Ti thể chứa DNA hình tròn. Nghiên cứu về DNA ty thể. Thuộc tính và chức năng của DNA

Tại sao ti thể cần DNA của riêng chúng? Mặc dù tại sao các loài cộng sinh không nên có DNA của riêng chúng, sản xuất mọi thứ chúng cần ngay tại chỗ? Tại sao sau đó chuyển một phần ADN ti thể vào nhân tế bào, tạo ra nhu cầu vận chuyển các sản phẩm của gen vào ti thể? Tại sao ti thể chỉ được truyền từ một người cha hoặc mẹ? Làm thế nào để các ti thể thu được từ mẹ hòa hợp với hệ gen của tế bào, được tạo thành từ ADN của mẹ và bố? Càng nhiều người tìm hiểu về ty thể, càng có nhiều câu hỏi đặt ra.

Tuy nhiên, điều này không chỉ áp dụng cho ty thể: trong bất kỳ lĩnh vực khoa học nào, việc mở rộng phạm vi kiến ​​thức chỉ dẫn đến sự gia tăng bề mặt tiếp xúc với cái chưa biết của nó, gây ra ngày càng nhiều câu hỏi mới, câu trả lời cho câu hỏi nào. sẽ mở rộng cùng một quả cầu với cùng một kết quả có thể dự đoán được.

Vì vậy, DNA của ti thể hiện đại được phân phối theo một cách rất kỳ lạ: một phần nhỏ gen được chứa trực tiếp trong ti thể trong nhiễm sắc thể hình tròn (chính xác hơn là trong một số bản sao của cùng một nhiễm sắc thể trong mỗi ti thể), và hầu hết các bản thiết kế để sản xuất các bộ phận cấu thành của ti thể được lưu trữ trong nhân tế bào. Do đó, việc sao chép các gen này xảy ra đồng thời với việc sao chép bộ gen của cả sinh vật, và các sản phẩm do chúng tạo ra sẽ đi một chặng đường dài từ tế bào chất của tế bào vào ti thể. Tuy nhiên, theo nhiều cách thuận tiện: ty thể không cần phải sao chép tất cả các gen này trong quá trình sinh sản, đọc chúng và xây dựng protein và các thành phần khác, tập trung vào chức năng chính của nó là sản xuất năng lượng. Vậy tại sao lại có một DNA nhỏ trong ti thể, để duy trì tất cả các cơ chế này, loại bỏ những ti thể nào có thể cung cấp nhiều tài nguyên hơn cho mục đích chính của sự tồn tại của chúng?

Lúc đầu, người ta cho rằng DNA còn lại trong ty thể là một dị tật, di sản của một tiền ty thể được hấp thụ bởi methanogen, vốn có bộ gen hoàn chỉnh của vi khuẩn. Khi bắt đầu cộng sinh, bất chấp sự tồn tại trong nhân của các gen ty thể đó ( gen m), điều cần thiết để duy trì một môi trường thoải mái cho tiền ty thể bên trong methanogen (điều này được mô tả chi tiết trong phần về ty thể), các gen giống nhau được lưu trữ trong mỗi ty thể. Các pro-mitochondria khi bắt đầu cuộc sống của nó với tư cách là một cộng sinh trông giống như vi khuẩn hiện đại trong sơ đồ bên trái của đoạn này.

Và rất chậm chạp, do không có nhu cầu, những gen này đã biến mất khỏi nhiễm sắc thể của ty thể do một loạt các đột biến. Nhưng nhân tế bào tích lũy ngày càng nhiều gen m xâm nhập vào tế bào chất từ ​​các ti thể-symbionts bị phá hủy và tích hợp vào bộ gen của chimera sinh vật nhân chuẩn. Ngay sau khi gen m mới được xây dựng bắt đầu được đọc, các cơ chế tế bào đã tạo ra các sản phẩm cần thiết cho ti thể, giải phóng các gen tiếp hợp khỏi quá trình tạo độc lập của chúng. Điều này có nghĩa là gen tương tự ti thể của gen đã truyền vào nhân không còn được duy trì trong trật tự hoạt động của chọn lọc tự nhiên và đã bị xóa bởi các đột biến theo cách giống như tất cả các gen trước đó. Do đó, sẽ là hợp lý khi giả định rằng chẳng bao lâu nữa những gen vẫn còn trong ti thể sẽ truyền vào nhân, điều này sẽ dẫn đến một lợi ích lớn về năng lượng cho sinh vật nhân chuẩn: sau cùng, các cơ chế sao chép, đọc và sửa chữa DNA cồng kềnh có thể bị loại bỏ. từ mỗi ty thể, và vì vậy mọi thứ bạn cần để tạo ra protein.

Sau khi đưa ra kết luận này, các nhà khoa học đã tính toán thời gian mất bao lâu để tất cả các gen di chuyển qua sự trôi dạt tự nhiên từ ty thể đến nhân. Và hóa ra thời kỳ này đã trôi qua từ lâu. Vào thời điểm xuất hiện tế bào nhân thực, ti thể có một bộ gen vi khuẩn chung gồm vài nghìn gen (các nhà khoa học thiết lập bộ gen này là gì bằng cách nghiên cứu các gen m được chuyển vào nhân ở các sinh vật khác nhau), và bây giờ là ti thể của tất cả các loại. sinh vật nhân thực bị mất từ ​​95 đến 99,9% số gen. Không ai để lại hơn một trăm gen trong ti thể, nhưng cũng không ai có một ti thể không có gen. Nếu cơ hội đóng một vai trò quan trọng trong quá trình này, thì ít nhất một vài loài đã trải qua con đường chuyển gen vào nhân cho đến cuối cùng. Nhưng điều này đã không xảy ra, và các ti thể của các loài khác nhau được nghiên cứu vào lúc này, mất các gen độc lập với nhau, vẫn giữ lại cùng một bộ của chúng, điều này trực tiếp cho thấy sự cần thiết của sự hiện diện chính xác các gen này trong ti thể.

Hơn nữa, các bào quan sản xuất năng lượng khác của tế bào, lục lạp, cũng có DNA của riêng chúng, và theo cách tương tự, lục lạp của các loài khác nhau tiến hóa song song và độc lập, mỗi loài có cùng một bộ gen.

Điều này có nghĩa là tất cả những bất tiện đáng kể đó trong việc duy trì bộ gen của chính nó trong mỗi ty thể tế bào (và trung bình, một tế bào chứa vài trăm!) Và bộ máy cồng kềnh để sao chép-sửa chữa-dịch mã (chính, nhưng không phải tất cả!) bởi một cái gì đó.

Và hiện tại, có một lý thuyết nhất quán về "cái gì đó" này: khả năng tạo ra một số chi tiết nhất định của ti thể trực tiếp bên trong nó là cần thiết để điều chỉnh tốc độ hô hấp và điều chỉnh các quá trình xảy ra trong ti thể theo nhu cầu thay đổi từng phút của toàn bộ sinh vật.

Hãy tưởng tượng rằng một trong hàng trăm ty thể của tế bào đột nhiên thiếu các yếu tố của chuỗi hô hấp (xem chi tiết về nó trong), hoặc không có đủ ATP synthase trong đó. Hóa ra nó bị quá tải với thức ăn và oxy và không thể xử lý chúng đủ nhanh, hoặc không gian nội màng của nó đang bùng nổ với các proton không còn đường đi - nói chung là một thảm họa hoàn toàn. Tất nhiên, tất cả những sai lệch này so với hoàn cảnh sống lý tưởng sẽ kích hoạt nhiều tín hiệu nhằm san bằng tốc độ cuộn của con tàu đang chìm.

Những tín hiệu này kích hoạt việc sản xuất chính xác những phần còn thiếu trong ty thể vào lúc này, kích hoạt việc đọc các gen mà các protein được tạo ra. Ngay sau khi ty thể có đủ các thành phần của chuỗi hô hấp hoặc ATPase, "cuộn thậm chí sẽ ra ngoài", các tín hiệu về nhu cầu xây dựng các bộ phận mới sẽ ngừng đến và các gen sẽ bị tắt trở lại. Đây là một trong những cơ chế đơn giản đáng ngạc nhiên trong cơ chế tự điều chỉnh cần thiết của tế bào, vi phạm nhỏ nhất của nó sẽ dẫn đến bệnh tật nghiêm trọng hoặc thậm chí không thể tồn tại của sinh vật.

Chúng ta hãy cố gắng xác định một cách hợp lý các gen cần thiết để phản ứng với tín hiệu đau khổ này nên nằm ở đâu. Hãy tưởng tượng tình huống rằng những gen này nằm trong nhân của một tế bào có chứa vài trăm ti thể. Ví dụ, ở một trong các ti thể, thiếu NADH dehydrogenase: enzim đầu tiên từ chuỗi hô hấp, có vai trò tách hai điện tử khỏi phân tử NADH, chuyển chúng cho enzim tiếp theo, và bơm 2-4 proton qua màng.

Trên thực tế, sự thiếu hụt bất kỳ loại enzym nào như vậy xảy ra khá thường xuyên, bởi vì chúng bị hỏng theo chu kỳ, lượng thức ăn tiêu thụ liên tục thay đổi, nhu cầu của tế bào đối với ATP cũng tăng vọt sau khi cơ thể có chứa tế bào này tăng vọt. Do đó, tình huống rất điển hình. Và do đó, ty thể phát ra một tín hiệu: "Chúng ta cần xây dựng thêm NADH dehydrogenase!" Theo tiêu chuẩn tế bào, thời gian vận chuyển của tín hiệu này là rất quan trọng, và trên thực tế, nó cũng cần thiết để kéo RNA thông tin đã xây dựng từ nhân vào tế bào chất, tạo ra các protein từ nó, gửi chúng đến ty thể ...

Và đây là nơi nảy sinh một vấn đề quan trọng hơn nhiều so với việc lãng phí thêm thời gian: khi tạo ra các protein ty thể chuyên biệt, chúng được đánh dấu bằng một tín hiệu "chuyển đến ty thể", nhưng cái nào? Không xác định. Do đó, mỗi trong số vài trăm ty thể bắt đầu nhận các protein mà chúng không cần. Tế bào dành nguồn lực cho việc sản xuất và phân phối chúng, ti thể chứa đầy các chuỗi hô hấp phụ (dẫn đến quá trình hô hấp kém hiệu quả), và ty thể duy nhất cần những protein này không nhận được chúng với số lượng đủ lớn, bởi vì nó bị , một phần trăm sản phẩm được sản xuất. Vì vậy, cô ấy tiếp tục gửi đi những tín hiệu cầu cứu và sự hỗn loạn vẫn tiếp tục. Ngay cả từ mô tả trữ tình và hời hợt này về những gì đang xảy ra, rõ ràng là một phòng giam như vậy là không thể tồn tại. Và có những gen phải được đọc và dịch mã trực tiếp vào ti thể để điều chỉnh các quá trình xảy ra trong đó, chứ không phải dựa vào kế hoạch sản xuất đinh do nhóm nhân phát động ... nghĩa là các protein của chuỗi hô hấp cho tất cả các ti thể cùng một lúc.

Sau khi kiểm tra chính xác những gì được tạo ra bởi các sinh vật khác nhau còn lại trong ti thể (và do đó di chuyển m-gen vào nhân một cách độc lập với nhau), chúng tôi nhận thấy rằng đây là những yếu tố để xây dựng chuỗi hô hấp và ATPase, cũng như ribosome (tức là bộ máy phát sóng bộ phận chính).

Bạn có thể đọc thêm về điều này (và không chỉ) tại Lane in "Năng lượng, Tình dục, Tự sát: Ti thể và Ý nghĩa của Cuộc sống"... Vâng, bạn có thể chỉ cần so sánh sơ đồ của DNA ty thể, nơi các sản phẩm mã hóa được giải mã (ở bên phải của đoạn này), với sơ đồ của chuỗi hô hấp (ở trên), để có thể biết chính xác những gì được tạo ra trong ty thể. . Tất nhiên, không phải mọi protein được đưa vào chuỗi này đều được sản xuất tại chỗ; một số trong số chúng được xây dựng trong tế bào chất của tế bào. Nhưng những "mỏ neo" chính mà các bộ phận còn lại bám vào được tạo ra bên trong ty thể. Điều đó cho phép bạn sản xuất chính xác bao nhiêu loại enzim mà bạn cần và chính xác nơi chúng cần thiết.

Ti thể có liên quan như thế nào với giới tính và cách các bộ gen khác nhau cùng tồn tại trong một tế bào, tôi sẽ viết trong một trong những chương tiếp theo của dòng này.

Giới thiệu

Một phần tư thế kỷ đã trôi qua kể từ khi phát hiện ra các phân tử DNA trong ti thể trước khi các nhà sinh học phân tử và nhà tế bào học quan tâm đến chúng, cũng như các nhà di truyền học, nhà tiến hóa, cũng như nhà cổ sinh vật học và nhà khoa học pháp y. Một sự quan tâm rộng rãi như vậy đã được kích thích bởi công trình của A. Wilson ở Đại học California. Năm 1987, ông công bố kết quả phân tích so sánh DNA của ti thể lấy từ 147 đại diện của các nhóm dân tộc khác nhau thuộc tất cả các chủng tộc người sinh sống trên năm châu lục. Theo loại, vị trí và số lượng các đột biến riêng lẻ, người ta xác định được rằng tất cả DNA ty thể đều phát sinh từ một trình tự nucleotide của tổ tiên bằng cách phân kỳ. Trên báo chí giả khoa học, kết luận này được giải thích một cách cực kỳ đơn giản - tất cả nhân loại là hậu duệ của một người phụ nữ tên là Eve ty thể (vì cả con gái và con trai đều chỉ nhận được ty thể từ mẹ của họ), sống ở Đông Bắc Phi khoảng 200 nghìn năm. trước ... Sau 10 năm nữa, người ta có thể giải mã một đoạn DNA ty thể được phân lập từ ong bắp cày Neanderthal, và ước tính thời gian tồn tại của tổ tiên chung cuối cùng của con người và người Neanderthal vào 500 nghìn năm trước.

Ngày nay, di truyền ty thể của con người đang phát triển mạnh mẽ cả về dân số và khía cạnh y học. Một mối quan hệ đã được thiết lập giữa một số bệnh di truyền nghiêm trọng và các khiếm khuyết trong DNA ty thể. Những thay đổi di truyền liên quan đến lão hóa rõ ràng nhất ở ti thể. Hệ gen của ti thể có gì khác so với hệ gen ở thực vật, nấm và động vật nguyên sinh về kích thước, hình dạng và khả năng di truyền? Vai trò, cách thức hoạt động và bộ gen ti thể đã hình thành như thế nào ở các đơn vị khác nhau nói chung và ở người nói riêng? Đây là những gì sẽ được thảo luận trong bài luận "nhỏ nhất và khiêm tốn nhất" của tôi.

Ngoài DNA, chất nền của ti thể còn chứa các ribosome của riêng nó, có nhiều đặc điểm khác với các ribosome của sinh vật nhân thực nằm trên màng của lưới nội chất. Tuy nhiên, trên ribosome của ti thể, không quá 5% tổng số protein tạo nên thành phần của chúng được hình thành. Hầu hết các protein tạo nên các thành phần cấu trúc và chức năng của ti thể được mã hóa bởi bộ gen nhân, được tổng hợp trên ribosome của lưới nội chất, và được vận chuyển qua các kênh của nó đến vị trí lắp ráp. Như vậy, ti thể là kết quả của sự nỗ lực tổng hợp của hai bộ gen và hai máy phiên mã, dịch mã. Một số enzim tiểu đơn vị của chuỗi hô hấp ti thể bao gồm các polypeptit khác nhau, một số được mã hóa bởi nhân và một số được mã hóa bởi hệ gen của ti thể. Ví dụ, enzym quan trọng của quá trình phosphoryl hóa oxy hóa, cytochrome c oxidase, trong nấm men bao gồm ba đơn vị con được mã hóa và tổng hợp trong ti thể, và bốn đơn vị được mã hóa trong nhân tế bào và được tổng hợp trong tế bào chất. Sự biểu hiện của hầu hết các gen ty thể được kiểm soát bởi các gen cụ thể trong nhân.

