta), huomasimme, että nämä ovat elementtejä hengitysketjujen ja ATPaasin sekä ribosomien rakentamiseen (eli pääosa lähetyslaitteesta).

Voit lukea lisää tästä (eikä vain) osoitteesta Lane in "Energia, seksi, itsemurha: mitokondriot ja elämän tarkoitus"... Voit yksinkertaisesti verrata mitokondrioiden DNA -kaaviota, jossa koodatut tuotteet on dekoodattu (tämän kappaleen oikealla puolella), hengitysketjukaavioon (yllä), niin että käy selväksi, mitä mitokondrioissa tarkalleen tuotetaan. Tietenkään kaikkia tähän ketjuun lisättyjä proteiineja ei tuoteta paikallisesti; jotkut niistä on rakennettu solun sytoplasmaan. Mutta tärkeimmät "ankkurit", joihin muut osat tarttuvat, luodaan mitokondrioiden sisälle. Sen avulla voit tuottaa täsmälleen niin monta entsyymiä kuin tarvitset ja juuri siellä, missä niitä tarvitaan.

Kuinka mitokondriot liittyvät sukupuoleen ja kuinka eri genomit ovat rinnakkain yhdessä solussa, kirjoitan johonkin tämän rivin seuraavista luvuista.

Johdanto

Neljäsataa vuosisataa siitä, kun DNA -molekyylit löydettiin mitokondrioista, ennen kuin molekyylibiologit ja sytologit alkoivat kiinnostua niistä, samoin kuin geneetikot, evoluutioterapeutit sekä paleontologit ja oikeuslääketieteen tutkijat. Tällaisen laajan kiinnostuksen herätti A. Wilsonin työ Kalifornian yliopistosta. Vuonna 1987 hän julkaisi mitokondrioiden DNA: n vertailevan analyysin tulokset, jotka otettiin 147 eri etnisten ryhmien edustajalta kaikista ihmisistä, jotka asuvat viidellä mantereella. Yksittäisten mutaatioiden tyypin, sijainnin ja lukumäärän perusteella todettiin, että kaikki mitokondrioiden DNA syntyi eräästä yhdestä esi -isän nukleotidisekvenssistä. Pseudotieteellisessä lehdistössä tämä johtopäätös tulkittiin erittäin yksinkertaistetusti - koko ihmiskunta polveutui yhdestä naisesta nimeltä mitokondrio Eve (koska sekä tyttäret että pojat saavat mitokondrioita vain äidiltään), joka asui Koillis -Afrikassa noin 200 tuhatta vuotta sitten ... Toisen kymmenen vuoden kuluttua oli mahdollista tulkita neandertalilaisista ampiaisista eristetty mitokondrio -DNA -fragmentti ja arvioida ihmisen ja neandertalin viimeisen yhteisen esi -isän elinaika 500 tuhatta vuotta sitten.

Nykyään ihmisen mitokondrioiden genetiikka kehittyy voimakkaasti sekä väestössä että lääketieteellisessä mielessä. Useiden vakavien perinnöllisten sairauksien ja mitokondrioiden DNA -vikojen välille on muodostettu suhde. Ikääntymiseen liittyvät geneettiset muutokset ovat voimakkaimpia mitokondrioissa. Mikä on mitokondrioiden genomi, joka eroaa ihmisissä ja muissa eläimissä kasveissa, sienissä ja alkueläimissä koko, muoto ja geneettinen kapasiteetti? Mikä on rooli, miten se toimii ja miten mitokondrioiden genomi syntyi eri taksoneissa yleensä ja erityisesti ihmisissä? Tästä keskustellaan "pienimmässä ja vaatimattomimmassa" esseessäni.

Mitokondrio -matriisi sisältää DNA: n lisäksi omat ribosominsa, jotka eroavat monilta ominaisuuksiltaan endoplasmisen verkkokalvon kalvoilla sijaitsevista eukaryoottisista ribosomeista. Mitokondrioiden ribosomeihin muodostuu kuitenkin enintään 5% kaikista proteiineista, jotka muodostavat niiden koostumuksen. Suurin osa proteiineista, jotka muodostavat mitokondrioiden rakenteelliset ja toiminnalliset komponentit, koodaa ydingenomi, syntetisoidaan endoplasmisen retikulumin ribosomeille ja kuljetetaan sen kanavien kautta kokoonpanopaikkaan. Siten mitokondriot ovat tulosta kahden genomin ja kahden transkriptio- ja käännöskoneen yhteisistä ponnisteluista. Jotkut mitokondrioiden hengitysketjun alayksikköentsyymit koostuvat erilaisista polypeptideistä, joista osa on ydinkoodin ja osa mitokondriogenomin koodaamia. Esimerkiksi oksidatiivisen fosforylaation keskeinen entsyymi, hiivan sytokromi c -oksidaasi, koostuu kolmesta alayksiköstä, jotka on koodattu ja syntetisoitu mitokondrioissa, ja neljästä, jotka on koodattu solun ytimessä ja syntetisoitu sytoplasmassa. Useimpien mitokondriogeenien ilmentymistä kontrolloivat ytimen spesifiset geenit.

Symbioottinen teoria mitokondrioiden alkuperästä

R. Altman esitti hypoteesin mitokondrioiden ja kasviplasidien alkuperästä solunsisäisistä bakteereista endosymbionteista vuonna 1890. Puoli vuosisataa sitten ilmestyneen biokemian, sytologian, genetiikan ja molekyylibiologian nopean kehityksen vuosisadalla hypoteesi kasvoi. teoriaksi, joka perustuu suureen määrään tosiasiallista materiaalia ... Sen ydin on seuraava: fotosynteesivien bakteerien ilmaantuessa maapallon ilmakehään kerääntynyt happi - niiden aineenvaihdunnan sivutuote. Sen pitoisuuden kasvaessa anaerobisten heterotrofien elämä vaikeutui, ja jotkut heistä saivat energiaa siirtyen hapettomasta käymisestä hapettavaan fosforylaatioon. Tällaiset aerobiset heterotrofit voisivat tehokkaammin kuin anaerobiset bakteerit hajottaa fotosynteesin tuloksena syntyneen orgaanisen aineksen. Jotkut vapaasti elävät aerobit vangittiin anaerobien toimesta, mutta niitä ei "pilkottu", vaan ne säilytettiin energia-asemina, mitokondrioina. Mitokondrioita ei pidä pitää orjina, jotka on vangittu toimittamaan soluja ATP -molekyyleillä, jotka eivät pysty hengittämään. Pikemminkin ne ovat "olentoja", jotka proterozoicissa löysivät parhaan suojan itselleen ja jälkeläisilleen, missä voit käyttää vähiten vaivaa vaarantamatta syömistä.

Lukuisat tosiasiat puhuvat symbioottisen teorian puolesta:

Mitokondrioiden ja vapaasti elävien aerobisten bakteerien koot ja muodot ovat samat; molemmat sisältävät pyöreitä DNA -molekyylejä, jotka eivät liity histoneihin (toisin kuin lineaarinen ydin -DNA);

Mitä tulee nukleotidisekvensseihin, mitokondrioiden ribosomaaliset ja kuljetus-RNA: t eroavat ydinaseista ja osoittavat samalla yllättäviä samankaltaisuuksia joidenkin aerobisten gramnegatiivisten eubakteerien vastaavien molekyylien kanssa;

Mitokondrioiden RNA -polymeraasit, vaikka ne on koodattu solun ytimeen, estävät rifampisiini, kuten bakteerit, ja eukaryoottiset RNA -polymeraasit ovat epäherkkiä tälle antibiootille;

Proteiinisynteesi mitokondrioissa ja bakteereissa tukahdutetaan samoilla antibiooteilla, jotka eivät vaikuta eukaryoottien ribosomeihin;

Mitokondrioiden ja bakteeriplasmalemman sisäkalvon lipidikoostumus on samanlainen, mutta hyvin erilainen kuin mitokondrioiden ulkokalvon, joka on homologinen muiden eukaryoottisolujen kalvojen kanssa;

Cristae, joka muodostuu sisäisestä mitokondrioiden kalvosta, ovat monien prokaryoottien mesosomaalisten kalvojen evoluutio -analogit;

Tähän asti organismit ovat selviytyneet siitä, että ne jäljittelevät välimuodot matkalla mitokondrioiden muodostumiseen bakteereista (primitiivinen amoeba Pelomyxa ei sisällä mitokondrioita, mutta sisältää aina endosymbioottisia bakteereja).

On ajatus, että eri valtakunnilla eukaryooteilla oli erilaiset esi -isät ja bakteerien endosymbioosi syntyi elävien organismien evoluution eri vaiheissa. Tämän osoittavat myös erot alkueläinten, sienien, kasvien ja korkeampien eläinten mitokondrioiden genomien rakenteessa. Mutta kaikissa tapauksissa pääosa promitochondrian geeneistä tuli ytimeen, mahdollisesti liikkuvien geneettisten elementtien avulla. Kun osa yhden symbiontien genomista sisällytetään toisen genomiin, symbiontien integroitumisesta tulee peruuttamatonta. Uusi genomi voi luoda aineenvaihduntareittejä, jotka johtavat hyödyllisten tuotteiden muodostumiseen, joita kukaan kumppaneista ei voi syntetisoida erikseen. Siten steroidihormonien synteesi lisämunuaisen kuoren soluilla on monimutkainen reaktioketju, joista osa esiintyy mitokondrioissa ja osa endoplasmisessa verkkokalvossa. Vangitsemalla promitochondrian geenit ydin pystyi hallitsemaan luotettavasti symbiontin toimintoja. Ydin koodaa kaikki proteiinit ja mitokondrioiden ulkokalvon lipidisynteesi, useimmat matriisin proteiinit ja organellien sisäkalvo. Tärkeintä on, että ydin koodaa mtDNA: n replikaation, transkription ja translaation entsyymejä, mikä kontrolloi mitokondrioiden kasvua ja lisääntymistä. Symbioottisten kumppaneiden kasvuvauhdin pitäisi olla suunnilleen sama. Jos isäntä kasvaa nopeammin, niin jokaisen sukupolven aikana symbiontien määrä yksilöä kohti vähenee ja lopulta syntyy jälkeläisiä ilman mitokondrioita. Tiedämme, että jokainen seksuaalisesti lisääntyvän organismin solu sisältää monia mitokondrioita, jotka toistavat DNA: taan isännän jakautumisten välillä. Tämä varmistaa, että jokainen tytärsolu saa vähintään yhden kopion mitokondrioiden genomista.

Solun ytimen rooli mitokondrioiden biogeneesissä

Tietyn tyyppisellä mutanttihiivalla on laaja deleetio mitokondrioiden DNA: ssa, mikä johtaa proteiinisynteesin täydelliseen lopettamiseen mitokondrioissa; tämän seurauksena nämä organellit eivät pysty suorittamaan tehtäväänsä. Koska kasvatettaessa väliaineella, jolla on alhainen glukoosipitoisuus, tällaiset mutantit muodostavat pieniä pesäkkeitä, niitä kutsutaan sytoplasminen mutantamisiro.

Vaikka pienillä mutanteilla ei ole mitokondrioiden proteiinisynteesiä ja siksi ne eivät muodosta normaaleja mitokondrioita, tällaiset mutantit sisältävät kuitenkin promitochondria, jotka ovat jossain määrin samankaltaisia ​​kuin tavalliset mitokondriot, niillä on normaali ulompi kalvo ja sisäkalvo, jossa on huonosti kehittyneet ristikot. Promokondrioissa on monia ydingeenien koodaamia entsyymejä, jotka on syntetisoitu sytoplasman ribosomeihin, mukaan lukien DNA- ja RNA -polymeraasit, kaikki sitruunahapposyklin entsyymit ja monet proteiinit, jotka muodostavat sisäkalvon. Tämä osoittaa selvästi ydingenomin hallitsevan roolin mitokondrioiden biogeneesissä.

On mielenkiintoista huomata, että vaikka kadonneiden DNA -fragmenttien osuus mitokondrioiden genomista on 20 - yli 99,9%, pienikokoisten mutanttien mitokondrio -DNA: n kokonaismäärä pysyy aina samalla tasolla kuin villityypissä. Tämä johtuu edelleen huonosti tutkitusta DNA -monistusprosessista, jonka seurauksena muodostuu DNA -molekyyli, joka koostuu saman alueen tandemtoistoista ja on kooltaan sama kuin normaali molekyyli. Esimerkiksi pienikokoisen mutantin mitokondrio-DNA, joka säilyttää 50% villityypin DNA: n nukleotidisekvenssistä, koostuu kahdesta toistosta, kun taas molekyyli, joka säilyttää vain 0,1% villityypin genomi rakennetaan jäljellä olevan fragmentin 1000 kopiosta. Siten pieniä mutantteja voidaan käyttää useiden tiettyjen mitokondrioiden DNA -osien saamiseen, jotka voidaan sanoa, että luonto itse on kloonannut.

Vaikka organellien biogeneesiä ohjaavat pääasiassa ydingeenit, itse organelleilla on joidenkin tietojen perusteella jonkinlainen sääntelyvaikutus palautteen periaatteeseen; joka tapauksessa tämä koskee mitokondrioita. Jos estät proteiinisynteesin ehjien solujen mitokondrioissa, DNA: n, RNA: n ja proteiinien mitokondrioiden synteesiin osallistuvat entsyymit alkavat muodostua liikaa sytoplasmaan, ikään kuin solu yrittäisi voittaa estoaineen vaikutuksen. Mutta vaikka jonkinlaisen signaalin olemassaolo mitokondrioista on kiistatonta, sen luonnetta ei vieläkään tunneta.

Useista syistä mitokondrioiden biogeneesin mekanismeja tutkitaan useimmissa tapauksissa viljelmissä Saccharomyces carlsbergensis(panimohiiva ja S. cerevisiae(leivinhiiva). Ensinnäkin, kun ne kasvavat glukoosilla, näillä hiivoilla on ainutlaatuinen kyky olla olemassa vain glykolyysin avulla, eli ilman mitokondrioiden toimintaa. Tämä mahdollistaa mitokondrioiden ja ydin -DNA: n mutaatioiden tutkimisen, jotka estävät näiden organellien kehittymisen. Tällaiset mutaatiot ovat tappavia lähes kaikissa muissa organismeissa. Toiseksi hiiva - yksinkertaiset yksisoluiset eukaryootit - on helppo viljellä ja testata biokemiallisesti. Lopuksi hiiva voi lisääntyä sekä haploidisessa että diploidivaiheessa, yleensä aseksuaalisella orastamisprosessilla (epäsymmetrinen mitoosi). Mutta hiivalla on myös seksuaalinen prosessi: aika ajoin kaksi haploidisolua sulautuu muodostaen diploidisen tsygootin, joka sitten joko jakautuu mitoosilla tai kokee meioosin ja antaa jälleen haploidisoluja. Hallitsemalla aseksuaalisen ja seksuaalisen lisääntymisen vuorottelua kokeen aikana voit oppia paljon mitokondrioiden toiminnasta vastuussa olevista geeneistä. Näitä menetelmiä käyttämällä on mahdollista erityisesti selvittää, onko tällaisia ​​geenejä lokalisoitu ydin- tai mitokondrio -DNA: han, koska mitokondriogeenien mutaatiot eivät periydy ydingeenien perintöä säätelevien Mendelin lakien mukaan.

