Mitoxondriyal DNK va oila tarixi. ☵ Mitoxondriyal DNK Nima uchun mitoxondriyal DNK ona tomonidan meros bo'lib o'tadi?

Mitoxondriyal genomning kutilmagan hodisalari

G.M. Dymshits

Grigoriy Moiseevich Dymshits, Biologiya fanlari doktori, Novosibirsk davlat universiteti molekulyar biologiya kafedrasi professori, Rossiya Fanlar akademiyasining Sibir filiali Sitologiya va genetika instituti genom tuzilishi laboratoriyasi mudiri. Umumiy biologiya bo'yicha to'rtta maktab darsligining hammuallifi va muharriri.

Mitoxondriyadagi DNK molekulalari kashf etilganidan buyon chorak asr o‘tdi, ular bilan nafaqat molekulyar biologlar va sitologlar, balki genetiklar, evolyutsionistlar, shuningdek, paleontologlar va kriminologlar, tarixchilar va tilshunoslar ham qiziqa boshladi. Bunday keng tarqalgan qiziqish Kaliforniya universitetidan A. Uilsonning ishi bilan qo'zg'atildi. 1987 yilda u besh qit'ada yashovchi barcha inson irqlari turli etnik guruhlarning 147 vakilidan olingan mitoxondriyal DNKning qiyosiy tahlili natijalarini e'lon qildi. Alohida mutatsiyalarning turi, joylashuvi va sonidan kelib chiqqan holda, barcha mitoxondriyal DNK ajdodlarning bir nukleotid ketma-ketligidan divergensiya orqali paydo bo'lganligi aniqlandi. Soxta ilmiy matbuotda bu xulosa juda soddalashtirilgan tarzda talqin qilingan - butun insoniyat Shimoliy-Sharqiy Afrikada taxminan 200 yil yashagan mitoxondrial Momo Havo (ikkala qizlari ham, o'g'illari ham mitoxondriyalarni faqat onalaridan oladi) deb nomlangan bitta ayoldan kelib chiqqan. ming yil oldin. Yana 10 yil o'tgach, neandertal qoldiqlaridan ajratilgan mitoxondriyal DNK parchasini ochish va odamlar va neandertallarning so'nggi umumiy ajdodi 500 ming yil oldin mavjudligini taxmin qilish mumkin edi.

Bugungi kunda inson mitoxondrial genetikasi ham populyatsiyada, ham tibbiy jihatdan jadal rivojlanmoqda. Bir qator og'ir irsiy kasalliklar va mitoxondriyal DNKdagi nuqsonlar o'rtasida bog'liqlik o'rnatildi. Qarish bilan bog'liq genetik o'zgarishlar mitoxondriyalarda eng aniq namoyon bo'ladi. Odam va boshqa hayvonlarda o‘simliklar, zamburug‘lar va oddiy hayvonlarnikidan kattaligi, shakli va genetik qobiliyatiga ko‘ra farq qiluvchi mitoxondrial genom nima? Mitoxondriyal genom qanday ishlaydi va u turli taksonlarda qanday paydo bo'lgan? Bu bizning maqolamizda muhokama qilinadi.

Mitoxondriyalar hujayraning energiya stantsiyalari deb ataladi. Tashqi silliq membranadan tashqari ular ko'p sonli burmalarni hosil qiluvchi ichki membranaga ega - krista. Ular nafas olish zanjirining o'rnatilgan oqsil komponentlarini o'z ichiga oladi - oksidlangan ozuqa moddalarining kimyoviy bog'lanish energiyasini adenozin trifosfor kislotasi (ATP) molekulalarining energiyasiga aylantirishda ishtirok etadigan fermentlar. Ushbu "konvertatsiya qilinadigan valyuta" bilan hujayra barcha energiya ehtiyojlarini to'laydi. Yashil o'simliklar hujayralarida mitoxondriyalardan tashqari, boshqa energiya stantsiyalari - xloroplastlar ham mavjud. Ular "quyosh batareyalarida" ishlaydi, ammo ADP va fosfatdan ATP hosil qiladi. Mitoxondriya singari, xloroplastlar - avtonom ko'payadigan organellalar ham ikkita membranaga ega va DNKni o'z ichiga oladi.

