الحمض النووي الميتوكوندريا وتاريخ العائلة. ☵ الحمض النووي للميتوكوندريا لماذا يتم توريث الحمض النووي للميتوكوندريا من الأم؟

مفاجآت جينوم الميتوكوندريا

جي إم. ديمشيتس

غريغوري مويسيفيتش ديمشيتس,دكتوراه في العلوم البيولوجية، أستاذ قسم البيولوجيا الجزيئية، جامعة ولاية نوفوسيبيرسك، رئيس مختبر بنية الجينوم في معهد علم الخلايا وعلم الوراثة، فرع سيبيريا من الأكاديمية الروسية للعلوم. شارك في تأليف ومحرر أربعة كتب مدرسية في علم الأحياء العام.

لقد مر ربع قرن منذ اكتشاف جزيئات الحمض النووي في الميتوكوندريا، قبل أن لا يهتم بها علماء الأحياء الجزيئية وعلماء الخلايا فحسب، بل أيضًا علماء الوراثة، وعلماء التطور، وكذلك علماء الحفريات وعلماء الجريمة، والمؤرخون واللغويون. وقد أثار هذا الاهتمام الواسع النطاق عمل أ. ويلسون من جامعة كاليفورنيا. وفي عام 1987، نشر نتائج تحليل مقارن للحمض النووي للميتوكوندريا مأخوذ من 147 ممثلًا لمجموعات عرقية مختلفة من جميع الأجناس البشرية التي تسكن القارات الخمس. بناءً على نوع وموقع وعدد الطفرات الفردية، ثبت أن جميع الحمض النووي للميتوكوندريا نشأ من تسلسل نيوكليوتيدات سلفي واحد من خلال التباعد. في الصحافة العلمية الزائفة، تم تفسير هذا الاستنتاج بطريقة مبسطة للغاية - تنحدر البشرية جمعاء من امرأة واحدة، تسمى حواء الميتوكوندريا (يتلقى كل من البنات والأبناء الميتوكوندريا من والدتهم فقط)، والتي عاشت في شمال شرق إفريقيا حوالي 200 عام. منذ ألف سنة. وبعد 10 سنوات أخرى، أصبح من الممكن فك شفرة جزء من الحمض النووي للميتوكوندريا المعزول من بقايا إنسان نياندرتال، وتقدير وجود آخر سلف مشترك للإنسان والنياندرتال منذ 500 ألف سنة.

اليوم، يتطور علم وراثة الميتوكوندريا البشرية بشكل مكثف من الناحيتين السكانية والطبية. تم العثور على علاقة بين عدد من الأمراض الوراثية الشديدة والعيوب في الحمض النووي للميتوكوندريا. تكون التغيرات الجينية المرتبطة بالشيخوخة أكثر وضوحًا في الميتوكوندريا. ما هو جينوم الميتوكوندريا الذي يختلف عند البشر والحيوانات الأخرى عن جينوم النباتات والفطريات والأوالي في الحجم والشكل والقدرة الجينية؟ كيف يعمل جينوم الميتوكوندريا وكيف نشأ في الأصناف المختلفة؟ سيتم مناقشة هذا في مقالتنا.

تسمى الميتوكوندريا محطات الطاقة في الخلية. بالإضافة إلى الغشاء الناعم الخارجي، لديهم غشاء داخلي يشكل طيات عديدة - أعراف. أنها تحتوي على مكونات بروتينية مدمجة في السلسلة التنفسية - إنزيمات تشارك في تحويل طاقة الروابط الكيميائية للعناصر الغذائية المؤكسدة إلى طاقة جزيئات حمض الأدينوزين ثلاثي الفوسفوريك (ATP). وبهذه "العملة القابلة للتحويل" تدفع الخلية جميع احتياجاتها من الطاقة. في خلايا النباتات الخضراء، بالإضافة إلى الميتوكوندريا، هناك محطات طاقة أخرى - البلاستيدات الخضراء. وهي تعمل على "البطاريات الشمسية"، ولكنها تشكل أيضًا ATP من ADP والفوسفات. مثل الميتوكوندريا، تحتوي البلاستيدات الخضراء - وهي عضيات تتكاثر بشكل مستقل - على غشاءين وتحتوي على الحمض النووي.

بالإضافة إلى الحمض النووي، تحتوي مصفوفة الميتوكوندريا أيضًا على الريبوسومات الخاصة بها، والتي تختلف في العديد من الخصائص عن الريبوسومات حقيقية النواة الموجودة على أغشية الشبكة الإندوبلازمية. ومع ذلك، لا يتم تشكيل أكثر من 5٪ من جميع البروتينات المدرجة في تكوينها على ريبوسومات الميتوكوندريا. يتم تشفير معظم البروتينات التي تشكل المكونات الهيكلية والوظيفية للميتوكوندريا بواسطة الجينوم النووي، ويتم تصنيعها على ريبوسومات الشبكة الإندوبلازمية ويتم نقلها عبر قنواتها إلى موقع التجميع. وبالتالي، فإن الميتوكوندريا هي نتيجة الجهود المشتركة لجينومين وجهازين للنسخ والترجمة. تتكون بعض إنزيمات الوحدات الفرعية في سلسلة الميتوكوندريا التنفسية من عديدات ببتيدات مختلفة، بعضها مشفر بواسطة الجينوم النووي وبعضها بواسطة جينوم الميتوكوندريا. على سبيل المثال، الإنزيم الرئيسي للفسفرة التأكسدية، السيتوكروم سي أوكسيديز في الخميرة، يتكون من ثلاث وحدات فرعية مشفرة ومركبة في الميتوكوندريا، وأربع وحدات فرعية مشفرة في نواة الخلية ويتم تصنيعها في السيتوبلازم. يتم التحكم في التعبير عن معظم جينات الميتوكوندريا بواسطة جينات نووية محددة.

أحجام وأشكال جينومات الميتوكوندريا

حتى الآن، تمت قراءة أكثر من 100 جينوم مختلف للميتوكوندريا. تختلف مجموعة وعدد جيناتها في الحمض النووي للميتوكوندريا، والذي يتم تحديد تسلسل النيوكليوتيدات فيه بشكل كامل، بشكل كبير بين الأنواع المختلفة من الحيوانات والنباتات والفطريات والأوالي. تم العثور على أكبر عدد من الجينات في جينوم الميتوكوندريا في الأوليات السوطية ريكتينوموناس أمريكانا- 97 جينًا، بما في ذلك جميع جينات ترميز البروتين الموجودة في الحمض النووي الميتوكوندري للكائنات الحية الأخرى. في معظم الحيوانات العليا، يحتوي جينوم الميتوكوندريا على 37 جينًا: 13 لبروتينات السلسلة التنفسية، و22 للحمض الريبي النووي النقال واثنان للرنا الريباسي (للوحدة الفرعية الريبوسومية الكبيرة 16S rRNA وللرنا الريباسي 12S الصغير). في النباتات والأوالي، على عكس الحيوانات ومعظم الفطريات، يقوم جينوم الميتوكوندريا أيضًا بتشفير بعض البروتينات التي تشكل الريبوسومات في هذه العضيات. يتم تشفير الإنزيمات الرئيسية لتخليق قالب متعدد النوكليوتيدات، مثل بوليميراز الحمض النووي (تكرار الحمض النووي للميتوكوندريا) وبوليميراز الحمض النووي الريبي (الذي ينقل جينوم الميتوكوندريا)، في النواة ويتم تصنيعها على الريبوسومات في السيتوبلازم. تشير هذه الحقيقة إلى نسبية استقلالية الميتوكوندريا في التسلسل الهرمي المعقد للخلية حقيقية النواة.

تختلف جينومات الميتوكوندريا في الأنواع المختلفة ليس فقط في مجموعة الجينات وترتيب موقعها وتعبيرها، ولكن أيضًا في حجم وشكل الحمض النووي. الغالبية العظمى من جينومات الميتوكوندريا الموصوفة اليوم هي عبارة عن جزيئات الحمض النووي الدائرية ذات الملف المزدوج. في بعض النباتات، إلى جانب الأشكال الدائرية، هناك أيضًا أشكال خطية، وفي بعض الأوليات، مثل الهدبيات، يوجد الحمض النووي الخطي فقط في الميتوكوندريا.

عادة، تحتوي كل ميتوكوندريا على عدة نسخ من الجينوم الخاص بها. وهكذا، يوجد في خلايا الكبد البشرية حوالي 2 ألف ميتوكوندريا، ويحتوي كل منها على 10 جينومات متطابقة. يوجد في الخلايا الليفية للفئران 500 ميتوكوندريا تحتوي على جينومين، وفي خلايا الخميرة S.cerevisiae- ما يصل إلى 22 ميتوكوندريا، لكل منها أربعة جينومات.

يتكون جينوم الميتوكوندريا للنباتات عادة من عدة جزيئات ذات أحجام مختلفة. يحتوي أحدهما، وهو "الكروموسوم الرئيسي"، على معظم الجينات، وتتشكل الأشكال الدائرية الأصغر، التي تكون في حالة توازن ديناميكي مع بعضها البعض ومع الكروموسوم الرئيسي، نتيجة لإعادة التركيب داخل الجزيئات وبين الجزيئات بسبب وجود تسلسلات متكررة (الشكل 1).

رسم بياني 1.مخطط تكوين جزيئات الحمض النووي الدائرية ذات الأحجام المختلفة في الميتوكوندريا النباتية.
تحدث إعادة التركيب على طول المناطق المتكررة (المشار إليها باللون الأزرق).

الصورة 2.مخطط لتشكيل أوليجومرات خطية (A)، دائرية (B)، سلسلة (C) mtDNA.
أوري هي المنطقة التي يبدأ فيها تكرار الحمض النووي.

يتراوح حجم جينوم الميتوكوندريا في الكائنات الحية المختلفة من أقل من 6 آلاف زوج قاعدي في المتصورة المنجلية (بالإضافة إلى جينين rRNA، فهو يحتوي فقط على ثلاثة جينات مشفرة للبروتين) إلى مئات الآلاف من الأزواج القاعدية في النباتات البرية (للنباتات البرية). مثال، نبات الأرابيدوبسيس thalianaمن العائلة الصليبية 366924 زوجاً من النيوكليوتيدات). علاوة على ذلك، تم العثور على اختلافات بمقدار 7-8 أضعاف في حجم mtDNA للنباتات الأعلى حتى داخل نفس العائلة. يختلف طول mtDNA للفقاريات قليلاً: في البشر - 16569 زوجًا من النيوكليوتيدات، في الخنازير - 16350، في الدلافين - 16330، في الضفادع المخالب القيطم المورق- 17533، في الكارب - 16400. هذه الجينومات متشابهة أيضًا في توطين الجينات، ومعظمها يقع من طرف إلى طرف؛ بل إنها في بعض الحالات تتداخل، عادةً بواسطة نيوكليوتيد واحد، بحيث يكون النيوكليوتيد الأخير من أحد الجينات هو الأول في الجين التالي. على عكس الفقاريات، في النباتات والفطريات والأوالي، يحتوي الحمض النووي للميتوكوندريا على ما يصل إلى 80٪ من التسلسلات غير المشفرة. يختلف ترتيب الجينات في جينومات الميتوكوندريا بين الأنواع.

يؤدي التركيز العالي لأنواع الأكسجين التفاعلية في الميتوكوندريا ونظام الإصلاح الضعيف إلى زيادة تواتر طفرات mtDNA بترتيب من حيث الحجم مقارنة بالحمض النووي النووي. تسبب جذور الأكسجين بدائل محددة C®T (تمييع السيتوزين) وG®T (الضرر التأكسدي للجوانين)، ونتيجة لذلك من المحتمل أن يكون mtDNA غنيًا بأزواج AT. بالإضافة إلى ذلك، فإن جميع mtDNA لها خاصية مثيرة للاهتمام - فهي لا يتم ميثليتها، على عكس الحمض النووي النووي وبدائيات النواة. من المعروف أن المثيلة (التعديل الكيميائي المؤقت لتسلسل النوكليوتيدات دون تعطيل وظيفة ترميز الحمض النووي) هي إحدى آليات تعطيل الجينات المبرمجة.

تكرار ونسخ الحمض النووي الميتوكوندريا في الثدييات

في معظم الحيوانات، تختلف السلاسل التكميلية في دنا الميتوكوندريا بشكل كبير في الكثافة النوعية، لأنها تحتوي على كميات غير متساوية من البيورين "الثقيل" ونيوكليوتيدات البيريميدين "الخفيفة". لذلك يطلق عليهم - سلسلة H (ثقيلة - ثقيلة) وسلسلة L (خفيفة - خفيفة). في بداية تكرار جزيء mtDNA، يتم تشكيل ما يسمى بحلقة D (من حلقة الإزاحة الإنجليزية - حلقة الإزاحة). يتكون هذا الهيكل، المرئي تحت المجهر الإلكتروني، من منطقة مزدوجة وأخرى مفردة (جزء ممتد من السلسلة H). تتكون المنطقة المزدوجة الجديلة من جزء من سلسلة L وجزء من الحمض النووي المُصنّع حديثًا مكمل له، بطول 450-650 نيوكليوتيدات (اعتمادًا على نوع الكائن الحي)، مع وجود تمهيدي ريبونوكليوتيد في النهاية 5 بوصات، والذي يتوافق مع إلى نقطة البداية لتركيب سلسلة H (ori H). التوليف تبدأ السلسلة L فقط عندما تصل السلسلة H الابنة إلى النقطة ori L. ويرجع ذلك إلى حقيقة أن منطقة بدء النسخ المتماثل لـ L- يمكن الوصول إلى السلسلة من خلال إنزيمات تخليق الحمض النووي فقط في حالة مفردة، وبالتالي، فقط في الحلزون المزدوج غير الملتوي أثناء سلاسل تخليق H. وهكذا، يتم تصنيع خيوط mtDNA الابنة بشكل مستمر وغير متزامن (الشكل 3).

تين. 3.مخطط تكرار mtDNA للثدييات.
أولاً، يتم تشكيل حلقة D، ثم يتم تصنيع حبلا H الابنة،
ثم يبدأ تركيب سلسلة الابنة L.

في الميتوكوندريا، العدد الإجمالي للجزيئات ذات الحلقة D يتجاوز بشكل كبير عدد الجزيئات المتماثلة بالكامل. ويرجع ذلك إلى حقيقة أن الحلقة D لها وظائف إضافية - ربط mtDNA بالغشاء الداخلي وبدء النسخ، نظرًا لأن معززات النسخ لكلا شريطي DNA متمركزة في هذه المنطقة.

على عكس معظم الجينات حقيقية النواة، والتي يتم نسخها بشكل مستقل عن بعضها البعض، يتم نسخ كل من خيوط mtDNA للثدييات لتشكيل جزيء RNA واحد، بدءًا من منطقة ori H. بالإضافة إلى جزيئين RNA الطويلين هذين، المكملين لـ H- و سلاسل L، يتم تشكيل المزيد من المقاطع القصيرة من سلسلة H التي تبدأ عند نفس النقطة وتنتهي عند نهاية 3 بوصات من جين الرنا الريباسي 16S (الشكل 4). يوجد 10 أضعاف هذه النصوص القصيرة مقارنة بالنسخ الطويلة. نتيجة للنضج (المعالجة)، يتم تشكيل 12S rRNA منها و16S rRNA، الذي يشارك في تكوين ريبوسومات الميتوكوندريا، وكذلك فينيل ألانين وحمض الريبوزي النووي النقال. يتم استئصال RNAs المتبقي من النسخ الطويلة ويتم تشكيل mRNAs المترجم، الأطراف "3" التي يتم إرفاق تسلسلات البولي أدينيل بها. الأطراف ذات الـ 5 بوصات من mRNAs ليست مغطاة، وهو أمر غير معتاد بالنسبة لحقيقيات النوى. لا يحدث الربط لأن أيًا من جينات الميتوكوندريا في الثدييات لا تحتوي على إنترونات.