Thuyết cộng sinh về nguồn gốc của ti thể

Giả thuyết về nguồn gốc của ti thể và plastids thực vật từ vi khuẩn nội bào-vi khuẩn nội bào được R. Altman đưa ra từ năm 1890. Trong thế kỷ phát triển nhanh chóng của hóa sinh, tế bào học, di truyền và sinh học phân tử xuất hiện cách đây nửa thế kỷ, giả thuyết này càng phát triển thành một lý thuyết dựa trên một lượng lớn tài liệu thực tế ... Bản chất của nó như sau: với sự xuất hiện của vi khuẩn quang hợp, oxy tích tụ trong khí quyển Trái đất - sản phẩm phụ của quá trình trao đổi chất của chúng. Với sự gia tăng nồng độ của nó, cuộc sống của sinh vật dị dưỡng kỵ khí trở nên khó khăn hơn, và một số trong số chúng, để thu được năng lượng, được chuyển từ quá trình lên men thiếu khí sang quá trình phosphoryl hóa oxy hóa. Những sinh vật dị dưỡng hiếu khí như vậy có thể, với hiệu suất cao hơn vi khuẩn kỵ khí, phân hủy các chất hữu cơ được hình thành do quá trình quang hợp. Một số vi khuẩn sống tự do đã bị vi khuẩn kỵ khí bắt giữ, nhưng không được "tiêu hóa", mà được bảo quản như các trạm năng lượng, ti thể. Không nên xem ty thể như nô lệ bị bắt làm tù nhân để cung cấp cho các tế bào các phân tử ATP không thể thở được. Đúng hơn, chúng là những “sinh vật”, trong thời đại Nguyên sinh, đã tìm thấy những nơi trú ẩn tốt nhất cho bản thân và con cái của chúng, nơi bạn có thể tốn ít công sức nhất mà không có nguy cơ bị ăn thịt.

Nhiều sự thật ủng hộ lý thuyết cộng sinh:

Kích thước và hình dạng của ti thể và vi khuẩn hiếu khí sống tự do là như nhau; cả hai đều chứa các phân tử DNA tròn không liên kết với histon (trái ngược với DNA nhân thẳng);

Về trình tự nucleotide, ribosome và RNA vận chuyển của ti thể khác với các tế bào nhân, đồng thời thể hiện sự tương đồng đáng ngạc nhiên với các phân tử tương tự của một số vi khuẩn gram âm hiếu khí;

Các polymerase RNA của ty thể, mặc dù được mã hóa trong nhân tế bào, bị ức chế bởi rifampicin, giống như ở vi khuẩn, và RNA polymerase của tế bào nhân thực không nhạy cảm với kháng sinh này;

Sự tổng hợp protein trong ti thể và vi khuẩn bị ngăn chặn bởi cùng một loại kháng sinh không ảnh hưởng đến ribosome của sinh vật nhân thực;

Thành phần lipid của màng trong của ti thể và plasmalemma của vi khuẩn là tương tự nhau, nhưng rất khác so với thành phần của màng ngoài của ti thể, là thành phần tương đồng với các màng khác của tế bào nhân thực;

Cristae, được hình thành bởi màng trong ty thể, là chất tương tự tiến hóa của màng trung bì của nhiều sinh vật nhân sơ;

Cho đến nay, các sinh vật sống sót vẫn bắt chước các dạng trung gian trên con đường hình thành ti thể từ vi khuẩn (amip nguyên thủy Pelomyxa không có ti thể, nhưng luôn chứa vi khuẩn nội cộng sinh).

Có ý kiến ​​cho rằng các vương quốc khác nhau của sinh vật nhân chuẩn có tổ tiên khác nhau và quá trình nội cộng sinh của vi khuẩn phát sinh ở các giai đoạn khác nhau của quá trình tiến hóa của sinh vật sống. Điều này cũng được chứng minh bằng sự khác biệt trong cấu trúc của bộ gen ty thể của động vật nguyên sinh, nấm, thực vật và động vật bậc cao. Nhưng trong mọi trường hợp, phần chính của các gen từ promitochondria đi vào nhân, có thể với sự trợ giúp của các yếu tố di truyền di động. Khi một phần của bộ gen của một trong các bộ tương sinh được bao gồm trong bộ gen của bộ gen kia, sự tích hợp của các bộ tiếp hợp trở nên không thể đảo ngược. Bộ gen mới có thể tạo ra các con đường trao đổi chất dẫn đến việc hình thành các sản phẩm hữu ích mà bất kỳ đối tác nào cũng không thể tổng hợp được. Do đó, sự tổng hợp các hormon steroid bởi các tế bào của vỏ thượng thận là một chuỗi phản ứng phức tạp, một số phản ứng xảy ra trong ty thể, và một số xảy ra trong lưới nội chất. Bằng cách bắt giữ các gen của promitochondria, hạt nhân có thể kiểm soát một cách đáng tin cậy các chức năng của symbiont. Trong nhân, tất cả các protein và tổng hợp lipid của màng ngoài ti thể, hầu hết các protein của chất nền và màng trong của các bào quan đều được mã hóa. Quan trọng nhất, nhân mã hóa các enzym sao chép, phiên mã và dịch mã mtDNA, do đó kiểm soát sự phát triển và sinh sản của ti thể. Tốc độ phát triển của các đối tác cộng sinh phải xấp xỉ như nhau. Nếu vật chủ phát triển nhanh hơn, thì với mỗi thế hệ, số lượng cộng sinh trên mỗi cá thể sẽ giảm đi, và cuối cùng, những hậu duệ không có ti thể sẽ xuất hiện. Chúng ta biết rằng trong mỗi tế bào của một sinh vật sinh sản hữu tính, có rất nhiều ti thể, chúng sao chép DNA của chúng trong khoảng thời gian giữa các lần phân chia của vật chủ. Điều này đảm bảo rằng mỗi tế bào con sẽ nhận được ít nhất một bản sao của bộ gen ti thể.

Vai trò của nhân tế bào trong quá trình sinh học ti thể

Một loại nấm men đột biến nào đó có hiện tượng mất đoạn nhiều DNA ty thể, dẫn đến sự ngừng tổng hợp protein trong ty thể; kết quả là các bào quan này không thể thực hiện được chức năng của chúng. Vì khi phát triển trên môi trường có hàm lượng glucoza thấp, các thể đột biến như vậy sẽ hình thành các khuẩn lạc nhỏ, chúng được gọi là tế bào chất mutantaminhỏ nhắn.

Mặc dù các thể đột biến nhỏ không có sự tổng hợp protein ty thể và do đó không hình thành các ty thể bình thường, nhưng những thể đột biến như vậy vẫn chứa promitochondria, mà ở một mức độ nhất định, tương tự như ti thể bình thường, có màng ngoài bình thường và màng trong với các mấu kém phát triển. Trong promitochondria có nhiều enzyme được mã hóa bởi gen nhân và được tổng hợp trên ribosome của tế bào chất, bao gồm DNA và RNA polymerase, tất cả các enzyme của chu trình axit xitric, và nhiều protein tạo nên màng trong. Điều này chứng tỏ rõ ràng vai trò chủ yếu của bộ gen nhân trong quá trình sinh học ti thể.

Có một điều thú vị là mặc dù các đoạn DNA bị mất chiếm từ 20 đến hơn 99,9% bộ gen ti thể, nhưng tổng số lượng DNA ty thể ở các thể đột biến nhỏ nhắn luôn giữ ở mức độ như ở dạng hoang dã. Điều này là do quá trình khuếch đại DNA vẫn chưa được nghiên cứu kỹ lưỡng, kết quả là một phân tử DNA được hình thành, bao gồm các đoạn lặp lại song song của cùng một vùng và có kích thước bằng một phân tử bình thường. Ví dụ, DNA ty thể của thể đột biến nhỏ, giữ lại 50% trình tự nucleotide của DNA kiểu hoang dã, sẽ bao gồm hai lần lặp lại, trong khi một phân tử chỉ giữ lại 0,1% bộ gen kiểu hoang dã sẽ được xây dựng từ 1000 bản sao của đoạn còn lại. Do đó, các đột biến nhỏ có thể được sử dụng để thu được một số lượng lớn các đoạn nhất định của DNA ti thể, mà người ta có thể nói, được nhân bản bởi chính tự nhiên.

Mặc dù sự phát sinh sinh học của các bào quan được kiểm soát chủ yếu bởi các gen hạt nhân, nhưng bản thân các bào quan này, theo một số dữ liệu, có một số loại ảnh hưởng điều chỉnh theo nguyên tắc phản hồi; trong mọi trường hợp, đây là trường hợp của ti thể. Nếu bạn ngăn chặn sự tổng hợp protein trong ti thể của các tế bào nguyên vẹn, thì các enzym tham gia vào quá trình tổng hợp ADN, ARN và protein của ti thể bắt đầu hình thành quá mức trong tế bào chất, như thể tế bào đang cố gắng vượt qua tác động của một tác nhân ngăn chặn. Nhưng, mặc dù sự tồn tại của một số loại tín hiệu từ ty thể là điều không thể nghi ngờ, nhưng bản chất của nó vẫn chưa được biết đến.

Vì một số lý do, các cơ chế hình thành sinh học ty thể ngày nay được nghiên cứu trong hầu hết các trường hợp trong các nền văn hóa Saccharomyces carlsbergensis(men bia và NS. cerevisiae(men làm bánh). Đầu tiên, khi phát triển trên glucose, những nấm men này thể hiện một khả năng duy nhất chỉ tồn tại thông qua quá trình đường phân, tức là không có chức năng của ty thể. Điều này làm cho nó có thể nghiên cứu các đột biến trong DNA ty thể và hạt nhân ngăn cản sự phát triển của các bào quan này. Những đột biến như vậy có thể gây chết người ở hầu hết các sinh vật khác. Thứ hai, nấm men - sinh vật nhân chuẩn đơn bào đơn giản - dễ nuôi cấy và kiểm tra sinh hóa. Cuối cùng, nấm men có thể nhân lên ở cả hai pha đơn bội và lưỡng bội, thường là vô tính bằng cách nảy chồi (nguyên phân không đối xứng). Nhưng nấm men cũng có một quá trình hữu tính: theo thời gian, hai tế bào đơn bội hợp nhất, tạo thành hợp tử lưỡng bội, sau đó sẽ phân chia bằng nguyên phân hoặc trải qua quá trình nguyên phân và lại cho ra tế bào đơn bội. Bằng cách kiểm soát sự luân phiên của sinh sản vô tính và hữu tính trong quá trình thí nghiệm, bạn có thể học được nhiều điều về các gen chịu trách nhiệm về chức năng của ti thể. Đặc biệt, bằng cách sử dụng các phương pháp này, người ta có thể tìm ra liệu các gen đó nằm trong ADN hạt nhân hay ti thể, vì các đột biến gen ty thể không được di truyền theo định luật Mendel, vốn chi phối sự di truyền của gen nhân.

Hệ thống vận chuyển ty thể

Hầu hết các protein có trong ti thể và lục lạp được nhập vào các bào quan này từ dịch bào. Điều này đặt ra hai câu hỏi: làm thế nào tế bào hướng các protein đến cơ quan thích hợp, và làm thế nào để các protein này xâm nhập vào nó?

Một phần câu trả lời đã thu được khi nghiên cứu sự vận chuyển của tiểu đơn vị nhỏ (S) của enzym vào chất lục lạp. ribulose-1,5-bisphosphate-carboxylười biếng. Nếu mRNA được phân lập từ tế bào chất của tảo đơn bào Chlamydomonas hoặc từ lá đậu Hà Lan, được đưa vào dưới dạng chất nền vào hệ thống tổng hợp protein trong ống nghiệm, sau đó một trong nhiều protein được tạo thành sẽ được liên kết bởi một kháng thể kháng S đặc hiệu. Protein S được tổng hợp trong ống nghiệm được gọi là pro-S, vì nó lớn hơn protein S thông thường khoảng 50 gốc axit amin. Khi protein pro-S được ủ với lục lạp còn nguyên vẹn, nó sẽ thâm nhập vào các bào quan và được peptidase chuyển hóa thành protein S ở đó. Sau đó, protein S liên kết với tiểu đơn vị lớn của ribulose-1,5-bisphosphate carboxylase, được tổng hợp trên ribosome của lục lạp, và tạo thành một enzym hoạt động với nó trong stroma của lục lạp.

Cơ chế chuyển S-protein vẫn chưa được biết rõ. Người ta tin rằng pro-S liên kết với một protein thụ thể nằm trên màng ngoài của lục lạp hoặc tại điểm tiếp xúc giữa màng ngoài và màng trong, sau đó được vận chuyển đến chất đệm thông qua các kênh xuyên màng do năng lượng- quy trình chuyên sâu.

Protein được vận chuyển vào ti thể theo cách tương tự. Nếu các ti thể nấm men tinh khiết được ủ với dịch chiết tế bào có chứa các protein nấm men phóng xạ mới được tổng hợp, có thể quan sát thấy rằng các protein của ty thể được mã hóa bởi bộ gen nhân được tách ra khỏi các protein không thuộc ty thể của tế bào chất và được kết hợp một cách có chọn lọc vào ti thể, giống như chúng trong một ô nguyên vẹn. Trong trường hợp này, các protein của màng ngoài và màng trong, chất nền và không gian nội màng tìm đường đến ngăn ty thể tương ứng.

Nhiều protein mới được tổng hợp dành cho màng trong, chất nền và không gian giữa màng có một peptit dẫn đầu ở đầu tận cùng N của chúng, peptit này bị phân cắt bởi một protease cụ thể trong chất nền trong quá trình vận chuyển. Việc chuyển các protein đến ba ngăn ty thể này đòi hỏi năng lượng của một gradient proton điện hóa được tạo ra qua màng trong. Cơ chế vận chuyển protein cho màng ngoài là khác nhau: trong trường hợp này, không cần tiêu thụ năng lượng cũng như sự phân cắt protein của protein tiền thân dài hơn. Những quan sát này và những quan sát khác cho thấy rằng tất cả bốn nhóm protein của ty thể đều được vận chuyển vào bào quan theo cơ chế sau: người ta cho rằng tất cả các protein, ngoại trừ những protein dành cho màng ngoài, đều được đưa vào màng trong do kết quả của một quá trình. yêu cầu tiêu thụ năng lượng và xảy ra ở các điểm tiếp xúc của màng ngoài và màng trong. Rõ ràng, sau sự kết hợp ban đầu của protein vào màng, nó trải qua quá trình phân cắt protein, dẫn đến sự thay đổi cấu trúc của nó; tùy thuộc vào cấu trúc thay đổi như thế nào, protein hoặc được cố định trong màng hoặc được "đẩy" vào chất nền hoặc vào không gian giữa màng.

Về nguyên tắc, sự chuyển protein qua màng của ti thể và lục lạp cũng tương tự như sự chuyển của chúng qua màng của lưới nội chất. Tuy nhiên, có một số khác biệt quan trọng ở đây. Đầu tiên, khi được vận chuyển đến chất nền hoặc chất đệm, protein đi qua cả màng ngoài và màng trong của bào quan, trong khi khi được vận chuyển vào lòng của lưới nội chất, các phân tử chỉ đi qua một màng. Ngoài ra, việc chuyển protein vào lưới được thực hiện theo cơ chế loại bỏ định hướng(phóng điện vectơ) - nó bắt đầu khi protein vẫn chưa hoàn toàn rời khỏi ribosome (nhập đồng dịch), và chuyển đến ti thể và lục lạp xảy ra sau khi quá trình tổng hợp phân tử prôtêin hoàn thành (nhập sau phiên dịch).

Bất chấp những khác biệt này, trong cả hai trường hợp, tế bào tổng hợp các protein tiền thân có chứa một chuỗi tín hiệu xác định màng mà một protein nhất định hướng đến. Rõ ràng, trong nhiều trường hợp, trình tự này được tách ra khỏi phân tử tiền chất sau khi hoàn thành quá trình vận chuyển. Tuy nhiên, một số protein ngay lập tức được tổng hợp ở dạng cuối cùng của chúng. Người ta tin rằng trong những trường hợp như vậy, trình tự tín hiệu được chứa trong chuỗi polypeptit của protein cuối cùng. Trình tự tín hiệu vẫn chưa được hiểu rõ, nhưng có lẽ phải có một số loại trình tự như vậy, mỗi loại quyết định việc chuyển một phân tử protein đến một vùng cụ thể của tế bào. Ví dụ, trong tế bào thực vật, một số protein, quá trình tổng hợp bắt đầu trong tế bào, sau đó được vận chuyển đến ti thể, những protein khác đến lục lạp, những protein khác đến peroxisomes, và những protein khác đến lưới nội chất. Các quá trình phức tạp dẫn đến sự phân bố chính xác trong tế bào của các protein chỉ ngày nay mới được hiểu rõ.