Mitokondrioiden kuljetusjärjestelmät

Suurin osa mitokondrioissa ja kloroplasteissa olevista proteiineista tuodaan näihin organelleihin sytosolista. Tämä herättää kaksi kysymystä: kuinka solu ohjaa proteiinit oikeaan organelliin ja miten nämä proteiinit tulevat siihen?

Osittainen vastaus saatiin, kun tutkittiin entsyymin pienen alayksikön (S) kuljetusta kloroplastistroomaan ribuloosi-1,5-bisfosfaatti-karboksilaiska. Jos yksisoluisen levän sytoplasmasta eristetty mRNA Chlamydomonas tai herneenlehdistä, jotka on tuotu matriisina proteiinisynteesijärjestelmään in vitro, silloin yksi monista muodostuneista proteiineista sitoutuu spesifiseen anti-S-vasta-aineeseen. In vitro syntetisoitua S-proteiinia kutsutaan pro-S: ksi, koska se on tavallista S-proteiinia suurempi noin 50 aminohappotähteellä. Kun pro-S-proteiinia inkuboidaan ehjien kloroplastien kanssa, se tunkeutuu organellien sisään ja muuttuu siellä peptidaasin avulla S-proteiiniksi. Sitten S-proteiini sitoutuu ribuloosi-1,5-bisfosfaattikarboksylaasin suureen alayksikköön, joka on syntetisoitu kloroplastin ribosomeille, ja muodostaa sen kanssa aktiivisen entsyymin kloroplastin stromassa.

S-proteiinin siirron mekanismi on tuntematon. Uskotaan, että pro-S sitoutuu reseptoriproteiiniin, joka sijaitsee kloroplastin ulkokalvolla tai ulko- ja sisäkalvon välisessä kosketuskohdassa, ja kuljetetaan sitten stroomaan transmembraanisten kanavien kautta energian seurauksena. intensiivinen prosessi.

Proteiinit kuljetetaan mitokondrioihin samalla tavalla. Jos puhdistettuja hiivamitokondrioita inkuboidaan solu-uutteen kanssa, joka sisältää äskettäin syntetisoituja radioaktiivisia hiivaproteiineja, voidaan havaita, että ydingenomin koodaamat mitokondrioproteiinit erotetaan sytoplasman ei-mitokondrioproteiineista ja sisällytetään selektiivisesti mitokondrioihin, aivan kuten nekin ehjässä solussa. Tässä tapauksessa ulko- ja sisäkalvon, matriisin ja kalvojen välisen tilan proteiinit löytävät tiensä vastaavaan mitokondrio -osastoon.

Monilla äskettäin syntetisoiduista proteiineista, jotka on tarkoitettu sisäkalvoon, matriisiin ja kalvojen väliseen tilaan, on johtava peptidi niiden N-päässä, joka pilkotaan spesifisellä proteaasilla matriisissa kuljetuksen aikana. Proteiinien siirtyminen näihin kolmeen mitokondrio -osastoon vaatii sisäkalvon poikki muodostuneen sähkökemiallisen protonigradientin energiaa. Ulkokalvon proteiininsiirtomekanismi on erilainen: tässä tapauksessa ei tarvita energiakulutusta tai pidemmän esiasteproteiinin proteolyyttistä katkaisua. Nämä ja muut havainnot viittaavat siihen, että kaikki neljä mitokondrioproteiinien ryhmää kuljetetaan organelliin seuraavalla mekanismilla: oletetaan, että kaikki proteiinit, lukuun ottamatta niitä, jotka on tarkoitettu ulkokalvolle, sisältyvät sisäkalvoon prosessin seurauksena joka vaatii energiaa ja esiintyy ulko- ja sisäkalvon kosketuspisteissä. Ilmeisesti tämän proteiinin ensimmäisen liittämisen jälkeen kalvoon se hajoaa proteolyyttisesti, mikä muuttaa sen konformaatiota; riippuen siitä, miten konformaatio muuttuu, proteiini joko kiinnittyy kalvoon tai "työnnetään" matriisiin tai kalvojen väliseen tilaan.

Proteiinien siirto mitokondrioiden ja kloroplastien kalvojen kautta on periaatteessa analogista niiden siirtoon endoplasmisen retikulumin kalvojen läpi. Tässä on kuitenkin useita tärkeitä eroja. Ensinnäkin, kun proteiini kuljetetaan matriisiin tai stromaaniin, se kulkee sekä organellin ulko- että sisäkalvon läpi, kun taas kun se kuljetetaan endoplasmisen retikulumin luumeniin, molekyylit kulkevat vain yhden kalvon läpi. Lisäksi proteiinien siirto verkkokalvoon suoritetaan mekanismia käyttäen suuntainen poisto(vektoripurkaus) - se alkaa, kun proteiini ei ole vielä poistunut kokonaan ribosomista (käännöstuonti), ja siirtyminen mitokondrioihin ja kloroplasteihin tapahtuu proteiinimolekyylin synteesin jälkeen (käännöksen jälkeinen tuonti).

Näistä eroista huolimatta solu syntetisoi molemmissa tapauksissa prekursoriproteiineja, jotka sisältävät signaalisekvenssin, joka määrittää, mihin kalvoon tietty proteiini on suunnattu. Ilmeisesti monissa tapauksissa tämä sekvenssi katkaistaan ​​edeltäjämolekyylistä kuljetusprosessin päätyttyä. Jotkut proteiinit syntetisoidaan kuitenkin välittömästi lopullisessa muodossaan. Uskotaan, että tällaisissa tapauksissa signaalisekvenssi sisältyy lopullisen proteiinin polypeptidiketjuun. Signaalisekvenssejä ymmärretään edelleen huonosti, mutta tällaisia ​​sekvenssejä on luultavasti oltava useita tyyppejä, joista jokainen määrittää proteiinimolekyylin siirron solun tietylle alueelle. Esimerkiksi kasvisolussa osa proteiineista, joiden synteesi alkaa sytosolissa, kuljetetaan sitten mitokondrioihin, toiset kloroplasteihin, toiset peroksisomeihin ja toiset endoplasmisen retikulumiin. Monimutkaiset prosessit, jotka johtavat proteiinien oikeaan solunsisäiseen jakautumiseen, ovat vasta tulossa ymmärrettäviksi.

Nukleiinihappojen ja proteiinien lisäksi lipidejä tarvitaan uusien mitokondrioiden rakentamiseen. Toisin kuin kloroplastit, mitokondriot saavat suurimman osan lipideistään ulkopuolelta. Eläinsoluissa endoplasmisessa retikulumissa syntetisoidut fosfolipidit kuljetetaan mitokondrioiden ulkokalvoon erityisten proteiinien avulla ja liitetään sitten sisäkalvoon; tämän uskotaan tapahtuvan kahden kalvon välisessä kosketuskohdassa. Lipidien biosynteesin tärkein reaktio, jota mitokondriot katalysoivat, on fosfatidihapon muuttaminen fosfolipidikardiolipiiniksi, jota esiintyy pääasiassa mitokondrioiden sisäkalvossa ja joka muodostaa noin 20% kaikista sen lipideistä.

Mitokondrioiden genomien koko ja muoto

Tähän mennessä on luettu yli 100 erilaista mitokondrioiden genomia. Niiden geenien joukko ja lukumäärä mitokondrioiden DNA: ssa, jonka nukleotidisekvenssi on täysin määritetty, eroavat suuresti eri eläin-, kasvi-, sieni- ja alkueläinlajeissa. Suurin määrä geenejä löytyy flagellate -alkueläimen mitokondrioiden genomista Rectinomo-nas americana- 97 geeniä, mukaan lukien kaikki proteiinit koodaavat geenit, jotka löytyvät muiden organismien mtDNA: sta. Useimmissa korkeammissa eläimissä mitokondrioiden genomi sisältää 37 geeniä: 13 hengitysketjun proteiineille, 22 tRNA: lle ja kaksi rRNA: lle (suurelle ribosomialayksikölle 16S rRNA ja pienelle 12S rRNA: lle). Kasveissa ja alkueläimissä, toisin kuin eläimet ja useimmat sienet, jotkut proteiinit, jotka muodostavat näiden organellien ribosomit, koodataan mitokondrioiden genomiin. Templaatin polynukleotidisynteesin keskeiset entsyymit, kuten DNA -polymeraasi (replikoiva mitokondrio -DNA) ja RNA -polymeraasi (mitokondrioiden genomin transkriptio), koodataan ytimessä ja syntetisoidaan sytoplasmisissa ribosomeissa. Tämä tosiasia osoittaa mitokondrioiden autonomian suhteellisuuden eukaryoottisolun monimutkaisessa hierarkiassa.

Eri lajien mitokondrioiden genomit eroavat paitsi geenijoukosta, niiden sijainnin ja ilmentymisen järjestyksestä, myös DNA: n koosta ja muodosta. Valtaosa tänään kuvatuista mitokondrioiden genomeista on pyöreitä superkelattuja kaksijuosteisia DNA-molekyylejä. Joissakin kasveissa on pyöreiden muotojen ohella lineaarisia, ja joissakin alkueläimissä, esimerkiksi siliaateissa, mitokondrioissa on vain lineaarista DNA: ta.

Yleensä jokainen mitokondrio sisältää useita kopioita sen genomista. Joten ihmisen maksan soluissa on noin 2 000 mitokondriaa, ja kussakin niistä on 10 identtistä genomia. Hiiren fibroblasteissa on 500 mitokondriaa, jotka sisältävät kaksi genomia, ja hiivasoluissa S. cerevisiae- jopa 22 mitokondriaa, joissa on neljä genomia.

DIV_ADBLOCK1003 ">

Kuva 2. Kaavio lineaaristen (A), pyöreiden (B), ketjujen (C) mtDNA -oligomeerien muodostamisesta. ori - DNA: n replikaation alkamisen alue.

Eri organismien mitokondrioiden genomikoko vaihtelee alle 6 tuhannesta malariaplasmodiumin emäsparista (kahden rRNA -geenin lisäksi se sisältää vain kolme proteiineja koodaavaa geeniä) satojen tuhansien nukleotidiparien kanssa maanpäällisissä kasveissa (esim. sisään Arabidopsis thaliana ristikukkaisten perheestä 366924 emäsparia). Samanaikaisesti 7-8-kertaisia ​​eroja korkeampien kasvien mtDNA: n koossa havaitaan jopa saman perheen sisällä. Selkärankaisten mtDNA: n pituus vaihtelee hieman: ihmisillä - 16569 emäsparia, sioilla - 16350, delfiineillä - 16330, kynnetyssä sammakossa Xenopus laevis- 17533, karppi- 16400. Nämä genomit ovat myös samankaltaisia ​​geenien lokalisoinnissa, joista suurin osa sijaitsee päästä päähän; joissakin tapauksissa ne jopa menevät päällekkäin, yleensä yhdellä nukleotidilla, niin että yhden geenin viimeinen nukleotidi on ensimmäinen seuraavassa. Toisin kuin selkärankaisilla, kasveissa, sienissä ja alkueläimissä mtDNA: t sisältävät jopa 80% ei-koodaavia sekvenssejä. Geenien järjestys mitokondrioiden genomeissa vaihtelee lajeittain.

Reaktiivisten happilajien suuri pitoisuus mitokondrioissa ja heikko korjausjärjestelmä lisää mtDNA -mutaatioiden esiintymistiheyttä ydinvoimaan verrattuna suuruusluokkaa. Happiradikaalit aiheuttavat C®T: n (sytosiinin deaminointi) ja GT®T: n (guaniinin oksidatiivinen vaurio) spesifisiä substituutioita, minkä seurauksena mahdollisesti mtDNA sisältää runsaasti AT-pareja. Lisäksi kaikilla mtDNA: lla on mielenkiintoinen ominaisuus - ne eivät ole metyloituja, toisin kuin ydin- ja prokaryoottinen DNA. Tiedetään, että metylointi (nukleotidisekvenssin väliaikainen kemiallinen muuntaminen häiritsemättä DNA: n koodaustoimintoa) on yksi ohjelmoidun geenin inaktivoinnin mekanismeista.

Organellien DNA -molekyylien koko ja rakenne

DNA -organellien suhteellinen määrä joissakin soluissa ja kudoksissa

Mitokondrioiden genomin toiminta

Mikä on erityistä nisäkkään mitokondrio -DNA: n replikaation ja transkription mekanismeissa?

Täydentävät "href =" / text / category / komplementarij / "rel =" bookmark "> komplementaariset juosteet mtDNA: ssa eroavat toisistaan ​​merkittävästi ominaispainossaan, koska ne sisältävät eri määriä" raskasta "puriinia ja" kevyttä "pyrimidiininukleotidia. - H (raskas -raskas) ja L (kevyt-kevyt) -ketju. mtDNA-molekyylin replikaation alussa muodostuu ns. D-silmukka (englanninkielisestä silmukkasilmukasta). Tämä rakenne, joka näkyy elektronisessa -osp, koostuu kaksijuosteisista ja yksijuosteisista (sisäänvedetty osa H-ketjun osista) ribonukleotidisiemenen pää, joka vastaa H-ketjun (oriH) synteesin aloituspistettä. L-ketjun synteesi alkaa vasta kun tytär-H-ketju saavuttaa pisteen ori L. Tämä johtuu siitä, että L-ketjun replikaation aloitusalue on DNA-synteesientsyymien käytettävissä vain yksijuosteisessa ja siten vain kiertymättömässä kaksoiskierroksessa H-ketjun synteesissä. Siten mtDNA -tytärjuosteita syntetisoidaan jatkuvasti ja asynkronisesti (kuvio 3).

Kuva 3. Nisäkkäiden mtDNA -replikaatiomalli. Ensin muodostuu D-silmukka, sitten syntyy tytär H-ketju ja sitten tytär L-ketjun synteesi alkaa.

16S rRNA -geenin loppu (kuva 4). Tällaisia ​​lyhyitä transkriptioita on 10 kertaa enemmän kuin pitkiä. Kypsymisen (prosessoinnin) seurauksena niistä muodostuu 12S rRNA ja 16S rRNA, jotka osallistuvat mitokondrioiden ribosomien sekä fenyylialaniinin ja valiinin tRNA: n muodostumiseen. Loput tRNA: t leikataan pitkistä transkripteistä ja muodostetaan transloituja mRNA: ita, joiden 3 "päihin on kiinnitetty polyadenyylisekvenssejä. Näiden mRNA: iden 5" päitä ei ole suljettu, mikä on epätavallista eukaryooteille. Silmukointia (silmukointia) ei tapahdu, koska mikään nisäkkäiden mitokondriogeeneistä ei sisällä introneja.

