Митохондриите содржат кружна ДНК. Истражување за митохондријална ДНК. Својства и функции на ДНК

Зошто на митохондриите им е потребна сопствена ДНК? Иако зошто симбионтите не треба да имаат своја ДНК во себе, произведувајќи с everything што им треба на самото место? Зошто тогаш да се пренесе дел од митохондријалната ДНК во клеточното јадро, создавајќи потреба за транспорт на генски производи во митохондрии? Зошто митохондриите се пренесуваат само од еден родител? Како митохондриите добиени од мајката се сложуваат со геномот на клетката, составен од ДНК на мајката и таткото? Колку повеќе луѓе учат за митохондриите, толку повеќе прашања се наметнуваат.

Сепак, ова не се однесува само на митохондриите: во која било област на која било наука, проширувањето на сферата на знаењето само доведува до зголемување на неговата површина во контакт со непознатото, предизвикувајќи с and повеќе прашања, одговорите на кои ќе проширете ја истата сфера со ист предвидлив резултат.

Значи, ДНК на модерните митохондрии се дистрибуира многу чудно: мал дел од гените се содржани директно во митохондриите на кружниот хромозом (поточно, во неколку копии од истиот хромозом во секој митохондрион), и повеќето од нацртите за производство на митохондријалните состојки се складираат во клеточното јадро. Затоа, копирањето на овие гени се случува истовремено со копирањето на геномот на целиот организам, а производите произведени од нив одат далеку од цитоплазмата на клетката во митохондриите. Како и да е, на многу начини е погодно: митохондриите се ослободуваат од потребата да ги копираат сите овие гени за време на репродукцијата, да ги читаат и да градат протеини и други компоненти, фокусирајќи се на неговата главна функција за производство на енергија. Тогаш, зошто постои мала ДНК во митохондриите, за чијашто одржување се потребни сите овие механизми, ослободување од кои митохондриите би можеле да фрлат уште повеќе ресурси за главната цел на нивното постоење?

Отпрвин, се претпоставуваше дека ДНК што останува во митохондриите е атавизам, наследство на про-митохондриите апсорбирани од метаноген, кој има комплетен бактериски геном. На почетокот на нивната симбиоза, и покрај постоењето во јадрото на тие митохондријални гени ( м-гени), кои беа неопходни за одржување удобна средина за про-митохондрии во внатрешноста на метаногенот (ова е детално опишано во делот за митохондрии), истите гени се чуваат во секоја од митохондриите. Промитохондриите на почетокот на својот живот како симбион изгледаа приближно исто како и модерната бактерија на дијаграмот лево од овој став.

И многу бавно, поради недостаток на побарувачка, овие гени исчезнаа од митохондријалниот хромозом како резултат на разновидни мутации. Но, јадрото на клетката акумулираше се повеќе и повеќе m-гени кои влегоа во цитоплазмата од уништените симбионти-митохондрии и се интегрираа во геномот на еукариотската химера. Штом почна да се чита новоизградениот m-ген, клеточните механизми ги произведуваат производите неопходни за митохондрии, ослободувајќи ги симбионтите од нивното независно создавање. Ова значи дека митохондријалниот аналог на генот што преминал во јадрото повеќе не бил одржуван во работна состојба со природна селекција и бил избришан со мутации на ист начин како и сите претходни. Затоа, би било логично да се претпостави дека наскоро оние гени што се уште се во митохондриите ќе поминат во јадрото, што ќе доведе до голема енергетска корист за еукариотите: на крајот на краиштата, може да се отстранат тешките механизми за копирање, читање и поправање на ДНК од секој митохондрион, и така с everything што ви треба за да создадете протеини.

Откако дошле до овој заклучок, научниците пресметале колку време било потребно за сите гени да мигрираат преку природно поместување од митохондриите до јадрото. И се покажа дека овој период одамна помина. Во времето на појавата на еукариотската клетка, митохондриите имале заеднички бактериски геном од неколку илјади гени (научниците утврдиле што е овој геном со проучување на г-г-те пренесени во јадрото кај различни организми), а сега и митохондрии од сите видови на еукариотите загубиле од 95 до 99,9% од своите гени. Никој не оставил повеќе од сто гени во митохондриите, но никој нема ниту митохондрии без гени. Ако случајноста одигра клучна улога во овој процес, тогаш барем неколку видови веќе би го поминале патот на трансфер на гени до јадрото до крај. Но, тоа не се случи, и митохондриите на различни видови проучени во моментот, губејќи ги своите гени независно еден од друг, го задржаа истиот сет од нив, што директно укажува на потребата за присуство токму на овие гени во митохондриите.

Покрај тоа, другите органели на клетки кои произведуваат енергија, хлоропластите, исто така, имаат своја ДНК, и на ист начин хлоропластите од различни видови еволуирале паралелно и независно, секој со ист сет на гени.

Ова значи дека сите оние значајни непријатности во одржувањето на сопствениот геном во секој клеточен митохондрион (и во просек, една клетка содржи неколку стотини!) И обемниот апарат за копирање-исправување-преведување (главниот, но не сите!) Се надминати од нешто.

И во моментов постои конзистентна теорија за ова „нешто“: способноста да се произведат одредени детали за митохондриумот директно внатре, потребно е да се регулира стапката на дишење и да се прилагодат процесите што се случуваат во митохондриите на секоја минута што ги менува потребите на целиот организам.

Замислете дека на една од стотиците митохондрии на една клетка одеднаш му недостасуваат елементите на респираторниот синџир (видете ги деталите за тоа), или нема доволно АТП синтези во неа. Излезе дека е или преоптоварено со храна и кислород и не може да ги обработи доволно брзо, или неговиот меѓумембрански простор се распрснува со протони кои немаат каде да одат - воопшто целосна катастрофа. Се разбира, сите овие отстапувања од идеалната животна ситуација предизвикуваат повеќе сигнали насочени кон израмнување на ролната на бродот што тоне.

Овие сигнали предизвикуваат производство на токму оние делови што недостасуваат во митохондриите во моментот, активирајќи го читањето на гените со кои се градат протеините. Штом митохондринот има доволно компоненти на респираторниот синџир или АТПази, „ролната ќе се изедначи“, сигналите за потребата од изградба на нови делови ќе престанат да доаѓаат и гените повторно ќе се исклучат. Ова е едно од изненадувачки елегантните во својата едноставност неопходни механизми за саморегулација на клетката, и најмало прекршување на тоа доведува до сериозна болест или дури и неодржливост на организмот.

Ајде да се обидеме логично да утврдиме каде треба да се лоцираат гените неопходни за да одговорат на овој сигнал за вознемиреност. Замислете ја ситуацијата кога овие гени се наоѓаат во јадрото на клетката што содржи неколку стотини митохондрии. Во една од митохондриите, на пример, недостаток на NADH дехидрогеназа: првиот ензим во респираторниот синџир, чија улога е да соголи два електрони од молекулата NADH, да ги пренесе на следниот ензим и да пумпа 2-4 протони низ мембраната.

Всушност, ваквите недостатоци на секој ензим се случуваат доста често, бидејќи тие периодично пропаѓаат, количината на консумирана храна постојано се менува, потребите на клетката за АТП, исто така, скокаат по скокови или чувства на телото што ја содржи оваа клетка. Затоа, ситуацијата е многу типична. И така, митохондрионот емитува сигнал: "Треба да изградиме повеќе NADH дехидрогеназа!" Според клеточните стандарди, времето на транзит на овој сигнал е многу значајно, а всушност исто така е неопходно да се повлече изградената гласник РНК од јадрото во цитоплазмата, да се создадат протеини од него, да се испратат до митохондриите ...

И тука се појавува проблем што е многу позначаен од губењето дополнително време: при создавање специјализирани митохондријални протеини, тие се означени со сигнал „достави до митохондриите“, но кој? Непознато. Затоа, секоја од неколку стотини митохондрии започнува да прима протеини што не им се потребни. Cellелијата троши ресурси за нивно производство и испорака, митохондриите се полни со дополнителни респираторни синџири (што доведува до неефикасност на респираторните процеси), а единствените митохондрии на кои им се потребни овие протеини не ги прима во доволни количини, бидејќи добива, во најдобар случај , стотинка од произведената. Затоа, таа продолжува да испраќа сигнали за вознемиреност и хаосот продолжува. Дури и од овој лирски и површен опис на она што се случува, јасно е дека таквата ќелија не е остварлива. И дека постојат гени што мора да се прочитаат и преведат директно во митохондриите за да се регулираат процесите што се случуваат во него, а не да се потпираат на планот за производство на нокти лансиран од страната на јадрото ... односно протеините на респираторниот синџир за сите митохондрии одеднаш.

Откако проверивме што точно произведуваат различните организми што остануваат во митохондриите (и затоа ги преместуваат г-гените во јадрото независно еден од друг), откривме дека ова се елементите за изградба на респираторни синџири и АТПаза, како и рибозоми (односно главниот дел апарат за емитување).

Можете да прочитате повеќе за ова (и не само) на Лејн во „Енергија, секс, самоубиство: Митохондрии и смислата на животот“... Па, можете едноставно да го споредите митохондријалниот ДНК дијаграм, каде што кодираните производи се декодираат (десно од овој став), со дијаграмот на респираторниот синџир (погоре), за да стане јасно што точно се произведува во митохондриите. Се разбира, не секој протеин вметнат во овој синџир се произведува локално; некои од нив се изградени во цитоплазмата на клетката. Но, главните „сидра“ за кои се држат останатите делови се создадени во внатрешноста на митохондриите. Тоа ви овозможува да произведете точно онолку ензими колку што е потребно, и точно таму каде што се потребни.

Како митохондриите се поврзани со сексот и како различни геноми коегзистираат во една клетка, ќе напишам во едно од следните поглавја од оваа линија.

Вовед

Помина четврт век од откривањето на молекулите на ДНК во митохондриите пред молекуларните биолози и цитолози да се заинтересираат за нив, како и генетичарите, еволуционистите, како и палеонтолозите и форензичарите. Таков широк интерес предизвика работата на А. Вилсон од Универзитетот во Калифорнија. Во 1987 година, тој ги објави резултатите од споредбената анализа на ДНК на митохондриите земени од 147 претставници на различни етнички групи од сите човечки раси кои живеат на пет континенти. Според видот, локацијата и бројот на индивидуални мутации, утврдено е дека целата митохондријална ДНК произлегува од една низа нуклеотидни низи со дивергенција. Во псевдо -научниот печат, овој заклучок беше толкуван на крајно поедноставен начин - целото човештво потекнува од една жена, наречена митохондријална Ева (бидејќи и ќерките и синовите добиваат митохондрии само од нивната мајка), која живеела во Североисточна Африка околу 200 илјади пред години ... По уште 10 години, беше можно да се дешифрира фрагмент од митохондријална ДНК изолирана од неандерталските оси и да се процени животниот век на последниот заеднички предок на човекот и Неандерталците пред 500 илјади години.

Денес, човечката митохондријална генетика интензивно се развива и во популацијата и во медицинскиот аспект. Воспоставена е врска помеѓу голем број тешки наследни заболувања и дефекти во митохондријалната ДНК. Генетските промени поврзани со стареењето се најизразени во митохондриите. Што е митохондријален геном, кој се разликува кај луѓето и другите животни од оној кај растенијата, габите и протозоите по големина, форма и генетски капацитет? Која е улогата, како функционира и како настанал митохондријалниот геном кај различни таксони воопшто и особено кај луѓето? Ова е она што ќе се дискутира во мојот „најмал и најскромен“ есеј.

Во прилог на ДНК, митохондријалната матрица содржи свои рибозоми, кои се разликуваат по многу карактеристики од еукариотските рибозоми лоцирани на мембраните на ендоплазматскиот ретикулум. Сепак, на рибозомите на митохондриите, не се формираат повеќе од 5% од сите протеини што го сочинуваат нивниот состав. Повеќето протеини што ги сочинуваат структурните и функционалните компоненти на митохондриите се кодирани од нуклеарниот геном, синтетизирани на рибозомите на ендоплазматскиот ретикулум и транспортирани преку неговите канали до местото на склопување. Така, митохондриите се резултат на комбинираните напори на два генома и две машини за транскрипција и превод. Некои субединички ензими на митохондријалниот респираторен ланец се составени од различни полипептиди, од кои некои се кодирани од нуклеарниот, а некои од митохондријалниот геном. На пример, клучниот ензим на оксидативна фосфорилација, цитохром c оксидаза во квасец, се состои од три подединици кодирани и синтетизирани во митохондрии и четири кодирани во клеточното јадро и синтетизирани во цитоплазмата. Изразот на повеќето митохондријални гени е контролиран од специфични гени во јадрото.

Симбиотска теорија за потеклото на митохондриите

Хипотезата за потеклото на митохондриите и растителните пластиди од интрацелуларните бактерии-ендосимбиони била изразена од Р. Алтман уште во 1890 година. Во текот на векот на брзиот развој на биохемијата, цитологијата, генетиката и молекуларната биологија што се појави пред половина век, хипотезата се зголеми во теорија базирана на голема количина фактички материјал ... Нејзината суштина е следна: со појавата на фотосинтеза бактерии, кислородот се акумулира во атмосферата на Земјата - нус -производ на нивниот метаболизам. Со зголемување на неговата концентрација, животот на анаеробните хетеротрофи стана потежок, а некои од нив, за да добијат енергија, поминаа од аноксична ферментација на оксидативна фосфорилација. Ваквите аеробни хетеротрофи може, со поголема ефикасност од анаеробните бактерии, да ја разложат органската материја формирана како резултат на фотосинтезата. Некои од слободните аероби беа заробени од анаероби, но не „сварени“, туку зачувани како енергетски станици, митохондрии. Митохондриите не треба да се гледаат како робови заробени да ги снабдуваат клетките со АТП молекули кои не можат да дишат. Наместо тоа, тие се „суштества“ кои, уште во Пртерозоикот, го најдоа најдоброто засолниште за себе и за своите потомци, каде што можете да потрошите најмалку напор без да ризикувате да ве изедат.

