© G.M. Dymshits
A mitokondriális genom meglepetései
G.M. Dymshitek
Grigory Moiseevich Dymshits, A biológiai tudományok doktora, a Novoszibirszki Állami Egyetem Molekuláris Biológiai Tanszékének professzora, az Orosz Tudományos Akadémia Szibériai Kirendeltsége Citológiai és Genetikai Intézet Genomszerkezeti Laboratóriumának vezetője. Négy általános biológia tankönyv társszerzője és szerkesztője.Negyedszázad telt el a DNS-molekulák felfedezése óta a mitokondriumokban, és nem csak a molekuláris biológusok és citológusok kezdtek érdeklődni irántuk, hanem genetikusok, evolucionisták, valamint paleontológusok és kriminológusok, történészek és nyelvészek is. Az ilyen széles körű érdeklődést A. Wilson, a Kaliforniai Egyetem munkatársa munkája váltotta ki. 1987-ben publikálta a mitokondriális DNS összehasonlító elemzésének eredményeit, amelyet öt kontinensen élő összes emberi faj különböző etnikai csoportjainak 147 képviselőjétől vettek. Az egyedi mutációk típusa, helye és száma alapján megállapították, hogy az összes mitokondriális DNS egy ősi nukleotidszekvenciából származott divergencia révén. Az áltudományos sajtóban ezt a következtetést rendkívül leegyszerűsítve értelmezték - az egész emberiség egyetlen nőtől származott, akit mitokondriális Évának hívtak (a lányok és a fiúk is csak az anyjuktól kapják a mitokondriumokat), aki körülbelül 200 éve élt Északkelet-Afrikában. ezer évvel ezelőtt. Újabb 10 évvel később sikerült megfejteni a neandervölgyi maradványaiból izolált mitokondriális DNS-részletet, és megbecsülni az emberek és a neandervölgyiek utolsó közös őse létezését 500 ezer évvel ezelőttre.
Napjainkban az emberi mitokondriális genetika intenzíven fejlődik mind populációs, mind orvosi szempontból. Összefüggést állapítottak meg számos súlyos örökletes betegség és a mitokondriális DNS hibája között. Az öregedéssel összefüggő genetikai változások a legkifejezettebbek a mitokondriumokban. Miben különbözik az emberek és más állatok mitokondriális genomja a növények, gombák és protozoák genomjától méretében, alakjában és genetikai kapacitásában? Hogyan működik a mitokondriális genom, és hogyan keletkezett különböző taxonokban? Erről cikkünkben lesz szó.
A mitokondriumokat a sejt energiaállomásainak nevezik. A külső sima membránon kívül van egy belső membránjuk, amely számos redőt - cristae - képez. Tartalmazzák a légzési lánc beépített fehérjekomponenseit – az oxidált tápanyagok kémiai kötéseinek energiáját adenozin-trifoszforsav (ATP) molekulák energiájává alakító enzimeket. Ezzel az „átváltható valutával” a sejt fizeti az összes energiaszükségletét. A zöld növények sejtjeiben a mitokondriumokon kívül más energiaállomások is találhatók - kloroplasztiszok. Dolgoznak „napelemeken”, de ATP-t is képeznek ADP-ből és foszfátból. A mitokondriumokhoz hasonlóan a kloroplasztiszoknak – autonóm módon szaporodó organellumoknak – szintén két membránjuk van, és DNS-t tartalmaznak.
A mitokondriális mátrix a DNS mellett saját riboszómákat is tartalmaz, amelyek sok jellemzőben különböznek az endoplazmatikus retikulum membránjain található eukarióta riboszómáktól. Azonban az összetételükben lévő összes fehérje legfeljebb 5% -a képződik a mitokondriumok riboszómáin. A mitokondriumok szerkezeti és funkcionális komponenseit alkotó fehérjék többségét a nukleáris genom kódolja, az endoplazmatikus retikulum riboszómáin szintetizálják, és csatornáin keresztül jutnak el az összeállítás helyére. Így a mitokondriumok két genom és két transzkripciós és transzlációs apparátus együttes erőfeszítésének eredményei. A mitokondriális légzőlánc egyes alegységenzimei különböző polipeptidekből állnak, amelyek egy részét a nukleáris genom, másokat a mitokondriális genom kódol. Például az oxidatív foszforiláció kulcsenzime, a citokróm c oxidáz az élesztőben, három, mitokondriumban kódolt és szintetizált alegységből, valamint négy alegységből áll, amelyeket a sejtmag kódol, és a citoplazmában szintetizálódik. A legtöbb mitokondriális gén expresszióját specifikus nukleáris gének szabályozzák.
A mitokondriális genomok méretei és alakjai
Eddig több mint 100 különböző mitokondriális genomot olvastak le. A mitokondriális DNS-ben lévő génjeinek készlete és száma, amelyek nukleotidszekvenciája teljesen meghatározott, nagymértékben változik a különböző állat-, növény-, gomba- és protozoonfajok között. A legtöbb gént a flagellált protozoonok mitokondriális genomjában találták meg Rectinomonas americana- 97 gén, beleértve az összes fehérjét kódoló gént, amely más szervezetek mtDNS-ében található. A legtöbb magasabb rendű állatban a mitokondriális genom 37 gént tartalmaz: 13 gént a légzőlánc fehérjéihez, 22 tRNS-ét és kettő rRNS-ét (a 16S rRNS nagy riboszomális alegységéhez és a kis 12S rRNS-hez). A növényekben és protozoonokban, az állatokkal és a legtöbb gombával ellentétben, a mitokondriális genom is kódol néhány olyan fehérjét, amelyek ezen organellumok riboszómáit alkotják. A templát polinukleotid szintézis kulcsenzimei, mint például a DNS-polimeráz (replikálódik a mitokondriális DNS-t) és az RNS-polimeráz (átírja a mitokondriális genomot) a sejtmagban kódolódnak, és a citoplazma riboszómáin szintetizálódnak. Ez a tény a mitokondriális autonómia viszonylagosságát jelzi az eukarióta sejt összetett hierarchiájában.
A különböző fajok mitokondriális genomjai nemcsak a gének készletében, elhelyezkedésük és kifejeződésük sorrendjében, hanem a DNS méretében és alakjában is különböznek egymástól. A ma leírt mitokondriális genomok túlnyomó többsége cirkuláris szuperspirálos, kétszálú DNS-molekula. Egyes növényekben a körkörös formák mellett lineárisak is vannak, egyes protozoákban, például csillósokban, csak lineáris DNS található a mitokondriumokban.
Általában minden mitokondrium több másolatot tartalmaz genomjából. Így az emberi májsejtekben körülbelül 2 ezer mitokondrium található, és mindegyik 10 azonos genomot tartalmaz. Az egér fibroblasztokban 500 mitokondrium van, amelyek két genomot tartalmaznak, az élesztősejtekben S.cerevisiae- legfeljebb 22 mitokondrium, amelyek mindegyike négy genommal rendelkezik.
A növények mitokondriális genomja jellemzően több, különböző méretű molekulából áll. Ezek egyike, a „főkromoszóma” tartalmazza a legtöbb gént, és az egymással és a fő kromoszómával dinamikus egyensúlyban lévő kisebb kör alakú formák intra- és intermolekuláris rekombináció eredményeként jönnek létre a ismétlődő szekvenciák jelenléte (1. ábra).
1. ábra. Különböző méretű cirkuláris DNS-molekulák kialakulásának vázlata növényi mitokondriumokban.
A rekombináció ismétlődő régiók mentén megy végbe (kék színnel jelölve).
2. ábra. Lineáris (A), cirkuláris (B), láncos (C) mtDNS oligomerek képződésének sémája.
ori az a régió, ahol a DNS-replikáció megindul.
A különböző organizmusok mitokondriális genomjának mérete a falciparum plazmódiumban található kevesebb mint 6 ezer bázispártól (két rRNS génen kívül csak három fehérjét kódoló gént tartalmaz) a szárazföldi növényekben található több százezer bázispárig terjed. példa, Arabidopsis thaliana a keresztesvirágúak családjából 366924 nukleotidpár). Sőt, a magasabb rendű növények mtDNS-ének méretében 7-8-szoros különbségek találhatók még ugyanazon a családon belül is. A gerincesek mtDNS-ének hossza kissé eltér: emberben - 16569 nukleotidpár, sertésben - 16350, delfinekben - 16330, karmos békákban Xenopus laevis- 17533, pontyban - 16400. Ezek a genomok a gének lokalizációjában is hasonlóak, amelyek többsége végtől-végig található; egyes esetekben még át is fedik egymást, általában egy nukleotiddal, így az egyik gén utolsó nukleotidja az első a következőben. A gerincesekkel ellentétben a növényekben, gombákban és protozoonokban az mtDNS legfeljebb 80%-ban nem kódoló szekvenciákat tartalmaz. A gének sorrendje a mitokondriális genomokban fajonként eltérő.
A reaktív oxigénfajták magas koncentrációja a mitokondriumokban és a gyenge javítórendszer nagyságrenddel növeli az mtDNS mutációk gyakoriságát a nukleáris DNS-hez képest. Az oxigéngyökök specifikus C®T (citozin dezamináció) és G®T (guanin oxidatív károsodása) szubsztitúcióit okoznak, aminek következtében az mtDNS valószínűleg gazdag AT párokban. Ezenkívül minden mtDNS-nek van egy érdekes tulajdonsága - a nukleáris és prokarióta DNS-sel ellentétben nem metiláltak. Ismeretes, hogy a metiláció (a nukleotidszekvencia ideiglenes kémiai módosítása a DNS kódoló funkciójának megzavarása nélkül) a programozott géninaktiválás egyik mechanizmusa.
Emlős mitokondriális DNS replikációja és transzkripciója
A legtöbb állatban az mtDNS-ben található komplementer láncok fajlagos sűrűsége jelentősen eltér, mivel egyenlőtlen mennyiségű „nehéz” purin és „könnyű” pirimidin nukleotidot tartalmaznak. Így hívják őket - H (nehéz - nehéz) és L (könnyű - könnyű) lánc. Az mtDNS molekula replikációjának kezdetén úgynevezett D-hurok képződik (az angol displacement loop - displacement loop szóból). Ez az elektronmikroszkóp alatt látható szerkezet egy kétszálú és egy egyszálú (a H-lánc kiterjesztett része) régióból áll. A kettős szálú régiót az L-lánc egy része és egy azzal komplementer, újonnan szintetizált, 450-650 nukleotid hosszúságú DNS-fragmens alkotja (a szervezet típusától függően), amelynek 5" végén egy ribonukleotid primer található, ami megfelel a H-lánc szintézis kiindulópontjáig (ori H) Szintézis Az L-lánc csak akkor kezdődik, amikor a leány H-lánc eléri az ori L pontot. A lánc a DNS-szintézis enzimek számára csak egyszálú állapotban érhető el, ezért a H szintézis során csak egy csavaratlan kettős hélixben -láncok Így az mtDNS leányszálai folyamatosan és aszinkron módon szintetizálódnak (3. ábra).
3. ábra. Emlős mtDNS replikációs séma.
Először a D-hurok jön létre, majd a leány H-szál szintetizálódik,
majd megkezdődik a leány L-lánc szintézise.
A mitokondriumokban a D-hurokkal rendelkező molekulák teljes száma jelentősen meghaladja a teljesen replikálódó molekulák számát. Ez annak a ténynek köszönhető, hogy a D-huroknak további funkciói is vannak - az mtDNS rögzítése a belső membránhoz és a transzkripció megindítása, mivel mindkét DNS-szál transzkripciós promoterei ebben a régióban találhatók.
A legtöbb eukarióta géntől eltérően, amelyek egymástól függetlenül íródnak át, az emlős mtDNS szálai mindegyike egyetlen RNS-molekulává íródik át, az ori H régiótól kezdve.Ezen a két hosszú RNS-molekulán kívül komplementer a H- ill. Az L-láncok közül több a H-lánc rövid szakaszai alkotják, amelyek ugyanabban a pontban kezdődnek, és a 16S rRNS gén 3"-os végénél végződnek (4. ábra). 10-szer több ilyen rövid transzkriptum van, mint hosszú. Az érlelés (feldolgozás) eredményeként belőlük 12S rRNS és a mitokondriális riboszómák képződésében részt vevő 16S rRNS, valamint fenilalanin és valin tRNS képződik, a fennmaradó tRNS-eket a hosszú transzkriptumokból kivágják és transzlált mRNS-ek keletkeznek. amelyeknek 3"-os végei poliadenilszekvenciák kapcsolódnak. Ezen mRNS-ek 5"-os végei nincsenek lefedve, ami szokatlan az eukarióták esetében. Összeillesztés nem történik, mivel az emlős mitokondriális gének egyike sem tartalmaz intronokat.