Kuva 4. Ihmisen mtDNA: n transkriptio, joka sisältää 37 geeniä. Kaikki transkriptit alkavat syntetisoida ori H. tRNA ja mRNA muodostuvat käsittelyn tuloksena molempien DNA -juosteiden transkripteistä. TRNA -geenit näkyvät vaaleanvihreinä.

Haluatko tietää, mitä muita yllätyksiä mitokondrioiden genomi voi tarjota? Hieno! Jatka lukemista! ..

Johtaja ja 3'-koodaamattomat alueet, kuten useimmat ydin-mRNA: t. Useat geenit sisältävät myös introneja. Näin ollen sytokromioksidaasi b: tä koodaavassa laatikkogeenissä on kaksi intronia. tai proteiinit) kopio suurimmasta osasta ensimmäistä intronia leikataan pois. Maturaasi katkaisee ne, tuhoaa oman mRNA: nsa, eksonien kopiot ommellaan yhteen ja muodostuu sytokromioksidaasi b: n mRNA (kuva 5.) Tämän ilmiön löytäminen sai meidät harkitsemaan uudelleen intronien käsitettä "ei mitään koodaavaa" sekvenssit ”.

Kuva 5. Sytokromioksidaasi b mRNA: n käsittely (kypsyminen) hiivan mitokondrioissa. Jatkamisen ensimmäisessä vaiheessa muodostuu mRNA, jonka avulla syntetisoidaan kypsytys, joka on tarpeen silmukoinnin toisessa vaiheessa.

Kun tutkitaan mitokondriogeenien ilmentymistä Trypanosoma brucei havaittiin yllättävä poikkeama yhdestä molekyylibiologian perusaksioomista, jonka mukaan mRNA: n nukleotidisekvenssi vastaa tarkasti DNA: n koodaavien alueiden sekvenssiä. Kävi ilmi, että sytokromi c -oksidaasin yhden alayksikön mRNA: ta muokataan, eli transkription jälkeen sen ensisijainen rakenne muuttuu - neljä urasilia lisätään. Tämän seurauksena muodostuu uusi mRNA, joka toimii matriisina entsyymin lisäyksikön synteesille, jonka aminohapposekvenssillä ei ole mitään tekemistä sekvenssin kanssa. Virus "href =" / text / category / virus / "rel =" kirjanmerkki "> virukset, sienet toisin sanoen se noudattaa seuraavaa sääntöä: "jos kahdella kodonilla on kaksi identtistä nukleotidia ja kolmannet nukleotidit kuuluvat samaan luokkaan (puriini - A, G tai pyrimidiini - Y, C), ne koodaavat samaa aminohappoa. ”Tästä yleisestä koodista on kaksi poikkeusta: AUA -tripletti koodaa isoleusiinia ja AUG -kodoni metioniinia, kun taas ihanteellisessa mitokondriokoodissa molemmat kolmoset tai metioniini; UGG -tripletti koodaa vain tryptofaania ja UGA -tripletti koodaa stop -kodonin. Universaalikoodissa molemmat poikkeamat liittyvät proteiinisynteesin perushetkiin: AUG -kodoni on initiaattori ja UGA -lopetuskodoni pysäyttää polypeptidisynteesin. Ihanteellinen koodi ei ole luontainen kaikille kuvatuille mitokondrioille, mutta millään niistä ei ole universaalia koodia. Voidaan sanoa, että mitokondriot puhuvat eri kieliä, mutta eivät koskaan puhu ytimen kieltä.

"Yleisen" geneettisen koodin ja kahden mitokondriokoodin väliset erot

Kuten jo mainittiin, selkärankaisten mitokondrioiden genomissa on 22 tRNA -geeniä. Kuinka tällainen epätäydellinen sarja palvelee sitten kaikkia 60 aminohappokodonia (ihanteellisessa 64 tripletin koodissa on neljä pysäytyskodonia, yleisessä - kolme)? Tosiasia on, että proteiinisynteesin aikana mitokondrioissa kodoni -antikodon -vuorovaikutus yksinkertaistuu - kahta kolmesta antikodon -nukleotidista käytetään tunnistamiseen. Siten yksi tRNA tunnistaa kaikki neljä kodoniperheen jäsentä, jotka eroavat vain kolmannesta nukleotidista. Esimerkiksi leusiinin tRNA, jossa on GAU-antikodoni, seisoo ribosomilla kodoneja CUU, CUC, CUA ja CUG vastaan, mikä varmistaa leusiinin virheettömän sisällyttämisen polypeptidiketjuun. TRNA tunnistaa kaksi muuta leusiinikodonia, UUA ja UUG, antikodoni AAU: n kanssa. Yhteensä kahdeksan erilaista tRNA -molekyyliä tunnistaa kahdeksan neljän kodonin perhettä ja 14 tRNA: ta tunnistaa eri kodoniparit, joista jokainen koodaa yhtä aminohappoa.

On tärkeää, että aminoasyyli -tRNA -syntetaasientsyymit, jotka vastaavat aminohappojen kiinnittymisestä mitokondrioiden vastaavaan tRNA: han, koodataan solun ytimessä ja syntetisoidaan endoplasmisen retikulumin ribosomeille. Siten selkärankaisilla kaikki mitokondrioiden polypeptidisynteesin proteiinikomponentit on koodattu ytimessä. Samaan aikaan sykloheksimidi ei tukahduta proteiinisynteesiä mitokondrioissa, joka estää eukaryoottisten ribosomien toiminnan, mutta on herkkä antibiooteille, erytromysiinille ja kloramfenikolille, jotka estävät proteiinisynteesiä bakteereissa. Tämä tosiasia toimii yhtenä argumentteina, jotka tukevat mitokondrioiden alkuperää aerobisista bakteereista eukaryoottisolujen symbioottisen muodostumisen aikana.

On tärkeää, että sinulla on oma geneettinen järjestelmä mitokondrioille

Miksi mitokondriot tarvitsevat oman geneettisen järjestelmän, kun taas muilla organelleilla, kuten peroksisomeilla ja lysosomeilla, ei ole sitä? Tämä kysymys ei ole lainkaan triviaali, koska erillisen geneettisen järjestelmän ylläpito on solulle kallista, kun otetaan huomioon tarvittava määrä lisägeenejä ydingenomissa. Tässä tulisi koodata ribosomaaliset proteiinit, aminoasyyli -tRNA -syntetaasit, DNA- ja RNA -polymeraasit, RNA: n prosessointi- ja modifikaatioentsyymit jne. syytä uskoa, että näissä elimissä on hyvin vähän proteiineja, joita voisi löytää muualta. Tämä tarkoittaa, että vain mitokondrioiden geneettisen järjestelmän ylläpitämiseksi ydingenomissa on oltava useita kymmeniä lisägeenejä. Syyt tähän ”hukkaan” ovat epäselviä, eikä toivo, että vihje löydetään mitokondrioiden DNA: n nukleotidisekvenssistä, ei ollut perusteltua. On vaikea kuvitella, miksi mitokondrioissa muodostuneet proteiinit täytyy syntetisoida siellä eikä sytosolissa.

Yleensä geneettisen järjestelmän olemassaolo energiaorganelleissa selittyy sillä, että jotkut organellien sisällä syntetisoiduista proteiineista ovat liian hydrofobisia kulkemaan mitokondrioiden kalvon ulkopuolelta. Kuitenkin ATP-syntetaasikompleksin tutkimus osoitti, että tällainen selitys on epätodennäköinen. Vaikka ATP -syntetaasin yksittäiset proteiini -alayksiköt ovat hyvin säilyneitä evoluution aikana, niiden synteesikohdat muuttuvat. Kloroplasteissa useita melko hydrofiilisiä proteiineja, mukaan lukien neljä kompleksin F1-ATPaasi-osan viidestä alayksiköstä, muodostuu organellin ribosomeihin. Päinvastoin, sienellä Neurospora ja eläinsoluissa ATPaasin kalvo -osan hyvin hydrofobinen komponentti (alayksikkö 9) syntetisoidaan sytoplasmisissa ribosomeissa ja vasta sen jälkeen kulkee organelliin. Funktionaalisesti vastaavien proteiinien alayksiköitä koodaavien geenien eri paikkoja eri organismeissa on vaikea selittää käyttämällä mitään hypoteesia, joka olettaa mitokondrioiden ja kloroplastien nykyaikaisten geneettisten järjestelmien tiettyjä evoluutioetuja.

Kaiken edellä mainitun perusteella on vain oletettava, että mitokondrioiden geneettinen järjestelmä edustaa evoluution umpikujaa. Tämä tarkoittaa endosymbioottisen hypoteesin puitteissa, että endosymbiontigeenien siirtoprosessi isännän ydingenomiin pysähtyi ennen kuin se oli täysin valmis.

Sytoplasminen perintö

Sytoplasmisen geeninsiirron seuraukset joillekin eläimille, mukaan lukien ihmiset, ovat vakavampia kuin hiivalle. Kahdella sulautuvalla haploidisella hiivasolulla on sama koko ja ne antavat saman määrän mitokondrio -DNA: ta tuloksena olevaan tsygoottiin. Siten hiivassa mitokondrioiden genomi periytyy molemmilta vanhemmilta, jotka osallistuvat yhtä paljon jälkeläisten geenipooliin (vaikka useiden sukupolvien jälkeen erillinen jälkeläiset sisältävät usein vain yhden vanhemmatyypin mitokondrioita). Toisin kuin tämä, korkeammilla eläimillä munasolu tuo enemmän sytoplasmaa tsygoottiin kuin siittiöitä, ja joissakin eläimissä siittiöt eivät välttämättä lisää sytoplasmaa ollenkaan. Siksi voidaan ajatella, että korkeammilla eläimillä mitokondrioiden genomi siirtyy vain yhdeltä vanhemmalta (nimittäin äidin linjat); tämä on todellakin vahvistettu kokeilla. Osoittautui esimerkiksi, että kun kahden laboratoriolinjan rotat risteytetään mitokondrioiden DNA: n kanssa, joka on hiukan erilainen nukleotidisekvenssissä (tyypit A ja B), saadaan jälkeläisiä, jotka sisältävät

joka sisältää vain äidin tyyppistä mitokondrio -DNA: ta.

Sytoplasminen perinnöllisyys, toisin kuin ydinperinnöllisyys, ei noudata Mendelin lakeja. Tämä johtuu siitä, että korkeammissa eläimissä ja kasveissa eri sukupuolta olevat sukusolut sisältävät vertaansa vailla olevia määriä mitokondrioita. Joten hiiren munasolussa on 90 tuhatta mitokondriota ja siittiöissä - vain neljä. On selvää, että hedelmöitetyssä munassa mitokondriot ovat pääasiassa tai vain naaraalta, eli kaikkien mitokondriogeenien perintö on äiti. Sytoplasmisen perinnöllisyyden geneettinen analyysi on vaikeaa ydin-sytoplasmisen vuorovaikutusten vuoksi. Sytoplasmisen miehen steriiliyden tapauksessa mutantti mitokondrioiden genomi on vuorovaikutuksessa tiettyjen ydingeenien kanssa, joiden resessiiviset alleelit ovat välttämättömiä ominaisuuden kehittymiselle. Näiden geenien hallitsevat alleelit sekä homo- että heterotsygoottisissa tiloissa palauttavat kasvien hedelmällisyyden mitokondriogenomin tilasta riippumatta.

Haluaisin käsitellä äidin geeniperimän mekanismia antamalla erityisen esimerkin. Ymmärtääksemme lopullisesti ja peruuttamattomasti mitokondriogeenien ei-mendelilaisen (sytoplasmisen) perimisen mekanismin, harkitsemme, mitä tapahtuu tällaisille geeneille, kun kaksi haploidisolua fuusioituu muodostaen diploidisen tsygootin. Siinä tapauksessa, että yhdessä hiivasolussa on mutaatio, joka määrittää mitokondrioiden proteiinisynteesin resistenssin kloramfenikolille, ja toinen, villityyppinen solu, on herkkä tälle antibiootille: mutanttigeenit voidaan helposti tunnistaa kasvattamalla hiiva kasvualustassa, jossa on glyserolia, jota voivat käyttää vain solut, joilla on ehjät mitokondriot; siksi kloramfenikolin läsnä ollessa vain solut, jotka kantavat mutanttigeeniä, voivat kasvaa tällaisella alustalla. Diploidisessa tsygootissamme on aluksi sekä mutantteja että villityyppisiä mitokondrioita. Mitoosin seurauksena tsipoteista kasvaa diploidinen tytärsolu, joka sisältää vain pienen määrän mitokondrioita. Useiden mitoottisten syklien jälkeen yksi uusista soluista saa lopulta kaikki mitokondriot, joko mutantit tai villit. Siksi kaikilla tällaisen solun jälkeläisillä on geneettisesti identtiset mitokondriot. Tällaista satunnaista prosessia, jonka seurauksena muodostuu diploidinen jälkeläinen, joka sisältää vain yhden tyyppisiä mitokondrioita, kutsutaan mitoottinenth KatsoKreikkath. Kun diploidisolu, jossa on vain yksi mitokondrio, kokee meioosin, kaikki neljä tytär -haploidisolua saavat samat mitokondriogeenit. Tämän tyyppistä perintöä kutsutaan nemendeLeijona kuorita tai sytoplasminen toisin kuin ydingeenien Mendelin perintö. Geenien siirtyminen sytoplasmista tyypistä tarkoittaa, että tutkittavat geenit sijaitsevat mitokondrioissa.

Mitokondrioiden genomien, niiden evoluution tutkiminen populaation geneettisten lakien, ydin- ja mitokondrioiden geneettisten järjestelmien välisen suhteen mukaisesti on välttämätöntä eukaryoottisolun ja koko organismin monimutkaisen hierarkkisen organisaation ymmärtämiseksi.

Tietyt perinnölliset sairaudet ja ihmisen ikääntyminen liittyvät tiettyihin mutaatioihin mitokondrioiden DNA: ssa tai ydingeeneissä, jotka säätelevät mitokondrioiden toimintaa. Tietoja kertyy mtDNA -vikojen osallistumisesta karsinogeneesiin. Siksi mitokondriot voivat olla syövän kemoterapian kohde. On olemassa tosiasioita ydin- ja mitokondriogenomien läheisestä vuorovaikutuksesta useiden ihmisen patologioiden kehityksessä. Useita mtDNA -deleetioita havaittiin potilailla, joilla oli vaikea lihasheikkous, ataksia, kuurous, henkinen kehitysvamma ja jotka periytyivät autosomaalisesti hallitsevalla tavalla. Vakiintunut seksuaalinen dimorfismi sepelvaltimotaudin kliinisissä ilmenemismuodoissa, mikä johtuu todennäköisesti äidin vaikutuksesta - sytoplasmisen perinnöllisyydestä. Geeniterapian kehittäminen antaa toivoa mitokondrioiden genomien vikojen korjaamisesta lähitulevaisuudessa.

