Мітохондрії містять кільцеву ДНК. Дослідження мітохондріальних ДНК. Властивості і функції ДНК

Навіщо мітохондрій своя ДНК? Хоча чому б симбіонтам не мати свою ДНК в собі, виробляючи все необхідне на місці? Навіщо тоді переносити частину мітохондріальної ДНК в ядро ​​клітини, створюючи необхідність транспортування продуктів генів в мітохондрії? Чому мітохондрії передаються тільки від одного з батьків? Яким чином мітохондрії, отримані від матері, уживаються з геномом клітини, складеним з ДНК матері і батька? Чим більше люди дізнаються про мітохондріях, тим більше питань виникає.

Втім, це стосується не тільки мітохондрій: у будь-якій області будь-якої науки розширення сфери знань призводить тільки до збільшення її поверхні, що стикається з невідомим, що викликає все нові питання, відповіді на які розширять ту саму сферу з тим же передбачуваним результатом.

Отже, ДНК сучасних мітохондрій розподілена вельми дивно: невелика частина генів міститься безпосередньо в мітохондріях в кільцевої хромосомі (точніше, в декількох копіях однієї і тієї ж хромосоми в кожній мітохондрії), а велика частина креслень для виробництва складових частин мітохондрії зберігається в ядрі клітини. Тому копіювання цих генів відбувається одночасно з копіюванням генома всього організму, а вироблені по ним продукти проходять довгий шлях з цитоплазми клітини всередину мітохондрій. Проте це багато в чому зручно: мітохондрія врятована від необхідності копіювати всі ці гени при розмноженні, зчитувати їх і будувати протеїни і інші складові, зосередившись на своїй головній функції з виробництва енергії. Навіщо ж тоді в мітохондріях все-таки знаходиться невелика ДНК, для обслуговування якої потрібні всі ці механізми, позбувшись від яких мітохондрії могли б ще більше ресурсів кинути на основну мету їх існування?

Спочатку припустили, що залишилася в мітохондріях ДНК є атавізмом, спадщиною поглиненої метаногенів про-мітохондрії, що має повний бактеріальний геном. На початку їх симбіозу, незважаючи на існування в ядрі тих мітохондріальних генів ( м-генів), Які були необхідні для підтримки всередині метаногени комфортної для про-мітохондрій середовища (про це докладно написано в про мітохондрії), ті ж самі гени зберігалися і в кожній з мітохондрій. Про-мітохондрія на початку свого життя в якості симбіонту виглядала приблизно так само, як сучасна бактерія на схемі зліва від цього абзацу.

І дуже повільно через незатребуваність ці гени зникали з мітохондріальної хромосоми в результаті самих різних мутацій. А ось клітинне ядро ​​накопичувало все більше м-генів, які потрапляли в цитоплазму із зруйнованих симбіонтів-мітохондрій і вбудовувати в геном химери-еукаріоти. Як тільки свежевстроівшійся м-ген починав зчитуватися, клітинні механізми виробляли необхідні мітохондрій продукти, звільняючи симбіонтів від самостійного їх створення. А значить, мітохондріальний аналог перейшов в ядро ​​гена більше не підтримувався в робочому стані природним відбором і стирався мутаціями так само, як всі попередні. Тому логічно було б припустити, що скоро і ті гени, які все ще залишилися в мітохондріях, перейдуть в ядро, що призведе до великої енергетичної вигоді для еукаріот: адже з кожної мітохондрії можна буде прибрати громіздкі механізми копіювання, зчитування і виправлення ДНК, а так ж все необхідне для створення протеїнів.

Прийшовши до такого висновку, вчені підрахували, за який термін шляхом природного дрейфу з мітохондрії в ядро ​​повинні були перекочувати все гени. І виявилося, що цей термін уже давно пройшов. У момент появи еукаріотичної клітини мітохондрії мали звичайний бактеріальний геном з декількох тисяч генів (вчені встановлюють, яким був цей геном, вивчаючи перенесені в ядро ​​м-гени у різних організмів), а зараз мітохондрії всіх видів еукаріот втратили від 95 до 99,9% своїх генів. Більше сотні генів в мітохондріях не залишилося ні у кого, але і безгеновой мітохондрії теж ні в кого не з'явилося. Якби ключову роль в цьому процесі грав випадок, то хоча б кілька видів вже пройшли б шлях перенесення генів в ядро ​​до кінця. Але цього не сталося, і вивчені на даний момент мітохондрії різних видів, що втрачають свої гени незалежно один від одного, зберегли один і той же їх набір, що прямо вказує на необхідність присутності саме цих генів саме в мітохондріях.

Більш того, в інших енерговиробних органелах клітин, хлоропластах, теж є своя ДНК, і точно так же хлоропласти різних видів еволюціонували паралельно і незалежно, залишившись кожен з одним і тим же набором генів.

Значить, все ті значні незручності з підтримки власного геному в кожної клітинної мітохондрії (а в середньому в одній клітці міститься кілька сотень!) І громіздкого апарату по його копіювання-виправленню-транслюванню (основні, але не все! Його частини ти бачиш на картинці зліва ) чимось перевешиваются.

І на даний момент існує несуперечлива теорія цього «чогось»: можливість виробляти певні деталі мітохондрії безпосередньо всередині неї необхідна для регулювання швидкості дихання і підстроювання відбуваються в мітохондрії процесів під щохвилини мінливі потреби всього організму.

Уяви, що в одній з сотень мітохондрій клітини раптом не вистачає елементів дихального ланцюга (детально про неї дивися в), або в ній недостатньо АТФ-синтази. Вона виявляється або перевантаженій їжею і киснем і не може їх досить швидко переробляти, або її межмембранное простір розпирає від протонів, які нікуди дівати - повна катастрофа в загальному. Звичайно ж всі ці відхилення від ідеальної життєвої ситуації запускають множинні сигнали, спрямовані на вирівнювання крену корабля, що тоне.

Ці сигнали запускають виробництво саме тих деталей, яких не вистачає мітохондрії в даний момент, активуючи зчитування генів, за якими будуються протеїни. Як тільки мітохондрія матиме достатньо компонентів дихального ланцюга або АТФаз, «крен вирівняється», сигнали про необхідність будівництва нових деталей перестануть надходити, і гени знову будуть вимкнені. Це один з дивно елегантних в своїй простоті необхідних механізмів саморегуляції клітини, найменше його порушення веде до серйозної хвороби або навіть нежиттєздатності організму.

Спробуємо логічно визначити, де повинні знаходитися необхідні для реакції на цей сигнал лиха гени. Уяви ситуацію, що ці гени знаходяться в ядрі клітини, що містить пару сотень мітохондрій. В одній з мітохондрій виник наприклад недолік NADH-дегідрогенази: Першого ферменту з дихального ланцюга, чия роль полягає у відриві двох електронів від молекули NADH, передачі їх наступного ферменту і прокачування 2-4 протонів через мембрану.

Насправді такі недоліки будь-якого ферменту трапляються досить часто, адже вони періодично виходять з ладу, кількість споживаної їжі постійно змінюється, потреби клітини в АТФ теж стрибають слідом за стрибками або валяння організму, цю клітку містить. Тому ситуація дуже типова. І ось мітохондрія випускає сигнал: «потрібно будувати більше NADH-дегідрогенази!», Який виходить за її межі, проходить по цитоплазмі до ядра, проникає в ядро ​​і запускає зчитування потрібних генів. За клітинним мірками час проходження цього сигналу має велике значення, але ж потрібно ще й витягти з ядра в цитоплазму побудовану матричну РНК, створити по ній протеїни, переслати їх в мітохондрії ...

І ось тут виникає проблема набагато більш істотна, ніж витрати зайвого часу: при створенні спеціалізованих мітохондріальних протеїнів вони маркуються сигналом «доставити в мітохондрії», але ось в яку? Невідомо. Тому в кожну з пари сотень мітохондрій починають надходити протеїни, які їм не потрібні. Клітка витрачає ресурси на їх виробництво і доставку, мітохондрії заповнені зайвими дихальними ланцюгами (що призводить до неефективності дихальних процесів), а та єдина мітохондрія, якій ці протеїни потрібні, не отримує їх в достатній кількості, адже їй дістається в кращому випадку сота частина виробленого. Тому вона продовжує посилати сигнали лиха, і хаос триває. Навіть з цього лірико-поверховому опису того, що відбувається зрозуміло, що така клітина нежиттєздатна. І що є гени, які повинні зчитуватися і транслюватися безпосередньо в мітохондрії, щоб регулювати відбуваються саме в ній процеси, а не покладатися на запущений партією ядром план виробництва цвяхів .. тобто протеїнів дихального ланцюга для всіх мітохондрій відразу.

Перевіривши, що саме виробляється за знайденими в мітохондріях різних (а значить, і переміщати м-гени в ядро ​​незалежно один від одного) організмів, виявили, що це саме елементи для побудови дихальних ланцюгів і АТФази, а так само рибосом (тобто головної частини апарату трансляції).

Детальніше про це (і не тільки) можна прочитати у Лейна в «Енергія, секс, самогубство: мітохондрія і сенс життя». Ну і можна просто порівняти схему мітохондріальної ДНК, де розшифровані кодуються продукти (праворуч від цього абзацу), зі схемою дихального ланцюга (вгорі), щоб стало зрозуміло, що саме виробляється в мітохондрії. Звичайно ж, не кожен протеїн, вбудований в цей ланцюг, проводиться на місці, частина з них будується в цитоплазмі клітини. Але основні «якоря», на які чіпляються інші деталі, створюються всередині мітохондрії. Що дозволяє виробляти рівно стільки ферментів, скільки потрібно, і саме там, де вони необхідні.

Як мітохондрії пов'язані з сексом і як уживаються різні геноми в одній клітці, напишу в одній з наступних глав цієї лінії.

вступ

З часу виявлення в мітохондріях молекул ДНК минуло чверть ве-ка, перш ніж ними зацікавилися не лише молекулярні біологи і цито-логи, але і генетики, еволюціоністи, а також палеонтологи і криміналісти. Такий широкий інтерес спровокувала робота А. Уїлсона з Каліфорнійської-го університету. У 1987 р він опублікував результати порівняльного аналізу ДНК мітохондрій, взятих у 147 представників різних етносів всіх чоловіче-ських рас, що заселяють п'ять континентів. За типом, місцем розташування і количес-тву індивідуальних мутацій встановили, що всі мітохондріальні ДНК воз-ніклі з однієї предковой послідовності нуклеотидів шляхом Діверго-ції. У околонаучной пресі висновок цей інтерпретували вкрай спрощено - все людство походить від однієї жінки, названої мітохондріаль-ної Євою (т. К. І дочки і сини отримують мітохондрії тільки від матері), яка жила в Північно-Східній Африці близько 200 тис. Років тому . Ще через 10 років вдалося розшифрувати фрагмент ДНК мітохондрій, виділений з ос-танків неандертальця, і оцінити час існування останнього загального предка людини і неандертальця в 500 тис. Років тому.

Сьогодні мітохондріальна генетика людини інтенсивно розвивається як в популяційному, так і в медичному аспекті. Встановлено зв'язок між рядом важких спадкових захворювань і дефектами в мітохондріальних ДНК. Генетичні зміни, асоційовані зі старінням організму, найбільш виражені в мітохондріях. Що ж представляє із себе геном мітохондрій, що відрізняється у людини і інших тварин від такого у рослин, грибів і найпростіших і за розміром, і за формою, і за генетичною ємності? Яка роль, як працює і як виник мітохондріальний геном у різних таксонів в цілому і у людини зокрема? Про це і піде мова в моєму "маленькому і самому скромному" рефераті.

У матриксі мітохондрій, крім ДНК, знаходяться і власні рибосоми, за багатьма характеристиками відрізняються від евкаріотіческіх рибосом, рас-покладених на мембранах ендоплазматичної мережі. Однак на рибосомах мі-тохондрий утворюється не більше 5% від всіх білків, що входять до їх складу. Бóль-Шая частина білків, складових структурні і функціональні компоненти мітохондрій, кодується ядерним геномом, синтезується на рибосомах ендо- плазматичної мережі і транспортується по її каналах до місця збірки. Таким чином, мітохондрії - це результат об'єднаних зусиль двох геномів і двох апаратів транскрипції і трансляції. Деякі суб'едінічние фермі-нти дихального ланцюга мітохондрій складаються з різних поліпептидів, частина ко-торих кодується ядерним, а частина - мітохондріальних геномом. Наприклад, ключовий фермент окисного фосфорилювання - цитохром-с-оксидаза у дріжджів складається з трьох субодиниць, кодованих і синтезованих в мито-Хондрит, і чотирьох, кодованих в ядрі клітини і синтезованих в цитоплазмі. Експресією більшості генів мітохондрій управляють певні гени ядер.

Симбиотическая теорія походження мітохондрій

Гіпотезу про походження мітохондрій і рослинних пластид з вну-тріклеточних бактерій-ендосімбіонтов висловив Р. Альтман ще в 1890 р За століття бурхливого розвитку біохімії, цитології, генетики і що з'явилася півстоліття тому молекулярної біології гіпотеза переросла в теорію, засновану на бо-льшом фактичному матеріалі . Суть її така: з появою фотосинтезуючих-чих бактерій в атмосфері Землі накопичувався кисень - побічний продукт їх метаболізму. З ростом його концентрації ускладнювалася життя анаеробних ге-теротрофов, і частина з них для отримання енергії перейшла від безкисневого бродіння до окислювального фосфорилювання. Такі аеробні гетеротрофи могли з більшим ККД, ніж анаеробні бактерії, розщеплювати органічні ве-щества, які утворюються в результаті фотосинтезу. Частина вільно живуть АЕ-Робово була захоплена анаеробами, але не "переварена", а збережена як енергетичних станцій, мітохондрій. Не варто розглядати мітохондрії як рабів, захоплених у полон, щоб постачати молекулами АТФ нездатні до ди-Ханію клітини. Вони швидше "істоти", ще в протерозої що знайшли для себе і свого потомства найкраще з притулків, де можна витрачати найменші уси-лия, не наражаючись на ризик бути з'їденими.