Ngoài axit nucleic và protein, lipid cần thiết để xây dựng ty thể mới. Không giống như lục lạp, ti thể nhận phần lớn lipid từ bên ngoài. Trong tế bào động vật, phospholipid được tổng hợp trong lưới nội chất được vận chuyển đến màng ngoài của ti thể với sự trợ giúp của các protein đặc biệt, và sau đó được kết hợp vào màng trong; điều này được cho là xảy ra tại điểm tiếp xúc giữa hai màng. Phản ứng chính của quá trình sinh tổng hợp lipid, được xúc tác bởi chính ty thể, là sự chuyển đổi axit phosphatidic thành phospholipid cardiolipin, được tìm thấy chủ yếu ở màng trong ty thể và chiếm khoảng 20% ​​tổng số lipid của nó.

Kích thước và hình dạng của bộ gen ti thể

Cho đến nay, hơn 100 bộ gen ty thể khác nhau đã được đọc. Bộ và số lượng gen của chúng trong DNA ty thể, nơi trình tự nucleotide được xác định đầy đủ, rất khác nhau ở các loài động vật, thực vật, nấm và động vật nguyên sinh. Số lượng gen lớn nhất được tìm thấy trong hệ gen ti thể của động vật nguyên sinh trùng roi Rectinomo-nas americana- 97 gen, bao gồm tất cả các gen mã hóa protein được tìm thấy trong mtDNA của các sinh vật khác. Ở hầu hết các động vật bậc cao, bộ gen ti thể chứa 37 gen: 13 gen cho protein của chuỗi hô hấp, 22 gen cho tRNA và hai gen cho rRNA (cho rRNA 16S của tiểu đơn vị ribosome lớn và cho rRNA 12S nhỏ). Ở thực vật và động vật nguyên sinh, không giống như động vật và hầu hết các loại nấm, một số protein tạo nên ribosome của các bào quan này được mã hóa trong bộ gen ty thể. Các enzym quan trọng của quá trình tổng hợp polynucleotide khuôn mẫu, chẳng hạn như DNA polymerase (sao chép DNA ty thể) và RNA polymerase (phiên mã hệ gen ty thể), được mã hóa trong nhân và được tổng hợp trên ribosome tế bào chất. Thực tế này chỉ ra tính tương đối của tính tự chủ của ti thể trong hệ thống phân cấp phức tạp của tế bào nhân thực.

Bộ gen của ty thể của các loài khác nhau không chỉ khác nhau về bộ gen, thứ tự vị trí và biểu hiện của chúng, mà còn ở kích thước và hình dạng của ADN. Phần lớn các bộ gen ty thể được mô tả ngày nay là các phân tử ADN sợi kép siêu xoắn tròn. Ở một số thực vật, cùng với các dạng tròn, có các dạng mạch thẳng, và ở một số động vật nguyên sinh, ví dụ, các ciliates, chỉ có DNA mạch thẳng được tìm thấy trong ti thể.

Theo quy luật, mỗi ty thể chứa một số bản sao bộ gen của nó. Vì vậy, trong các tế bào của gan người có khoảng 2.000 ty thể, và trong mỗi tế bào có 10 bộ gen giống nhau. Trong nguyên bào sợi của chuột có 500 ty thể chứa hai bộ gen, và trong tế bào nấm men S. cerevisiae- có tới 22 ty thể với 4 bộ gen.

DIV_ADBLOCK1003 ">

Hình 2. Sơ đồ hình thành các oligome mtDNA mạch thẳng (A), tròn (B), chuỗi (C). ori - vùng bắt đầu sao chép DNA.

Kích thước bộ gen của ti thể của các sinh vật khác nhau dao động từ dưới 6 nghìn cặp bazơ trong plasmodium sốt rét (ngoài hai gen rRNA, nó chỉ chứa ba gen mã hóa protein) đến hàng trăm nghìn cặp nucleotit ở thực vật trên cạn (ví dụ, trong Arabidopsis thaliana từ họ cây thập tự 366924 cặp bazơ). Đồng thời, sự khác biệt gấp 7-8 lần về kích thước mtDNA của thực vật bậc cao ngay cả trong cùng một họ. Chiều dài mtDNA của động vật có xương sống hơi khác nhau: ở người - 16.569 cặp bazơ, ở lợn - 16350, ở cá heo - 16330, ở ếch có móng Xenopus laevis- 17533, ở cá chép - 16400. Các bộ gen này cũng giống nhau về vị trí của các gen, hầu hết đều nằm ở vị trí tận cùng; trong một số trường hợp, chúng thậm chí còn chồng lên nhau, thường bởi một nucleotide, do đó nucleotide cuối cùng của một gen là nucleotide đầu tiên trong gen tiếp theo. Không giống như động vật có xương sống, ở thực vật, nấm và động vật nguyên sinh, mtDNA chứa tới 80% trình tự không mã hóa. Thứ tự của các gen trong bộ gen ti thể là khác nhau giữa các loài.

Nồng độ cao của các loại oxy phản ứng trong ti thể và hệ thống sửa chữa yếu sẽ làm tăng tần số đột biến mtDNA so với đột biến trong nhân lên một bậc. Các gốc oxy gây ra sự thay thế cụ thể của C®T (khử cytosine) và GT®T (oxy hóa phá hủy guanin), do đó, có thể, mtDNA rất giàu các cặp AT. Ngoài ra, tất cả các mtDNA đều có một đặc tính thú vị - chúng không bị methyl hóa, không giống như DNA nhân và nhân sơ. Được biết, quá trình methyl hóa (biến đổi hóa học tạm thời của trình tự nucleotide mà không làm gián đoạn chức năng mã hóa của DNA) là một trong những cơ chế làm bất hoạt gen được lập trình.

Kích thước và cấu trúc của phân tử ADN trong các bào quan

Số lượng tương đối của các bào quan DNA trong một số tế bào và mô

Chức năng của bộ gen ti thể

Cơ chế nhân đôi và phiên mã của ADN ti thể ở động vật có vú có gì đặc biệt?

Các sợi bổ sung "href =" / text / category / komplementarij / "rel =" bookmark "> các sợi bổ sung trong mtDNA khác nhau đáng kể về trọng lượng riêng, vì chúng chứa lượng nucleotide pyrimidine" nặng "và pyrimidine" nhẹ "khác nhau. - H (nặng - nặng) và chuỗi L (nhẹ - nhẹ). Khi bắt đầu sao chép phân tử mtDNA, cái gọi là vòng lặp D (từ tiếng Anh là Displace-ment loop) được hình thành. Cấu trúc này, có thể nhìn thấy trong vi điện tử - osp, bao gồm các phần sợi kép và sợi đơn (phần được rút lại của chuỗi H. Quá trình tổng hợp chuỗi L chỉ bắt đầu khi chuỗi con H đạt đến điểm ori L. Điều này là do vùng bắt đầu sao chép của chuỗi L chỉ có thể tiếp cận được đối với các enzym tổng hợp DNA trong một sợi đơn. và do đó, chỉ trong một chuỗi xoắn kép không được xoắn trong quá trình tổng hợp chuỗi H. Do đó, các sợi con mtDNA được tổng hợp liên tục và không đồng bộ (Hình 3).

Hình 3. Sơ đồ sao chép mtDNA của động vật có vú. Đầu tiên, vòng lặp D được hình thành, sau đó chuỗi con H được tổng hợp, sau đó bắt đầu tổng hợp chuỗi con L.

Phần cuối của gen 16S rRNA (Hình 4). Số bảng điểm ngắn như vậy nhiều gấp 10 lần bảng điểm dài. Kết quả của quá trình trưởng thành (xử lý), rRNA 12S và rRNA 16S được hình thành từ chúng, chúng tham gia vào việc hình thành ribosome của ty thể, cũng như phenylalanin và valine tRNA. Các tRNA còn lại được loại bỏ khỏi các bản sao dài và các mRNA được dịch mã được hình thành, đến 3 đầu "mà các trình tự polyadenyl được gắn vào. Các đầu 5" của các mRNA này không bị giới hạn, điều này là bất thường đối với sinh vật nhân chuẩn. Không có sự liên kết (nối) nào xảy ra, vì không có gen nào trong ty thể của động vật có vú chứa các intron.

Hình 4. Phiên mã mtDNA của người chứa 37 gen. Tất cả các phiên mã bắt đầu được tổng hợp ở vùng ori H. RNA của ribosome được loại bỏ khỏi các phiên mã chuỗi H dài và ngắn. tRNA và mRNA được hình thành là kết quả của quá trình xử lý từ các bản sao của cả hai sợi DNA. Các gen tRNA được hiển thị bằng màu xanh lục nhạt.

Bạn có muốn biết những điều bất ngờ khác mà bộ gen ty thể có thể trình bày không? Tốt! Đọc tiếp! ..

Vùng dẫn đầu và vùng không mã hóa 3', giống như hầu hết các mRNA nhân. Một số gen cũng chứa các intron. Do đó, trong gen hộp mã hóa cytochrome oxidase b, có hai intron. Từ bản sao RNA sơ cấp tự động (không có sự tham gia của bất kỳ gen nào hoặc protein) một bản sao của hầu hết intron đầu tiên bị cắt ra. RNA còn lại đóng vai trò như khuôn mẫu để hình thành enzyme maturase, tham gia vào quá trình nối. Một phần trình tự axit amin của nó được mã hóa trong các bản sao còn lại của intron Maturase cắt chúng ra, phá hủy mRNA của chính nó, các bản sao của exon được nối lại với nhau, và mRNA cho cytochrome oxidase b được hình thành (Hình 5). Việc phát hiện ra hiện tượng này buộc chúng ta phải xem xét lại khái niệm về intron là “chuỗi không có gì mã hóa ”.

Hình 5. Xử lý (trưởng thành) cytochrome oxidase b mRNA trong ty thể nấm men. Ở giai đoạn đầu tiên của quá trình nối, mRNA được hình thành, qua đó maturase được tổng hợp, cần thiết cho giai đoạn thứ hai của quá trình nối.

Khi nghiên cứu sự biểu hiện của gen ti thể Trypanosoma brucei Một sự sai lệch đáng ngạc nhiên so với một trong những tiên đề cơ bản của sinh học phân tử đã được phát hiện, trong đó nói rằng trình tự nucleotide trong mRNA tương ứng chính xác với trình tự trong vùng mã hóa của DNA. Hóa ra là mRNA của một trong những tiểu đơn vị của cytochrome c oxidase đang được chỉnh sửa, nghĩa là sau khi phiên mã, cấu trúc chính của nó thay đổi - bốn uracil được chèn vào. Kết quả là mRNA mới được hình thành, đóng vai trò là khuôn mẫu để tổng hợp một tiểu đơn vị bổ sung của enzyme, trình tự các axit amin trong đó không liên quan gì đến trình tự. Virus "href =" / text / category / virus / "rel =" bookmark "> virus, nấm, Nhà nghiên cứu người Anh Burrell đã so sánh cấu trúc của một trong các gen ty thể bê với trình tự các axit amin trong tiểu đơn vị cytochrome oxidase được mã hóa bởi gen này. Đó là" lý tưởng ", nghĩa là, nó tuân theo quy tắc sau: “nếu hai codon có hai nucleotide giống nhau và nucleotide thứ ba thuộc cùng một lớp (purine - A, G, hoặc pyrimidine - Y, C), thì chúng mã hóa cùng một axit amin. ”Có hai ngoại lệ đối với quy tắc này trong mã phổ quát: bộ ba AUA mã hóa isoleucine và codon AUG mã hóa methionine, trong khi ở mã ty thể lý tưởng, cả hai bộ ba này đều có oder methionine; bộ ba UGG chỉ mã hóa tryptophan và bộ ba UGA mã hóa một codon dừng. Trong mã phổ quát, cả hai sai lệch đều liên quan đến những thời điểm cơ bản của quá trình tổng hợp protein: codon AUG là chất khởi đầu và codon dừng UGA dừng quá trình tổng hợp polypeptide. Mã lý tưởng không cố hữu trong tất cả các ti thể được mô tả, nhưng không ai trong số chúng có mã phổ quát. Có thể nói rằng ti thể nói các ngôn ngữ khác nhau, nhưng không bao giờ nói được ngôn ngữ của nhân.

Sự khác biệt giữa mã di truyền “phổ quát” và hai mã ty thể

Như đã đề cập, có 22 gen tRNA trong bộ gen ty thể của động vật có xương sống. Vậy thì làm thế nào mà một tập hợp không hoàn chỉnh như vậy lại cung cấp tất cả 60 codon cho axit amin (trong một mã lý tưởng gồm 64 bộ ba, có bốn codon dừng, trong một mã phổ biến là một - ba)? Thực tế là trong quá trình tổng hợp protein trong ti thể, các tương tác codon-đối mã được đơn giản hóa - hai trong số ba nucleotide đối mã được sử dụng để nhận biết. Do đó, một tRNA nhận ra tất cả bốn thành viên của họ codon, chỉ khác nhau ở nucleotide thứ ba. Ví dụ, tRNA của leucine với bộ chống mã hóa GAU đứng trên ribosome trên các codon CUU, CUC, CUA và CUG, đảm bảo sự kết hợp không có lỗi của leucine vào chuỗi polypeptide. Hai codon leucine khác, UUA và UUG, được nhận dạng bởi tRNA với AAU đối mã. Tổng cộng, tám phân tử tRNA khác nhau nhận ra tám họ bốn codon, và 14 tRNA nhận ra các cặp codon khác nhau, mỗi phân tử mã hóa một axit amin.

Điều quan trọng là các enzym aminoacyl tRNA synthetase chịu trách nhiệm gắn các axit amin vào tRNA tương ứng của ti thể được mã hóa trong nhân tế bào và được tổng hợp trên ribosome của lưới nội chất. Như vậy, ở động vật có xương sống, tất cả các thành phần protein của quá trình tổng hợp polypeptit của ty thể đều được mã hóa trong nhân. Đồng thời, sự tổng hợp protein trong ty thể không bị ức chế bởi cycloheximide, chất ngăn chặn hoạt động của ribosome sinh vật nhân chuẩn, nhưng nhạy cảm với kháng sinh erythromycin và chloramphenicol, những chất này ức chế sự tổng hợp protein ở vi khuẩn. Thực tế này là một trong những lập luận ủng hộ nguồn gốc của ti thể từ vi khuẩn hiếu khí trong quá trình hình thành cộng sinh của tế bào nhân thực.

Tầm quan trọng của việc có hệ thống di truyền của riêng bạn cho ty thể

Tại sao ti thể cần hệ thống di truyền riêng, trong khi các bào quan khác, chẳng hạn như peroxisome và lysosome, không có? Câu hỏi này không hề tầm thường chút nào, vì việc duy trì một hệ thống di truyền riêng biệt rất tốn kém cho tế bào, với số lượng gen cần thiết bổ sung trong hệ gen nhân. Tại đây nên mã hóa các protein ribosome, aminoacyl tRNA synthetase, DNA và RNA polymerase, các enzyme sửa đổi và xử lý RNA, v.v. lý do để tin rằng có rất ít protein trong các cơ quan này có thể được tìm thấy ở những nơi khác. Điều này có nghĩa là chỉ để duy trì hệ thống di truyền của ti thể, hệ gen nhân phải có thêm vài chục gen. Lý do cho sự “lãng phí” này là không rõ ràng, và hy vọng rằng một manh mối sẽ được tìm thấy trong trình tự nucleotide của DNA ty thể là không chính đáng. Rất khó để tưởng tượng tại sao các protein được hình thành trong ti thể phải được tổng hợp ở đó, chứ không phải trong tế bào.