Kuten tiedätte, monikomponenttisen järjestelmän yhden komponentin toiminnan tarkistamiseksi on välttämätöntä poistaa tämä komponentti ja sen jälkeen analysoida tapahtuneet muutokset. Koska tämän esseen aihe on osoitus äidin genomin roolista jälkeläisten kehityksessä, olisi loogista oppia eri tekijöiden aiheuttamien rikkomusten seurauksista mitokondrioiden genomin koostumuksessa. Mutaatioprosessi osoittautui työkaluksi edellä mainitun roolin tutkimiseen, ja sen meitä kiinnostavan toiminnan seuraukset olivat ns. mitokondrioiden sairaudet.

Mitokondrioiden sairaudet ovat esimerkki ihmisen sytoplasmisesta perinnöllisyydestä tai pikemminkin "organelliperinnöstä". Tämä selvennys olisi tehtävä, koska nyt on osoitettu, että ainakin joissakin organismeissa on olemassa sytoplasmista perinnöllisiä determinantteja, jotka eivät liity soluorganelleihin - sytogeeneihin (Vechtomov, 1996).

Mitokondriosairaudet ovat heterogeeninen sairauksien ryhmä, joka johtuu mitokondrioiden geneettisistä, rakenteellisista, biokemiallisista vikoista ja heikentyneestä kudoksen hengityksestä. Mitokondriotaudin diagnosoinnissa on tärkeää tehdä kattava sukututkimus, kliininen, biokemiallinen, morfologinen ja geneettinen analyysi. Tärkein biokemiallinen merkki mitokondrioiden patologiasta on maitohappoasidoosin kehittyminen; hyperlaktaattidemia havaitaan yleensä yhdessä hyperpyruvatsidemian kanssa. Eri varianttien määrä on saavuttanut 120 lomaketta. Maito- ja pyruviinihappojen pitoisuus aivo -selkäydinnesteessä kasvaa tasaisesti.

Mitokondrioiden sairaudet (MB) ovat merkittävä ongelma nykyaikaiselle lääketieteelle. Perinnöllisten tartuntamenetelmien mukaan MB: t erottavat sairauksia, jotka periytyvät monogeenisesti Mendelin tyypin mukaan ja joissa ydingeenien mutaation vuoksi joko mitokondrioproteiinien rakenne ja toiminta häiriintyvät tai mitokondrioiden DNA -muutokset sekä mitokondriogeenien mutaatioiden aiheuttamat sairaudet, jotka siirtyvät pääasiassa jälkeläisille äidin linjan kautta.

Tiedot morfologisista tutkimuksista, jotka osoittavat mitokondrioiden vakavan patologian: mitokondrioiden epänormaali lisääntyminen, mitokondrioiden polymorfismi, jossa on muodon ja koon rikkominen, cristaen epäjärjestys, epänormaalien mitokondrioiden kertyminen sarkolemman alle, parakiteiset sulkeumat mitokondrioissa, interfibrillaaristen tyhjiöiden esiintyminen

Mitokondrioiden sairauksien muodot

1 ... Mitokondrioiden DNA -mutaatioiden aiheuttamat mitokondriotaudit

1.1 Mitokondrioiden DNA: n deleetioiden aiheuttamat sairaudet

1.1.1 Kearns-Sayren oireyhtymä

Sairaus ilmenee 4–18-vuotiaana, etenevä ulkoinen oftalmoplegia, retinitis pigmentosa, ataksia, tahallinen vapina, eteis-kammion sydämen lohko, lisääntynyt proteiinipitoisuus aivo-selkäydinnesteessä yli 1 g / l, ”repeytyneet” punaiset kuidut biopsioissa luustolihaksista

1.1.2 Pearsonin oireyhtymä

Taudin debyytti syntymästä tai elämän ensimmäisinä kuukausina, joskus on mahdollista kehittää enkefalomyopatioita, ataksia, dementia, etenevä ulkoinen oftalmoplegia, hypoplastinen anemia, heikentynyt eksokriininen haiman toiminta, etenevä kurssi

2 Mitokondrioiden DNA -pistemutaatioista johtuvat sairaudet

Äidin perintötyyppi, akuutti tai subakuutti näöntarkkuuden heikkeneminen yhdessä tai molemmissa silmissä, yhdistettynä neurologisiin ja nivelrikon häiriöihin, verkkokalvon mikroangiopatia, etenevä kurssi, jossa on mahdollisuus remissioon tai näöntarkkuuden palauttamiseen, taudin puhkeaminen 20 -vuotiaana -30 vuotta

2.2 NAPR -oireyhtymä (neuropatia, ataksia, retinitis pigmentosa)

Äidin perintötyyppi, yhdistelmä neuropatiaa, ataksiaa ja retinitis pigmentosaa, viivästynyt psykomotorinen kehitys, dementia, "repeytyneiden" punaisten kuitujen esiintyminen lihaskudosbiopsioissa

2.3 MERRF-oireyhtymä (myoklonus-epilepsia, "repeytyneet" punaiset kuidut)

Äidin perintötyyppi, taudin puhkeaminen 3-65-vuotiaana, myokloninen epilepsia, ataksia, dementia yhdistettynä neurosensoriseen kuurouteen, näköhermon surkastuminen ja heikentynyt syväherkkyys, maitohappoasidoosi, EEG-tutkimuksen aikana, yleistävä kylpyhuone-epileptiset kompleksit , "repeytyneet" punaiset kuidut luustolihasten biopsioissa, etenevä kurssi

2.4 MELAS-oireyhtymä (mitokondrioiden enkefalomyopatia, maitohappoasidoosi, aivohalvauksen kaltaiset jaksot)

Äidin perintötyyppi, taudin puhkeaminen ennen 40-vuotiaita, liikunta-intoleranssi, migreenin kaltaiset päänsäryt, joihin liittyy pahoinvointia ja oksentelua, aivohalvauskohtauksia, kouristuksia, maitohappoasidoosi, "repeytyneitä" punaisia ​​kuituja lihasbiopsioissa, etenevä kulku.

3 Patologia, joka liittyy intergenomisen viestinnän puutteisiin

3.1 Mitokondrioiden moninkertaisen deleetion oireyhtymät

Blefaroptoosi, ulkoinen oftalmoplegia, lihasheikkous, sensorineuraalinen kuurous, optinen atrofia, etenevä kulku, "repeytyneet" punaiset kuidut luustolihasten biopsioissa, hengitysketjuentsyymien aktiivisuuden heikkeneminen.

3.2 Mitokondrioiden DNA -deleetio -oireyhtymä

Autosomaalinen resessiivinen perintö

Kliiniset muodot:

3.2.1.Tappava infantiili

a) vaikea maksan vajaatoiminta b) hepatopatia c) lihasten hypotensio

Debyytti vastasyntyneen aikana

3.2.2.Synnynnäinen myopatia

Vaikea lihasheikkous, yleistynyt hypotensio, kardiomyopatia ja kouristukset, munuaisvaurio, glukosuria, aminohappopatia, fosfaturia

3.2.3.Infantiili myopatia

esiintyy kahden ensimmäisen elinvuoden aikana, progressiivinen lihasheikkous, proksimaalisten lihasryhmien surkastuminen ja jännerefleksien menetys, kurssi on nopeasti etenevä, kuolema kolmen ensimmäisen elinvuoden aikana.

4 .Mitokondrioiden sairaudet, jotka johtuvat ydin -DNA -mutaatioista

4.1 Hengitysketjun vikoihin liittyvät sairaudet

4.1.1 Kompleksin 1 (NADH: CoQ -reduktaasi) puute

Taudin alkaminen ennen 15 vuoden ikää, myopatiaoireyhtymä, viivästynyt psykomotorinen kehitys, heikentynyt sydän- ja verisuonijärjestelmä, hoitoon vastustuskykyiset kohtaukset, useat neurologiset häiriöt, etenevä kulku

4.1.2 Kompleksin 2 (sukkinaatti-CoQ-reduktaasi) puute

Sille on ominaista enkefalomyopatian oireyhtymä, etenevä kulku, alitiet, ptoosin kehittyminen on mahdollista

4.1.3 Kompleksin 3 (CoQ-sytokromi C-oksidoreduktaasi) puutos

Monijärjestelmän häiriöt, eri elinten ja järjestelmien vauriot, joihin liittyy keskus- ja perifeerinen hermosto, endokriininen järjestelmä, munuaiset, etenevä kulku

4.1.4 Kompleksin (sytokromi C-oksidaasi) puute

4.1.4.1 Kuolemaan johtava lapsen synnynnäinen maitohappoasidoosi

Mitokondrioiden myopatia, johon liittyy munuaisten vajaatoiminta tai kardiomyopatia, debyytti vastasyntyneen iässä, vakavat hengityshäiriöt, diffuusi lihaksen hypotensio, etenevä kulku, kuolema ensimmäisenä elinvuotena.

4.1.4.2.Hyvänlaatuinen lapsen lihasten heikkous

Atrofia, asianmukainen ja oikea-aikainen hoito, prosessin nopea stabilointi ja toipuminen 1-3 vuoden iässä ovat mahdollisia

5 Menkesin oireyhtymä (trichopolyodystrophy)

Psykomotorisen kehityksen jyrkkä viivästyminen, kasvun hidastuminen, heikentynyt kasvu ja hiusten dystrofiset muutokset,

6 ... Mitokondrioiden enkefalomyopatiat

6.1.Leighin oireyhtymä(subakuutti neuroottinen enkefalomyelopatia)

Se ilmenee 6 kuukauden iän jälkeen, lihasten hypotonia, ataksia, nystagmus, pyramidaaliset oireet, oftalmoplegia, näköhermon atrofia, johon liittyy usein kardiomyopatiaa ja lievää metabolista asidoosia

6.2.Alpersin oireyhtymä(progressiivinen sklerosoiva polydystrofia)

Aivojen harmaan aineen rappeutuminen yhdistettynä maksakirroosiin, kompleksin 5 puutos (ATP -syntetaasi), viivästynyt psykomotorinen kehitys, ataksia, dementia, lihasheikkous, taudin eteneminen, epäsuotuisa ennuste

6.3 Koentsyymi-Q: n puutos

Metaboliset kriisit, lihasheikkous ja -väsymys, oftalmoplegia, kuurous, heikentynyt näkö, aivohalvauksen kaltaiset jaksot, ataksia, myoklonus epilepsia, munuaisvaurio: glukosuria, aminohappopatia, fosfaturia, endokriiniset häiriöt, etenevä kulku, hengitysentsyymien aktiivisuuden heikkeneminen

7 Sairaudet, jotka liittyvät maito- ja pyruviinihappojen aineenvaihdunnan heikentymiseen

7.1 Pyruvaattikarboksylaasin puute Autosomaalinen resessiivinen perintömuoto, taudin puhkeaminen vastasyntyneellä, "heikon lapsen" oireyhtymä, hoitoon vastustuskykyiset kohtaukset, suuret ketonikappaleet veressä, hyperammonemia, hyperlysinemia, pyruvaatikarboksylaasin aktiivisuuden väheneminen luustolihaksissa

7.2 Pyruvaattidehydrogenaasin puute

Ilmeneminen vastasyntyneiden aikana, kallon ja kasvojen dysmorfia, hoitoon vastustuskykyiset kohtaukset, heikentynyt hengitys ja imeytyminen, oirekompleksi "veltto lapsi", aivojen dysginesia, vaikea asidoosi, jossa on paljon laktaatti- ja pyruvaattipitoisuutta

7.3 Pyruvaattidehydrogenaasin aktiivisuuden heikkeneminen

Ilmeneminen ensimmäisenä elinvuotena, mikrokefalia, viivästynyt psykomotorinen kehitys, ataksia, lihasdystonia, koreoatetoosi, maitohappoasidoosi, jolla on korkea pyruvaattisisältö

7.4 Dihydrolipoyylitransa -asetylaasin puute

Autosomaalinen resessiivinen perintötyyppi, taudin puhkeaminen vastasyntyneellä, mikrokefalia, viivästynyt psykomotorinen kehitys, lihasten hypotensio, jota seuraa lihasten sävyn lisääntyminen, optisen levyn atrofia, maitohappoasidoosi, dihydrolipoyylitrans-asetylaasin aktiivisuuden väheneminen

7.5 Dihydrolipoyylidehydrogenaasin puute

Autosomaalinen resessiivinen perintötyyppi, taudin puhkeaminen ensimmäisenä elinvuotena, "heikon lapsen" oirekompleksi, dysmetaboliset kriisit, joihin liittyy oksentelua ja ripulia, viivästynyt psykomotorinen kehitys, optisen levyn atrofia, maitohappoasidoosi, kohonnut seerumin alaniini, α- ketoglutaraatti, haarautuneet ketjut a-ketohapot, vähentynytiivisuus

8 Rasvahappojen beeta-hapetusvirheistä johtuvat sairaudet

8.1 Pitkäketjuisen asetyyli-CoA-dehydrogenaasin puute

Autosomaalinen resessiivinen perintömuoto, taudin puhkeaminen ensimmäisinä elinkuukausina, metaboliset kriisit, joihin liittyy oksentelua ja ripulia, "veltto lapsi" -yhdistelmäkompleksi, hypoglykemia, dikarboksyylihappouria, rasvahappojen asetyyli-CoA-dehydrogenaasin aktiivisuuden väheneminen happoja, joilla on pitkä hiiliketju

8.2 Keskimmäisen hiiliasetyyli -CoA -dehydrogenaasin puute

Autosomaalinen resessiivinen perintö, taudin puhkeaminen vastasyntyneellä tai ensimmäisten elinkuukausien aikana, metaboliset kriisit, joihin liittyy oksentelua ja ripulia

lihasheikkous ja hypotensio, usein äkillinen kuoleman oireyhtymä, hypoglykemia, dikarboksyylihappouria, keskipitkän hiiliketjun rasvahappojen asetyyli-CoA-dehydrogenaasin väheneminen

8.3. Lyhyen hiiliketjun rasvahappojen asetyyli-CoA-dehydrogenaasin puute

Autosomaalinen resessiivinen perintö, sairauden alkamisen eri ikä, heikentynyt liikuntasieto, metaboliset kriisit, joihin liittyy oksentelua ja ripulia, lihasheikkous ja hypotensio, metyylimeripihkahapon erityksen lisääntyminen virtsaan, lyhythiiliketjuisten rasvahappojen asetyyli-CoA-dehydrogenaasi

8.4 Rasvahappojen asetyyli-CoA-dehydrogenaasien moninkertainen puute

Vastasyntynyt muoto: kallon ja kasvojen dysmorfia, aivojen dysginesia, vaikea hypoglykemia ja asidoosi, pahanlaatuinen kulku, kaikkien rasvahappojen asetyyli-CoA-dehydrogenaasien aktiivisuuden heikkeneminen,

Infantiilinen muoto: hidas lasten oireyhtymä, kardiomyopatia, metaboliset kriisit, hypoglykemia ja asidoosi