الشكل 4.نسخ الحمض النووي الميتوكوندري البشري الذي يحتوي على 37 جينًا. يبدأ تصنيع جميع النسخ في منطقة أوري H. ويتم استئصال الرنا الريباسي من نسخ حبلا H الطويلة والقصيرة. يتم تشكيل الحمض الريبي النووي النقال (tRNA) والحمض النووي الريبوزي (mRNA) نتيجة للمعالجة من نسخ كلا شريطي الحمض النووي (DNA). يشار إلى جينات الحمض الريبي النووي النقال باللون الأخضر الفاتح.

مفاجآت جينوم الميتوكوندريا

على الرغم من حقيقة أن جينومات الثدييات والخميرة الميتوكوندريا تحتوي على نفس العدد تقريبًا من الجينات، فإن حجم جينوم الخميرة أكبر بـ 4-5 مرات - حوالي 80 ألف زوج أساسي. على الرغم من أن تسلسلات ترميز DNA mtDNA في الخميرة متماثلة إلى حد كبير مع التسلسلات المقابلة في البشر، إلا أن mRNAs في الخميرة لديها بالإضافة إلى ذلك منطقة رائدة 5 بوصة ومنطقة غير مشفرة 3 بوصة، مثل معظم mRNAs النووية. يحتوي عدد من الجينات أيضًا على الإنترونات. وبالتالي، فإن الجين الصندوقي الذي يشفر السيتوكروم أوكسيديز ب يحتوي على إنترونين. يتم استئصال نسخة من معظم الإنترون الأول من نسخة الحمض النووي الريبي الأولية بالتحفيز الذاتي (دون مشاركة أي بروتينات). يعمل الجزء المتبقي من الحمض النووي الريبي (RNA) كقالب لتكوين إنزيم الماتوراز، الذي يشارك في عملية الربط. يتم تشفير جزء من تسلسل الأحماض الأمينية في النسخ المتبقية من الإنترونات. يقوم ماتوراز بقطعها، مما يؤدي إلى تدمير mRNA الخاص به، ويتم خياطة نسخ الإكسونات معًا، ويتم تشكيل mRNA لأكسيداز السيتوكروم ب (الشكل 5). إن اكتشاف هذه الظاهرة أجبرنا على إعادة النظر في فكرة الإنترونات باعتبارها “تسلسلات غير مشفرة”.

الشكل 5.معالجة (نضوج) السيتوكروم أوكسيديز ب مرنا في الميتوكوندريا الخميرة.
في المرحلة الأولى من الربط، يتم تشكيل mRNA، والذي يستخدم لتخليق إنزيم الماتورايز،
اللازمة لخطوة الربط الثانية.

عند دراسة التعبير عن جينات الميتوكوندريا المثقبية البروسيةاكتشف انحرافًا مفاجئًا عن إحدى البديهيات الأساسية للبيولوجيا الجزيئية، والتي تنص على أن تسلسل النيوكليوتيدات في الرنا المرسال يتطابق تمامًا مع ذلك الموجود في مناطق ترميز الحمض النووي. اتضح أن mRNA لإحدى وحدات السيتوكروم سي أوكسيديز الفرعية يتم تحريره، أي. بعد النسخ، يتغير هيكلها الأساسي - يتم إدخال أربعة يوراسيل. ونتيجة لذلك، يتم تشكيل mRNA جديد، والذي يعمل كقالب لتخليق وحدة فرعية إضافية من الإنزيم، حيث لا يوجد أي شيء مشترك بين تسلسل الأحماض الأمينية والتسلسل المشفر بواسطة mRNA غير المحرر (انظر الجدول).

تم اكتشاف تحرير الحمض النووي الريبوزي (RNA) لأول مرة في ميتوكوندريا المثقبيات، وهو منتشر على نطاق واسع في البلاستيدات الخضراء والميتوكوندريا في النباتات العليا. ويوجد أيضًا في الخلايا الجسدية للثدييات، على سبيل المثال، في ظهارة الأمعاء البشرية، يتم تحرير الرنا المرسال لجين البروتين الدهني.

قدمت الميتوكوندريا أكبر مفاجأة للعلماء في عام 1979. حتى ذلك الوقت، كان يعتقد أن الشفرة الوراثية عالمية وأن نفس الثلاثة توائم تشفر نفس الأحماض الأمينية في البكتيريا والفيروسات والفطريات والنباتات والحيوانات. وقام الباحث الإنجليزي بوريل بمقارنة بنية أحد جينات ميتوكوندريا العجل مع تسلسل الأحماض الأمينية في الوحدة الفرعية لأكسيداز السيتوكروم المشفرة بهذا الجين. اتضح أن الشفرة الوراثية للميتوكوندريا في الماشية (وكذلك في البشر) لا تختلف فقط عن الشفرة العالمية، بل إنها "مثالية"، أي. يطيع القاعدة التالية: "إذا كان هناك كودونان لهما نيوكليوتيدتان متطابقتان، وكانت النيوكليوتيدات الثالثة تنتمي إلى نفس الفئة (البيورين - A، G، أو بيريميدين - U، C)، فإنها ترمز لنفس الحمض الأميني." في الكود العالمي هناك استثناءان لهذه القاعدة: ثلاثي AUA يشفر الأيسولوسين وكودون AUG يشفر الميثيونين، بينما في كود الميتوكوندريا المثالي يقوم كلا هذين التوائم بتشفير الميثيونين؛ يقوم ثلاثي UGG بتشفير التربتوفان فقط، بينما يقوم ثلاثي UGA بتشفير كودون التوقف. في الكود العام، يتعلق كلا الانحرافين بالجوانب الأساسية لتخليق البروتين: كودون AUG هو الكودون البادئ، وكودون الإيقاف UGA يوقف تخليق متعدد الببتيد. الكود المثالي ليس متأصلًا في جميع الميتوكوندريا الموصوفة، لكن لا يوجد في أي منها رمز عالمي. يمكننا القول أن الميتوكوندريا تتحدث لغات مختلفة، ولكنها لا تتحدث أبدًا لغة النواة.

كما ذكرنا سابقًا، هناك 22 جينًا للحمض الريبي النووي النقال (tRNA) في جينوم الميتوكوندريا الفقارية. كيف يمكن لهذه المجموعة غير المكتملة أن تخدم جميع الكودونات الستين للأحماض الأمينية (الشفرة المثالية المكونة من 64 ثلاثية تحتوي على أربعة كودونات توقف، بينما يحتوي الكود العام على ثلاثة)؟ والحقيقة هي أنه أثناء تخليق البروتين في الميتوكوندريا، يتم تبسيط تفاعلات الكودون ومضاد الكودون - يتم استخدام اثنين من أصل ثلاثة نيوكليوتيدات مضادة للكودون للتعرف عليها. وبالتالي، يتعرف الحمض الريبي النووي النقال (tRNA) على جميع الأعضاء الأربعة لعائلة الكودون، ويختلف فقط في النوكليوتيدات الثالثة. على سبيل المثال، يقف الليوسين tRNA مع الكودون المضاد GAU على الريبوسوم المقابل للكودونات TsU وTsUC وTsUA وTsug، مما يضمن دمج الليوسين الخالي من الأخطاء في سلسلة البوليببتيد. يتم التعرف على كودونات الليوسين الأخرى، UUA وUUG، بواسطة tRNA مع الكودون المضاد AAU. في المجمل، تتعرف ثمانية جزيئات مختلفة من الحمض النووي الريبي (tRNA) على ثماني عائلات مكونة من أربعة كودونات لكل منها، ويتعرف 14 جزيئًا مختلفًا من الحمض النووي الريبوزي (tRNA) على أزواج مختلفة من الكودونات، كل منها يشفر حمضًا أمينيًا واحدًا.

من المهم أن يتم ترميز إنزيمات إنزيم أميناسيل-الحمض الريبي النووي النقال، المسؤولة عن إضافة الأحماض الأمينية إلى جزيئات الحمض الريبي النووي النقال المقابلة للميتوكوندريا، في نواة الخلية ويتم تصنيعها على ريبوسومات الشبكة الإندوبلازمية. وهكذا، في الفقاريات، يتم تشفير جميع مكونات البروتين لتخليق عديد الببتيد الميتوكوندريا في النواة. في هذه الحالة، لا يتم تثبيط تخليق البروتين في الميتوكوندريا بواسطة سيكلوهيكسيميد، الذي يمنع عمل الريبوسومات حقيقية النواة، ولكنه حساس للمضادات الحيوية الإريثروميسين والكلورامفينيكول، التي تمنع تخليق البروتين في البكتيريا. هذه الحقيقة بمثابة إحدى الحجج المؤيدة لأصل الميتوكوندريا من البكتيريا الهوائية أثناء التكوين التكافلي للخلايا حقيقية النواة.

النظرية التكافلية لأصل الميتوكوندريا

تم التعبير عن الفرضية حول أصل الميتوكوندريا والبلاستيدات النباتية من بكتيريا التعايش الداخلي داخل الخلايا بواسطة R. Altman في عام 1890. على مدار قرن التطور السريع في الكيمياء الحيوية وعلم الخلايا وعلم الوراثة والبيولوجيا الجزيئية، والذي ظهر قبل نصف قرن، أصبحت الفرضية نمت لتصبح نظرية مبنية على كمية كبيرة من المواد الواقعية. جوهرها هو كما يلي: مع ظهور البكتيريا الضوئية، تراكمت الأكسجين في الغلاف الجوي للأرض - نتيجة ثانوية لعملية التمثيل الغذائي. ومع زيادة تركيزه، أصبحت حياة الكائنات غيرية التغذية اللاهوائية أكثر تعقيدًا، وتحول بعضها من التخمر الخالي من الأكسجين إلى الفسفرة التأكسدية للحصول على الطاقة. يمكن لمثل هذه الكائنات غيرية التغذية الهوائية أن تحطم المواد العضوية الناتجة عن عملية التمثيل الضوئي بكفاءة أكبر من البكتيريا اللاهوائية. تم التقاط بعض الكائنات الهوائية التي تعيش بحرية عن طريق اللاهوائيات، ولكن لم يتم "هضمها"، بل تم تخزينها كمحطات طاقة، أي الميتوكوندريا. لا ينبغي النظر إلى الميتوكوندريا كعبيد، يتم أسرها لتزويد الخلايا غير القادرة على التنفس بجزيئات ATP. إنهم بالأحرى "مخلوقات" وجدت لأنفسهم ولذريتهم، في عصر البروتيروزويك، أفضل الملاجئ، حيث يمكنهم بذل أقل قدر من الجهد دون التعرض لخطر التعرض للأكل.

هناك حقائق عديدة تتحدث لصالح النظرية التكافلية:

- تتطابق أحجام وأشكال الميتوكوندريا مع البكتيريا الهوائية الحرة؛ كلاهما يحتوي على جزيئات DNA دائرية غير مرتبطة بالهستونات (على عكس الحمض النووي الخطي)؛
من حيث تسلسل النيوكليوتيدات، تختلف الريبوسومات والحمض النووي الريبوزي الناقل للميتوكوندريا عن تلك النووية، في حين تظهر تشابهًا مدهشًا مع جزيئات مماثلة لبعض البكتيريا الهوائية سالبة الجرام؛
على الرغم من ترميز بوليميرات الحمض النووي الريبي في نواة الخلية، يتم تثبيطها بواسطة الريفامبيسين، مثل البكتيريا، كما أن بوليميرات الحمض النووي الريبي حقيقية النواة غير حساسة لهذا المضاد الحيوي؛
يتم تثبيط تخليق البروتين في الميتوكوندريا والبكتيريا بواسطة نفس المضادات الحيوية التي لا تؤثر على الريبوسومات في حقيقيات النوى.
يتشابه التركيب الدهني للغشاء الداخلي للميتوكوندريا والبلازما البكتيرية، ولكنه يختلف تمامًا عن تركيب الغشاء الخارجي للميتوكوندريا، والذي يكون متماثلًا مع الأغشية الأخرى للخلايا حقيقية النواة؛
إن الأعراف التي يتكونها الغشاء الداخلي للميتوكوندريا هي النظائر التطورية للأغشية المتوسطة للعديد من بدائيات النوى.
لا تزال هناك كائنات تحاكي الأشكال الوسيطة في طريق تكوين الميتوكوندريا من البكتيريا (الأميبا البدائية بيلوميكسالا تحتوي على ميتوكوندريا، ولكنها تحتوي دائمًا على بكتيريا تكافلية داخلية).

يمكن للجينوم الجديد إنشاء مسارات استقلابية تؤدي إلى تكوين منتجات مفيدة لا يمكن لأي من الشريكين تصنيعها بمفرده. وبالتالي، فإن تخليق الهرمونات الستيرويدية بواسطة خلايا قشرة الغدة الكظرية هو سلسلة معقدة من التفاعلات، بعضها يحدث في الميتوكوندريا، وبعضها في الشبكة الإندوبلازمية. ومن خلال التقاط جينات البروميتوكوندريا، تمكنت النواة من التحكم بشكل موثوق في وظائف المتعايش. تقوم النواة بتشفير جميع البروتينات وتخليق الدهون في الغشاء الخارجي للميتوكوندريا، ومعظم بروتينات المطرق والغشاء الداخلي للعضيات. والأهم من ذلك، أن النواة تشفر الإنزيمات اللازمة لنسخ ونسخ وترجمة mtDNA، وبالتالي التحكم في نمو وتكاثر الميتوكوندريا. يجب أن يكون معدل نمو شركاء التعايش هو نفسه تقريبًا. إذا كان المضيف ينمو بشكل أسرع، فمع كل جيل، سينخفض عدد المتعايشين لكل فرد، وفي النهاية، سيظهر أحفاد بدون الميتوكوندريا. نحن نعلم أن كل خلية في كائن يتكاثر جنسيًا تحتوي على العديد من الميتوكوندريا التي تكرر الحمض النووي الخاص بها بين أقسام المضيف. وهذا يضمن أن كل خلية من الخلايا الوليدة تتلقى نسخة واحدة على الأقل من جينوم الميتوكوندريا.