4. ábra. 37 gént tartalmazó humán mtDNS transzkripciója. Minden transzkriptum szintetizálódik az ori H régióban. A tRNS és az mRNS mindkét DNS-szál transzkriptumainak feldolgozása eredményeként jön létre. A tRNS-géneket világoszöld szín jelzi.A mitokondriális genom meglepetései
Annak ellenére, hogy az emlősök és az élesztő mitokondriumok genomja megközelítőleg ugyanannyi gént tartalmaz, az élesztő genom mérete 4-5-ször nagyobb - körülbelül 80 ezer bázispár. Bár az élesztő mtDNS kódoló szekvenciái nagymértékben homológok az emberben lévő megfelelő szekvenciákkal, az élesztő mRNS-ek ezenkívül egy 5"-os vezetőrégióval és egy 3"-os nem kódoló régióval rendelkeznek, mint a legtöbb nukleáris mRNS. Számos gén is tartalmaz intronokat. Így a citokróm-oxidáz b-t kódoló boxgénnek két intronja van. Az első intron nagy részének másolata autokatalitikusan (fehérjék részvétele nélkül) kivágásra kerül az elsődleges RNS-transzkriptumból. A megmaradt RNS templátként szolgál a splicingben részt vevő maturáz enzim kialakulásához. Aminosavszekvenciájának egy részét az intronok fennmaradó kópiái kódolják. A Maturase kivágja őket, tönkretéve saját mRNS-ét, az exonok másolatait összefűzi, és a citokróm-oxidáz b mRNS-e keletkezik (5. ábra). Ennek a jelenségnek a felfedezése arra késztetett bennünket, hogy újragondoljuk az intronokat, mint „nem kódoló szekvenciákat”. 
5. ábra. A citokróm-oxidáz b mRNS feldolgozása (érése) élesztő mitokondriumokban.
A splicing első szakaszában mRNS képződik, amelyet a maturáz szintézisére használnak,
szükséges a második illesztési lépéshez.
A mitokondriális gének expressziójának tanulmányozásakor Trypanosoma brucei meglepő eltérést fedezett fel a molekuláris biológia egyik alapvető axiómától, amely szerint az mRNS nukleotidszekvenciája pontosan megegyezik a DNS kódoló régióinak szekvenciájával. Kiderült, hogy a citokróm c oxidáz egyik alegységének mRNS-e szerkesztett, azaz. transzkripció után primer szerkezete megváltozik - négy uracil kerül be. Ennek eredményeként új mRNS képződik, amely templátként szolgál az enzim további alegységének szintéziséhez, amelynek aminosav-szekvenciája semmi köze a szerkesztetlen mRNS által kódolt szekvenciához (lásd a táblázatot).
Először a tripanoszóma mitokondriumokban fedezték fel, az RNS-szerkesztés széles körben elterjedt a magasabb rendű növények kloroplasztiszaiban és mitokondriumaiban. Az emlősök szomatikus sejtjeiben is megtalálható, például az emberi bélhámban az apolipoprotein gén mRNS-e szerkesztődik.
A mitokondriumok jelentették a legnagyobb meglepetést a tudósok számára 1979-ben. Addig azt hitték, hogy a genetikai kód univerzális, és ugyanazok a tripletek ugyanazokat az aminosavakat kódolják a baktériumokban, vírusokban, gombákban, növényekben és állatokban. Burrell angol kutató a borjú egyik mitokondriális génjének szerkezetét hasonlította össze az e gén által kódolt citokróm-oxidáz alegység aminosav-szekvenciájával. Kiderült, hogy a szarvasmarháknál (ahogy az embernél is) a mitokondriumok genetikai kódja nemcsak hogy eltér az univerzálistól, hanem „ideális”, i.e. betartja a következő szabályt: "ha két kodonnak két azonos nukleotidja van, és a harmadik nukleotidok ugyanabba az osztályba tartoznak (purin - A, G vagy pirimidin - U, C), akkor ugyanazt az aminosavat kódolják." Az univerzális kódban két kivétel van e szabály alól: az AUA hármas az izoleucint és az AUG kodon a metionint kódolja, míg az ideális mitokondriális kódban mindkét hármas metionint kódol; Az UGG hármas csak triptofánt kódol, az UGA hármas pedig stopkodont kódol. Az univerzális kódban mindkét eltérés a fehérjeszintézis alapvető aspektusait érinti: az AUG kodon a kezdeményező, az UGA stopkodon pedig leállítja a polipeptid szintézisét. Az ideális kód nem minden leírt mitokondriumban rejlik, de egyiknek sincs univerzális kódja. Azt mondhatjuk, hogy a mitokondriumok különböző nyelveket beszélnek, de soha nem a mag nyelvét.
Mint már említettük, a gerinces mitokondriális genomjában 22 tRNS-gén található. Hogyan szolgálja ki egy ilyen hiányos halmaz az aminosavak mind a 60 kodonját (a 64 triplett ideális kódja négy stopkodont tartalmaz, az univerzális kód három)? A tény az, hogy a mitokondriumokban a fehérjeszintézis során a kodon-antikodon kölcsönhatások leegyszerűsödnek - három antikodon nukleotidból kettőt használnak a felismeréshez. Így egy tRNS felismeri a kodoncsalád mind a négy tagját, amelyek csak a harmadik nukleotidban különböznek egymástól. Például a GAU antikodont tartalmazó leucin tRNS a riboszómán a TsU, TsUC, TsUA és Tsug kodonokkal szemben áll, biztosítva a leucin hibamentes beépülését a polipeptidláncba. Két másik leucin kodont, az UUA-t és az UUG-t a tRNS az AAU antikodonnal ismeri fel. Összesen nyolc különböző tRNS-molekula nyolc, egyenként négy kodonból álló családot ismer fel, és 14 tRNS különböző kodonpárokat ismer fel, amelyek mindegyike egy aminosavat kódol.
Fontos, hogy az aminoacil-tRNS szintetáz enzimek, amelyek felelősek a megfelelő mitokondriális tRNS-ekhez való aminosavak hozzáadásaért, a sejtmagban kódolódnak, és az endoplazmatikus retikulum riboszómáin szintetizálódnak. Így gerincesekben a mitokondriális polipeptid szintézis összes fehérjekomponense titkosítva van a sejtmagban. Ebben az esetben a mitokondriumban a fehérjeszintézist nem gátolja az eukarióta riboszómák munkáját blokkoló cikloheximid, hanem érzékeny az eritromicin és kloramfenikol nevű antibiotikumokra, amelyek gátolják a baktériumok fehérjeszintézisét. Ez a tény az egyik érv amellett, hogy a mitokondriumok aerob baktériumokból származnak az eukarióta sejtek szimbiotikus képződése során.
A mitokondriumok eredetének szimbiotikus elmélete
A mitokondriumok és a növényi plasztidok intracelluláris endoszimbionta baktériumokból való eredetére vonatkozó hipotézist R. Altman fogalmazta meg még 1890-ben. A biokémia, citológia, genetika és molekuláris biológia fél évszázaddal ezelőtti gyors fejlődésének évszázada során a hipotézis nagy mennyiségű tényanyagon alapuló elméletté nőtte ki magát. Lényege a következő: a fotoszintetikus baktériumok megjelenésével a Föld légkörében felhalmozódott az oxigén - anyagcseréjük mellékterméke. Koncentrációjának növekedésével az anaerob heterotrófok élete bonyolultabbá vált, és egy részük oxigénmentes fermentációról oxidatív foszforilációra tért át energiaszerzés céljából. Az ilyen aerob heterotrófok az anaerob baktériumoknál nagyobb hatékonysággal képesek lebontani a fotoszintézisből származó szerves anyagokat. A szabadon élő aerobok egy részét az anaerobok befogták, de nem „emésztették meg”, hanem energiaállomásként, mitokondriumként raktározták el. A mitokondriumokat nem szabad rabszolgának tekinteni, fogságba ejteni, hogy ATP-molekulákkal látják el azokat a sejteket, amelyek nem képesek légzésre. Ők inkább „lények”, amelyek a proterozoikumban a legjobb menedéket találták maguknak és utódaiknak, ahol a legkevesebb erőfeszítést tudták fordítani anélkül, hogy meg kellene enniük.
Számos tény szól a szimbiotikus elmélet mellett:
- a mitokondriumok és a szabadon élő aerob baktériumok mérete és alakja egybeesik; mindkettő cirkuláris DNS-molekulákat tartalmaz, amelyek nem kapcsolódnak hisztonokhoz (ellentétben a lineáris nukleáris DNS-sel);Van egy olyan elképzelés, hogy az eukarióták különböző birodalmainak eltérő ősei voltak, és a bakteriális endoszimbiózis az élő szervezetek evolúciójának különböző szakaszaiban alakult ki. Ezt a protozoonok, gombák, növények és magasabb rendű állatok mitokondriális genomjának szerkezetében mutatkozó különbségek is bizonyítják. De minden esetben a promitokondriumokból származó gének nagy része bejutott a sejtmagba, valószínűleg mobil genetikai elemek segítségével. Ha az egyik szimbionta genomjának egy része egy másik genomjába kerül, a szimbionták integrációja visszafordíthatatlanná válik.Nukleotid szekvenciák tekintetében a mitokondriumok riboszómális és transzfer RNS-ei eltérnek a nukleáris RNS-ektől, miközben meglepő hasonlóságot mutatnak egyes aerob gram-negatív eubaktériumok hasonló molekuláival;
A mitokondriális RNS polimerázokat, bár a sejtmagban kódolják, a rifampicin gátolja, mint a bakteriálisokat, és az eukarióta RNS polimerázok érzéketlenek erre az antibiotikumra;
A fehérjeszintézist a mitokondriumokban és a baktériumokban ugyanazok az antibiotikumok elnyomják, amelyek nem befolyásolják az eukarióták riboszómáit;
A mitokondriumok belső membránjának és a bakteriális plazmalemmának a lipidösszetétele hasonló, de nagyon eltér a mitokondriumok külső membránjának lipidösszetételétől, amely homológ az eukarióta sejtek más membránjaival;
A belső mitokondriális membrán által alkotott kriszták számos prokarióta mezoszomális membránjának evolúciós analógjai;
Még mindig vannak olyan organizmusok, amelyek közbenső formákat utánoznak a baktériumokból (primitív amőba) történő mitokondriumok kialakulásához vezető úton Pelomyxa nem tartalmaz mitokondriumokat, de mindig tartalmaz endoszimbiotikus baktériumokat).
Az új genom olyan metabolikus utakat hozhat létre, amelyek olyan hasznos termékek képződéséhez vezetnek, amelyeket egyik partner sem képes egyedül szintetizálni. Így a szteroid hormonok szintézise a mellékvesekéreg sejtjei által összetett reakciólánc, amelyek egy része a mitokondriumokban, más része pedig az endoplazmatikus retikulumban fordul elő. A promitokondriális gének befogásával a sejtmag képes volt megbízhatóan ellenőrizni a szimbionta funkcióit. A sejtmag a mitokondriumok külső membránjának összes fehérjét és lipidszintézisét, a mátrix legtöbb fehérjét és az organellumok belső membránját kódolja. A legfontosabb, hogy a sejtmag az mtDNS replikációjához, transzkripciójához és transzlációjához szükséges enzimeket kódolja, ezáltal szabályozza a mitokondriumok növekedését és szaporodását. A szimbiózispartnerek növekedési ütemének megközelítőleg azonosnak kell lennie. Ha a gazdaszervezet gyorsabban növekszik, akkor minden generációval csökken az egyedenkénti szimbionták száma, és végül megjelennek a mitokondrium nélküli leszármazottak. Tudjuk, hogy egy szexuálisan szaporodó szervezet minden sejtje sok mitokondriumot tartalmaz, amelyek a DNS-üket replikálják a gazdaszervezet osztódásai között. Ez biztosítja, hogy mindegyik leánysejt megkapja a mitokondriális genom legalább egy másolatát.
Citoplazmatikus öröklődés
A mitokondriális genom a légzési lánc kulcsfontosságú komponenseinek és saját fehérjeszintetizáló apparátusának kódolása mellett bizonyos esetekben részt vesz néhány morfológiai és élettani jellemző kialakításában. Ezek a tulajdonságok közé tartozik az NCS-szindróma (nem kromoszómális csík, nem kromoszómális kódolt levélfoltosság) és a citoplazmatikus hímsterilitás (CMS), amely számos magasabb rendű növényfajra jellemző, ami a pollen normális fejlődésének megzavarásához vezet. Mindkét jel megnyilvánulása az mtDNS szerkezetében bekövetkezett változásoknak köszönhető. A CMS-ben a mitokondriális genomok átrendeződését figyelik meg a rekombinációs események eredményeként, amelyek bizonyos nukleotidszekvenciák vagy teljes gének deléciójához, megkettőződéséhez, inverziójához vagy inszerciójához vezetnek. Az ilyen változások nemcsak a meglévő gének károsodását okozhatják, hanem új működő gének megjelenését is.