Thông thường, sự tồn tại của một hệ thống di truyền trong các bào quan năng lượng được giải thích là do một số protein được tổng hợp bên trong bào quan quá kỵ nước để đi qua màng ti thể từ bên ngoài. Tuy nhiên, nghiên cứu về phức hợp ATP-synthetase cho thấy rằng cách giải thích như vậy là không thể tin được. Mặc dù các tiểu đơn vị protein riêng lẻ của ATP synthetase được bảo tồn rất nhiều trong quá trình tiến hóa, các vị trí tổng hợp của chúng thay đổi. Trong lục lạp, một số protein khá ưa nước, bao gồm bốn trong số năm tiểu đơn vị của phần F1-ATPase của phức hợp, được hình thành trên ribosome trong bào quan. Ngược lại, tại nấm Neurospora và trong tế bào động vật, một thành phần rất kỵ nước (tiểu đơn vị 9) của phần màng ATPase được tổng hợp trên ribosome của tế bào chất và chỉ sau đó đi vào bào quan. Sự định vị khác nhau của các gen mã hóa các tiểu đơn vị của các protein tương đương về chức năng ở các sinh vật khác nhau là khó giải thích với sự trợ giúp của bất kỳ giả thuyết nào xác nhận những ưu điểm tiến hóa nhất định của các hệ thống di truyền hiện đại của ti thể và lục lạp.

Với tất cả những điều trên, vẫn chỉ có thể giả định rằng hệ thống di truyền của ty thể đại diện cho một ngõ cụt tiến hóa. Trong khuôn khổ của giả thuyết nội cộng sinh, điều này có nghĩa là quá trình chuyển gen nội cộng sinh vào bộ gen nhân của vật chủ đã dừng lại trước khi hoàn thành.

Di truyền tế bào chất

Hậu quả của chuyển gen qua tế bào chất đối với một số động vật, kể cả con người, nghiêm trọng hơn đối với nấm men. Hai tế bào nấm men đơn bội hợp nhất có cùng kích thước và đóng góp cùng một số lượng ADN ti thể vào hợp tử tạo thành. Do đó, ở nấm men, bộ gen của ty thể được thừa hưởng từ cả bố và mẹ, đóng góp ngang nhau vào vốn gen của thế hệ con (mặc dù, sau một vài thế hệ riêng rẽ con cái thường chỉ chứa ti thể của một trong các loại bố mẹ). Ngược lại với điều này, ở động vật bậc cao, tế bào trứng đưa nhiều tế bào chất vào hợp tử hơn là tinh trùng, và ở một số động vật, tinh trùng có thể hoàn toàn không thêm tế bào chất. Do đó, người ta có thể nghĩ rằng ở động vật bậc cao, bộ gen ti thể sẽ chỉ được truyền từ một bố mẹ (cụ thể là mẫu thân dòng); thực sự, điều này đã được xác nhận bởi các thí nghiệm. Ví dụ, khi những con chuột thuộc hai dòng trong phòng thí nghiệm có DNA ty thể hơi khác nhau về trình tự nucleotide (loại A và B) được lai với nhau, thì con cái thu được có chứa

chỉ chứa ADN ti thể của loại mẹ.

Di truyền qua tế bào chất, không giống như di truyền hạt nhân, không tuân theo các định luật Mendel. Điều này là do thực tế ở động vật bậc cao và thực vật từ các giới tính khác nhau có chứa một lượng ti thể không thể so sánh được. Vì vậy, trong noãn của chuột có 90 nghìn ty thể, và trong tinh trùng - chỉ có bốn. Rõ ràng, trong một trứng được thụ tinh, các ti thể chủ yếu hoặc chỉ từ một con cái, tức là, sự di truyền của tất cả các gen ty thể là của mẹ. Phân tích di truyền tính di truyền tế bào chất là khó khăn do tương tác giữa nhân và tế bào chất. Trong trường hợp bất dục đực tế bào chất, bộ gen của ty thể đột biến tương tác với một số gen nhân, các alen lặn của gen này cần thiết cho sự phát triển của tính trạng. Các alen trội của các gen này, ở cả trạng thái đồng hợp và dị hợp, phục hồi khả năng sinh sản của thực vật bất kể trạng thái của bộ gen ti thể.

Tôi muốn đi sâu vào cơ chế di truyền gen mẹ bằng cách đưa ra một ví dụ cụ thể. Để tìm hiểu cuối cùng và không thể thay đổi được cơ chế di truyền không theo Mendel (tế bào chất) của các gen ti thể, chúng ta hãy xem xét điều gì sẽ xảy ra với các gen đó khi hai tế bào đơn bội hợp nhất để tạo thành hợp tử lưỡng bội. Trong trường hợp một tế bào nấm men mang đột biến xác định khả năng kháng tổng hợp protein ti thể đối với chloramphenicol và tế bào khác, tế bào kiểu hoang dã, nhạy cảm với kháng sinh này: các gen đột biến có thể được xác định dễ dàng bằng cách trồng nấm men trên môi trường có glycerol, chỉ có thể được sử dụng bởi các tế bào có ti thể nguyên vẹn; do đó, với sự có mặt của chloramphenicol, chỉ những tế bào mang gen đột biến mới có thể phát triển trên môi trường như vậy. Hợp tử lưỡng bội của chúng ta ban đầu sẽ có cả ti thể đột biến và ti thể kiểu hoang dại. Kết quả của quá trình nguyên phân, một tế bào con lưỡng bội sẽ nảy ra từ hợp tử, tế bào này sẽ chỉ chứa một số lượng nhỏ các ti thể. Sau một số chu kỳ nguyên phân, cuối cùng một trong các tế bào mới sẽ nhận được tất cả các ti thể, hoặc là dạng đột biến hoặc dạng hoang dại. Do đó, tất cả con cái của một tế bào như vậy sẽ có ti thể giống hệt nhau về mặt di truyền. Quá trình ngẫu nhiên như vậy, dẫn đến việc hình thành thế hệ con lưỡng bội chỉ chứa một loại ti thể, được gọi là phân bàoNS hãy chứng kiếnhy lạpNS. Khi một tế bào lưỡng bội chỉ có một loại nguyên phân tiến hành nguyên phân thì cả 4 tế bào đơn bội con đều nhận được các gen nguyên phân giống nhau. Kiểu thừa kế này được gọi là nemendemột con sư tử hớt bọt hoặc tế bào chất ngược lại với sự di truyền gen nhân theo phương pháp Mendel. Việc chuyển gen theo kiểu tế bào chất có nghĩa là các gen đang nghiên cứu nằm trong ti thể.

Việc nghiên cứu bộ gen ty thể, sự tiến hóa của chúng, diễn ra theo các quy luật cụ thể của di truyền quần thể, mối quan hệ giữa hệ thống di truyền hạt nhân và ty thể, là cần thiết để hiểu tổ chức thứ bậc phức tạp của tế bào nhân thực và sinh vật nói chung.

Một số bệnh di truyền và sự lão hóa của con người có liên quan đến một số đột biến nhất định trong DNA ty thể hoặc trong các gen hạt nhân kiểm soát chức năng của ty thể. Dữ liệu được tích lũy về sự tham gia của các khiếm khuyết mtDNA trong quá trình sinh ung thư. Do đó, ty thể có thể là mục tiêu của hóa trị liệu ung thư. Có những sự thật về sự tương tác chặt chẽ của bộ gen hạt nhân và ty thể trong sự phát triển của một số bệnh lý ở người. Nhiều lần mất đoạn mtDNA được tìm thấy ở những bệnh nhân bị yếu cơ nặng, mất điều hòa, điếc, chậm phát triển trí tuệ, di truyền theo kiểu trội autosomal. Sự lưỡng hình giới tính được thiết lập trong các biểu hiện lâm sàng của bệnh mạch vành, rất có thể là do ảnh hưởng của mẹ - di truyền tế bào chất. Sự phát triển của liệu pháp gen mang lại hy vọng về việc sửa chữa các khiếm khuyết trong bộ gen của ty thể trong tương lai gần.

Như bạn đã biết, để kiểm tra chức năng của một trong các thành phần của hệ thống đa thành phần, cần phải loại bỏ thành phần này, tiếp theo là phân tích các thay đổi đã xảy ra. Vì chủ đề của phần tóm tắt này là chỉ ra vai trò của bộ gen mẹ đối với sự phát triển của thế hệ con, nên sẽ rất hợp lý khi tìm hiểu về hậu quả của những vi phạm trong thành phần của bộ gen ty thể do các yếu tố khác nhau gây ra. Quá trình đột biến hóa ra là một công cụ để nghiên cứu vai trò trên, và hậu quả của hành động mà chúng ta quan tâm là cái gọi là. các bệnh về ty lạp thể.

Các bệnh về ty thể là một ví dụ về tính di truyền tế bào chất ở người, hay đúng hơn là "di truyền bào quan". Việc làm rõ này nên được thực hiện bởi vì hiện nay sự tồn tại, ít nhất là ở một số sinh vật, các yếu tố quyết định di truyền qua tế bào chất không liên quan đến các bào quan của tế bào - cytogens đã được chứng minh (Vechtomov, 1996).

Các bệnh về ty thể là một nhóm bệnh không đồng nhất do các khiếm khuyết về di truyền, cấu trúc, sinh hóa của ty thể và sự suy giảm hô hấp của mô. Để chẩn đoán bệnh ty thể, một phân tích toàn diện về phả hệ, lâm sàng, sinh hóa, hình thái và di truyền là rất quan trọng. Dấu hiệu sinh hóa chính của bệnh lý ty thể là sự phát triển của nhiễm acid lactic, thường là tăng acid huyết kết hợp với tăng pyruvatacidemia. Số lượng các biến thể khác nhau đã lên tới 120 hình thức. Có sự gia tăng ổn định nồng độ của axit lactic và axit pyruvic trong dịch não tủy.

Các bệnh về ty thể (MB) đại diện cho một vấn đề quan trọng đối với y học hiện đại. Theo các phương pháp di truyền, giữa các MB, các bệnh được phân biệt là di truyền đơn tính theo kiểu Mendel, trong đó do đột biến gen nhân, cấu trúc và chức năng của protein ty thể bị phá vỡ hoặc biểu hiện của những thay đổi DNA ty thể, cũng như các bệnh do đột biến gen ty thể gây ra, chủ yếu được truyền cho thế hệ con qua dòng mẹ.

Dữ liệu của các nghiên cứu hình thái học chỉ ra một bệnh lý tổng thể của ty thể: sự tăng sinh bất thường của ty thể, tính đa hình của ty thể với sự vi phạm về hình dạng và kích thước, sự vô tổ chức của các vết nứt, sự tích tụ của các ty thể bất thường dưới sarcolemma, thể vùi tinh thể trong ty thể, sự hiện diện của không bào giữa các lỗ chân lông

Các dạng bệnh về ty thể

1 ... Các bệnh về ty thể do đột biến ADN ty thể gây ra

1.1 Các bệnh do mất DNA ty thể

1.1.1. Hội chứng Kearns-Sayre

Bệnh biểu hiện ở lứa tuổi 4-18 tuổi, mắt ngoài tiến triển, viêm võng mạc sắc tố, mất điều hòa, run có chủ định, blốc nhĩ thất, tăng nồng độ protein trong dịch não tủy trên 1 g / l, sợi đỏ "rách" khi sinh thiết. của cơ xương

1.1.2 Hội chứng Pearson

Bệnh khởi phát từ khi mới sinh hoặc trong những tháng đầu đời, đôi khi có thể xuất hiện bệnh cơ não, mất điều hòa, sa sút trí tuệ, đau mắt ngoài tiến triển, thiếu máu giảm sản, suy giảm chức năng tuyến tụy ngoại tiết, diễn tiến nặng dần.

2 Bệnh do đột biến điểm DNA ty thể

Loại di truyền của mẹ, giảm thị lực cấp tính hoặc bán cấp tính ở một hoặc cả hai mắt, kết hợp với rối loạn thần kinh và xương, bệnh lý vi võng mạc, diễn tiến tiến triển với khả năng thuyên giảm hoặc phục hồi thị lực, bệnh khởi phát ở tuổi 20 -30 năm

2.2 Hội chứng NAPR (bệnh thần kinh, mất điều hòa, viêm võng mạc sắc tố)

Loại di truyền của mẹ, sự kết hợp của bệnh thần kinh, mất điều hòa và viêm võng mạc sắc tố, chậm phát triển tâm thần vận động, sa sút trí tuệ, sự hiện diện của các sợi đỏ "rách" trong sinh thiết mô cơ

2.3. Hội chứng MERRF (rung giật cơ-động kinh, các sợi đỏ "rách")

Kiểu di truyền của mẹ, khởi phát bệnh ở tuổi 3-65, động kinh myoclonic, mất điều hòa, sa sút trí tuệ kết hợp với điếc thần kinh, teo dây thần kinh thị giác và suy giảm độ nhạy cảm sâu, nhiễm toan lactic, trong khi kiểm tra điện não đồ, phức hợp động kinh tổng quát , sợi đỏ "rách" trong sinh thiết cơ xương, diễn tiến tiến triển

2.4 Hội chứng MELAS (bệnh cơ não ty thể, nhiễm toan lactic, các cơn giống đột quỵ)

Kiểu di truyền của mẹ, bệnh khởi phát trước 40 tuổi, tập thể dục không dung nạp, nhức đầu kiểu đau nửa đầu kèm buồn nôn và nôn, các cơn giống đột quỵ, co giật, nhiễm toan lactic, các sợi đỏ “rách” trong sinh thiết cơ, diễn tiến nặng dần.

3 Bệnh học liên quan đến các khiếm khuyết trong giao tiếp giữa các gen

3.1 Hội chứng xóa nhiều đoạn DNA ty thể

Blepharoptosis, đau mắt ngoài, yếu cơ, điếc thần kinh giác quan, teo thị giác, tiến triển, sợi đỏ "rách" trong sinh thiết cơ xương, giảm hoạt động của các enzym chuỗi hô hấp.

3.2 Hội chứng mất đoạn DNA ty thể

Di truyền lặn tự động

Các dạng lâm sàng:

3.2.1.Trẻ sơ sinh tử vong

a) suy gan nặng b) bệnh gan c) hạ huyết áp cơ

Ra mắt trong giai đoạn sơ sinh

3.2.2.Bệnh cơ bẩm sinh

Yếu cơ nghiêm trọng, hạ huyết áp toàn thân, bệnh cơ tim và co giật, tổn thương thận, glucos niệu, bệnh aminoacidopathy, phosphat niệu

3.2.3.Bệnh cơ ở trẻ sơ sinh

xảy ra trong 2 năm đầu đời, yếu cơ tiến triển, teo các nhóm cơ gần và mất phản xạ gân xương, diễn tiến nhanh, tử vong trong 3 năm đầu đời.

4 .Bệnh bệnh lý do đột biến DNA nhân

4.1 Các bệnh liên quan đến các khiếm khuyết trong chuỗi hô hấp

4.1.1 Sự thiếu hụt phức hợp 1 (NADH: CoQ reductase)

Khởi phát bệnh trước 15 tuổi, hội chứng bệnh cơ, chậm phát triển tâm thần vận động, suy giảm hệ tim mạch, co giật kháng trị liệu, nhiều rối loạn thần kinh, tiến triển

4.1.2. Thiếu hụt phức hợp 2 (succinate-CoQ reductase)

Nó được đặc trưng bởi hội chứng bệnh cơ não, quá trình tiến triển, các con đường phụ, sự phát triển của bệnh ptosis có thể xảy ra

4.1.3. Sự thiếu hụt phức hợp 3 (CoQ-cytochrome C-oxidoreductase)

Rối loạn đa hệ thống, tổn thương các cơ quan và hệ thống khác nhau, với sự tham gia của hệ thần kinh trung ương và ngoại vi, hệ thống nội tiết, thận, tiến trình tiến triển

4.1.4. Sự thiếu hụt phức hợp (cytochrome C-oxidase)

4.1.4.1 Nhiễm toan lactic bẩm sinh ở trẻ sơ sinh gây tử vong

Bệnh cơ ty thể có suy thận hoặc bệnh cơ tim, xuất hiện ở tuổi sơ sinh, rối loạn hô hấp nặng, hạ huyết áp lan tỏa, diễn tiến, tử vong trong năm đầu đời.