الميراث السيتوبلازمي

بالإضافة إلى تشفير المكونات الرئيسية للسلسلة التنفسية وجهاز تصنيع البروتين الخاص بها، يشارك جينوم الميتوكوندريا في بعض الحالات في تكوين بعض الخصائص المورفولوجية والفسيولوجية. تشمل هذه السمات متلازمة NCS (شريط غير صبغي، بقعة أوراق مشفرة غير صبغية) وعقم الذكور السيتوبلازمي (CMS)، وهو سمة مميزة لعدد من أنواع النباتات العليا، مما يؤدي إلى تعطيل التطور الطبيعي لحبوب اللقاح. يرجع ظهور كلتا العلامتين إلى التغيرات في بنية mtDNA. في CMS، تتم ملاحظة إعادة ترتيب جينومات الميتوكوندريا نتيجة لأحداث إعادة التركيب التي تؤدي إلى الحذف أو الازدواجية أو الانقلاب أو إدخال تسلسلات نيوكليوتيدات معينة أو جينات بأكملها. مثل هذه التغييرات يمكن أن تسبب ليس فقط ضررا للجينات الموجودة، ولكن أيضا ظهور جينات عاملة جديدة.

الميراث السيتوبلازمي، على عكس الميراث النووي، لا يخضع لقوانين مندل. ويرجع ذلك إلى حقيقة أنه في الحيوانات والنباتات العليا، تحتوي الأمشاج من الجنسين المختلفين على كميات متباينة من الميتوكوندريا. لذلك، يوجد في بويضة الفأر 90 ألف ميتوكوندريا، ولكن في الحيوان المنوي يوجد أربعة فقط. من الواضح أن الميتوكوندريا في البويضة المخصبة تكون في الغالب أو من الأنثى فقط، أي. وراثة جميع جينات الميتوكوندريا هي من الأم. يعد التحليل الجيني للميراث السيتوبلازمي صعبًا بسبب التفاعلات النووية السيتوبلازمية. في حالة عقم الذكور السيتوبلازمي، يتفاعل جينوم الميتوكوندريا الطافر مع جينات نووية معينة، والتي تكون أليلاتها المتنحية ضرورية لتطوير السمة. الأليلات السائدة لهذه الجينات، سواء في الحالات المتجانسة أو غير المتجانسة، تستعيد خصوبة النبات، بغض النظر عن حالة جينوم الميتوكوندريا.

إن دراسة جينومات الميتوكوندريا، وتطورها، الذي يتبع القوانين المحددة لعلم الوراثة السكانية، والعلاقات بين النظم الوراثية النووية والميتوكوندريا، ضرورية لفهم التنظيم الهرمي المعقد للخلية حقيقية النواة والكائن الحي ككل.

ترتبط طفرات معينة في الحمض النووي للميتوكوندريا أو في الجينات النووية التي تتحكم في الميتوكوندريا ببعض الأمراض الوراثية وشيخوخة الإنسان. تتراكم البيانات حول تورط عيوب mtDNA في التسرطن. لذلك، قد تكون الميتوكوندريا هدفًا للعلاج الكيميائي للسرطان. هناك حقائق حول التفاعل الوثيق بين الجينومات النووية والميتوكوندريا في تطور عدد من الأمراض البشرية. تم العثور على عمليات حذف متعددة لـ mtDNA في المرضى الذين يعانون من ضعف شديد في العضلات، وترنح، وصمم، وتخلف عقلي، موروث بطريقة جسمية سائدة. تم إثبات ازدواج الشكل الجنسي في المظاهر السريرية لمرض القلب التاجي، والذي يرجع على الأرجح إلى تأثير الأم - الميراث السيتوبلازمي. إن تطوير العلاج الجيني يعطي الأمل في تصحيح العيوب في جينومات الميتوكوندريا في المستقبل المنظور.

تم دعم هذا العمل من قبل المؤسسة الروسية للأبحاث الأساسية. مشروع 01-04-48971.
المؤلف ممتن لطالب الدراسات العليا M. K. Ivanov، الذي قام بإنشاء الرسومات للمقال.

الأدب

1. يانكوفسكي إن.ك.، بورينسكايا إس.إيه.تاريخنا مسجل في الحمض النووي // الطبيعة. 2001. رقم 6. ص10-18.

2. مينتشينكو إيه جي، دوداريفا إن إيه.جينوم الميتوكوندريا. نوفوسيبيرسك، 1990.

3. جفوزديف ف.// سوروس. تعليم مجلة 1999. رقم 10. ص11-17.

4. مارجيليس إل.دور التكافل في تطور الخلية. م، 1983.

5. سكولاشيف ف.// سوروس. تعليم مجلة 1998. رقم 8. ص2-7.

6. إيغامبرديف إيه يو.// سوروس. تعليم مجلة 2000. رقم 1. ص32-36.

تساعد الجينات التي بقيت أثناء التطور في "محطات طاقة الخلية" على تجنب مشاكل الإدارة: إذا انكسر شيء ما في الميتوكوندريا، فيمكنه إصلاحه بنفسه، دون انتظار إذن من "المركز".

تتلقى خلايانا الطاقة بمساعدة عضيات خاصة تسمى الميتوكوندريا، والتي تسمى غالبًا محطات الطاقة في الخلية. من الخارج، تبدو مثل الخزانات ذات الجدار المزدوج، والجدار الداخلي غير متساوٍ للغاية، مع وجود العديد من المسافات البادئة القوية.

خلية ذات نواة (باللون الأزرق) وميتوكوندريا (باللون الأحمر). (تصوير NICHD/Flickr.com)

الميتوكوندريا في القسم، تظهر نتوءات الغشاء الداخلي على شكل خطوط داخلية طولية. (تصوير: فيجوالز أنليميتد / كوربيس.)

يحدث عدد كبير من التفاعلات الكيميائية الحيوية في الميتوكوندريا، حيث تتأكسد وتتفكك جزيئات "الغذاء" تدريجياً، ويتم تخزين طاقة روابطها الكيميائية في شكل مناسب للخلية. ولكن، بالإضافة إلى ذلك، تمتلك "محطات الطاقة" هذه الحمض النووي الخاص بها مع الجينات، والذي تخدمه آلاتها الجزيئية الخاصة التي توفر تخليق الحمض النووي الريبي (RNA) يليه تخليق البروتين.

من المعتقد أن الميتوكوندريا في الماضي البعيد كانت عبارة عن بكتيريا مستقلة كانت تأكلها بعض الكائنات الأخرى أحادية الخلية (على الأرجح العتيقة). ولكن في أحد الأيام، توقف "الحيوانات المفترسة" فجأة عن هضم البروتوميتوكوندريا المبتلعة، وأبقوها داخل أنفسهم. بدأ فرك طويل للمتعايشين مع بعضهم البعض؛ ونتيجة لذلك، فإن أولئك الذين تم ابتلاعهم قاموا بتبسيط بنيتهم بشكل كبير وأصبحوا عضيات داخل الخلايا، وكان "مضيفوهم" قادرين، بسبب الطاقة الأكثر كفاءة، على التطور بشكل أكبر إلى أشكال حياة أكثر تعقيدًا، حتى النباتات والحيوانات.

حقيقة أن الميتوكوندريا كانت مستقلة ذات يوم تتجلى في بقايا أجهزتها الوراثية. بالطبع، إذا كنت تعيش في الداخل مع كل شيء جاهز، فستختفي الحاجة إلى احتواء الجينات الخاصة بك: يحتوي الحمض النووي للميتوكوندريا الحديثة في الخلايا البشرية على 37 جينًا فقط - مقابل 20-25 ألفًا من تلك الموجودة في الحمض النووي النووي. على مدى ملايين السنين من التطور، انتقلت العديد من جينات الميتوكوندريا إلى نواة الخلية: يتم تصنيع البروتينات التي تشفرها في السيتوبلازم ثم يتم نقلها إلى الميتوكوندريا. ومع ذلك، فإن السؤال الذي يطرح نفسه على الفور: لماذا بقي 37 جينًا في مكانهم؟

ونكرر أن الميتوكوندريا موجودة في جميع الكائنات حقيقية النواة، أي في الحيوانات والنباتات والفطريات والأوالي. إيان جونستون ( ايان جونستون) من جامعة برمنغهام وبن ويليامز ( بن بي ويليامز) من معهد وايتهيد بتحليل أكثر من 2000 جينوم ميتوكوندريا مأخوذة من حقيقيات النوى المختلفة. وباستخدام نموذج رياضي خاص، تمكن الباحثون من فهم الجينات التي من المرجح أن تبقى في الميتوكوندريا أثناء التطور.

مقدمة

لقد مر ربع قرن منذ اكتشاف جزيئات الحمض النووي في الميتوكوندريا قبل أن تصبح مهتمة ليس فقط علماء الأحياء الجزيئيةوعلماء الخلايا، ولكن أيضًا علماء الوراثة، وأنصار التطور، وكذلك علماء الحفريات وعلماء الجريمة. وقد أثار هذا الاهتمام الواسع النطاق عمل أ. ويلسون من جامعة كاليفورنيا. وفي عام 1987، نشر نتائج تحليل مقارن للحمض النووي للميتوكوندريا مأخوذ من 147 ممثلًا لمجموعات عرقية مختلفة من جميع الأجناس البشرية التي تسكن القارات الخمس. بناءً على نوع وموقع وعدد الطفرات الفردية، ثبت أن جميع الحمض النووي للميتوكوندريا نشأ من تسلسل نيوكليوتيدات سلفي واحد بواسطة الاختلافات. في الصحافة العلمية الزائفة، تم تفسير هذا الاستنتاج بطريقة مبسطة للغاية - فقد انحدرت البشرية جمعاء من امرأة واحدة، تسمى حواء الميتوكوندريا (نظرًا لأن البنات والأبناء يتلقون الميتوكوندريا فقط من أمهم)، والتي عاشت في شمال شرق إفريقيا حوالي منذ 200 ألف سنة. وبعد 10 سنوات أخرى، أصبح من الممكن فك شفرة جزء من الحمض النووي للميتوكوندريا المعزول من بقايا إنسان نياندرتال، وتقدير وجود آخر سلف مشترك للإنسان والنياندرتال منذ 500 ألف سنة.

اليوم، يتطور علم وراثة الميتوكوندريا البشرية بشكل مكثف من الناحيتين السكانية والطبية. تم العثور على علاقة بين عدد من الأمراض الوراثية الشديدة والعيوب في الحمض النووي للميتوكوندريا. تكون التغيرات الجينية المرتبطة بالشيخوخة أكثر وضوحًا في الميتوكوندريا. ما هو جينوم الميتوكوندريا الذي يختلف عند البشر والحيوانات الأخرى عن جينوم النباتات والفطريات والأوالي في الحجم والشكل والقدرة الجينية؟ ما هو الدور، وكيف يعمل، وكيف نشأ جينوم الميتوكوندريا في الأصناف المختلفة بشكل عام وفي البشر بشكل خاص؟ سيتم مناقشة هذا في مقالتي "الصغيرة والأكثر تواضعًا".

بالإضافة إلى الحمض النووي، تحتوي مصفوفة الميتوكوندريا أيضًا على الريبوسومات الخاصة بها، والتي تختلف في العديد من الخصائص عن الريبوسومات حقيقية النواة الموجودة على أغشية الشبكة الإندوبلازمية. ومع ذلك، لا يتم تشكيل أكثر من 5٪ من جميع البروتينات المدرجة في تكوينها على ريبوسومات الميتوكوندريا. يتم تشفير معظم البروتينات التي تشكل المكونات الهيكلية والوظيفية للميتوكوندريا بواسطة الجينوم النووي، ويتم تصنيعها على ريبوسومات الشبكة الإندوبلازمية ونقلها عبر قنواتها إلى موقع التجميع. وبالتالي، فإن الميتوكوندريا هي نتيجة الجهود المشتركة لجينومين وجهازين للنسخ والترجمة. تتكون بعض إنزيمات الوحدة الفرعية من سلسلة الميتوكوندريا التنفسية من عديدات ببتيدات مختلفة، بعضها مشفر بواسطة الجينوم النووي، وبعضها بواسطة جينوم الميتوكوندريا. على سبيل المثال، الإنزيم الرئيسي للفسفرة التأكسدية، السيتوكروم سي أوكسيديز في الخميرة، يتكون من ثلاث وحدات فرعية مشفرة ومركبة في الميتوكوندريا، وأربع وحدات فرعية مشفرة في نواة الخلية ويتم تصنيعها في السيتوبلازم. يتم التحكم في التعبير عن معظم جينات الميتوكوندريا بواسطة جينات نووية محددة.

النظرية التكافلية لأصل الميتوكوندريا

تم التعبير عن الفرضية حول أصل الميتوكوندريا والبلاستيدات النباتية من بكتيريا التعايش الداخلي داخل الخلايا بواسطة ر. ألتمان في عام 1890. خلال قرن من التطور السريع الكيمياء الحيوية , علم الخليةوعلم الوراثة والبيولوجيا الجزيئية، والتي ظهرت قبل نصف قرن، تطورت الفرضية إلى نظرية مبنية على كمية كبيرة من المواد الواقعية. جوهرها هو كما يلي: مع ظهور البكتيريا الضوئية، تراكمت الأكسجين في الغلاف الجوي للأرض - نتيجة ثانوية لعملية التمثيل الغذائي. ومع زيادة تركيزه، أصبحت حياة الكائنات اللاهوائية غيرية التغذية أكثر تعقيدًا، وتحول بعضها من الظروف الخالية من الأكسجين للحصول على الطاقة. التخميرإلى الفسفرة التأكسدية. يمكن لمثل هذه الكائنات الهوائية المتغايرة، بكفاءة أكبر من البكتيريا اللاهوائية، تحطيم المواد العضوية المتكونة نتيجة لعملية التمثيل الضوئي. تم التقاط بعض الكائنات الهوائية التي تعيش بحرية عن طريق اللاهوائيات، ولكن لم يتم "هضمها"، بل تم تخزينها كمحطات طاقة، أي الميتوكوندريا. لا ينبغي النظر إلى الميتوكوندريا كعبيد، يتم أسرها من أجل توفير جزيئات ATP للخلايا غير القادرة على التنفس. إنهم بالأحرى "مخلوقات" وجدت لأنفسهم ولذريتهم، في عصر البروتيروزويك، أفضل الملاجئ، حيث يمكنهم بذل أقل قدر من الجهد دون التعرض لخطر التعرض للأكل.

هناك حقائق عديدة تتحدث لصالح النظرية التكافلية:

تتطابق أحجام وأشكال الميتوكوندريا مع البكتيريا الهوائية الحرة؛ كلاهما يحتوي على جزيئات DNA دائرية غير مرتبطة بالهستونات (على عكس الحمض النووي الخطي)؛

من حيث تسلسل النيوكليوتيدات، تختلف الريبوسومات والحمض النووي الريبوزي الناقل للميتوكوندريا عن تلك النووية، في حين تظهر تشابهًا مدهشًا مع جزيئات مماثلة لبعض البكتيريا الهوائية سالبة الجرام؛

إن بوليمرات الحمض النووي الريبي في الميتوكوندريا، على الرغم من تشفيرها في نواة الخلية، يتم تثبيطها بواسطة الريفامبيسين، مثل البكتيريا، كما أن بوليميرات الحمض النووي الريبي حقيقية النواة غير حساسة لهذا الأمر. مضاد حيوي ;

يتم تثبيط تخليق البروتين في الميتوكوندريا والبكتيريا بواسطة نفس المضادات الحيوية التي لا تؤثر على الريبوسومات في حقيقيات النوى.

يتشابه التركيب الدهني للغشاء الداخلي للميتوكوندريا والبلازما البكتيرية، ولكنه يختلف تمامًا عن تركيب الغشاء الخارجي للميتوكوندريا، والذي يكون متماثلًا مع الأغشية الأخرى للخلايا حقيقية النواة؛

إن الأعراف التي يتكونها الغشاء الداخلي للميتوكوندريا هي النظائر التطورية للأغشية المتوسطة للعديد من بدائيات النوى.