A citoplazmatikus öröklődés, ellentétben a nukleáris öröklődéssel, nem engedelmeskedik Mendel törvényeinek. Ez annak a ténynek köszönhető, hogy a magasabbrendű állatokban és növényekben a különböző nemű ivarsejtek eltérő mennyiségű mitokondriumot tartalmaznak. Tehát egy egér tojásban 90 ezer mitokondrium van, de egy spermában csak négy. Nyilvánvaló, hogy a megtermékenyített petesejtben a mitokondriumok túlnyomórészt vagy csak a nőstény egyedből származnak, pl. Minden mitokondriális gén anyai öröklődésű. A citoplazmatikus öröklődés genetikai elemzése nehéz a sejtmag-citoplazma kölcsönhatások miatt. Citoplazmatikus hímsterilitás esetén a mutáns mitokondriális genom kölcsönhatásba lép bizonyos nukleáris génekkel, amelyek recesszív alléljai szükségesek a tulajdonság kialakulásához. E gének domináns alléljai mind homo-, mind heterozigóta állapotban visszaállítják a növények termékenységét, függetlenül a mitokondriális genom állapotától.
Az eukarióta sejt és a szervezet egészének összetett hierarchikus szerveződésének megértéséhez szükséges a mitokondriális genomok, a populációgenetika sajátos törvényszerűségeit követő evolúciójuk, valamint a nukleáris és mitokondriális genetikai rendszerek összefüggéseinek vizsgálata.
A mitokondriális DNS vagy a mitokondriumokat szabályozó nukleáris gének bizonyos mutációi egyes örökletes betegségekhez és az emberi öregedéshez kapcsolódnak. Gyűlnek az adatok az mtDNS-hibáknak a karcinogenezisben való részvételéről. Ezért a mitokondriumok a rák kemoterápia célpontjai lehetnek. Vannak tények a nukleáris és mitokondriális genom szoros kölcsönhatásáról számos emberi patológia kialakulásában. Több mtDNS deléciót találtak súlyos izomgyengeségben, ataxiában, süketségben és mentális retardációban szenvedő betegeknél, amelyek autoszomális domináns módon öröklődnek. A szívkoszorúér-betegség klinikai megnyilvánulásaiban szexuális dimorfizmust állapítottak meg, ami nagy valószínűséggel az anyai hatásnak - a citoplazmatikus öröklődésnek - köszönhető. A génterápia fejlődése reményt ad a mitokondriális genom hibáinak belátható jövőbeni kijavítására.
Ezt a munkát az Orosz Alapkutatási Alapítvány támogatta. Projekt 01-04-48971.
A szerző köszönetet mond M. K. Ivanov végzős hallgatónak, aki elkészítette a cikk rajzait.
Irodalom
1. Yankovsky N.K., Borinskaya S.A. DNS-ben rögzített történelmünk // Természet. 2001. 6. sz. P.10-18. 2. Minchenko A.G., Dudareva N.A. Mitokondriális genom. Novoszibirszk, 1990. 3. Gvozdev V.A.// Soros. oktatás magazin 1999. 10. sz. P.11-17. 4. Margelis L. A szimbiózis szerepe a sejtevolúcióban. M., 1983. 5. Skulachev V.P.// Soros. oktatás magazin 1998. 8. sz. P.2-7. 6. Igamberdiev A.U.// Soros. oktatás magazin 2000. 1. sz. P.32-36.
Az evolúció során a „sejt energiaállomásain” megmaradt gének segítenek elkerülni a kezelési problémákat: ha valami eltörik a mitokondriumban, azt maga is meg tudja javítani, anélkül, hogy a „központtól” engedélyt várna.
Sejtjeink a mitokondriumoknak nevezett speciális organellumok segítségével kapják az energiát, amelyeket gyakran a sejt energiaállomásainak is neveznek. Külsőleg dupla falú tartályoknak tűnnek, a belső fal pedig nagyon egyenetlen, számos erős bemélyedéssel.
Egy sejtmaggal (kék színű) és mitokondriumokkal (piros színű). (Fotó: NICHD/Flickr.com)
Metszetben a mitokondriumok, a belső membrán kinövései hosszanti belső csíkokként láthatók. (Fotó: Visuals Unlimited/Corbis.)
A mitokondriumokban hatalmas számú biokémiai reakció játszódik le, amelyek során az „élelmiszer” molekulák fokozatosan oxidálódnak és szétesnek, és kémiai kötéseik energiáját a sejt számára kényelmes formában tárolják. De emellett ezeknek az „energiaállomásoknak” saját DNS-ük van génekkel, amelyet saját molekuláris gépeik szolgálnak ki, amelyek biztosítják az RNS-szintézist, majd a fehérjeszintézist.
Úgy gondolják, hogy a mitokondriumok a nagyon távoli múltban független baktériumok voltak, amelyeket néhány más egysejtű lény (valószínűleg archaea) evett. Ám egy nap a „ragadozók” hirtelen abbahagyták a lenyelt protomitokondriumok emésztését, és magukban tartották őket. A szimbionták hosszas dörzsölése kezdődött egymással; ennek következtében a lenyeltek szerkezetük nagymértékben leegyszerűsödött, sejten belüli organellákká váltak, „gazdáik” pedig a hatékonyabb energia hatására egyre bonyolultabb életformákká fejlődhettek tovább, egészen a növényekig, állatokig.
Azt a tényt, hogy a mitokondriumok egykor függetlenek voltak, azt bizonyítják genetikai apparátusuk maradványai. Természetesen, ha bent élünk mindennel, ami készen van, akkor megszűnik az igény, hogy saját géneket tartalmazzunk: az emberi sejtekben a modern mitokondriumok DNS-e mindössze 37 gént tartalmaz – szemben a nukleáris DNS-ben található 20-25 ezer génnel. A több millió éves evolúció során számos mitokondriális gén a sejtmagba költözött: az általuk kódolt fehérjéket a citoplazmában szintetizálják, majd a mitokondriumokba szállítják. Rögtön felmerül azonban a kérdés: miért maradt 37 gén még mindig ott, ahol volt?
Megismételjük, hogy a mitokondriumok minden eukarióta szervezetben jelen vannak, azaz állatokban, növényekben, gombákban és protozoonokban. Ian Johnston ( Iain Johnston) a Birminghami Egyetemről és Ben Williamsről ( Ben P. Williams) a Whitehead Institute több mint 2000 mitokondriális genomot elemzett különböző eukariótákból. Egy speciális matematikai modell segítségével a kutatók meg tudták érteni, mely gének maradtak nagyobb valószínűséggel a mitokondriumban az evolúció során.
Bevezetés
Negyedszázad telt el attól az időtől kezdve, amikor a DNS-molekulákat felfedezték a mitokondriumokban, és nem csak molekuláris biológusokés citológusok, de genetikusok, evolucionisták, valamint paleontológusok és kriminológusok is. Az ilyen széles körű érdeklődést A. Wilson, a Kaliforniai Egyetem munkatársa munkája váltotta ki. 1987-ben publikálta a mitokondriális DNS összehasonlító elemzésének eredményeit, amelyet öt kontinensen élő összes emberi faj különböző etnikai csoportjainak 147 képviselőjétől vettek. Az egyedi mutációk típusa, helye és száma alapján megállapították, hogy az összes mitokondriális DNS egy ősi nukleotid szekvenciából származik. eltérések. Az áltudományos sajtóban ezt a következtetést rendkívül leegyszerűsítve értelmezték - az egész emberiség egyetlen nőtől származott, akit mitokondriális Évának hívtak (mivel a lányok és a fiúk is csak az anyjuktól kapják a mitokondriumokat), aki Északkelet-Afrikában kb. 200 ezer évvel ezelőtt. Újabb 10 évvel később sikerült megfejteni a neandervölgyi maradványaiból izolált mitokondriális DNS-részletet, és megbecsülni az emberek és a neandervölgyiek utolsó közös őse létezését 500 ezer évvel ezelőttre.
Napjainkban az emberi mitokondriális genetika intenzíven fejlődik mind populációs, mind orvosi szempontból. Összefüggést állapítottak meg számos súlyos örökletes betegség és a mitokondriális DNS hibája között. Az öregedéssel összefüggő genetikai változások a legkifejezettebbek a mitokondriumokban. Miben különbözik az emberek és más állatok mitokondriális genomja a növények, gombák és protozoák genomjától méretében, alakjában és genetikai kapacitásában? Mi a szerepe, hogyan működik, és hogyan alakult ki a mitokondriális genom általában a különböző taxonokban és különösen az emberben? Erről lesz szó a „kicsi és legszerényebb” esszémben.
A mitokondriális mátrix a DNS mellett saját riboszómákat is tartalmaz, amelyek sok jellemzőben különböznek az endoplazmatikus retikulum membránjain található eukarióta riboszómáktól. Azonban az összetételükben lévő összes fehérje legfeljebb 5% -a képződik a mitokondriumok riboszómáin. A mitokondriumok szerkezeti és funkcionális komponenseit alkotó fehérjék többségét a nukleáris genom kódolja, az endoplazmatikus retikulum riboszómáin szintetizálódnak, és csatornáin keresztül jutnak el a gyülekezési helyre. Így a mitokondriumok két genom és két transzkripciós és transzlációs apparátus együttes erőfeszítésének eredményei. A mitokondriális légzőlánc egyes alegység-enzimei különböző polipeptidekből állnak, amelyek egy részét a nukleáris genom, másokat a mitokondriális genom kódol. Például az oxidatív foszforiláció kulcsenzime, a citokróm c oxidáz az élesztőben, három, mitokondriumban kódolt és szintetizált alegységből, valamint négy alegységből áll, amelyeket a sejtmag kódol, és a citoplazmában szintetizálódik. A legtöbb mitokondriális gén expresszióját specifikus nukleáris gének szabályozzák.
A mitokondriumok eredetének szimbiotikus elmélete
A mitokondriumok és a növényi plasztidok intracelluláris endoszimbionta baktériumokból való eredetére vonatkozó hipotézist R. Altman fogalmazta meg még 1890-ben. Egy évszázados gyors fejlődés során biokémia , citológia, a fél évszázaddal ezelőtt megjelent genetika és molekuláris biológia, a hipotézis nagy mennyiségű tényanyagon alapuló elméletté nőtte ki magát. Lényege a következő: a fotoszintetikus baktériumok megjelenésével a Föld légkörében felhalmozódott az oxigén - anyagcseréjük mellékterméke. Koncentrációjának növekedésével az anaerob heterotrófok élete bonyolultabbá vált, és egy részük oxigénmentes körülményekről vált át energiaszerzés céljából. erjesztés oxidatív foszforilációhoz. Az ilyen aerob heterotrófok az anaerob baktériumoknál nagyobb hatékonysággal képesek lebontani a fotoszintézis eredményeként keletkező szerves anyagokat. A szabadon élő aerobok egy részét az anaerobok befogták, de nem „emésztették meg”, hanem energiaállomásként, mitokondriumként raktározták el. A mitokondriumokat nem szabad rabszolgának tekinteni, fogságba ejteni, hogy ATP-molekulákkal láthassák el azokat a sejteket, amelyek nem képesek légzésre. Ők inkább „lények”, amelyek a proterozoikumban a legjobb menedéket találták maguknak és utódaiknak, ahol a legkevesebb erőfeszítést tudták fordítani anélkül, hogy meg kellene enniük.
Számos tény szól a szimbiotikus elmélet mellett:
A mitokondriumok és a szabadon élő aerob baktériumok mérete és alakja egybeesik; mindkettő cirkuláris DNS-molekulákat tartalmaz, amelyek nem kapcsolódnak hisztonokhoz (ellentétben a lineáris nukleáris DNS-sel);
Nukleotid szekvenciák tekintetében a mitokondriumok riboszómális és transzfer RNS-ei eltérnek a nukleáris RNS-ektől, miközben meglepő hasonlóságot mutatnak egyes aerob gram-negatív eubaktériumok hasonló molekuláival;
A mitokondriális RNS polimerázokat, bár a sejtmagban kódolják, a rifampicin gátolja, akárcsak a bakteriálisokat, és az eukarióta RNS polimerázok érzéketlenek erre. antibiotikum ;
A fehérjeszintézist a mitokondriumokban és a baktériumokban ugyanazok az antibiotikumok elnyomják, amelyek nem befolyásolják az eukarióták riboszómáit;
A mitokondriumok belső membránjának és a bakteriális plazmalemmának a lipidösszetétele hasonló, de nagyon eltér a mitokondriumok külső membránjának lipidösszetételétől, amely homológ az eukarióta sejtek más membránjaival;
A belső mitokondriális membrán által alkotott kriszták számos prokarióta mezoszomális membránjának evolúciós analógjai;
Még mindig vannak olyan organizmusok, amelyek közbenső formákat utánoznak a baktériumokból (primitív amőba) történő mitokondriumok kialakulásához vezető úton Pelomyxa nem tartalmaz mitokondriumokat, de mindig tartalmaz endoszimbiotikus baktériumokat).