На користь симбіотичної теорії свідчать численні факти:

Збігаються розміри і форми мітохондрій і вільно живуть аеробних бактерій; ті і інші містять кільцеві молекули ДНК, не пов'язані з гистонами (на відміну від лінійних ядерних ДНК);

За нуклеотидних послідовностей рибосомні і транспортні РНК мітохондрій відрізняються від ядерних, демонструючи при цьому дивовижну схожість з аналогічними молекулами деяких аеробних грамнегативних еубактерій;

Мітохондріальні РНК-полімерази, хоча і кодуються в ядрі клітини, відзначено зниження рифампіцином, як і бактеріальні, а евкаріотіческіе РНК-полімерази нечутливі до цього антибіотика;

Білковий синтез в мітохондріях і бактеріях пригнічується одними і тими ж антибіотиками, що не впливають на рибосоми евкаріот;

Ліпідний склад внутрішньої мембрани мітохондрій і бактеріальної плазмалемми схожий, але сильно відрізняється від такого зовнішньої мембрани мітохондрій, гомологичной іншим мембран евкаріотіческіх клітин;

Крісти, утворені внутрішньої мітохондріальної мембраною, є еволюційними аналогами мезосомних мембран багатьох прокаріотів;

До сих пір збереглися організми, що імітують проміжні форми на шляху до утворення мітохондрій з бактерій (примітивна амеба Pelomyxaне має мітохондрій, але завжди містить ендосімбіотіческіе бактерії).

Існує уявлення, що різні царства евкаріот мали різних предків і ендосимбіоз бактерій виникав на різних етапах еволюції живих організмів. Про це ж говорять відмінності в будові мітохондріальних гено-мов найпростіших, грибів, рослин і вищих тварин. Але у всіх випадках ос-новних частина генів з промітохондрій потрапила в ядро, можливо, за допомогою мобільних генетичних елементів. При включенні частини геному одного з симбіонтів в геном іншого інтеграція симбіонтів стає незворотною. Новий геном може створювати метаболічні шляхи, що призводять до освітньої-ня корисних продуктів, які не можуть бути синтезовані жодним з партнерів окремо. Так, синтез стероїдних гормонів клітинами кори надниркових залоз є складний ланцюг реакцій, частина яких відбувається в мітохондріях, а частина - в ендоплазматичної мережі. Захопивши гени промітохондрій, ядро ​​отримало можливість надійно контролювати функції симбіонту. У ядрі кодуються всі білки і синтез ліпідів зовнішньої мембрани мітохондрій, більшість білків матриксу і внутрішньої мембрани органел. Найголовніше, що ядро ​​кодує ферменти реплікації, транскріп-ції і трансляції мтДНК, контролюючи тим самим зростання і розмноження мито-Хондрит. Швидкість зростання партнерів по симбіозу повинна бути приблизно однаковою. Якщо господар буде рости швидше, то з кожним його поколінням число симбіонтів, що припадають на одну особину, зменшуватиметься, і, врешті-решт, з'являться нащадки, які не мають мітохондрій. Ми знаємо, що в кожній клітині організму, розмножується статевим шляхом, міститься багато мито-Хондрит, реплицирующихся свої ДНК в проміжку між поділами хазяїна. Це є гарантією того, що кожна з дочірніх клітин отримає принаймні одну копію геному мітохондрії.

Роль клітинного ядра в біогенезу мітохондрій

У мутантних дріжджів певного типу є велика делеция в мітохондріальної ДНК, що веде до повного припинення білкового синтезу в мітохондріях; в результаті ці органели не здатні виконувати свою функцію. Так як при зростанні на середовищі з низьким вмістом глюкози такі мутанти утворюють дрібні колонії, їх називають цитоплазматическими муТАНТАpetite.

Хоча у мутантів petite немає мітохондріального синтезу білків і тому нормальних мітохондрій не утворюється, проте такі мутанти містять промітохондріі,які певною мірою схожі з звичайними мітохондріями, мають нормальну зовнішню мембрану і внутрішню мeмбрану зі слабо розвиненими кристами. У промітохондріях є багато ферментів, які кодуються ядерними генами і синтезовані на рибосомах цитоплазми, в тому числі ДНК - і РНК-полімерази, все ферменти циклу лимонної кислоти і багато білків, що входять до складу внутрішньої мембрани. Це наочно демонструє переважну роль ядерного геному в біогенезу мітохондрій.

Цікаво відзначити, що, хоча втрачені фрагменти ДНК становлять від 20 до більш ніж 99,9% мітохондріального геному, загальна кількість мітохондріальної ДНК у мутантів petite завжди залишається на тому ж рівні, що і у дикого типу. Це обумовлено ще мало вивченим процесом aмпліфікаціі ДНК, в результаті якого утворюється молекула ДНК, що складається з тандемних повторів одного і того ж ділянки і рівна за величиною нормальної молекулі. Наприклад, мітохондріальна ДНК мутанта petite, котра зберегла 50% нуклеотидної послідовності ДНК дикого типу, буде складатися з двох повторів, тоді як молекула, котра зберегла тільки 0,1% генома дикого типу, буде побудована з 1000 копій залишився фрагмента. Таким чином, мутанти petite можуть бути використані для отримання у великій кількості певних ділянок мітохондріальної ДНК, які, можна сказати, клонуються самою природою.

Хоча біогенез органел контролюється головним чином ядерними генами, самі органели теж, судячи за деякими даними, надають якесь що регулює вплив за принципом зворотного зв'язку; у всякому разі так йде справа з мітохондріями. Якщо блокувати синтез білка в мітохондріях інтактних клітин, то в цитоплазмі починають у надлишку утворюватися ферменти беруть участь в мітохондріальному синтезі ДНК, РНК і білків, як ніби клітина намагається подолати вплив блокуючого агента. Але, хоча існування якогось сигналу з боку мітохондрій і не викликає сумнівів, природа його до цих пір не відома.

По ряду причин механізми біогенезу мітохондрій вивчають зараз в більшості випадків на культурах Saccharomyces carlsbergensis(Пивні дріжджі і S. cerevisiae(Пекарські дріжджі). По-перше, при зростанні на глюкозі ці дріжджі виявляють унікальну здатність існувати тільки за рахунок гліколізу, т. Е. Обходитися без функції мітохондрій. Це дає можливість вивчати мутації в мітохондріальної та ядерної ДНК, що перешкоджають розвитку цих органел. Такі мутації летальні майже у всіх інших організмів. По-друге, дріжджі - прості одноклітинні еукаріоти - легко культивувати і піддавати біохімічному дослідженню. І нарешті, дріжджі можуть розмножуватися як в гаплоидной, так і в диплоїдної фазі, зазвичай безстатевим способом-брунькуванням (асиметричний мітоз). Але у дріжджів зустрічається і статевий процес: час від часу дві гаплоїдні клітини зливаються, утворюючи диплоїдну зиготу, яка потім або ділиться шляхом мітозу, або зазнає мейоз і знову дає гаплоїдні клітини. Контролюючи в ході експерименту чергування безстатевого і статевого раз-множения, можна багато чого довідатися про генах, відповідальних за функцію мітохондрій. За допомогою цих методів можна, зокрема, з'ясувати, локалізовані такі гени в ядерній ДНК або в мітохондріальної, так як мутації мітохондріальних генів не успадковуються за законами Менделя, яким підпорядковується успадкування ядерних генів.

Транспортні системи мітохондрій

Велика частина білків, що містяться в мітохондріях і хлоропластах імпортування-тируется в ці органели з цитозолі. У зв'язку з цим виникають два питання: як клітина направляє білки до належної органелле і яким чином ці білки проникають в неї?

Часткову відповідь була отримана при вивченні транспорту в строму хлоропласта малої субодиниці (S) ферменту рибулозо-1,5-бісфосфат-карбоксилази.Якщо мРНК, виділену з цитоплазми одноклітинної водорості Chlamydomonasабо з листя гороху, ввести в якості матриці в білоксинтезуюча систему in vitro, то один з багатьох утворюються білків буде зв'язуватися специфічним анти-S-антитілом. S-білок, що синтезується in vitro, називають пpo-S, так як він більше звичайного S-білка приблизно на 50 амінокислотних залишків. При інкубації білка пpo-S з інтактними хлоропластами він проникає в органели і перетворюється там під дією пептідази в S-білок. Потім S-білок зв'язується з великою субодиницею рибулозо-1,5-бісфосфат-карбоксилази, що синтезується на рибосомах хлоропласта, і утворює з нею в стромі хлоропласта активний фермент.

Механізм переносу S-білка невідомий. Вважають, що пpo-S зв'язується з білком-рецептором, що знаходяться на зовнішній мембрані хлоропласта або в місці контакту зовнішньої і внутрішньої мембран, а потім переноситься в строму через трансмембранні канали в результаті процесу, що вимагає витрати енергії.

Подібним чином здійснюється транспорт білків всередину мітохондрій. Якщо очищені мітохондрії дріжджів інкубувати з клітинним екстрактом, що містить тільки що синтезовані радіоактивні дріжджові білки, то можна спостерігати, що мітохондріальні білки, які кодуються ядерним геномом, відокремлюються від немітохондріальних білків цитоплазми і вибірково включаються в мітохондрії-так само, як це відбувається в інтактною клітці. При цьому білки зовнішньої та внутрішньої мембран, матриксу і межмембранного простору знаходять свій шлях до відповідного компартментом мітохондрії.

Багато з знову синтезованих білків, призначених для внутрішньої мембрани, матриксу і межмембранного простору, мають на своєму N-кінці лідерних пептид, який під час транспортування відщеплюється специфічної протеазой, що знаходиться в матриксі. Для перенесення білків в ці три мітохондріальних компартмента необхідна енергія електрохімічного протонного градієнта, створюваного на внутрішній мембрані. Механізм переносу білків для зовнішньої мембрани інший: в цьому випадку не потрібно ні витрат енергії, ні протеолітичної розщеплення довшого білка-попередника. Ці та інші спостереження дозволяють думати, що всі чотири групи мітохондріальних білків транспортуються в органел за допомогою наступного механізму: передбачається, що всі білки, крім тих, які призначені для зовнішньої мембрани, включаються у внутрішню мембрану в результаті процесу, що вимагає витрати енергії і того, що відбувається в місцях контакту зовнішньої і внутрішньої мембран. Мабуть, після цього початкового включення білка в мембрану він піддається протеолитическому розщепленню, яке призводить до зміни його конформації; в залежності від того, як зміниться конформація, білок або закріплюється в мембрані, або «виштовхується» в матрикс або в межмембранное простір.

Перенесення білків через мембрани мітохондрій і хлоропластів в принципі аналогічний переносу їх через мембрани ЕПР. Однак тут є кілька важливих відмінностей. По-перше, при транспорті в матрикс або строму білок проходить як через зовнішню, так і через внутрішню мембрану органели, тоді як при перенесенні в просвіт ЕПР молекули проходять тільки через одну мембрану. Крім того, перенесення білків в ретикулум здійснюється за допомогою механізму спрямованого виведення(Vectorial discharge) -він починається тоді, коли білок ще не повністю зійшов з рибосоми (Котрансляціонний імпорт),а перенесення в мітохондрії і хлоропласти відбувається вже після того, як синтез білкової молекули буде повністю завершено (Посттрансляційних імпорт).

Незважаючи на ці відмінності, і в тому і в іншому випадку клітина синтезує білки-попередники, які містять сигнальну послідовність, яка визначає, до якої мембрані попрямує даний білок. Мабуть, у багатьох випадках ця послідовність відщеплюється від молекули-попередника після завершення транспортного процесу. Однак деякі білки відразу синтезуються в остаточному вигляді. Вважають, що в таких випадках сигнальна послідовність укладена в поліпептидного ланцюга готового білка. Сигнальні послідовності ще погано вивчені, але, ймовірно, повинно бути кілька типів таких послідовностей, кожен з яких визначає перенесення білкової молекули в певну область клітини. Наприклад, в рослинній клітині деякі з білків, синтез яких починається в цитозолі, транспортуються потім в мітохондрії, інші - в хлоропласти, треті - в пероксисоми, четверті - в ендоплазматичнийретикулум. Складні процеси, що призводять до правильного внутрішньоклітинного розподілу білків, тільки зараз стають зрозумілими.

Крім нуклеїнових кислот і білків для побудови нових мітохондрій потрібні ліпіди. На відміну від хлоропластів мітохондрії отримують більшу частину своїх ліпідів ззовні. У тваринних клітинах фосфоліпіди, синтезовані в ЕПР, транспортуються до зовнішньої мембрани мітохондрій за допомогою особливих білків, а потім включаються у внутрішню мембрану; як вважають, це відбувається в місці контакту двох мембран. Основна реакція біосинтезу ліпідів, катализируемая самими мітохондріями, - це перетворення фосфатидного кислоти в фосфолипид кардиолипин, який міститься головним чином у внутрішній мітохондріальній мембрані і становить близько 20% всіх її ліпідів.