Бројни факти зборуваат во корист на симбиотската теорија:

Големините и облиците на митохондриите и аеробните бактерии кои живеат слободно се исти; и двете содржат кружни молекули на ДНК кои не се поврзани со хистони (за разлика од линеарната нуклеарна ДНК);

Во однос на нуклеотидните секвенци, рибозомните и транспортните РНК на митохондриите се разликуваат од нуклеарните, додека демонстрираат изненадувачка сличност со аналогни молекули на некои аеробни грам-негативни еубактерии;

Митохондријалните РНК полимерази, иако кодирани во клеточното јадро, се инхибирани од рифампицин, како и бактериските, а еукариотските РНК полимерази се нечувствителни на овој антибиотик;

Протеинската синтеза во митохондриите и бактериите е потисната од истите антибиотици кои не влијаат на рибозомите на еукариотите;

Липидниот состав на внатрешната мембрана на митохондриите и бактериската плазмалема е сличен, но многу различен од оној на надворешната мембрана на митохондриите, која е хомолошка со другите мембрани на еукариотските клетки;

Криста, формирана од внатрешната митохондријална мембрана, се еволутивни аналози на мезозомните мембрани на многу прокариоти;

До сега, организмите преживеаја што имитираат средни форми на патот кон формирање на митохондрии од бактерии (примитивна амеба Пеломиксанема митохондрии, но секогаш содржи ендосимбиотски бактерии).

Постои идеја дека различни кралства на еукариотите имале различни предци и ендосимбиоза на бактерии се појавила во различни фази на еволуцијата на живите организми. Ова е потврдено и со разликите во структурата на митохондријалните геноми на протозои, габи, растенија и повисоки животни. Но, во сите случаи, главниот дел од гените од промитохондриите влегоа во јадрото, веројатно со помош на мобилни генетски елементи. Кога дел од геномот на еден од симбионтите е вклучен во геномот на другиот, интеграцијата на симбионтите станува неповратна. Новиот геном може да создаде метаболички патишта што водат до формирање на корисни производи кои не можат да се синтетизираат од ниту еден од партнерите поединечно. Така, синтезата на стероидните хормони од клетките на надбубрежниот кортекс е комплексен синџир на реакции, од кои некои се случуваат во митохондриите, а некои во ендоплазматскиот ретикулум. Со фаќањето на гените на промитохондриите, јадрото можеше сигурно да ги контролира функциите на симбионтот. Во јадрото, сите протеини и синтеза на липиди на надворешната мембрана на митохондриите, повеќето протеини на матрицата и внатрешната мембрана на органелите се кодирани. Што е најважно, јадрото ги кодира ензимите на репликација, транскрипција и превод на mtDNA, со што се контролира растот и репродукцијата на митохондриите. Стапката на раст на симбиотските партнери треба да биде приближно иста. Ако домаќинот расте побрзо, тогаш со секоја генерација бројот на симбиони по поединец ќе се намали, и, на крајот, ќе се појават потомци без митохондрии. Знаеме дека секоја клетка на организмот што се репродуцира сексуално содржи многу митохондрии, кои ја повторуваат нивната ДНК во интервалот помеѓу поделбите на домаќинот. Ова гарантира дека секоја од ќерките ќелии ќе добие барем една копија од митохондријалниот геном.

Улогата на клеточното јадро во митохондријалната биогенеза

Одреден тип на мутантен квасец има екстензивно бришење во митохондријалната ДНК, што доведува до целосен прекин на синтезата на протеините во митохондриите; како резултат на тоа, овие органели не се во состојба да ја извршуваат својата функција. Бидејќи, кога растат на медиум со ниска содржина на гликоза, таквите мутанти формираат мали колонии, тие се нарекуваат цитоплазматски мутантамиубава фигура.

Иако ситните мутанти немаат митохондријална протеинска синтеза и затоа не формираат нормални митохондрии, сепак таквите мутанти содржат промитохондрија,кои, до одреден степен, се слични на обичните митохондрии, имаат нормална надворешна мембрана и внатрешна мембрана со слабо развиени кристи. Во промитохондриите има многу ензими кодирани со нуклеарни гени и синтетизирани на рибозомите на цитоплазмата, вклучувајќи ДНК и РНК полимераза, сите ензими од циклусот на лимонска киселина и многу протеини што ја сочинуваат внатрешната мембрана. Ова јасно ја покажува доминантната улога на нуклеарниот геном во митохондријалната биогенеза.

Интересно е да се напомене дека иако изгубените фрагменти на ДНК сочинуваат 20 до повеќе од 99,9% од митохондријалниот геном, вкупната количина на митохондријална ДНК кај ситните мутанти секогаш останува на исто ниво како кај дивиот тип. Ова се должи на с still уште слабо проучениот процес на засилување на ДНК, како резултат на што се формира молекула на ДНК, која се состои од тандемски повторувања од истиот регион и еднаква по големина со нормална молекула. На пример, митохондријалната ДНК на малиот мутант, која задржува 50% од нуклеотидната низа на ДНК од див тип, ќе се состои од две повторувања, додека молекула која задржува само 0,1% геномот од див тип ќе биде изграден од 1000 копии од преостанатиот фрагмент. Така, ситните мутанти може да се користат за да се добијат во голем број одредени делови од митохондријалната ДНК, кои, може да се каже, се клонирани од самата природа.

Иако биогенезата на органелите се контролира главно од нуклеарни гени, самите органели, судејќи според некои податоци, имаат некакво регулаторно влијание врз принципот на повратна информација; во секој случај, ова е случај со митохондриите. Ако ја блокирате синтезата на протеините во митохондриите на недопрени клетки, тогаш ензимите вклучени во митохондријалната синтеза на ДНК, РНК и протеини почнуваат да се формираат вишок во цитоплазмата, како клетката да се обидува да го надмине ефектот на блокирачки агенс. Но, иако постоењето на некаков сигнал од митохондриите не е под сомнение, неговата природа с still уште не е позната.

Од голем број причини, механизмите за митохондријална биогенеза сега се изучуваат во повеќето случаи во културите Сахаромици carlsbergensis(пивски квасец и С. церевизија(пекарски квасец). Прво, кога растат на гликоза, овие квасци покажуваат единствена способност да постојат само преку гликолиза, односно без митохондријална функција. Ова овозможува да се проучат мутации во митохондријалната и нуклеарната ДНК кои го спречуваат развојот на овие органели. Ваквите мутации се смртоносни кај речиси сите други организми. Второ, квасецот - едноставни едноклеточни еукариоти - е лесен за одгледување и биохемиски тестиран. Конечно, квасецот може да се размножи и во хаплоидната и во диплоидната фаза, обично со асексуален процес на пукање (асиметрична митоза). Но, квасецот има и сексуален процес: од време на време, две хаплоидни клетки се спојуваат, формирајќи диплоиден зигот, кој потоа или се дели со митоза или се подложува на мејоза и повторно дава хаплоидни клетки. Со контролирање на наизменичноста на асексуалната и сексуалната репродукција за време на експериментот, можете да научите многу за гените одговорни за функцијата на митохондриите. Користејќи ги овие методи, можно е, особено, да се открие дали таквите гени се локализирани во нуклеарна или митохондријална ДНК, бидејќи мутациите на митохондријалните гени не се наследуваат според законите на Мендел, кои го регулираат наследувањето на нуклеарните гени.

Митохондријални транспортни системи

Повеќето протеини содржани во митохондриите и хлоропластите се увезени во овие органели од цитозолот. Ова покренува две прашања: како клетката ги насочува протеините кон соодветната органела и како овие протеини влегуваат во неа?

Делумен одговор беше добиен при проучување на транспортот на малата субединица (С) на ензимот во хлоропластичната строма рибулоза-1,5-бисфосфат-карбоксимрзелив.Ако mRNA е изолирана од цитоплазмата на едноклеточна алга Кламидомонасили од лисја од грашок, воведени како матрица во систем за синтетизирање протеини ин витро, тогаш еден од многуте формирани протеини ќе биде врзан со специфично анти-С-антитело. С-протеинот синтетизиран ин витро се нарекува про-С, бидејќи е поголем од обичниот С-протеин за околу 50 остатоци од аминокиселини. Кога про-С протеинот е инкубиран со непроменети хлоропласти, тој продира во органели и таму се претвора под дејство на пептидаза во С-протеин. Потоа, S-протеинот се врзува за големата подединица на рибулоза-1,5-бисфосфат карбоксилаза, синтетизирана на рибозомите на хлоропластот и формира активен ензим со него во стромата на хлоропластот.

Механизмот на трансфер на S-протеини е непознат. Се верува дека про-С се врзува за рецепторниот протеин сместен на надворешната мембрана на хлоропластот или на местото на контакт помеѓу надворешната и внатрешната мембрана, а потоа се транспортира до стромата преку трансмембрански канали како резултат на енергија- интензивен процес.

Протеините се транспортираат во митохондрии на сличен начин. Ако прочистените митохондрии од квасец се инкубираат со екстракт од клетки што содржат ново синтетизирани радиоактивни протеини од квасец, може да се забележи дека митохондријалните протеини кодирани од нуклеарниот геном се одделени од немитохондријалните протеини на цитоплазмата и селективно се инкорпорираат во митохондриите, исто како и тие. во недопрена ќелија. Во овој случај, протеините на надворешната и внатрешната мембрана, матрицата и меѓумембранскиот простор го наоѓаат својот пат до соодветниот митохондријален оддел.

Многу од ново синтетизираните протеини наменети за внатрешната мембрана, матрицата и меѓумембранскиот простор имаат лидерски пептид на нивниот N-терминал, кој се расцепува со специфична протеаза во матрицата за време на транспортот. Преносот на протеини во овие три митохондријални оддели бара енергија од електрохемиски градиент на протонот создаден низ внатрешната мембрана. Механизмот на пренос на протеини за надворешната мембрана е различен: во овој случај, не е потребна ниту потрошувачка на енергија, ниту протеолитичко расцепување на подолгиот претходник на протеинот. Овие и други набудувања сугерираат дека сите четири групи митохондријални протеини се транспортираат во органелата користејќи го следниот механизам: се претпоставува дека сите протеини, освен оние наменети за надворешната мембрана, се вклучени во внатрешната мембрана како резултат на процес што бара потрошувачка на енергија и се јавува во контактните точки на надворешната и внатрешната мембрана. Очигледно, по ова првично вклучување на протеинот во мембраната, тој се подложува на протеолитичко расцепување, што доведува до промена на неговата конформација; во зависност од тоа како се менува конформацијата, протеинот е или фиксиран во мембраната или се „турка“ во матрицата или во меѓумембранскиот простор.

Трансферот на протеини низ мембраните на митохондриите и хлоропластите, во принцип, е аналогно на нивниот трансфер низ мембраните на ендоплазматскиот ретикулум. Сепак, тука има неколку важни разлики. Прво, кога се транспортира до матрицата или стромата, протеинот минува низ надворешната и внатрешната мембрана на органелата, додека кога се транспортира во луменот на ендоплазматскиот ретикулум, молекулите минуваат низ само една мембрана. Покрај тоа, трансферот на протеини во ретикулумот се врши со помош на механизмот насочно отстранување(векторски исцедок) - започнува кога протеинот с yet уште не го напуштил целосно рибозомот (ко-преведувачки увоз),а трансферот во митохондрии и хлоропласти се случува откако синтезата на протеинската молекула е целосно завршена (пост-преведувачки увоз).

И покрај овие разлики, во двата случаи, клетката синтетизира прекурсор протеини што содржат сигнална секвенца која одредува кон која мембрана е насочен дадениот протеин. Очигледно, во многу случаи, оваа секвенца е расцепена од претходната молекула по завршувањето на транспортниот процес. Сепак, некои протеини веднаш се синтетизираат во нивната конечна форма. Се верува дека во такви случаи низата сигнали е содржана во полипептидниот синџир на конечниот протеин. Секвентните секвенци с still уште се слабо разбрани, но веројатно мора да има неколку видови на такви секвенци, од кои секоја го одредува преносот на протеинска молекула во одреден регион на клетката. На пример, во растителна клетка, некои протеини, чија синтеза започнува во цитозолот, потоа се транспортираат во митохондрии, други во хлоропласти, други во пероксизоми, а трети во ендоплазматичен ретикулум. Сложените процеси што водат до правилна интрацелуларна распределба на протеините дури сега се разбираат.

Покрај нуклеинските киселини и протеини, потребни се и липиди за изградба на нови митохондрии. За разлика од хлоропластите, митохондриите ги добиваат повеќето од нивните липиди однадвор. Во животинските клетки, фосфолипидите синтетизирани во ендоплазматскиот ретикулум се транспортираат до надворешната мембрана на митохондриите со помош на специјални протеини, а потоа се инкорпорираат во внатрешната мембрана; се верува дека ова се случува на местото на контакт помеѓу двете мембрани. Главната реакција на биосинтезата на липидите, катализирана од самите митохондрии, е конверзија на фосфатидна киселина во фосфолипиден кардиолипин, која се наоѓа главно во внатрешната митохондријална мембрана и сочинува околу 20% од сите нејзини липиди.