Mitoxondriyal matritsada DNKdan tashqari, endoplazmatik retikulum membranalarida joylashgan eukaryotik ribosomalardan ko'p xususiyatlari bilan farq qiluvchi o'ziga xos ribosomalar ham mavjud. Biroq, ularning tarkibiga kiradigan barcha oqsillarning 5% dan ko'pi mitoxondriya ribosomalarida hosil bo'ladi. Mitoxondriyaning strukturaviy va funksional komponentlarini tashkil etuvchi oqsillarning aksariyati yadro genomi tomonidan kodlanadi, endoplazmatik retikulum ribosomalarida sintezlanadi va uning kanallari orqali yig'ilish joyiga etkaziladi. Shunday qilib, mitoxondriyalar ikkita genom va ikkita transkripsiya va tarjima apparatlarining birgalikdagi harakatlari natijasidir. Mitoxondrial nafas olish zanjirining ba'zi subunit fermentlari turli polipeptidlardan iborat bo'lib, ularning ba'zilari yadro genomi, ba'zilari esa mitoxondriyal genom tomonidan kodlangan. Masalan, oksidlovchi fosforlanishning asosiy fermenti, xamirturushdagi sitoxrom c oksidaza mitoxondriyalarda kodlangan va sintezlangan uchta subbirlikdan va hujayra yadrosida kodlangan va sitoplazmada sintezlangan to'rtta subbirlikdan iborat. Aksariyat mitoxondrial genlarning ifodalanishi maxsus yadro genlari tomonidan boshqariladi.

Mitoxondriyal genomlarning o'lchamlari va shakllari

Bugungi kunga qadar 100 dan ortiq turli xil mitoxondrial genomlar o'qilgan. Nukleotidlar ketma-ketligi to'liq aniqlangan mitoxondrial DNKdagi ularning genlari to'plami va soni hayvonlar, o'simliklar, zamburug'lar va oddiy hayvonlarning turli turlarida juda katta farq qiladi. Eng ko'p genlar flagellatli protozoalarning mitoxondrial genomida topilgan. Rectinomonas americana- 97 gen, shu jumladan boshqa organizmlarning mtDNKsida topilgan barcha protein kodlovchi genlar. Ko‘pgina yuqori hayvonlarda mitoxondriyal genomda 37 ta gen mavjud: nafas olish zanjiri oqsillari uchun 13 ta, tRNK uchun 22 ta va rRNK uchun ikkita (katta ribosoma bo‘linmasi 16S rRNK va kichik 12S rRNK uchun). O'simliklar va protozoalarda, hayvonlar va ko'pchilik zamburug'lardan farqli o'laroq, mitoxondriyal genom ushbu organellalarning ribosomalarini tashkil etuvchi ba'zi oqsillarni ham kodlaydi. Shablonli polinukleotid sintezining asosiy fermentlari, masalan, DNK polimeraza (mitoxondriyal DNKni replikatsiya qiluvchi) va RNK polimeraza (mitoxondriyal genomni transkripsiya qiluvchi) yadroda shifrlangan va sitoplazmadagi ribosomalarda sintezlanadi. Bu fakt eukaryotik hujayraning murakkab ierarxiyasida mitoxondrial avtonomiyaning nisbiyligini ko'rsatadi.

Turli xil turlarning mitoxondrial genomlari nafaqat genlar to'plami, ularning joylashuvi va ifodalanish tartibi, balki DNKning hajmi va shakli bilan ham farqlanadi. Bugungi kunda tasvirlangan mitoxondrial genomlarning aksariyati dumaloq o'ta o'ralgan ikki zanjirli DNK molekulalaridir. Ba'zi o'simliklarda aylana shakllari bilan bir qatorda chiziqli shakllar ham mavjud va ba'zi oddiy hayvonlarda, masalan, siliatlarda, mitoxondriyalarda faqat chiziqli DNK mavjud.