4.1.4.2.Yếu cơ lành tính ở trẻ sơ sinh

Teo, nếu được điều trị đầy đủ và kịp thời, quá trình ổn định nhanh chóng và phục hồi sau 1-3 tuổi là có thể

5 Hội chứng .Menkes (loạn dưỡng trichopolyodystrophy)

Chậm phát triển tâm thần vận động, chậm phát triển, suy giảm tốc độ tăng trưởng và các thay đổi loạn dưỡng ở tóc,

6 ... Bệnh cơ não ty thể

6.1.Hội chứng Leigh(bệnh cơ não do thần kinh bán cấp)

Nó biểu hiện sau 6 tháng sau sinh, giảm trương lực cơ, mất điều hòa, rung giật nhãn cầu, triệu chứng hình chóp, đau mắt, teo dây thần kinh thị giác, thường liên quan đến bệnh cơ tim và nhiễm toan chuyển hóa nhẹ.

6.2.Hội chứng Alpers(chứng đa động mạch xơ cứng tiến triển)

Thoái hóa chất xám của não kết hợp với xơ gan, thiếu hụt phức hợp 5 (ATP synthetase), chậm phát triển tâm thần vận động, mất điều hòa, sa sút trí tuệ, yếu cơ, tiến triển của bệnh, tiên lượng không thuận lợi

6.3 Thiếu hụt Coenzyme-Q

Khủng hoảng chuyển hóa, yếu cơ và mệt mỏi, đau mắt, điếc, giảm thị lực, các cơn giống như đột quỵ, mất điều hòa, động kinh giật cơ, tổn thương thận: glucos niệu, rối loạn aminoacidopid, phosphat niệu, rối loạn nội tiết, diễn tiến tiến triển, giảm hoạt động của các enzym hô hấp

7 Các bệnh liên quan đến sự chuyển hóa của axit lactic và pyruvic bị suy giảm

7.1. Sự thiếu hụt pyruvate carboxylase Phương thức di truyền lặn của Autosomal, khởi phát bệnh ở thời kỳ sơ sinh, triệu chứng phức tạp của một "đứa trẻ mềm", co giật kháng trị liệu, nồng độ cao của các thể ceton trong máu, tăng đường huyết, tăng lipid máu, giảm hoạt động của pyruvate carboxylase trong cơ xương

7.2 Thiếu hụt pyruvate dehydrogenase

Biểu hiện ở thời kỳ sơ sinh, rối loạn sọ mặt, co giật kháng trị liệu, khó thở và bú kém, triệu chứng phức tạp "trẻ mềm nhũn", rối loạn vận động não, nhiễm toan nặng với hàm lượng cao lactate và pyruvate

7.3 Giảm hoạt tính của pyruvate dehydrogenase

Biểu hiện trong năm đầu đời, tật đầu nhỏ, chậm phát triển tâm thần vận động, mất điều hòa, loạn trương lực cơ, chứng múa giật, nhiễm toan lactic với hàm lượng pyruvate cao

7.4 Sự thiếu hụt dihydrolipoyltransacetylase

Phương thức di truyền lặn trên cơ thể di truyền, khởi phát bệnh ở thời kỳ sơ sinh, tật đầu nhỏ, chậm phát triển tâm thần vận động, giảm trương lực cơ sau đó tăng trương lực cơ, teo đĩa thị, nhiễm toan lactic, giảm hoạt động của dihydrolipoyltrans-acetylase

7.5 Sự thiếu hụt dihydrolipoyl dehydrogenase

Kiểu di truyền lặn ở thể nhiễm trùng, sự khởi phát của bệnh trong năm đầu tiên của cuộc đời, phức hợp triệu chứng của một "đứa trẻ mềm", rối loạn chuyển hóa với nôn mửa và tiêu chảy, chậm phát triển tâm thần vận động, teo đĩa thị giác, nhiễm toan lactic, tăng alanin huyết thanh, α- ketoglutarate, axit α-keto mạch nhánh, giảm hoạt tính dihydrolipoyl dehydrogenase

8 Bệnh do khiếm khuyết trong quá trình oxy hóa beta của axit béo

8.1 Thiếu hụt acetyl-CoA dehydrogenase chuỗi dài

Phương thức di truyền lặn trong tử cung, khởi phát bệnh trong những tháng đầu đời, khủng hoảng chuyển hóa kèm theo nôn mửa và tiêu chảy, các triệu chứng của "đứa trẻ bị mềm", hạ đường huyết, đái ra acid dicarboxylic, giảm hoạt động của acetyl-CoA dehydrogenase của acid béo kéo dài. chuỗi carbon

8.2 Sự thiếu hụt Acetyl CoA Dehydrogenase cacbon giữa

Phương thức di truyền lặn trên tử cung, khởi phát bệnh ở giai đoạn sơ sinh hoặc những tháng đầu đời, khủng hoảng chuyển hóa kèm theo nôn mửa và tiêu chảy,

yếu cơ và hạ huyết áp, hội chứng đột tử thường phát triển, hạ đường huyết, đái ra acid dicarboxylic, giảm acetyl-CoA dehydrogenase của acid béo chuỗi carbon trung bình

8.3. Sự thiếu hụt Acetyl-CoA Dehydrogenase của axit béo chuỗi cacbon ngắn

Di truyền lặn ở thể nhiễm trùng, các độ tuổi khởi phát bệnh khác nhau, giảm khả năng chịu đựng khi tập thể dục, khủng hoảng chuyển hóa với nôn mửa và tiêu chảy, yếu cơ và hạ huyết áp, tăng bài tiết qua nước tiểu của axit methyl succinic, acetyl-CoA dehydrogenase của axit béo chuỗi carbon ngắn

8.4 Thiếu hụt nhiều axit béo acetyl-CoA dehydrogenase

Dạng sơ sinh: rối loạn sọ mặt, rối loạn vận động não, hạ đường huyết nghiêm trọng và nhiễm toan, diễn tiến ác tính, giảm hoạt động của tất cả các axit béo acetyl-CoA dehydrogenase,

Dạng trẻ sơ sinh: trẻ chậm chạp có triệu chứng phức tạp, bệnh cơ tim, khủng hoảng chuyển hóa, hạ đường huyết và nhiễm toan

8.5 Giảm hoạt tính của tất cả các dehydrogenase acetyl-CoA của axit béo

Hình thức ra mắt muộn: các giai đoạn định kỳ của tình trạng yếu cơ, khủng hoảng chuyển hóa, hạ đường huyết và nhiễm toan ít rõ rệt hơn, trí thông minh được bảo toàn,

9 .Krebs chu trình lên men

9.1 Thiếu Fumarase

Phương thức di truyền lặn trên cơ thể di truyền, khởi phát bệnh ở giai đoạn sơ sinh hoặc sơ sinh, tật đầu nhỏ, yếu cơ toàn thân và hạ huyết áp, các cơn hôn mê, bệnh vi mạch tiến triển nhanh, tiên lượng xấu

9.2 Thiếu hụt dehydrogenase succinat

Một bệnh hiếm gặp đặc trưng bởi bệnh cơ não tiến triển

9.3 Thiếu alpha-ketoglutarate dehydrogenase

Phương thức di truyền lặn trên cơ thể di truyền, khởi phát bệnh ở trẻ sơ sinh, tật đầu nhỏ, phức hợp triệu chứng của "đứa trẻ mềm yếu", các đợt hôn mê, nhiễm toan lactic, diễn tiến nhanh chóng, giảm hàm lượng các enzym của chu trình Krebs trong mô

9.4 Các dấu hiệu của sự thiếu hụt carnitine và các enzym chuyển hóa của nó

Sự thiếu hụt carnitine palmitoyltransferrase-1, di truyền kiểu di truyền lặn trên autosomal, khởi phát sớm của bệnh, các giai đoạn hôn mê hạ đường huyết không ceton, gan to, tăng triglycerid và tăng nồng độ trung bình, giảm hoạt động của carnitine-palmitoyltransferrase-1 trong gan

9.5 Thiếu hụt translocase acylcarnitine carnitine

Khởi phát sớm của bệnh, rối loạn tim mạch và hô hấp, các triệu chứng của "đứa trẻ mềm nhũn", các cơn mê và hôn mê, tăng nồng độ carnitine ester và một chuỗi carbon dài trên cơ sở giảm carnitine tự do trong máu huyết thanh, giảm hoạt động của carnitine-acylcarnitine-translocase

9.6 Thiếu hụt Carnitine palmitoyltransferrase-2

Di truyền lặn trên cơ thể di truyền, yếu cơ, đau cơ, myoglobin niệu, giảm hoạt động của carnitine palmitoyltransferrase-2 trong cơ xương

Phương thức di truyền lặn của tử thi, phức hợp triệu chứng bệnh cơ, các đợt hôn mê và hôn mê, bệnh cơ tim, các đợt hạ đường huyết, giảm nồng độ carnitine trong huyết thanh và tăng bài tiết carnitine qua nước tiểu.

Sau khi phân tích một danh sách 'khủng khiếp' như vậy về các bệnh lý liên quan đến những thay đổi nhất định trong hoạt động của bộ gen ty thể (và không chỉ), một số câu hỏi nhất định nảy sinh. Sản phẩm của gen ti thể và chúng tham gia vào quá trình siêu quan trọng nào của tế bào?

Hóa ra, một số bệnh lý nêu trên có thể phát sinh khi tổng hợp 7 tiểu đơn vị của phức hợp NADH dehydrogenase, 2 tiểu đơn vị của ATP synthetase, 3 tiểu đơn vị của cytochrome c oxidase và 1 tiểu đơn vị của ubiquinol cytochrome c reductase (cytochrome b), mà là sản phẩm gen của ti thể. Trên cơ sở đó, có thể kết luận rằng các protein này có vai trò quan trọng trong quá trình hô hấp tế bào, quá trình oxy hóa axit béo và tổng hợp ATP, chuyển điện tử trong hệ thống vận chuyển điện tử của màng trong MT, hoạt động của chất chống oxy hóa. hệ thống, v.v.

Đánh giá dựa trên dữ liệu mới nhất về cơ chế của quá trình chết rụng, nhiều nhà khoa học đã đi đến kết luận rằng có một trung tâm kiểm soát chính xác quá trình chết rụng ...

Vai trò của protein ty thể cũng đã được chứng minh với việc kháng sinh ngăn chặn sự tổng hợp MT. Nếu tế bào người trong quá trình nuôi cấy mô được điều trị bằng kháng sinh, ví dụ, tetracycline hoặc chloramphenicol, thì sau một hoặc hai lần phân chia, sự phát triển của chúng sẽ ngừng lại. Điều này là do sự ức chế tổng hợp protein của ty thể, dẫn đến sự xuất hiện của các ty thể bị lỗi và hậu quả là sự hình thành không đủ ATP. Vậy tại sao thuốc kháng sinh có thể được sử dụng để điều trị các bệnh nhiễm trùng do vi khuẩn? Có một số câu trả lời cho câu hỏi này:

1. Một số kháng sinh (như erythromycin) không đi qua màng trong của ti thể động vật có vú.

2. Hầu hết các tế bào trong cơ thể chúng ta không phân chia hoặc phân chia rất chậm, vì vậy việc thay thế các ti thể hiện có bằng các ti thể mới diễn ra chậm như vậy (trong nhiều mô, một nửa số ti thể được thay thế trong khoảng năm ngày hoặc thậm chí lâu hơn). Do đó, số lượng các ti thể bình thường sẽ giảm xuống mức tới hạn chỉ khi sự phong tỏa tổng hợp protein của ti thể được duy trì trong nhiều ngày.

3. Một số điều kiện bên trong mô ngăn cản sự xâm nhập của một số loại thuốc vào ty thể của những tế bào nhạy cảm nhất. Ví dụ, nồng độ Ca2 + cao trong tủy xương dẫn đến sự hình thành phức hợp Ca2 + -tetracycline, phức hợp này không thể xâm nhập vào các tiền chất phân chia nhanh (và do đó dễ bị tổn thương nhất) của các tế bào máu.

Những yếu tố này làm cho nó có thể sử dụng một số loại thuốc ức chế tổng hợp protein ty thể làm kháng sinh trong điều trị động vật bậc cao. Chỉ có hai loại thuốc này có tác dụng phụ: điều trị lâu dài với liều lượng lớn chloramphenicol có thể dẫn đến phá vỡ chức năng tạo máu của tủy xương (ngăn chặn sự hình thành các tế bào hồng cầu và bạch cầu), và việc sử dụng tetracycline lâu dài có thể làm tổn thương biểu mô ruột. Nhưng trong cả hai trường hợp vẫn chưa hoàn toàn rõ ràng liệu những tác dụng phụ này là do sự phong tỏa quá trình sinh học ty thể hay một số lý do khác.

Đầu ra

Các đặc điểm cấu trúc và chức năng của bộ gen mt như sau. Đầu tiên, người ta phát hiện ra rằng mtDNA được truyền từ mẹ sang tất cả các

con cháu và từ con gái của bà cho tất cả các thế hệ tiếp theo, nhưng con trai không truyền lại DNA của họ (thừa kế từ mẹ). Nhân vật người mẹ

Sự thừa kế mtDNA có thể là do hai trường hợp: hoặc tỷ lệ mtDNA của người cha quá nhỏ (người cha

nhiều hơn một phân tử DNA trên 25 nghìn mtDNA của mẹ) mà chúng không thể được phát hiện bằng các phương pháp hiện có, hoặc quá trình sao chép của ty thể mẹ bị chặn sau khi thụ tinh. Thứ hai, sự vắng mặt của biến dị tổ hợp - mtDNA chỉ thuộc về một trong số các bậc cha mẹ, do đó, không có sự kiện tái tổ hợp đặc trưng của DNA hạt nhân trong meiosis, và trình tự nucleotide chỉ thay đổi từ thế hệ này sang thế hệ khác do đột biến. Thứ ba, mtDNA không có intron

(khả năng cao là một đột biến ngẫu nhiên sẽ ảnh hưởng đến vùng mã hóa của DNA), các histon bảo vệ và hệ thống sửa chữa DNA hiệu quả - tất cả những điều này quyết định tỷ lệ đột biến cao hơn 10 lần so với DNA hạt nhân. Thứ tư, bên trong cùng một tế bào, mtDNA bình thường và đột biến có thể cùng tồn tại - hiện tượng dị dưỡng (sự hiện diện của mtDNA bình thường hoặc duy nhất đột biến được gọi là homoplasmy). Cuối cùng, cả hai chuỗi đều được phiên mã và dịch mã trong mtDNA, và về một số đặc điểm, mã di truyền của mtDNA khác với chuỗi phổ thông (UGA mã hóa tryptophan, AUA mã hóa methionine, AGA và AGG là dừng

codon).

Những đặc tính này và các chức năng nói trên của bộ gen mt đã làm cho việc nghiên cứu về sự biến đổi của trình tự nucleotide của mtDNA trở thành một công cụ vô giá cho các bác sĩ, bác sĩ pháp y, nhà sinh học tiến hóa,

đại diện của khoa học lịch sử trong việc giải quyết các nhiệm vụ cụ thể của họ.

Kể từ năm 1988, khi người ta phát hiện ra rằng các đột biến trong gen mtDNA làm cơ sở cho bệnh lý cơ ti thể (J.Y Holt và cộng sự, 1988) và bệnh thần kinh thị giác di truyền của Leber (DC Wallace, 1988), việc xác định có hệ thống hơn nữa các đột biến trong bộ gen mt của con người đã dẫn đến sự hình thành khái niệm về các bệnh ở ty lạp thể (MB). Hiện nay, các đột biến bệnh lý của mtDNA được phát hiện trong mọi loại gen ty thể.

Thư mục

1. Skulachev, ty thể và oxy, Soros. có học thức. zhurn.

2. Cơ bản của Hóa sinh: Trong ba tập, M .: Mir ,.

3. Nicholes D. G. Bioenergetics, Một giới thiệu. đến Chemiosm. Th., Acad. Báo chí, 1982.

4. Stryer L. Hóa sinh, xuất bản lần thứ 2. San Fransisco, Freeman, 1981.

5. Skulachev của màng sinh học. M., 1989.

6., Chentsov reticulum: Cấu trúc và một số chức năng // Kết quả của khoa học. Những vấn đề chung của sinh học. 1989

7. Tế bào học Chentsov. M .: Nhà xuất bản Đại học Tổng hợp Quốc gia Matxcova, 1995

8. , Hình cầu thẩm quyền của bộ gen ti thể // Vestn. RAMS, 2001. Số 10, trang 31-43.