Van egy olyan elképzelés, hogy az eukarióták különböző birodalmainak eltérő ősei voltak, és a bakteriális endoszimbiózis az élő szervezetek evolúciójának különböző szakaszaiban alakult ki. Ezt a protozoonok, gombák, növények és magasabb rendű állatok mitokondriális genomjának szerkezetében mutatkozó különbségek is bizonyítják. De minden esetben a promitokondriumokból származó gének nagy része bejutott a sejtmagba, esetleg mobil genetikai elemek segítségével. Ha az egyik szimbionta genomjának egy része egy másik genomjába kerül, a szimbionták integrációja visszafordíthatatlanná válik. Az új genom olyan metabolikus utakat hozhat létre, amelyek olyan hasznos termékek képződéséhez vezetnek, amelyeket külön-külön egyik partner sem tud szintetizálni. Így a szteroid hormonok szintézise a mellékvesekéreg sejtjei által összetett reakciólánc, amelyek egy része a mitokondriumokban, más része pedig az endoplazmatikus retikulumban fordul elő. A promitokondriális gének befogásával a sejtmag képes volt megbízhatóan ellenőrizni a szimbionta funkcióit. A sejtmag a mitokondriumok külső membránjának összes fehérjét és lipidszintézisét, a mátrix legtöbb fehérjét és az organellumok belső membránját kódolja. A legfontosabb, hogy a sejtmag az mtDNS replikációjához, transzkripciójához és transzlációjához szükséges enzimeket kódolja, ezáltal szabályozza a mitokondriumok növekedését és szaporodását. A szimbiózispartnerek növekedési ütemének megközelítőleg azonosnak kell lennie. Ha a gazdaszervezet gyorsabban növekszik, akkor minden generációval csökken az egyedenkénti szimbionták száma, és végül megjelennek a mitokondrium nélküli leszármazottak. Tudjuk, hogy egy szexuálisan szaporodó szervezet minden sejtje sok mitokondriumot tartalmaz, amelyek a DNS-üket replikálják a gazdaszervezet osztódásai között. Ez biztosítja, hogy mindegyik leánysejt megkapja a mitokondriális genom legalább egy másolatát.
A sejtmag szerepe a mitokondriális biogenezisben
Egy bizonyos típusú mutáns élesztő nagy deléciót tartalmaz a mitokondriális DNS-ben, ami a fehérjeszintézis teljes leállásához vezet a mitokondriumokban; ennek következtében ezek az organellumok nem képesek ellátni funkciójukat. Mivel az ilyen mutánsok kis telepeket képeznek, amikor alacsony glükóztartalmú táptalajon nőnek, ezeket nevezik citoplazmatikus mutantamiaprócska.
Bár a kisméretű mutánsok nem rendelkeznek mitokondriális fehérjeszintézissel, és ezért nem képeznek normális mitokondriumokat, az ilyen mutánsok mégis tartalmaznak promitokondriumok, amelyek bizonyos mértékig hasonlítanak a közönséges mitokondriumokhoz, normál külső membránnal és egy belső membránnal gyengén fejlett cristae-kkal rendelkeznek. A promitokondriumok számos sejtmaggének által kódolt és citoplazmatikus riboszómákon szintetizált enzimet tartalmaznak, beleértve a DNS- és RNS-polimerázokat, a citromsavciklus összes enzimét és számos fehérjét, amelyek a belső membránt alkotják. Ez egyértelműen mutatja a nukleáris genom domináns szerepét a mitokondriális biogenezisben.
Érdekes megjegyezni, hogy bár az elveszett DNS-fragmensek a mitokondriális genom 20-99,9%-át teszik ki, a kisméretű mutánsokban a mitokondriális DNS teljes mennyisége mindig ugyanazon a szinten marad, mint a vad típusban. Ez annak köszönhető, hogy a DNS-amplifikáció még kevéssé tanulmányozott folyamata, amelynek eredményeként egy DNS-molekula keletkezik, amely azonos szakaszú tandem ismétlődésekből áll, és mérete megegyezik egy normál molekulával. Például egy kis mutáns mitokondriális DNS-e, amely megtartja a vad típusú DNS nukleotidszekvenciájának 50%-át, két ismétlődésből áll, míg egy molekula, amely csak 0,1% vad típusú genomot építenek majd fel a maradék fragmentum 1000 másolatából. Így a kisméretű mutánsok segítségével nagy mennyiségű specifikus mitokondriális DNS-szakaszt nyerhetünk, amelyekről azt mondhatjuk, hogy maga a természet klónozta.
Bár az organellumok biogenezisét főként nukleáris gének szabályozzák, bizonyos adatok szerint maguknak az organellumoknak is van valamilyen szabályozó hatása a visszacsatolási elvre; legalábbis ez a helyzet a mitokondriumoknál. Ha az ép sejtek mitokondriumában a fehérjeszintézis blokkolva van, akkor a DNS, RNS és fehérjék mitokondriális szintézisében részt vevő enzimek feleslegben kezdenek képződni a citoplazmában, mintha a sejt megpróbálná leküzdeni a blokkolószer hatását. Bár a mitokondriumból származó jelek létezése kétségtelen, természete még mindig ismeretlen.
Számos okból kifolyólag a mitokondriális biogenezis mechanizmusait a legtöbb esetben kultúrákban tanulmányozzák Saccharomyces carlsbergensis(sörélesztő és S. cerevisiae(sütőélesztő). Először is, amikor glükózon nőnek, ezek az élesztők egyedülálló képességet mutatnak arra, hogy csak glikolízis révén létezzenek, vagyis mitokondriális funkció nélkül maradjanak fenn. Ez lehetővé teszi a mitokondriális és nukleáris DNS azon mutációinak tanulmányozását, amelyek megzavarják ezen organellumok fejlődését. Az ilyen mutációk szinte minden más organizmusban halálosak. Másodszor, az élesztőgombák - egyszerű egysejtű eukarióták - könnyen tenyészthetők és biokémiailag tanulmányozhatók. Végül, az élesztő mind a haploid, mind a diploid fázisban képes szaporodni, általában aszexuális bimbózással (aszimmetrikus mitózis). De az élesztőben a nemi folyamat is megtörténik: időről időre két haploid sejt összeolvad, és diploid zigótát alkot, amely aztán vagy mitózissal osztódik, vagy meiózison megy keresztül, és ismét haploid sejteket termel. Az ivartalan és ivaros szaporodás váltakozásának kísérleti szabályozásával sokat megtudhatunk a mitokondriális működésért felelős génekről. Ezekkel a módszerekkel különösen kideríthető, hogy az ilyen gének a nukleáris DNS-ben vagy a mitokondriális DNS-ben lokalizálódnak-e, mivel a mitokondriális gének mutációi nem öröklődnek a nukleáris gének öröklését szabályozó Mendel-törvények szerint.
A mitokondriumok szállítási rendszerei
A mitokondriumokban és a kloroplasztiszokban található fehérjék nagy része a citoszolból importálódik ezekbe az organellákba. Ez két kérdést vet fel: hogyan irányítja a sejt a fehérjéket a megfelelő organellumokhoz, és hogyan jutnak be ezek a fehérjék a sejtbe?
Részleges választ kaptunk az enzim kis alegységének (S) a kloroplasztisz stromába történő transzportjának tanulmányozásával. ribulóz-1,5-biszfoszfát-karboxiaknák. Ha egyetlen sejt citoplazmájából izolált mRNS hínár Chlamydomonas vagy borsólevélből, mátrixként in vitro fehérjeszintetizáló rendszerbe juttatva, akkor a sok keletkező fehérje közül egyet megköti egy specifikus anti-S antitest. Az in vitro szintetizált S-fehérjét ppo-S-nek nevezik, mivel körülbelül 50 aminosavval nagyobb, mint a normál S-fehérje. Amikor a pro-S fehérjét érintetlen kloroplasztiszokkal inkubálják, behatol az organellumokba, és ott a peptidáz S-proteinné alakítja. Ezután az S fehérje a kloroplaszt riboszómáin szintetizálódó ribulóz-1,5-biszfoszfát-karboxiláz nagy alegységéhez kötődik, és vele aktív enzimet képez a kloroplasztisz strómájában.
Az S fehérje transzfer mechanizmusa nem ismert. Úgy gondolják, hogy a pro-S a kloroplaszt külső membránján vagy a külső és belső membrán találkozásánál elhelyezkedő receptorfehérjéhez kötődik, majd transzmembrán csatornákon keresztül a stromába kerül egy energiát igénylő folyamat eredményeként. kiadás.
A mitokondriumokba történő fehérjetranszport hasonló módon történik. Ha a tisztított élesztő mitokondriumokat újonnan szintetizált radioaktív élesztőfehérjéket tartalmazó sejtkivonattal inkubálják, megfigyelhető, hogy a nukleáris genom által kódolt mitokondriális fehérjék a citoplazmában elkülönülnek a nem mitokondriális fehérjéktől, és szelektíven beépülnek a mitokondriumokba – ahogyan az a ép sejt. Ebben az esetben a külső és belső membrán, a mátrix és a membránközi tér fehérjéi utat találnak a mitokondrium megfelelő részéhez.
A belső membránba, mátrixba és membránközi térbe szánt újonnan szintetizált fehérjék közül sok N-terminálisán van egy vezető peptid, amelyet a szállítás során a mátrixban elhelyezkedő specifikus proteáz hasít le. A fehérjék ebbe a három mitokondriális kompartmentbe történő szállításához a belső membránon létrehozott elektrokémiai proton gradiens energiája szükséges. A külső membrán fehérjetranszfer mechanizmusa eltérő: ebben az esetben nincs szükség sem energiafelhasználásra, sem egy hosszabb prekurzor fehérje proteolitikus hasítására. Ezek és más megfigyelések azt sugallják, hogy a mitokondriális fehérjék mind a négy csoportja a következő mechanizmussal kerül az organellumba: feltételezzük, hogy a külső membránra szánt fehérjék kivételével minden fehérje beépül a belső membránba egy energiaráfordítást igénylő folyamat eredményeként. és a külső és a belső membrán érintkezési helyein fordul elő. Nyilvánvalóan a fehérje membránba való kezdeti beépülése után proteolitikus hasításon megy keresztül, ami konformációjának megváltozásához vezet; attól függően, hogy a konformáció hogyan változik, a fehérje vagy lehorgonyozódik a membránban, vagy „benyomódik” a mátrixba vagy a membránközi térbe.
A fehérjék átvitele a mitokondriumok és a kloroplasztiszok membránjain elvileg hasonló az endoplazmatikus retikulum membránjain keresztül történő átvitelükhöz. Van azonban néhány lényeges különbség. Először is, amikor a fehérje a mátrixba vagy a stromába kerül, az organellum külső és belső membránján is áthalad, míg az endoplazmatikus retikulum lumenébe szállítva a molekulák csak egy membránon haladnak át. Ezenkívül a fehérjék átvitele a retikulumba a mechanizmus segítségével történik célzott kiadás(vektoriális kisülés) - akkor kezdődik, amikor a fehérje még nem hagyta el teljesen a riboszómát (kotranszlációs import),és a mitokondriumokba és a kloroplasztiszokba történő átvitel a fehérjemolekula szintézisének teljes befejeződése után következik be (transzláció utáni import).
E különbségek ellenére a sejt mindkét esetben prekurzor fehérjéket szintetizál, amelyek olyan szignálszekvenciát tartalmaznak, amely meghatározza, hogy a fehérje melyik membránra irányul. Nyilvánvalóan sok esetben ez a szekvencia a transzportfolyamat befejezése után lehasad a prekurzor molekuláról. Egyes fehérjék azonban azonnal szintetizálódnak végső formájukban. Úgy gondolják, hogy ilyen esetekben a szignálszekvencia a kész fehérje polipeptidláncában található. A jelszekvenciák még mindig rosszul ismertek, de valószínűleg többféle ilyen szekvencia létezik, amelyek mindegyike meghatározza egy fehérjemolekula átvitelét a sejt egy meghatározott régiójába. Például egy növényi sejtben a fehérjék egy része, amelyek szintézise a citoszolban kezdődik, ezután a mitokondriumokba, mások a kloroplasztiszokba, mások a peroxiszómákba, mások az endoplazmatikus retikulumba szállítják. A fehérjék megfelelő intracelluláris eloszlásához vezető összetett folyamatok csak most kezdődnek megértésre.
A nukleinsavak és fehérjék mellett lipidekre van szükség az új mitokondriumok felépítéséhez. A kloroplasztiszokkal ellentétben a mitokondriumok lipidjeik nagy részét kívülről szerzik be. Állati sejtekben az endoplazmatikus retikulumban szintetizált foszfolipidek speciális fehérjék segítségével a mitokondriumok külső membránjába kerülnek, majd beépülnek a belső membránba; ez feltételezhetően két membrán érintkezési pontján történik. A lipid bioszintézis fő reakciója, amelyet maguk a mitokondriumok katalizálnak, a foszfatidsav átalakulása foszfolipid cardiolipinné, amely főleg a belső mitokondriális membránban található, és az összes lipid körülbelül 20%-át teszi ki.