Големина и форма на митохондријални геноми

До денес се прочитани повеќе од 100 различни митохондријални геноми. Множеството и бројот на нивните гени во митохондријалната ДНК, за кои нуклеотидната секвенца е целосно одредена, се разликуваат многу во различни видови животни, растенија, габи и протозои. Најголем број на гени пронајдени во митохондријалниот геном на протозоите со флагела Ректиномо-америка- 97 гени, вклучително и сите гени што кодираат протеини, пронајдени во mtDNA на други организми. Кај повеќето повисоки животни, митохондријалниот геном содржи 37 гени: 13 за протеините на респираторниот синџир, 22 за tRNA и два за rRNA (за големата рибозомска субединица 16S rRNA и за малата 12S rRNA). Кај растенијата и протозоите, за разлика од животните и повеќето габи, некои протеини што ги сочинуваат рибозомите на овие органели се кодирани во митохондријалниот геном. Клучните ензими на шаблонската синтеза на полинуклеотиди, како што се ДНК полимераза (репликација на митохондријална ДНК) и РНК полимераза (транскрипција на митохондријалниот геном), се кодирани во јадрото и синтетизирани на цитоплазматските рибозоми. Овој факт укажува на релативноста на митохондријалната автономија во сложената хиерархија на еукариотската клетка.

Геномите на митохондриите од различни видови се разликуваат не само во множеството на гени, редоследот на нивната локација и изразување, туку во големината и обликот на ДНК. Огромното мнозинство на митохондријалните геноми опишани денес се кружни превиткани дво-верижни молекули на ДНК. Во некои растенија, заедно со кружни форми, постојат и линеарни, а во некои протозои, на пример, цилијати, се наоѓа само линеарна ДНК во митохондриите.

Како по правило, секој митохондрион содржи неколку копии од неговиот геном. Значи, во клетките на човечкиот црн дроб има околу 2 илјади митохондрии, и во секој од нив има 10 идентични геноми. Во фибробластите на глувците има 500 митохондрии кои содржат два генома, и во клетките на квасецот S. cerevisiae- до 22 митохондрии со четири геноми.

DIV_ADBLOCK1003 ">

Слика 2.Шема на формирање на линеарни (А), кружни (Б), ланци (Ц) mtDNA олигомери. ori - регион на почетокот на репликација на ДНК.

Големината на геномот на митохондриите на различни организми се движи од помалку од 6 илјади базни парови во плазмодиумот на маларија (покрај двата rRNA гени, содржи само три гени што кодираат протеини) до стотици илјади нуклеотидни парови во копнени растенија (на пример, во Arabidopsis thalianaод вкрстеното семејство 366924 основни парови). Во исто време, 7-8 пати разлики во големината на mtDNA на повисоките растенија се наоѓаат дури и во истото семејство. Должината на mtDNA на 'рбетниците малку се разликува: кај луѓето - 16.569 основни парови, кај свиња - 16350, кај делфин - 16330, кај канџиска канџа Ксенопус лаевис- 17533, кај крап- 16400. Овие геноми се слични и во локализацијата на гените, од кои повеќето се лоцирани од крај до крај; во некои случаи тие дури и се преклопуваат, обично со еден нуклеотид, така што последниот нуклеотид на еден ген е првиот во следниот. За разлика од 'рбетниците, кај растенијата, габите и протозоите, mtDNA содржат до 80% од секвенците што не кодираат. Редоследот на гените во митохондријалните геноми се разликува од вид до вид.

Високата концентрација на реактивни видови кислород во митохондриите и слабиот систем за поправка ја зголемуваат фреквенцијата на мутации на mtDNA во споредба со нуклеарната по редослед на големина. Кислородните радикали предизвикуваат специфични замени на C®T (деаминација на цитозин) и GT®T (оксидативно оштетување на гванин), како резултат на што, најверојатно, mtDNA е богата со АТ-парови. Покрај тоа, сите mtDNA имаат интересно својство - тие не се метилирани, за разлика од нуклеарната и прокариотската ДНК. Познато е дека метилацијата (привремена хемиска модификација на нуклеотидната секвенца без нарушување на кодираната функција на ДНК) е еден од механизмите за програмирана инактивација на генот.

Големината и структурата на молекулите на ДНК во органели

Релативната количина на ДНК органели во некои клетки и ткива

Функционирање на митохондријалниот геном

Што е посебно во механизмите на репликација и транскрипција на митохондријалната ДНК на цицачите?

Дополнителни "href =" / text / category / komplementarij / "rel =" bookmark "> комплементарни нишки во mtDNA значително се разликуваат по специфична тежина, бидејќи содржат различни количини на" тешки "пурински и" лесни "нуклеотиди на пиримидин. - H (тежок -тежок) и L (лесен-лесен) ланец. На почетокот на репликацијата на молекулата mtDNA, се формира таканаречената D-јамка (од англиската јамка Displace-ment). Оваа структура, видлива во електронскиот микро -osp, се состои од двонасочни и едножилни (повлечен дел од H-синџирот) делови. крајот на рибонуклеотидното семе, што одговара на точката на започнување на синтезата на H-синџирот (oriH). Синтезата на Л-ланецот започнува само кога ќерката Х-синџир ќе достигне точка ori L. Ова се должи на фактот дека регионот на започнување на репликација на Л-синџирот е достапен за ензими за синтеза на ДНК само во едножилни состојба, и, следствено, само во невртена двојна спирала во синтезата на H-синџирот. Така, насоките на ќерката mtDNA се синтетизираат континуирано и асинхроно (слика 3).

Слика 3.Шема за репликација на mtDNA на цицачи. Прво, се формира D-јамката, потоа се синтетизира синџирот H-синџир, потоа започнува синтезата на L-синџирот на ќерката.

Крај на генот 16S rRNA (слика 4). Има 10 пати повеќе вакви кратки преписи отколку долги. Како резултат на созревање (обработка), од нив се формираат 12S rRNA и 16S rRNA, кои се вклучени во формирањето на митохондријални рибозоми, како и фенилаланин и валинска tRNA. Останатите tRNA се отсекуваат од долгите преписи и се формираат преведени mRNA, на 3 краеви од кои се прикачени низи на полиаденил. Краевите од 5 "на овие mRNA не се покриени, што е невообичаено за еукариотите. Не се јавува спојување (спојување), бидејќи ниту еден од митохондријалните гени на цицачите не содржи интрони.

Слика 4.Транскрипција на човечка mtDNA која содржи 37 гени. Сите транскрипти почнуваат да се синтетизираат во регионот ori H. Рибозомалните РНК се ексцизираат од транскриптите на долг и краток H синџир. tRNA и mRNA се формираат како резултат на обработка од транскрипти на двете ДНК нишки. Гените tRNA се прикажани во светло зелена боја.

Дали сакате да знаете какви други изненадувања може да претстави митохондријалниот геном? Добро! Продолжи да читаш! ..

Водечкиот и 3'некодирачките региони, како и повеќето нуклеарни mRNAs. Голем број на гени исто така содржат интрони. Така, во кутијата генот што кодира цитохром оксидаза b, има два интрона. Од примарниот РНК транскрипт автоматски каталитички (без учество на било кој или протеини) отсечена е копија од поголемиот дел од првиот интрон. Останатата РНК служи како образец за формирање на ензимската матураза, која е вклучена во спојувањето. Дел од неговата секвенца на аминокиселини е кодирана во преостанатите копии на интрони Матуразе ги отсекува, уништувајќи ја сопствената mRNA, се зашиваат копии од егзони и се формира mRNA за цитохром оксидаза b (слика 5.) Откривањето на таков феномен н forced принуди да го преиспитаме концептот на интрони како „ништо што не кодира секвенци “.

Слика 5.Обработка (созревање) на цитохром оксидаза b mRNA во квасец митохондрии. Во првата фаза на спојување, се формира mRNA, со што се синтетизира матураза, што е неопходно за втората фаза на спојување.

При проучување на изразот на митохондријалните гени Трипанозом бруцеиоткри изненадувачко отстапување од една од основните аксиоми на молекуларната биологија, во која се наведува дека низата нуклеотиди во mRNA точно се совпаѓа со онаа во кодирачките региони на ДНК. Се покажа дека се уредува mRNA на една од под -единиците на цитохром c оксидаза, односно по транскрипцијата, се менува неговата примарна структура - се вметнуваат четири урацили. Како резултат на тоа, се формира нова mRNA, која служи како образец за синтеза на дополнителна подединица на ензимот, редоследот на амино киселини во кој нема никаква врска со низата. Вирус "href =" / текст / категорија / virus / "rel =" bookmark "> вируси, габи, Англискиот истражувач Бурел ја спореди структурата на еден од митохондријалните гени на телето со секвенцата на аминокиселини во субединицата на цитохром оксидаза кодирана од овој ген. таа е„ идеална “, односно го почитува следното правило: „ако два кодона имаат два идентични нуклеотиди, а третите нуклеотиди припаѓаат на иста класа (пурински - А, Г или пиримидин - У, Ц), тогаш тие кодираат иста амино киселина. „Постојат два исклучоци од ова правило во универзалниот код: тројката AUA кодира изолеуцин, а кодонот AUG кодира метионин, додека во идеалниот митохондријален код, двете овие тројки или метионин; тројката UGG кодира само триптофан, а тројката UGA кодира стоп -кодон. Во универзалниот код, двете отстапувања се однесуваат на основните моменти на синтеза на протеини: кодонот AUG е иницијатор, а кодонот запре UGA ја запира синтезата на полипептид. Идеалниот код не е својствен за сите опишани митохондрии, но ниту еден од нив нема универзален код. Може да се каже дека митохондриите зборуваат различни јазици, но никогаш не го зборуваат јазикот на јадрото.

Разлики помеѓу „универзалниот“ генетски код и двата митохондријални кодови

Како што веќе рековме, во митохондријалниот геном на 'рбетници има 22 гРНА гени. Тогаш, како таков нецелосен сет ги опслужува сите 60 кодони за амино киселини (во идеален код од 64 тројки, има четири кодни за запирање, во универзален - три)? Факт е дека за време на синтезата на протеините во митохондриите, кодон -антикодонската интеракција се поедноставува - два од трите антикодонски нуклеотиди се користат за препознавање. Така, една tRNA ги препознава сите четири членови на семејството кодони, кои се разликуваат само во третиот нуклеотид. На пример, леуцинската tRNA со GAU антикодон стои на рибозомот наспроти кодоните CUU, CUC, CUA и CUG, обезбедувајќи вградување на леуцин без грешки во полипептидниот синџир. Останатите два леуцин -кодона, UUA и UUG, се препознаваат со tRNA со антикодонскиот AAU. Вкупно, осум различни молекули на tRNA препознаваат осум семејства од по четири кодони, а 14 tRNA препознаваат различни парови кодони, од кои секоја кодира по една амино киселина.

Важно е ензимите аминоацил tRNA синтетаза одговорни за прикачување на амино киселини во соодветната tRNA на митохондриите, да се кодираат во јадрото на клетката и да се синтетизираат на рибозомите на ендоплазматскиот ретикулум. Така, кај 'рбетниците, сите протеински компоненти на синтезата на митохондријалните полипептиди се кодирани во јадрото. Во исто време, синтезата на протеините во митохондриите не е потисната од циклохексимид, кој ја блокира работата на еукариотските рибозоми, но е чувствителна на антибиотици еритромицин и хлорамфеникол, кои ја инхибираат синтезата на протеините кај бактериите. Овој факт служи како еден од аргументите во корист на потеклото на митохондриите од аеробни бактерии за време на симбиотското формирање на еукариотски клетки.

Важноста да имате свој генетски систем за митохондрии

Зошто на митохондриите им е потребен сопствен генетски систем, додека другите органели, како што се пероксизомите и лизозомите, го немаат? Ова прашање воопшто не е банално, бидејќи одржувањето на посебен генетски систем е скапо за клетката, со оглед на потребниот број дополнителни гени во нуклеарниот геном. Тука треба да се кодираат рибозомски протеини, аминоацил-tRNA синтетази, ДНК и РНК полимерази, ензими за обработка и модификација на РНК. Повеќето од проучените протеини од митохондриите се разликуваат во низата на аминокиселини од нивните аналози од другите делови на клетката, и таму е причина да се верува дека има многу малку протеини во овие органи што може да се најдат на друго место. Ова значи дека само за одржување на генетскиот систем на митохондриите, нуклеарниот геном мора да има неколку десетици дополнителни гени. Причините за овој „отпад“ се нејасни, а надежта дека ќе се најде трага во нуклеотидната секвенца на митохондријалната ДНК не беше оправдана. Тешко е да се замисли зошто протеините формирани во митохондриите мора да се синтетизираат таму, а не во цитозолот.