لا تزال هناك كائنات تحاكي الأشكال الوسيطة في طريق تكوين الميتوكوندريا من البكتيريا (الأميبا البدائية بيلوميكسالا تحتوي على ميتوكوندريا، ولكنها تحتوي دائمًا على بكتيريا تكافلية داخلية).

هناك فكرة مفادها أن الممالك المختلفة لحقيقيات النوى لها أسلاف مختلفون وأن التعايش الداخلي البكتيري نشأ في مراحل مختلفة من تطور الكائنات الحية. ويتجلى ذلك أيضًا من خلال الاختلافات في بنية جينومات الميتوكوندريا في الأوليات والفطريات والنباتات والحيوانات العليا. ولكن في جميع الحالات، دخل الجزء الرئيسي من الجينات من بروميتوكوندريا إلى النواة، ربما بمساعدة العناصر الوراثية المتنقلة. عندما يتم تضمين جزء من جينوم أحد المتعايشين في جينوم آخر، يصبح تكامل المتعايشين لا رجعة فيه. يمكن للجينوم الجديد إنشاء مسارات استقلابية تؤدي إلى تكوين منتجات مفيدة لا يمكن تصنيعها بواسطة أي من الشريكين بشكل فردي. وبالتالي، فإن تخليق الهرمونات الستيرويدية بواسطة خلايا قشرة الغدة الكظرية هو سلسلة معقدة من التفاعلات، بعضها يحدث في الميتوكوندريا، وبعضها في الشبكة الإندوبلازمية. ومن خلال التقاط جينات البروميتوكوندريا، تمكنت النواة من التحكم بشكل موثوق في وظائف المتعايش. تقوم النواة بتشفير جميع البروتينات وتخليق الدهون في الغشاء الخارجي للميتوكوندريا، ومعظم بروتينات المطرق والغشاء الداخلي للعضيات. والأهم من ذلك، أن النواة تشفر الإنزيمات اللازمة لنسخ ونسخ وترجمة mtDNA، وبالتالي التحكم في نمو وتكاثر الميتوكوندريا. يجب أن يكون معدل نمو شركاء التعايش هو نفسه تقريبًا. إذا كان المضيف ينمو بشكل أسرع، فمع كل جيل، سينخفض عدد المتعايشين لكل فرد، وفي النهاية، سيظهر أحفاد بدون الميتوكوندريا. نحن نعلم أن كل خلية في كائن يتكاثر جنسيًا تحتوي على العديد من الميتوكوندريا التي تكرر الحمض النووي الخاص بها بين أقسام المضيف. وهذا يضمن أن كل خلية من الخلايا الوليدة تتلقى نسخة واحدة على الأقل من جينوم الميتوكوندريا.

دور نواة الخلية في التكاثر الحيوي للميتوكوندريا

هناك نوع معين من الخميرة الطافرة لديه حذف كبير في الحمض النووي للميتوكوندريا، مما يؤدي إلى التوقف الكامل لتخليق البروتين في الميتوكوندريا؛ ونتيجة لذلك، تصبح هذه العضيات غير قادرة على أداء وظيفتها. وبما أن مثل هذه الطفرات تشكل مستعمرات صغيرة عند نموها على وسط منخفض الجلوكوز، فإنها تسمى مو السيتوبلازميtantamiصغيرتي.

على الرغم من أن الطفرات الصغيرة لا تمتلك تخليق بروتين الميتوكوندريا، وبالتالي لا تشكل ميتوكوندريا طبيعية، إلا أن هذه الطفرات تحتوي مع ذلك على بروميتوكوندريا,والتي تشبه إلى حد ما الميتوكوندريا العادية، ولها غشاء خارجي طبيعي وغشاء داخلي مع أعراف سيئة التطور. تحتوي البروميتوكوندريا على العديد من الإنزيمات المشفرة بواسطة الجينات النووية ويتم تصنيعها على الريبوسومات السيتوبلازمية، بما في ذلك بوليميرات DNA وRNA، وجميع إنزيمات دورة حمض الستريك والعديد من البروتينات التي تشكل الغشاء الداخلي. وهذا يوضح بوضوح الدور السائد للجينوم النووي في التكاثر الحيوي للميتوكوندريا.

ومن المثير للاهتمام أن نلاحظ أنه على الرغم من أن شظايا الحمض النووي المفقودة تمثل 20 إلى أكثر من 99.9٪ من جينوم الميتوكوندريا، فإن الكمية الإجمالية للحمض النووي للميتوكوندريا في الطفرات الصغيرة تظل دائمًا على نفس المستوى كما هو الحال في النوع البري. ويرجع ذلك إلى عملية تضخيم الحمض النووي التي لا تزال غير مدروسة، ونتيجة لذلك يتم تشكيل جزيء الحمض النووي، الذي يتكون من تكرارات ترادفية من نفس القسم ويساوي حجم الجزيء الطبيعي. على سبيل المثال، الحمض النووي للميتوكوندريا لكائن متحول صغير يحتفظ بـ 50% من تسلسل النيوكليوتيدات للحمض النووي من النوع البري سيتكون من تكرارين، في حين أن الجزيء الذي يحتفظ فقط 0,1% سيتم بناء الجينوم البري من 1000 نسخة من الجزء المتبقي. وبالتالي، يمكن استخدام الطفرات الصغيرة للحصول على كميات كبيرة من أجزاء محددة من الحمض النووي للميتوكوندريا، والتي يمكن القول بأنها مستنسخة بالطبيعة نفسها.

على الرغم من أن التولد الحيوي للعضيات يتم التحكم فيه بشكل أساسي عن طريق الجينات النووية، إلا أن العضيات نفسها، وفقًا لبعض البيانات، لها أيضًا نوع من التأثير التنظيمي على مبدأ التغذية الراجعة؛ على الأقل هذا هو الحال مع الميتوكوندريا. إذا تم حظر تخليق البروتين في الميتوكوندريا في الخلايا السليمة، فإن الإنزيمات المشاركة في تخليق الميتوكوندريا للحمض النووي الريبي (DNA) والحمض النووي الريبي (RNA) والبروتينات تبدأ في التشكل بشكل زائد في السيتوبلازم، كما لو أن الخلية تحاول التغلب على تأثير عامل الحجب. ولكن على الرغم من أن وجود بعض الإشارات من الميتوكوندريا أمر لا شك فيه، إلا أن طبيعتها لا تزال غير معروفة.

لعدد من الأسباب، يتم الآن دراسة آليات التولد الحيوي للميتوكوندريا في معظم الحالات في الثقافات السكريات كارلسبيرجينسيس(خميرة البيرة و س. الخباز(خميرة الخباز). أولاً، عندما تنمو هذه الخمائر على الجلوكوز، فإنها تظهر قدرة فريدة على الوجود فقط من خلال تحلل السكر، أي الاستغناء عن وظيفة الميتوكوندريا. وهذا يجعل من الممكن دراسة الطفرات في الميتوكوندريا والحمض النووي النووي التي تتداخل مع تطور هذه العضيات. مثل هذه الطفرات قاتلة في جميع الكائنات الحية الأخرى تقريبًا. ثانيًا، الخميرة - وهي كائنات حقيقية النواة بسيطة أحادية الخلية - سهلة الزراعة والدراسة الكيميائية الحيوية. أخيرًا، يمكن أن تتكاثر الخميرة في كل من المرحلتين الأحادية والثنائية الصبغية، عادةً عن طريق البراعم اللاجنسي (الانقسام غير المتماثل). ولكن في الخميرة، تحدث العملية الجنسية أيضًا: من وقت لآخر، تندمج خليتين أحادية الصيغة الصبغية لتشكل زيجوتًا ثنائي الصيغة الصبغية، والذي ينقسم بعد ذلك عن طريق الانقسام الفتيلي أو يخضع للانقسام الاختزالي وينتج مرة أخرى خلايا أحادية الصيغة الصبغية. من خلال التحكم التجريبي في تناوب التكاثر اللاجنسي والجنسي، يمكن للمرء أن يتعلم الكثير عن الجينات المسؤولة عن وظيفة الميتوكوندريا. باستخدام هذه الطرق، من الممكن، على وجه الخصوص، معرفة ما إذا كانت هذه الجينات موضعية في الحمض النووي النووي أو في الحمض النووي للميتوكوندريا، حيث أن طفرات جينات الميتوكوندريا لا يتم توريثها وفقًا لقوانين مندل التي تحكم وراثة الجينات النووية.

أنظمة نقل الميتوكوندريا

يتم استيراد معظم البروتينات الموجودة في الميتوكوندريا والبلاستيدات الخضراء إلى هذه العضيات من العصارة الخلوية. وهذا يثير سؤالين: كيف تقوم الخلية بتوجيه البروتينات إلى العضية المناسبة، وكيف تدخل هذه البروتينات إلى الخلية؟

تم الحصول على إجابة جزئية من خلال دراسة نقل الوحدة الفرعية الصغيرة (S) من الإنزيم إلى سدى البلاستيدات الخضراء ريبولوز-1،5-ثنائي الفوسفات-كربوكسيغرف التفتيش.إذا تم عزل mRNA من سيتوبلازم خلية واحدة أعشاب بحرية الكلاميدوموناسأو من أوراق البازلاء، التي يتم إدخالها كمصفوفة في نظام تصنيع البروتين في المختبر، سيتم ربط أحد البروتينات العديدة الناتجة بجسم مضاد محدد لـ S. يسمى بروتين S الذي يتم تصنيعه في المختبر ppo-S لأنه يحتوي على حوالي 50 من بقايا الأحماض الأمينية أكبر من بروتين S العادي. عندما يتم تحضين البروتين المؤيد لـ S مع البلاستيدات الخضراء السليمة، فإنه يخترق العضيات ويتحول هناك بواسطة الببتيداز إلى بروتين S. بعد ذلك يرتبط بروتين S بالوحدة الفرعية الكبيرة من ريبولوز-1،5-ثنائي فوسفات كربوكسيلاز، الذي يتم تصنيعه في ريبوسومات البلاستيدات الخضراء، ويشكل معه إنزيمًا نشطًا في سدى البلاستيدات الخضراء.

آلية نقل بروتين S غير معروفة. يُعتقد أن pro-S يرتبط ببروتين مستقبلي موجود على الغشاء الخارجي للبلاستيدات الخضراء أو عند تقاطع الأغشية الخارجية والداخلية، ومن ثم يتم نقله إلى السدى عبر قنوات عبر الغشاء نتيجة لعملية تتطلب طاقة المصروفات.

يحدث نقل البروتين إلى الميتوكوندريا بطريقة مماثلة. إذا تم تحضين ميتوكوندريا الخميرة النقية مع مستخلص خلية يحتوي على بروتينات الخميرة المشعة المُصنَّعة حديثًا، فيمكن ملاحظة أن بروتينات الميتوكوندريا المشفرة بواسطة الجينوم النووي يتم فصلها عن البروتينات غير الميتوكوندريا في السيتوبلازم ويتم دمجها بشكل انتقائي في الميتوكوندريا - تمامًا كما يحدث في الميتوكوندريا. خلية سليمة في هذه الحالة، تجد بروتينات الأغشية الخارجية والداخلية والمصفوفة والفضاء بين الغشائي طريقها إلى الحجرة المقابلة في الميتوكوندريا.

تحتوي العديد من البروتينات المصنعة حديثًا والموجهة للغشاء الداخلي والمطرس والفضاء بين الغشاء على ببتيد قائد في الطرف N الخاص بها، والذي يتم قطعه أثناء النقل بواسطة بروتياز محدد موجود في المصفوفة. يتطلب نقل البروتينات إلى هذه الأجزاء الثلاثة من الميتوكوندريا طاقة التدرج الكهروكيميائي للبروتون الذي يتم إنشاؤه في الغشاء الداخلي. تختلف آلية نقل البروتين للغشاء الخارجي: في هذه الحالة، لا تكون هناك حاجة إلى طاقة ولا انقسام بروتيني لبروتين سلائف أطول. تشير هذه الملاحظات وغيرها إلى أن جميع المجموعات الأربع من بروتينات الميتوكوندريا يتم نقلها إلى العضية من خلال الآلية التالية: من المفترض أن جميع البروتينات، باستثناء تلك الموجهة للغشاء الخارجي، يتم دمجها في الغشاء الداخلي نتيجة لعملية تتطلب إنفاق الطاقة ويحدث في أماكن الاتصال بين الأغشية الخارجية والداخلية. على ما يبدو، بعد هذا الدمج الأولي للبروتين في الغشاء، فإنه يخضع للانقسام البروتيني، مما يؤدي إلى تغيير في شكله؛ اعتمادًا على كيفية تغير الشكل، يتم تثبيت البروتين في الغشاء أو "دفعه" إلى المطرق أو إلى الفضاء بين الغشاء.

إن نقل البروتينات عبر أغشية الميتوكوندريا والبلاستيدات الخضراء يشبه من حيث المبدأ نقلها عبر أغشية الشبكة الإندوبلازمية. ومع ذلك، هناك العديد من الاختلافات الهامة. أولاً، عند نقله إلى المطرق أو السدى، يمر البروتين عبر الغشاء الخارجي والداخلي للعضية، بينما عند نقله إلى تجويف الشبكة الإندوبلازمية، تمر الجزيئات عبر غشاء واحد فقط. بالإضافة إلى ذلك، يتم نقل البروتينات إلى الشبكة باستخدام الآلية الافراج المستهدف(التفريغ المتجهي) - يبدأ عندما لا يكون البروتين قد غادر الريبوسوم بالكامل بعد (استيراد الترجمة المشتركة)،ويحدث الانتقال إلى الميتوكوندريا والبلاستيدات الخضراء بعد اكتمال تخليق جزيء البروتين بالكامل (استيراد ما بعد الترجمة).

وعلى الرغم من هذه الاختلافات، ففي كلتا الحالتين تقوم الخلية بتصنيع بروتينات طليعية تحتوي على تسلسل إشارة يحدد الغشاء الذي يتم توجيه البروتين إليه. على ما يبدو، في كثير من الحالات يتم قطع هذا التسلسل من جزيء السلائف بعد الانتهاء من عملية النقل. ومع ذلك، يتم تصنيع بعض البروتينات على الفور في شكلها النهائي. من المعتقد أنه في مثل هذه الحالات يكون تسلسل الإشارة موجودًا في سلسلة البولي ببتيد للبروتين النهائي. لا تزال تسلسلات الإشارة غير مفهومة بشكل جيد، ولكن من المحتمل أن يكون هناك عدة أنواع من هذه التسلسلات، كل منها يحدد نقل جزيء البروتين إلى منطقة معينة من الخلية. على سبيل المثال، في الخلية النباتية، يتم بعد ذلك نقل بعض البروتينات، التي يبدأ تركيبها في العصارة الخلوية، إلى الميتوكوندريا، والبعض الآخر إلى البلاستيدات الخضراء، والبعض الآخر إلى البيروكسيسومات، والبعض الآخر إلى الشبكة الإندوبلازمية. العمليات المعقدة التي تؤدي إلى التوزيع الصحيح للبروتينات داخل الخلايا أصبحت الآن مفهومة.