A mitokondriális genomok mérete és alakja
Eddig több mint 100 különböző mitokondriális genomot olvastak le. A mitokondriális DNS-ben lévő génjeinek készlete és száma, amelyek nukleotidszekvenciája teljesen meghatározott, nagymértékben változik a különböző állat-, növény-, gomba- és protozoonfajok között. A legtöbb gént a flagellált protozoonok mitokondriális genomjában találták meg Rectinomo-nas americana- 97 gén, beleértve az összes fehérjét kódoló gént, amely más szervezetek mtDNS-ében található. A legtöbb magasabb rendű állatban a mitokondriális genom 37 gént tartalmaz: 13 gént a légzőlánc fehérjéihez, 22 tRNS-ét és kettő rRNS-ét (a 16S rRNS nagy riboszomális alegységéhez és a kis 12S rRNS-hez). A növényekben és protozoonokban, az állatokkal és a legtöbb gombával ellentétben, a mitokondriális genom is kódol néhány olyan fehérjét, amelyek ezen organellumok riboszómáit alkotják. A templát polinukleotid szintézis kulcsenzimei, mint például a DNS-polimeráz (replikálódik a mitokondriális DNS-t) és az RNS-polimeráz (átírja a mitokondriális genomot) a sejtmagban kódolódnak, és a citoplazma riboszómáin szintetizálódnak. Ez a tény jelzi a mitokondriális autonómia viszonylagosságát az eukarióta sejt összetett hierarchiájában.
A különböző fajok mitokondriális genomjai nemcsak a gének készletében, elhelyezkedésük és kifejeződésük sorrendjében, hanem a DNS méretében és alakjában is különböznek egymástól. A ma leírt mitokondriális genomok túlnyomó többsége cirkuláris szuperspirálos, kétszálú DNS-molekula. Egyes növényekben a körkörös formák mellett lineárisak is vannak, egyes protozoákban, például csillósokban, csak lineáris DNS található a mitokondriumokban.
Általában minden mitokondrium genomjának több másolatát tartalmazza. Így az emberi májsejtekben körülbelül 2 ezer mitokondrium található, és mindegyik 10 azonos genomot tartalmaz. Az egér fibroblasztokban 500 mitokondrium van, amelyek két genomot tartalmaznak, az élesztősejtekben S. cerevisiae- legfeljebb 22 mitokondrium, amelyek mindegyike négy genommal rendelkezik.
DIV_ADBLOCK764">
2. ábra. Lineáris (A), cirkuláris (B), láncos (C) mtDNS oligomerek képződésének sémája. ori az a régió, ahol a DNS-replikáció megindul.
A különböző organizmusok mitokondriális genomjának mérete a falciparum plazmódiumban lévő kevesebb mint 6 ezer nukleotidpártól (két rRNS gén mellett csak három fehérjét kódoló gént tartalmaz) a szárazföldi növényekben található több százezer nukleotid párig (pl. példa, Arabidopsis thaliana a keresztesvirágúak családjából 366924 nukleotidpár). Sőt, a magasabb rendű növények mtDNS-ének méretében 7-8-szoros különbségek találhatók még ugyanazon a családon belül is. A gerincesek mtDNS-ének hossza kissé eltér: emberben - 16569 nukleotidpár, sertésben - 16350, delfinekben - 16330, karmos békákban Xenopus laevis- 17533, pontyban - 16400. Ezek a genomok a gének lokalizációjában is hasonlóak, amelyek többsége végtől-végig található; egyes esetekben még át is fedik egymást, általában egy nukleotiddal, így az egyik gén utolsó nukleotidja az első a következőben. A gerincesekkel ellentétben a növények, gombák és protozoák akár 80%-ban nem kódoló szekvenciákat tartalmaznak. A gének sorrendje a mitokondriális genomokban fajonként eltérő.
A reaktív oxigénfajták magas koncentrációja a mitokondriumokban és a gyenge javítórendszer nagyságrenddel növeli az mtDNS mutációk gyakoriságát a nukleáris DNS-hez képest. Az oxigéngyökök specifikus C®T (citozin dezamináció) és G®T (guanin oxidatív károsodása) szubsztitúcióit okoznak, aminek következtében az mtDNS valószínűleg gazdag AT párokban. Ezenkívül minden mtDNS-nek van egy érdekes tulajdonsága - nem metiláltak, ellentétben a nukleáris és prokarióta DNS-ekkel. Ismeretes, hogy a metiláció (a nukleotidszekvencia ideiglenes kémiai módosítása a DNS kódoló funkciójának megzavarása nélkül) a programozott géninaktiválás egyik mechanizmusa.
A DNS-molekulák mérete és szerkezete organellumokban
Szerkezet | Súly, millió dalton | Megjegyzések |
||
|
ohon Dria | Állatok | Gyűrű | Minden egyes fajnak azonos méretű molekulái vannak |
|
Magasabb ra sténia | Gyűrű | Váltakozik | Minden vizsgált fajnak különböző méretű, kör alakú DNS-e van, amelyben a genetikai információ teljes tartalma fajtól függően 300-1000 millió dalton tömegnek felel meg. |
|
Gomba: Protozoa | Gyűrű Gyűrű Gyűrű Lineáris | |||
|
Klór fizetés tűzhely | Hínár | Gyűrű Gyűrű | ||
Magasabb növények | Gyűrű | Minden egyes fajban csak egy molekulát találtak |
A DNS-organellumok relatív mennyisége egyes sejtekben és szövetekben
Szervezet | Szövet ill sejttípus | Mol-l DNS/organel- | a szervek száma- nell be ketrec | A DNS-organellumok részesedése az egészben Sejt DNS, % |
|
|
ohon Dria | |||||
L sejtvonal | |||||
Tojás | |||||
|
Klór fizetés tűzhely | Vegetatív diploid sejtek | ||||
Kukorica |
A mitokondriális genom működése
Mi a különleges az emlős mitokondriumok DNS-replikációjának és transzkripciójának mechanizmusában?
A komplementer" href="/text/category/komplementarij/" rel="bookmark">Az mtDNS komplementer láncai jelentősen eltérnek fajlagos sűrűségükben, mivel egyenlőtlen mennyiségű „nehéz” purin és „könnyű” pirimidin nukleotidot tartalmaznak. - H (nehéz - nehéz) és L (könnyű - könnyű) lánc. Az mtDNS molekula replikációjának kezdetén ún. D-hurok jön létre (az angol Displacement loop) Ez a szerkezet, látható. elektronmikroszkópban, kétszálú és egyszálú (a H-lánc mozgatott része) szakaszokból áll A kétszálú szakaszt az L-lánc egy része és egy komplementer újonnan szintetizált DNS-fragmens alkotja 450-650 (a szervezet típusától függően) nukleotid hosszúságú, a ribonukleotid primer 5"-végével, amely megfelel a H-lánc szintézis kiindulási pontjának (oriH). Az L-lánc szintézise csak akkor kezdődik meg, amikor a leány-H-lánc eléri az ori L pontot. Ez annak a ténynek köszönhető, hogy az L-lánc replikációs iniciációs régiója csak egyszálú DNS-szintézis enzimek számára hozzáférhető. állapotban, és ezért csak fonatlan állapotban kettős hélixben a H-lánc szintézise során. Így az mtDNS leányszálai folyamatosan és aszinkron módon szintetizálódnak (3. ábra).
3. ábra. Emlős mtDNS replikációs séma. Először a D-hurok jön létre, majd a leány-H-lánc szintetizálódik, majd megkezdődik a leány-L-lánc szintézise.
A 16S rRNS gén vége (4. ábra). 10-szer több ilyen rövid átirat van, mint hosszú. Az érés következtében ( feldolgozás) belőlük 12S rRNS és 16S rRNS képződik, amelyek részt vesznek a mitokondriális riboszómák, valamint a fenilalanin és a valin tRNS képzésében. A fennmaradó tRNS-eket kivágják a hosszú transzkriptumokból, és transzlált mRNS-ek keletkeznek, amelyek 3"-os végeihez poliadenil-szekvenciák kapcsolódnak. Ezen mRNS-ek 5"-es végei nincsenek lezárva, ami szokatlan az eukariótáknál. Összeillesztés (fúzió) nem fordul elő, mivel az emlős mitokondriális gének egyike sem tartalmaz intronokat.
4. ábra. 37 gént tartalmazó humán mtDNS transzkripciója. Minden transzkriptum szintetizálódik az ori H régióban. A tRNS és az mRNS mindkét DNS-szál transzkriptumainak feldolgozása eredményeként jön létre. A tRNS-géneket világoszöld szín jelzi.
Szeretné tudni, hogy a mitokondriális genom milyen egyéb meglepetésekkel szolgálhat? Nagy! Olvass tovább!..
A vezető és a 3" nem kódoló régiók, mint a legtöbb nukleáris mRNS. Számos gén tartalmaz intronokat is. Így a citokróm oxidáz b-t kódoló box génben két intron található. Az elsődleges RNS transzkriptumból autokatalitikusan (a részvétel nélkül) bármely vagy fehérjék) az első intron nagy részének másolata kivágásra kerül. A fennmaradó RNS templátként szolgál a splicingben részt vevő maturáz enzim kialakulásához. Aminosavszekvenciájának egy részét a fennmaradó kópiák kódolják A Maturase kivágja őket, tönkretéve saját mRNS-ét, az exonok másolatai összefűződnek, és a citokróm-oxidáz b mRNS-e képződik (5. ábra). A jelenség felfedezése arra késztetett bennünket, hogy újragondoljuk az intronok gondolatát. „nem kódoló szekvenciák”.
5. ábra. A citokróm-oxidáz b mRNS feldolgozása (érése) élesztő mitokondriumokban. A splicing első szakaszában mRNS képződik, amely a splicing második szakaszához szükséges maturázt szintetizálja.
A mitokondriális gének expressziójának tanulmányozásakor Trypanosoma brucei meglepő eltérést fedezett fel az egyik főtől axiómák molekuláris biológia, amely azt állítja, hogy az mRNS nukleotidszekvenciája pontosan megegyezik a DNS kódoló régióiban lévő nukleotidszekvenciával. Kiderült, hogy a citokróm c oxidáz egyik alegységének mRNS-e szerkesztett, azaz a transzkripció után megváltozik az elsődleges szerkezete - négy uracil kerül be. Ennek eredményeként egy új mRNS képződik, amely mátrixként szolgál az enzim egy további alegységének szintéziséhez, amelynek aminosav-szekvenciája semmi köze a vírusok, gombák, növények és állatok szekvenciájához. Burrell kutató a borjú egyik mitokondriális génjének szerkezetét az e gén által kódolt citokróm-oxidáz alegység aminosav-szekvenciájával hasonlította össze.Kiderült, hogy a szarvasmarhák (valamint az ember) mitokondriumainak genetikai kódja nemcsak eltér az univerzálistól, „ideális”, azaz betartja a következő szabályt: „ha két kodonnak két azonos nukleotidja van, és a harmadik nukleotid ugyanabba az osztályba tartozik (purin - A, G vagy pirimidin - U, C), akkor ugyanazt az aminosavat kódolják.” Az univerzális kódban két kivétel van e szabály alól: az AUA triplett az izoleucint, az AUG kodon a metionint kódolja, míg az ideális mitokondriális kódban mindkét hármas kódol. metionin esetében; Az UGG hármas csak triptofánt kódol, az UGA hármas pedig stopkodont kódol. Az univerzális kódban mindkét eltérés a fehérjeszintézis alapvető aspektusait érinti: az AUG kodon a kezdeményező, az UGA stopkodon pedig leállítja a polipeptid szintézisét. Az ideális kód nem minden leírt mitokondriumban rejlik, de egyiknek sincs univerzális kódja. Azt mondhatjuk, hogy a mitokondriumok különböző nyelveket beszélnek, de soha nem a mag nyelvét.
Az „univerzális” genetikai kód és a két mitokondriális kód közötti különbségek
Codon | Mitokondriális emlős kód | Mitokondriális élesztő kód | “ Egyetemes” |
Mint már említettük, a gerincesek mitokondriális genomjában 22 tRNS-gén található. Hogyan szolgálja ki egy ilyen hiányos halmaz az aminosavak mind a 60 kodonját (az ideális 64 triplett kódban négy stopkodon van, az univerzális kódban három)? A tény az, hogy a mitokondriumokban a fehérjeszintézis során a kodon-antikodon kölcsönhatások leegyszerűsödnek - három antikodon nukleotidból kettőt használnak a felismeréshez. Így egy tRNS felismeri a kodoncsalád mind a négy tagját, és csak a harmadik nukleotidban tér el egymástól. Például a GAU antikodont tartalmazó leucin tRNS a riboszómán a TsU, TsUC, TsUA és Tsug kodonokkal szemben áll, biztosítva a leucin összetéveszthetetlen beépülését a polipeptidláncba. Két másik leucin kodont, az UUA-t és az UUG-t a tRNS az AAU antikodonnal ismeri fel. Összesen nyolc különböző tRNS-molekula nyolc, egyenként négy kodonból álló családot ismer fel, és 14 tRNS különböző kodonpárokat ismer fel, amelyek mindegyike egy aminosavat kódol.