Розміри і форма мітохондріальних геномів

До теперішнього часу прочитано більше 100 різних геномів мітохондрій. На-бор і кількість їх генів в мітохондріальних ДНК, для яких повністю визначена послідовність нуклеотидів, сильно розрізняються у різних ви-дів тварин, рослин, грибів і найпростіших. Найбільша кількість генів виявлено в мітохондріальному геномі жгутикового найпростішого Rectinomo-nas americana- 97 генів, включаючи всі кодують білок гени, знайдені в мтДНК інших організмів. У більшості вищих тварин геном мітохон-дрій містить 37 генів: 13 для білків дихального ланцюга, 22 для тРНК і два для рРНК (для великої субодиниці рибосом 16S рРНК і для малої 12S рРНК). У рослин і найпростіших, на відміну від тварин і більшості гри-бов, в мітохондріальному геномі закодовані і деякі білки, що входять до складу рибосом цих органел. Ключові ферменти матричного полінуклеоті-дного синтезу, такі як ДНК-полімераза (здійснює реплікацію мито-хондріальной ДНК) і РНК-полімераза (транскрибується геном мітохон-дрій), зашифровані в ядрі і синтезуються на рибосомах цитоплазми. Цей факт вказує на відносність автономії мітохондрій у складній ієрархія-ХІІ евкаріотіческой клітини.

Геноми мітохондрій різних видів відрізняються не тільки по набору ге-нів, порядку їх розташування та експресії, але за розміром і формою ДНК. Як і переважна більшість описаних сьогодні мітохондріальних геномів перед- ставлять собою кільцеві суперспіралізованние двуцепочечние молекули ДНК. У деяких рослин поряд з кільцевими формами є і лінійні, а у деяких найпростіших, наприклад інфузорій, в мітохондріях вияв-дружини тільки лінійні ДНК.

Як правило, в кожній мітохондрії міститься кілька копій її ге-нома. Так, в клітинах печінки людини близько 2 тис. Мітохондрій, і в кожній з них - по 10 однакових геномів. У фібробластах миші 500 мітохондрій, со-тримають по два генома, а в клітинах дріжджів S. cerevisiae- до 22 мітохон-дрій, що мають по чотири геному.

DIV_ADBLOCK1003 ">

Рис 2.Схема освіти лінійних (А), кільцевих (Б), ланцюгових (В) олігомерів мтДНК. ori - район початку реплікації ДНК.

Розмір геному мітохондрій різних організмів коливається від менш 6 тис. Пар нуклеотидів у плазмодія (в ньому, крім двох генів рРНК, міститься тільки три гени, що кодують білки) до сотень тисяч пар нуклеотидів у наземних рослин (наприклад, у Arabidopsis thalianaз сімейства хрестоцвітних 366924 пар нуклеотидів). При цьому 7-8-кратні відмінності в ра-змери мтДНК вищих рослин виявляються навіть в межах одного се-мейства. Довжина мтДНК хребетних тварин відрізняється незначно: у людини - 16569 пар нуклеотидів, у свині - 16350, у дельфіна - 16330, у шпорцевой жаби Xenopus laevis- 17533, у коропа - 16400. Ці геноми схо-дни також і по локалізації генів, більшість яких розташовуються встик; в ряді випадків вони навіть перекриваються, зазвичай на один нуклеотид, так що по-следний нуклеотид одного гена виявляється першим в наступному. На відміну від хребетних, у рослин, грибів і найпростіших мтДНК містять до 80% не-кодують послідовностей. У різних видів порядок генів в геномах мітохондрій відрізняється.

Висока концентрація активних форм кисню в мітохондріях і сла-бая система репарації збільшують частоту мутацій мтДНК у порівнянні з ядерної на порядок. Радикали кисню служать причиною специфічних за-мен Ц®Т (дезаминирование цитозину) і Г®Т (окисне пошкодження гуаніну), внаслідок чого, можливо, мтДНК багаті АТ-парами. Крім того, всі мтДНК мають цікавим властивістю - вони не метіліруется, в отли-чие від ядерних і прокариотических ДНК. Відомо, що метилування (време-нна хімічна модифікація нуклеотидноїпослідовності без порушен-ня кодує функції ДНК) - один з механізмів програмованої інактивації генів.

Розміри і будова молекул ДНК в органелах

Відносна кількість ДНК органел в деяких клітинах і тканинах

Функціонування мітохондріального геному

Що ж особливого в механізмах реплікації і транскрипції ДНК мітохондрій ссавців?

Комплементариев "href =" / text / category / komplementarij / "rel =" bookmark "> комплементарні ланцюга в мтДНК значно розрізняються по питомій щільності, оскільки містять неоднакове кількістю-ство" важких "пуринових і" легких "піримідинових нуклеотидів. Так вони і називаються - H (heavy - важка) і L (light - легка) ланцюг. на початку Реплі-кации молекули мтДНК утворюється так звана D-петля (від англ. Displace-ment loop - петля зміщення). Ця структура, видима в електронний мікро- скопа, складається з двуцепочечной і одноланцюжкові (відсунутою частини Н-ланцюги) ділянок. двуцепочечной ділянку формується частиною L-ланцюга і комплек-плементарним їй знову синтезованим фрагментом ДНК довжиною 450-650 (в залежності від виду організму) нуклеотидів, які мають на 5 "- наприкінці рібонук-леотідную приманку, яка відповідає точці початку синтезу Н-ланцюги (oriH). Синтез L-ланцюга починається лише тоді, коли дочірня Н-ланцюг доходить до точки ori L. Це обумовлено тим, що область ініціації реплікації L-ланцюга доступ-на ферментах синтезу ДНК лише в одноланцюговий стані, а следоват-льно, тільки в розплетеною подвійної спіралі при синтезі Н-ланцюги. Таким обра-зом, дочірні ланцюга мтДНК синтезуються безперервно і асинхронно (рис.3).

Рис 3.Схема реплікації мтДНК ссавців. Спочатку формується D-петля, потім синтезується дочірня Н-ланцюг, потім починається синтез дочірньої L-ланцюга.

Кон-це гена 16S рРНК (рис.4). Таких коротких транскриптов в 10 разів більше, ніж довгих. В результаті дозрівання (процесингу) з них утворюються 12S рРНК і 16S рРНК, які беруть участь у формуванні мітохондріальних рибосом, а так-же фенілаланіновой і валіновая тРНК. З довгих транскриптов вирізаються інші тРНК і утворюються транслюються мРНК, до 3 "-кінців яких при-з'єднуються поліаденіловой послідовності. 5"-кінців цих мРНК НЕ ке-піруются, що незвично для евкаріот. Сплайсингу (зрощування) НЕ відбувається із-дит, оскільки жоден з мітохондріальних генів ссавців НЕ содер-жит интронов.

Рис 4.Транскрипція мтДНК людини, що містить 37 генів. Все транскрипти починають синтезуватися в районі ori H. Рибосомні РНК вирізаються з довгого і короткого транскриптов Н-ланцюги. тРНК і мРНК утворюються в результаті процесингу з транскриптов обох ланцюгів ДНК. Гени тРНК позначені світло-зеленим кольором.

Хочете дізнатися які ще сюрпризи здатний піднести мітохон-дріальний геном? Відмінно! Читаємо далі! ..

Лідерних і 3 "-некодірующую області, як і більшість ядерних мРНК. Ряд генів містить ще й інтрони. Так, в гені box, що кодує цитохром-оксидазу b, є два інтрони. З первинного РНК-транскрипту автокаталі-тично (без участі будь або білків) вирізається копія здебільшого пер-вого інтрона. Частина, що залишилася РНК служить матрицею для утворення ферменту ма-турази, що бере участь в сплайсинге. Частина її амінокислотною послідовно-сті закодована в останніх копіях интронов. Матураза вирізає їх, руйнуючої-шая свою власну мРНК, копії екзонів зшиваються, і утворюється мРНК для цитохромоксидази b (рис.5). Відкриття такого феномена змусило пере-дивитися виставу про інтрони, як про "нічого не кодують послідовно-ність".

Рис 5.Процесинг (дозрівання) мРНК цитохромоксидази b в мітохондріях дріжджів. На першому етапі сплайсингу утворюється мРНК, по якій синтезується матураза, необхідна для другого етапу сплайсингу.

При вивченні експресії мітохон-дріальних генів Trypanosoma bruceiвиявилося дивовижне відхилення від однієї з основних аксіом молекулярної біології, яка говорить, що після-довність нуклеотидів в мРНК в точності відповідає такій в коді-ючий ділянках ДНК. Виявилося, мРНК однією з субодиниць цитохром-с-оксидази редагується, т. Е. Після транскрипції змінюється її первинна структура - вставляється чотири урацила. В результаті утворюється нова мРНК, що служить матрицею для синтезу додаткової субодиниці ферменту, пос-ледовательно амінокислот в якій не має нічого спільного з послідовно-Вірус "href =" / text / category / virus / "rel =" bookmark "> вірусів, грибів, расті-ний і тварин. Англійський дослідник Беррел зіставив структуру од-ного з мітохондріальних генів теляти з послідовністю амінокислот в кодируемой цим геном субодиниці цитохромоксидази. Виявилося, що гені-тичний код мітохондрій великої рогатої худоби (як і людини) не просто відрізняється від універсального, він "ідеальний", т. е. підпорядковується наступному пра-вилу: "якщо два кодони мають два однакових нуклеотиду, а треті нуклеоті-ди належать до одного класу (пуринових - а, Г, або піримідинових - У, Ц), то вони кодують одну і ту ж амінокислоту ". в універсальному коді є два винятки з цього правила: триплет АУА кодує изолейцин, а кодон АУГ - метіонін, в той час як в ідеальному коді мітохондрій обидва ці тріп-літа до одіруют метіонін; триплет УГГ кодує лише триптофан, а триплет УГА - стоп-кодон. В універсальному коді обидва відхилення стосуються прин-ціпіальних моментів синтезу білка: кодон АУГ - ініціює, а стоп-кодон УГА зупиняє синтез поліпептиду. Ідеальний код притаманний не всім описаним мітохондрій, але ні в одній з них немає універсального коду. Мож-но сказати, що мітохондрії говорять на різних мовах, але ніколи - на мові ядра.

Відмінності між "універсальним" генетичним кодом і двома мітохондріальними кодами

Як вже говорилося, в мітохондріальному геномі хребетних є 22 ге-на тРНК. Яким же чином такий неповний набір обслуговує всі 60 кодонів для амінокислот (в ідеальному коді з 64 кодонів чотири стоп-кодону, в уні-версальная - три)? Справа в тому, що при синтезі білка в мітохондріях спрощена-ни кодон-антикодон взаємодії - для впізнавання використовується два з трьох нуклеотидів антикодону. Таким чином, одна тРНК дізнається все чотири представники кодонового сімейства, що відрізняються тільки третім нуклеоті-будинок. Наприклад, лейцінових тРНК з антикодоном ГАУ встає на рибосомі на-проти кодонів ЦУУ, ЦУЦ, ЦУА і ЦУГ, забезпечуючи безпомилкове включе-ня лейцину в поліпептидний ланцюг. Два інших лейцінових кодону УУА і УУГ впізнаються тРНК з антикодоном ААУ. В цілому, вісім різних молекул тРНК дізнаються вісім родин по чотири кодону в кожному, і 14 тРНК дізнаються різні пари кодонів, кожна з яких шифрує одну амінокислоту.

Важливо, що ферменти аміноацил-тРНК-синтетази, відповідальні за при-з'єднання амінокислот до відповідних тРНК мітохондрій, кодуються в ядрі клітини і синтезуються на рибосомах ендоплазматичної мережі. Таким чином, у хребетних тварин все білкові компоненти мітохондріаль-ного синтезу поліпептидів зашифровані в ядрі. При цьому синтез білків в мі-тохондрий подавляется циклогексимідом, блокуючим роботу евкаріот-чеських рибосом, але чутливий до антибіотиків еритроміцину і хлорамфені-колу, ингибирующим білковий синтез в бактеріях. Цей факт служить одним з аргументів на користь походження мітохондрій з аеробних бактерій при симбиотическом освіту евкаріотіческіх клітин.

Значення наявності власної генетичної системи для мітохондрій

Чому мітохондрій необхідна власна генетична система, тоді як інші органели, наприклад пероксисоми і лізосоми її не мають? Це питання зовсім тривіальний, так як підтримання окремої генетичної сис-теми дорого обходиться клітці, якщо врахувати необхідну кількість додаткового-них генів в ядерному геномі. Тут повинні бути закодовані рибосом-ні білки, аміноацил-тРНК-синтетази, ДНК - і РНК-полімерази, ферменти процесингу і модифікації РНК і т. Д. Більшість вивчених білків з мітохондрій відрізняються по амінокислотної послідовності від своїх аналогів з інших частин клітини, і є підстави вважати, що в цих органі-ллах дуже мало таких білків, які могли б зустрітися ще де-небудь. Це означає, що тільки для підтримки генетичної системи мітохондрій в ядерному геномі має бути кілька десятків додаткових генів. При-чини такого "марнотратства" неясні, і надія на те, що розгадка буде знайдена в нуклеотидної послідовності мітохондріальної ДНК, що не Опра-вдалину. Важко уявити собі, чому утворюються в мітохондріях бел-ки повинні неодмінно синтезуватися саме там, а не в цитоплазмі.