8.5 Kaikkien rasvahappojen asetyyli-CoA-dehydrogenaasien aktiivisuuden heikkeneminen

Myöhäinen debyyttilomake: jaksottaiset lihasheikkouden jaksot, metaboliset kriisit, hypoglykemia ja asidoosi ovat vähemmän selkeitä, älykkyys säilyy,

9 .Krebs -kierron fermentopatia

9.1 Fumaraasin puute

Autosomaalinen resessiivinen perintömuoto, taudin puhkeaminen vastasyntyneellä tai vastasyntyneellä, mikrokefalia, yleistynyt lihasheikkous ja hypotensio, uneliaisuus, nopeasti etenevä enkefalopatia, huono ennuste

9.2 Sukkinaattidehydrogenaasin puute

Harvinainen sairaus, jolle on tunnusomaista etenevä enkefalomyopatia

9.3 Alfa-ketoglutaraattidehydrogenaasin puute

Autosomaalinen resessiivinen perintötyyppi, taudin alkaminen vastasyntyneellä, mikrokefalia, "heikon lapsen" oireyhtymä, letargia, maitohappoasidoosi, nopeasti etenevä kulku, Krebs -syklin entsyymipitoisuuden lasku kudoksissa

9.4 Karnitiinin ja sen metabolian entsyymien puutteen oireyhtymät

Karnitiinipalmitoyylitransferraasi-1: n puutos, autosomaalinen resessiivinen perintömuoto, taudin alkaminen varhain, ei-ketonemisen hypoglykeemisen kooman jaksot, hepatomegalia, hypertriglyseridemia ja kohtalainen hyperammoniemia, karnitiini-palmitoyylitransferraasi-1: n aktiivisuuden heikkeneminen

9.5 Karnipuute

Taudin varhainen alkaminen, sydän- ja hengityselinsairaudet, "velton lapsen" oireet, uneliaisuus ja kooma, karnitiiniestereiden pitoisuuden nousu ja pitkä hiiliketju veren vapaan karnitiinin vähentyessä seerumi, karnitiini-asyylikarnitiini-translokaasin aktiivisuuden väheneminen

9.6 Karnitiinipalmitoyylitransferraasi-2: n puutos

Autosomaalinen resessiivinen perintö, lihasheikkous, myalgia, myoglobinuria,si-2: n aktiivisuuden väheneminen luustolihaksissa

Autosomaalinen resessiivinen perintötapa, myopaattinen oireyhtymä, letargia- ja letargiajaksot, kardiomyopatia, hypoglykemian jaksot, seerumin karnitiinipitoisuuden lasku ja karnitiinin erittyminen virtsaan.

Analysoituaan tällainen "kauhea" luettelo patologioista, jotka liittyvät tiettyihin muutoksiin mitokondrioiden (eikä vain) genomin toiminnassa, herää tiettyjä kysymyksiä. Mitkä ovat mitokondriogeenien tuotteet ja mihin super-mega-elintärkeisiin soluprosesseihin ne osallistuvat?

Kuten kävi ilmi, jotkut edellä mainituista patologioista voivat syntyä, kun syntetisoidaan 7 alayksikköä NADH -dehydrogenaasikompleksia, 2 alayksikköä ATP -syntetaasia, 3 alayksikköä sytokromi c -oksidaasia ja 1 alayksikkö ubikinolin sytokromi -reduktaasia (sytokromi b), joka ovat mitokondrioiden geenituotteita. Tämän perusteella voidaan päätellä, että näillä proteiineilla on avainrooli soluhengityksen, rasvahappojen hapettumisen ja ATP -synteesin prosesseissa, elektronien siirto sisäisen MT -kalvon elektroninsiirtojärjestelmässä, antioksidanttijärjestelmän toiminta , jne.

Viimeisimpien tietojen perusteella apoptoosin mekanismeista monet tutkijat ovat tulleet siihen johtopäätökseen, että apoptoosin hallintaan on olemassa keskus, nimittäin ...

Mitokondrioiden proteiinien rooli on myös osoitettu antibiooteilla, jotka estävät MT -synteesiä. Jos kudosviljelmän ihmissoluja hoidetaan antibiootilla, kuten tetrasykliinillä tai kloramfenikolilla, niiden kasvu pysähtyy yhden tai kahden jakautumisen jälkeen. Tämä johtuu mitokondrioiden proteiinisynteesin estämisestä, mikä johtaa viallisten mitokondrioiden ilmaantumiseen ja sen seurauksena ATP: n riittämättömään muodostumiseen. Miksi antibiootteja voidaan sitten käyttää bakteeri -infektioiden hoitoon? Tähän kysymykseen on useita vastauksia:

1. Jotkut antibiootit (kuten erytromysiini) eivät läpäise nisäkkäiden mitokondrioiden sisäkalvoa.

2. Suurin osa kehomme soluista ei jakaudu tai jakautuu kovin hitaasti, joten olemassa olevat mitokondriot korvataan uusilla yhtä hitaasti (monissa kudoksissa puolet mitokondrioista korvataan noin viiden päivän tai jopa pidempään). Siten normaalien mitokondrioiden määrä vähenee kriittiselle tasolle vain, jos mitokondrioiden proteiinisynteesin esto ylläpidetään monta päivää.

3. Tietyt olosuhteet kudoksen sisällä estävät tiettyjen lääkkeiden tunkeutumisen herkin solujen mitokondrioihin. Esimerkiksi suuri Ca2 + -pitoisuus luuytimessä johtaa Ca2 + -tetrasykliinikompleksin muodostumiseen, joka ei voi tunkeutua nopeasti jakautuviin (ja siksi haavoittuvimpiin) verisolujen esiasteisiin.

Nämä tekijät mahdollistavat joidenkin mitokondrioiden proteiinisynteesiä estävien lääkkeiden käytön antibiooteina korkeampien eläinten hoidossa. Vain kahdella näistä lääkkeistä on sivuvaikutuksia: pitkäaikainen hoito suurilla kloramfenikoliannoksilla voi johtaa luuytimen hematopoieettisen toiminnan häiriöihin (tukahduttaa punasolujen ja leukosyyttien muodostumisen) ja tetrasykliinin pitkäaikainen käyttö voi vahingoittaa suoliston epiteeliä. Mutta molemmissa tapauksissa ei ole vielä täysin selvää, johtuvatko nämä sivuvaikutukset mitokondrioiden biogeneesin tukkeutumisesta vai jostain muusta syystä.

Lähtö

Mt -genomin rakenteelliset ja toiminnalliset piirteet ovat seuraavat. Ensinnäkin havaittiin, että mtDNA välittyy äidiltä kaikille hänelle

jälkeläisiä ja hänen tyttäriään kaikille seuraaville sukupolville, mutta pojat eivät välitä DNA: taan (äidin perintöä). Äidin luonne

mtDNA: n periminen johtuu todennäköisesti kahdesta tilanteesta: joko isän mtDNA: n osuus on niin pieni (isän

enemmän kuin yksi DNA -molekyyli 25 tuhatta äidin mtDNA: ta kohti), joita ei voida havaita olemassa olevilla menetelmillä tai isän mitokondrioiden replikaatio estetään hedelmöityksen jälkeen. Toiseksi yhdistelmävaihtelun puuttuminen - mtDNA kuuluu vain yhdelle vanhemmista, joten meioosissa ei ole ydin -DNA: lle ominaisia ​​rekombinaatiotapahtumia, ja nukleotidisekvenssi muuttuu sukupolvesta toiseen vain mutaatioiden vuoksi. Kolmanneksi mtDNA: lla ei ole introneja

(suuri todennäköisyys, että satunnainen mutaatio vaikuttaa DNA: n koodaavaan alueeseen), suojaavat histonit ja tehokas DNA: n korjausjärjestelmä - kaikki tämä määrittää 10 kertaa korkeamman mutaationopeuden kuin ydin -DNA: ssa. Neljänneksi, saman solun sisällä normaali ja mutantti mtDNA voivat esiintyä rinnakkain samanaikaisesti - heteroplasmian ilmiö (vain normaalin tai vain mutanttisen mtDNA: n läsnäoloa kutsutaan homoplasmiksi). Lopuksi molemmat ketjut transkriboidaan ja käännetään mtDNA: ksi, ja mtDNA: n geneettinen koodi eroaa monista ominaisuuksista yleisestä (UGA koodaa tryptofaania, AUA koodaa metioniinia, AGA ja AGG pysäytetään

kodonit).

Nämä ominaisuudet ja edellä mainitut mt -genomin toiminnot ovat tehneet mtDNA: n nukleotidisekvenssin vaihtelevuuden tutkimisesta korvaamattoman työkalun lääkäreille, oikeuslääkäreille, evoluutiobiologeille,

historian tieteen edustajia erityistehtäviensä ratkaisemisessa.

Vuodesta 1988 lähtien, kun havaittiin, että mtDNA -geenien mutaatiot ovat mitokondrioiden myopatioiden (JY Holt et ai., 1988) ja Leberin perinnöllisen optisen neuropatian (DC Wallace, 1988) taustalla, mutaatioiden järjestelmällinen tunnistaminen ihmisen mt -genomissa johti muodostumiseen mitokondrioiden sairauksien (MB) käsitteestä. Tällä hetkellä mtDNA: n patologisia mutaatioita havaitaan kaikentyyppisissä mitokondriogeeneissä.

Bibliografia

1. Skulachev, mitokondriot ja happi, Soros. koulutettu. zhurn.

2. Biokemian perusteet: Kolme osaa, M.: Mir ,.

3. Nicholes D. G. Bioenergetics, Introd. Chemiosmiin. Th., Acad. Lehdistö, 1982.

4. Kuivaaja L. Biokemia, 2. painos. San Fransisco, Freeman, 1981.

5. Biologisten kalvojen Skulachev. M., 1989.

6., Chentsov reticulum: Rakenne ja jotkut toiminnot // Tieteen tulokset. Yleiset biologian ongelmat. 1989

7. Chentsovin sytologia. M .: Moskovan valtionyliopiston kustantamo, 1995

8. , Mitokondriogenomin osaamisalue // Vestn. RAMS, 2001. nro 10, s. 31-43.

9. Holt I. J, Harding A. E., Morgan-Hughes I. A. Lihasten mitokondrio-DNA: n poistaminen mitokondrioiden myopatiasta kärsivillä potilailla. Nature 1988, 331: 717-719.

10. jne. Ihmisen genomi ja alttiusgeenit. SPb., 2000

11. , Mitokondrioiden genomi. Novosibirsk, 1990.

12. // Soros. koulutettu. zhurn. 1999. nro 10. S.11-17.

13. Symbioosin rooli solujen evoluutiossa. M., 1983.

14. // Soros. koulutettu. zhurn. 1998. Nro 8. S.2-7.

15. // Soros. koulutettu. zhurn. 2000. Nro 1. S.32-36.

Kiovan kansallinen yliopisto. Taras Ševtšenko

Biologian laitos

abstrakti

aiheesta:

"Äidin genomin rooli jälkeläisten kehityksessä"

kanssatömähtääenta IVkurssi

Biokemian laitos

Frolova Artem

Kiova 2004

Suunnitelma:

Johdanto ................................................. .............................. 1

Symbioottinen teoria mitokondrioiden alkuperästä ... 2

Solun ytimen rooli mitokondrioiden biogeneesissä ................................... 5

Mitokondrioiden kuljetusjärjestelmät .............................................. ...... 7

Mitokondrioiden genomien koko ja muoto .................. 10

Mitokondrioiden genomin toiminta ............... 14

Oman geneettisen järjestelmän merkitys mitokondrioille ........................................ ... ................................... 19

Sytoplasminen perintö .............................. 20

Historiallisesti ensimmäinen tällainen tutkimus tehtiin käyttäen mitokondrioiden DNA: ta. Tutkijat ottivat näytteen Afrikan, Aasian, Euroopan, Amerikan alkuperäiskansoilta ja tässä aluksi pienessä näytteessä verrattiin eri yksilöiden mitokondrioiden DNA: ta keskenään. He havaitsivat, että mitokondrioiden DNA: n monimuotoisuus on suurin Afrikassa. Ja koska tiedetään, että mutaatiotapahtumat voivat muuttaa mitokondrioiden DNA: n tyyppiä, ja tiedetään myös, miten se voi muuttua, on siksi mahdollista sanoa, minkä tyyppiset ihmiset ovat voineet esiintyä mutaatioina. Kaikilla ihmisillä, joille testattiin DNA: ta, afrikkalaisista havaittiin paljon enemmän vaihtelua. Mitokondrioiden DNA -tyypit muilla mantereilla olivat vähemmän erilaisia. Tämä tarkoittaa, että afrikkalaisilla oli enemmän aikaa kerätä nämä muutokset. Heillä oli enemmän aikaa biologiseen evoluutioon, jos Afrikasta löytyy muinaisia ​​DNA -jäänteitä, jotka eivät ole ominaisia ​​eurooppalaisille ihmisen mutaatioille.

Voidaan väittää, että mitokondrioiden DNA -geneetikot pystyivät todistamaan naisten alkuperän Afrikassa. He tutkivat myös Y -kromosomeja. Kävi ilmi, että miehiä tulee myös Afrikasta.

Mitokondrioiden DNA: n tutkimuksen ansiosta on mahdollista todeta, että henkilö on kotoisin Afrikasta, mutta myös määrittää hänen alkuperänsä. Ihmisen mitokondrioiden esiäidin ilmestymisaika määritettiin vertaamalla tutkimusta simpanssien ja nykyajan ihmisten mitokondrioiden DNA: sta. Tietäen mutaatioiden hajaantumisnopeuden - 2-4% miljoonaa vuotta kohden - on mahdollista määrittää kahden haaran, simpanssien ja nykyaikaisten ihmisten erottumisaika. Tämä tapahtui noin 5-7 miljoonaa vuotta sitten. Tässä tapauksessa mutaatioiden hajautumisnopeutta pidetään vakiona.

Mitokondriaali

Kun ihmiset puhuvat mitokondriaalisesta Eevasta, he eivät tarkoita yksilöä. He puhuvat siitä, että evoluution myötä syntyy koko populaatio yksilöitä, joilla on samanlaisia ​​piirteitä. Uskotaan, että mitokondrioiden Eeva eli esivanhempiemme määrän dramaattisen laskun aikana, noin kymmeneen tuhanteen yksilöön.

Rotujen alkuperä

Tutkiessaan eri populaatioiden mitokondrioiden DNA: ta geenitieteilijät ehdottivat, että jo ennen Afrikasta lähtöä esivanhemmat jaettiin kolmeen ryhmään, mikä synnytti kolme modernia rotua - afrikkalainen, valkoihoinen ja mongoloidi. Uskotaan, että tämä tapahtui noin 60-70 tuhatta vuotta sitten.