Fontos, hogy az aminoacil-tRNS szintetáz enzimek, amelyek felelősek a megfelelő mitokondriális tRNS-ekhez való aminosavak hozzáadásaért, a sejtmagban kódolódnak, és az endoplazmatikus retikulum riboszómáin szintetizálódnak. Így gerincesekben a mitokondriális polipeptid szintézis összes fehérjekomponense titkosítva van a sejtmagban. Ebben az esetben a mitokondriumban a fehérjeszintézist nem gátolja az eukarióta riboszómák munkáját blokkoló cikloheximid, hanem érzékeny az eritromicin és kloramfenikol nevű antibiotikumokra, amelyek gátolják a baktériumok fehérjeszintézisét. Ez a tény az egyik érv amellett, hogy a mitokondriumok aerob baktériumokból származnak az eukarióta sejtek szimbiotikus képződése során.
A mitokondriumok saját genetikai rendszerének fontossága
Miért van szükségük a mitokondriumoknak saját genetikai rendszerükre, míg más organellumoknak, például a peroxiszómáknak és a lizoszómáknak nincs szükségük? Ez a kérdés egyáltalán nem triviális, mivel egy külön genetikai rendszer fenntartása költséges a sejt számára, tekintettel a szükséges számú további génre a nukleáris genomban. Ide kell kódolni a riboszómális fehérjéket, aminoacil-tRNS szintetázokat, DNS és RNS polimerázokat, RNS feldolgozó és módosító enzimeket, stb. A mitokondriumokból származó vizsgált fehérjék többsége aminosav-szekvenciában különbözik a sejt más részeiből származó társaitól, és ott okkal feltételezhető, hogy ezekben a szervekben nagyon kevés olyan fehérje található, amely máshol megtalálható. Ez azt jelenti, hogy a mitokondriumok genetikai rendszerének fenntartásához a nukleáris genomnak több tucat további gént kell tartalmaznia. Ennek a „pazarlásnak” az okai nem tisztázottak, és nem vált be a remény, hogy a választ a mitokondriális DNS nukleotidszekvenciájában találják meg. Nehéz elképzelni, hogy a mitokondriumban képződő fehérjéket miért kell szükségszerűen ott szintetizálni, és nem a citoszolban.
Az energiaszervecskék genetikai rendszerének létezését jellemzően az magyarázza, hogy az organellumokon belül szintetizált fehérjék egy része túlságosan hidrofób ahhoz, hogy kívülről áthaladjon a mitokondriális membránon. Az ATP-szintetáz komplex vizsgálata azonban azt mutatta, hogy ez a magyarázat valószínűtlen. Bár az ATP-szintetáz egyes fehérje alegységei az evolúció során erősen konzerváltak, szintézisük helyei megváltoznak. A kloroplasztiszokban számos meglehetősen hidrofil fehérje, köztük a komplex F1-ATPáz részének öt alegysége közül négy termelődik az organellum riboszómáin. Éppen ellenkezőleg, a gomba Neurospóraállati sejtekben pedig az ATPáz membrán részének egy nagyon hidrofób komponense (9. alegység) szintetizálódik a citoplazma riboszómáin és csak ezt követően kerül át az organellumba. A funkcionálisan egyenértékű fehérjék alegységeit kódoló gének eltérő lokalizációját a különböző organizmusokban nehéz megmagyarázni bármilyen hipotézissel, amely a mitokondriumok és kloroplasztiszok modern genetikai rendszereinek bizonyos evolúciós előnyeit feltételezi.
A fentieket figyelembe véve csak azt feltételezhetjük, hogy a mitokondriális genetikai rendszer evolúciós zsákutcát jelent. Az endoszimbiózis hipotézis keretein belül ez azt jelenti, hogy az endoszimbionta gének gazdasejt nukleáris genomjába történő átviteli folyamata leállt, mielőtt teljesen befejeződött volna.
Citoplazmatikus öröklődés
A citoplazmatikus géntranszfer egyes állatokra, köztük az emberekre is súlyosabb következményekkel jár, mint az élesztőkre. Két összeolvadó haploid élesztősejt azonos méretű, és ugyanannyi mitokondriális DNS-sel járul hozzá a létrejövő zigótához. Így élesztőben a mitokondriális genom mindkét szülőtől öröklődik, akik egyformán hozzájárulnak az utódok génállományához (bár több generáció után különálló az utódok gyakran csak az egyik szülőtípus mitokondriumát tartalmazzák). Ezzel szemben a magasabb rendű állatokban a petesejt több citoplazmát ad a zigótához, mint a spermium, és egyes állatokban a spermium egyáltalán nem járul hozzá a citoplazmához. Ezért azt gondolhatjuk, hogy a magasabbrendű állatokban a mitokondriális genom csak az egyik szülőtől kerül átadásra. anyai vonalak); és valóban, ezt kísérletek is megerősítették. Kiderült például, hogy amikor két laboratóriumi törzs patkányait keresztezzük a nukleotidszekvenciában kissé eltérő mitokondriális DNS-sel (A és B típus), akkor olyan utódokat kapunk, amelyek
csak anyai típusú mitokondriális DNS-t tartalmaz.
A citoplazmatikus öröklődés, ellentétben a nukleáris öröklődéssel, nem engedelmeskedik Mendel törvényeinek. Ez annak a ténynek köszönhető, hogy a magasabbrendű állatokban és növényekben a különböző nemű ivarsejtek eltérő mennyiségű mitokondriumot tartalmaznak. Tehát egy egér tojásban 90 ezer mitokondrium van, de egy spermában csak négy. Nyilvánvaló, hogy a megtermékenyített petesejtben a mitokondriumok túlnyomórészt vagy csak nőstény egyedből származnak, azaz minden mitokondriális gén anyai öröklődésű. A citoplazmatikus öröklődés genetikai elemzése nehéz a sejtmag-citoplazma kölcsönhatások miatt. Citoplazmatikus hímsterilitás esetén a mutáns mitokondriális genom kölcsönhatásba lép bizonyos nukleáris génekkel, amelyek recesszív alléljai szükségesek a tulajdonság kialakulásához. E gének domináns alléljai mind homo-, mind heterozigóta állapotban visszaállítják a növények termékenységét, függetlenül a mitokondriális genom állapotától.
Egy konkrét példával szeretnék kitérni a gének anyai öröklődésének mechanizmusára. Annak érdekében, hogy véglegesen és visszavonhatatlanul megértsük a mitokondriális gének nem mendeli (citoplazmatikus) öröklődésének mechanizmusát, nézzük meg, mi történik az ilyen génekkel, amikor két haploid sejt összeolvad és diploid zigótát alkot. Abban az esetben, ha az egyik élesztősejt olyan mutációt hordoz, amely meghatározza a mitokondriális fehérjeszintézis kloramfenikollal szembeni rezisztenciáját, a másik, egy vad típusú sejt pedig erre az antibiotikumra érzékeny: a mutáns gének könnyen azonosíthatók, ha élesztőt tenyésztéssel tenyésztéssel kezelnek. glicerin, amelyet csak ép mitokondriumokkal rendelkező sejtek használhatnak; ezért kloramfenikol jelenlétében csak a mutáns gént hordozó sejtek növekedhetnek ilyen tápközegben. A diploid zigótánk kezdetben mutáns és vad típusú mitokondriumokkal is rendelkezik. A mitózis hatására a zigótából egy diploid leánysejt rügyez ki, amely csak kis számú mitokondriumot tartalmaz majd. Több mitotikus ciklus után végül az egyik új sejt megkapja az összes mitokondriumot, akár mutáns, akár vad típusú. Ezért egy ilyen sejt minden utóda genetikailag azonos mitokondriummal rendelkezik. Egy ilyen véletlenszerű folyamatot, amelynek eredményeként diploid utódok képződnek, amelyek csak egyféle mitokondriumot tartalmaznak, az ún. mitotikusth segregációth. Amikor egy diploid sejtben csak egyfajta mitokondrium van meiózison, mind a négy haploid leánysejt ugyanazokat a mitokondriális géneket kapja. Ezt az öröklődéstípust ún nemendeegy oroszlán sovány vagy citoplazmatikus ellentétben a nukleáris gének mendeli öröklődésével. A citoplazmatikus géntranszfer azt jelenti, hogy a vizsgált gének mitokondriumokban helyezkednek el.
A mitokondriális genomok tanulmányozása, evolúciójuk, amely követi a populációgenetika sajátos törvényeit, kapcsolatok A nukleáris és mitokondriális genetikai rendszerek közötti kapcsolat szükséges az eukarióta sejt és a szervezet egészének összetett hierarchikus szerveződésének megértéséhez.
Egyes örökletes betegségek és az emberi öregedés a mitokondriális DNS vagy a mitokondriális működést szabályozó nukleáris gének bizonyos mutációihoz kapcsolódnak. Gyűlnek az adatok az mtDNS-hibáknak a karcinogenezisben való részvételéről. Ezért a mitokondriumok a rák kemoterápia célpontjai lehetnek. Vannak tények a nukleáris és mitokondriális genom szoros kölcsönhatásáról számos emberi patológia kialakulásában. Több mtDNS deléciót találtak súlyos izomgyengeségben, ataxiában, süketségben és mentális retardációban szenvedő betegeknél, amelyek autoszomális domináns módon öröklődnek. A klinikai megnyilvánulásokban szexuális dimorfizmust állapítottak meg ischaemiás szívbetegség, ami nagy valószínűséggel az anyai hatásnak köszönhető - citoplazmatikus öröklődés. A génterápia fejlődése reményt ad a mitokondriális genom hibáinak belátható jövőbeni kijavítására.
Mint ismeretes, a többkomponensű rendszer egyik komponensének működésének ellenőrzéséhez szükségessé válik ennek a komponensnek a megszüntetése a bekövetkezett változások utólagos elemzésével. Mivel ennek az absztraktnak a témája az anyai genom szerepének jelzése az utódok fejlődésében, logikus lenne megismerni a mitokondriális genom összetételében a különböző tényezők által okozott zavarok következményeit. A fenti szerep tanulmányozásának eszköze a mutációs folyamat lett, melynek működésének bennünket érdeklő következményei az ún. mitokondriális betegségek.
A mitokondriális betegségek az emberi citoplazmatikus öröklődés, pontosabban az „organellum öröklődés” példái. Ezt a pontosítást azért kell megtenni a citoplazmatikus öröklődés létezése, legalábbis néhány szervezetben döntő, nem kapcsolódik a sejtszervecskékhez - citogénekhez (Vechtomov, 1996).
A mitokondriális betegségek a betegségek heterogén csoportja, amelyet a mitokondriumok genetikai, szerkezeti, biokémiai hibái és a szöveti légzés zavara okoznak. A mitokondriális betegségek diagnosztizálására komplex genealógiai, klinikai, biokémiai, morfológiaiés a genetikai elemzés. A mitokondriális patológia fő biokémiai jele a tejsavas acidózis kialakulása, általában hipertejsav-acidémiát észlelnek hiperpiruvatikus acidémiával kombinálva. A különböző lehetőségek száma elérte a 120 űrlapot. Az agy-gerincvelői folyadékban a tejsav és a piroszőlősav koncentrációja stabilan növekszik.
A mitokondriális betegségek (MD) jelentős problémát jelentenek a modern orvoslás számára. Az örökletes átvitel módszerei szerint az MD-k közé tartoznak a mendeli típus szerint monogénen öröklődő betegségek, amelyekben a nukleáris gének mutációja következtében vagy a mitokondriális fehérjék szerkezete és működése megzavarodik, vagy megváltozik a mitokondriális DNS expressziója, ill. mint a mitokondriális gének mutációi által okozott betegségek, amelyek főleg az anyai vonalon keresztül terjednek az utódokra.