Зазвичай існування генетичної системи в енергетичних органелах пояснюють тим, що деякі з синтезованих всередині органели білків занадто гідрофобні, щоб пройти крізь мітохондріальну мембрану через поза. Однак вивчення АТР-синтетазної комплексу показало, що таке пояснити-ня неправдоподібно. Хоча окремі білкові субодиниці АТР-синтетази дуже консервативні в ході еволюції, місця їх синтезу змінюються. У хлоропластах кілька досить гідрофільних білків, в тому числі чотири з п'яти субодиниць F1-ATPазной частини комплексу, утворюються на рибосомах всередині органели. Навпаки, у гриба Neurosporaі в тваринних клітинах досить гідрофобний компонент (субодиниця 9) мембранної частини АТРази синтези-ється на рибосомах цитоплазми і лише після цього переходить в органеллу. Різну локалізацію генів, що кодують субодиниці функціонально еквівалентних білків у різних організмів, важко пояснити за допомогою якої б то не було гіпотези, що постулює певні еволюційні переваги сучасних генетичних систем мітохондрій і хлоропластів.

З огляду на все вищесказане, залишається тільки припустити, що генетична система мітохондрій являє собою еволюційний тупик. В рамках ендо- симбиотической гіпотези це означає, що процес перенесення генів ендосімбіонта в ядерний геном господаря припинився раніше, ніж був повністю завершений.

цитоплазматична спадковість

Наслідки цитоплазматичної передачі генів для деяких тварин, в тому числі і для людини, більш серйозні, ніж для дріжджів. Дві зливаються гаплоїдні дріжджові клітини мають однакову величину і вносять в утворюється зиготу однакову кількість мітохондріальної ДНК. Таким чином, у дріжджів мітохондріальний геном успадковується від обох батьків, які вносять рівний внесок в генофонд потомства (хоча, через кілька генерацій окремінащадки нерідко будуть містити мітохондрії тільки одного з батьківських типів). На відміну від цього у вищих тварин яйцеклітина вносить в зиготу більше цитоплазми ніж спермий, а у деяких тварин спермії можуть взагалі не вносити цитоплазми. Тому можна думати, що у вищих тварин мітохондріальний геном буде передаватися тільки від одного з батьків (а саме по материнськоїлінії); і дійсно, це було підтверджено експериментами. Виявилося, наприклад, що при схрещуванні щурів двох лабораторних ліній з мітохондріальної ДНК, злегка розрізняється по пocледовательності нуклеотидів (типи А і В), виходить потомство, утримуючи

ний мітохондріальну ДНК тільки материнського типу.

Цитоплазматична спадковість, на відміну від ядерної, не під-чиняться законам Менделя. Це пов'язано з тим, що у вищих тварин і расте-ний гамети від різних статей містять несумісні кількості мітохон-дрій. Так, в яйцеклітині миші є 90 тис. Мітохондрій, а в сперматозоїді - лише чотири. Очевидно, що в заплідненої яйцеклітини мітохондрії переважно або тільки від жіночої особини, т. Е. Успадкування всіх мито-хондріальних генів материнське. Генетичний аналіз цитоплазматичної спадковості утруднений через ядерно-цитоплазматичних взаємодій. У разі цитоплазматичної чоловічої стерильності мутантний мітохон-дріальний геном взаємодіє з певними генами ядра, рецесивні аллели яких необхідні для розвитку ознаки. Домінантні аллели цих генів як в гомо-, так і в гетерозиготному стані відновлюють фертілен-ність рослин незалежно від стану мітохондріального геному.

Хотілося б зупинитися на механізмі материнського успадкування генів шляхом приведення конкретного прикладу. Для того щоб остаточно і безповоротно зрозуміти механізм неменделевская (цитоплазматического) успадкування мітохондріальних генів, розглянемо, що відбувається з такими генами, коли дві гаплоїдні клітини зливаються, утворюючи диплоїдну зиготу. У разі коли одна дріжджова клітина несе мутацію, що визначає резистентність мітохондріального білкового синтезу до хлорамфеніколу, а інша - клітина дикого типу - чутлива до цього антибіотика: мутантні гени легко виявити, вирощуючи дріжджі на середовищі з гліцерин, використовувати який здатні тільки клітини з інтактними мітохондріями; тому в присутності хлорамфеніколу на такому середовищі зможуть рости тільки клітини, що несуть мутантний ген. Наша диплоидная зигота спочатку матиме мітохондрії як мутантного, так і дикого типу. Від зиготи в результаті мітозу отпочкуется диплоидная дочірня клітина, яка буде містити лише невелике число мітохондрій. Після кількох мітотичних циклів в кінці кінців якась із нових клітин отримає все мітохондрії або мутантного, або дикого типу. Тому все потомство такої клітини матиме генетично ідентичні мітохондрії. Такий випадковий процес, в результаті якого утворюється диплоидное потомство містить мітохондрії тільки одного типу, називають мітотичнай сегрегаціей. Коли диплоидная клітина з одним лише типом мітохондрій зазнає мейоз, всі чотири дочірні гаплоїдні клітини отримують однакові мітохондріальні гени. Цей тип спадкування називають неменделев ськимабо цитоплазматическимна відміну від менделевского успадкування ядерних генів. Передача генів по цитоплазматичних типу означає, що досліджувані гени знаходяться в мітохондріях.

Вивчення геномів мітохондрій, їх еволюції, що йде за специфічними законами популяційної генетики, взаємин між ядерними і мито-хондріальнимі генетичними системами, необхідно для розуміння складність ної ієрархічної організації евкаріотіческой клітини і організму в цілому.

З певними мутаціями в мітохондріальної ДНК або в ядерних генах, що контролюють роботу мітохондрій, пов'язують деякі наслед недержавні хвороби і старіння людини. Накопичуються дані про участь де-дефектів мтДНК в канцерогенезі. Отже, мітохондрії можуть бути мі-шенью хіміотерапії раку. Є факти про тісну взаємодію ядерного і мітохондріального геномів в розвитку ряду патологій людини. Множес-ничих делеции мтДНК виявлені у хворих з важкою м'язової слабос-ма, атаксією, глухотою, розумовою відсталістю, наследующихся по аутосомно-домінантним типом. Встановлено статевої диморфізм в клінічних проявах ішемічної хвороби серця, що швидше за все обумовлено мате-ринських ефектом - цитоплазматичної спадковістю. Розвиток ген-ної терапії вселяє надію на виправлення дефектів в геномах мітохон-дрій в доступному для огляду майбутньому.

Як відомо, для того щоб перевірити функцію одного з компонентів багатокомпонентної системи, необхідної стає ліквідація даного компонента з подальшим аналізом змін, що відбулися. Так як темою даного реферату є вказівка ​​ролі материнського геному для розвитку нащадка, логічно було б дізнатися про наслідки порушень в складі мітохондріального геному викликаних різними факторами. Інструментом для вивчення вищевказаної ролі опинився мутаційний процес, а що цікавлять нас наслідками його дії стали т. Зв. мітохондріальні хвороби.

Мітохондріальні хвороби являють собою приклад цітоплазматі-чеський спадковості у людини, а точніше «органелльной спадковості». Це уточнення слід зробити, тому що тепер доведено існування, принаймні, у деяких організмів, цитоплазматических спадкових детермінант, не пов'язаних з клітинними органелами, - цитогенной (-Вечтомов, 1996).

Мітохондріальні хвороби - гетерогенна група захворювань, обумовлених генетичними, структурними, біохімічними дефектами мітохондрій і порушенням тканинного дихання. Для постановки діагнозу мітохондріального захворювання важливий комплексний генеалогічний, клінічний, біохімічний, морфологічний і генетичний аналіз. Основним біохімічним ознакою мітохондріальної патології є розвиток лактат-ацидозу, зазвичай виявляється гіперлактатацідемія в поєднанні з гіперпіруватацідеміей. Число різних варіантів досягло 120 форм. Відзначається стабільне підвищення концентрації молочної і піровиноградної кислот в цереброспинальной рідини.

Мітохондріальні хвороби (МБ) представляють собою істотну про-блеми для сучасної медицини. За способами спадкової передачі серед МБ виділяють захворювання, успадковані моногенно по менделевскому типу, при яких в зв'язку з мутацією ядерних генів або порушуються структура і функціонування мітохондріальних білків, або змінюється експресія мітохондріальної ДНК, а також хвороби, що викликаються мутаціями мітохондріальних генів, які в основному передаються потомству по материнській лінії.

Дані морфологічних досліджень, що свідчать про грубу патології мітохондрій: аномальна проліферація мітохондрій, полімор-Фізмен мітохондрій з порушенням форми і розмірів, дезорганізація крист, скупчення аномальних мітохондрій під сарколеммой, паракрісталліческіе включення в мітохондрії, наявність межфібріллярних вакуолей

Форми мітохондріальних захворювань

1 . Мітохондріальні хвороби, викликані мутаціями мітохондріальної ДНК

1.1.Болезні, обумовлені делеціями мітохондріальної ДНК

1.1.1.Сіндром Кернса-Сейра

Захворювання проявляється у віці 4-18 років, прогресуюча зовнішня офтальмоплегия, пігментний ретиніт, атаксія, інтенційний тремор, атріовентрикулярна блокада серця, підвищення рівня білка в цереброспі-нальної рідини більше 1 г \ л, "рвані" червоні волокна в біоптатах скелет-них м'язів

1.1.2.Сіндром Пірсона

Дебют захворювання з народження або в перші місяці життя, іноді можливий розвиток енцефаломіопатія, атаксії, деменції, прогресуючої зовнішньої офтальмоплегии, гіпопластична анемія, порушення екзокринної функції підшлункової залози, прогресуючий перебіг

2 .Болезні, обумовлені точковим мутаціями мітохондріальної ДНК

Материнський тип спадкування, гострий або підгострий зниження гостроти зору на один або обидва ока, поєднання з неврологічними і кістково-суглобовими порушеннями, мікроангіопатія сітківки, прогресуючий перебіг з можли-жності ремісії або відновлення гостроти зору, дебют захворювання у віці 20-30 років

2.2.Сіндром NAPR (невропатія, атаксія, пігментний ретиніт)

Материнський тип спадкування, поєднання нейропатії, атаксії і пігментного ретиніт, затримка психомоторного розвитку, деменція, наявність "рваних" червоних волокон в біоптатах м'язової тканини

2.3.Сіндром MERRF (міоклонус-епілепсія, "рвані" червоні волокна)

Материнський тип спадкування, дебют захворювання у віці 3-65 років, міо-клоническая епілепсія, атаксія, деменція в поєднанні з нейросенсорної глу-хотой, атрофією зорових нервів і порушеннями глибокої чутливо-сти, лактат-ацидоз, при проведенні ЕЕГ обстеження виявляються генералізо- ванні епілептичні комплекси, "рвані" червоні волокна в біоптатах скелетних м'язів, що прогресує протягом

2.4.Сіндром MELAS (мітохондріальна енцефаломіопатія, лактат-ацидоз, ІНСУЛЬТОПОДІБНИМ епізоди)

Материнський тип спадкування, дебют захворювання у віці до 40 років, непе-реносімость фізичних навантажень, мігренеподібні головні болі з тошно-тій і блювотою, ІНСУЛЬТОПОДІБНИМ епізоди, судоми, лактат-ацидоз, "рвані" червоні волокна в біоптатах м'язів, прогресуючий перебіг.

3 .Патологія, пов'язана з дефектами межгеномной комунікації

3.1.Сіндроми множинних делецій мітохондріальної ДНК

Блефароптоз, зовнішня офтальмоплегия, м'язова слабкість, нейросенсорна глухота, атрофія зорових нервів, прогресуючий перебіг, "рвані" крас-ні волокна в біоптатах скелетних м'язів, зниження активності ферментів дихального ланцюга.

3.2.Сіндром делеции мітохондріальної ДНК

Аутосомно-рецесивний тип спадкування

Клінічні форми:

3.2.1.фатальна інфантильна

а) важка печінкова недостатність б) гепатопатия в) м'язова гіпотонія

Дебют в періоді новонародженості

3.2.2.вроджена міопатія

Виражена м'язова слабкість, генералізована гіпотонія, кардіоміопа-ку і судоми, ураження нирок, глюкозурія, аміноацідопатія, фосфатурия

3.2.3.інфантильна міопатія

виникає в перші 2 роки життя, прогресуюча м'язова слабкість, атро-фія проксимальних груп м'язів і втрата сухожильних рефлексів, протягом швидко прогресуюче, летальний результат в перші 3 роки життя.

4 .Мітохондріальние хвороби, обумовлені мутаціями ядерної ДНК

4.1.Заболеванія, пов'язані з дефектами дихального ланцюга

4.1.1.Дефіціт комлексу 1 (NADH: CoQ-редуктаза)

Початок захворювання до 15 років, синдром міопатії, затримка психомоторного розвитку, порушення серцево-судинної системи, судоми, резистентні до терапії, множинні неврологічні порушення, прогресуюче тече-ня

4.1.2.Дефіціт комплексу 2 (сукцинат-CoQ-редуктаза)

Характеризується синдромом енцефаломіопатія, прогресуючі протягом, су-дороги, можливий розвиток птозу

4.1.3.Дефіціт комплексу 3 (CoQ-цитохром С-оксидоредуктаза)

Мультисистемні порушення, ураження різних органів і систем, з вовле-ням центральної і периферичної нервової системи, ендокринної системи, нирок, прогресуючий перебіг

4.1.4.Дефіціт комплексу (цитохром С-оксидаза)

4.1.4.1.Фатальний інфантильний вроджений лактат-ацидоз

Мітохондріальна міопатія з нирковою недостатністю або кардіоміопа-ку, дебют в неонатальному віці, виражені дихальні порушення, дифузна м'язова гіпотонія, протягом прогресуюче, летальний результат на першому році життя.