Epästandardien ja nykyaikaisten ihmisten mitokondrioiden DNA: n vertailu

Lisätietoja ihmisten alkuperästä saatiin vertaamalla neandertalin ja nykyajan ihmisten mitokondrioiden DNA: n geneettisiä tekstejä. Tutkijat pystyivät lukemaan kahden neandertalilaisen luujäänteiden mitokondrio -DNA: n geneettiset tekstit. Ensimmäisen neandertalilaisen miehen luut löydettiin Feldhoverin luolasta Saksassa. Hieman myöhemmin luettiin neandertalinilaisen lapsen mitokondrio -DNA: n geneettinen teksti, joka löydettiin Pohjois -Kaukasuksesta Mezhmayskayan luolasta. Kun verrataan nykyajan ihmisten ja neandertalilaisten mitokondrioiden DNA: ta, havaittiin erittäin suuria eroja. Jos otamme palan DNA: ta, nukleotidit eroavat 370: stä 27. Ja jos vertaamme nykyajan ihmisen, hänen mitokondrioiden DNA: n, geneettisiä tekstejä, niin vain kahdeksan nukleotidia eroaa toisistaan. Uskotaan, että neandertalilainen ja moderni ihminen ovat täysin erillisiä sivuliikkeitä, ja niiden kehitys eteni toisistaan ​​riippumatta.

Kun tutkittiin eroa neandertalin ja nykyajan ihmisten mitokondrioiden DNA: n geneettisissä teksteissä, näiden kahden haaran erottamispäivä määritettiin. Tämä tapahtui noin 500 tuhatta vuotta sitten, ja noin 300 tuhatta vuotta sitten heidän lopullinen eronsa tapahtui. Uskotaan, että neandertalilaiset asettuivat Eurooppaan ja Aasiaan, ja nykyajan mies ajoi heidät ulos Afrikasta 200 tuhatta vuotta myöhemmin. Ja lopuksi, noin 28-35 tuhatta vuotta sitten, neandertalilaiset kuolivat sukupuuttoon. Yleensä miksi näin tapahtui, ei ole vielä selvää. Ehkä he eivät kestäneet kilpailua nykyaikaisen ihmisen kanssa, tai ehkä siihen oli muita syitä.

© G.M. Dymshits

Mitokondrioiden genomi yllättää

G.M. Dymshits

Grigory Moiseevich Dymshits, Biologian tohtori, Novosibirskin osavaltion yliopiston molekyylibiologian laitoksen professori, sytologian ja genetiikan instituutin genomin rakennelaboratorion johtaja, Venäjän tiedeakatemian Siperian haara. Tekijä ja toimittaja neljässä yleisen biologian koulukirjassa.

Nykyään ihmisen mitokondrioiden genetiikka kehittyy voimakkaasti sekä väestössä että lääketieteellisessä mielessä. Useiden vakavien perinnöllisten sairauksien ja mitokondrioiden DNA -vikojen välille on muodostettu suhde. Ikääntymiseen liittyvät geneettiset muutokset ovat voimakkaimpia mitokondrioissa. Mikä on mitokondrioiden genomi, joka eroaa ihmisissä ja muissa eläimissä kasveissa, sienissä ja alkueläimissä koko, muoto ja geneettinen kapasiteetti? Miten mitokondrioiden genomi toimii ja miten se esiintyi eri taksoneissa? Tästä keskustellaan artikkelissamme.

Mitokondrioita kutsutaan solun voimalaitoksiksi. Ulkoisen sileän kalvon lisäksi niissä on sisäkalvo, joka muodostaa lukuisia taitoksia - cristae. Niissä on sisäänrakennettuja hengitysketjun proteiinikomponentteja - entsyymejä, jotka osallistuvat hapettuneiden ravintoaineiden kemiallisten sidosten energian muuntamiseen aden(ATP) energiaksi. Tällä "vaihdettavalla valuutalla" solu maksaa kaikki energiantarpeensa. Vihreiden kasvien soluissa on mitokondrioiden lisäksi myös muita energia -asemia - kloroplasteja. Ne toimivat "aurinkokennoilla", mutta ne myös muodostavat ATP: n ADP: stä ja fosfaatista. Kuten mitokondrioissa, myös kloroplasteilla - itsenäisesti lisääntyvillä organelleilla - on myös kaksi kalvoa ja ne sisältävät DNA: ta.

Mitokondrio -matriisi sisältää DNA: n lisäksi omat ribosominsa, jotka eroavat monilta ominaisuuksiltaan endoplasmisen verkkokalvon kalvoilla sijaitsevista eukaryoottisista ribosomeista. Mitokondrioiden ribosomeihin muodostuu kuitenkin enintään 5% kaikista proteiineista, jotka muodostavat niiden koostumuksen. Suurin osa proteiineista, jotka muodostavat mitokondrioiden rakenteelliset ja toiminnalliset komponentit, koodaa ydingenomi, syntetisoidaan endoplasmisen retikulumin ribosomeille ja kuljetetaan sen kanavien kautta kokoonpanopaikkaan. Siten mitokondriot ovat tulosta kahden genomin ja kahden transkriptio- ja käännöskoneen yhteisistä ponnisteluista. Jotkut mitokondrioiden hengitysketjun alayksikköentsyymit koostuvat erilaisista polypeptideistä, joista osa on ydinkoodin ja osa mitokondriogenomin koodaamia. Esimerkiksi oksidatiivisen fosforylaation keskeinen entsyymi, hiivan sytokromi c -oksidaasi, koostuu kolmesta mitokondrioissa koodatusta ja syntetisoidusta alayksiköstä sekä neljästä solun ytimeen koodatusta ja sytoplasmassa syntetisoidusta alayksiköstä. Useimpien mitokondriogeenien ilmentymistä kontrolloivat ytimen spesifiset geenit.

Mitokondrioiden genomien koot ja muodot

Tähän mennessä on luettu yli 100 erilaista mitokondrioiden genomia. Niiden geenien joukko ja määrä mitokondrioiden DNA: ssa, jonka nukleotidisekvenssi on täysin määritetty, eroavat suuresti eri eläin-, kasvi-, sieni- ja alkueläinlajeissa. Suurin määrä geenejä löytyy flagellate -alkueläimen mitokondrioiden genomista Rectinomonas americana- 97 geeniä, mukaan lukien kaikki proteiinit koodaavat geenit, jotka löytyvät muiden organismien mtDNA: sta. Useimmissa korkeammissa eläimissä mitokondrioiden genomi sisältää 37 geeniä: 13 hengitysketjun proteiineille, 22 tRNA: lle ja kaksi rRNA: lle (suurelle 16S rRNA: n ribosomialayksikölle ja pienelle 12S rRNA: lle). Kasveissa ja alkueläimissä, toisin kuin eläimet ja useimmat sienet, jotkut proteiinit, jotka muodostavat näiden organellien ribosomit, koodataan mitokondrioiden genomiin. Templaatin polynukleotidisynteesin keskeiset entsyymit, kuten DNA -polymeraasi (replikoiva mitokondrio -DNA) ja RNA -polymeraasi (mitokondrioiden genomin transkriptio), koodataan ytimessä ja syntetisoidaan sytoplasmisissa ribosomeissa. Tämä tosiasia osoittaa mitokondrioiden autonomian suhteellisuuden eukaryoottisolun monimutkaisessa hierarkiassa.

Eri lajien mitokondrioiden genomit eroavat paitsi geenijoukosta, niiden sijainnin ja ilmentymisen järjestyksestä, myös DNA: n koosta ja muodosta. Suurin osa tänään kuvatuista mitokondrioiden genomeista on pyöreitä, superkelattuja, kaksijuosteisia DNA-molekyylejä. Joissakin kasveissa on pyöreiden muotojen ohella myös lineaarisia, ja joissakin alkueläimissä, esimerkiksi siliaateissa, mitokondrioissa on vain lineaarista DNA: ta.

Tyypillisesti jokainen mitokondrio sisältää useita kopioita sen genomista. Joten ihmisen maksan soluissa on noin 2 000 mitokondriaa, ja kussakin niistä on 10 identtistä genomia. Hiiren fibroblasteissa on 500 mitokondriaa, jotka sisältävät kaksi genomia, ja hiivasoluissa S.cerevisiae- jopa 22 mitokondriaa, joissa on neljä genomia.

Kasvien mitokondrioiden genomi koostuu pääsääntöisesti useista erikokoisista molekyyleistä. Yksi niistä, "pääkromosomi", sisältää suurimman osan geeneistä, kun taas lyhyemmät pyöreät muodot, jotka ovat dynaamisessa tasapainossa sekä keskenään että pääkromosomin kanssa, muodostuvat molekyylien sisäisen ja molekyylien välisen rekombinaation seurauksena. toistuvien sekvenssien läsnäolo (kuva 1).

Kuva 1. Kaavio erikokoisten pyöreiden DNA -molekyylien muodostumisesta kasvien mitokondrioissa.
Rekombinaatio tapahtuu toistuvilla alueilla (merkitty sinisellä).

Kuva 2. Kaavio lineaaristen (A), pyöreiden (B), ketjujen (C) mtDNA -oligomeerien muodostamisesta.
ori - DNA: n replikaation alkamisen alue.

Eri organismien mitokondrioiden genomikoko vaihtelee alle 6 tuhannesta malariaplasmodiumin emäsparista (kahden rRNA -geenin lisäksi se sisältää vain kolme proteiineja koodaavaa geeniä) satoihin tuhansiin emäspareihin maanpäällisissä kasveissa (esim. sisään Arabidopsis thaliana ristikukkaisten perheestä 366924 emäsparia). Samanaikaisesti 7-8-kertaisia ​​eroja korkeampien kasvien mtDNA: n koossa havaitaan jopa saman perheen sisällä. Selkärankaisten mtDNA: n pituus vaihtelee hieman: ihmisillä - 16569 emäsparia, sioilla - 16350, delfiineillä - 16330, kynnetyssä sammakossa Xenopus laevis- 17533, karppi- 16400. Nämä genomit ovat myös samankaltaisia ​​geenien lokalisoinnissa, joista suurin osa sijaitsee päästä päähän; joissakin tapauksissa ne jopa menevät päällekkäin, yleensä yhdellä nukleotidilla, niin että yhden geenin viimeinen nukleotidi on ensimmäinen seuraavassa. Toisin kuin selkärankaisilla, kasveissa, sienissä ja alkueläimissä mtDNA: t sisältävät jopa 80% ei-koodaavia sekvenssejä. Geenien järjestys mitokondrioiden genomeissa vaihtelee lajeittain.

Reaktiivisten happilajien suuri pitoisuus mitokondrioissa ja heikko korjausjärjestelmä lisää mtDNA -mutaatioiden taajuutta suuruusluokkaa ydinvoimaloihin verrattuna. Happiradikaalit aiheuttavat spesifisiä substituutioita C® T (sytosiinin deaminaatio) ja G® T (guaniinin oksidatiivinen vaurio), minkä seurauksena mahdollisesti mtDNA sisältää runsaasti AT-pareja. Lisäksi kaikilla mtDNA: lla on mielenkiintoinen ominaisuus - ne eivät ole metyloituja, toisin kuin ydin- ja prokaryoottinen DNA. Tiedetään, että metylointi (nukleotidisekvenssin väliaikainen kemiallinen muuntaminen häiritsemättä DNA: n koodaustoimintoa) on yksi ohjelmoidun geenin inaktivoinnin mekanismeista.

Nisäkkään mitokondrio -DNA: n replikaatio ja transkriptio

Useimmilla eläimillä mtDNA: n komplementaariset juosteet eroavat merkittävästi ominaispainosta, koska ne sisältävät epätasaisen määrän "raskaita" puriini- ja "kevyitä" pyrimidiininukleotideja. Joten niitä kutsutaan - H (raskas - raskas) ja L (kevyt - kevyt) ketjuiksi. MtDNA-molekyylin replikaation alussa muodostuu ns. D-silmukka (englanninkielisestä syrjäytyssilmukasta). Tämä elektronimikroskoopin alla näkyvä rakenne koostuu kaksisäikeisistä ja yksisäikeisistä (H-ketjun sisäänvedetty osa) osista. Kaksijuosteinen alue muodostuu L-ketjun osasta ja täydentävästä vasta syntetisoidusta DNA-fragmentista, jonka pituus on 450-650 (organismin tyypistä riippuen) ja jonka ribonukleotidialuke on 5'-päässä, joka vastaa H-ketjun (ori H) synteesin alkupistettä. L-ketju alkaa vasta kun tytär-H-ketju saavuttaa pisteen ori L. L-ketjun solu on DNA-synteesin entsyymien saatavilla vain yksijuosteisessa tilassa ja siksi vain kiertymättömässä kaksoiskierroksessa H: n synteesin aikana. Näin ollen mtDNA: n tytärketjut syntetisoidaan jatkuvasti ja asynkronisesti (kuva 3). ).

Kuva 3. Nisäkkäiden mtDNA -replikaatiomalli.
Ensin muodostuu D-silmukka, sitten syntetisoidaan tytär H-ketju,
sitten tytär L-ketjun synteesi alkaa.

Mitokondrioissa D-silmukka-molekyylien kokonaismäärä ylittää merkittävästi täysin replikoituvien molekyylien määrän. Tämä johtuu siitä, että D -silmukalla on lisätoimintoja - mtDNA: n kiinnittyminen sisäkalvoon ja transkription aloittaminen, koska molempien DNA -juosteiden transkription promoottorit ovat paikallisia tällä alueella.

Toisin kuin useimmat eukaryoottiset geenit, jotka transkriboidaan toisistaan ​​riippumatta, kukin nisäkkään mtDNA-juosteesta kirjoitetaan uudelleen yhdeksi RNA-molekyyliksi alkaen ori H -alueelta. Näiden kahden pitkän RNA-molekyylin lisäksi, jotka täydentävät H- ja L-molekyyliä -ketjut, enemmän lyhyitä H -ketjun osia, jotka alkavat samasta kohdasta ja päättyvät 16S rRNA -geenin 3' -päähän (kuva 4). Tällaisia ​​lyhyitä transkripteja on 10 kertaa enemmän kuin pitkiä. kypsyminen (prosessointi), niistä muodostuu 12S rRNA ja 16S rRNA, jotka osallistuvat mitokondrioiden ribosomien sekä fenyylialaniinin ja valiinin tRNA: iden muodostumiseen. jonka päät polyadenyylisekvenssit ovat kiinnittyneet. Näiden mRNA: iden 5 "päitä ei ole suljettu, mikä on epätavallista eukaryooteille. Ei jatkoa, koska mikään nisäkkäiden mitokondriogeeneistä ei sisällä introneja.

Kuva 4. Ihmisen mtDNA: n transkriptio, joka sisältää 37 geeniä. Kaikki transkriptit alkavat syntetisoida ori H. tRNA ja mRNA muodostuvat käsittelyn tuloksena molempien DNA -juosteiden transkripteistä. TRNA -geenit näkyvät vaaleanvihreinä.