Обично, постоењето на генетски систем во енергетските органели се објаснува со фактот дека некои од протеините синтетизирани во органелата се премногу хидрофобни за да поминат низ митохондријалната мембрана однадвор. Сепак, студијата за комплексот АТП-синтетаза покажа дека таквото објаснување е неверојатно. Иако индивидуалните протеински подединици на АТП синтетазата се многу конзервирани во текот на еволуцијата, местата на нивната синтеза се менуваат. Кај хлоропластите, неколку прилично хидрофилни протеини, вклучувајќи четири од петте подединици на F1-ATPase делот од комплексот, се формираат на рибозомите во органелата. Напротив, кај печурката Невроспораа кај животинските клетки, многу хидрофобна компонента (подгрупа 9) од мембранскиот дел на АТПаза се синтетизира на цитоплазматските рибозоми и дури потоа преминува во органела. Тешко е да се објасни различната локализација на гените што кодираат подединици на функционално еквивалентни протеини во различни организми со помош на каква било хипотеза која претпоставува одредени еволутивни предности на модерните генетски системи на митохондрии и хлоропласти.

Со оглед на сето погоре, останува само да се претпостави дека генетскиот систем на митохондриите претставува еволутивен ќорсокак. Во рамките на ендо-симбиотската хипотеза, ова значи дека процесот на трансфер на ендосимбионтни гени во нуклеарниот геном на домаќинот запре пред да биде целосно завршен.

Цитоплазматско наследување

Последиците од трансферот на цитоплазматски гени за некои животни, вклучително и луѓето, се посериозни отколку за квасецот. Две спојни хаплоидни клетки од квасец имаат иста големина и придонесуваат иста количина на митохондријална ДНК во добиениот зигот. Така, кај квасецот, митохондријалниот геном е наследен од двајцата родители, кои даваат еднаков придонес во генетскиот фонд на потомството (иако, по неколку генерации одвоенипотомството често ќе содржи митохондрии од само еден од родителските типови). За разлика од ова, кај повисоките животни, јајце клетката внесува повеќе цитоплазма во зиготот отколку спермата, а кај некои животни, сперматозоидите можеби воопшто не додаваат цитоплазма. Затоа, може да се мисли дека кај повисоките животни митохондријалниот геном ќе се пренесе само од еден родител (имено мајчинскилинии); и навистина, ова е потврдено со експерименти. Се покажа, на пример, дека кога стаорци од две лабораториски линии се вкрстени со митохондријална ДНК малку поинаква во низата на нуклеотиди (типови А и Б), се добива потомство кое содржи

кои содржат митохондријална ДНК само од мајчински тип.

Цитоплазматската наследност, за разлика од нуклеарната, не ги почитува законите на Мендел. Ова се должи на фактот дека кај повисоките животни и растенија гамети од различен пол содржат неспоредливи количини на митохондрии. Значи, во јајцето на глувчето има 90 илјади митохондрии, а во спермата - само четири. Очигледно, во оплодената јајце клетка, митохондриите се претежно или само од женка, односно наследството на сите митохондријални гени е мајчинско. Генетската анализа на цитоплазматската наследност е тешка поради нуклеарно-цитоплазматска интеракција. Во случај на цитоплазматска машка стерилитет, мутонскиот митохондријален геном комуницира со одредени нуклеарни гени, чии рецесивни алели се неопходни за развој на особината. Доминантните алели на овие гени, и во хомо- и во хетерозиготна состојба, ја враќаат плодноста на растенијата без оглед на состојбата на митохондријалниот геном.

Би сакал да се задржам на механизмот на наследување на мајчиниот ген со давање конкретен пример. Со цел конечно и неповратно да го разбереме механизмот на не-Менделово (цитоплазматско) наследување на митохондријалните гени, да разгледаме што се случува со таквите гени кога две хаплоидни клетки ќе се спојат за да формираат диплоиден зигот. Во случај кога една клетка од квасец носи мутација што ја одредува отпорноста на синтезата на митохондријалните протеини на хлорамфеникол, а другата, клетка од див тип, е чувствителна на овој антибиотик: мутантните гени лесно може да се идентификуваат со одгледување квасец на медиум со глицерол, кој може да го користат само клетките со недопрени митохондрии; затоа, во присуство на хлорамфеникол, само клетките што го носат мутантниот ген можат да растат на таков медиум. Нашиот диплоиден зигот во почетокот ќе има и мутонски и диви тип митохондрии. Како резултат на митоза, диплоидна ќерка ќе никне од зиготот, која ќе содржи само мал број митохондрии. По неколку митотични циклуси, евентуално една од новите клетки ќе ги прими сите митохондрии, мутантни или диви. Затоа, сите потомци на таква клетка ќе имаат генетски идентични митохондрии. Таквиот случаен процес, што резултира со формирање на диплоидни потомци кои содржат само еден вид митохондрии, се нарекува митотскита етеГрцијата. Кога диплоидна клетка со само еден вид митохондрии подлежи на мејоза, сите четири ќерки хаплоидни клетки ги добиваат истите митохондријални гени. Овој тип на наследство се нарекува немаенделав обезмастеноили цитоплазматскиза разлика од Менделовото наследување на нуклеарните гени. Преносот на гени по цитоплазматски тип значи дека гените што се испитуваат се наоѓаат во митохондриите.

Студијата за митохондријалните геноми, нивната еволуција, која се одвива според специфичните закони за генетика на популацијата, односот помеѓу нуклеарниот и митохондријалниот генетски систем, е неопходна за да се разбере сложената хиерархиска организација на еукариотската клетка и организмот во целина.

Одредени наследни болести и стареење на луѓето се поврзани со одредени мутации во митохондријалната ДНК или во нуклеарните гени кои ја контролираат митохондријалната функција. Се собираат податоци за учеството на дефектите на mtDNA во карциногенезата. Оттука, митохондриите може да бидат цел за хемотерапија за рак. Постојат факти за тесната интеракција на нуклеарниот и митохондријалниот геном во развојот на голем број човечки патологии. Беа пронајдени повеќекратни бришења на mtDNA кај пациенти со тешка мускулна слабост, атаксија, глувост, ментална ретардација, наследена на автозомно доминантен начин. Воспоставен сексуален диморфизам во клиничките манифестации на коронарна срцева болест, што најверојатно се должи на мајчиниот ефект - цитоплазматска наследност. Развојот на генетската терапија дава надеж за корекција на дефектите во геномите на митохондриите во догледна иднина.

Како што знаете, за да се провери функцијата на една од компонентите на мултикомпонентен систем, станува неопходно да се елиминира оваа компонента, проследена со анализа на настанатите промени. Бидејќи темата на овој апстракт е показател за улогата на геномот на мајката за развојот на потомството, би било логично да се дознае за последиците од прекршувањата во составот на митохондријалниот геном предизвикани од различни фактори. Процесот на мутација се покажа како алатка за проучување на горенаведената улога, а последиците од неговото дејствување од интерес за нас беа т.н. митохондријални заболувања.

Митохондријалните болести се пример за цитоплазматска наследност кај луѓето, поточно „наследност на органели“. Ова појаснување треба да се направи затоа што сега е докажано постоењето, барем кај некои организми, на цитоплазматски наследни детерминанти кои не се поврзани со клеточните органели - цитогени (Вехтомов, 1996).

Митохондријалните заболувања се хетерогена група на болести предизвикани од генетски, структурни, биохемиски дефекти на митохондриите и нарушување на дишењето на ткивата. За дијагноза на митохондријална болест, важна е сеопфатна генеалошка, клиничка, биохемиска, морфолошка и генетска анализа. Главниот биохемиски знак за митохондријална патологија е развојот на млечна ацидоза, обично хиперлактатацидемија се открива во комбинација со хиперпируватацидемија. Бројот на различни варијанти достигна 120 форми. Постои стабилно зголемување на концентрацијата на млечна и пирувична киселина во цереброспиналната течност.

Митохондријалните болести (МБ) претставуваат значаен проблем за модерната медицина. Според методите на наследно пренесување, меѓу МБ, се разликуваат болести кои се наследуваат моноген според Менделовиот тип, во кои, поради мутација на нуклеарните гени, или структурата и функционирањето на митохондријалните протеини се нарушени, или изразот на се менуваат митохондријалната ДНК, како и болестите предизвикани од мутации на митохондријалните гени, кои главно се пренесуваат на потомството преку мајчината линија.

Податоци за морфолошки студии кои укажуваат на груба патологија на митохондрии: абнормална пролиферација на митохондрии, полиморфизам на митохондрии со повреда на обликот и големината, неорганизираност на криста, акумулации на абнормални митохондрии под сарколема, паракристални подмножества во митохондрии, присуство на интерфибриларни вакуоли

Форми на митохондријални заболувања

1 ... Митохондријални болести предизвикани од мутации на митохондријалната ДНК

1.1 Болести предизвикани од бришење на митохондријалната ДНК

1.1.1. Синдром на Кернс-Сајр

Болеста се манифестира на возраст од 4-18 години, прогресивна надворешна офталмоплегија, пигментална ретинитис, атаксија, намерен тремор, атриовентрикуларен срцев блок, зголемено ниво на протеини во цереброспиналната течност од повеќе од 1 g / l, „искинати“ црвени влакна во биопсии на скелетните мускули

1.1.2 Пирсонов синдром

Дебито на болеста од раѓање или во првите месеци од животот, понекогаш е можно да се развијат енцефаломиопатии, атаксија, деменција, прогресивна надворешна офталмоплегија, хипопластична анемија, нарушена егзокрина функција на панкреасот, прогресивен тек

2 Болести поради мутации на митохондријалната точка на ДНК

Мајчински тип на наследување, акутно или субакутно намалување на визуелната острина во едното или двете очи, комбинација со невролошки и остеоартикуларни нарушувања, микроангиопатија на ретината, прогресивен тек со можност за ремисија или обновување на визуелната острина, појава на болеста на возраст од 20 години -30 години

2.2 NAPR синдром (невропатија, атаксија, пигментоза на ретинитис)

Мајчински тип на наследување, комбинација на невропатија, атаксија и ретинитис пигментоза, одложен психомоторен развој, деменција, присуство на „искинати“ црвени влакна во биопсии на мускулното ткиво

2.3. MERRF синдром (миоклонус-епилепсија, „искинати“ црвени влакна)

Мајчински тип на наследство, појава на болеста на возраст од 3-65 години, миоклонична епилепсија, атаксија, деменција во комбинација со невросензорна глувост, атрофија на оптичкиот нерв и нарушена длабока чувствителност, млечна ацидоза, за време на ЕЕГ преглед, генерализација- епилептични комплекси во бањата , "искинати" црвени влакна во биопсии на скелетните мускули, прогресивен тек

2.4 МЕЛАС синдром (митохондријална енцефаломиопатија, млечна ацидоза, епизоди слични на мозочен удар)

Мајчински тип на наследство, појава на болеста пред 40-годишна возраст, нетолеранција кон вежбање, главоболки слични на мигрена со гадење и повраќање, епизоди слични на мозочен удар, конвулзии, млечна ацидоза, „искинати“ црвени влакна во биопсија на мускулите, прогресивен тек.

3 .Патологија поврзана со дефекти во интергеномската комуникација

3.1 Синдроми на повеќекратно бришење на митохондријална ДНК

Блефароптоза, надворешна офталмоплегија, мускулна слабост, сензоневрална глувост, атрофија на оптиката, прогресивен тек, „искинати“ црвени влакна во биопсии на скелетните мускули, намалена активност на ензимите на респираторниот ланец.

3.2 Синдром на бришење на митохондријална ДНК

Автозомно рецесивно наследување

Клинички форми:

3.2.1.Фатална инфантилна

а) тешко оштетување на црниот дроб б) хепатопатија в) мускулна хипотензија

Деби во неонаталниот период

3.2.2.Вродена миопатија

Тешка мускулна слабост, генерализирана хипотензија, кардиомиопатија и напади, оштетување на бубрезите, глукозурија, аминоацидопатија, фосфатурија

3.2.3.Инфантилна миопатија

се јавува во првите 2 години од животот, прогресивна мускулна слабост, атрофија на проксималните мускулни групи и губење на тетивните рефлекси, текот брзо напредува, смрт во првите 3 години од животот.

4 .Митохондријални заболувања поради нуклеарни мутации на ДНК

4.1 Болести поврзани со дефекти во респираторниот синџир

4.1.1 Дефицит на комплекс 1 (NADH: CoQ редуктаза)

Почеток на болеста пред 15 -годишна возраст, синдром на миопатија, одложен психомоторен развој, оштетен кардиоваскуларен систем, напади отпорни на терапија, повеќе невролошки нарушувања, прогресивен тек

4.1.2.Дефицит на комплекс 2 (сукцинат-CoQ редуктаза)

Се карактеризира со синдром на енцефаломиопатија, прогресивен тек, под-патишта, можен е развој на птоза

4.1.3. Дефицит на комплекс 3 (CoQ-цитохром Ц-оксидоредуктаза)

Мултисистемски нарушувања, оштетување на различни органи и системи, со вклучување на централниот и периферниот нервен систем, ендокриниот систем, бубрезите, прогресивен тек

4.1.4 Комплекс (дефицит на цитохром Ц-оксидаза)

4.1.4.1 Фатална инфантилна вродена млечна ацидоза

Митохондријална миопатија со бубрежна инсуфициенција или кардиомиопатија, деби во неонатална возраст, тешки респираторни нарушувања, дифузна мускулна хипотензија, прогресивен тек, смрт во првата година од животот.