بالإضافة إلى الأحماض النووية والبروتينات، هناك حاجة إلى الدهون لبناء الميتوكوندريا الجديدة. على عكس البلاستيدات الخضراء، تحصل الميتوكوندريا على معظم الدهون من الخارج. في الخلايا الحيوانية، يتم نقل الدهون الفوسفاتية المصنعة في الشبكة الإندوبلازمية إلى الغشاء الخارجي للميتوكوندريا باستخدام بروتينات خاصة ثم يتم دمجها في الغشاء الداخلي؛ ويعتقد أن هذا يحدث عند نقطة التلامس بين غشائين. رد الفعل الرئيسي للتخليق الحيوي للدهون، الذي تحفزه الميتوكوندريا نفسها، هو تحويل حمض الفوسفاتيديك إلى فسفوليبيد الكارديوليبين، والذي يوجد بشكل رئيسي في الغشاء الداخلي للميتوكوندريا ويمثل حوالي 20٪ من جميع الدهون فيه.

حجم وشكل جينومات الميتوكوندريا

حتى الآن، تمت قراءة أكثر من 100 جينوم مختلف للميتوكوندريا. تختلف مجموعة وعدد جيناتها في الحمض النووي للميتوكوندريا، والذي يتم تحديد تسلسل النيوكليوتيدات فيه بشكل كامل، بشكل كبير بين الأنواع المختلفة من الحيوانات والنباتات والفطريات والأوالي. تم العثور على أكبر عدد من الجينات في جينوم الميتوكوندريا في الأوليات السوطية ريكتينومو ناس أمريكانا- 97 جينًا، بما في ذلك جميع جينات ترميز البروتين الموجودة في الحمض النووي الميتوكوندري للكائنات الحية الأخرى. في معظم الحيوانات العليا، يحتوي جينوم الميتوكوندريا على 37 جينًا: 13 لبروتينات السلسلة التنفسية، و22 للحمض الريبي النووي النقال واثنان للرنا الريباسي (للوحدة الفرعية الريبوسومية الكبيرة 16S rRNA وللرنا الريباسي 12S الصغير). في النباتات والأوالي، على عكس الحيوانات ومعظم الفطريات، يقوم جينوم الميتوكوندريا أيضًا بتشفير بعض البروتينات التي تشكل الريبوسومات في هذه العضيات. يتم تشفير الإنزيمات الرئيسية لتخليق قالب متعدد النوكليوتيدات، مثل بوليميراز الحمض النووي (تكرار الحمض النووي للميتوكوندريا) وبوليميراز الحمض النووي الريبي (الذي ينقل جينوم الميتوكوندريا)، في النواة ويتم تصنيعها على الريبوسومات في السيتوبلازم. تشير هذه الحقيقة إلى نسبية استقلالية الميتوكوندريا في التسلسل الهرمي المعقد للخلية حقيقية النواة.

كقاعدة عامة، تحتوي كل ميتوكوندريا على عدة نسخ من الجينوم الخاص بها. وهكذا، يوجد في خلايا الكبد البشرية حوالي 2 ألف ميتوكوندريا، ويحتوي كل منها على 10 جينومات متطابقة. يوجد في الخلايا الليفية للفئران 500 ميتوكوندريا تحتوي على جينومين، وفي خلايا الخميرة S. cerevisiae- ما يصل إلى 22 ميتوكوندريا، لكل منها أربعة جينومات.

DIV_ADBLOCK764">

الصورة 2.مخطط لتشكيل أوليجومرات خطية (A)، دائرية (B)، سلسلة (C) mtDNA. أوري هي المنطقة التي يبدأ فيها تكرار الحمض النووي.

يتراوح حجم جينوم الميتوكوندريا للكائنات الحية المختلفة من أقل من 6 آلاف زوج من النيوكليوتيدات في المتصورة المنجلية (بالإضافة إلى جينين rRNA، فهو يحتوي فقط على ثلاثة جينات مشفرة للبروتين) إلى مئات الآلاف من أزواج النيوكليوتيدات في النباتات البرية (للنباتات البرية). مثال، نبات الأرابيدوبسيس thalianaمن العائلة الصليبية 366924 زوجاً من النيوكليوتيدات). علاوة على ذلك، تم العثور على اختلافات بمقدار 7-8 أضعاف في حجم mtDNA للنباتات الأعلى حتى داخل نفس العائلة. يختلف طول mtDNA للفقاريات قليلاً: في البشر - 16569 زوجًا من النيوكليوتيدات، في الخنازير - 16350، في الدلافين - 16330، في الضفادع المخالب القيطم المورق- 17533، في الكارب - 16400. هذه الجينومات متشابهة أيضًا في توطين الجينات، ومعظمها يقع من طرف إلى طرف؛ بل إنها في بعض الحالات تتداخل، عادةً بواسطة نيوكليوتيد واحد، بحيث يكون النيوكليوتيد الأخير من أحد الجينات هو الأول في الجين التالي. على عكس الفقاريات، تحتوي النباتات والفطريات والأوالي على ما يصل إلى 80% من التسلسلات غير المشفرة. يختلف ترتيب الجينات في جينومات الميتوكوندريا بين الأنواع.

يؤدي التركيز العالي لأنواع الأكسجين التفاعلية في الميتوكوندريا ونظام الإصلاح الضعيف إلى زيادة تواتر طفرات mtDNA بترتيب من حيث الحجم مقارنة بالحمض النووي النووي. تسبب جذور الأكسجين بدائل محددة C®T (تمييع السيتوزين) وG®T (الضرر التأكسدي للجوانين)، ونتيجة لذلك من المحتمل أن يكون mtDNA غنيًا بأزواج AT. بالإضافة إلى ذلك، تتمتع جميع mtDNAs بخاصية مثيرة للاهتمام - فهي لا يتم ميثليتها، على عكس الحمض النووي النووي وبدائيات النواة. من المعروف أن المثيلة (التعديل الكيميائي المؤقت لتسلسل النوكليوتيدات دون تعطيل وظيفة ترميز الحمض النووي) هي إحدى آليات تعطيل الجينات المبرمجة.

حجم وبنية جزيئات الحمض النووي في العضيات

	بناء	الوزن مليون دالتون	ملحوظات
أوهون دريا	الحيوانات	جرس		يحتوي كل نوع على حدة على جميع الجزيئات بنفس الحجم
أعلى را الوهن	جرس	يختلف	جميع الأنواع التي تمت دراستها لها حمض نووي دائري بأحجام مختلفة، حيث يتوافق المحتوى الإجمالي للمعلومات الوراثية مع كتلة تتراوح بين 300 إلى 1000 مليون دالتون، اعتمادًا على النوع.
الفطر: الكائنات الاوليه	جرس جرس جرس خطي
الكلور قسط stov	الأعشاب البحرية	جرس جرس
أعلى النباتات	جرس		وفي كل نوع على حدة، تم العثور على جزيئات من نوع واحد فقط

الكميات النسبية لعضيات الحمض النووي في بعض الخلايا والأنسجة

كائن حي	القماش أو نوع من الخلايا	عدد مول-لتر DNA/عضي-	عدد الأعضاء- نيل في قفص	حصة عضيات الحمض النووي في مجملها الحمض النووي للخلية، %
أوهون دريا
	خلايا الخط L
	بيضة

الكلور قسط stov		الخلايا ثنائية الصبغية النباتية
حبوب ذرة

عمل جينوم الميتوكوندريا

ما الذي يميز آليات تكرار الحمض النووي ونسخ الميتوكوندريا في الثدييات؟

Complementary" href="/text/category/komplementarij/" rel="bookmark">تختلف السلاسل التكميلية في mtDNA بشكل كبير في الكثافة المحددة، لأنها تحتوي على كميات غير متساوية من البيورين "الثقيل" ونيوكليوتيدات البيريميدين "الخفيفة". تسمى. - سلسلة H (ثقيلة - ثقيلة) وسلسلة L (خفيفة - خفيفة). في بداية تكرار جزيء mtDNA، يتم تشكيل ما يسمى بحلقة D (من حلقة الإزاحة الإنجليزية). هذا الهيكل، مرئي في المجهر الإلكتروني، يتكون من مقطعين مزدوجي الجديلة ومفردي الجديلة (الجزء المنكمش من السلسلة H). يتكون القسم المزدوج من جزء من السلسلة L وجزء مكمل من الحمض النووي المُركب حديثًا بطول 450-650 نيوكليوتيدات (اعتمادًا على نوع الكائن الحي)، لها 5"- نهاية التمهيدي الريبونوكليوتيد، والذي يتوافق مع نقطة البداية لتخليق السلسلة H (oriH). يبدأ تصنيع السلسلة L فقط عندما تصل السلسلة H الابنة إلى النقطة ori L. ويرجع ذلك إلى حقيقة أن منطقة بدء تكرار السلسلة L لا يمكن الوصول إليها من قبل إنزيمات تخليق الحمض النووي إلا في سلسلة مفردة الحالة، وبالتالي، فقط في حالة الحلزون المزدوج غير المضفر أثناء تركيب السلسلة H. وهكذا، يتم تصنيع خيوط الحمض النووي للميتوكوندريا بشكل مستمر وغير متزامن (الشكل 3).

تين. 3.مخطط تكرار mtDNA للثدييات. أولاً، يتم تشكيل حلقة D، ثم يتم تصنيع سلسلة H الابنة، ثم يبدأ تركيب سلسلة L الابنة.

نهاية جين الرنا الريباسي 16S (الشكل 4). هناك 10 أضعاف هذه النصوص القصيرة مقارنة بالنصوص الطويلة. نتيجة النضج ( يعالج) منهم يتم تشكيل 12S rRNA و 16S rRNA، والتي تشارك في تكوين ريبوسومات الميتوكوندريا، وكذلك فينيل ألانين وحمض أميني أساسي. يتم استئصال الـ tRNAs المتبقية من النسخ الطويلة ويتم تشكيل mRNAs المترجمة، إلى نهايات 3 "التي يتم ربط تسلسلات البولي أدينيل بها. لا يتم تغطية الأطراف 5" من هذه mRNAs، وهو أمر غير معتاد بالنسبة لحقيقيات النوى. لا يحدث الربط (الاندماج)، حيث لا تحتوي أي من جينات الميتوكوندريا في الثدييات على الإنترونات.

الشكل 4.نسخ الحمض النووي الميتوكوندري البشري الذي يحتوي على 37 جينًا. يبدأ تصنيع جميع النسخ في منطقة أوري H. ويتم استئصال الرنا الريباسي من نسخ حبلا H الطويلة والقصيرة. يتم تشكيل الحمض الريبي النووي النقال (tRNA) والحمض النووي الريبوزي (mRNA) نتيجة للمعالجة من نسخ كلا شريطي الحمض النووي (DNA). يشار إلى جينات الحمض الريبي النووي النقال باللون الأخضر الفاتح.

هل تريد أن تعرف ما هي المفاجآت الأخرى التي يمكن أن يقدمها جينوم الميتوكوندريا؟ عظيم! واصل القراءة!..

المناطق الرائدة و"3" غير المشفرة، مثل معظم الرنا المرسال النووي. يحتوي عدد من الجينات أيضًا على إنترونات. وبالتالي، في صندوق الجين الذي يشفر السيتوكروم أوكسيديز ب، يوجد إنترونان. من نسخة الحمض النووي الريبي الأولية، يتم تحفيزها تلقائيًا (بدون مشاركة) من أي أو بروتينات) يتم قطع نسخة من معظم الإنترون الأول. يعمل الحمض النووي الريبي (RNA) المتبقي كقالب لتكوين إنزيم الماتوراز، الذي يشارك في عملية الربط. ويتم تشفير جزء من تسلسل الأحماض الأمينية في النسخ المتبقية. يقوم ماتوراز بقطعها، مما يؤدي إلى تدمير mRNA الخاص به، ويتم خياطة نسخ الإكسونات معًا، ويتم تشكيل mRNA لأكسيداز السيتوكروم ب (الشكل 5).أجبرنا اكتشاف هذه الظاهرة على إعادة النظر في فكرة الإنترونات باعتبارها "تسلسلات غير مشفرة."

الشكل 5.معالجة (نضوج) السيتوكروم أوكسيديز ب مرنا في الميتوكوندريا الخميرة. في المرحلة الأولى من الربط، يتم تشكيل mRNA، الذي يقوم بتجميع إنزيم maturase الضروري للمرحلة الثانية من الربط.

عند دراسة التعبير عن جينات الميتوكوندريا المثقبية البروسيةاكتشف انحرافًا مفاجئًا عن أحد أهمها البديهياتالبيولوجيا الجزيئية، والتي تنص على أن تسلسل النيوكليوتيدات في mRNA يطابق تمامًا ذلك الموجود في مناطق ترميز الحمض النووي. اتضح أن mRNA لإحدى الوحدات الفرعية لأكسيداز السيتوكروم سي يتم تحريره، أي بعد النسخ، يتغير هيكله الأساسي - يتم إدخال أربعة يوراسيل. ونتيجة لذلك، يتم تشكيل mRNA جديد، والذي يعمل كمصفوفة لتخليق وحدة فرعية إضافية من الإنزيم، تسلسل الأحماض الأمينية الذي لا يوجد فيه أي شيء مشترك مع تسلسل الفيروسات والفطريات والنباتات والحيوانات. قارن الباحث بوريل بنية أحد جينات الميتوكوندريا في العجل مع تسلسل الأحماض الأمينية في الوحدة الفرعية لأكسيداز السيتوكروم المشفرة بهذا الجين، واتضح أن الشفرة الوراثية للميتوكوندريا في الماشية (وكذلك في البشر) لا تقتصر فقط على يختلف عن الكودون العالمي، فهو "مثالي"، أي أنه يطيع القاعدة التالية: "إذا كان هناك كودونان لهما نيوكليوتيدات متطابقة، والنيوكليوتيدات الثالثة تنتمي إلى نفس الفئة (البيورين - A، G، أو بيريميدين - U، C)، ثم يرمزون لنفس الحمض الأميني." في الكود العالمي هناك استثناءان لهذه القاعدة: رموز AUA الثلاثية للإيسولوسين، وكودون AUG للميثيونين، بينما في كود الميتوكوندريا المثالي يرمز كل من هذه التوائم الثلاثية للميثيونين. يقوم ثلاثي UGG بتشفير التربتوفان فقط، بينما يقوم ثلاثي UGA بتشفير كودون التوقف. في الكود العام، يتعلق كلا الانحرافين بالجوانب الأساسية لتخليق البروتين: كودون AUG هو الكودون البادئ، وكودون الإيقاف UGA يوقف تخليق متعدد الببتيد. الكود المثالي ليس متأصلًا في جميع الميتوكوندريا الموصوفة، لكن لا يوجد في أي منها رمز عالمي. يمكننا القول أن الميتوكوندريا تتحدث لغات مختلفة، ولكنها لا تتحدث أبدًا لغة النواة.