Huolimatta siitä, että nisäkkäiden ja hiivojen mitokondrioiden genomit sisältävät suunnilleen saman määrän geenejä, hiivagenomin koko on 4-5 kertaa suurempi - noin 80 tuhatta emäsparia. Vaikka hiivan mtDNA: ta koodaavat sekvenssit ovat hyvin homologisia ihmisten sekvenssien kanssa, hiivan mRNA: lla on lisäksi 5 "johtava ja 3" ei-koodaava alue, kuten useimmissa ydin-mRNA: ssa. Useat geenit sisältävät myös introneja. Siten sytokromioksidaasi b: tä koodaava laatikkogeeni sisältää kaksi intronia. Kopio suurimmasta osasta ensimmäistä intronia leikataan autokatalyyttisesti primaarisesta RNA -transkriptistä (ilman minkään proteiinin osallistumista). Jäljellä oleva RNA toimii templaattina silmukoivan entsyymin kypsymisen muodostamiseksi. Osa sen aminohapposekvenssistä on koodattu intronien jäljellä oleviin kopioihin. Maturaasi leikkaa ne pois tuhoamalla oman mRNA: nsa, eksonien kopiot ommellaan yhteen ja muodostuu sytokromioksidaasi b: n mRNA (kuva 5). Tällaisen ilmiön löytäminen pakotti meidät harkitsemaan uudelleen intronien käsitettä "ei mitään koodaavia sekvenssejä".

Kuva 5. Sytokromioksidaasi b mRNA: n käsittely (kypsyminen) hiivan mitokondrioissa.
Jatkamisen ensimmäisessä vaiheessa muodostuu mRNA, jonka mukaan kypsymälää syntetisoidaan,
tarvitaan toisessa liitosvaiheessa.

Kun tutkitaan mitokondriogeenien ilmentymistä Trypanosoma brucei löysi yllättävän poikkeaman yhdestä molekyylibiologian perusaksioomista, jonka mukaan mRNA: n nukleotidisekvenssi vastaa täsmälleen DNA: n koodaavien alueiden sekvenssiä. Kävi ilmi, että sytokromi c -oksidaasin yhden alayksikön mRNA: ta muokataan, ts. transkription jälkeen sen ensisijainen rakenne muuttuu - neljä urasilia lisätään. Tämän seurauksena muodostuu uusi mRNA, joka toimii mallina entsyymin lisäyksikön synteesille, jonka aminohapposekvenssillä ei ole mitään yhteistä muokkaamattoman mRNA: n koodaaman sekvenssin kanssa (katso taulukko).

RNA -editointi, joka löydettiin ensimmäistä kertaa trypanosomien mitokondrioista, on laajalle levinnyt ylempien kasvien kloroplasteissa ja mitokondrioissa. Sitä havaittiin myös somaattisissa nisäkässoluissa, esimerkiksi ihmisen suoliston epiteelissä, apolipoproteiinigeenin mRNA: ta muokataan.

Suurimman yllätyksen tiedemiehille esittivät mitokondriot vuonna 1979. Siihen asti uskottiin, että geneettinen koodi on universaali ja samat kolmoset koodaavat samoja aminohappoja bakteereissa, viruksissa, sienissä, kasveissa ja eläimissä. Englantilainen tutkija Burrell vertasi yhden vasikan mitokondriogeenin rakennetta tämän geenin koodaaman sytokromioksidaasin alayksikön aminohapposekvenssiin. Kävi ilmi, että naudan (samoin kuin ihmisten) mitokondrioiden geneettinen koodi ei ole vain erilainen kuin yleismaailmallinen, se on "ihanteellinen", ts. noudattaa seuraavaa sääntöä: "jos kahdella kodonilla on kaksi identtistä nukleotidia ja kolmannet nukleotidit kuuluvat samaan luokkaan (puriini - A, G tai pyrimidiini - Y, C), ne koodaavat samaa aminohappoa". Tästä yleisestä koodista on kaksi poikkeusta: AUA -tripletti koodaa isoleusiinia ja AUG -kodoni -metioniini, kun taas ihanteellisessa mitokondriokoodissa molemmat tripletit koodaavat metioniinia; UGG -tripletti koodaa vain tryptofaania ja UGA -tripletti koodaa stop -kodonin. Universaalikoodissa molemmat poikkeamat liittyvät proteiinisynteesin perushetkiin: AUG -kodoni on aloituskoodi ja UGA -lopetuskodoni pysäyttää polypeptidisynteesin. Ihanteellinen koodi ei ole luontainen kaikille kuvatuille mitokondrioille, mutta millään niistä ei ole universaalia koodia. Voimme sanoa, että mitokondriot puhuvat eri kieliä, mutta eivät koskaan puhu ytimen kieltä.

Kuten jo mainittiin, selkärankaisten mitokondrioiden genomissa on 22 tRNA -geeniä. Kuinka tällainen epätäydellinen sarja palvelee sitten kaikkia 60 aminohappokodonia (ihanteellisessa 64 tripletin koodissa on neljä pysäytyskodonia, yleisessä - kolme)? Tosiasia on, että proteiinisynteesin aikana mitokondrioissa kodonin ja antikodonin vuorovaikutukset yksinkertaistuvat - kahta kolmesta antikodonin nukleotidista käytetään tunnistamiseen. Siten yksi tRNA tunnistaa kaikki neljä kodoniperheen jäsentä, jotka eroavat vain kolmannesta nukleotidista. Esimerkiksi leusiinin tRNA, jossa on GAU-antikodoni, seisoo ribosomilla vastakkain kodoneja CUU, CUC, CUA ja CUG, mikä varmistaa leusiinin virheettömän liittämisen polypeptidiketjuun. TRNA tunnistaa kaksi muuta leusiinikodonia, UUA ja UUG, antikodoni AAU: n kanssa. Yhteensä kahdeksan erilaista tRNA -molekyyliä tunnistaa kahdeksan neljän kodonin perhettä ja 14 tRNA: ta tunnistaa eri kodoniparit, joista jokainen koodaa yhtä aminohappoa.

On tärkeää, että aminoasyyli -tRNA -syntetaasientsyymit, jotka vastaavat aminohappojen kiinnittymisestä mitokondrioiden vastaavaan tRNA: han, koodataan solun ytimessä ja syntetisoidaan endoplasmisen retikulumin ribosomeille. Siten selkärankaisilla kaikki mitokondrioiden polypeptidisynteesin proteiinikomponentit on koodattu ytimessä. Samaan aikaan sykloheksimidi ei tukahduta proteiinien synteesiä mitokondrioissa, mikä estää eukaryoottisten ribosomien toiminnan, mutta on herkkä antibiooteille erytromysiini ja kloramfenikoli, jotka estävät proteiinisynteesiä bakteereissa. Tämä tosiasia toimii yhtenä argumentteina, jotka tukevat mitokondrioiden alkuperää aerobisista bakteereista eukaryoottisolujen symbioottisen muodostumisen aikana.

Symbioottinen teoria mitokondrioiden alkuperästä

R. Altman esitti hypoteesin mitokondrioiden ja kasviplasidien alkuperästä solunsisäisistä bakteereista endosymbionteista jo vuonna 1890. Puoli vuosisataa sitten ilmestyneen biokemian, sytologian, genetiikan ja molekyylibiologian nopean kehityksen vuosisadalla hypoteesi kasvoi. teoriaksi, joka perustuu suureen määrään fakta -aineistoa. Sen ydin on seuraava: fotosynteettisten bakteerien ilmestyessä maapallon ilmakehään kerääntynyt happi - niiden aineenvaihdunnan sivutuote. Sen pitoisuuden kasvaessa anaerobisten heterotrofien elämä vaikeutui, ja jotkut heistä saivat energiaa siirtyen hapettomasta käymisestä hapettavaan fosforylaatioon. Tällaiset aerobiset heterotrofit voisivat tehokkaammin kuin anaerobiset bakteerit hajottaa fotosynteesin tuloksena syntyneen orgaanisen aineksen. Jotkut vapaasti elävät aerobit vangittiin anaerobien toimesta, mutta niitä ei "pilkottu", vaan ne säilytettiin energia-asemina, mitokondrioina. Mitokondrioita ei pidä pitää orjina, jotka on vangittu toimittamaan ATP -molekyylejä soluille, jotka eivät pysty hengittämään. Pikemminkin ne ovat "olentoja", jotka proterozoicissa löysivät parhaan suojan itselleen ja jälkeläisilleen, missä voit käyttää vähiten vaivaa vaarantamatta syömistä.

Lukuisat tosiasiat puhuvat symbioottisen teorian puolesta:

- mitokondrioiden ja vapaasti elävien aerobisten bakteerien koko ja muoto ovat samat; molemmat sisältävät pyöreitä DNA -molekyylejä, jotka eivät liity histoneihin (toisin kuin lineaarinen ydin -DNA);

Mitä tulee nukleotidisekvensseihin, mitokondrioiden ribosomaaliset ja kuljetus-RNA: t eroavat ydinaseista ja osoittavat samalla yllättäviä samankaltaisuuksia joidenkin aerobisten gramnegatiivisten eubakteerien vastaavien molekyylien kanssa;

Mitokondrioiden RNA -polymeraasit, vaikka ne on koodattu solun ytimeen, estävät rifampisiini, kuten bakteerit, ja eukaryoottiset RNA -polymeraasit ovat epäherkkiä tälle antibiootille;

Proteiinisynteesi mitokondrioissa ja bakteereissa tukahdutetaan samoilla antibiooteilla, jotka eivät vaikuta eukaryoottien ribosomeihin;

Mitokondrioiden ja bakteeriplasmalemman sisäkalvon lipidikoostumus on samanlainen, mutta hyvin erilainen kuin mitokondrioiden ulkokalvon, joka on homologinen muiden eukaryoottisolujen kalvojen kanssa;

Cristae, joka muodostuu sisäisestä mitokondrioiden kalvosta, ovat monien prokaryoottien mesosomaalisten kalvojen evoluutio -analogit;

Tähän asti organismit ovat selviytyneet siitä, että ne jäljittelevät välimuodot matkalla mitokondrioiden muodostumiseen bakteereista (primitiivinen amoeba Pelomyxa ei sisällä mitokondrioita, mutta sisältää aina endosymbioottisia bakteereja).

Uusi genomi voi luoda aineenvaihduntareittejä, jotka johtavat hyödyllisten tuotteiden muodostumiseen, joita kukaan kumppaneista ei voi syntetisoida erikseen. Siten steroidihormonien synteesi lisämunuaisen kuoren soluilla on monimutkainen reaktioketju, joista osa esiintyy mitokondrioissa ja osa endoplasmisessa verkkokalvossa. Vangitsemalla promitochondrian geenit ydin pystyi hallitsemaan luotettavasti symbiontin toimintoja. Ydin koodaa kaikki proteiinit ja mitokondrioiden ulkokalvon lipidisynteesi, useimmat matriisin proteiinit ja organellien sisäkalvo. Tärkeintä on, että ydin koodaa entsyymejä mtDNA: n replikaatiota, transkriptiota ja translaatiota varten, mikä kontrolloi mitokondrioiden kasvua ja lisääntymistä. Symbioottisten kumppaneiden kasvuvauhdin pitäisi olla suunnilleen sama. Jos isäntä kasvaa nopeammin, niin jokaisen sukupolven aikana symbiontien määrä yksilöä kohti vähenee ja lopulta syntyy jälkeläisiä ilman mitokondrioita. Tiedämme, että jokainen seksuaalisesti lisääntyvän organismin solu sisältää monia mitokondrioita, jotka toistavat DNA: taan isännän jakautumisten välillä. Tämä varmistaa, että jokainen tytärsolu saa vähintään yhden kopion mitokondrioiden genomista.

Sytoplasminen perintö

Hengitysketjun avainkomponenttien ja oman proteiinisynteesilaitteen koodaamisen lisäksi mitokondrioiden genomi osallistuu joissakin tapauksissa joidenkin morfologisten ja fysiologisten ominaisuuksien muodostumiseen. Näitä piirteitä ovat NCS-oireyhtymä (ei-kromosomaalinen raita, ei-kromosomaalisesti koodattu lehtipiste) -oireyhtymä, joka on ominaista useille korkeammille kasvilajeille, ja sytoplasminen miessteriliteetti (CMS), joka johtaa siitepölyn normaalin kehityksen häiriöihin. Molempien piirteiden ilmentyminen johtuu mtDNA: n rakenteen muutoksista. CMS: ssä mitokondrioiden genomien uudelleenjärjestelyjä havaitaan rekombinaatiotapahtumien seurauksena, jotka johtavat tiettyjen nukleotidisekvenssien tai kokonaisten geenien deleetioihin, päällekkäisyyksiin, inversioihin tai insertioihin. Tällaiset muutokset voivat vahingoittaa paitsi olemassa olevia geenejä myös uusien toimivien geenien syntymistä.

Sytoplasminen perinnöllisyys, toisin kuin ydinvoima, ei noudata Mendelin lakeja. Tämä johtuu siitä, että korkeammissa eläimissä ja kasveissa eri sukupuolta olevat sukusolut sisältävät vertaansa vailla olevia määriä mitokondrioita. Joten hiiren munasolussa on 90 tuhatta mitokondriota ja siittiöissä - vain neljä. On selvää, että hedelmöitetyssä munassa mitokondriot ovat pääasiassa tai vain naaraspuolisia, ts. kaikkien mitokondriogeenien perintö on äiti. Sytoplasmisen perinnöllisyyden geneettinen analyysi on vaikeaa ydin-sytoplasmisen vuorovaikutusten vuoksi. Sytoplasmisen miehen steriiliyden tapauksessa mutantti mitokondrioiden genomi on vuorovaikutuksessa tiettyjen ydingeenien kanssa, joiden resessiiviset alleelit ovat välttämättömiä ominaisuuden kehittymiselle. Näiden geenien hallitsevat alleelit sekä homo- että heterotsygoottisissa tiloissa palauttavat kasvien hedelmällisyyden mitokondriogenomin tilasta riippumatta.

Mitokondrioiden genomien, niiden evoluution tutkiminen populaation geneettisten lakien, ydin- ja mitokondrioiden geneettisten järjestelmien välisen suhteen mukaisesti on välttämätöntä eukaryoottisolun ja koko organismin monimutkaisen hierarkkisen organisaation ymmärtämiseksi.

Tietyt perinnölliset sairaudet ja ihmisen ikääntyminen on yhdistetty tiettyihin mutaatioihin mitokondrioiden DNA: ssa tai ydingeeneissä, jotka ohjaavat mitokondrioiden toimintaa. Tietoja kertyy mtDNA -vikojen osallistumisesta karsinogeneesiin. Siksi mitokondriot voivat olla syövän kemoterapian kohde. On olemassa tosiasioita ydin- ja mitokondriogenomien läheisestä vuorovaikutuksesta useiden ihmisen patologioiden kehityksessä. Useita mtDNA -deleetioita havaittiin potilailla, joilla oli vaikea lihasheikkous, ataksia, kuurous, henkinen kehitysvamma ja jotka periytyivät autosomaalisesti hallitsevalla tavalla. Vakiintunut seksuaalinen dimorfismi sepelvaltimotaudin kliinisissä ilmenemismuodoissa, mikä johtuu todennäköisesti äidin vaikutuksesta - sytoplasmisen perinnöllisyydestä. Geeniterapian kehittäminen tarjoaa toivoa korjata mitokondrioiden genomien viat lähitulevaisuudessa.