4.1.4.2.Доброякісна інфантильна м'язова слабкість

Атрофії, при адекватному і своєчасному лікуванні можлива швидка стаб-ція процесу і одужання до 1-3 років життя

5 .Сіндром Менкеса (тріхополіодістрофія)

Різка затримка психомоторного розвитку, відставання в рості, порушення ріс-та і дистрофічні зміни волосся,

6 . мітохондріальні енцефаломіопатія

6.1.синдром Лея(Підгостра невротизує енцефаломіелопатія)

Виявляється після 6 місяців життя, м'язова гіпотонія, атаксія, ністагм, пірамідні симптоми, офтальмоплегия, атрофія зорових нервів, часто від-Відзначається приєднання кардіоміопатії і легкого метаболічного ацидозу

6.2.синдром Альперса(Прогресуюча склерозирующая полідістрофія)

Дегенерація сірої речовини мозку в поєднанні з цирозом печінки, дефіцит комплексу 5 (АТФ-синтетаза), затримка психомоторного розвитку, атаксія, деменція, м'язова слабкість, перебіг захворювання прогресуюче, небла-гопріятний прогноз

6.3.Дефіціт Коензиму-Q

Метаболічні кризи, м'язова слабкість і стомлюваність, офтальмоплегия, глухота, зниження зору, ІНСУЛЬТОПОДІБНИМ епізоди, атаксія, міоклонус-епілепсія, ураження нирок: глюкозурія, аміноацідопатія, фосфатурия, ендо- Крін порушення, прогресуючий перебіг, зниження активності фермен-тів дихального ланцюга

7 .Заболеванія, пов'язані з порушенням метаболізму молочної і піровиноградної кислот

7.1.Дефіціт піруваткарбоксілази Аутосомно-рецесивний тип спадкування, дебют захворювання в неоната-льоном періоді, симптомокомплекс "млявого дитини", судоми, резистентні до терапії, високі концентрації кетонових тіл в крові, гипераммониемия, ги-перлізінемія, зниження активності піруваткарбоксілази в скелетних м'язах

7.2.Дефіціт піруватдегідрогенази

Прояв в неонатальному періоді, черепно-лицьова дизморфії, судоми, резистентні до терапії, порушення дихання і смоктання, симптомокомплекс "вяза-лого дитини", дісгінезіі мозку, виражений ацидоз з високим вмістом лактату і пірувату

7.3.Сніженіе активності піруватдегідрогенази

Прояв на першому році життя, мікроцефалія, затримка психомоторного розвитку, атаксія, м'язова дистонія, хореоатетоз, лактат-ацидоз з високим вмістом пірувату

7.4.Дефіціт дігідроліпоілтрансацетілази

Аутосомно-рецесивний тип спадкування, дебют захворювання в неонатальному періоді, мікроцефалія, затримка психомоторного розвитку, м'язова гіпотонія з подальшим підвищенням м'язового тонусу, атрофія дисків зорових нервів, лактат-ацидоз, зниження активності дігідроліпоілтранс-ацетілази

7.5.Дефіціт дігідроліпоілдегідрогенази

Аутосомно-рецесивний тип спадкування, дебют захворювання на першому році життя, симптомокомплекс "млявого дитини", дисметаболічні кризи зі РВО-тій і діареєю, затримка психомоторного розвитку, атрофія дисків зорових нервів, лактат-ацидоз, підвищення вмісту в сироватці крові аланина, α- кетоглутарата, α-кетокислот з розгалуженим ланцюгом, зниження активності ді-гідроліпоілдегідрогенази

8 .Заболеванія, обумовлені дефектами бета-окислення жирних кислот

8.1.Недостаточность Ацетил-CoA-дегідрогенази з довгою вуглецевої ланцюгом

Аутосомно-рецесивний тип спадкування, дебют захворювання в перші місяці життя, метаболічні кризи з блювотою і діареєю, симптомокомплекс "млявого дитини", гіпоглікемія, дікарбоксіловая ацидурия, зниження актив-ності ацетил-CoA-дегідрогенази жирних кислот з довгим вуглецевим ланцюгом

8.2.Недостаточность Ацетил-CoA-дегідрогенази із середньою вуглецевої ланцюгом

Аутосомно-рецесивний тип спадкування, дебют захворювання в неонатальному періоді або перші місяці життя, метаболічні кризи з блювотою і діареєю,

м'язова слабкість і гіпотонія, часто розвивається синдром раптової смерті, гіпоглікемія, дікарбоксіловая ацидурия, зниження активності ацетил-CoA-дегідрогенази жирних кислот з середньою вуглецевої ланцюгом

8.3. Недостатність Ацетил-CoA-дегідрогенази жирних кислот з коротким вуглецевим ланцюгом

Аутосомно-рецесивний тип спадкування, різний вік дебюту захворювання, зниження толерантності до фізичних навантажень, метаболічес-кі кризи з блювотою і діареєю, м'язова слабкість і гіпотонія, збільшення екскреції з сечею метілсукціновой кислоти, ацетил-CoA-дегідрогенази жирних кислот з коротким вуглецевим ланцюгом

8.4.Множественная недостатність Ацетил-CoA-дегідрогеназ жирних кислот

неонатальна форма: Черепно-лицьова дизморфії, дісгінезіі мозку, важка гіпоглікемія і ацидоз, злоякісний перебіг, зниження активності всіх ацетил-СоА-дегідрогенази жирних кислот,

Інфантильна форма:сімптомокосплекс "млявого дитини", кардіоміопатія, метаболічні кризи, гіпоглікемія і ацидоз

8.5.Сніженіе активності всіх ацетил-СоА-дегідрогенази жирних кислот

Форма з пізнім дебютом:періодичні епізоди м'язової слабкості, мета-боліческіе кризи, гіпоглікемія і ацидоз менш виражені, інтелект збереженні-нен,

9 .Ферментопатіі циклу Кребса

9.1.Дефіціт фумарази

Аутосомно-рецесивний тип спадкування, дебют захворювання в неонатальному періоді або періоді новонародженості, мікроцефалія, генералізована ми-кишкова слабкість і гіпотонія, епізоди летаргії, швидко прогресуюча ен-цефалопатія, несприятливий прогноз

9.2.Дефіціт сукцинатдегідрогенази

Рідкісне захворювання, що характеризується прогресуючою енцефаломіопатія

9.3.Дефіціт альфа-кетоглутаратдегидрогенази

Аутосомно-рецесивний тип спадкування, неонатальний дебют захворювання, мікроцефалія, симптомокомплекс "млявого дитини", епізоди летаргії, лактат-ацидоз, швидко прогресуючий перебіг, зниження вмісту ферментів циклу Кребса в тканинах

9.4.Сіндроми дефіциту карнітину і ферментів його метаболізму

Дефіцит карнітин-пальмітоілтрансферрази-1, аутосомно-рецесивний тип спадкування, ранній дебют захворювання, епізоди не кетонемической гіпоглі-кеміческой коми, гепатомегалія, гіпертригліцеридемія і помірна гіпер-моніемія, зниження активності карнітин-пальмітоілтрансферрази-1 в фібробластах і клітинах печінки

9.5.Дефіціт карнітин-ацилкарнітину-транслокази

Ранній дебют захворювання, серцево-судинні і дихальні порушення, симптомокомплекс "млявого дитини", епізоди летаргії і коми, підвищення концентрації ефірів карнітину і довгою вуглецевої ланцюгом на тлі знижений-ня вільного карнітину в сироватці крові, зниження активності карнітин-ацилкарнітину-транслокази

9.6.Дефіціт карнітин-пальмітоілтрансферрази-2

Аутосомно-рецесивний тип спадкування, м'язова слабкість, міалгії, міоглобінурія, зниження активності карнітин-пальмітоілтрансферрази-2 в скелетних м'язах

Аутосомно-рецесивний тип спадкування, миопатический симптомокомплекс, епізоди млявості і летаргії, кардіоміопатія, епізоди гіпоглікемії, зниження рівня карнітину в сироватці крові і збільшення його екскреції з сечею.

Проаналізувавши такий 'страшний' список патологій, пов'язаних з тими чи іншими змінами функціонування мітохондріального (і не тільки) генома виникають певні питання. Що ж собою являють продукти мітохондріальних генів і в яких саме супермега-життєвоважливих клітинних процесах вони беруть участь?

Як виявилося, деякі з перерахованих вище патологій можуть метушні-кати при порушеннях синтезу 7 субодиниць НАДН-дегідрогеназну комплек-са, 2 субодиниць АТФ-синтетази, 3 субодиниць цитохром-с-оксидази і 1 субодиниці убіхінол-цитохром-с-редуктази (цитохром b) , які і являють-ся генними продуктами мітохондрій. Виходячи з цього можна зробити висновок про існування ключової ролі цих білків в процесах клітинного дихання, окислення жирних кислот і синтезу АТФ, перенесення електронів в електронтран-спортних системі внутрішньої мт мембрани, функціонування антиоксидант-ної системи і т. Д.

Судячи з останніх даних про механізми апоптозу, багато вчених прийшли до висновку про наявність центру контролю апоптозу саме ...

Роль мітохондріальних білків також була показана при застосуванні антибіотиків, які блокують мт синтез. Якщо клітини людини в культурі тканини обробити антибіотиком, наприклад тетрацикліном або хлорамфеніколом, то після одного-двох поділів їх зростання припиниться. Це пов'язано з пригніченням мітохондріального білкового синтезу, що призводить до появи дефектних мітохондрій і як наслідок до недостатнього утворення АТР. Чому ж тоді антибіотики можна використовувати при лікуванні бактеріальних інфекцій? Є кілька відповідей на це питання:

1. Деякі антибіотики (такі, як еритроміцин) не проходять через внут-ню мембрану мітохондрій ссавців.

2. Більшість клітин нашого тіла не діляться або діляться дуже повільно, тому настільки ж повільно відбувається і заміна існуючих мітохондрій новими (у багатьох тканинах половина мітохондрій замінюється приблизно за п'ять днів або ще довше). Таким чином, кількість нормальних мітохондрій знизиться до критичного рівня тільки в тому випадку, якщо блокада мітохондріального білкового синтезу буде підтримуватися протягом багатьох днів.

3. Певні умови всередині тканини перешкоджають проникненню деяких препаратів в мітохондрії найбільш чутливих клітин. Наприклад, висока концентрація Са2 + в кістковому мозку призводить до утворення Са2 + -тетраціклінового комплексу, який не може проникнути в швидко діляться (і тому найбільш уразливі) попередники клітин крові.

Ці фактори дають можливість використовувати деякі препарати, інгібі-рующие мітохондріальний синтез білка, як антибіотики при лікуванні вищих тварин. Тільки два таких препарату чинять побічну дію: тривале лікування великими дозами хлорамфеніколу може привести до порушення кровотворної функції кісткового мозку (придушити утворення еритроцитів і лейкоцитів), а тривале застосування тетрацикліну - до поврежде-нию кишкового епітелію. Але в обох випадках ще не цілком ясно, викликаються ці побічні ефекти блокадою біогенезу мітохондрій або якимись іншими причинами.

висновок

Структурно-функціональні особливості мт генома складаються в сліду-Ющем. По-перше, встановлено, що мтДНК передається від матері всім її

нащадкам і від її дочок всім наступним поколінням, але сини не передають свою ДНК (материнське успадкування). материнський характер

успадкування мтДНК, ймовірно, пов'язаний з двома обставинами: або частка батьківських мтДНК так мала (по батьківській лінії може передаватися не

більше однієї молекули ДНК на 25 тис. материнських мтДНК), що вони не можуть бути виявлені існуючими методами, або після запліднення блоки-ється реплікація батьківських мітохондрій. По-друге, відсутність комбінат-вной мінливості - мтДНК належить тільки одному з батьків, сле-послідовно рекомбінаційні події, характерні для ядерної ДНК в Мейо-зе, відсутні, а нуклеотидних послідовність змінюється з покоління в покоління тільки за рахунок мутацій. По-третє, мтДНК не має интронов

(Велика ймовірність, що випадкова мутація вразить кодує район ДНК), захисних гістонів і ефективної ДНК-репарационной системи -все це визначає в 10 разів вищу швидкість мутації, ніж в ядерній ДНК. По-четверте, всередині однієї клітини можуть співіснувати одночасно нормальні і мутантні мтДНК явище гетероплазмії (присутність тільки нормальних або тільки мутантних мтДНК називається гомоплазміей). Нарешті, в мтДНК транскрибируются і транслюються обидві ланцюга, а по ряду ха-рактерістік генетичний код мтДНК відрізняється від універсального (UGA кодує триптофан, AUA кодує метіонін, AGA і AGG є стоп

кодонами).

Ці властивості і вищевказані функції мт-генома зробили дослід-нання мінливості нуклеотидноїпослідовності мтДНК неоціненним інструментом для лікарів, судових медиків, біологів-еволюціоністів,

представників історичної науки у вирішенні своїх специфічних завдань.

Починаючи з 1988 р, коли було відкрито, що мутації генів мтДНК лежать в основі мітохондріальних міопатії (JY Holt et al., 1988) і спадкової оптичної нейропатії Лебера (DC Wallace, 1988), подальше сістематічес-кое виявлення мутацій мт-генома людини призвело до формування концеп-ції мітохондріальних хвороб (МБ). В даний час патологічні му-тації мтДНК відкриті в кожному типі мітохондріальних генів.

Список літератури

1. Скулачев, мітохондрії і кисень, Сорос. образоват. журн.