الاختلافات بين الشفرة الوراثية "العالمية" وشفرتي الميتوكوندريا

كودون	الميتوكوندريا كود الثدييات	الميتوكوندريا كود الخميرة	“ عالمي”

كما ذكرنا سابقًا، هناك 22 جينًا للحمض الريبي النووي النقال في جينوم الميتوكوندريا للفقاريات. كيف تخدم هذه المجموعة غير المكتملة جميع الكودونات الستين للأحماض الأمينية (في الكود المثالي المكون من 64 ثلاثية هناك أربعة كودونات توقف، وفي الكود العالمي هناك ثلاثة)؟ والحقيقة هي أنه أثناء تخليق البروتين في الميتوكوندريا، يتم تبسيط تفاعلات الكودون ومضاد الكودون - يتم استخدام اثنين من أصل ثلاثة نيوكليوتيدات مضادة للكودون للتعرف عليها. وهكذا، يتعرف الحمض الريبي النووي النقال (tRNA) على جميع الأعضاء الأربعة لعائلة الكودون، ويختلف فقط في النوكليوتيدات الثالثة. على سبيل المثال، يقف الليوسين tRNA مع الكودون المضاد GAU على الريبوسوم المقابل للكودونات TsU وTsUC وTsUA وTsug، مما يضمن دمج الليوسين بشكل لا لبس فيه في سلسلة البولي ببتيد. يتم التعرف على كودونات الليوسين الأخرى، UUA وUUG، بواسطة tRNA مع الكودون المضاد AAU. في المجمل، تتعرف ثمانية جزيئات مختلفة من الحمض النووي الريبي (tRNA) على ثماني عائلات مكونة من أربعة كودونات لكل منها، ويتعرف 14 جزيئًا مختلفًا من الحمض النووي الريبوزي (tRNA) على أزواج مختلفة من الكودونات، كل منها يشفر حمضًا أمينيًا واحدًا.

أهمية وجود نظام وراثي خاص بك للميتوكوندريا

لماذا تحتاج الميتوكوندريا إلى نظامها الوراثي الخاص بها، في حين أن العضيات الأخرى، مثل البيروكسيسومات والليزوزومات، لا تفعل ذلك؟ وهذه المسألة ليست تافهة على الإطلاق، إذ إن الحفاظ على نظام وراثي منفصل أمر مكلف للخلية، نظرا للعدد المطلوب من الجينات الإضافية في الجينوم النووي. ينبغي هنا تشفير البروتينات الريبوسومية، ومركبات aminoacyl-tRNA، وبوليميرات DNA وRNA، وإنزيمات معالجة وتعديل RNA، وما إلى ذلك. وتختلف معظم البروتينات المدروسة من الميتوكوندريا في تسلسل الأحماض الأمينية عن نظيراتها من أجزاء أخرى من الخلية، وهناك وهذا سبب للاعتقاد بوجود عدد قليل جدًا من البروتينات في هذه الأعضاء والتي يمكن العثور عليها في مكان آخر. وهذا يعني أنه فقط للحفاظ على النظام الجيني للميتوكوندريا، يجب أن يحتوي الجينوم النووي على عشرات الجينات الإضافية. وأسباب هذا "الإسراف" غير واضحة، ولم يتحقق الأمل في العثور على الإجابة في تسلسل النيوكليوتيدات في الحمض النووي للميتوكوندريا. من الصعب أن نتخيل لماذا يجب بالضرورة أن يتم تصنيع البروتينات المتكونة في الميتوكوندريا هناك، وليس في العصارة الخلوية.

عادة، يتم تفسير وجود نظام وراثي في عضيات الطاقة من خلال حقيقة أن بعض البروتينات المصنعة داخل العضية تكون كارهة للماء للغاية بحيث لا يمكنها المرور عبر غشاء الميتوكوندريا من الخارج. ومع ذلك، فقد أظهرت الدراسات التي أجريت على مركب إنزيم ATP أن مثل هذا التفسير غير قابل للتصديق. على الرغم من أن الوحدات الفرعية الفردية للبروتين من إنزيم ATP يتم الحفاظ عليها بشكل كبير أثناء التطور، إلا أن مواقع تخليقها تتغير. في البلاستيدات الخضراء، يتم إنتاج العديد من البروتينات المحبة للماء إلى حد ما، بما في ذلك أربع من الوحدات الفرعية الخمس للجزء F1-ATPase من المجمع، على الريبوسومات داخل العضية. على العكس من ذلك، الفطر نيوروسبوراوفي الخلايا الحيوانية، يتم تصنيع مكون كاره للماء للغاية (الوحدة الفرعية 9) من الجزء الغشائي من ATPase على ريبوسومات السيتوبلازم وبعد ذلك فقط يمر إلى العضية. من الصعب تفسير التوطين المختلف للجينات التي تشفر الوحدات الفرعية للبروتينات المكافئة وظيفيًا في الكائنات الحية المختلفة باستخدام أي فرضية تفترض مزايا تطورية معينة للأنظمة الوراثية الحديثة للميتوكوندريا والبلاستيدات الخضراء.

بالنظر إلى كل ما سبق، لا يمكننا إلا أن نفترض أن النظام الجيني للميتوكوندريا يمثل طريقًا تطوريًا مسدودًا. وفي إطار فرضية التعايش الداخلي، فإن هذا يعني أن عملية نقل جينات التعايش الداخلي إلى الجينوم النووي المضيف توقفت قبل أن تكتمل تمامًا.

الميراث السيتوبلازمي

تعتبر عواقب نقل الجينات السيتوبلازمية بالنسبة لبعض الحيوانات، بما في ذلك البشر، أكثر خطورة من تلك بالنسبة للخميرة. اثنين من خلايا الخميرة أحادية الصيغة الصبغية المندمجة لهما نفس الحجم وتساهمان بنفس الكمية من الحمض النووي للميتوكوندريا في الزيجوت الناتج. وهكذا، في الخميرة، يتم توريث جينوم الميتوكوندريا من كلا الوالدين، اللذين يساهمان بالتساوي في المجموعة الجينية للنسل (رغم أنه بعد عدة أجيال) متفرقغالبًا ما تحتوي النسل على ميتوكوندريا من نوع واحد فقط من الأنواع الأصلية). في المقابل، في الحيوانات العليا، تساهم البويضة بكمية من السيتوبلازم في الزيجوت أكثر من الحيوانات المنوية، وفي بعض الحيوانات قد لا يساهم الحيوان المنوي بالسيتوبلازم على الإطلاق. لذلك، يمكن للمرء أن يعتقد أنه في الحيوانات العليا، سيتم نقل جينوم الميتوكوندريا فقط من أحد الوالدين (أي عن طريق الأمخطوط)؛ وبالفعل تم تأكيد ذلك بالتجارب. اتضح، على سبيل المثال، أنه عند تهجين فئران من سلالتين معمليتين مع الحمض النووي للميتوكوندريا الذي يختلف قليلاً في تسلسل النيوكليوتيدات (النوعان A وB)، يتم الحصول على ذرية تحتوي على

تحتوي على DNA الميتوكوندريا من نوع الأم فقط.

الميراث السيتوبلازمي، على عكس الميراث النووي، لا يخضع لقوانين مندل. ويرجع ذلك إلى حقيقة أنه في الحيوانات والنباتات العليا، تحتوي الأمشاج من الجنسين المختلفين على كميات متباينة من الميتوكوندريا. لذلك، يوجد في بويضة الفأر 90 ألف ميتوكوندريا، ولكن في الحيوان المنوي يوجد أربعة فقط. ومن الواضح أن الميتوكوندريا في البويضة المخصبة هي في الغالب أو فقط من الأنثى، أي أن وراثة جميع جينات الميتوكوندريا هي من الأم. يعد التحليل الجيني للميراث السيتوبلازمي صعبًا بسبب التفاعلات النووية السيتوبلازمية. في حالة عقم الذكور السيتوبلازمي، يتفاعل جينوم الميتوكوندريا الطافر مع جينات نووية معينة، والتي تكون أليلاتها المتنحية ضرورية لتطوير السمة. الأليلات السائدة لهذه الجينات، سواء في الحالات المتجانسة أو غير المتجانسة، تستعيد خصوبة النبات، بغض النظر عن حالة جينوم الميتوكوندريا.

أود أن أتناول آلية وراثة الجينات للأم من خلال إعطاء مثال محدد. من أجل فهم آلية الوراثة غير المندلية (السيتوبلازمية) لجينات الميتوكوندريا بشكل نهائي ولا رجعة فيه، دعونا نفكر في ما يحدث لمثل هذه الجينات عندما تندمج خليتين فرديتين لتكوين زيجوت ثنائي الصيغة الصبغية. في الحالة التي تحمل فيها إحدى خلايا الخميرة طفرة تحدد مقاومة تخليق بروتين الميتوكوندريا للكلورامفينيكول، وتكون الخلية الأخرى، وهي خلية من النوع البري، حساسة لهذا المضاد الحيوي: يمكن التعرف على الجينات الطافرة بسهولة عن طريق زراعة الخميرة في وسط به والجليسرول، الذي يمكن أن تستخدمه فقط الخلايا التي تحتوي على الميتوكوندريا السليمة؛ ولذلك، في وجود الكلورامفينيكول، فإن الخلايا التي تحمل الجين الطافر فقط هي التي يمكنها النمو في مثل هذا الوسط. سوف يحتوي الزيجوت ثنائي الصيغة الصبغية لدينا في البداية على ميتوكوندريا متحولة وبرية. نتيجة للانقسام الفتيلي، سوف تتبرعم خلية ابنة ثنائية الصيغة الصبغية من اللاقحة، والتي ستحتوي فقط على عدد صغير من الميتوكوندريا. بعد عدة دورات انقسامية، ستتلقى إحدى الخلايا الجديدة في النهاية جميع الميتوكوندريا، سواء كانت من النوع الطافر أو البري. ولذلك، فإن كل نسل هذه الخلية سيكون لديه ميتوكوندريا متطابقة وراثيا. تسمى هذه العملية العشوائية، والتي ينتج عنها ذرية ثنائية الصيغة الصبغية تحتوي على الميتوكوندريا من نوع واحد فقط، الانقسام الفتيليذ حد ذاتهالجماعةذ. عندما تخضع خلية ثنائية الصبغية تحتوي على نوع واحد فقط من الميتوكوندريا للانقسام الاختزالي، تتلقى جميع الخلايا الصبغية الأربع التابعة نفس جينات الميتوكوندريا. ويسمى هذا النوع من الميراث com.nemendeأسد المقشودأو السيتوبلازميةعلى عكس الوراثة المندلية للجينات النووية. نقل الجينات السيتوبلازمية يعني أن الجينات قيد الدراسة موجودة في الميتوكوندريا.

دراسة جينومات الميتوكوندريا وتطورها، والتي تتبع القوانين المحددة لعلم الوراثة السكانية، العلاقاتبين النظم الوراثية النووية والميتوكوندريا ضروري لفهم التنظيم الهرمي المعقد للخلية حقيقية النواة والكائن الحي ككل.

ترتبط بعض الأمراض الوراثية وشيخوخة الإنسان بطفرات معينة في الحمض النووي للميتوكوندريا أو في الجينات النووية التي تتحكم في وظيفة الميتوكوندريا. تتراكم البيانات حول تورط عيوب mtDNA في التسرطن. لذلك، قد تكون الميتوكوندريا هدفًا للعلاج الكيميائي للسرطان. هناك حقائق حول التفاعل الوثيق بين الجينومات النووية والميتوكوندريا في تطور عدد من الأمراض البشرية. تم العثور على عمليات حذف متعددة لـ mtDNA في المرضى الذين يعانون من ضعف شديد في العضلات، وترنح، وصمم، وتخلف عقلي، موروث بطريقة جسمية سائدة. تم إثبات إزدواج الشكل الجنسي في المظاهر السريرية ترويهأمراض القلب، والتي على الأرجح بسبب تأثير الأم - الميراث السيتوبلازمي. إن تطوير العلاج الجيني يعطي الأمل في تصحيح العيوب في جينومات الميتوكوندريا في المستقبل المنظور.

كما هو معروف، من أجل التحقق من وظيفة أحد مكونات النظام متعدد المكونات، يصبح من الضروري التخلص من هذا المكون مع التحليل اللاحق للتغييرات التي حدثت. وبما أن موضوع هذا الملخص هو الإشارة إلى دور جينوم الأم في تطور النسل، فمن المنطقي التعرف على عواقب الاضطرابات في تكوين جينوم الميتوكوندريا الناجمة عن عوامل مختلفة. تبين أن أداة دراسة الدور المذكور أعلاه هي عملية الطفرة، وكانت عواقب عملها التي تهمنا هي ما يسمى. أمراض الميتوكوندريا.

تعد أمراض الميتوكوندريا مثالاً على الوراثة السيتوبلازمية لدى البشر، أو بتعبير أدق، "الوراثة العضية". ينبغي تقديم هذا التوضيح بسبب وجود، على الأقل في بعض الكائنات الحية، وراثي السيتوبلازم المحدد، غير مرتبط بالعضيات الخلوية - مولدات الخلايا (Vechtomov، 1996).

أمراض الميتوكوندريا هي مجموعة غير متجانسة من الأمراض الناجمة عن العيوب الوراثية والهيكلية والكيميائية الحيوية للميتوكوندريا وضعف تنفس الأنسجة. لإجراء تشخيص لمرض الميتوكوندريا، الأنساب المعقدة، السريرية، والكيميائية الحيوية، شكليةوالتحليل الجيني. العلامة البيوكيميائية الرئيسية لأمراض الميتوكوندريا هي تطور الحماض اللبني، وعادة ما يتم الكشف عن احماض الدم المفرطة اللبنيك مع احماض الدم المفرطة البيروفات. وبلغ عدد الخيارات المختلفة 120 استمارة. هناك زيادة ثابتة في تركيز أحماض اللاكتيك والبيروفيك في السائل النخاعي.

تمثل أمراض الميتوكوندريا (MD) مشكلة كبيرة للطب الحديث. وفقًا لطرق الانتقال الوراثي، تشمل الأمراض الوراثية الأمراض الموروثة أحادية المنشأ وفقًا للنوع المندلي، والتي، بسبب طفرة الجينات النووية، إما تتعطل بنية وعمل بروتينات الميتوكوندريا، أو التعبير عن تغيرات الحمض النووي للميتوكوندريا، أيضًا. كأمراض ناجمة عن طفرات في جينات الميتوكوندريا، والتي تنتقل بشكل رئيسي إلى النسل عبر خط الأم.