Odatda, har bir mitoxondriya o'z genomining bir nechta nusxalarini o'z ichiga oladi. Shunday qilib, inson jigar hujayralarida 2 mingga yaqin mitoxondriya mavjud bo'lib, ularning har birida 10 ta bir xil genom mavjud. Sichqoncha fibroblastlarida ikkita genomga ega 500 ta mitoxondriya, xamirturush hujayralarida esa S.cerevisiae- har biri to'rtta genomga ega bo'lgan 22 tagacha mitoxondriya.

O'simliklarning mitoxondrial genomi odatda har xil o'lchamdagi bir nechta molekulalardan iborat. Ulardan biri, ya'ni "asosiy xromosoma" genlarning ko'p qismini o'z ichiga oladi va bir-biri bilan ham, asosiy xromosoma bilan ham dinamik muvozanatda bo'lgan kichikroq doiraviy shakllar hujayra ichidagi va molekulalararo rekombinatsiya natijasida hosil bo'ladi. takroriy ketma-ketliklarning mavjudligi (1-rasm).

1-rasm. O'simlik mitoxondriyalarida turli o'lchamdagi dumaloq DNK molekulalarining hosil bo'lish sxemasi.
Rekombinatsiya takroriy hududlar bo'ylab sodir bo'ladi (ko'k rang bilan ko'rsatilgan).

2-rasm. Chiziqli (A), doiraviy (B), zanjirli (C) mtDNK oligomerlarini hosil qilish sxemasi.
ori DNK replikatsiyasi boshlanadigan hududdir.

Turli organizmlarning mitoxondrial genomining kattaligi falciparum plazmodiumidagi 6 ming tayanch juftidan (ikkita rRNK genidan tashqari u faqat uchta protein kodlovchi genni o'z ichiga oladi) quruqlikdagi o'simliklardagi yuz minglab asosiy juftlarga (uchun) o'zgarib turadi. misol, Arabidopsis thaliana xochga mixlangan oiladan 366924 juft nukleotid). Bundan tashqari, yuqori o'simliklarning mtDNK hajmidagi 7-8 baravar farqlar hatto bir oilada ham uchraydi. Umurtqali hayvonlarning mtDNK uzunligi biroz farq qiladi: odamlarda - 16569 juft nukleotid, cho'chqalarda - 16350, delfinlarda - 16330, tirnoqli qurbaqalarda Xenopus laevis- 17533, sazanda - 16400. Bu genomlar genlarning lokalizatsiyasi bo'yicha ham o'xshash bo'lib, ularning aksariyati uchi uchi joylashgan; ba'zi hollarda ular hatto bir-birining ustiga chiqadi, odatda bitta nukleotid, shuning uchun bir genning oxirgi nukleotidi keyingisida birinchi bo'ladi. Umurtqali hayvonlardan farqli o'laroq, o'simliklar, zamburug'lar va protozoalarda mtDNK 80% gacha kodlanmaydigan ketma-ketlikni o'z ichiga oladi. Mitoxondrial genomlardagi genlarning tartibi turlarga qarab farq qiladi.

Mitoxondriyadagi reaktiv kislorod turlarining yuqori konsentratsiyasi va zaif ta'mirlash tizimi yadro DNKsiga nisbatan mtDNK mutatsiyalarining chastotasini kattalik tartibida oshiradi. Kislorod radikallari C®T (sitozin deaminatsiyasi) va G®T (guaninning oksidlovchi shikastlanishi) o'ziga xos almashtirishlarni keltirib chiqaradi, buning natijasida mtDNK AT juftlariga boy bo'lishi mumkin. Bundan tashqari, barcha mtDNKlar qiziqarli xususiyatga ega - ular yadro va prokaryotik DNKdan farqli ravishda metillanmagan. Ma'lumki, metillanish (DNKning kodlash funktsiyasini buzmasdan nukleotidlar ketma-ketligini vaqtincha kimyoviy modifikatsiya qilish) dasturlashtirilgan gen inaktivatsiyasi mexanizmlaridan biridir.