2. Основи біохімії: У трьох томах, М .: Мир,.

3. Nicholes D. G. Bioenergetics, An Introd. to the Chemiosm. Th., Acad. Press, 1982.

4. Stryer L. Biochemistry, 2nd ed. San Fransisco, Freeman, 1981.

5. Скулачев біологічних мембран. М., 1989.

6., Ченцов ретикулум: Будова і деякі функції // Підсумки науки. Загальні проблеми біології. 1989

7. Ченцов цитологія. М .: Изд-во МГУ, 1995

8. , Сфера компетенції мітохон-дріального генома // Укр. РАМН, 2001. <10. С. 31-43.

9. Holt I. J, Harding A. E., Morgan -Hughes I. A. Deletion of muscle mitochondrial DNA in patients with mitochondrial myopathies. Nature, 1988, 331: 717-719.

10. та ін.Геном людини і гени схильності. СПб., 2000.

11. , Мітохондріальний геном. Новосибірськ, 1990..

12. // Сорос. образоват. журн. 1999. №10. С.11-17.

13. Роль симбіозу в еволюції клітини. М., 1983.

14. // Сорос. образоват. журн. 1998. №8. С.2-7.

15. // Сорос. образоват. журн. 2000. №1. С.32-36.

Київський Національний Університет ім. Тараса Шевченка

Біологічний факультет

реферат

на тему:

"Роль материнського геному в розвитку нащадка"

зтудента IVкурсу

кафедри біохімії

Фролова Артема

Київ 2004

план:

Вступ ................................................. .............................. 1

Симбиотическая теорія походження мітохондрій ...... 2

Роль клітинного ядра в біогенезу мітохондрій ................................... 5

Транспортні системи мітохондрій ............................................... ...... 7

Розміри і форма мітохондріальних геномів .................. 10

Функціонування мітохондріального геному ............... 14

Значення наявності власної генетичної системи для мітохондрій ........................................... ................................... 19

Цитоплазматична спадковість .............................. 20

Історично перше дослідження такого роду було проведено з використанням мітохондріальних ДНК. Вчені взяли вибірку від аборигенів Африки, Азії, Європи, Америки і в цій, спочатку невеликий, вибірці порівнювали мітохондріальні ДНК різних індивідів один з одним. Вони виявили, що різноманітність мітохондріальних ДНК вище за все в Африці. А оскільки відомо, що мутаційні події можуть змінювати тип мітохондріальної ДНК, а також відомо, як він може змінюватися, то, отже, можна сказати, які типи людей від яких могли статися мутационно. У всіх людей, у яких брали аналіз ДНК, саме в африканців виявили набагато більшу варіативність. Типи мітохондріальних ДНК на інших континентах були менш різноманітні. Значить, у африканців було більше часу на те, щоб накопичити ці зміни. Вони мали більше часу на біологічну еволюцію, якщо саме в Африці знаходять давні залишки ДНК, не властиві мутацій європейської людини.

Можна стверджувати, що генетикам по мітохондріальних ДНК вдалося довести походження жінки в Африці. Вони вивчали також Y-хромосоми. Виявилося, що і чоловіки походять з Африки.

Завдяки дослідженням мітохондріальної ДНК можна встановити не тільки те, що людина походить з Африки, а й визначити час його походження. Час появи мітохондріальної праматері людства було встановлено завдяки порівняльного вивчення мітохондріальної ДНК шимпанзе і сучасної людини. Знаючи темп мутаційної дивергенції - 2-4% за мільйон років - можна визначити час поділу двох гілок, шимпанзе і сучасної людини. Це сталося приблизно 5 - 7 мільйонів років тому. При цьому темп мутаційної дивергенції вважається постійним.

Мітохондріальна Єва

Коли говорять про мітохондріальної Єви, не мають на увазі особина. Кажуть про виникнення шляхом еволюції цілої популяції особин з подібними ознаками. Вважається, що мітохондріальна Єва жила в період різкого скорочення чисельності наших предків, приблизно до десяти тисяч особин.

походження рас

Вивчаючи мітохондріальну ДНК різних популяцій, генетики висловили припущення, що ще до виходу з Африки популяція предків розділилася на три групи, що дали початок трьом сучасним рас - африканської, європеоїдної і монголоїдної. Вважається, що це сталося приблизно 60 - 70 тисяч років тому.

Порівняння мітохондріальної ДНК неандартальца і сучасної людини

Додаткові відомості про походження людини були отримані при порівнянні генетичних текстів мітохондріальної ДНК неандертальця і ​​сучасної людини. Вченим вдалося прочитати генетичні тексти мітохондріальної ДНК кісткових останків двох неандертальців. Кісткові останки першого неандертальця були знайдені в Фельдховерской печері в Німеччині. Трохи пізніше був прочитаний генетичний текст мітохондріальної ДНК неандертальського дитини, який був знайдений на Північному Кавказі в Межмайской печері. При порівнянні мітохондріальної ДНК сучасної людини і неандертальця були знайдені дуже великі відмінності. Якщо взяти якусь ділянку ДНК, то з 370 нуклеотидів відрізняються 27. А якщо порівняти генетичні тексти сучасної людини, його мітохондріальну ДНК, то виявиться відміну тільки по восьми нуклеотидам. Вважається, що неандерталець і сучасна людина - абсолютно окремі гілки, еволюція кожного з них йшла незалежно один від одного.

При вивченні відмінності в генетичних текстах мітохондріальної ДНК неандертальця і ​​сучасної людини була встановлена ​​дата поділу цих двох гілок. Це сталося приблизно 500 тисяч років тому, а приблизно 300 тисяч років тому відбулося їх остаточне розділення. Вважається, що неандертальці розселилися по Європі та Азії і були витіснені людиною сучасного типу, який вийшов з Африки на 200 тисяч років пізніше. І, нарешті, приблизно 28 - 35 тисяч років тому неандертальці вимерли. Чому це сталося, в общем-то, поки не зрозуміло. Може бути, вони не витримали конкуренції з людиною сучасного типу, а може бути, на це були інші причини.

© Г.М.Димшіц

Сюрпризи мітохондріального геному

Г.М. Димшиц

Григорій Мойсейович Димшиц,доктор біологічних наук, професор кафедри молекулярної біології Новосибірського державного університету, завідувач лабораторією структури генома Інституту цитології і генетики Сибірського відділення РАН. Співавтор і редактор чотирьох шкільних підручників із загальної біології.

Сьогодні мітохондріальна генетика людини інтенсивно розвивається як в популяційному, так і в медичному аспекті. Встановлено зв'язок між рядом важких спадкових захворювань і дефектами в мітохондріальних ДНК. Генетичні зміни, асоційовані зі старінням організму, найбільш виражені в мітохондріях. Що ж представляє із себе геном мітохондрій, що відрізняється у людини і інших тварин від такого у рослин, грибів і найпростіших і за розміром, і за формою, і за генетичною ємності? Як працює і як виник мітохондріальний геном у різних таксонів? Про це і піде мова в нашій статті.

Мітохондрії називають енергетичними станціями клітини. Крім зовнішньої гладкою мембрани вони мають внутрішню мембрану, що утворить численні складки - Крісті. У них вбудовані білкові компоненти дихального ланцюга - ферменти, що беруть участь в перетворенні енергії хімічних зв'язків окислюваних поживних речовин в енергію молекул аденозинтрифосфорної кислоти (АТФ). Такий "конвертованою валютою" клітина оплачує всі свої енергетичні потреби. У клітинах зелених рослин крім мітохондрій є ще й інші енергетичні станції - хлоропласти. Вони працюють на "сонячних батареях", але теж утворюють АТФ з АДФ і фосфату. Як і мітохондрії, хлоропласти - автономно розмножуються органели - також мають дві мембрани і містять ДНК.

У матриксі мітохондрій, крім ДНК, знаходяться і власні рибосоми, за багатьма характеристиками відрізняються від евкаріотіческіх рибосом, розташованих на мембранах ендоплазматичної мережі. Однак на рибосомах мітохондрій утворюється не більше 5% від всіх білків, що входять до їх складу. Більша частина білків, складових структурні і функціональні компоненти мітохондрій, кодується ядерним геномом, синтезується на рибосомах ендоплазматичної мережі і транспортується по її каналах до місця збірки. Таким чином, мітохондрії - це результат об'єднаних зусиль двох геномів і двох апаратів транскрипції і трансляції. Деякі суб'едінічние ферменти дихального ланцюга мітохондрій складаються з різних поліпептидів, частина яких кодується ядерним, а частина - мітохондріальних геномом. Наприклад, ключовий фермент окисного фосфорилювання - цитохром-с-оксидаза у дріжджів складається з трьох субодиниць, кодованих і синтезованих в мітохондріях, і чотирьох, кодованих в ядрі клітини і синтезованих в цитоплазмі. Експресією більшості генів мітохондрій управляють певні гени ядер.

Розміри і форми мітохондріальних геномів

До теперішнього часу прочитано більше 100 різних геномів мітохондрій. Набір і кількість їх генів в мітохондріальних ДНК, для яких повністю визначена послідовність нуклеотидів, сильно розрізняються у різних видів тварин, рослин, грибів і найпростіших. Найбільша кількість генів виявлено в мітохондріальному геномі жгутикового найпростішого Rectinomonas americana- 97 генів, включаючи всі кодують білок гени, знайдені в мтДНК інших організмів. У більшості вищих тварин геном мітохондрій містить 37 генів: 13 для білків дихального ланцюга, 22 для тРНК і два для рРНК (для великої субодиниці рибосом 16S рРНК і для малої 12S рРНК). У рослин і найпростіших, на відміну від тварин і більшості грибів, в мітохондріальному геномі закодовані і деякі білки, що входять до складу рибосом цих органел. Ключові ферменти матричного полінуклеотидні синтезу, такі як ДНК-полімераза (здійснює реплікацію мітохондріальної ДНК) і РНК-полімераза (транскрибується геном мітохондрій), зашифровані в ядрі і синтезуються на рибосомах цитоплазми. Цей факт вказує на відносність автономії мітохондрій у складній ієрархії евкаріотіческой клітини.

Геноми мітохондрій різних видів відрізняються не тільки по набору генів, порядку їх розташування та експресії, але за розміром і формою ДНК. Переважна більшість описаних сьогодні мітохондріальних геномів є кільцеві суперспіралізованние двуцепочечние молекули ДНК. У деяких рослин поряд з кільцевими формами є і лінійні, а у деяких найпростіших, наприклад інфузорій, в мітохондріях виявлені тільки лінійні ДНК.

Як правило, в кожній мітохондрії міститься кілька копій її генома. Так, в клітинах печінки людини близько 2 тис. Мітохондрій, і в кожній з них - по 10 однакових геномів. У фібробластах миші 500 мітохондрій, що містять по два генома, а в клітинах дріжджів S.cerevisiae- до 22 мітохондрій, що мають по чотири геному.

Мітохондріальний геном рослин, як правило, складається з декількох молекул різного розміру. Одна з них, "основна хромосома", містить велику частину генів, а кільцеві форми меншої довжини, що знаходяться в динамічній рівновазі як між собою, так і з основною хромосомою, утворюються в результаті внутрішньо-і міжмолекулярної рекомбінації завдяки наявності повторених послідовностей (рис.1 ).

Рис 1.Схема освіти кільцевих молекул ДНК різного розміру в мітохондріях рослин.
Рекомбінація відбувається по повторенням ділянок (позначені синім кольором).

Рис 2.Схема освіти лінійних (А), кільцевих (Б), ланцюгових (В) олігомерів мтДНК.
ori - район початку реплікації ДНК.

Розмір геному мітохондрій різних організмів коливається від менш 6 тис. Пар нуклеотидів у плазмодія (в ньому, крім двох генів рРНК, міститься тільки три гени, що кодують білки) до сотень тисяч пар нуклеотидів у наземних рослин (наприклад, у Arabidopsis thalianaз сімейства хрестоцвітних 366924 пар нуклеотидів). При цьому 7-8-кратні відмінності в розмірах мтДНК вищих рослин виявляються навіть в межах одного сімейства. Довжина мтДНК хребетних тварин відрізняється незначно: у людини - 16569 пар нуклеотидів, у свині - 16350, у дельфіна - 16330, у шпорцевой жаби Xenopus laevis- 17533, у коропа - 16400. Ці геноми подібні також і по локалізації генів, більшість яких розташовуються встик; в ряді випадків вони навіть перекриваються, зазвичай на один нуклеотид, так що останній нуклеотид одного гена виявляється першим в наступному. На відміну від хребетних, у рослин, грибів і найпростіших мтДНК містять до 80% не кодують послідовностей. У різних видів порядок генів в геномах мітохондрій відрізняється.

Висока концентрація активних форм кисню в мітохондріях і слабка система репарації збільшують частоту мутацій мтДНК у порівнянні з ядерної на порядок. Радикали кисню служать причиною специфічних замін Ц® Т (дезамінування цитозину) і Г® Т (окисне пошкодження гуаніну), внаслідок чого, можливо, мтДНК багаті АТ-парами. Крім того, всі мтДНК мають цікавим властивістю - вони не метіліруется, на відміну від ядерних і прокариотических ДНК. Відомо, що метилування (тимчасова хімічна модифікація нуклеотидноїпослідовності без порушення кодує функції ДНК) - один з механізмів програмованої інактивації генів.