Morfológiai vizsgálatokból származó adatok, amelyek a mitokondriumok súlyos patológiájára utalnak: a mitokondriumok abnormális proliferációja, a mitokondriumok polimorfizmusa alak- és méretzavarral, szervezetlenség cristae, abnormális mitokondriumok felhalmozódása a szarkolemma alatt, parakristályos zárványok a mitokondriumokban, interfibrilláris vakuolák jelenléte
A mitokondriális betegségek formái
1 . A mitokondriális DNS mutációi által okozott mitokondriális betegségek
1.1.A mitokondriális DNS-deléciók által okozott betegségek
1.1.1.Cairns-Sayre szindróma
A betegség 4-18 éves korban manifesztálódik, progresszív külső ophthalmoplegia, retinitis pigmentosa, ataxia, szándékos tremor, atrioventrikuláris szívblokk, 1 g/l-nél nagyobb fehérjeszint a liquorban, „rongyos” vörös rostok a csontvázban. izombiopsziák
1.1.2.Pearson-szindróma
A betegség születéskor vagy az élet első hónapjaiban jelentkezik, esetenként encephalomyopathiák, ataxia, demencia, progresszív külső ophthalmoplegia, hypoplasiás anémia, az exokrin hasnyálmirigy működésének megsértése, progresszív lefolyás
2 .A mitokondriális DNS pontmutációi által okozott betegségek
Anyai öröklődés, a látásélesség akut vagy szubakut csökkenése az egyik vagy mindkét szemben, kombinálva neurológiaiés osteoartikuláris rendellenességek, retina mikroangiopátia, progresszív lefolyás a remisszió vagy a látásélesség helyreállításának lehetőségével, a betegség 20-30 éves korban kezdődik
2.2. NAPR-szindróma (neuropathia, ataxia, retinitis pigmentosa)
Anyai öröklődés, neuropathia, ataxia és retinitis pigmentosa kombinációja, késleltetett pszichomotoros fejlődés, demencia, „szakadt” vörös rostok jelenléte az izomszövet biopsziában
2.3. MERRF-szindróma (mioklónus-epilepszia, „szakadt” vörös rostok)
Anyai öröklődés, a betegség 3-65 éves korban kialakulása, myoclonus epilepszia, ataxia, demencia szenzorineurális süketséggel kombinálva, látóidegsorvadás és mélyérzékenységi zavarok, tejsavas acidózis, EEG vizsgálatok generalizált fürdőszobai epilepsziát mutatnak ki komplexek, „rongyos” vörös rostok a vázizom biopsziákban, progresszív lefolyás
2.4. MELAS-szindróma (mitokondriális encephalomyopathia, tejsavas acidózis, stroke-szerű epizódok)
Anyai típusú öröklődés, a betegség 40 éves kor előtti kezdete, testmozgás intolerancia, migrénszerű fejfájás hányingerrel, hányással, stroke-szerű epizódok, görcsök, tejsavas acidózis, izombiopsziákon „rongyos” vörös rostok, progresszív lefolyás.
3 .Az intergenomikus kommunikáció hibáihoz kapcsolódó patológia
3.1.Többszörös mitokondriális DNS-deléciós szindróma
Blepharoptosis, külső ophthalmoplegia, izomgyengeség, szenzorineurális süketség, látóideg atrófia, progresszív lefolyás, „szakadt” vörös rostok a vázizom biopsziában, a légzési lánc enzimek aktivitásának csökkenése.
3.2.Mitokondriális DNS-deléciós szindróma
Autoszomális recesszív öröklődési mód
Klinikai formák:
3.2.1.Végzetes infantilis
a) súlyos májelégtelenség b) hepatopathia c) izom hipotenzió
Debütálás az újszülöttkori időszakban
3.2.2.Veleszületett myopathia
Súlyos izomgyengeség, generalizált hipotenzió, kardiomiopátia és görcsök, vesekárosodás, glycosuria, aminoacidopathia, phosphaturia
3.2.3.Infantilis myopathia
az első 2 életévben jelentkezik, progresszív izomgyengeség, proximális izomcsoportok sorvadása és az ínreflexek elvesztése, gyorsan progresszív lefolyás, halál az első 3 életévben.
4 A nukleáris DNS-mutációk által okozott mitokondriális betegségek
4.1.A légzési lánc hibáival kapcsolatos betegségek
4.1.1. Complex 1 hiány (NADH:CoQ reduktáz)
A betegség 15 éves kor előtti megjelenése, myopathia szindróma, késleltetett pszichomotoros fejlődés, szív- és érrendszeri rendellenességek, terápiának ellenálló görcsök, többszörös neurológiai rendellenességek, progresszív lefolyás
4.1.2. Complex 2 hiány (szukcinát-CoQ reduktáz)
Jellemzője encephalomyopathia szindróma, progresszív lefolyás, görcsrohamok, lehetséges ptosis kialakulása
4.1.3. A 3-as komplex hiánya (CoQ-citokróm C oxidoreduktáz)
Multiszisztémás rendellenességek, különböző szervek és rendszerek károsodása, beleértve a központi és perifériás idegrendszert, az endokrin rendszert, a vesét, progresszív lefolyás
4.1.4. Komplex hiány (citokróm C oxidáz)
4.1.4.1. Halálos csecsemőkori veleszületett tejsavas acidózis
Mitokondriális myopathia veseelégtelenséggel vagy kardiomiopátiával, újszülött korban kezdődik, súlyos légzési rendellenességek, diffúz izom hipotenzió, progresszív lefolyás, halál az első életévben.
4.1.4.2.Jóindulatú infantilis izomgyengeség
Atrophia, megfelelő és időben történő kezeléssel a folyamat gyors stabilizálása és 1-3 éves gyógyulás lehetséges
5 Menkes-szindróma (trichopolyodystrophia)
A pszichomotoros fejlődés éles késése, a növekedés visszaesése, a növekedési zavarok és a haj disztrófiás elváltozásai,
6 . Mitokondriális encephalomyopathiák
6.1.Leigh szindróma(szubakut neurotizáló encephalomyelopathia)
6 hónapos élet után jelenik meg, izom hipotónia, ataxia, nystagmus, piramis tünetek, ophthalmoplegia, látóideg atrófia, kardiomiopátia és enyhe metabolikus acidózis hozzáadása
6.2.Alpers szindróma(progresszív szklerotizáló polidystrophia)
Az agy szürkeállományának degenerációja májcirrózissal kombinálva, az 5-ös komplex (ATP-szintetáz) hiánya, késleltetett pszichomotoros fejlődés, ataxia, demencia, izomgyengeség, a betegség progresszív lefolyása, kedvezőtlen prognózis
6.3.Koenzim-Q hiány
Anyagcsere-krízisek, izomgyengeség és -fáradtság, ophthalmoplegia, süketség, látásromlás, stroke-szerű epizódok, ataxia, myoclonus epilepszia, vesekárosodás: glucosuria, aminoacidopathia, phosphaturia, endokrin betegségek, progresszív lefolyás, csökkent légzési lánc enzimaktivitás
7 .A tej- és piroszőlősav anyagcserezavaraival kapcsolatos betegségek
7.1 Piruvát-karboxiláz hiány Autoszomális recesszív típusú öröklődés, a betegség újszülöttkori kezdete, „ernyedt gyermek” tünetegyüttes, terápiának ellenálló görcsök, magas ketontestek koncentrációja a vérben, hiperammonémia, hiperlizinémia, csökkent piruvát-karboxiláz aktivitás vázizmok
7.2. Piruvát-dehidrogenáz hiány
Újszülöttkori megnyilvánulások, craniofacialis dysmorphia, terápiának ellenálló görcsök, légzési és szopási zavarok, „ernyedt gyermek” tünetegyüttes, agyi dysgynesia, súlyos acidózis magas laktát- és piruvátszinttel
7.3.Csökkent piruvát-dehidrogenáz aktivitás
Az első életévben kialakuló mikrokefália, késleltetett pszichomotoros fejlődés, ataxia, izomdystonia, koreoathetózis, magas piruváttartalmú tejsavas acidózis
7.4.Dihidrolipoil-transzacetiláz hiány
Autoszomális recesszív típusú öröklődés, a betegség újszülöttkori kezdete, mikrokefália, késleltetett pszichomotoros fejlődés, izom hipotónia az izomtónus növekedésével, porckorong atrófia, tejsavas acidózis, csökkent dihidrolipoiltransz-acetiláz aktivitás
7.5.Dihidrolipoil-dehidrogenáz hiány
Autoszomális recesszív típusú öröklődés, a betegség kezdete az életévben, a „págyadt gyermek” tünetegyüttes, hányással és hasmenéssel járó diszmetabolikus krízisek, késleltetett pszichomotoros fejlődés, porckorongok sorvadása, tejsavas acidózis, emelkedett alaninszint a vérszérum, α-ketoglutarát, elágazó láncú α-keto savak, csökkent dihidrolipoil-dehidrogenáz aktivitás
8 .A zsírsavak béta-oxidációjának hibái által okozott betegségek
8.1.Hosszú szénláncú acetil-CoA dehidrogenáz hiány
Autoszomális recesszív öröklődés, a betegség kezdete az élet első hónapjaiban, hányással és hasmenéssel járó anyagcsere-válságok, „ernyedt gyermek” tünetegyüttes, hipoglikémia, dikarbonsav-aciduria, hosszú szénláncú zsírsavak acetil-CoA-dehidrogenáz aktivitásának csökkenése savak
8.2. Közepes szénláncú acetil-CoA dehidrogenáz hiány
Autoszomális recesszív típusú öröklődés, a betegség újszülött korban vagy az élet első hónapjaiban kialakuló, hányással és hasmenéssel járó anyagcsere-válságok,
izomgyengeség és hipotenzió, gyakran alakul ki hirtelen halál szindróma, hipoglikémia, dikarbonsav aciduria, közepes szénláncú zsírsavak acetil-CoA-dehidrogenáz aktivitásának csökkenése
8.3. Rövid szénláncú zsírsav-acetil-CoA dehidrogenáz hiány
Autoszomális recesszív öröklődés, a betegség kezdetének különböző korai, csökkent terhelési tolerancia, hányással és hasmenéssel járó anyagcsere-válságok, izomgyengeség és hipotenzió, a metil-borostyánkősav fokozott vizeletürítése, a rövid szénláncú zsírsavak acetil-CoA dehidrogenáza
8.4. A zsírsavak acetil-CoA-dehidrogenázainak többszörös hiánya
Újszülött forma: craniofacialis dysmorphia, agyi dysgynesia, súlyos hipoglikémia és acidózis, rosszindulatú lefolyás, a zsírsavak összes acetil-CoA dehidrogenázának csökkent aktivitása,
Infantilis forma:"ernyedt gyermek" tünetegyüttes, kardiomiopátia, anyagcsere-válságok, hipoglikémia és acidózis
8.5.Az összes zsírsav-acetil-CoA-dehidrogenáz aktivitásának csökkenése
Késői debütáló forma: az izomgyengeség időszakos epizódjai, az anyagcsere-válságok, a hipoglikémia és az acidózis kevésbé kifejezettek, az intelligencia megmarad,
9 .A Krebs-ciklus enzimpátiái
9.1.Fumaráz-hiány
Autoszomális recesszív típusú öröklődés, a betegség újszülöttkori vagy újszülöttkori kezdete, mikrokefália, generalizált izomgyengeség és hipotenzió, letargia epizódok, gyorsan progresszív encephalopathia, rossz prognózis
9.2.Szukcinát-dehidrogenáz-hiány
Ritka betegség, amelyet progresszív encephalomyopathia jellemez
9.3 Alfa-ketoglutarát dehidrogenáz hiány
Autoszomális recesszív típusú öröklődés, újszülöttkori betegség, mikrokefália, „ernyedt gyermek” tünetegyüttes, letargia epizódok, tejsavas acidózis, gyorsan progresszív lefolyás, csökkent Krebs-ciklus enzimtartalom a szövetekben
9.4. A karnitin és az anyagcsere enzimek hiányának szindrómái
Karnitin-palmitoiltranszferáz-1 hiány, autoszomális recesszív típusú öröklődés, a betegség korai kezdete, nem ketonémiás hipoglikémiás kóma, hepatomegalia, hipertrigliceridémia és mérsékelt hiperammonémia, csökkent karnitin-palmitoiltranszferáz-1 aktivitás a fibroblasztokban és a májsejtekben
9.5. Karnitin acilkarnitin transzlokáz hiány
A betegség korai megjelenése, szív- és érrendszeri és légzőszervi rendellenességek, „ernyedt gyermek” tünetegyüttes, letargia és kóma epizódok, megnövekedett karnitin-észter-koncentráció és hosszú szénláncok a vérszérum szabad karnitinszintjének csökkenése hátterében, csökkent aktivitás karnitin acilkarnitin transzlokáz
9.6.Karnitin-palmitoil-transzferáz-2 hiány
Autoszomális recesszív típusú öröklődés, izomgyengeség, myalgia, myoglobinuria, a karnitin-palmitoiltranszferáz-2 aktivitásának csökkenése a vázizmokban
Autoszomális recesszív típusú öröklődés, myopathiás tünetegyüttes, letargia és letargia epizódok, kardiomiopátia, hipoglikémia epizódok, csökkent szérum karnitinszint és fokozott vizeletkiválasztás.
A mitokondriális (és nem csak) genom működésének bizonyos változásaihoz kapcsolódó patológiák ilyen „szörnyű” listájának elemzése után bizonyos kérdések merülnek fel. Mik a mitokondriális gének termékei, és milyen szuper-mega-életfontosságú sejtfolyamatokban vesznek részt?