9. Holt I. J, Harding A. E., Morgan-Hughes I. A. Xóa DNA ty thể cơ ở những bệnh nhân mắc bệnh cơ ty thể. Bản chất 1988, 331: 717-719.

10. và vân vân. Hệ gen người và gen di truyền. SPb., 2000

11. , Bộ gen ti thể. Novosibirsk, 1990.

12. // Soros. có học thức. zhurn. 1999. số 10. S.11-17.

13. Vai trò của cộng sinh trong quá trình tiến hóa của tế bào. M., 1983.

14. // Soros. có học thức. zhurn. 1998. Số 8. S.2-7.

15. // Soros. có học thức. zhurn. 2000. số 1. S.32-36.

Đại học Quốc gia Kiev. Taras Shevchenko

Khoa sinh học

trừu tượng

về chủ đề:

"Vai trò của hệ gen mẹ đối với sự phát triển của con cái"

vớithịchenta IVmón ăn

Khoa Hóa sinh

Frolova Artem

Kiev 2004

Kế hoạch:

Giới thiệu................................................. .............................. 1

Thuyết cộng sinh về nguồn gốc của ti thể ... 2

Vai trò của nhân tế bào trong quá trình sinh học ti thể ................................... 5

Hệ thống vận chuyển của ti thể ............................................. . ...... 7

Kích thước và hình dạng của bộ gen ti thể .................. 10

Chức năng của bộ gen ti thể .................. 14

Tầm quan trọng của việc có hệ thống di truyền của riêng bạn đối với ti thể ........................................ ... ................................... 19

Di truyền tế bào chất .............................. 20

Trong lịch sử, nghiên cứu đầu tiên về loại này được thực hiện bằng cách sử dụng DNA ty thể. Các nhà khoa học đã lấy một mẫu từ các thổ dân châu Phi, châu Á, châu Âu, châu Mỹ và ở mẫu này, lúc đầu, mẫu nhỏ này so sánh DNA ty thể của các cá thể khác nhau với nhau. Họ phát hiện ra rằng sự đa dạng của DNA ty thể là cao nhất ở châu Phi. Và vì người ta biết rằng các sự kiện đột biến có thể thay đổi loại DNA ty thể, và người ta cũng biết nó có thể thay đổi như thế nào, do đó, có thể nói loại người nào có thể đã xảy ra đột biến. Ở tất cả những người được xét nghiệm ADN, ở người Châu Phi, người ta thấy có nhiều sự khác biệt hơn. Các loại DNA ty thể ở các lục địa khác ít đa dạng hơn. Điều này có nghĩa là người châu Phi có nhiều thời gian hơn để tích lũy những thay đổi này. Họ có nhiều thời gian hơn cho quá trình tiến hóa sinh học, nếu ở châu Phi người ta tìm thấy tàn tích cổ xưa của DNA không phải là đặc điểm của đột biến gen người ở châu Âu.

Có thể lập luận rằng các nhà di truyền học DNA ty thể đã có thể chứng minh nguồn gốc của phụ nữ ở châu Phi. Họ cũng nghiên cứu các nhiễm sắc thể Y. Hóa ra đàn ông cũng đến từ châu Phi.

Nhờ nghiên cứu về DNA ty thể, có thể xác định không chỉ một người có nguồn gốc từ châu Phi, mà còn xác định được thời gian xuất xứ của người đó. Thời điểm xuất hiện ti thể của loài người được xác lập thông qua nghiên cứu so sánh ADN ti thể của tinh tinh và người hiện đại. Biết được tỉ lệ đột biến lệch bội - 2-4% / triệu năm - có thể xác định được thời gian phân li của hai nhánh tinh tinh và người hiện đại. Điều này xảy ra cách đây khoảng 5 - 7 triệu năm. Trong trường hợp này, tốc độ phân kỳ đột biến được coi là không đổi.

Ti thể trước giao thừa

Khi mọi người nói về Eve ti thể, họ không có nghĩa là một cá nhân. Họ nói về sự xuất hiện của quá trình tiến hóa của một quần thể các cá thể có các đặc điểm tương tự. Người ta tin rằng Eve ti thể sống trong thời kỳ số lượng tổ tiên của chúng ta giảm mạnh, chỉ còn khoảng mười nghìn cá thể.

Nguồn gốc của các chủng tộc

Nghiên cứu DNA ty thể của các quần thể khác nhau, các nhà di truyền học cho rằng ngay cả trước khi rời châu Phi, dân số tổ tiên đã được chia thành ba nhóm, làm phát sinh ba chủng tộc hiện đại - Phi, Caucasian và Mongoloid. Người ta tin rằng điều này đã xảy ra khoảng 60 - 70 nghìn năm trước.

So sánh DNA ti thể của người không đạt tiêu chuẩn và người hiện đại

Thông tin bổ sung về nguồn gốc của con người thu được bằng cách so sánh các văn bản di truyền của DNA ty thể của người Neanderthal và người hiện đại. Các nhà khoa học đã có thể đọc được các văn bản di truyền của DNA ty thể trong phần xương của hai người Neanderthal. Xương của người Neanderthal đầu tiên được tìm thấy trong hang động Feldhover ở Đức. Ít lâu sau, người ta đọc được văn bản di truyền của DNA ty thể của một đứa trẻ Neanderthal, được tìm thấy ở Bắc Caucasus trong hang động Mezhmayskaya. Khi so sánh DNA ty thể của người hiện đại và người Neanderthal, người ta đã tìm thấy sự khác biệt rất lớn. Nếu chúng ta lấy một đoạn DNA, thì 27 trong số 370 nucleotide khác nhau. Và nếu chúng ta so sánh các văn bản di truyền của một người hiện đại với DNA ty thể của anh ta, thì chỉ có tám nucleotide khác nhau. Người ta tin rằng người Neanderthal và người hiện đại là những nhánh hoàn toàn riêng biệt, quá trình tiến hóa của mỗi người diễn ra độc lập với nhau.

Khi nghiên cứu sự khác biệt trong các văn bản di truyền của DNA ty thể của người Neanderthal và người hiện đại, người ta đã xác định được ngày phân tách của hai nhánh này. Điều này xảy ra cách đây khoảng 500 nghìn năm, và khoảng 300 nghìn năm trước, cuộc chia ly cuối cùng của họ đã diễn ra. Người ta tin rằng người Neanderthal định cư ở châu Âu và châu Á và bị xua đuổi bởi một người đàn ông hiện đại rời châu Phi 200 nghìn năm sau đó. Và cuối cùng, khoảng 28 - 35 nghìn năm trước, người Neanderthal bị tuyệt chủng. Nói chung, tại sao điều này xảy ra, vẫn chưa rõ ràng. Có thể họ không thể chịu được sự cạnh tranh với một người kiểu hiện đại, hoặc có thể có những lý do khác cho điều này.

© G.M. Dymshits

Những bất ngờ về bộ gen ty thể

G.M. Dymshits

Grigory Moiseevich Dymshits, Tiến sĩ Khoa học Sinh học, Giáo sư Khoa Sinh học Phân tử, Đại học Bang Novosibirsk, Trưởng Phòng thí nghiệm Cấu trúc Bộ gen tại Viện Tế bào học và Di truyền, Chi nhánh Siberi của Viện Hàn lâm Khoa học Nga. Đồng tác giả và chủ biên bốn sách giáo khoa sinh học phổ thông.

Ngày nay, di truyền ty thể của con người đang phát triển mạnh mẽ cả về dân số và khía cạnh y học. Một mối quan hệ đã được thiết lập giữa một số bệnh di truyền nghiêm trọng và các khiếm khuyết trong DNA ty thể. Những thay đổi di truyền liên quan đến lão hóa rõ ràng nhất ở ti thể. Hệ gen của ti thể có gì khác so với hệ gen ở thực vật, nấm và động vật nguyên sinh về kích thước, hình dạng và khả năng di truyền? Bộ gen ti thể hoạt động như thế nào và nó xuất hiện ở các đơn vị phân loại khác nhau như thế nào? Đây là những gì sẽ được thảo luận trong bài viết của chúng tôi.

Ti thể được gọi là nhà máy điện của tế bào. Ngoài lớp màng mịn bên ngoài, chúng có một lớp màng bên trong tạo thành nhiều nếp gấp - cristae. Chúng có các thành phần protein tích hợp trong chuỗi hô hấp - các enzym tham gia vào việc chuyển đổi năng lượng của các liên kết hóa học của các chất dinh dưỡng bị oxy hóa thành năng lượng của các phân tử axit adenosine triphosphoric (ATP). Với “loại tiền có thể chuyển đổi” này, tế bào thanh toán cho tất cả các nhu cầu năng lượng của nó. Trong tế bào của cây xanh, ngoài ti thể còn có các trạm năng lượng khác - lục lạp. Chúng chạy bằng "pin mặt trời", nhưng chúng cũng tạo thành ATP từ ADP và phốt phát. Giống như ti thể, lục lạp - bào quan tái tạo tự động - cũng có hai màng và chứa DNA.

Ngoài DNA, chất nền của ti thể còn chứa các ribosome của riêng nó, có nhiều đặc điểm khác với các ribosome của sinh vật nhân thực nằm trên màng của lưới nội chất. Tuy nhiên, trên ribosome của ti thể, không quá 5% tổng số protein tạo nên thành phần của chúng được hình thành. Hầu hết các protein tạo nên các thành phần cấu trúc và chức năng của ti thể được mã hóa bởi bộ gen nhân, được tổng hợp trên ribosome của lưới nội chất, và được vận chuyển qua các kênh của nó đến vị trí lắp ráp. Như vậy, ti thể là kết quả của sự nỗ lực tổng hợp của hai bộ gen và hai máy phiên mã, dịch mã. Một số enzim tiểu đơn vị của chuỗi hô hấp ti thể được cấu tạo bởi các polypeptit khác nhau, một số được mã hóa bởi nhân và một số được mã hóa bởi hệ gen của ti thể. Ví dụ, enzyme quan trọng của quá trình phosphoryl hóa oxy hóa, cytochrome c oxidase, trong nấm men bao gồm ba tiểu đơn vị được mã hóa và tổng hợp trong ti thể, và bốn tiểu đơn vị được mã hóa trong nhân tế bào và được tổng hợp trong tế bào chất. Sự biểu hiện của hầu hết các gen ty thể được kiểm soát bởi các gen cụ thể trong nhân.

Kích thước và hình dạng của bộ gen ty thể

Cho đến nay, hơn 100 bộ gen ty thể khác nhau đã được đọc. Bộ và số lượng gen của chúng trong DNA ty thể, nơi trình tự nucleotide được xác định đầy đủ, rất khác nhau ở các loài động vật, thực vật, nấm và động vật nguyên sinh. Số lượng gen lớn nhất được tìm thấy trong hệ gen ti thể của động vật nguyên sinh trùng roi Rectinomonas americana- 97 gen, bao gồm tất cả các gen mã hóa protein được tìm thấy trong mtDNA của các sinh vật khác. Ở hầu hết các loài động vật bậc cao, bộ gen ti thể chứa 37 gen: 13 gen cho chuỗi protein hô hấp, 22 gen cho tRNA và hai gen cho rRNA (cho rRNA 16S của tiểu đơn vị ribosome lớn và cho rRNA 12S nhỏ). Ở thực vật và động vật nguyên sinh, không giống như động vật và hầu hết các loại nấm, một số protein tạo nên ribosome của các bào quan này được mã hóa trong bộ gen ty thể. Các enzym quan trọng của quá trình tổng hợp polynucleotide khuôn mẫu, chẳng hạn như DNA polymerase (sao chép DNA ty thể) và RNA polymerase (phiên mã hệ gen ty thể), được mã hóa trong nhân và được tổng hợp trên ribosome tế bào chất. Thực tế này chỉ ra tính tương đối của tính tự chủ của ti thể trong hệ thống phân cấp phức tạp của tế bào nhân thực.

Bộ gen của ty thể của các loài khác nhau không chỉ khác nhau về bộ gen, thứ tự vị trí và biểu hiện của chúng, mà còn ở kích thước và hình dạng của ADN. Phần lớn các bộ gen ty thể được mô tả ngày nay là các phân tử ADN sợi kép, siêu xoắn, hình tròn. Ở một số thực vật, cùng với các dạng tròn, cũng có các dạng mạch thẳng, và ở một số động vật nguyên sinh, ví dụ, các ciliates, chỉ có DNA mạch thẳng được tìm thấy trong ti thể.

Thông thường, mỗi ty thể chứa một số bản sao bộ gen của nó. Vì vậy, trong các tế bào của gan người có khoảng 2.000 ty thể, và trong mỗi tế bào có 10 bộ gen giống nhau. Trong nguyên bào sợi của chuột, có 500 ty thể chứa hai bộ gen, và trong tế bào nấm men S.cerevisiae- có tới 22 ty thể với 4 bộ gen.

Theo quy luật, hệ gen ty thể của thực vật bao gồm một số phân tử có kích thước khác nhau. Một trong số chúng, "nhiễm sắc thể chính", chứa hầu hết các gen, trong khi các dạng tròn ngắn hơn, ở trạng thái cân bằng động cả với nhau và với nhiễm sắc thể chính, được hình thành do sự tái tổ hợp trong và giữa các phân tử do sự hiện diện của các trình tự lặp lại (Hình 1).

Hình 1. Sơ đồ về sự hình thành các phân tử ADN dạng tròn có kích thước khác nhau trong ti thể thực vật.
Sự tái tổ hợp xảy ra trên các vùng lặp lại (được đánh dấu bằng màu xanh lam).

Hình 2. Sơ đồ hình thành các oligome mtDNA mạch thẳng (A), tròn (B), chuỗi (C).
ori - vùng bắt đầu sao chép DNA.

Kích thước bộ gen của ti thể của các sinh vật khác nhau dao động từ dưới 6 nghìn cặp bazơ ở plasmodium sốt rét (ngoài hai gen rRNA, nó chỉ chứa ba gen mã hóa protein) đến hàng trăm nghìn cặp bazơ ở thực vật trên cạn (ví dụ, trong Arabidopsis thaliana từ họ cây thập tự 366924 cặp bazơ). Đồng thời, sự khác biệt gấp 7-8 lần về kích thước mtDNA của thực vật bậc cao ngay cả trong cùng một họ. Chiều dài mtDNA của động vật có xương sống hơi khác nhau: ở người - 16.569 cặp bazơ, ở lợn - 16350, ở cá heo - 16330, ở ếch có móng Xenopus laevis- 17533, ở cá chép - 16400. Các bộ gen này cũng giống nhau về vị trí của các gen, hầu hết đều nằm ở vị trí tận cùng; trong một số trường hợp, chúng thậm chí còn chồng lên nhau, thường bởi một nucleotide, do đó nucleotide cuối cùng của một gen là nucleotide đầu tiên trong gen tiếp theo. Không giống như động vật có xương sống, ở thực vật, nấm và động vật nguyên sinh, mtDNA chứa tới 80% trình tự không mã hóa. Thứ tự của các gen trong bộ gen ti thể là khác nhau giữa các loài.

Nồng độ cao của các loại oxy phản ứng trong ti thể và hệ thống sửa chữa yếu làm tăng tần số đột biến mtDNA lên một bậc so với mức độ đột biến trong nhân. Các gốc oxy gây ra sự thay thế cụ thể C® T (khử cytosine) và G® T (quá trình oxy hóa gây hại cho guanin), do đó, có thể, mtDNA rất giàu các cặp AT. Ngoài ra, tất cả các mtDNA đều có một đặc tính thú vị - chúng không bị methyl hóa, không giống như DNA nhân và nhân sơ. Được biết, quá trình methyl hóa (biến đổi hóa học tạm thời của trình tự nucleotide mà không làm gián đoạn chức năng mã hóa của DNA) là một trong những cơ chế làm bất hoạt gen được lập trình.