Реплікація і транскрипція ДНК мітохондрій ссавців

У більшості тварин комплементарні ланцюга в мтДНК значно розрізняються по питомій щільності, оскільки містять неоднакову кількість "важких" пуринових і "легких" піримідинових нуклеотидів. Так вони і називаються - H (heavy - важка) і L (light - легка) ланцюг. На початку реплікації молекули мтДНК утворюється так звана D-петля (від англ. Displacement loop - петля зміщення). Ця структура, видима в електронний мікроскоп, складається з двуцепочечной і одноланцюжкові (відсунутою частини Н-ланцюги) ділянок. Двуцепочечной ділянку формується частиною L-ланцюга і комплементарних їй знову синтезованим фрагментом ДНК довжиною 450-650 (в залежності від виду організму) нуклеотидів, які мають на 5 "-кінців рібонуклеотідную приманку, яка відповідає точці початку синтезу Н-ланцюги (ori H). Синтез L-ланцюга починається лише тоді, коли дочірня Н-ланцюг доходить до точки ori L. Це обумовлено тим, що область ініціації реплікації L-ланцюга доступна для ферментів синтезу ДНК лише в одноланцюговий стані, а отже, тільки в розплетеною подвійної спіралі при синтезі Н -ланцюга. Таким чином, дочірні ланцюга мтДНК синтезуються безперервно і асинхронно (рис.3).

Рис 3.Схема реплікації мтДНК ссавців.
Спочатку формується D-петля, потім синтезується дочірня Н-ланцюг,
потім починається синтез дочірньої L-ланцюга.

В мітохондріях загальне число молекул з D-петлею значно перевищує число повністю реплицирующихся молекул. Обумовлено це тим, що у D-петлі є додаткові функції - прикріплення мтДНК до внутрішньої мембрані і ініціація транскрипції, оскільки в цьому районі локалізовано промотори транскрипції обох ланцюгів ДНК.

На відміну від більшості евкаріотіческіх генів, які транскрибуються незалежно один від одного, кожна з ланцюгів мтДНК ссавців переписується з утворенням однієї молекули РНК, що починається в районі ori H. Крім цих двох довгих молекул РНК, комплементарних Н і L-ланцюгів, формуються і більш короткі ділянки Н-ланцюги, які починаються в тій же точці і закінчуються на 3 "-кінців гена 16S рРНК (рис.4). Таких коротких транскриптов в 10 разів більше, ніж довгих. в результаті дозрівання (процесингу) з них утворюються 12S рРНК і 16S рРНК, які беруть участь у формуванні мітохондріальних рибосом, а також фенілаланіновой і валіновая тРНК. З довгих транскриптов вирізаються інші тРНК і утворюються транслюються мРНК, до 3 "-кінців яких приєднуються поліаденіловой послідовності. 5 "-кінців цих мРНК НЕ кепіруются, що незвично для евкаріот. Сплайсингу (зрощування) не відбувається, оскільки жоден з мітохондріальних генів ссавців не містить інтронів.

Рис 4.Транскрипція мтДНК людини, що містить 37 генів. Все транскрипти починають синтезуватися в районі ori H. Рибосомні РНК вирізаються з довгого і короткого транскриптов Н-ланцюги. тРНК і мРНК утворюються в результаті процесингу з транскриптов обох ланцюгів ДНК. Гени тРНК позначені світло-зеленим кольором.

Незважаючи на те, що в геномах мітохондрій ссавців і дріжджів міститься приблизно однакова кількість генів, розміри дріжджового геному в 4-5 разів більше - близько 80 тис. Пар нуклеотидів. Хоча кодують послідовності мтДНК дріжджів високо гомологічних відповідним послідовностям у людини, дріжджові мРНК додатково мають 5 "-лідерную і 3" -некодірующую області, як і більшість ядерних мРНК. Ряд генів містить ще й інтрони. Так, в гені box, що кодує цитохромоксидазу b, є два інтрони. З первинного РНК-транскрипту автокаталитически (без участі будь-яких білків) вирізається копія більшої частини першого інтрони. Частина, що залишилася РНК служить матрицею для утворення ферменту матурази, що бере участь в сплайсинге. Частина її амінокислотноїпослідовності закодована в останніх копіях интронов. Матураза вирізає їх, руйнуючи свою власну мРНК, копії екзонів зшиваються, і утворюється мРНК для цитохромоксидази b (рис.5). Відкриття такого феномена змусило переглянути уявлення про інтрони, як про "нічого не кодують послідовностях".

Рис 5.Процесинг (дозрівання) мРНК цитохромоксидази b в мітохондріях дріжджів.
На першому етапі сплайсингу утворюється мРНК, по якій синтезується матураза,
необхідна для другого етапу сплайсингу.

При вивченні експресії мітохондріальних генів Trypanosoma bruceiвиявилося дивовижне відхилення від однієї з основних аксіом молекулярної біології, яка говорить, що послідовність нуклеотидів в мРНК в точності відповідає такій в кодують ділянках ДНК. Виявилося, мРНК однією з субодиниць цитохром-с-оксидази редагується, тобто після транскрипції змінюється її первинна структура - вставляється чотири урацила. В результаті утворюється нова мРНК, що служить матрицею для синтезу додаткової субодиниці ферменту, послідовність амінокислот в якій не має нічого спільного з послідовністю, кодируемой нередактірованной мРНК (див. Таблицю).

Вперше виявлене в мітохондріях тріпаносоми редагування РНК широко поширене в хлоропластах і мітохондріях вищих рослин. Знайдено воно і в соматичних клітинах ссавців, наприклад, в кишковому епітелії людини редагується мРНК гена аполіпопротеїну.

Найбільший сюрприз вченим мітохондрії піднесли в 1979 р До того часу вважалося, що генетичний код універсальний і одні і ті ж триплети кодують однакові амінокислоти у бактерій, вірусів, грибів, рослин і тварин. Англійський дослідник Беррел зіставив структуру одного з мітохондріальних генів теляти з послідовністю амінокислот в кодируемой цим геном субодиниці цитохромоксидази. Виявилося, що генетичний код мітохондрій великої рогатої худоби (як і людини) не просто відрізняється від універсального, він "ідеальний", тобто підпорядковується наступним правилом: "якщо два кодони мають два однакових нуклеотиду, а треті нуклеотиди належать до одного класу (пуринових - А, Г, або піримідинових - У, Ц), то вони кодують одну і ту ж амінокислоту". В універсальному коді є два винятки з цього правила: триплет АУА кодує изолейцин, а кодон АУГ - метіонін, в той час як в ідеальному коді мітохондрій обидва ці триплета кодують метіонін; триплет УГГ кодує лише триптофан, а триплет УГА - стоп-кодон. В універсальному коді обидва відхилення стосуються принципових моментів синтезу білка: кодон АУГ - ініціює, а стоп-кодон УГА зупиняє синтез поліпептиду. Ідеальний код притаманний не всім описаним мітохондрій, але ні в одній з них немає універсального коду. Можна сказати, що мітохондрії говорять на різних мовах, але ніколи - на мові ядра.

Як вже говорилося, в мітохондріальному геномі хребетних є 22 гена тРНК. Яким же чином такий неповний набір обслуговує всі 60 кодонів для амінокислот (в ідеальному коді з 64 кодонів чотири стоп-кодону, в універсальному - три)? Справа в тому, що при синтезі білка в мітохондріях спрощені кодон-антикодон взаємодії - для впізнавання використовується два з трьох нуклеотидів антикодону. Таким чином, одна тРНК дізнається все чотири представники кодонового сімейства, що відрізняються тільки третім нуклеотидів. Наприклад, лейцінових тРНК з антикодоном ГАУ встає на рибосомі навпаки кодонів ЦУУ, ЦУЦ, ЦУА і ЦУГ, забезпечуючи безпомилкове включення лейцину в поліпептидний ланцюг. Два інших лейцінових кодону УУА і УУГ впізнаються тРНК з антикодоном ААУ. В цілому, вісім різних молекул тРНК дізнаються вісім родин по чотири кодону в кожному, і 14 тРНК дізнаються різні пари кодонів, кожна з яких шифрує одну амінокислоту.

Важливо, що ферменти аміноацил-тРНК-синтетази, відповідальні за приєднання амінокислот до відповідних тРНК мітохондрій, кодуються в ядрі клітини і синтезуються на рибосомах ендоплазматичної мережі. Таким чином, у хребетних тварин все білкові компоненти мітохондріального синтезу поліпептидів зашифровані в ядрі. При цьому синтез білків в мітохондріях подавляется циклогексимідом, блокуючим роботу евкаріотіческіх рибосом, але чутливий до антибіотиків еритроміцину і хлорамфеніколу, ингибирующим білковий синтез в бактеріях. Цей факт служить одним з аргументів на користь походження мітохондрій з аеробних бактерій при симбиотическом освіту евкаріотіческіх клітин.

Симбиотическая теорія походження мітохондрій

Гіпотезу про походження мітохондрій і рослинних пластид з внутрішньоклітинних бактерій-ендосімбіонтов висловив Р.Альтман ще в 1890 р За століття бурхливого розвитку біохімії, цитології, генетики і що з'явилася півстоліття тому молекулярної біології гіпотеза переросла в теорію, засновану на великому фактичному матеріалі. Суть її така: з появою фотосинтезуючих бактерій в атмосфері Землі накопичувався кисень - побічний продукт їх метаболізму. З ростом його концентрації ускладнювалася життя анаеробних гетеротрофов, і частина з них для отримання енергії перейшла від безкисневого бродіння до окислювального фосфорилювання. Такі аеробні гетеротрофи могли з більшим ККД, ніж анаеробні бактерії, розщеплювати органічні речовини, які утворюються в результаті фотосинтезу. Частина вільно живуть аеробів була захоплена анаеробами, але не "переварена", а збережена як енергетичних станцій, мітохондрій. Не варто розглядати мітохондрії як рабів, захоплених у полон, щоб постачати молекулами АТФ нездатні до дихання клітини. Вони швидше "істоти", ще в протерозої що знайшли для себе і свого потомства найкраще з притулків, де можна витрачати найменші зусилля, не піддаючись ризику бути з'їденими.

На користь симбіотичної теорії свідчать численні факти:

- збігаються розміри і форми мітохондрій і вільно живуть аеробних бактерій; ті і інші містять кільцеві молекули ДНК, не пов'язані з гистонами (на відміну від лінійних ядерних ДНК);

За нуклеотидних послідовностей рибосомні і транспортні РНК мітохондрій відрізняються від ядерних, демонструючи при цьому дивовижну схожість з аналогічними молекулами деяких аеробних грамнегативних еубактерій;

Мітохондріальні РНК-полімерази, хоча і кодуються в ядрі клітини, відзначено зниження рифампіцином, як і бактеріальні, а евкаріотіческіе РНК-полімерази нечутливі до цього антибіотика;

Білковий синтез в мітохондріях і бактеріях пригнічується одними і тими ж антибіотиками, що не впливають на рибосоми евкаріот;

Ліпідний склад внутрішньої мембрани мітохондрій і бактеріальної плазмалемми схожий, але сильно відрізняється від такого зовнішньої мембрани мітохондрій, гомологичной іншим мембран евкаріотіческіх клітин;

Крісти, утворені внутрішньої мітохондріальної мембраною, є еволюційними аналогами мезосомних мембран багатьох прокаріотів;

До сих пір збереглися організми, що імітують проміжні форми на шляху до утворення мітохондрій з бактерій (примітивна амеба Pelomyxaне має мітохондрій, але завжди містить ендосімбіотіческіе бактерії).

Новий геном може створювати метаболічні шляхи, що призводять до утворення корисних продуктів, які не можуть бути синтезовані жодним з партнерів окремо. Так, синтез стероїдних гормонів клітинами кори надниркових залоз є складний ланцюг реакцій, частина яких відбувається в мітохондріях, а частина - в ендоплазматичної мережі. Захопивши гени промітохондрій, ядро ​​отримало можливість надійно контролювати функції симбіонту. У ядрі кодуються всі білки і синтез ліпідів зовнішньої мембрани мітохондрій, більшість білків матриксу і внутрішньої мембрани органел. Найголовніше, що ядро ​​кодує ферменти реплікації, транскрипції і трансляції мтДНК, контролюючи тим самим зростання і розмноження мітохондрій. Швидкість зростання партнерів по симбіозу повинна бути приблизно однаковою. Якщо господар буде рости швидше, то з кожним його поколінням число симбіонтів, що припадають на одну особину, зменшуватиметься, і, врешті-решт, з'являться нащадки, які не мають мітохондрій. Ми знаємо, що в кожній клітині організму, розмножується статевим шляхом, міститься багато мітохондрій, реплицирующихся свої ДНК в проміжку між поділами хазяїна. Це є гарантією того, що кожна з дочірніх клітин отримає принаймні одну копію геному мітохондрії.

цитоплазматична спадковість

Крім кодування ключових компонентів дихального ланцюга і власного білоксинтезуючого апарату, мітохондріальний геном в окремих випадках бере участь у формуванні деяких морфологічних і фізіологічних ознак. До таких ознак належать характерні для ряду видів вищих рослин синдром NCS (non-chromosomal stripe, нехромосомной кодується плямистість листя) і цитоплазматична чоловіча стерильність (ЦМС), що призводить до порушення нормального розвитку пилку. Прояв обох ознак обумовлено змінами в структурі мтДНК. При ЦМС спостерігаються перебудови геномів мітохондрій в результаті рекомбінаційних подій, що ведуть до ділок, дуплікації, інверсія або Інсерція певних нуклеотидних послідовностей або цілих генів. Такі зміни можуть викликати не тільки пошкодження наявних генів, але і поява нових працюючих генів.