4.1.4.2.Бенигна детска слабост на мускулите

Атрофија, со соодветен и навремен третман, можна е брза стабилизација на процесот и закрепнување на возраст од 1-3 години

5 . Менкесов синдром (трихополиодистрофија)

Остро одложување на психомоторниот развој, забавување на растот, нарушен раст и дистрофични промени во косата,

6 ... Митохондријални енцефаломиопатии

6.1.Синдром на Леј(субакутна невротична енцефаломиелопатија)

Се манифестира по 6 месеци од животот, мускулна хипотонија, атаксија, нистагмус, пирамидални симптоми, офталмоплегија, атрофија на оптичките нерви, често поврзани со кардиомиопатија и блага метаболна ацидоза

6.2.Синдром Алперс(прогресивна склерозирачка полидистрофија)

Дегенерација на сивата материја на мозокот во комбинација со цироза на црниот дроб, недостаток на комплекс 5 (АТП синтетаза), одложен психомоторен развој, атаксија, деменција, мускулна слабост, прогресивен тек на болеста, неповолна прогноза

6.3 Дефицит на коензим-Q

Метаболички кризи, мускулна слабост и замор, офталмоплегија, глувост, намален вид, епизоди слични на мозочен удар, атаксија, миоклонусна епилепсија, оштетување на бубрезите: глукозурија, аминоацидопатија, фосфатурија, ендокрини пореметувања, прогресивен тек, намалена активност на респираторните ензими

7 .Болести поврзани со нарушен метаболизам на млечна и пирувична киселина

7.1. Недостаток на пируват карбоксилаза Автозомно -рецесивен начин на наследување, појава на болеста во неонаталниот период, симптом комплекс на „флакцидно дете“, напади отпорни на терапија, висока концентрација на кетонски тела во крвта, хиперамонемија, хиперлисинемија, намалена активност на пируват карбоксилаза во скелетните мускули

7.2 Недостаток на пируват дехидрогеназа

Манифестација во неонаталниот период, краниофацијална дисморфија, напади отпорни на терапија, нарушено дишење и цицање, комплекс на симптоми „флакцидно дете“, мозочна дисхинезија, тешка ацидоза со висока содржина на лактат и пируват

7.3 Намалена активност на пируват дехидрогеназа

Манифестација во првата година од животот, микроцефалија, одложен психомоторен развој, атаксија, мускулна дистонија, кореоатетоза, млечна ацидоза со висока содржина на пируват

7.4 Недостаток на дихидролипојлтрансацеталаза

Автозомно рецесивно наследување, појава на болеста во неонаталниот период, микроцефалија, одложен психомоторен развој, мускулна хипотензија проследено со зголемување на тонусот на мускулите, атрофија на оптичкиот диск, млечна ацидоза, намалена активност на дихидролипојлтранс-ацетилаза

7.5 Недостаток на дихидролипоил дехидрогеназа

Автозомно рецесивно тип на наследување, појава на болеста во првата година од животот, комплекс на симптоми на „флакцидно дете“, дисметаболни кризи со повраќање и дијареа, одложен психомоторен развој, атрофија на оптичкиот диск, млечна ацидоза, зголемен серумски аланин, α-кетоглутарат, α-кето киселини со разгранет ланец, намалена активност на дихидролипојл дехидрогеназа

8 Болести поради дефекти во бета-оксидација на масни киселини

8.1 Недостаток на ацетил-КоА дехидрогеназа со долг синџир

Автозомно рецесивен начин на наследување, појава на болеста во првите месеци од животот, метаболички кризи со повраќање и дијареа, симптоми на „флакцидно дете“, хипогликемија, дикарбоксилна ацидурија, намалена активност на ацетил-КоА дехидрогеназа на масни киселини со долг јаглероден синџир

8.2 Недостаток на среден јаглерод Ацетил КоА Дехидрогеназа

Автозомно рецесивен начин на наследување, појава на болеста во неонаталниот период или првите месеци од животот, метаболички кризи со повраќање и дијареа,

мускулна слабост и хипотензија, често се развива синдром на ненадејна смрт, хипогликемија, дикарбоксил ацидурија, намалена ацетил-КоА дехидрогеназа на масни киселини со среден јаглероден синџир

8.3. Недостаток на ацетил-коа дехидрогеназа на масни киселини со краток јаглероден синџир

Автозомно рецесивно наследување, различни возрасти на почетокот на болеста, намалена толеранција при вежбање, метаболички кризи со повраќање и дијареа, мускулна слабост и хипотензија, зголемена уринарна екскреција на метил сукцинска киселина, ацетил-КоА дехидрогеназа на кратки јаглеродни синџири на масни киселини

8.4 Повеќекратен недостаток на ацетил-КоА дехидрогенази на масни киселини

Неонатална форма: краниофацијална дисморфија, дисгенезија на мозокот, тешка хипогликемија и ацидоза, малигнен тек, намалена активност на сите ацетил-КоА дехидрогенази на масни киселини,

Инфантилна форма:слаб комплекс на симптоми на дете, кардиомиопатија, метаболички кризи, хипогликемија и ацидоза

8.5 Намалена активност на сите ацетил-КоА дехидрогенази на масни киселини

Доцна деби форма:периодични епизоди на мускулна слабост, метаболички кризи, хипогликемија и ацидоза се помалку изразени, интелигенцијата е зачувана,

9 .Ферментопатија на Кребс

9.1 Недостаток на фумараза

Автозомно-рецесивен начин на наследување, појава на болеста во неонаталниот или неонаталниот период, микроцефалија, генерализирана мускулна слабост и хипотензија, епизоди на летаргија, брзо-прогресивна ен-цефалопатија, лоша прогноза

9.2 Недостаток на сукцинат дехидрогеназа

Ретка болест која се карактеризира со прогресивна енцефаломиопатија

9.3 Недостаток на алфа-кетоглутарат дехидрогеназа

Автозомно рецесивно наследување, појава на болеста кај новороденчиња, микроцефалија, комплекс на симптоми на „флакцидно дете“, епизоди на летаргија, млечна ацидоза, брзо прогресивен тек, намалување на содржината на ензими од Кребсовиот циклус во ткивата.

9.4. Синдроми на недостаток на карнитин и ензими на неговиот метаболизам

Недостаток на карнитин палмитоилтрансфераза-1, автосомно рецесивен начин на наследување, ран почеток на болеста, епизоди на не-кетонемична хипогликемична кома, хепатомегалија, хипертриглицеридемија и умерена хиперамонимија, намалена активност на карнитин-палмитоилтрансфераза-1 во црниот дроб

9.5 Дефицит на карнитин ацилкарнитин транслоказа

Рано појавување на болеста, кардиоваскуларни и респираторни нарушувања, комплекс на симптоми на „флакцидно дете“, епизоди на летаргија и кома, зголемување на концентрацијата на карнитински естри и долг јаглероден синџир во однос на намалувањето на слободниот карнитин кај крвниот серум, намалување на активноста на карнитин-ацилкарнитин-транслокоза

9.6 Дефицит на карнитин палмитолтрансфераза-2

Автозомно рецесивно наследување, мускулна слабост, мијалгија, миоглобинурија, намалена активност на карнитин палмитоилтрансфераза-2 во скелетните мускули

Автозомно рецесивен начин на наследување, комплекс на миопатични симптоми, епизоди на летаргија и летаргија, кардиомиопатија, епизоди на хипогликемија, намалено ниво на карнитин во серумот и зголемена уринарна екскреција на карнитин.

По анализата на таквата „страшна“ листа на патологии поврзани со одредени промени во функционирањето на митохондријалниот (и не само) геном, се поставуваат одредени прашања. Кои се производите на митохондријалните гени и во кои супер-мега-витални клеточни процеси тие учествуваат?

Како што се испостави, некои од горенаведените патологии може да се појават кога синтезата на 7 подединици од комплексот NADH дехидрогеназа, 2 подединици на АТП синтетаза, 3 подединици на цитохром c оксидаза и 1 субединица на убикинол цитохром c редуктаза (цитохром б), што се генски производи на митохондриите. Врз основа на ова, може да се заклучи дека постои клучна улога за овие протеини во процесите на клеточно дишење, оксидација на масни киселини и синтеза на АТП, пренос на електрони во електронскиот систем за транспорт на внатрешната МТ мембрана, функционирањето на антиоксидантниот систем итн.

Судејќи според најновите податоци за механизмите на апоптоза, многу научници дошле до заклучок дека постои центар за контрола на апоптозата, поточно ...

Улогата на митохондријалните протеини исто така е прикажана со антибиотици кои ја блокираат синтезата на МТ. Ако човечките клетки во ткивната култура се третираат со антибиотик, на пример, тетрациклин или хлорамфеникол, тогаш по една или две поделби нивниот раст ќе престане. Ова се должи на инхибиција на синтезата на митохондријалните протеини, што доведува до појава на неисправни митохондрии и, како последица на тоа, до недоволно формирање на АТП. Тогаш, зошто антибиотиците можат да се користат за лекување на бактериски инфекции? Постојат неколку одговори на ова прашање:

1. Некои антибиотици (како што е еритромицин) не минуваат низ внатрешната мембрана на митохондриите кај цицачите.

2. Поголемиот дел од клетките во нашето тело не се делат или разделуваат многу бавно, па замената на постојните митохондрии со нови се случува исто толку бавно (во многу ткива, половина од митохондриите се заменуваат за околу пет дена, па дури и подолго). Така, бројот на нормални митохондрии ќе се намали на критично ниво само ако блокадата на синтезата на митохондријалните протеини се одржува многу дена.

3. Одредени состојби внатре во ткивото го спречуваат пенетрацијата на одредени лекови во митохондриите на најчувствителните клетки. На пример, висока концентрација на Ca2 + во коскената срцевина доведува до формирање на Ca2 + -тетрациклински комплекс, кој не може да навлезе во брзо делечки (и затоа најранливи) прекурсори на крвните клетки.

Овие фактори овозможуваат да се користат некои лекови кои ја инхибираат синтезата на митохондријалните протеини како антибиотици во третманот на повисоките животни. Само два од овие лекови имаат несакани ефекти: долготрајниот третман со големи дози на хлорамфеникол може да доведе до нарушување на хематопоетската функција на коскената срцевина (потиснување на формирање на црвени крвни клетки и леукоцити) и долгорочна употреба на тетрациклин. оштетување на цревниот епител. Но, во двата случаи с yet уште не е целосно јасно дали овие несакани ефекти се предизвикани од блокада на митохондријалната биогенеза или некоја друга причина.

Излез

Структурните и функционалните карактеристики на геномот mt се следниве. Прво, беше откриено дека mtDNA се пренесува од мајката на целата нејзина

потомци и од нејзините ќерки до сите следни генерации, но синовите не ја пренесуваат нивната ДНК (мајчино наследство). Мајчински карактер

Наследството на mtDNA веројатно се должи на две околности: или процентот на татковската mtDNA е толку мал (татковски

повеќе од една молекула на ДНК на 25 илјади мајки mtDNA) дека тие не можат да се откријат со постоечки методи, или репликацијата на татковските митохондрии е блокирана по оплодувањето. Второ, отсуството на комбинативна варијабилност - mtDNA му припаѓа само на еден од родителите, затоа, нема настани за рекомбинација карактеристични за нуклеарната ДНК кај мејозата, а нуклеотидната секвенца се менува од генерација на генерација само поради мутации. Трето, mtDNA нема интрони

(голема веројатност дека случајна мутација ќе влијае на кодирачкиот регион на ДНК), заштитни хистони и ефективен систем за поправка на ДНК - сето тоа одредува 10 пати поголема стапка на мутација отколку во нуклеарната ДНК. Четврто, во истата клетка, нормалната и мутантната mtDNA може да коегзистираат истовремено - феноменот на хетероплазмија (присуството на само нормална или само мутантната mtDNA се нарекува хомоплазмија). Конечно, двата синџири се транскрибираат и преведуваат во mtDNA, и во голем број карактеристики, генетскиот код на mtDNA се разликува од универзалниот (UGA кодира триптофан, AUA кодира метионин, AGA и AGG се запрени

кодони).

Овие својства и гореспоменатите функции на mt геномот го направија проучувањето на варијабилноста на нуклеотидната секвенца на mtDNA непроценлива алатка за лекарите, форензичарите, еволутивните биолози,

претставници на историската наука во решавањето на нивните специфични задачи.

Од 1988 година, кога беше откриено дека мутациите во гените на mtDNA се во основата на митохондријалните миопатии (JY Holt и сор., 1988) и наследната оптичка невропатија на Лебер (DC Wallace, 1988), понатамошна систематска идентификација на мутации во човечкиот mt геном доведе до формирање на концептот на митохондријални заболувања (МБ). Во моментов, патолошките мутации на mtDNA се откриваат во секој тип на митохондријални гени.

Библиографија

1. Скулачев, митохондрии и кислород, Сорос. образовани. сврти

2. Основи на биохемија: Во три тома, М.: Мир ,.

3. Nicholes D. G. Bioenergetics, An Introd. до Хемиозмата. Т., Акад. Прес, 1982 година.

4. Stryer L. Биохемија, 2 -то издание. Сан Франциско, Фримен, 1981 година.

5. Скулачев на биолошки мембрани. М., 1989 година.

6., Ретикулум Ченцов: Структура и некои функции // Резултати од науката. Општи проблеми на биологијата. 1989 година

7. Цитологија на Ченцов. М.: Издавачка куќа на Државниот универзитет во Москва, 1995 година

8. , Сфера на компетентност на митохондријалниот геном // Вестн. RAMS, 2001. Бр. 10, стр. 31-43.

9. Holt I. J, Harding A. E., Morgan-Hughes I. A. Бришење на мускулната митохондријална ДНК кај пациенти со митохондријални миопатии. Природа 1988, 331: 717-719.