Sao chép và phiên mã DNA ty thể của động vật có vú

Ở hầu hết các loài động vật, các sợi bổ sung trong mtDNA khác nhau đáng kể về khối lượng riêng, vì chúng chứa một lượng nucleotide purine “nặng” và pyrimidine “nhẹ” không bằng nhau. Vì vậy chúng được gọi là chuỗi - H (nặng - nặng) và L (nhẹ - nhẹ). Khi bắt đầu sao chép phân tử mtDNA, một cái gọi là vòng lặp D (từ vòng lặp chuyển vị trong tiếng Anh) được hình thành. Cấu trúc này, có thể nhìn thấy dưới kính hiển vi điện tử, bao gồm các phần sợi kép và sợi đơn (phần rút lại của chuỗi H). Vùng sợi đôi được hình thành bởi một phần của chuỗi L và một đoạn ADN mới được tổng hợp bổ sung có chiều dài 450-650 (tùy loại sinh vật), có một đoạn mồi ribonucleotit ở đầu 5', tương ứng với điểm bắt đầu tổng hợp chuỗi H (ori H). Chuỗi L chỉ bắt đầu khi chuỗi con H đạt đến điểm ori L. Điều này là do vùng bắt đầu sao chép của chuỗi L có thể tiếp cận được với các enzym tổng hợp DNA chỉ ở trạng thái sợi đơn, và do đó chỉ ở một chuỗi xoắn kép không xoắn trong quá trình tổng hợp H Do đó, các chuỗi con của mtDNA được tổng hợp liên tục và không đồng bộ (Hình 3 ).

Hình 3. Sơ đồ sao chép mtDNA của động vật có vú.
Đầu tiên, một vòng lặp D được hình thành, sau đó một chuỗi con H được tổng hợp,
sau đó sự tổng hợp của chuỗi L con gái bắt đầu.

Trong ti thể, tổng số phân tử vòng lặp D vượt quá đáng kể số phân tử tái bản hoàn toàn. Điều này là do vòng lặp D có các chức năng bổ sung - gắn mtDNA vào màng trong và bắt đầu phiên mã, vì các chất xúc tiến phiên mã của cả hai sợi DNA đều nằm trong vùng này.

Không giống như hầu hết các gen của sinh vật nhân chuẩn, được phiên mã độc lập với nhau, mỗi sợi mtDNA của động vật có vú được viết lại để tạo thành một phân tử RNA bắt đầu từ vùng ori H. Ngoài hai phân tử RNA dài này bổ sung cho chuỗi H và L. , nhiều đoạn ngắn hơn của chuỗi H bắt đầu ở cùng một điểm và kết thúc ở đầu 3 'của gen 16S rRNA (Hình 4). Có nhiều hơn 10 lần phiên mã ngắn như vậy so với những đoạn dài. Do quá trình trưởng thành (xử lý), rRNA 12S được hình thành từ chúng và rRNA 16S, có liên quan đến sự hình thành ribosome của ty thể, cũng như các tRNA phenylalanin và valine. các đầu mà trình tự polyadenyl được gắn vào. Các đầu 5 "của các mRNA này không bị giới hạn, điều này là bất thường đối với sinh vật nhân chuẩn. Không có sự kết nối nào xảy ra vì không có gen nào trong ty thể của động vật có vú chứa intron.

Hình 4. Phiên mã mtDNA của người chứa 37 gen. Tất cả các phiên mã bắt đầu được tổng hợp ở vùng ori H. RNA của ribosome được loại bỏ khỏi các phiên mã chuỗi H dài và ngắn. tRNA và mRNA được hình thành là kết quả của quá trình xử lý từ các bản sao của cả hai sợi DNA. Các gen tRNA được hiển thị bằng màu xanh lục nhạt.

Mặc dù thực tế là bộ gen của ti thể động vật có vú và nấm men chứa số lượng gen xấp xỉ nhau, nhưng kích thước của bộ gen nấm men lớn hơn 4-5 lần - khoảng 80 nghìn cặp bazơ. Mặc dù trình tự mã hóa của mtDNA của nấm men rất tương đồng với trình tự ở người, mRNA của nấm men cũng có vùng không mã hóa 5 "thủ lĩnh và 3", giống như hầu hết các mRNA nhân. Một số gen cũng chứa các intron. Do đó, gen hộp mã hóa cytochrome oxidase b chứa hai intron. Bản sao của hầu hết intron đầu tiên được tự xúc tác từ bản sao RNA sơ cấp (không có sự tham gia của bất kỳ protein nào). RNA còn lại đóng vai trò là khuôn mẫu cho sự hình thành của enzyme nối. Một phần của trình tự axit amin của nó được mã hóa trong các bản sao còn lại của phần intron. Maturase cắt chúng ra, phá hủy mRNA của chính nó, các bản sao của các exon được khâu lại với nhau và mRNA cho cytochrome oxidase b được hình thành (Hình 5). Việc phát hiện ra một hiện tượng như vậy buộc chúng ta phải xem xét lại khái niệm về intron là "chuỗi không có gì mã hóa."

Hình 5. Xử lý (trưởng thành) cytochrome oxidase b mRNA trong ty thể nấm men.
Ở giai đoạn đầu tiên của quá trình nối, mRNA được hình thành, theo đó maturase được tổng hợp,
cần thiết cho giai đoạn thứ hai của quá trình nối.

Khi nghiên cứu sự biểu hiện của gen ti thể Trypanosoma bruceiđã phát hiện ra một sự sai lệch đáng ngạc nhiên so với một trong những tiên đề cơ bản của sinh học phân tử, trong đó nói rằng trình tự nucleotide trong mRNA khớp chính xác với trình tự trong vùng mã hóa của DNA. Hóa ra là mRNA của một trong những tiểu đơn vị của cytochrome c oxidase đang được chỉnh sửa, tức là sau khi phiên mã, cấu trúc chính của nó thay đổi - bốn uracil được chèn vào. Kết quả là, mRNA mới được hình thành, dùng làm khuôn để tổng hợp một tiểu đơn vị bổ sung của enzyme, trình tự axit amin của nó không có điểm chung nào với trình tự được mã hóa bởi mRNA chưa chỉnh sửa (xem bảng).

Việc chỉnh sửa RNA, được phát hiện lần đầu tiên trong ty thể trypanosome, phổ biến rộng rãi trong lục lạp và ty thể của thực vật bậc cao. Nó cũng được tìm thấy trong tế bào động vật có vú soma, ví dụ, trong biểu mô ruột của người, mRNA của gen apolipoprotein được chỉnh sửa.

Điều ngạc nhiên lớn nhất đối với các nhà khoa học được trình bày bởi ty thể vào năm 1979. Cho đến thời điểm đó, người ta tin rằng mã di truyền là phổ biến và các bộ ba giống nhau mã hóa các axit amin giống nhau ở vi khuẩn, vi rút, nấm, thực vật và động vật. Nhà nghiên cứu người Anh Burrell đã so sánh cấu trúc của một trong những gen ty thể bê với trình tự axit amin trong tiểu đơn vị cytochrome oxidase được mã hóa bởi gen này. Nó chỉ ra rằng mã di truyền của ti thể ở gia súc (cũng như ở người) không chỉ khác với mã phổ quát, nó là "lý tưởng", tức là. tuân theo quy tắc sau: “nếu hai codon có hai nucleotit giống nhau và nucleotit thứ ba thuộc cùng một lớp (purin - A, G, hoặc pyrimidin - Y, C) thì chúng mã hóa cùng một axit amin”. Có hai ngoại lệ đối với quy tắc này trong mã phổ quát: bộ ba AUA mã hóa isoleucine và codon AUG - methionine, trong khi trong mã ty thể lý tưởng, cả hai bộ ba này mã hóa methionine; bộ ba UGG chỉ mã hóa tryptophan và bộ ba UGA mã hóa một codon dừng. Trong mã phổ quát, cả hai sai lệch đều liên quan đến những thời điểm cơ bản của quá trình tổng hợp protein: codon AUG là chất khởi đầu và codon dừng UGA dừng quá trình tổng hợp polypeptide. Mã lý tưởng không cố hữu trong tất cả các ti thể được mô tả, nhưng không ai trong số chúng có mã phổ quát. Chúng ta có thể nói rằng ti thể nói các ngôn ngữ khác nhau, nhưng không bao giờ nói ngôn ngữ của nhân.

Như đã đề cập, có 22 gen tRNA trong bộ gen ty thể của động vật có xương sống. Làm thế nào mà một tập hợp không hoàn chỉnh như vậy lại phục vụ tất cả 60 codon cho axit amin (trong một mã lý tưởng gồm 64 bộ ba, có bốn codon dừng, trong một mã phổ quát là một - ba)? Thực tế là trong quá trình tổng hợp protein trong ti thể, các tương tác codon-đối mã được đơn giản hóa - hai trong số ba nucleotide đối mã được sử dụng để nhận biết. Do đó, một tRNA nhận ra tất cả bốn thành viên của họ codon, chỉ khác nhau bởi nucleotide thứ ba. Ví dụ, tRNA của leucine với đối mã GAU đứng trên ribosome đối diện với các codon CUU, CUC, CUA và CUG, đảm bảo sự kết hợp không có lỗi của leucine vào chuỗi polypeptide. Hai codon leucine khác, UUA và UUG, được nhận dạng bởi tRNA với AAU đối mã. Tổng cộng, tám phân tử tRNA khác nhau nhận ra tám họ bốn codon, và 14 tRNA nhận ra các cặp codon khác nhau, mỗi phân tử mã hóa một axit amin.

Điều quan trọng là các enzym aminoacyl tRNA synthetase chịu trách nhiệm gắn các axit amin vào tRNA tương ứng của ti thể được mã hóa trong nhân tế bào và được tổng hợp trên ribosome của lưới nội chất. Như vậy, ở động vật có xương sống, tất cả các thành phần protein của quá trình tổng hợp polypeptit của ty thể đều được mã hóa trong nhân. Đồng thời, sự tổng hợp protein trong ty thể không bị ngăn chặn bởi cycloheximide, chất ngăn chặn hoạt động của ribosome sinh vật nhân chuẩn, nhưng nhạy cảm với kháng sinh erythromycin và chloramphenicol, những chất này ức chế tổng hợp protein ở vi khuẩn. Thực tế này là một trong những lập luận ủng hộ nguồn gốc của ti thể từ vi khuẩn hiếu khí trong quá trình hình thành cộng sinh của tế bào nhân thực.

Thuyết cộng sinh về nguồn gốc của ti thể

Giả thuyết về nguồn gốc của ti thể và plastids thực vật từ vi khuẩn nội bào-vi khuẩn nội bào đã được R. Altman đưa ra vào năm 1890. Trong thế kỷ phát triển nhanh chóng của hóa sinh, tế bào học, di truyền và sinh học phân tử xuất hiện cách đây nửa thế kỷ, giả thuyết này càng phát triển. thành một lý thuyết dựa trên một lượng lớn tài liệu thực tế. Bản chất của nó như sau: với sự xuất hiện của vi khuẩn quang hợp, oxy được tích tụ trong khí quyển Trái đất - sản phẩm phụ của quá trình trao đổi chất của chúng. Với sự gia tăng nồng độ của nó, cuộc sống của sinh vật dị dưỡng kỵ khí trở nên khó khăn hơn, và một số trong số chúng, để thu được năng lượng, được chuyển từ quá trình lên men thiếu khí sang quá trình phosphoryl hóa oxy hóa. Những sinh vật dị dưỡng hiếu khí như vậy có thể, với hiệu suất cao hơn vi khuẩn kỵ khí, phân hủy các chất hữu cơ được hình thành do quá trình quang hợp. Một số vi khuẩn sống tự do đã bị vi khuẩn kỵ khí bắt giữ, nhưng không được "tiêu hóa", mà được bảo quản như các trạm năng lượng, ti thể. Không nên xem ty thể như nô lệ bị bắt làm tù nhân để cung cấp các phân tử ATP cho các tế bào không thở được. Đúng hơn, chúng là những “sinh vật”, trong thời đại Nguyên sinh, đã tìm thấy những nơi trú ẩn tốt nhất cho bản thân và con cái của chúng, nơi bạn có thể tốn ít công sức nhất mà không có nguy cơ bị ăn thịt.

Nhiều sự thật ủng hộ lý thuyết cộng sinh:

- kích thước và hình dạng của ti thể và vi khuẩn hiếu khí sống tự do là như nhau; cả hai đều chứa các phân tử DNA tròn không liên kết với histon (trái ngược với DNA nhân thẳng);

Về trình tự nucleotide, ribosome và RNA vận chuyển của ti thể khác với các tế bào nhân, đồng thời thể hiện sự tương đồng đáng ngạc nhiên với các phân tử tương tự của một số vi khuẩn gram âm hiếu khí;

Các polymerase RNA của ty thể, mặc dù được mã hóa trong nhân tế bào, bị ức chế bởi rifampicin, giống như ở vi khuẩn, và RNA polymerase của tế bào nhân thực không nhạy cảm với kháng sinh này;

Sự tổng hợp protein trong ti thể và vi khuẩn bị ngăn chặn bởi cùng một loại kháng sinh không ảnh hưởng đến ribosome của sinh vật nhân thực;

Thành phần lipid của màng trong của ti thể và plasmalemma của vi khuẩn là tương tự nhau, nhưng rất khác so với thành phần của màng ngoài của ti thể, là thành phần tương đồng với các màng khác của tế bào nhân thực;

Cristae, được hình thành bởi màng trong ty thể, là chất tương tự tiến hóa của màng trung bì của nhiều sinh vật nhân sơ;

Cho đến nay, các sinh vật sống sót vẫn bắt chước các dạng trung gian trên con đường hình thành ti thể từ vi khuẩn (amip nguyên thủy Pelomyxa không có ti thể, nhưng luôn chứa vi khuẩn nội cộng sinh).

Bộ gen mới có thể tạo ra các con đường trao đổi chất dẫn đến việc hình thành các sản phẩm hữu ích mà bất kỳ đối tác nào cũng không thể tổng hợp được. Do đó, sự tổng hợp các hormon steroid bởi các tế bào của vỏ thượng thận là một chuỗi phản ứng phức tạp, một số phản ứng xảy ra trong ty thể, và một số xảy ra trong lưới nội chất. Bằng cách bắt giữ các gen của promitochondria, hạt nhân có thể kiểm soát một cách đáng tin cậy các chức năng của symbiont. Trong nhân, tất cả các protein và tổng hợp lipid của màng ngoài ti thể, hầu hết các protein của chất nền và màng trong của các bào quan đều được mã hóa. Quan trọng nhất, nhân mã hóa các enzym để sao chép, phiên mã và dịch mã mtDNA, do đó kiểm soát sự phát triển và sinh sản của ti thể. Tốc độ phát triển của các đối tác cộng sinh phải xấp xỉ như nhau. Nếu vật chủ phát triển nhanh hơn, thì với mỗi thế hệ, số lượng cộng sinh trên mỗi cá thể sẽ giảm đi, và cuối cùng, những hậu duệ không có ti thể sẽ xuất hiện. Chúng ta biết rằng mỗi tế bào của một sinh vật sinh sản hữu tính chứa nhiều ti thể sao chép DNA của chúng trong khoảng thời gian giữa các lần phân chia của vật chủ. Điều này đảm bảo rằng mỗi tế bào con sẽ nhận được ít nhất một bản sao của bộ gen ti thể.

Di truyền tế bào chất

Ngoài việc mã hóa các thành phần quan trọng của chuỗi hô hấp và bộ máy tổng hợp protein của chính nó, bộ gen ty thể trong một số trường hợp còn tham gia vào việc hình thành một số đặc điểm hình thái và sinh lý. Những đặc điểm này bao gồm hội chứng NCS (sọc không nhiễm sắc thể, đốm lá mã hóa không nhiễm sắc thể), đặc trưng của một số loài thực vật bậc cao và bất dục đực tế bào chất (CMS), dẫn đến phá vỡ sự phát triển bình thường của phấn hoa. Biểu hiện của cả hai tính năng là do sự thay đổi cấu trúc của mtDNA. Trong CMS, sự sắp xếp lại của bộ gen ty thể được quan sát thấy là kết quả của các sự kiện tái tổ hợp dẫn đến mất đoạn, nhân đôi, đảo ngược hoặc chèn thêm một số trình tự nucleotide hoặc toàn bộ gen. Những thay đổi như vậy không chỉ có thể gây ra thiệt hại cho các gen hiện có mà còn gây ra sự xuất hiện của các gen hoạt động mới.