Цитоплазматична спадковість, на відміну від ядерної, не підкоряється законам Менделя. Це пов'язано з тим, що у вищих тварин і рослин гамети від різних статей містять несумісні кількості мітохондрій. Так, в яйцеклітині миші є 90 тис. Мітохондрій, а в сперматозоїді - лише чотири. Очевидно, що в заплідненої яйцеклітини мітохондрії переважно або тільки від жіночої особини, тобто успадкування всіх мітохондріальних генів материнське. Генетичний аналіз цитоплазматичної спадковості утруднений через ядерно-цитоплазматичних взаємодій. У разі цитоплазматичної чоловічої стерильності мутантний мітохондріальний геном взаємодіє з певними генами ядра, рецесивні аллели яких необхідні для розвитку ознаки. Домінантні аллели цих генів як в гомо-, так і в гетерозиготному стані відновлюють фертильність рослин незалежно від стану мітохондріального геному.

Вивчення геномів мітохондрій, їх еволюції, що йде за специфічними законами популяційної генетики, взаємин між ядерними і мітохондріальними генетичними системами, необхідно для розуміння складної ієрархічної організації евкаріотіческой клітини і організму в цілому.

З певними мутаціями в мітохондріальної ДНК або в ядерних генах, що контролюють роботу мітохондрій, пов'язують деякі спадкові хвороби і старіння людини. Накопичуються дані про участь дефектів мтДНК в канцерогенезі. Отже, мітохондрії можуть бути мішенню хіміотерапії раку. Є факти про тісну взаємодію ядерного і мітохондріального геномів в розвитку ряду патологій людини. Множинні делеции мтДНК виявлені у хворих з важкою м'язовою слабкістю, атаксією, глухотою, розумовою відсталістю, наследующихся по аутосомно-домінантним типом. Встановлено статевої диморфізм в клінічних проявах ішемічної хвороби серця, що швидше за все обумовлено материнським ефектом - цитоплазматичної спадковістю. Розвиток генної терапії вселяє надію на виправлення дефектів в геномах мітохондрій в доступному для огляду майбутньому.

Робота виконана за підтримки Російського фонду фундаментальних досліджень. Проект 01-04-48971.
Автор вдячний аспіранту М.К.Іванову, створив малюнки до статті.

література

1. Янковський М.К., Боринская С.А.Наша історія, записана в ДНК // Природа. 2001. №6. С.10-18.

2. Мінченко А.Г., Дударєва Н.А.Мітохондріальний геном. Новосибірськ, 1990..

3. Гвоздьов В.А.// Сорос. образоват. журн. 1999. №10. С.11-17.

4. Маргеліс Л.Роль симбіозу в еволюції клітини. М., 1983.

5. Скулачов В.П.// Сорос. образоват. журн. 1998. №8. С.2-7.

6. Ігамбердіев А.У.// Сорос. образоват. журн. 2000. №1. С.32-36.

Що знаходиться в матриксі мітохондріальна ДНК представляє собою замкнуту кільцеву двуспіральную молекулу, в клітинах людини має розмір 16569 нуклеотидних пар, що приблизно в 10 5 разів менше ДНК, локалізованої в ядрі. В цілому мітохондріальна ДНК кодує 2 рРНК, 22 тРНК і 13 субодиниць ферментів дихального ланцюга, що складає не більше половини виявляються в ній білків. Зокрема, під контролем мітохондральной генома кодуються сім субодиниць АТФ-синтетази, три субодиниці цитохромоксидази і одна субодиниця убіхінол-цітохром- з-редуктази. При цьому всі білки, крім одного, дві рибосомні і шість тРНК транскрибируются з більш важкої (зовнішньої) ланцюга ДНК, а 14 інших тРНК і один білок транскрибируются з більш легкої (внутрішньої) ланцюга.

На цьому тлі геном мітохондрій рослин значно більше і може досягати 370000 нуклеотидних пар, що приблизно в 20 разів більше описаного вище генома мітохондрій людини. Кількість генів тут також приблизно в 7 разів більше, що супроводжується появою в мітохондріях рослин додаткових шляхів електронного транспорту, що не сполучених з синтезом АТФ.

Мітохондріальна ДНК реплікується в інтерфазі, що частково синхронізовано з реплікацією ДНК в ядрі. Під час же клітинного циклу мітохондрії діляться надвоє шляхом перетяжки, утворення якої починається з кільцевої борозенки на внутрішній мітохондріальній мембрані. Детальне вивчення нуклеотидноїпослідовності мітохондріального геному дозволило встановити те, що в мітохондріях тварин і грибів нерідкі відхилення від універсального генетичного коду. Так, в мітохондріях людини кодон ТАТ замість изолейцина в стандартному коді кодує амінокислоту метіонін, кодони ТСТ і ТСС, зазвичай кодують аргінін, є стоп-кодонами, а кодон АСТ, в стандартному коді є стоп-кодоном, кодує амінокислоту метіонін. Що стосується мітохондрій рослин, то, мабуть, вони використовують універсальний генетичний код. Інший рисою мітохондрій є особливість впізнавання кодонів тРНК, яка полягає в тому, що одна подібна молекула здатна впізнавати не один, але відразу три або чотири кодону. Зазначена особливість знижує значимість третього нуклеотиду в кодоні і призводить до того, що мітохондрії потрібна менша різноманітність типів тРНК. При цьому достатньою кількістю виявляються всього 22 різних тРНК.

Маючи власний генетичний апарат, мітохондрія володіє і власної белоксинтезирующей системою, особливістю якої в клітинах тварин і грибів є дуже маленькі рибосоми, що характеризуються коефіцієнтом седиментації 55S, що навіть нижче за аналогічний показник у 70s-рибосом прокаріотів типу. При цьому дві великі Хвороби також мають менші розміри, ніж у прокаріот, а мала рРНК взагалі відсутня. В мітохондріях рослин, навпаки, рибосоми більш схожі з прокариотическими за розмірами і будовою.

Властивості і функції ДНК.

ДНК, або дезоксирибонуклеїнової кислоти є основним спадкового матеріалу, присутнього у всіх клітинах організму і в основному передбачає синя печатка осередку функцій, зростання, відтворення і смерті. Структура ДНК, під назвою double-stranded спіральної структури була вперше описана Уотсон і Крик в 1953 році.

Від потім величезний прогрес був досягнутий в синтез, послідовності і маніпуляції ДНК. ДНК в ці дні може бути віртуалізації або проаналізовані для дрібниць і навіть генів може бути вставлена ​​щоб викликати зміни в ДНК функції і структури.

Основне призначення спадкового матеріалу - це зберігання спадкової інформації, на базі якої формується фенотип. Більшість ознак і властивостей організму обумовлено синтезом білків, що виконують різні функції, Таким чином, в спадковому матеріалі повинна бути записана інформація про структуру надзвичайно різноманітних білкових молекул, специфіка яких залежить від якісного і кількісного складу амінокислот, а також від порядку розташування їх у пептидного ланцюга. Отже, в молекулах нуклеїнових кислот повинен бути закодований амінокислотний склад білків.
Ще на початку 50-х років було висловлено припущення про спосіб запису генетичної інформації, при якому кодування окремих амінокислот в молекулі білка повинно осуществлятья за допомогою певних сполучень чотирьох різних нуклеотидів в молекулі ДНК. Для шифровки більш ніж 20 амінокислот необхідну кількість поєднань забезпечується тільки тріплетним кодом, т. Е. Кодом, що включає три поруч стоять нуклеотиду. У цьому випадку число поєднань з чотирьох азотистих основ по три одно 41 = 64. Припущення про триплетности генетичного коду пізніше отримало експериментальне підтвердження, а за період з 1961 по 1964 р був з'ясований шифр, за допомогою якого в молекулах нуклеїнових кислот записується порядок амінокислот в пептиді.
З табл. 6 видно, що з 64 кодонів 61 триплет кодує ту чи іншу амінокислоту, причому окремі амінокислоти шифруються більш ніж одним кодоном, або кодоном (фенілаланін, лейцин, валін, серії і т. Д.). Кілька триплетів не кодують амінокислот, і їх функції пов'язують з позначенням кінцевої ділянки білкової молекули.
Зчитування інформації, записаної в молекулі нуклеїнової кислоти, здійснюється послідовно, ко-Дон за кодоном, так, що кожен нуклеотид входить до складу лише одного триплету.
Вивчення генетичного коду у живих організмів з різним рівнем організації показало універсальність цього механізму запису інформації в живій природі.
Таким чином, дослідженнями середини XX століття розкрито механізм запису спадкової інформації в молекулах нуклеїнових кислот за допомогою біологічного коду, який характеризується наступними властивостями: а) тріплетном - амінокислоти шифруються триплету нуклеотидів - кодонами; б) специфічністю - кожен триплет кодує лише певну амінокислоту; в) універсальністю - у всіх живих організмів кодування одних і тих же амінокислот здійснюється однаковими кодонами; г) виродження - багато амінокислот шифруються більш ніж одним кодоном; д) неперекриваемостью - зчитування інформації здійснюється послідовно триплет за кодоном: ААГЦТЦАГЦЦАТ.

Крім запису і зберігання біологічної інформації, функцією матеріалу спадковості є її відтворення і передача новому поколінню в процесі розмноження клітин і організмів. Ця функція спадкового матеріалу здійснюється молекулами ДНК в процесі її редуплікації, т. Е. Абсолютно точного відтворення структури, завдяки здійсненню принципу комплементарності (див. 2.1).
Нарешті, третій функцією спадкового матеріалу, представленого молекулами ДНК, є забезпечення специфічних процесів в ході реалізації укладеної в ній інформації. Ця функція здійснюється за участю різних видів РНК, які забезпечують процес трансляції, т. Е. Складання білкової молекули, що відбувається в цитоплазмі на основі інформації, що надійшла з ядра (див. 2.4). В ході реалізації спадкової інформації, що зберігається у вигляді молекул ДНК в хромосомах ядра, виділяють кілька етапів.
1. Зчитування інформації з молекули ДНК в процесі синтезу іРНК - транскрипція, яка здійснюється на одній з ланцюгів подвійної спіралі ДНК кодогенной ланцюга за принципом комплементарності (див. 2.4).
2. Підготовка продукту транскрипції до виходу в цитоплазму - дозрівання іРНК.
3. Складання на рибосомах пептидного ланцюжка з амінокислот на підставі інформації, записаної в молекулі іРНК, за участю транспортних тРНК - трансляція (див. 2.4).
4. Формування вторинної, третинної і четвертинної структур білка, що відповідає формуванню функціонуючого білка (простий ознака).
5. Формування складного ознаки в результаті участі продуктів декількох генів (білків-ферментів або інших білків) в біохімічних процесах.

Структура подвійної спіралі ДНК, скріплена за допомогою тільки водневих зв'язків, може бути легко зруйнована. Розрив водневих зв'язків між полінуклеотидні ланцюгами ДНК можна здійснити в сільнощелочних розчинах (при рН> 12,5) або при нагріванні. Після цього ланцюга ДНК повністю поділяються. Такий процес називають денатурацією або плавленням ДНК.

При денатурації змінюються деякі фізичні властивості ДНК, наприклад її оптична щільність. Азотисті основи поглинають світло в ультрафіолетовій області (з максимумом, близьким до 260 нм). ДНК поглинає світло майже на 40% менше, ніж суміш вільних нуклеотидів того ж складу. Це явище називають гіпохромний ефектом, а обумовлено воно взаємодією підстав при їх розташуванні в подвійної спіралі.

Будь-яке відхилення від двухцепочечную стану впливає на зміну величини цього ефекту, тобто відбувається зрушення оптичної щільності в сторону значення, характерного для вільних підстав. Таким чином, за денатурацією ДНК можна спостерігати за зміною її оптичної щільності.

При нагріванні ДНК середню температуру діапазону, при якому відбувається поділ ланцюгів ДНК, називають точкою плавлення і позначають як Т пл. У розчині Т плзазвичай лежить в інтервалі 85-95 ° С. Крива плавлення ДНК завжди має одну і ту ж форму, але її положення на температурній шкалі залежить від складу підстав і умов денатурації (рис. 1). Пари G-C, з'єднані трьома водневими зв'язками, є більш тугоплавкими, ніж пари А-Т, що мають дві водневі зв'язку, тому при збільшенні вмісту G-C-nap значення Т плзростає. ДНК, на 40% складається з G-C (характерно для генома ссавців), денатурує при Т плблизько 87 ° С, тоді як ДНК, що містить 60% G-C, має Т пл
близько 95 ° С.

На температуру денатурації ДНК (крім складу підстав) впливає іонна сила. При цьому чим вище концентрація моновалентних катіонів, тим вище Т пл. значення Т плтакож сильно змінюється при додаванні до розчину ДНК таких речовин, як формамід (амід мурашиної кислоти HCONH2), який
дестабілізує водневі зв'язку. Його присутність дозволяє знизити Т пл, До 40 ° С.

Процес денатурації є оборотним. Явище відновлення структури подвійної спіралі, виходячи з двох поділів комплементарних ланцюгів, називають ренатурацією ДНК. Для здійснення ренатурації, як правило, досить тудіть розчин денатурованого ДНК.

У ренатурації беруть участь дві комплементарні последовап ності, які були розділені при денатурації. Однак ренатл ровать можуть будь-які комплементарні послідовності, кото здатні утворити двухцепочечную структуру. Якщо спільно. отжигают одноцепочечниє ДНК, що відбуваються з різних джерел, то формування двухцепочечной структури ДНК називають гібридизацією.

Схожа інформація.