10. и сл.Човечки геном и гени за предиспозиција. СПб., 2000 година

11. , Митохондријален геном. Новосибирск, 1990 година.

12. // Сорос. образовани. сврти 1999. број 10. С.11-17.

13. Улогата на симбиозата во еволуцијата на клетките. М., 1983 година.

14. // Сорос. образовани. сврти 1998. број 8. С.2-7.

15. // Сорос. образовани. сврти 2000. број 1. С.32-36.

Националниот универзитет во Киев. Тарас Шевченко

Одделение за биологија

апстрактно

на тема:

„Улогата на геномот на мајката во развојот на потомството“

сотропањедНТА IVкурс

Оддел за биохемија

Фролова Артем

Киев 2004

План:

Вовед ................................................. .............................. 1

Симбиотска теорија за потеклото на митохондриите ... 2

Улогата на клеточното јадро во митохондријалната биогенеза ................................... 5

Транспортни системи на митохондрии .............................................. ...... 7

Големина и форма на митохондријални геноми .................. 10

Функционирање на митохондријалниот геном ............... 14

Важноста да имате свој генетски систем за митохондрии ....................................... ... ................................... 19

Цитоплазматско наследување .............................. 20

Историски гледано, првата студија од овој вид беше спроведена со употреба на митохондријална ДНК. Научниците зедоа примерок од абориџините од Африка, Азија, Европа, Америка и во овој, на прв мал, примерок ја споредија митохондријалната ДНК на различни индивидуи едни со други. Откриле дека разновидноста на митохондријалната ДНК е најголема во Африка. И бидејќи е познато дека мутационите настани можат да го променат типот на митохондријалната ДНК, и исто така е познато како може да се промени, тогаш, според тоа, можеме да кажеме кои типови луѓе од кои можеле да бидат мутирани. Кај сите луѓе на кои им била тестирана ДНК, кај Африканците била откриена многу поголема варијабилност. Видовите на митохондријална ДНК на други континенти беа помалку разновидни. Ова значи дека Африканците имаа повеќе време да ги соберат овие промени. Имаа повеќе време за биолошка еволуција, доколку во Африка се најдат антички остатоци од ДНК кои не се карактеристични за европските човечки мутации.

Може да се тврди дека митохондријалните генетичари на ДНК успеале да го докажат потеклото на жените во Африка. Тие исто така ги проучувале и хромозомите Y. Се испостави дека и мажите доаѓаат од Африка.

Благодарение на истражувањето за митохондријалната ДНК, можно е да се утврди не само дека лицето потекнува од Африка, туку и да се одреди времето на неговото потекло. Времето на појавување на митохондријалната претходница на човештвото беше утврдено преку компаративна студија за митохондријалната ДНК на шимпанзата и современите луѓе. Знаејќи ја стапката на мутациона дивергенција - 2-4% на милион години - можно е да се одреди времето на одвојување на две гранки, шимпанзата и модерните луѓе. Ова се случи пред околу 5-7 милиони години. Во овој случај, стапката на мутациона дивергенција се смета за постојана.

Митохондријална пресрет

Кога луѓето зборуваат за митохондријална Ева, тие не значат индивидуа. Тие зборуваат за појава со еволуција на цела популација на лица со слични карактеристики. Се верува дека митохондријалната Ева живеела во период на остар пад на бројот на нашите предци, на околу десет илјади поединци.

Потекло на расите

Проучувајќи ја митохондријалната ДНК на различни популации, генетичарите сугерираа дека уште пред да ја напуштат Африка, популацијата на предците била поделена на три групи, што довело до три модерни раси - африкански, кавкаски и монголоидни. Се верува дека ова се случило пред околу 60 - 70 илјади години.

Споредба на митохондријалната ДНК на нестандардни и современи луѓе

Дополнителни информации за потеклото на луѓето се добиени со споредување на генетските текстови на митохондријалната ДНК на неандерталците и модерните луѓе. Научниците успеаја да ги прочитаат генетските текстови на митохондријалната ДНК на остатоците од коските на двајца неандерталци. Коските на првиот човек од Неандерталците биле пронајдени во пештерата Фелдовер во Германија. Малку подоцна, беше прочитан генетскиот текст на митохондријалната ДНК на неандерталско дете, кој беше пронајден во Северен Кавказ во пештерата Межмајскаја. Кога се споредува митохондријалната ДНК на современите луѓе и неандерталците, беа пронајдени многу големи разлики. Ако земеме парче ДНК, тогаш 27 од 370 нуклеотиди се разликуваат.И ако ги споредиме генетските текстови на современиот човек, неговата митохондријална ДНК, тогаш се разликуваат само осум нуклеотиди. Се верува дека неандерталците и модерниот човек се целосно одделни гранки, еволуцијата на секоја од нив продолжи независно една од друга.

При проучувањето на разликата во генетските текстови на митохондријалната ДНК на неандерталците и современите луѓе, беше утврден датумот на одвојување на овие две гранки. Ова се случи пред околу 500 илјади години, а пред околу 300 илјади години, се случи нивната конечна разделба. Се верува дека неандерталците се населиле во Европа и Азија и биле протерани од човек од модерен тип, кој ја напуштил Африка 200 илјади години подоцна. И, конечно, пред околу 28 - 35 илјади години, неандерталците исчезнаа. Зошто се случи ова, генерално, с yet уште не е јасно. Можеби тие не можеа да ја поднесат конкуренцијата со личност од модерен тип, или можеби имаше други причини за ова.

© Г.М. Димшитс

Митохондријалниот геном изненадува

Г.М. Димшитс

Григориј Мојсеевич Димшитс,Доктор по биолошки науки, професор на Одделот за молекуларна биологија, Државниот универзитет во Новосибирск, раководител на лабораторијата за структура на геномот на Институтот за цитологија и генетика, филијала на Сибир на Руската академија на науките. Коавтор и уредник на четири училишни учебници по општа биологија.

Денес, човечката митохондријална генетика интензивно се развива и во популацијата и во медицинскиот аспект. Воспоставена е врска помеѓу голем број тешки наследни заболувања и дефекти во митохондријалната ДНК. Генетските промени поврзани со стареењето се најизразени во митохондриите. Што е митохондријален геном, кој се разликува кај луѓето и другите животни од оној кај растенијата, габите и протозоите по големина, форма и генетски капацитет? Како функционира митохондријалниот геном и како се појавил во различни таксони? Ова е она што ќе се дискутира во нашата статија.

Митохондриите се нарекуваат електрани на клетката. Покрај надворешната мазна мембрана, тие имаат внатрешна мембрана која формира бројни набори - cristae. Имаат вградени протеински компоненти на респираторниот синџир - ензими вклучени во претворање на енергијата на хемиските врски на оксидираните хранливи материи во енергија на молекулите на аденозин трифосфорна киселина (АТП). Со оваа „конвертибилна валута“, ќелијата плаќа за сите нејзини енергетски потреби. Во клетките на зелените растенија, покрај митохондриите, има и други енергетски станици - хлоропласти. Тие работат на „соларни ќелии“, но исто така формираат АТП од АДП и фосфат. Како и митохондриите, хлоропластите - автономно репродуцирани органели - исто така имаат две мембрани и содржат ДНК.

Во прилог на ДНК, митохондријалната матрица содржи свои рибозоми, кои се разликуваат по многу карактеристики од еукариотските рибозоми лоцирани на мембраните на ендоплазматскиот ретикулум. Сепак, на рибозомите на митохондриите, не се формираат повеќе од 5% од сите протеини што го сочинуваат нивниот состав. Повеќето протеини што ги сочинуваат структурните и функционалните компоненти на митохондриите се кодирани од нуклеарниот геном, синтетизирани на рибозомите на ендоплазматскиот ретикулум и транспортирани преку неговите канали до местото на склопување. Така, митохондриите се резултат на комбинираните напори на два генома и две машини за транскрипција и превод. Некои субединички ензими на митохондријалниот респираторен ланец се составени од различни полипептиди, од кои некои се кодирани од нуклеарниот, а некои од митохондријалниот геном. На пример, клучниот ензим на оксидативна фосфорилација, цитохром c оксидаза, во квасецот се состои од три подединици кодирани и синтетизирани во митохондриите, и четири подединици кодирани во јадрото на клетката и синтетизирани во цитоплазмата. Изразот на повеќето митохондријални гени е контролиран од специфични гени во јадрото.

Големини и форми на митохондријални геноми

До денес се прочитани повеќе од 100 различни митохондријални геноми. Множеството и бројот на нивните гени во митохондријалната ДНК, за кои нуклеотидната секвенца е целосно одредена, се разликуваат многу во различни видови животни, растенија, габи и протозои. Најголем број на гени пронајдени во митохондријалниот геном на протозоите со флагела Rectinomonas americana- 97 гени, вклучително и сите гени што кодираат протеини, пронајдени во mtDNA на други организми. Кај повеќето виши животни, митохондријалниот геном содржи 37 гени: 13 за протеини на респираторниот синџир, 22 за tRNA и два за rRNA (за големата субединица на 16S rRNA рибозом и за малата 12S rRNA). Кај растенијата и протозоите, за разлика од животните и повеќето габи, некои протеини што ги сочинуваат рибозомите на овие органели се кодирани во митохондријалниот геном. Клучните ензими на шаблонската синтеза на полинуклеотиди, како што се ДНК полимераза (репликација на митохондријална ДНК) и РНК полимераза (транскрипција на митохондријалниот геном), се кодирани во јадрото и синтетизирани на цитоплазматските рибозоми. Овој факт укажува на релативноста на митохондријалната автономија во сложената хиерархија на еукариотската клетка.

Геномите на митохондриите од различни видови се разликуваат не само во множеството на гени, редоследот на нивната локација и изразување, туку во големината и обликот на ДНК. Огромното мнозинство митохондријални геноми опишани денес се кружни, супер-обвиткани, дво-верижни молекули на ДНК. Во некои растенија, заедно со кружни форми, постојат и линеарни, а во некои протозои, на пример, цилијати, се наоѓа само линеарна ДНК во митохондриите.

Обично, секој митохондрион содржи неколку копии од неговиот геном. Значи, во клетките на човечкиот црн дроб има околу 2 илјади митохондрии, и во секој од нив има 10 идентични геноми. Во фибробластите на глувците, постојат 500 митохондрии кои содржат два генома, и во клетките на квасецот S.cerevisiae- до 22 митохондрии со четири геноми.

Митохондријалниот геном на растенијата, по правило, се состои од неколку молекули со различна големина. Еден од нив, „главниот хромозом“, ги содржи повеќето гени, а прстенестите форми со помала должина, кои се во динамичка рамнотежа и едни со други и со главниот хромозом, се формираат како резултат на интра- и интермолекуларна рекомбинација поради присуството на повторени секвенци (слика 1).

Слика 1.Шема за формирање на кружни молекули на ДНК со различни големини во растителни митохондрии.
Рекомбинацијата се јавува во повеќекратни области (означени со сина боја).

Слика 2.Шема на формирање на линеарни (А), кружни (Б), ланци (Ц) mtDNA олигомери.
ori - регион на почетокот на репликација на ДНК.

Големината на геномот на митохондриите на различни организми се движи од помалку од 6 илјади базни парови во плазмодиумот за маларија (покрај двата rRNA гени, содржи само три гени што кодираат протеини) до стотици илјади базни парови во копнени растенија (на пример, во Arabidopsis thalianaод вкрстеното семејство 366924 основни парови). Во исто време, 7-8 пати разлики во големината на mtDNA на повисоките растенија се наоѓаат дури и во истото семејство. Должината на mtDNA на 'рбетниците малку се разликува: кај луѓето - 16.569 основни парови, кај свиња - 16350, кај делфин - 16330, кај канџиска канџа Ксенопус лаевис- 17533, кај крап- 16400. Овие геноми се слични и во локализацијата на гените, од кои повеќето се лоцирани од крај до крај; во некои случаи тие дури и се преклопуваат, обично со еден нуклеотид, така што последниот нуклеотид на еден ген е првиот во следниот. За разлика од 'рбетниците, кај растенијата, габите и протозоите, mtDNA содржат до 80% од секвенците што не кодираат. Редоследот на гените во митохондријалните геноми се разликува од вид до вид.

Високата концентрација на реактивни видови кислород во митохондриите и слабиот систем за поправка ја зголемуваат фреквенцијата на мутациите на mtDNA по ред по големина во споредба со нуклеарната. Кислородните радикали предизвикуваат специфични замени C® T (деаминација на цитозин) и G® T (оксидативно оштетување на гванин), како резултат на што, веројатно, mtDNA е богата со АТ-парови. Покрај тоа, сите mtDNA имаат интересно својство - тие не се метилирани, за разлика од нуклеарната и прокариотската ДНК. Познато е дека метилацијата (привремена хемиска модификација на нуклеотидната секвенца без нарушување на кодираната функција на ДНК) е еден од механизмите за програмирана инактивација на генот.