Sutemizuvchilarning mitoxondriyal DNKsining replikatsiyasi va transkripsiyasi

Ko'pgina hayvonlarda mtDNKdagi komplementar zanjirlar o'ziga xos zichlikda sezilarli darajada farqlanadi, chunki ular teng bo'lmagan miqdorda "og'ir" purin va "engil" pirimidin nukleotidlarini o'z ichiga oladi. Shuning uchun ular deyiladi - H (og'ir - og'ir) va L (engil - engil) zanjir. MtDNK molekulasi replikatsiyasining boshida D-loop deb ataladigan shakl hosil bo'ladi (inglizcha joy almashish halqasidan - siljish halqasi). Elektron mikroskop ostida ko'rinadigan bu struktura ikki va bir ipli (H-zanjirning cho'zilgan qismi) mintaqadan iborat. Ikki zanjirli hudud L-zanjirning bir qismi va uni to'ldiruvchi yangi sintezlangan DNK bo'lagidan hosil bo'ladi, uzunligi 450-650 nukleotid (organizm turiga qarab), 5" uchida ribonukleotid primeriga ega bo'lib, unga mos keladi. H-zanjir sintezining boshlang'ich nuqtasiga (ori H) Sintez L-zanjir faqat qiz H-zanjir ori L nuqtasiga yetganda boshlanadi. Bu L-ning replikatsiya boshlanishi mintaqasi bilan bog'liq. zanjir DNK sintezi fermentlari uchun faqat bir zanjirli holatda va shuning uchun H sintezi jarayonida faqat burilmagan qo'sh spiralda kirish mumkin -zanjirlar Shunday qilib, mtDNK qiz zanjirlari uzluksiz va asinxron ravishda sintezlanadi (3-rasm).

3-rasm. Sutemizuvchilar mtDNK replikatsiya sxemasi.
Birinchidan, D-loop hosil bo'ladi, so'ngra qizi H-simtalanadi,
keyin qizi L-zanjirning sintezi boshlanadi.

Mitoxondriyalarda D-loopli molekulalarning umumiy soni to'liq replikatsiya qiluvchi molekulalar sonidan sezilarli darajada oshadi. Buning sababi D-pak qo'shimcha funktsiyalarga ega - mtDNKni ichki membranaga biriktirish va transkripsiyani boshlash, chunki ikkala DNK zanjirining transkripsiya promouterlari ushbu mintaqada lokalizatsiya qilingan.

Bir-biridan mustaqil ravishda transkripsiyalangan ko‘pchilik eukaryotik genlardan farqli o‘laroq, sutemizuvchilar mtDNK zanjirlarining har biri ori H mintaqasidan boshlab bitta RNK molekulasini hosil qilish uchun transkripsiyalanadi.Bu ikki uzun RNK molekulasiga qo‘shimcha ravishda H- va ni to‘ldiruvchi. L-zanjirlar, ko'proq H-zanjirning bir nuqtadan boshlanib, 16S rRNK genining 3" uchida tugaydigan qisqa bo'limlari hosil bo'ladi (4-rasm). Bunday qisqa transkriptlar uzun bo'lganlarga qaraganda 10 marta ko'p. Yetilish (qayta ishlash) natijasida ulardan 12S rRNK va mitoxondrial ribosomalar hosil boʻlishida ishtirok etuvchi 16S rRNK hamda fenilalanin va valin tRNK.Qolgan tRNKlar uzun transkriptlardan kesilib, translatsiya qilingan mRNKlar hosil boʻladi. poliadenil ketma-ketliklari biriktirilgan 3" uchlari. Bu mRNKlarning 5" uchlari yopilmagan, bu eukariotlar uchun odatiy holdir. Sutemizuvchilarning mitoxondrial genlarining hech birida intronlar bo'lmagani uchun qo'shilish sodir bo'lmaydi.