تشير البيانات المستمدة من الدراسات المورفولوجية إلى علم الأمراض الإجمالي للميتوكوندريا: الانتشار غير الطبيعي للميتوكوندريا، وتعدد أشكال الميتوكوندريا مع اضطراب في الشكل والحجم، الفوضىأعراف، تراكمات غير طبيعية من الميتوكوندريا تحت غمد الليف العضلي، شوائب نظير بلورية في الميتوكوندريا، وجود فجوات بين الليفيات

أشكال أمراض الميتوكوندريا

1 . أمراض الميتوكوندريا الناجمة عن الطفرات في الحمض النووي للميتوكوندريا

1.1.الأمراض الناجمة عن حذف الحمض النووي للميتوكوندريا

1.1.1. متلازمة كيرنز ساير

يظهر المرض في سن 4-18 سنة، شلل العين الخارجي التدريجي، التهاب الشبكية الصباغي، ترنح، رعاش مقصود، كتلة القلب الأذينية البطينية، زيادة مستويات البروتين في السائل النخاعي أكثر من 1 جم / لتر، ألياف حمراء "خشنة" في الهيكل العظمي. خزعات العضلات

1.1.2 متلازمة بيرسون

بداية المرض منذ الولادة أو في الأشهر الأولى من الحياة، وأحيانا تطور اعتلال دماغي، وترنح، والخرف، وشلل العين الخارجي التدريجي، ونقص التنسج فقر دم، انتهاك وظيفة البنكرياس خارجية الإفراز، بالطبع التقدمي

2 .الأمراض الناجمة عن الطفرات النقطية في الحمض النووي للميتوكوندريا

نوع الوراثة لدى الأم، انخفاض حاد أو تحت حاد في حدة البصر في إحدى العينين أو كلتيهما، بالاشتراك مع عصبيةواضطرابات المفصل العظمي، واعتلال الأوعية الدقيقة في شبكية العين، مسار تدريجي مع إمكانية مغفرة أو استعادة حدة البصر، بداية المرض في سن 20-30 سنة

2.2 متلازمة NAPR (الاعتلال العصبي، الرنح، التهاب الشبكية الصباغي)

نوع وراثة الأم، مزيج من الاعتلال العصبي، الرنح والتهاب الشبكية الصباغي، تأخر النمو الحركي النفسي، الخرف، وجود ألياف حمراء "ممزقة" في خزعات الأنسجة العضلية

2.3 متلازمة MERRF (الرمع العضلي والصرع والألياف الحمراء "الممزقة")

نوع الوراثة لدى الأم، بداية المرض في سن 3-65 سنة، الصرع الرمع العضلي، الرنح، الخرف المتزامن مع الصمم الحسي العصبي، ضمور الأعصاب البصرية واضطرابات الحساسية العميقة، الحماض اللبني، فحوصات مخطط كهربية الدماغ تكشف عن صرع حمامي معمم المجمعات والألياف الحمراء "الخشنة" في خزعات العضلات الهيكلية، مسار تدريجي

2.4 متلازمة ميلاس (اعتلال دماغي ميتوكوندريا، الحماض اللبني، نوبات تشبه السكتة الدماغية)

نوع وراثة الأم، ظهور المرض قبل سن الأربعين، عدم تحمل التمارين الرياضية، الصداع النصفي مع الغثيان والقيء، نوبات تشبه السكتة الدماغية، التشنجات، الحماض اللبني، ألياف حمراء "خشنة" في خزعات العضلات، مسار تدريجي.

3 .الباثولوجيا المرتبطة بالعيوب في التواصل بين الجينوم

3.1.متلازمات حذف الحمض النووي المتعددة للميتوكوندريا

تدلي الجفن، شلل العين الخارجي، ضعف العضلات، الصمم الحسي العصبي، ضمور العصب البصري، الدورة التدريجية، الألياف الحمراء "الممزقة" في خزعات العضلات الهيكلية، انخفاض نشاط إنزيمات السلسلة التنفسية.

3.2 متلازمة حذف الحمض النووي للميتوكوندريا

طريقة وراثية متنحية من الميراث

الأشكال السريرية:

3.2.1.طفولية قاتلة

أ) فشل الكبد الحاد ب) اعتلال الكبد ج) انخفاض ضغط الدم العضلي

لاول مرة في فترة حديثي الولادة

3.2.2.اعتلال عضلي خلقي

ضعف شديد في العضلات، انخفاض ضغط الدم العام، اعتلال عضلة القلب والتشنجات، تلف الكلى، البيلة السكرية، اعتلال الأمينية الحمضية، بيلة فوسفاتية

3.2.3.اعتلال عضلي عند الأطفال

يحدث في أول عامين من الحياة، وضعف عضلي تدريجي، وضمور مجموعات العضلات القريبة، وفقدان ردود الفعل الوترية، وتطور سريع، والوفاة في السنوات الثلاث الأولى من الحياة.

4 أمراض الميتوكوندريا الناجمة عن طفرات الحمض النووي النووي

4.1.الأمراض المرتبطة بعيوب في السلسلة التنفسية

4.1.1.نقص المركب 1 (NADH: إنزيم CoQ المختزل)

بداية المرض قبل سن 15 عامًا، متلازمة الاعتلال العضلي، تأخر النمو الحركي النفسي، اضطرابات الجهاز القلبي الوعائي، التشنجات المقاومة للعلاج، الاضطرابات العصبية المتعددة، المسار التدريجي

4.1.2.نقص المركب 2 (اختزال السكسينات-CoQ)

تتميز بمتلازمة اعتلال الدماغ، الدورة التدريجية، النوبات، التطور المحتمل لتدلي الجفون

4.1.3. نقص المركب 3 (CoQ-cytochrome C oxyreductase)

اضطرابات الأجهزة المتعددة، والأضرار التي لحقت بالأعضاء والأنظمة المختلفة، بما في ذلك الجهاز العصبي المركزي والمحيطي، ونظام الغدد الصماء، والكلى، وبالطبع التقدمي

4.1.4.النقص المركب (السيتوكروم سي أوكسيديز)

4.1.4.1.الحماض اللبني الخلقي عند الأطفال المميت

اعتلال عضلي الميتوكوندريا مع الفشل الكلوي أو اعتلال عضلة القلب، بداية في سن حديثي الولادة، اضطرابات الجهاز التنفسي الحادة، انخفاض ضغط الدم المنتشر في العضلات، مسار تدريجي، الوفاة في السنة الأولى من الحياة.

4.1.4.2.ضعف العضلات الحميد عند الأطفال

الضمور، مع العلاج المناسب وفي الوقت المناسب، من الممكن تحقيق الاستقرار السريع للعملية والشفاء لمدة 1-3 سنوات من الحياة

5 متلازمة مينكس (الحثل المشعري)

تأخر حاد في النمو الحركي النفسي، وتوقف النمو، وضعف النمو والتغيرات التصنعية في الشعر،

6 . اعتلال الدماغ الدماغي الميتوكوندريا

6.1.متلازمة لي(اعتلال الدماغ النخاعي العصبي تحت الحاد)

يظهر بعد 6 أشهر من الحياة، نقص التوتر العضلي، ترنح، رأرأة، أعراض هرمية، شلل العين، ضمور العصب البصري، إضافة إلى اعتلال عضلة القلب والحماض الأيضي الخفيف.

6.2.متلازمة ألبرس(الحثل المتعدد المصلب التدريجي)

تنكس المادة الرمادية في الدماغ مع تليف الكبد، ونقص مركب 5 (ATP Synthetase)، وتأخر التطور الحركي النفسي، وترنح، والخرف، وضعف العضلات، والمسار التدريجي للمرض، والتشخيص غير المواتي

6.3 نقص الإنزيم المساعد-Q

الأزمات الأيضية، وضعف العضلات والتعب، وشلل العين، والصمم، وانخفاض الرؤية، والنوبات الشبيهة بالسكتة الدماغية، وترنح، والصرع الرمع العضلي، وتلف الكلى: بيلة الجلوكوز، اعتلال أميني، بيلة فوسفاتية، اضطرابات الغدد الصماء، مسار تدريجي، انخفاض نشاط إنزيمات السلسلة التنفسية.

7 .الأمراض المصاحبة للاضطرابات الاستقلابية لأحماض اللاكتيك والبيروفيك

7.1 نقص كربوكسيلاز البيروفات نوع وراثي جسمي متنحي، ظهور المرض في فترة حديثي الولادة، مجمع أعراض "الطفل الرخو"، التشنجات المقاومة للعلاج، تركيزات عالية من أجسام الكيتون في الدم، فرط أمونيا الدم، فرط ليزينين الدم، انخفاض نشاط كربوكسيلاز البيروفات في الدم. العضلات الهيكلية

7.2 نقص هيدروجيناز البيروفات

المظاهر في فترة حديثي الولادة، خلل التشوه القحفي الوجهي، التشنجات المقاومة للعلاج، اضطرابات التنفس والمص، مجمع أعراض "الطفل الرخو"، خلل التنسج الدماغي، الحماض الشديد مع مستويات عالية من اللاكتات والبيروفات

7.3.انخفاض نشاط هيدروجيناز البيروفات

بداية في السنة الأولى من الحياة، صغر الرأس، تأخر النمو الحركي النفسي، ترنح، خلل التوتر العضلي، الكنح الرقصي، الحماض اللبني مع نسبة عالية من البيروفات

7.4. نقص ثنائي هيدروليبويل ترانساسيتيلاز

نوع وراثي جسمي متنحي من الميراث، ظهور المرض في فترة ما بعد الولادة، صغر الرأس، تأخر التطور الحركي النفسي، نقص التوتر العضلي مع زيادة لاحقة في قوة العضلات، ضمور القرص البصري، الحماض اللبني، انخفاض نشاط ثنائي هيدروليبويل ترانس-أسيتيلاز.

7.5 نقص ثنائي هيدروليبويل ديهيدروجينيز

نوع وراثي متنحي من الميراث، ظهور المرض في السنة الأولى من الحياة، مجموعة أعراض "الطفل الرخو"، أزمات خلل التمثيل الغذائي مع القيء والإسهال، تأخر النمو الحركي النفسي، ضمور الأقراص البصرية، الحماض اللبني، زيادة مستويات ألانين في مصل الدم، ألفا-كيتوجلوتارات، أحماض ألفا-كيتو متفرعة السلسلة، انخفاض نشاط هيدروجيناز ثنائي هيدروليبويل

8 .الأمراض الناجمة عن عيوب في أكسدة بيتا للأحماض الدهنية

8.1.نقص هيدروجيناز الأسيتيل-CoA طويل السلسلة الكربونية

نوع وراثي متنحي من الوراثة، ظهور المرض في الأشهر الأولى من الحياة، أزمات استقلابية مع القيء والإسهال، مجموعة أعراض "الطفل الرخو"، نقص السكر في الدم، بيلة حمضية ثنائية الكربوكسيل، انخفاض نشاط هيدروجيناز أسيتيل CoA من الدهون طويلة السلسلة الكربونية الأحماض

8.2 نقص هيدروجيناز أسيتيل CoA متوسط الكربون

نوع وراثي جسمي متنحي من الميراث، ظهور المرض في فترة حديثي الولادة أو الأشهر الأولى من الحياة، الأزمات الأيضية مع القيء والإسهال،

ضعف العضلات وانخفاض ضغط الدم، وغالبًا ما تتطور متلازمة الموت المفاجئ، ونقص السكر في الدم، والبيلة الحمضية ثنائية الكربوكسيل، وانخفاض نشاط هيدروجيناز أسيتيل CoA من الأحماض الدهنية متوسطة السلسلة الكربونية.

8.3. نقص هيدروجيناز الأسيتيل-CoA من الأحماض الدهنية قصيرة السلسلة

نوع وراثي جسمي متنحي من الوراثة، أعمار مختلفة من ظهور المرض، انخفاض القدرة على تحمل التمارين الرياضية، أزمات استقلابية مع القيء والإسهال، ضعف العضلات وانخفاض ضغط الدم، زيادة إفراز حمض الميثيل سوتشينيك في البول، إنزيم أسيتيل CoA من الأحماض الدهنية قصيرة السلسلة الكربونية.

8.4. النقص المتعدد في نازعة هيدروجين الأسيتيل-CoA للأحماض الدهنية

شكل حديثي الولادة: خلل التشوه القحفي الوجهي، خلل التنسج الدماغي، نقص السكر في الدم الشديد والحماض، بالطبع الخبيث، انخفاض نشاط جميع نازعة هيدروجين أسيتيل CoA من الأحماض الدهنية،

الشكل الطفولي:أعراض "الطفل الرخو" المعقدة، اعتلال عضلة القلب، الأزمات الأيضية، نقص السكر في الدم والحماض

8.5.انخفاض نشاط جميع نازعات هيدروجين الأسيتيل-CoA من الأحماض الدهنية

شكل الظهور المتأخر:تكون النوبات الدورية لضعف العضلات والأزمات الأيضية ونقص السكر في الدم والحماض أقل وضوحًا، ويتم الحفاظ على الذكاء،

9 .الاعتلالات الأنزيمية في دورة كريبس

9.1 نقص فوماراز

نوع وراثي جسمي متنحي، بداية المرض في فترة حديثي الولادة أو حديثي الولادة، صغر الرأس، ضعف العضلات العام وانخفاض ضغط الدم، نوبات الخمول، اعتلال الدماغ سريع التقدم، سوء التشخيص

9.2 نقص هيدروجيناز السكسينات

مرض نادر يتميز باعتلال دماغي تقدمي

9.3 نقص هيدروجيناز ألفا كيتوجلوتارات

نوع وراثي جسمي متنحي من الوراثة، بداية المرض عند الأطفال حديثي الولادة، صغر الرأس، مجموعة أعراض "الطفل الرخو"، نوبات من الخمول، الحماض اللبني، مسار تقدمي سريع، انخفاض محتوى إنزيمات دورة كريبس في الأنسجة

9.4.متلازمات نقص الكارنيتين وإنزيمات استقلابه

نقص كارنيتين بالميتويل ترانسفيراز -1، نوع وراثي جسمي متنحي من الوراثة، بداية مبكرة للمرض، نوبات من غيبوبة نقص السكر في الدم غير الكيتونية، تضخم الكبد، فرط ثلاثي جليسريد الدم وفرط أمونيا الدم المعتدل، انخفاض نشاط كارنيتين بالميتويل ترانسفيراز -1 في الخلايا الليفية وخلايا الكبد

9.5 نقص كارنيتين أسيل كارنيتين ترانزلوكاز

البداية المبكرة للمرض، واضطرابات القلب والأوعية الدموية والجهاز التنفسي، وأعراض "الطفل الرخو"، ونوبات الخمول والغيبوبة، وزيادة تركيزات استرات الكارنيتين وسلاسل الكربون الطويلة على خلفية انخفاض الكارنيتين الحر في مصل الدم، وانخفاض النشاط من كارنيتين أسيل كارنيتين ترانزلوكاز

9.6 نقص كارنيتين بالميتويل ترانسفيراز -2

نوع وراثي جسمي متنحي من الميراث، ضعف العضلات، ألم عضلي، بيلة عضلية، انخفاض نشاط كارنيتين بالميتويل ترانسفيراز -2 في العضلات الهيكلية

نوع وراثي جسمي متنحي من الميراث، أعراض عضلية معقدة، نوبات من الخمول والخمول، اعتلال عضلة القلب، نوبات نقص السكر في الدم، انخفاض مستويات الكارنيتين في الدم وزيادة إفراز البول.

بعد تحليل هذه القائمة "الرهيبة" من الأمراض المرتبطة بتغييرات معينة في عمل جينوم الميتوكوندريا (وليس فقط)، تبرز بعض الأسئلة. ما هي منتجات جينات الميتوكوندريا وفي أي العمليات الخلوية فائقة الحيوية تشارك؟

كما اتضح فيما بعد، يمكن أن تحدث بعض الأمراض المذكورة أعلاه بسبب الاضطرابات في تخليق 7 وحدات فرعية من مجمع هيدروجيناز NADH، ووحدتين فرعيتين من إنزيم ATP، و3 وحدات فرعية من أوكسيديز السيتوكروم سي ووحدة فرعية واحدة من اختزال يوبيكوينول-سيتوكروم سي (السيتوكروم). ب) وهي المنتجات الجينية للميتوكوندريا. وبناءً على ذلك، يمكننا أن نستنتج أن هذه البروتينات لها دور رئيسي في عمليات التنفس الخلوي، وأكسدة الأحماض الدهنية وتخليق ATP، ونقل الإلكترون في نظام نقل الإلكترون للغشاء MT الداخلي، وعمل نظام مضادات الأكسدة، وما إلى ذلك.