Репликација и транскрипција на митохондријална ДНК на цицачи

Кај повеќето животни, комплементарните нишки во mtDNA значително се разликуваат по специфична тежина, бидејќи содржат нееднаква количина на „тешки“ пурински и „лесни“ нуклеотиди на пиримидин. Така тие се нарекуваат - H (тежок - тежок) и L (лесен - лесен) синџир. На почетокот на репликација на молекулата mtDNA, се формира таканаречена D-јамка (од англиската јамка за поместување). Оваа структура, видлива под електронски микроскоп, се состои од двонасочни и едножилни (повлечениот дел од H-синџирот) делови. Дво-верижниот регион е формиран од дел од Л-ланецот и комплементарен ново синтетизиран фрагмент на ДНК од 450-650 (во зависност од видот на организмот) нуклеотиди во должина, кој има рибонуклеотиден прајмер на 5'-крајот, што одговара на почетната точка на синтезата на H-синџирот (ori H). L-синџирот започнува само кога H-синџирот ќерка ќе стигне до точката ori L. Ова се должи на фактот дека регионот на започнување на репликација на ланецот Л е достапен за ензимите на синтезата на ДНК само во едножична состојба, и затоа само во невртена двојна спирала за време на синтезата на H Така, синџирите ќерки на mtDNA се синтетизираат континуирано и асинхроно (Сл. 3 ).

Слика 3.Шема за репликација на mtDNA на цицачи.
Прво, се формира D-јамка, потоа се синтетизира синџир H-синџир,
тогаш започнува синтезата на ќерката Л-синџир.

Во митохондриите, вкупниот број на молекули на Д-јамка значително го надминува бројот на целосно реплицирани молекули. Ова се должи на фактот дека D -јамката има дополнителни функции - прицврстување на mtDNA на внатрешната мембрана и започнување на транскрипција, бидејќи промоторите на транскрипција на двете ДНК -насоки се локализирани во овој регион.

За разлика од повеќето еукариотски гени, кои се транскрибираат независно еден од друг, секоја од жиците на цицачите mtDNA се препишува за да формира една молекула на РНК почнувајќи од регионот на ор.Н.Во прилог на овие две долги молекули на РНК комплементарни со Х-и Л-синџирите , повеќе кратки делови од H-синџирот кои започнуваат во иста точка и завршуваат на 3 'крајот на генот 16S rRNA (слика 4). Има 10 пати повеќе вакви кратки транскрипти отколку долгите. Како резултат на созревање (обработка), од нив се формираат 12S rRNA и 16S rRNA, кои се вклучени во формирањето на митохондријални рибозоми, како и фенилаланин и валински tRNAs Останатите tRNA се ексцизираат од долги транскрипти и се формираат преведени mRNAs, до краевите 3 ' од кои се прикачени полиаденилни секвенци. Краевите од 5 "на овие mRNAs не се покриени, што е невообичаено кај еукариотите. Не се јавува спојување бидејќи ниту еден од митохондријалните гени на цицачите не содржи интрони.

Слика 4.Транскрипција на човечка mtDNA која содржи 37 гени. Сите транскрипти почнуваат да се синтетизираат во регионот ori H. Рибозомалните РНК се ексцизираат од транскриптите на долг и краток H синџир. tRNA и mRNA се формираат како резултат на обработка од транскрипти на двете ДНК нишки. Гените tRNA се прикажани во светло зелена боја.

И покрај фактот дека геномите на цицачите и митохондриите од квасец содржат приближно ист број гени, големината на геномот на квасецот е 4-5 пати поголема - околу 80 илјади базни парови. Иако секвенците за кодирање на квасец mtDNA се многу хомолошки за оние кај луѓето, mRNA на квасец дополнително имаат не-кодирачки регион од 5 "водачи и 3", како и повеќето нуклеарни mRNAs. Голем број на гени исто така содржат интрони. Така, кутијата генот што кодира цитохром оксидаза б содржи два интрона. Копија од повеќето од првиот интрон е автокаталитички отсечена од примарниот РНК транскрипт (без учество на протеини). Останатата РНК служи како образец за формирање на ензимска спојка матураза. Дел од неговата секвенца на аминокиселини е кодирана во преостанатите копии од интроните. Матураза ги отсекува, уништувајќи ја сопствената mRNA, копиите на егзоните се зашиени заедно, и се формира mRNA за цитохром оксидаза b (Слика 5). Откривањето на таков феномен н forced принуди да го преиспитаме концептот на интрони како „ништо што ги кодира секвенците“.

Слика 5.Обработка (созревање) на цитохром оксидаза b mRNA во квасец митохондрии.
Во првата фаза на спојување, се формира mRNA, според која се синтетизира матураза,
потребни за втората фаза на спојување.

При проучување на изразот на митохондријалните гени Трипанозом бруцеиоткри изненадувачко отстапување од една од основните аксиоми на молекуларната биологија, во која се наведува дека низата нуклеотиди во mRNA точно се совпаѓа со онаа во кодирачките региони на ДНК. Се испостави дека се уредува mRNA на една од подединиците на цитохром c оксидаза, т.е. по транскрипцијата, се менува неговата примарна структура - се вметнуваат четири урацили. Како резултат на тоа, се формира нова mRNA, која служи како образец за синтеза на дополнителна подединица на ензимот, чија секвенца на аминокиселини нема ништо заедничко со секвенцата кодирана од неизменетата mRNA (види табела).

Уредувањето на РНК, откриено за прв пат во трипанозомските митохондрии, е распространето кај хлоропластите и митохондриите на повисоките растенија. Исто така, се најде во соматски клетки на цицачи, на пример, во човечкиот цревен епител, изменета е mRNA на генот на аполипопротеин.

Најголемото изненадување за научниците беше претставено од митохондриите во 1979 година. До тоа време, се веруваше дека генетскиот код е универзален и дека истите тројки ги кодираат истите амино киселини кај бактериите, вирусите, габите, растенијата и животните. Англискиот истражувач Бурел ја спореди структурата на еден од митохондријалните гени на телето со низата на аминокиселини во подединицата на цитохром оксидаза кодирана од овој ген. Се покажа дека генетскиот код на митохондриите кај говедата (како и кај луѓето) не е само различен од универзалниот, тој е „идеален“, т.е. го почитува следново правило: „ако два кодона имаат два идентични нуклеотиди, а третиот нуклеотид припаѓа на иста класа (пурин - А, Г, или пиримидин - Y, C), тогаш тие кодираат иста амино киселина“. Постојат два исклучоци од ова правило во универзалниот код: тројката AUA кодира изолеуцин, и кодонот AUG - метионин, додека во идеалниот митохондријален код и двете овие тројки кодираат метионин; тројката UGG кодира само триптофан, а тројката UGA кодира стоп -кодон. Во универзалниот код, двете отстапувања се однесуваат на основните моменти на синтеза на протеини: кодонот AUG е иницијатор, а кодонот запре UGA ја запира синтезата на полипептид. Идеалниот код не е својствен за сите опишани митохондрии, но ниту еден од нив нема универзален код. Можеме да кажеме дека митохондриите зборуваат различни јазици, но никогаш не го зборуваат јазикот на јадрото.

Како што веќе рековме, во митохондријалниот геном на 'рбетници има 22 гРНА гени. Како таков нецелосен сет им служи на сите 60 кодони за амино киселини (во идеален код од 64 тројки, има четири кодни за запирање, во универзален - три)? Факт е дека за време на синтезата на протеините во митохондриите, кодон -антикодонската интеракција се поедноставува - два од трите антикодонски нуклеотиди се користат за препознавање. Така, една tRNA ги препознава сите четири членови на семејството кодони, кои се разликуваат само по третиот нуклеотид. На пример, леуцинската tRNA со GAU антикодон стои на рибозомот спроти кодоните CUU, CUC, CUA и CUG, обезбедувајќи вградување на леуцин без грешки во полипептидниот синџир. Останатите два леуцин -кодона, UUA и UUG, се препознаваат со tRNA со антикодонскиот AAU. Вкупно, осум различни молекули на tRNA препознаваат осум семејства од по четири кодони, а 14 tRNA препознаваат различни парови кодони, од кои секоја кодира по една амино киселина.

Важно е ензимите аминоацил tRNA синтетаза одговорни за прикачување на амино киселини во соодветната tRNA на митохондриите, да се кодираат во јадрото на клетката и да се синтетизираат на рибозомите на ендоплазматскиот ретикулум. Така, кај 'рбетниците, сите протеински компоненти на синтезата на митохондријалните полипептиди се кодирани во јадрото. Во исто време, синтезата на протеините во митохондриите не е потисната од циклохексимид, кој ја блокира работата на еукариотските рибозоми, но е чувствителна на антибиотиците еритромицин и хлорамфеникол, кои ја инхибираат синтезата на протеините кај бактериите. Овој факт служи како еден од аргументите во корист на потеклото на митохондриите од аеробни бактерии за време на симбиотското формирање на еукариотски клетки.

Симбиотска теорија за потеклото на митохондриите

Хипотезата за потеклото на митохондриите и растителните пластиди од интрацелуларните бактерии-ендосимбиони била изразена од Р. Алтман уште во 1890 година. Во текот на векот на брзиот развој на биохемијата, цитологијата, генетиката и молекуларната биологија што се појави пред половина век, хипотезата се зголеми во теорија базирана на голема количина фактички материјал. Нејзината суштина е следна: со појавата на фотосинтетички бактерии, кислородот се акумулира во атмосферата на Земјата - нус -производ на нивниот метаболизам. Со зголемување на неговата концентрација, животот на анаеробните хетеротрофи стана потежок, а некои од нив, за да добијат енергија, поминаа од аноксична ферментација на оксидативна фосфорилација. Ваквите аеробни хетеротрофи може, со поголема ефикасност од анаеробните бактерии, да ја разложат органската материја формирана како резултат на фотосинтезата. Некои од слободните аероби беа заробени од анаероби, но не „сварени“, туку зачувани како енергетски станици, митохондрии. Митохондриите не треба да се гледаат како робови заробени да ги снабдуваат АТП молекулите со клетки кои не можат да дишат. Наместо тоа, тие се „суштества“ кои, уште во Пртерозоикот, го најдоа најдоброто засолниште за себе и за своите потомци, каде што можете да потрошите најмалку напор без да ризикувате да ве изедат.

Бројни факти зборуваат во корист на симбиотската теорија:

- големината и обликот на митохондриите и слободните аеробни бактерии се исти; и двете содржат кружни молекули на ДНК кои не се поврзани со хистони (за разлика од линеарната нуклеарна ДНК);

Во однос на нуклеотидните секвенци, рибозомните и транспортните РНК на митохондриите се разликуваат од нуклеарните, додека демонстрираат изненадувачка сличност со аналогни молекули на некои аеробни грам-негативни еубактерии;

Митохондријалните РНК полимерази, иако кодирани во клеточното јадро, се инхибирани од рифампицин, како и бактериските, а еукариотските РНК полимерази се нечувствителни на овој антибиотик;

Протеинската синтеза во митохондриите и бактериите е потисната од истите антибиотици кои не влијаат на рибозомите на еукариотите;

Липидниот состав на внатрешната мембрана на митохондриите и бактериската плазмалема е сличен, но многу различен од оној на надворешната мембрана на митохондриите, која е хомолошка со другите мембрани на еукариотските клетки;

Криста, формирана од внатрешната митохондријална мембрана, се еволутивни аналози на мезозомните мембрани на многу прокариоти;

До сега, организмите преживеаја што имитираат средни форми на патот кон формирање на митохондрии од бактерии (примитивна амеба Пеломиксанема митохондрии, но секогаш содржи ендосимбиотски бактерии).

Новиот геном може да создаде метаболички патишта што водат до формирање на корисни производи кои не можат да се синтетизираат од ниту еден од партнерите поединечно. Така, синтезата на стероидните хормони од клетките на надбубрежниот кортекс е комплексен синџир на реакции, од кои некои се случуваат во митохондриите, а некои во ендоплазматскиот ретикулум. Со фаќањето на гените на промитохондриите, јадрото можеше сигурно да ги контролира функциите на симбионтот. Во јадрото, сите протеини и синтеза на липиди на надворешната мембрана на митохондриите, повеќето протеини на матрицата и внатрешната мембрана на органелите се кодирани. Што е најважно, јадрото кодира ензими за репликација, транскрипција и превод на mtDNA, со што се контролира растот и репродукцијата на митохондриите. Стапката на раст на симбиотските партнери треба да биде приближно иста. Ако домаќинот расте побрзо, тогаш со секоја генерација бројот на симбиони по поединец ќе се намали, и, на крајот, ќе се појават потомци без митохондрии. Знаеме дека секоја клетка на сексуално репродуцирачки организам содржи многу митохондрии, кои ја повторуваат нивната ДНК во интервалот помеѓу поделбите на домаќинот. Ова гарантира дека секоја од ќерките ќелии ќе добие барем една копија од митохондријалниот геном.

Цитоплазматско наследување

Покрај кодирањето на клучните компоненти на респираторниот синџир и неговиот апарат за синтеза на протеини, митохондријалниот геном во некои случаи е вклучен во формирањето на некои морфолошки и физиолошки карактеристики. Овие карактеристики вклучуваат синдром NCS (не-хромозомски ленти, нехромозомски кодирани дамки на лисја), карактеристичен за голем број повисоки растителни видови и цитоплазматска машка стерилитет (CMS), што доведува до нарушување на нормалниот развој на полен. Манифестацијата на двете карактеристики се должи на промените во структурата на mtDNA. Во CMS, преуредување на митохондријалните геноми се забележани како резултат на рекомбинациони настани што доведуваат до бришење, дупликација, инверзија или вметнување на одредени нуклеотидни секвенци или цели гени. Ваквите промени можат да предизвикаат не само оштетување на постојните гени, туку и појава на нови работни гени.