Tính di truyền tế bào chất, không giống như nhân, không tuân theo các định luật Mendel. Điều này là do ở động vật và thực vật bậc cao, các giao tử từ các giới tính khác nhau chứa một lượng ti thể không thể so sánh được. Vì vậy, trong noãn của chuột có 90 nghìn ty thể, và trong tinh trùng - chỉ có bốn. Rõ ràng, trong một trứng đã thụ tinh, các ti thể chủ yếu hoặc chỉ từ một con cái, tức là sự di truyền của tất cả các gen ti thể là của mẹ. Phân tích di truyền tính di truyền tế bào chất là khó khăn do tương tác giữa nhân và tế bào chất. Trong trường hợp bất dục đực tế bào chất, bộ gen của ty thể đột biến tương tác với một số gen nhân, các alen lặn của gen này cần thiết cho sự phát triển của tính trạng. Các alen trội của các gen này, ở cả trạng thái đồng hợp và dị hợp, phục hồi khả năng sinh sản của thực vật bất kể trạng thái của bộ gen ti thể.

Việc nghiên cứu bộ gen ty thể, quá trình tiến hóa của chúng tuân theo các quy luật cụ thể của di truyền quần thể, mối quan hệ giữa hệ thống di truyền hạt nhân và ty thể, là cần thiết để hiểu tổ chức thứ bậc phức tạp của tế bào nhân thực và sinh vật nói chung.

Một số bệnh di truyền và quá trình lão hóa của con người có liên quan đến một số đột biến nhất định trong DNA ty thể hoặc trong các gen nhân kiểm soát chức năng của ty thể. Dữ liệu đang tích lũy về sự liên quan của các khiếm khuyết mtDNA trong quá trình sinh ung thư. Do đó, ty thể có thể là mục tiêu của hóa trị liệu ung thư. Có những sự thật về sự tương tác chặt chẽ của bộ gen hạt nhân và ty thể trong sự phát triển của một số bệnh lý ở người. Nhiều lần mất đoạn mtDNA được tìm thấy ở những bệnh nhân bị yếu cơ nặng, mất điều hòa, điếc, chậm phát triển trí tuệ, di truyền theo kiểu trội autosomal. Sự lưỡng hình giới tính được thiết lập trong các biểu hiện lâm sàng của bệnh mạch vành, rất có thể là do ảnh hưởng của mẹ - di truyền tế bào chất. Sự phát triển của liệu pháp gen mang lại hy vọng sửa chữa những khiếm khuyết trong bộ gen ty thể trong tương lai gần.

Công việc này được hỗ trợ bởi Quỹ Nghiên cứu Cơ bản của Nga. Dự án 01-04-48971.
Tác giả rất biết ơn nghiên cứu sinh M.K. Ivanov, người đã tạo ra các số liệu cho bài báo.

Văn học

1. Yankovsky N.K., Borinskaya S.A. Lịch sử của chúng ta được ghi lại trong DNA // Nature. 2001. Số 6. S.10-18.

2. Minchenko A.G., Dudareva N.A. Bộ gen ti thể. Novosibirsk, 1990.

3. Gvozdev V.A.// Soros. có học thức. zhurn. 1999. số 10. S.11-17.

4. Margelis L. Vai trò của cộng sinh trong quá trình tiến hóa của tế bào. M., 1983.

5. Skulachev V.P.// Soros. có học thức. zhurn. 1998. Số 8. S.2-7.

6. Igamberdiev A.U.// Soros. có học thức. zhurn. 2000. số 1. S.32-36.

DNA ti thể nằm trong chất nền là một phân tử sợi kép hình tròn khép kín, trong tế bào người có kích thước 16569 cặp nucleotide, nhỏ hơn khoảng 5 lần so với DNA khu trú trong nhân. Nói chung, DNA ty thể mã hóa 2 rRNA, 22 tRNA và 13 tiểu đơn vị của các enzyme chuỗi hô hấp, không quá một nửa số protein được tìm thấy trong đó. Đặc biệt, dưới sự kiểm soát của bộ gen ty thể, bảy tiểu đơn vị của ATP synthetase, ba tiểu đơn vị của cytochrome oxidase và một tiểu đơn vị của ubiquinol-cytochrome được mã hóa. với-sản phẩm. Trong trường hợp này, tất cả các protein, ngoại trừ một, hai ribosome và sáu tRNA được phiên mã từ sợi DNA nặng hơn (bên ngoài), và 14 tRNA khác và một protein được phiên mã từ sợi nhẹ hơn (bên trong).

Trong bối cảnh đó, bộ gen của ti thể thực vật lớn hơn nhiều và có thể đạt tới 370.000 cặp nucleotit, lớn hơn khoảng 20 lần so với bộ gen ty thể của con người được mô tả ở trên. Số lượng gen ở đây cũng lớn hơn khoảng 7 lần, kèm theo đó là sự xuất hiện trong ti thể thực vật của các con đường vận chuyển điện tử bổ sung không liên quan đến quá trình tổng hợp ATP.

DNA ti thể sao chép theo từng giai đoạn, được đồng bộ một phần với sự sao chép DNA trong nhân. Trong chu kỳ tế bào, ti thể chia đôi bằng một vòng co thắt, sự hình thành của chúng bắt đầu bằng một rãnh hình khuyên trên màng trong của ti thể. Một nghiên cứu chi tiết về trình tự nucleotide của bộ gen ty thể có thể xác định rằng trong ty thể của động vật và nấm, sự sai lệch so với mã di truyền phổ quát là thường xuyên. Do đó, trong ty thể người, codon TAT thay vì isoleucine trong mã tiêu chuẩn mã hóa axit amin methionine, các codon TCT và TCC, thường mã hóa arginine, là các codon dừng và codon AST, là codon dừng trong mã chuẩn. , mã hóa axit amin methionine. Đối với ty thể thực vật, có vẻ như chúng sử dụng một mã di truyền phổ quát. Một đặc điểm khác của ti thể là nhận dạng các codon tRNA, bao gồm thực tế là một phân tử như vậy có thể nhận ra không phải một, mà là ba hoặc bốn codon cùng một lúc. Đặc điểm này làm giảm tầm quan trọng của nucleotide thứ ba trong codon và dẫn đến thực tế là ti thể đòi hỏi nhiều loại tRNA nhỏ hơn. Trong trường hợp này, chỉ cần 22 tRNA khác nhau là đủ.

Có bộ máy di truyền riêng, ty thể cũng có hệ thống tổng hợp protein riêng của nó, một đặc điểm của hệ thống này trong tế bào động vật và nấm là các ribosome rất nhỏ được đặc trưng bởi hệ số lắng 55S, thậm chí còn thấp hơn so với các ribosome của thập niên 70 loại sinh vật nhân sơ. Trong trường hợp này, hai RNA ribosome lớn cũng nhỏ hơn ở sinh vật nhân sơ, và rRNA nhỏ hoàn toàn không có. Ngược lại, ở ty thể thực vật, ribosome giống với tế bào nhân sơ hơn về kích thước và cấu trúc.

Tính chất và chức năng của DNA.

DNA, hay axit deoxyribonucleic, là vật liệu di truyền chính có trong tất cả các tế bào của cơ thể và chủ yếu liên quan đến dấu hiệu màu xanh của các chức năng tế bào, tăng trưởng, sinh sản và chết. Một cấu trúc DNA được gọi là cấu trúc xoắn kép được Watson và Crick mô tả lần đầu tiên vào năm 1953.

Kể từ đó, tiến bộ to lớn đã đạt được trong quá trình tổng hợp, xác định trình tự và thao tác DNA. Ngày nay, DNA có thể được ảo hóa hoặc phân tích cho những thứ nhỏ nhặt và thậm chí có thể chèn các gen để kích hoạt những thay đổi trong chức năng và cấu trúc DNA.

Mục đích chính của vật liệu di truyền là lưu trữ thông tin di truyền, trên cơ sở đó hình thành kiểu hình. Hầu hết các đặc điểm và tính chất của sinh vật là do sự tổng hợp của các protein thực hiện các chức năng khác nhau. như thứ tự sắp xếp của chúng trong chuỗi peptit, phải được ghi lại trong tài liệu di truyền. Do đó, thành phần axit amin của protein phải được mã hóa trong phân tử axit nucleic.
Vào đầu những năm 50, người ta đã gợi ý về một phương pháp ghi thông tin di truyền, trong đó việc mã hóa các axit amin riêng lẻ trong một phân tử protein nên được thực hiện bằng cách sử dụng một số tổ hợp nhất định của bốn nucleotide khác nhau trong một phân tử DNA. Để mã hóa hơn 20 axit amin, số lượng tổ hợp cần thiết chỉ được cung cấp bởi mã bộ ba, tức là mã bao gồm ba nucleotit liền kề. Trong trường hợp này, số tổ hợp của bốn bazơ nitơ, ba bazơ, mỗi bazơ là 41 = 64. Giả thiết về bộ ba của mã di truyền sau đó đã được thực nghiệm xác nhận, và trong khoảng thời gian từ năm 1961 đến năm 1964, một mật mã đã được tìm thấy, với sự trợ giúp trong đó thứ tự của các axit amin được viết trong phân tử axit nucleic trong peptit.
Từ bảng. 6 trong số 64 bộ ba, 61 bộ ba mã hóa một hoặc một axit amin khác và các axit amin riêng lẻ được mã hóa bởi nhiều hơn một bộ ba, hoặc codon (phenylalanin, leucine, valine, serine, v.v.). Một số bộ ba không mã hóa axit amin và chức năng của chúng liên quan đến việc chỉ định vùng tận cùng của phân tử protein.
Việc đọc thông tin được ghi lại trong phân tử axit nucleic được thực hiện tuần tự, co-Don bởi codon, sao cho mỗi nucleotit chỉ là một phần của một bộ ba.
Việc nghiên cứu mã di truyền trong các cơ thể sống với các cấp độ tổ chức khác nhau đã cho thấy tính phổ biến của cơ chế ghi nhận thông tin trong tự nhiên sống này.
Do đó, nghiên cứu vào giữa thế kỷ 20 đã phát hiện ra cơ chế ghi thông tin di truyền trong phân tử axit nucleic bằng cách sử dụng mã sinh học, được đặc trưng bởi các tính chất sau: a) Bộ ba - axit amin được mã hóa bởi bộ ba nucleotide - codon; b) tính đặc hiệu - mỗi bộ ba chỉ mã hóa một axit amin nhất định; c) tính phổ biến - ở tất cả các cơ thể sống, việc mã hóa các axit amin giống nhau được thực hiện bởi các codon giống nhau; d) thoái hóa - nhiều axit amin được mã hóa với nhiều hơn một bộ ba; e) không chồng chéo - thông tin được đọc ra liên tiếp bộ ba bởi bộ ba: AAGTSTCTSAGTSTSAT.

Ngoài việc ghi và lưu trữ thông tin sinh học, chức năng của vật chất di truyền là tái tạo và truyền đến thế hệ mới trong quá trình sinh sản của tế bào và sinh vật. Chức năng này của vật liệu di truyền được thực hiện bởi các phân tử DNA trong quá trình sao chép lại của nó, tức là sự tái tạo hoàn toàn chính xác cấu trúc, do thực hiện nguyên tắc bổ sung (xem 2.1).
Cuối cùng, chức năng thứ ba của vật liệu di truyền, được đại diện bởi các phân tử DNA, là cung cấp các quy trình cụ thể trong quá trình thực hiện thông tin chứa trong đó. Chức năng này được thực hiện với sự tham gia của nhiều loại RNA khác nhau, cung cấp quá trình dịch mã, tức là quá trình lắp ráp phân tử protein xảy ra trong tế bào chất trên cơ sở thông tin nhận được từ nhân (xem 2.4). Trong quá trình nhận biết thông tin di truyền được lưu trữ dưới dạng phân tử DNA trong nhiễm sắc thể của nhân, một số giai đoạn được phân biệt.
1. Đọc thông tin từ một phân tử DNA trong quá trình tổng hợp - phiên mã mRNA, được thực hiện trên một trong các sợi của chuỗi xoắn kép của chuỗi DNA-codogenic theo nguyên tắc bổ sung (xem 2.4).
2. Chuẩn bị sản phẩm phiên mã để phóng thích vào tế bào chất - sự trưởng thành mRNA.
3. Lắp ráp trên các ribosome của chuỗi peptit của axit amin dựa trên thông tin được ghi lại trong phân tử mARN, với sự tham gia của tARN vận chuyển - dịch mã (xem 2.4).
4. Hình thành cấu trúc prôtêin bậc hai, bậc ba và bậc bốn, tương ứng với sự hình thành prôtêin hoạt động (đặc điểm đơn giản).
5. Sự hình thành một tính trạng phức tạp là kết quả của sự tham gia của các sản phẩm của một số gen (protein-enzim hoặc các protein khác) trong các quá trình sinh hóa.

Cấu trúc của chuỗi xoắn kép DNA, được tổ chức với nhau chỉ bằng các liên kết hydro, có thể dễ dàng bị phá hủy. Việc phá vỡ liên kết hydro giữa các chuỗi polynucleotide DNA có thể được thực hiện trong dung dịch kiềm mạnh (ở pH> 12,5) hoặc bằng cách đun nóng. Sau đó, các sợi DNA được tách ra hoàn toàn. Quá trình này được gọi là biến tính hoặc tan chảy DNA.

Sự biến tính làm thay đổi một số đặc tính vật lý của DNA, chẳng hạn như mật độ quang học của nó. Bazơ nitơ hấp thụ ánh sáng trong vùng tử ngoại (với cực đại gần 260 nm). DNA hấp thụ ánh sáng ít hơn gần 40% so với hỗn hợp các nucleotide tự do có cùng thành phần. Hiện tượng này được gọi là hiệu ứng giảm sắc tố, và đó là do sự tương tác của các bazơ khi chúng nằm trong một chuỗi xoắn kép.

Bất kỳ độ lệch nào so với trạng thái sợi kép đều ảnh hưởng đến sự thay đổi về độ lớn của hiệu ứng này, tức là có sự dịch chuyển mật độ quang theo hướng đặc trưng giá trị của các bazơ tự do. Do đó, sự biến tính DNA có thể được quan sát bằng cách thay đổi mật độ quang học của nó.

Khi DNA bị nung nóng, nhiệt độ trung bình của khoảng mà các sợi DNA được tách ra được gọi là điểm nóng chảy và được ký hiệu là T làm ơn... Trong giải pháp T làm ơn thường nằm trong khoảng 85-95 ° C. Đường cong nóng chảy DNA luôn có hình dạng giống nhau, nhưng vị trí của nó trên thang nhiệt độ phụ thuộc vào thành phần cơ bản và điều kiện biến tính (Hình 1). Các cặp G-C được nối bằng ba liên kết hydro sẽ chịu lửa hơn các cặp AT có hai liên kết hydro, do đó, khi hàm lượng G-C-nap tăng, giá trị của T làm ơn tăng. DNA, 40% bao gồm G-C (đặc trưng của bộ gen động vật có vú), biến tính ở T làm ơn khoảng 87 ° C, trong khi DNA chứa 60% G-C có T làm ơn
khoảng 95 ° C.

Nhiệt độ của sự biến tính DNA (ngoại trừ thành phần của bazơ) bị ảnh hưởng bởi độ mạnh ion của dung dịch. Hơn nữa, nồng độ cation đơn hóa trị càng cao thì T càng cao làm ơn... Giá trị T làm ơn cũng thay đổi nhiều khi các chất như formamit (amit axit formic HCONH2) được thêm vào dung dịch DNA,
làm mất ổn định các liên kết hydro. Sự hiện diện của nó cho phép bạn giảm T làm ơn, lên đến 40 ° C.

Quá trình biến tính có thể đảo ngược. Hiện tượng phục hồi cấu trúc của một chuỗi xoắn kép, dựa trên hai sự phân tách của các sợi bổ sung, được gọi là sự tái biến tính DNA. Thông thường, để tiến hành biến tính, chỉ cần tạo áp suất cho dung dịch DNA đã biến tính là đủ.

Biến tính liên quan đến hai trình tự bổ sung được tách ra trong quá trình biến tính. Tuy nhiên, bất kỳ trình tự bổ sung nào có khả năng hình thành cấu trúc sợi kép đều có thể được giải mã lại. Nếu cùng nhau. DNA sợi đơn có nguồn gốc từ các điểm khác nhau được ủ, sau đó sự hình thành cấu trúc DNA sợi kép được gọi là lai hóa.

Thông tin tương tự.