Mint kiderült, a fenti patológiák egy része a NADH-dehidrogenáz komplex 7 alegységének, 2 ATP szintetáz alegységének, 3 citokróm c oxidáz alegységének és 1 alegységének ubikinol-citokróm c reduktáznak (citokrometáz) szintézisének zavara miatt fordulhat elő b) , amelyek a mitokondriumok géntermékei. Ennek alapján megállapíthatjuk, hogy ezeknek a fehérjéknek kulcsszerepe van a sejtlégzés, a zsírsavoxidáció és az ATP szintézis folyamataiban, a belső MT membrán elektrontranszport rendszerében az elektrontranszferben, az antioxidáns rendszer működésében stb.
Az apoptózis mechanizmusaira vonatkozó legfrissebb adatok alapján sok tudós arra a következtetésre jutott, hogy létezik az apoptózis irányító központja...
A mitokondriális fehérjék szerepét a mitokondriális szintézist blokkoló antibiotikumok alkalmazásában is kimutatták. Ha a szövettenyészetben lévő emberi sejteket antibiotikummal, például tetraciklinnel vagy kloramfenikollal kezelik, növekedésük egy vagy két osztódás után leáll. Ennek oka a mitokondriális fehérjeszintézis gátlása, ami hibás mitokondriumok megjelenéséhez és ennek következtében elégtelen ATP képződéshez vezet. Akkor miért használható az antibiotikum a bakteriális fertőzések kezelésére? Erre a kérdésre több válasz is létezik:
1. Egyes antibiotikumok (például eritromicin) nem jutnak át az emlős mitokondriumok belső membránján.
2. A legtöbb sejt szervezetünkben nem, vagy nagyon lassan osztódik, így a meglévő mitokondriumok újakra cserélődése is ugyanilyen lassan megy végbe (sok szövetben a mitokondriumok fele körülbelül öt nap alatt vagy még tovább cserélődik). Így a normál mitokondriumok száma csak akkor fog kritikus szintre csökkenni, ha a mitokondriális fehérjeszintézis blokádja több napig fennmarad.
3. A szöveten belül bizonyos körülmények megakadályozzák bizonyos gyógyszerek bejutását a legérzékenyebb sejtek mitokondriumába. Például a csontvelőben a Ca2+ magas koncentrációja Ca2+-tetraciklin komplex képződéséhez vezet, amely nem tud behatolni a gyorsan osztódó (és ezért a legsebezhetőbb) vérsejt-prekurzorokba.
Ezek a tényezők lehetővé teszik bizonyos, a mitokondriális fehérjeszintézist gátló gyógyszerek antibiotikumként való alkalmazását magasabb rendű állatok kezelésében. E gyógyszerek közül csak kettőnek van mellékhatása: a nagy dózisú kloramfenikol hosszú távú kezelés a csontvelő vérképző funkciójának megzavarásához vezethet (elnyomhatja a vörös- és fehérvérsejtek képződését), a tetraciklin hosszú távú alkalmazása pedig károsítja a bélhámot. De mindkét esetben még nem teljesen világos, hogy ezeket a mellékhatásokat a mitokondriális biogenezis blokádja vagy más ok okozza.
Következtetés
Az mt genom szerkezeti és funkcionális jellemzői a következők. Először is megállapítást nyert, hogy az mtDNS-t az anyától az összes anyához továbbítják
leszármazottaitól és lányaitól az összes következő generációra, de a fiúk nem adják tovább DNS-üket (anyai örökség). Anyai jellem
Az mtDNS öröklődése valószínűleg két körülményhez kapcsolódik: vagy olyan kicsi az apai mtDNS aránya (nem terjed át az apai vonalon)
25 ezer anyai mtDNS-enként egynél több DNS-molekula), hogy meglévő módszerekkel nem mutathatók ki, vagy megtermékenyítés után az apai mitokondriumok replikációja blokkolva van. Másodszor, a kombinatív variabilitás hiánya - az mtDNS csak az egyik szülőhöz tartozik, ezért a meiózisban a nukleáris DNS-re jellemző rekombinációs események hiányoznak, és a nukleotid szekvencia nemzedékről generációra változik csak a mutációk miatt. Harmadszor, az mtDNS-nek nincsenek intronjai
(nagy a valószínűsége annak, hogy egy véletlenszerű mutáció hatással lesz a DNS kódoló régiójára), védő hisztonok és hatékony DNS-javító rendszer – mindez 10-szer nagyobb mutációs rátát határoz meg, mint a nukleáris DNS-ben. Negyedszer, a normál és a mutáns mtDNS egyidejűleg is létezhet egy sejten belül – ez a heteroplazmia jelensége (a csak normális vagy csak mutáns mtDNS jelenlétét homoplazmiának nevezzük). Végül mindkét lánc átíródik és lefordítható az mtDNS-ben, és az mtDNS genetikai kódja számos jellemzőben eltér az univerzálistól (az UGA triptofánt, az AUA a metionint, az AGA és az AGG pedig stop-
kodonok).
Ezek a tulajdonságok és az mt-genom fenti funkciói az mtDNS nukleotidszekvencia variabilitásának vizsgálatát felbecsülhetetlen eszközzé tették az orvosok, törvényszéki tudósok, evolúcióbiológusok,
a történettudomány képviselőit sajátos problémáik megoldásában.
1988 óta, amikor felfedezték, hogy az mtDNS génmutációk állnak a mitokondriális myopathiák (J. Y. Holt és mtsai, 1988) és a Leber-féle örökletes optikai neuropátia (D. C. Wallace, 1988) hátterében, a humán mt genom mutációinak további szisztematikus azonosítása az emberi mt genomban lévő mutációk kialakulásához vezetett. a mitokondriális betegségek (MD) fogalma. Jelenleg patológiás mtDNS mutációkat fedeztek fel a mitokondriális gén minden típusában.
Bibliográfia
1. Skulachev, mitokondriumok és oxigén, Soros. oktatás magazin
2. A biokémia alapjai: Három kötetben, M.: Mir, .
3. Nicholes D. G. Bioenergetics, Bevezetés. a kemiozmushoz. Th., Acad. sajtó, 1982.
4. Stryer L. Biochemistry, 2. kiadás. San Francisco, Freeman, 1981.
5. Skulachev biológiai membránok. M., 1989.
6. , Csencov retikulum: Szerkezet és néhány funkció // A tudomány eredményei. A biológia általános problémái. 1989
7. Csencov citológia. M.: Moszkvai Állami Egyetemi Kiadó, 1995
8. , A mitokondriális genom kompetenciájának köre // Vestn. RAMS, 2001. ‹ 10. 31-43.
9. Holt I. J., Harding A. E., Morgan- Hughes I. A. Izom-mitokondriális DNS törlése mitokondriális myopathiában szenvedő betegeknél. Nature, 1988, 331:717-719.
10. satöbbi. Az emberi genom és a hajlamgének. Szentpétervár, 2000
11. , Mitokondriális genom. Novoszibirszk, 1990.
12. // Soros. oktatás magazin 1999. 10. sz. P.11-17.
13. A szimbiózis szerepe a sejtevolúcióban. M., 1983.
14. // Soros. oktatás magazin 1998. 8. sz. P.2-7.
15. // Soros. oktatás magazin 2000. 1. sz. P.32-36.
A Kijevi Nemzeti Egyetem névadója. Tarasz Sevcsenko
Biológia Tanszék
Esszé
a témában:
„Az anyai genom szerepe az utódok fejlődésében”
Val velottenta IVtanfolyam
Biokémiai Tanszék
Frolova Artema
Kijev 2004
Terv:
Bevezetés................................................. ..............................1
A mitokondriumok eredetének szimbiotikus elmélete......2
A sejtmag szerepe a mitokondriális biogenezisben................................................ ........5
Mitokondriális transzportrendszerek................................................ .................. ......7
A mitokondriális genomok mérete és alakja................................10
A mitokondriális genom működése......14
A saját genetikai rendszer fontossága a mitokondriumok számára................................................ ...................................................19
Citoplazmatikus öröklődés..................................20
Fő cikk: Mitokondriális DNS
A mátrixban található mitokondriális DNS egy zárt, körkörös, kétszálú molekula, az emberi sejtekben 16569 nukleotidpár méretű, ami körülbelül 105-ször kisebb, mint a sejtmagban lokalizált DNS. Összességében a mitokondriális DNS 2 rRNS-t, 22 tRNS-t és 13 légzőlánc-enzim alegységet kódol, ami nem több, mint a fele a benne található fehérjéknek. Különösen a mitokondriális genom szabályozása alatt hét ATP szintetáz alegység, három citokróm-oxidáz alegység és egy ubikinol-citokróm alegység kódolódik. Val vel-reduktáz. Ebben az esetben az összes fehérje egy, két riboszómális és hat transzfer RNS kivételével a nehezebb (külső) DNS-láncról íródik át, és 14 másik tRNS és egy fehérje íródik át a könnyebb (belső) láncból.
Ennek fényében a növényi mitokondriális genom sokkal nagyobb, és elérheti a 370 000 nukleotidpárt, ami körülbelül 20-szor nagyobb, mint a fent leírt humán mitokondriális genom. A gének száma itt is hozzávetőlegesen 7-szer nagyobb, ami az ATP szintézissel nem összefüggő további elektrontranszport utak megjelenésével jár együtt a növényi mitokondriumokban.
A mitokondriális DNS interfázisban replikálódik, ami részben szinkronizálódik a sejtmagban lévő DNS-replikációval. A sejtciklus során a mitokondriumok szűküléssel kettéosztódnak, amelyek kialakulása a belső mitokondriális membránon lévő körkörös barázdából indul ki. A mitokondriális genom nukleotidszekvenciájának részletes vizsgálata feltárta, hogy az univerzális genetikai kódtól való eltérések gyakoriak az állatok és gombák mitokondriumaiban. Így a humán mitokondriumokban a standard kódban szereplő izoleucin helyett a TAT kodon a metionin aminosavat kódolja, az általában arginint kódoló TCT és TCC kodonok stopkodonok, és az AST kodon, amely stopkodon a standard kód, a metionin aminosavat kódolja. Ami a növényi mitokondriumokat illeti, nyilvánvalóan univerzális genetikai kódot használnak. A mitokondriumok másik jellemzője a tRNS kodonfelismerés sajátossága, amely abban áll, hogy egy ilyen molekula nem egy, hanem három-négy kodont képes egyszerre felismerni. Ez a tulajdonság csökkenti a harmadik nukleotid jelentőségét a kodonban, és ahhoz a tényhez vezet, hogy a mitokondriumok kevesebb tRNS-típust igényelnek. Ebben az esetben csak 22 különböző tRNS bizonyul elegendőnek.
A saját genetikai apparátussal rendelkező mitokondriumnak saját fehérjeszintetizáló rendszere is van, melynek sajátossága az állati és gombás sejtekben a nagyon kicsi riboszómák, amelyeket 55S-es ülepedési együttható jellemez, ami még a prokarióta 70S-es riboszómáinál is alacsonyabb. típus. Ezenkívül a két nagy riboszomális RNS mérete is kisebb, mint a prokariótákban, és a kis rRNS teljesen hiányzik. Ezzel szemben a növényi mitokondriumokban a riboszómák méretükben és szerkezetükben jobban hasonlítanak a prokariótákhoz.
Mitokondriális fehérjék[szerkesztés | forrásszöveg szerkesztése]
A mitokondriális mRNS-ből lefordított fehérjék száma, amelyek nagy enzimkomplexek alegységeit alkotják, korlátozott. A fehérjék jelentős része a sejtmagban kódolódik, és a citoplazmatikus 80S riboszómákon szintetizálódik. Különösen így képződik néhány fehérje - elektronhordozók, mitokondriális transzlokázok, a fehérjék mitokondriumokba történő szállításának összetevői, valamint a mitokondriális DNS transzkripciójához, transzlációjához és replikációjához szükséges tényezők. Ezenkívül az ilyen fehérjék az N-terminálisukon speciális szignálpeptidekkel rendelkeznek, amelyek mérete 12 és 80 aminosav között változik. Ezek a területek amfifil fürtöket képeznek, és specifikus érintkezést biztosítanak a fehérjéknek a külső membránon lokalizált mitokondriális felismerő receptorok kötődoménjeivel. Ezek a fehérjék a chaperon fehérjékkel (különösen a hsp70-nel) kapcsolatban részben kibontott állapotban transzportálódnak a külső mitokondriális membránba. A külső és belső membránon keresztül, érintkezési helyükön átjutva a mitokondriumba kerülő fehérjék ismét érintkeznek a saját mitokondriális eredetű chaperonokkal, amelyek felveszik a membránon áthaladó fehérjét, elősegítik annak visszahúzódását a mitokondriumba, és szabályozzák is. a polipeptidlánc helyes feltekeredésének folyamata. A chaperonok többsége ATPáz aktivitással rendelkezik, melynek eredményeként mind a fehérjék mitokondriumba szállítása, mind funkcionálisan aktív formáinak kialakulása energiafüggő folyamat.