4-rasm. 37 genni o'z ichiga olgan inson mtDNKsining transkripsiyasi. Barcha transkriptlar ori H mintaqasida sintezlana boshlaydi.Ribosomal RNKlar uzun va qisqa H zanjirli transkriptlardan ajratiladi. tRNK va mRNK DNKning ikkala zanjiri transkriptlaridan ishlov berish natijasida hosil bo'ladi. tRNK genlari och yashil rangda ko'rsatilgan.

Mitoxondriyal genomning kutilmagan hodisalari

Sutemizuvchilar va xamirturush mitoxondriyalarining genomlari taxminan bir xil miqdordagi genlarni o'z ichiga olishiga qaramay, xamirturush genomining hajmi 4-5 baravar katta - taxminan 80 ming tayanch juft. Xamirturushli mtDNK ning kodlash ketma-ketligi odamlarda mos keladigan ketma-ketliklarga juda o'xshash bo'lsa-da, xamirturush mRNKlari qo'shimcha ravishda ko'pchilik yadro mRNKlari kabi 5 "lider" va 3" kodlanmagan hududga ega. Bir qator genlarda intronlar ham mavjud. Shunday qilib, sitoxrom oksidaz b ni kodlovchi quti geni ikkita intronga ega. Birinchi intronning ko'p qismining nusxasi birlamchi RNK transkripsiyasidan avtokatalitik (hech qanday oqsillar ishtirokisiz) chiqariladi. Qolgan RNK qo'shilishda ishtirok etuvchi maturaza fermentini hosil qilish uchun shablon bo'lib xizmat qiladi. Uning aminokislotalar ketma-ketligining bir qismi intronlarning qolgan nusxalarida kodlangan. Maturaza ularni kesib, o'zining mRNKsini yo'q qiladi, ekzonlarning nusxalari birlashtiriladi va sitoxrom oksidaza b uchun mRNK hosil bo'ladi (5-rasm). Ushbu hodisaning kashf etilishi bizni intronlar g'oyasini "kodlanmagan ketma-ketliklar" sifatida qayta ko'rib chiqishga majbur qildi.

5-rasm. Xamirturush mitoxondriyalarida sitoxrom oksidaza b mRNKni qayta ishlash (etilish).
Splaysning birinchi bosqichida maturaza sintez qilish uchun ishlatiladigan mRNK hosil bo'ladi,
ikkinchi ulash bosqichi uchun zarur.

Mitoxondriyal genlarning ifodasini o'rganishda Trypanosoma brucei molekulyar biologiyaning asosiy aksiomalaridan birining hayratlanarli og'ishini aniqladi, unda mRNKdagi nukleotidlar ketma-ketligi DNKning kodlash hududlaridagi ketma-ketlikka to'liq mos keladi. Ma'lum bo'lishicha, sitoxrom c oksidaza bo'linmalaridan birining mRNKsi tahrirlangan, ya'ni. transkripsiyadan so'ng uning asosiy tuzilishi o'zgaradi - to'rtta urasil kiritiladi. Natijada, fermentning qo'shimcha bo'linmasini sintez qilish uchun shablon bo'lib xizmat qiladigan yangi mRNK hosil bo'ladi, uning aminokislotalar ketma-ketligi tahrirlanmagan mRNK tomonidan kodlangan ketma-ketlik bilan hech qanday umumiylikka ega emas (jadvalga qarang).

Birinchi marta tripanosoma mitoxondriyalarida kashf etilgan RNKni tahrirlash yuqori o'simliklarning xloroplastlari va mitoxondriyalarida keng tarqalgan. U sutemizuvchilarning somatik hujayralarida ham uchraydi, masalan, inson ichak epiteliysida apolipoprotein genining mRNKsi tahrirlangan.