Tätä työtä on tukenut Venäjän perustutkimussäätiö. Hanke 01-04-48971.
Kirjoittaja on kiitollinen jatko -opiskelijalle M.K. Ivanoville, joka loi artikkelin luvut.

Kirjallisuus

1. Yankovsky N.K., Borinskaya S.A. Historiamme on tallennettu DNA: han // Luonto. 2001. nro 6. S.10-18.

2. Minchenko A.G., Dudareva N.A. Mitokondrioiden genomi. Novosibirsk, 1990.

3. Gvozdev V.A.// Soros. koulutettu. zhurn. 1999. nro 10. S.11-17.

4. Margelis L. Symbioosin rooli solujen evoluutiossa. M., 1983.

5. Skulachev V.P.// Soros. koulutettu. zhurn. 1998. Nro 8. S.2-7.

6. Igamberdiev A.U.// Soros. koulutettu. zhurn. 2000. Nro 1. S.32-36.

Matriisissa sijaitseva mitokondrio-DNA on suljettu pyöreä kaksijuosteinen molekyyli ihmisen soluissa, jonka koko on 16569 nukleotidiparia, joka on noin 105 kertaa pienempi kuin ytimessä oleva DNA. Yleensä mitokondrioiden DNA koodaa 2 rRNA: ta, 22 tRNA: ta ja 13 alayksikköä hengitysketjun entsyymeistä, mikä on enintään puolet siinä olevista proteiineista. Erityisesti mitokondraalisen genomin valvonnassa koodataan seitsemän ATP-syntetaasin alayksikköä, kolme sytokromioksidaasin alayksikköä ja yksi ubikinolin-sytokromin alayksikkö. kanssa-reduktaaseja. Tässä tapauksessa kaikki proteiinit, paitsi yksi, kaksi ribosomaalista ja kuusi tRNA: ta, transkriptoidaan raskaammasta (ulommasta) DNA -juosteesta ja 14 muuta tRNA: ta ja yksi proteiini transkriboidaan kevyemmästä (sisäisestä) juosteesta.

Tätä taustaa vasten kasvien mitokondrioiden genomi on paljon suurempi ja voi saavuttaa 370 000 nukleotidiparia, mikä on noin 20 kertaa suurempi kuin edellä kuvattu ihmisen mitokondrioiden genomi. Tässä geenien määrä on myös noin 7 kertaa suurempi, minkä lisäksi kasvien mitokondrioissa esiintyy muita elektroninsiirtoreittejä, jotka eivät liity ATP -synteesiin.

Mitokondrioiden DNA replikoituu interfaasissa, joka on osittain synkronoitu DNA: n replikaation kanssa ytimessä. Solusyklin aikana mitokondriot jakautuvat kahtia supistuksella, jonka muodostuminen alkaa rengasmaisella urilla mitokondrioiden sisäkalvolla. Yksityiskohtainen tutkimus mitokondriogenomin nukleotidisekvenssistä mahdollisti sen, että eläinten ja sienien mitokondrioissa poikkeamat yleisestä geneettisestä koodista ovat yleisiä. Siten ihmisen mitokondrioissa TAT -kodoni isoleusiinin sijasta standardikoodissa koodaa aminohappo metioniinia, TCT- ja TCC -kodonit, jotka yleensä koodaavat arginiinia, ovat stop -kodoneja ja AST -kodoni, joka on standardikoodin pysäytyskodoni , koodaa aminohappoa metioniinia. Mitä tulee kasvien mitokondrioihin, näyttää siltä, ​​että ne käyttävät yleistä geneettistä koodia. Toinen mitokondrioiden piirre on tRNA -kodonien tunnistaminen, joka koostuu siitä, että yksi tällainen molekyyli ei kykene tunnistamaan yhtä, vaan kolme tai neljä kodonia kerralla. Tämä ominaisuus vähentää kolmannen nukleotidin merkitystä kodonissa ja johtaa siihen, että mitokondriot vaativat pienemmän valikoiman tRNA -tyyppejä. Tässä tapauksessa vain 22 erilaista tRNA: ta riittää.

Mitokondrioilla on oma geneettinen laite, ja niillä on myös oma proteiinisynteesijärjestelmä, jonka ominaisuus eläinten ja sienien soluissa on hyvin pieniä ribosomeja, joille on ominaista sedimentaatiokerroin 55S, joka on jopa pienempi kuin 70-luvun ribosomien prokaryoottinen tyyppi. Tässä tapauksessa kaksi suurta ribosomaalista RNA: ta ovat myös pienempiä kuin prokaryooteissa, ja pieni rRNA puuttuu kokonaan. Kasvien mitokondrioissa päinvastoin ribosomit ovat kooltaan ja rakenteeltaan samankaltaisempia kuin prokaryoottiset.

DNA: n ominaisuudet ja toiminnot.

DNA tai deoksiribonukleiinihappo on tärkein perinnöllinen materiaali, jota esiintyy kaikissa kehon soluissa, ja siihen liittyy pääasiassa solun toimintojen, kasvun, lisääntymisen ja kuoleman sininen sinetti. DNA-rakennetta, jota kutsutaan kaksijuosteiseksi kierteiseksi rakenteeksi, kuvasivat ensimmäisen kerran Watson ja Crick vuonna 1953.

Siitä lähtien DNA: n synteesissä, sekvensoinnissa ja käsittelyssä on edistytty valtavasti. Nykyään DNA voidaan virtualisoida tai analysoida pieniä asioita varten ja jopa geenejä voidaan lisätä DNA: n toiminnan ja rakenteen muutosten käynnistämiseksi.

Perinnöllisen materiaalin päätarkoitus on perinnöllisen tiedon tallentaminen, jonka perusteella fenotyyppi muodostetaan. Suurin osa organismin ominaisuuksista ja ominaisuuksista johtuu eri toimintoja suorittavien proteiinien synteesistä, joten tiedot erittäin erilaisten proteiinimolekyylien rakenteesta, joiden spesifisyys riippuu myös aminohappojen laadullisesta ja määrällisestä koostumuksesta kuten niiden järjestyksessä peptidiketjussa, on kirjattava perinnölliseen materiaaliin. Näin ollen proteiinien aminohappokoostumus on koodattava nukleiinihappomolekyyleihin.
Jo 50 -luvun alussa ehdotettiin menetelmää geneettisen tiedon tallentamiseksi, jossa yksittäisten aminohappojen koodaus proteiinimolekyylissä olisi suoritettava käyttämällä tiettyjä neljän eri nukleotidin yhdistelmiä DNA -molekyylissä. Yli 20 aminohapon salaamiseen vaadittava määrä yhdistelmiä saadaan vain triplettikoodilla, eli koodilla, joka sisältää kolme vierekkäistä nukleotidia. Tässä tapauksessa neljän typpipitoisen emäksen yhdistelmien lukumäärä, kukin kolme, on 41 = 64. Oletus geneettisen koodin kolminkertaisuudesta vahvistettiin myöhemmin kokeellisesti, ja ajanjaksolla 1961–1964 löydettiin salaus, jonka avulla joista aminohappojen järjestys on kirjoitettu peptidin nukleiinihappomolekyyleihin.
Pöydästä. 6, että 64 kolmosesta 61 kolmosta koodaa yhtä tai toista aminohappoa ja yksittäisiä aminohappoja salaa useampi kuin yksi tripletti tai kodoni (fenyylialaniini, leusiini, valiini, seriini jne.). Useat kolmoset eivät koodaa aminohappoja, ja niiden toiminnot liittyvät proteiinimolekyylin terminaalisen alueen nimeämiseen.
Nukleiinihappomolekyyliin tallennettujen tietojen lukeminen suoritetaan peräkkäin, yhdessä Donin kanssa kodonilla, niin että jokainen nukleotidi on osa vain yhtä triplettiä.
Geneettisen koodin tutkimus elävissä organismeissa, joilla on eri organisaatiotasot, on osoittanut tämän mekanismin universaalisuuden tietojen tallentamiseen elävään luontoon.
Niinpä 1900 -luvun puolivälin tutkimus paljasti mekanismin perinnöllisen tiedon tallentamiseksi nukleiinihappomolekyyleihin käyttämällä biologista koodia, jolle on tunnusomaista seuraavat ominaisuudet: a) tripletti - aminohapot salataan nukleotidien - kodonien tripleteillä; b) spesifisyys - jokainen tripletti koodaa vain tiettyä aminohappoa; c) yleismaailmallisuus - kaikissa elävissä organismeissa samat aminohapot koodaavat samat kodonit; d) rappeutuminen - monet aminohapot on salattu useammalla kuin yhdellä tripletillä; e) ei päällekkäisiä - tiedot luetaan peräkkäin kolminkertaisesti: AAGTSTCTSAGTSTSAT.

Biologisten tietojen kirjaamisen ja tallentamisen lisäksi perinnöllisen materiaalin tehtävänä on sen lisääntyminen ja siirtäminen uudelle sukupolvelle solujen ja organismien lisääntymisprosessissa. Tämän perinnöllisen materiaalin toiminnon suorittavat DNA -molekyylit sen uudelleenkehittymisprosessissa, ts. Rakenteen ehdottoman tarkassa toistossa täydentävyyden periaatteen täytäntöönpanon vuoksi (ks. Kohta 2.1).
Lopuksi perinnöllisen materiaalin kolmas tehtävä, jota edustavat DNA -molekyylit, on tarjota erityisiä prosesseja sen sisältämien tietojen toteuttamisen aikana. Tämä toiminto suoritetaan osallistumalla erilaisiin RNA -tyyppeihin, jotka tarjoavat translaatioprosessin, toisin sanoen sytoplasmassa esiintyvän proteiinimolekyylin kokoamisen ytimestä saatujen tietojen perusteella (katso 2.4). Ytimen kromosomeihin DNA -molekyylien muodossa tallennettujen perinnöllisten tietojen toteuttamisen aikana erotetaan useita vaiheita.
1. Tietojen lukeminen DNA -molekyylistä mRNA -synteesiprosessissa - transkriptio, joka suoritetaan yhdellä DNA -kodogeenisen ketjun kaksoiskierukan säikeellä täydentävyyden periaatteen mukaisesti (katso 2.4).
2. Transkriptiotuotteen valmistelu sytoplasmaan vapautumista varten - mRNA -kypsyminen.
3. Kokoonpano aminohappojen peptidiketjun ribosomeihin mRNA -molekyyliin tallennettujen tietojen perusteella, kuljetus -tRNA -translaation mukana (katso 2.4).
4. Toissijaisten, tertiääristen ja kvaternaaristen proteiinirakenteiden muodostuminen, mikä vastaa toimivan proteiinin muodostumista (yksinkertainen ominaisuus).
5. Monimutkaisen piirteen muodostuminen useiden geenien tuotteiden (proteiini-entsyymit tai muut proteiinit) osallistumisen seurauksena biokemiallisiin prosesseihin.

DNA: n kaksoiskierukan rakenne, jota pitävät yhdessä vain vetysidokset, voidaan helposti tuhota. Polynukleotidi -DNA -ketjujen väliset vetysidokset voidaan katkaista voimakkaasti emäksisissä liuoksissa (pH: ssa> 12,5) tai kuumentamalla. Tämän jälkeen DNA -juosteet erotetaan kokonaan. Tätä prosessia kutsutaan DNA: n denaturoimiseksi tai sulamiseksi.

Denaturointi muuttaa joitain DNA: n fysikaalisia ominaisuuksia, kuten sen optista tiheyttä. Typpiemäkset absorboivat valoa ultraviolettialueella (korkeintaan lähellä 260 nm). DNA absorboi valoa lähes 40% vähemmän kuin saman koostumuksen vapaiden nukleotidien seos. Tätä ilmiötä kutsutaan hypokromiseksi vaikutukseksi, ja se johtuu emästen vuorovaikutuksesta, kun ne sijaitsevat kaksoiskierressä.

Kaikki poikkeamat kaksijuosteisesta tilasta vaikuttavat tämän vaikutuksen suuruuden muutokseen, ts. optinen tiheys muuttuu kohti vapaiden emästen ominaisarvoa. Siten DNA: n denaturointia voidaan havaita muuttamalla sen optista tiheyttä.

Kun DNA: ta kuumennetaan, sen alueen keskilämpötilaa, jolla DNA -säikeet erotetaan, kutsutaan sulamispisteeksi ja nimetään T: ksi. pl... Liuoksessa T pl Yleensä lämpötila on 85-95 ° C. DNA: n sulamiskäyrällä on aina sama muoto, mutta sen sijainti lämpötila -asteikolla riippuu emäksen koostumuksesta ja denaturointiolosuhteista (kuva 1). Kolmen vetysidoksen yhdistämät G-C-parit ovat tulenkestävämpiä kuin AT-parit, joissa on kaksi vetysidosta, joten kun G-C-nap-pitoisuus kasvaa, T: n arvo pl kasvaa. DNA, 40% koostuu G-C: stä (ominaista nisäkkäiden genomille), denaturoi klo T pl noin 87 ° C, kun taas 60% G-C: tä sisältävässä DNA: ssa on T pl
noin 95 ° C.

Liuoksen ionivahvuus vaikuttaa DNA: n denaturoinnin lämpötilaan (emästen koostumusta lukuun ottamatta). Lisäksi mitä korkeampi yksiarvoisten kationien pitoisuus, sitä suurempi T pl... T -arvo pl muuttuu myös suuresti, kun DNA -liuokseen lisätään aineita, kuten formamidia (muurahaishappoamidi HCONH2), joka
epävakauttaa vetysidoksia. Sen läsnäolon avulla voit vähentää T: tä pl, jopa 40 ° C.

Denaturointiprosessi on palautuva. Ilmiötä kaksoiskierukan rakenteen palauttamisesta, joka perustuu kahteen komplementaarisen juosteen erottamiseen, kutsutaan DNA: n renaturaatioksi. Renaturaation suorittamiseksi riittää yleensä denaturoidun DNA -liuoksen paineistaminen.

Renaturaatioon liittyy kaksi toisiaan täydentävää sekvenssiä, jotka erotettiin denaturoinnin aikana. Kuitenkin kaikki komplementaariset sekvenssit, jotka kykenevät muodostamaan kaksijuosteisen rakenteen, voidaan relatuloida uudelleen. Jos yhdessä. eri pisteistä peräisin oleva yksijuosteinen DNA hehkutetaan, sitten kaksijuosteisen DNA-rakenteen muodostumista kutsutaan hybridisaatioksi.

Samankaltaista tietoa.