Цитоплазматската наследност, за разлика од нуклеарната, не ги почитува законите на Мендел. Ова се должи на фактот дека кај повисоките животни и растенија, гамети од различен пол содржат неспоредливи количини на митохондрии. Значи, во јајцето на глувчето има 90 илјади митохондрии, а во спермата - само четири. Очигледно, во оплодената јајце клетка, митохондриите се претежно или само од женка, т.е. наследството на сите митохондријални гени е мајчинско. Генетската анализа на цитоплазматската наследност е тешка поради нуклеарно-цитоплазматска интеракција. Во случај на цитоплазматска машка стерилитет, мутонскиот митохондријален геном комуницира со одредени нуклеарни гени, чии рецесивни алели се неопходни за развој на особината. Доминантните алели на овие гени, и во хомо- и во хетерозиготна состојба, ја враќаат плодноста на растенијата без оглед на состојбата на митохондријалниот геном.

Проучувањето на митохондријалните геноми, нивната еволуција која се одвива според специфичните закони за генетика на популацијата, односот помеѓу нуклеарниот и митохондријалниот генетски систем, е неопходен за да се разбере сложената хиерархиска организација на еукариотската клетка и организмот во целина.

Одредени наследни болести и стареењето на луѓето се поврзани со одредени мутации во митохондријалната ДНК или во нуклеарните гени кои ја контролираат митохондријалната функција. Се собираат податоци за вклученост на дефектите на mtDNA во карциногенезата. Оттука, митохондриите може да бидат цел на хемотерапија за рак. Постојат факти за тесната интеракција на нуклеарниот и митохондријалниот геном во развојот на голем број човечки патологии. Беа пронајдени повеќекратни бришења на mtDNA кај пациенти со тешка мускулна слабост, атаксија, глувост, ментална ретардација, наследена на автозомно доминантен начин. Воспоставен сексуален диморфизам во клиничките манифестации на коронарна срцева болест, што најверојатно се должи на мајчиниот ефект - цитоплазматска наследност. Развојот на генетската терапија нуди надеж за корекција на дефектите во митохондријалните геноми во догледна иднина.

Оваа работа беше поддржана од Руската фондација за основни истражувања. Проект 01-04-48971.
Авторот е благодарен на дипломираниот студент М.К. Иванов, кој ги создаде бројките за статијата.

Литература

1. Јанковски Н.К., Боринскаја С.А.Нашата историја е снимена во ДНК // Природа. 2001. број 6. С.10-18.

2. Минченко А.Г., Дударева Н.А.Митохондријален геном. Новосибирск, 1990 година.

3. Гвоздев В.А.// Сорос. образовани. сврти 1999. број 10. С.11-17.

4. Маргелис Л.Улогата на симбиозата во еволуцијата на клетките. М., 1983 година.

5. Скулачев В.П.// Сорос. образовани. сврти 1998. број 8. С.2-7.

6. Игамбердиев А.У.// Сорос. образовани. сврти 2000. број 1. С.32-36.

Митохондријалната ДНК сместена во матрицата е затворена кружна дво-верижна молекула, во човечки клетки со големина од 16569 нуклеотидни парови, што е приближно 10 5 пати помала од ДНК локализирана во јадрото. Општо земено, митохондријалната ДНК кодира 2 rRNA, 22 tRNA и 13 подединици на ензимите на респираторниот ланец, што не е повеќе од половина од протеините што се наоѓаат во неа. Особено, под контрола на митохондралниот геном, се кодирани седум подединици на АТП синтетаза, три подединици на цитохром оксидаза и една подединица на убикинол-цитохром. со-редуктази. Во овој случај, сите протеини, освен еден, два рибозомални и шест tRNA се транскрибираат од потешката (надворешна) ДНК влакно, а 14 други tRNA и еден протеин се транскрибираат од полесната (внатрешна) влакно.

Наспроти ова, геномот на растителните митохондрии е многу поголем и може да достигне 370.000 нуклеотидни парови, што е околу 20 пати поголемо од човечкиот митохондријален геном опишан погоре. Бројот на гени овде е исто така околу 7 пати поголем, што е придружено со појава во митохондриите на растенијата на дополнителни патишта за транспорт на електрони кои не се поврзани со синтеза на АТП.

Митохондријалната ДНК се реплицира во интерфаза, која е делумно синхронизирана со репликација на ДНК во јадрото. За време на клеточниот циклус, митохондриите се делат на два со стегање, чие формирање започнува со прстенест жлеб на внатрешната митохондријална мембрана. Деталната студија за нуклеотидната секвенца на митохондријалниот геном овозможи да се утврди дека во митохондриите на животните и габите, често се отстапувања од универзалниот генетски код. Така, кај човечките митохондрии, кодот ТАТ наместо изолеуцин во стандардниот код ја кодира аминокиселината метионин, кодните ТКТ и ТЦЦ, обично кодираат аргинин, се стоп -кодони, и кодонот АСТ, кој е стоп -кодон во стандардниот код , ја кодира амино киселината метионин. Што се однесува до митохондриите на растенијата, се чини дека тие користат универзален генетски код. Друга карактеристика на митохондриите е препознавањето на кодони tRNA, што се состои во фактот дека една таква молекула е во состојба да препознае не еден, туку три или четири кодони одеднаш. Оваа карактеристика ја намалува важноста на третиот нуклеотид во кодонот и води до фактот дека митохондриите бараат помала разновидност на типови tRNA. Во овој случај, доволни се само 22 различни tRNAs.

Имајќи свој генетски апарат, митохондриите, исто така, имаат свој систем за синтетизирање на протеини, карактеристика на која во клетките на животните и габите се многу мали рибозоми кои се карактеризираат со коефициент на седиментација од 55S, што е дури и помал од оној на рибозомите од 70-тите години на прокариотски тип. Во овој случај, две големи рибозомски РНК се исто така помали отколку кај прокариотите, а малата рРНК отсуствува целосно. Во растителните митохондрии, напротив, рибозомите се повеќе слични на прокариотските по големина и структура.

Својства и функции на ДНК.

ДНК, или деоксирибонуклеинска киселина, е главниот наследен материјал присутен во сите клетки на телото и главно вклучува сина заптивка на клеточните функции, раст, репродукција и смрт. Структура на ДНК наречена двонасочна спирална структура за првпат беше опишана од Вотсон и Крик во 1953 година.

Оттогаш, постигнат е огромен напредок во синтезата, секвенционирањето и манипулацијата со ДНК. Овие денови ДНК може да се виртуелизира или анализира за мали нешта, па дури и гени да се вметнат за да предизвикаат промени во функцијата и структурата на ДНК.

Главната цел на наследниот материјал е складирање на наследни информации, врз основа на кои се формира фенотипот. Повеќето од карактеристиките и својствата на организмот се должат на синтеза на протеини кои вршат различни функции. Така, информации за структурата на екстремно разновидните протеински молекули, чија специфичност зависи од квалитативниот и квантитативниот состав на амино киселините, како и по редоследот на нивното уредување во пептидниот ланец, мора да се евидентира во наследниот материјал. Следствено, аминокиселинскиот состав на протеините мора да биде кодиран во молекули на нуклеинска киселина.
Во раните 50 -ти години, беше предложено за метод за снимање на генетски информации, во кој кодирањето на индивидуалните амино киселини во протеинска молекула треба да се изврши со употреба на одредени комбинации од четири различни нуклеотиди во молекула на ДНК. За шифрирање на повеќе од 20 амино киселини, потребниот број на комбинации се обезбедува само со тројна шифра, односно код кој вклучува три соседни нуклеотиди. Во овој случај, бројот на комбинации од четири азотни бази, по три е 41 = 64. Претпоставката за тројноста на генетскиот код подоцна беше експериментално потврдена, и за периодот од 1961 до 1964 година беше пронајдена шифра, со помош од кои редоследот на амино киселини е запишан во молекули на нуклеинска киселина во пептид.
Од табелата. 6 дека од 64 тројки, 61 тројки кодираат една или друга амино киселина, а индивидуалните амино киселини се шифрирани со повеќе од една тројка, или кодон (фенилаланин, леуцин, валин, серин, итн.). Неколку тројки не кодираат амино киселини, а нивните функции се поврзани со означувањето на терминалниот регион на протеинската молекула.
Читањето на информациите снимени во молекула на нуклеинска киселина се изведува последователно, ко-Дон со кодон, така што секој нуклеотид е дел од само една тројка.
Студијата за генетскиот код кај живите организми со различни нивоа на организација ја покажа разноврсноста на овој механизам за снимање информации во жива природа.
Така, истражувањето во средината на 20 век откри механизам за снимање на наследни информации во молекулите на нуклеинска киселина со помош на биолошки код, кој се карактеризира со следниве својства: а) тројка - амино киселините се шифрирани со тројки нуклеотиди - кодони; б) специфичност - секоја тројка кодира само одредена амино киселина; в) универзалност - кај сите живи организми, кодирањето на истите амино киселини се врши од истите кодони; г) дегенерација - многу амино киселини се шифрирани со повеќе од една тројка; д) непреклопување - информациите се читаат последователно тројка по тројка: AAGTSTCTSAGTSTSAT.

Покрај снимањето и складирањето на биолошките информации, функцијата на материјалот за наследност е неговата репродукција и пренос на нова генерација во процесот на репродукција на клетки и организми. Оваа функција на наследниот материјал ја вршат молекулите на ДНК во процесот на нејзино репродукција, односно апсолутно точна репродукција на структурата, поради имплементација на принципот на комплементарност (види 2.1).
Конечно, третата функција на наследниот материјал, претставена со молекули на ДНК, е да обезбеди специфични процеси за време на имплементацијата на информациите содржани во него. Оваа функција се изведува со учество на разни видови РНК, кои обезбедуваат процес на превод, односно склопување на протеинска молекула што се јавува во цитоплазмата врз основа на информациите добиени од јадрото (види 2.4). Во текот на реализацијата на наследни информации складирани во форма на молекули на ДНК во хромозомите на јадрото, се разликуваат неколку фази.
1. Читање информации од молекула на ДНК во процесот на синтеза на mRNA - транскрипција, која се изведува на една од нишките на двојната спирала на ДНК -кодогениот ланец според принципот на комплементарност (види 2.4).
2. Подготовка на транскрипциониот производ за пуштање во цитоплазма - созревање на mRNA.
3. Склопување на рибозоми на пептидниот ланец на амино киселини врз основа на информации снимени во молекулата на mRNA, со учество на транспортна tRNA - превод (види 2.4).
4. Формирање секундарни, терцијарни и кватернарни протеински структури, што одговара на формирање на функционален протеин (едноставна карактеристика).
5. Формирање на комплексна особина како резултат на учество на производи од неколку гени (протеини-ензими или други протеини) во биохемиски процеси.

Структурата на двојната спирала на ДНК, држена заедно само со водородни врски, може лесно да се уништи. Раскинувањето на водородните врски помеѓу полинуклеотидните синџири на ДНК може да се изврши во силно алкални раствори (на рН> 12,5) или со загревање. После тоа, насоките на ДНК се целосно разделени. Овој процес се нарекува ДНК денатурација или топење.

Денатурацијата менува некои од физичките својства на ДНК, како што е неговата оптичка густина. Азотните бази апсорбираат светлина во ултравиолетовиот регион (со максимална близу 260 nm). ДНК апсорбира светлина речиси 40% помалку од мешавина на слободни нуклеотиди со ист состав. Овој феномен се нарекува хипохромен ефект и се должи на интеракцијата на основите кога се наоѓаат во двојна спирала.

Секое отстапување од двонасочната состојба влијае на промената на големината на овој ефект, т.е. има поместување на оптичката густина кон вредноста карактеристична за слободните бази. Така, може да се забележи денатурација на ДНК со промена на нејзината оптичка густина.

Кога ДНК се загрева, просечната температура на опсегот на кој се раздвојуваат жиците на ДНК се нарекува точка на топење и е означена како Т pl... Во раствор Т plобично лежи во опсег од 85-95 ° С. Кривата на топење на ДНК секогаш има иста форма, но нејзината позиција на скалата на температурата зависи од основниот состав и условите за денатурација (слика 1). Паровите G-C поврзани со три водородни врски се повеќе огноотпорни од AT паровите кои имаат две водородни врски, затоа, со зголемување на содржината на G-C-дремка, вредноста на Т plсе зголемува. ДНК, 40% составена од G-C (карактеристика на геномот на цицачите), денутрација на Т plоколу 87 ° C, додека ДНК што содржи 60% G-C има Т pl
околу 95 ° С

Температурата на ДНК денатурација (освен составот на базите) е под влијание на јонската јачина на растворот. Покрај тоа, колку е поголема концентрацијата на едновалентни катјони, толку е повисок Т pl... Т вредност plисто така, многу се менува кога супстанции како што се формамид (мравја киселина амид HCONH2) се додаваат во растворот на ДНК, што
дестабилизира водородни врски. Неговото присуство ви овозможува да го намалите Т pl, до 40 ° С.

Процесот на денатурација е реверзибилен. Феноменот на реставрација на структурата на двојна спирала, врз основа на две раздвојувања на комплементарни нишки, се нарекува ренатурација на ДНК. За да се изврши ренатурација, по правило, доволно е да се изврши притисок врз денатурираниот раствор на ДНК.

Обновување вклучува две комплементарни секвенци кои беа одделени за време на денатурацијата. Сепак, сите комплементарни секвенци што се способни да формираат дво-верижна структура може да се ренатлираат. Ако заедно. едножилната ДНК која потекнува од различни точки се анализира, тогаш формирањето на двонасочна ДНК структура се нарекува хибридизација.

Слични информации.