انطلاقا من أحدث البيانات حول آليات موت الخلايا المبرمج، توصل العديد من العلماء إلى استنتاج مفاده أن هناك مركزا للتحكم في موت الخلايا المبرمج...

كما ظهر دور بروتينات الميتوكوندريا في استخدام المضادات الحيوية التي تمنع تخليق الميتوكوندريا. إذا عولجت الخلايا البشرية في زراعة الأنسجة بمضاد حيوي، مثل التتراسيكلين أو الكلورامفينيكول، فسوف يتوقف نموها بعد انقسام واحد أو اثنين. ويرجع ذلك إلى تثبيط تخليق بروتين الميتوكوندريا، مما يؤدي إلى ظهور الميتوكوندريا المعيبة، ونتيجة لذلك، عدم كفاية تكوين ATP. لماذا إذن يمكن استخدام المضادات الحيوية لعلاج الالتهابات البكتيرية؟ هناك العديد من الاجابات لهذا السؤال:

1. بعض المضادات الحيوية (مثل الإريثروميسين) لا تمر عبر الغشاء الداخلي للميتوكوندريا في الثدييات.

2. معظم الخلايا في جسمنا لا تنقسم أو تنقسم ببطء شديد، وبالتالي فإن استبدال الميتوكوندريا الموجودة بأخرى جديدة يحدث ببطء مماثل (في العديد من الأنسجة، يتم استبدال نصف الميتوكوندريا في حوالي خمسة أيام أو حتى لفترة أطول). وبالتالي، فإن عدد الميتوكوندريا الطبيعية سوف ينخفض إلى مستوى حرج فقط إذا تم الحفاظ على الحصار المفروض على تخليق بروتين الميتوكوندريا لعدة أيام.

3. تمنع حالات معينة داخل الأنسجة بعض الأدوية من دخول الميتوكوندريا في الخلايا الأكثر حساسية. على سبيل المثال، يؤدي التركيز العالي من Ca2+ في نخاع العظم إلى تكوين مركب Ca2+-tetracycline، الذي لا يستطيع اختراق سلائف خلايا الدم سريعة الانقسام (وبالتالي الأكثر عرضة للخطر).

هذه العوامل تجعل من الممكن استخدام بعض الأدوية التي تمنع تخليق بروتين الميتوكوندريا كمضادات حيوية في علاج الحيوانات العليا. اثنان فقط من هذه الأدوية لهما آثار جانبية: العلاج طويل الأمد بجرعات كبيرة من الكلورامفينيكول يمكن أن يؤدي إلى تعطيل وظيفة المكونة للدم في نخاع العظم (تثبيط تكوين خلايا الدم الحمراء والبيضاء)، والاستخدام طويل الأمد للتتراسيكلين يمكن أن يؤدي إلى خلل في وظائف الدم. تلف ظهارة الأمعاء. ولكن في كلتا الحالتين، ليس من الواضح تمامًا بعد ما إذا كانت هذه الآثار الجانبية ناجمة عن حصار التولد الحيوي للميتوكوندريا أو لسبب آخر.

خاتمة

السمات الهيكلية والوظيفية لجينوم طن متري هي كما يلي. أولاً، ثبت أن الحمض النووي الميتوكوندري ينتقل من الأم إلى جميع أفرادها

نسلها ومن بناتها إلى جميع الأجيال اللاحقة، أما الأبناء فلا ينقلون حمضهم النووي (ميراث الأم). شخصية الأم

من المحتمل أن يرتبط وراثة mtDNA بحالتين: إما أن تكون نسبة mtDNA الأبوية صغيرة جدًا (لا تنتقل عبر الخط الأبوي)

أكثر من جزيء DNA واحد لكل 25 ألف من DNA mtDNA الأمومي)، بحيث لا يمكن اكتشافها بالطرق الحالية، أو بعد الإخصاب يتم حظر تكرار الميتوكوندريا الأبوية. ثانيًا، غياب التباين التجميعي - ينتمي mtDNA إلى أحد الوالدين فقط، وبالتالي فإن أحداث إعادة التركيب المميزة للحمض النووي النووي في الانقسام الاختزالي غائبة، ويتغير تسلسل النوكليوتيدات من جيل إلى جيل فقط بسبب الطفرات. ثالثًا، لا يحتوي mtDNA على إنترونات

(احتمال كبير أن تؤثر طفرة عشوائية على منطقة ترميز الحمض النووي)، والهستونات الواقية ونظام إصلاح الحمض النووي الفعال - كل هذا يحدد معدل طفرة أعلى بعشر مرات من الحمض النووي النووي. رابعا، يمكن أن يتعايش الحمض النووي الميتوكوندري الطبيعي والمتحول في وقت واحد داخل نفس الخلية - وهي ظاهرة البلازما المتغايرة (وجود الحمض النووي الميتوكوندري الطبيعي أو المتحول فقط يسمى التماثل المتجانس). أخيرًا، يتم نسخ كلتا السلسلتين وترجمتهما في mtDNA، وفي عدد من الخصائص، يختلف الرمز الجيني لـ mtDNA عن الكود العالمي (UGA يشفر التربتوفان، AUA يشفر الميثيونين، AGA وAGG متوقفان).

الكودونات).

هذه الخصائص والوظائف المذكورة أعلاه لجينوم mt جعلت من دراسة تباين تسلسل نيوكليوتيدات mtDNA أداة لا تقدر بثمن للأطباء وعلماء الطب الشرعي وعلماء الأحياء التطورية،

ممثلي العلوم التاريخية في حل مشاكلهم المحددة.

منذ عام 1988، عندما تم اكتشاف أن طفرات جين mtDNA تكمن وراء اعتلال عضلي الميتوكوندريا (J. Y. Holt et al.، 1988) والاعتلال العصبي البصري الوراثي لليبر (D. C. Wallace، 1988)، أدى التحديد المنهجي الإضافي للطفرات في جينوم mt البشري إلى تكوين مفهوم أمراض الميتوكوندريا (MD). حاليًا، تم اكتشاف طفرات mtDNA المرضية في كل نوع من جينات الميتوكوندريا.

فهرس

1. سكولاشيف، الميتوكوندريا والأكسجين، سوروس. تعليم مجلة

2. أساسيات الكيمياء الحيوية: في ثلاثة مجلدات، م: مير، .

3. نيكولز دي جي الطاقة الحيوية، مقدمة. إلى الكيمياء. ث.، أكاد. الصحافة، 1982.

4. سترير إل. الكيمياء الحيوية، الطبعة الثانية. سان فرانسيسكو، فريمان، 1981.

5. الأغشية البيولوجية سكولاشيف. م، 1989.

6. شبكة تشينتسوف: البنية وبعض الوظائف // نتائج العلوم. المشاكل العامة لعلم الأحياء. 1989

7. علم الخلايا تشينتسوف. م: دار النشر جامعة موسكو الحكومية، 1995

8. , نطاق اختصاص جينوم الميتوكوندريا // فيستن. RAMS، 2001. ‹ 10. ص 31-43.

9. هولت آي جيه، هاردينج إيه إي، مورغان- هيوز I. A. حذف الحمض النووي للميتوكوندريا العضلية في المرضى الذين يعانون من اعتلال عضلي الميتوكوندريا. طبيعة 1988، 331: 717-719.

10. وإلخ.الجينوم البشري وجينات الاستعداد. سانت بطرسبرغ، 2000

11. , جينوم الميتوكوندريا. نوفوسيبيرسك، 1990.

12. // سوروس. تعليم مجلة 1999. رقم 10. ص11-17.

13. دور التكافل في تطور الخلية. م، 1983.

14. // سوروس. تعليم مجلة 1998. رقم 8. ص2-7.

15. // سوروس. تعليم مجلة 2000. رقم 1. ص32-36.

جامعة كييف الوطنية سميت باسم. تاراس شيفتشينكو

قسم الأحياء

مقال

حول موضوع:

"دور جينوم الأم في تطور النسل"

معهناكهnta رابعادورة

قسم الكيمياء الحيوية

فرولوفا أرتيما

كييف 2004

يخطط:

مقدمة................................................. ..............................1

النظرية التكافلية لأصل الميتوكوندريا......2

دور نواة الخلية في النشوء الحيوي للميتوكوندريا .......................................... ..........5

أنظمة نقل الميتوكوندريا ........................................... .................. ......7

حجم وشكل جينومات الميتوكوندريا................................................10

عمل جينوم الميتوكوندريا......14

أهمية وجود نظام وراثي خاص بها للميتوكوندريا ........................................... .......................... ................................... 19

الميراث السيتوبلازمي................................................20

المقال الرئيسي: الحمض النووي الميتوكوندريا

الحمض النووي للميتوكوندريا الموجود في المصفوفة هو جزيء دائري مغلق مزدوج الجديلة، في الخلايا البشرية يبلغ حجمه 16569 زوجًا من النيوكليوتيدات، وهو أصغر بحوالي 10 5 مرات من الحمض النووي المتمركز في النواة. في المجمل، يشفر الحمض النووي للميتوكوندريا 2 rRNA و22 tRNA و13 وحدة فرعية من إنزيمات السلسلة التنفسية، والتي تمثل ما لا يزيد عن نصف البروتينات الموجودة فيه. على وجه الخصوص، تحت سيطرة جينوم الميتوكوندريا، يتم تشفير سبع وحدات فرعية من إنزيم ATP، وثلاث وحدات فرعية من السيتوكروم أوكسيديز، ووحدة فرعية واحدة من يوبيكوينول-سيتوكروم. مع-اختزال. في هذه الحالة، يتم نسخ جميع البروتينات باستثناء واحد واثنين من الريبوسوم وستة RNA ناقل من سلسلة الحمض النووي الأثقل (الخارجية)، ويتم نسخ 14 RNA آخر وبروتين واحد من السلسلة الأخف (الداخلية).

على هذه الخلفية، فإن جينوم الميتوكوندريا النباتية أكبر بكثير ويمكن أن يصل إلى 370.000 زوج من النيوكليوتيدات، وهو ما يقرب من 20 مرة أكبر من جينوم الميتوكوندريا البشرية الموصوف أعلاه. كما أن عدد الجينات هنا أكبر بنحو 7 مرات تقريبًا، وهو ما يصاحبه ظهور مسارات إضافية لنقل الإلكترون في الميتوكوندريا النباتية غير المرتبطة بتخليق ATP.

يتضاعف الحمض النووي للميتوكوندريا في الطور البيني، والذي يتزامن جزئيًا مع تكرار الحمض النووي في النواة. أثناء دورة الخلية، تنقسم الميتوكوندريا إلى قسمين عن طريق الانقباض، ويبدأ تكوينها من أخدود دائري على الغشاء الداخلي للميتوكوندريا. كشفت دراسة مفصلة لتسلسل النيوكليوتيدات في جينوم الميتوكوندريا أن الانحرافات عن الشفرة الوراثية العالمية شائعة في الميتوكوندريا لدى الحيوانات والفطريات. وهكذا، في الميتوكوندريا البشرية، يقوم كودون TAT، بدلاً من الأيسولوسين في الكود القياسي، بتشفير الحمض الأميني ميثيونين، وكودون TCT وTCC، الذين عادة ما يشفرون الأرجينين، هم كودون توقف، وكودون AST، وهو كودون توقف في الميتوكوندريا البشرية. الكود القياسي، يشفر الحمض الأميني الميثيونين. أما بالنسبة للميتوكوندريا النباتية، فمن الواضح أنها تستخدم شفرة وراثية عالمية. ميزة أخرى للميتوكوندريا هي خصوصية التعرف على كودون الحمض النووي الريبوزي (tRNA)، والتي تتمثل في حقيقة أن أحد هذه الجزيئات قادر على التعرف ليس على كودون واحد، بل على ثلاثة أو أربعة كودونات في وقت واحد. تقلل هذه الميزة من أهمية النوكليوتيدات الثالثة في الكودون وتؤدي إلى حقيقة أن الميتوكوندريا تتطلب تنوعًا أقل في أنواع الحمض الريبي النووي النقال. وفي هذه الحالة، يتبين أن 22 نوعًا مختلفًا فقط من الحمض النووي الريبوزي الناقل كافية.

نظرًا لوجود جهاز وراثي خاص بها، فإن الميتوكوندريا لديها أيضًا نظامها الخاص لتخليق البروتين، ومن سماته في الخلايا الحيوانية والفطرية الريبوسومات الصغيرة جدًا، التي تتميز بمعامل ترسيب قدره 55S، وهو أقل حتى من معامل الترسيب 70S في بدائيات النواة. يكتب. علاوة على ذلك، فإن اثنين من جزيئات الـ RNA الريبوسومية الكبيرة أصغر أيضًا في الحجم من بدائيات النوى، كما أن الـ rRNA الصغير غائب تمامًا. على العكس من ذلك، في الميتوكوندريا النباتية، تكون الريبوسومات أكثر تشابهًا مع الريبوسومات بدائية النواة من حيث الحجم والبنية.

بروتينات الميتوكوندريا[عدل | تحرير النص المصدر]

عدد البروتينات المترجمة من mRNA الميتوكوندريا والتي تشكل الوحدات الفرعية لمجمعات الإنزيمات الكبيرة محدود. يتم تشفير جزء كبير من البروتينات في النواة ويتم تصنيعها على ريبوسومات 80S السيتوبلازمية. على وجه الخصوص، هذه هي الطريقة التي تتشكل بها بعض البروتينات - حاملات الإلكترون، وناقلات الميتوكوندريا، ومكونات نقل البروتين إلى الميتوكوندريا، بالإضافة إلى العوامل اللازمة لنسخ وترجمة وتكرار الحمض النووي للميتوكوندريا. علاوة على ذلك، تحتوي هذه البروتينات عند نهايتها N على ببتيدات إشارة خاصة، يتراوح حجمها من 12 إلى 80 بقايا حمض أميني. تشكل هذه المناطق تجعيدات أمفيفيلية وتوفر اتصالًا محددًا للبروتينات مع مجالات الارتباط لمستقبلات التعرف على الميتوكوندريا المترجمة على الغشاء الخارجي. يتم نقل هذه البروتينات إلى غشاء الميتوكوندريا الخارجي في حالة غير مطوية جزئيًا بالاشتراك مع بروتينات المرافقة (على وجه الخصوص، hsp70). بعد النقل عبر الأغشية الخارجية والداخلية في أماكن ملامستها، تتصل البروتينات التي تدخل الميتوكوندريا مرة أخرى بالمرافقين، ولكن من أصل الميتوكوندريا الخاص بها، والتي تلتقط البروتين العابر للغشاء، وتعزز تراجعه في الميتوكوندريا، وتتحكم أيضًا في عملية الطي الصحيح لسلسلة البولي ببتيد. تمتلك معظم المرافقات نشاط ATPase، ونتيجة لذلك فإن نقل البروتينات إلى الميتوكوندريا وتكوين أشكالها النشطة وظيفيًا هما عمليتان تعتمدان على الطاقة.