Mitoxondriya 1979 yilda olimlarga eng katta ajablanib taqdim etdi. O'sha vaqtga qadar genetik kod universal bo'lib, bir xil tripletlar bakteriyalar, viruslar, zamburug'lar, o'simliklar va hayvonlardagi bir xil aminokislotalarni kodlaydi, deb hisoblar edi. Ingliz tadqiqotchisi Burrell buzoq mitoxondrial genlaridan birining tuzilishini ushbu gen tomonidan kodlangan sitoxrom oksidaza subbirligidagi aminokislotalar ketma-ketligi bilan taqqosladi. Ma'lum bo'lishicha, qoramollarda (shuningdek, odamlarda) mitoxondriyalarning genetik kodi nafaqat universaldan farq qiladi, balki u "ideal", ya'ni. quyidagi qoidaga bo'ysunadi: "agar ikkita kodon ikkita bir xil nukleotidga ega bo'lsa va uchinchi nukleotidlar bir xil sinfga tegishli bo'lsa (purin - A, G yoki pirimidin - U, C), ular bir xil aminokislotalarni kodlashadi." Universal kodda bu qoidadan ikkita istisno mavjud: AUA tripleti izolösinni va AUG kodoni metioninni kodlaydi, ideal mitoxondrial kodda esa bu tripletlarning ikkalasi ham metioninni kodlaydi; UGG tripleti faqat triptofanni, UGA tripleti esa stop kodonini kodlaydi. Umumjahon kodida ikkala og'ish ham oqsil sintezining asosiy jihatlariga taalluqlidir: AUG kodoni boshlang'ich hisoblanadi va to'xtash kodoni UGA polipeptid sintezini to'xtatadi. Ideal kod barcha tasvirlangan mitoxondriyalarga xos emas, lekin ularning hech biri universal kodga ega emas. Aytishimiz mumkinki, mitoxondriyalar turli tillarda gaplashadi, lekin hech qachon yadro tilida emas.

Yuqorida aytib o'tilganidek, umurtqali hayvonlarning mitoxondrial genomida 22 ta tRNK genlari mavjud. Bunday to'liq bo'lmagan to'plam aminokislotalar uchun barcha 60 ta kodonga qanday xizmat qiladi (64 ta tripletning ideal kodida to'rtta to'xtash kodon mavjud, universal kodda uchta)? Gap shundaki, mitoxondriyadagi oqsil sintezi jarayonida kodon-antikodon o'zaro ta'siri soddalashtiriladi - tanib olish uchun uchta antikodon nukleotiddan ikkitasi ishlatiladi. Shunday qilib, bitta tRNK kodon oilasining barcha to'rt a'zosini taniydi, faqat uchinchi nukleotidda farqlanadi. Masalan, GAU antikodonli leytsin tRNK TsU, TsUC, TsUA va Tsug kodonlariga qarama-qarshi ribosomada joylashgan bo'lib, leysinning polipeptid zanjiriga xatosiz qo'shilishini ta'minlaydi. Yana ikkita leysin kodonlari, UUA va UUG, tRNK tomonidan AAU antikodoni bilan tan olinadi. Hammasi bo'lib, sakkiz xil tRNK molekulalari har biri to'rtta kodondan iborat sakkizta oilani taniydi va 14 tRNK har biri bitta aminokislotani kodlaydigan turli juft kodonlarni taniydi.

Aminoatsil-tRNK sintetaza fermentlarining tegishli mitoxondriyal tRNKlarga qo'shilishi uchun javob beradigan aminokislotalar hujayra yadrosida kodlanganligi va endoplazmatik retikulum ribosomalarida sintezlanishi muhimdir. Shunday qilib, umurtqali hayvonlarda mitoxondrial polipeptid sintezining barcha oqsil komponentlari yadroda shifrlangan. Bunday holda, mitoxondriyadagi oqsil sintezi eukaryotik ribosomalarning ishini bloklaydigan siklogeksimid tomonidan bostirilmaydi, ammo bakteriyalarda oqsil sintezini inhibe qiluvchi eritromitsin va xloramfenikol antibiotiklariga sezgir. Bu fakt eukaryotik hujayralarning simbiotik shakllanishi paytida mitoxondriyalarning aerob bakteriyalardan kelib chiqishi foydasiga dalillardan biri bo'lib xizmat qiladi.

Mitoxondriyalarning kelib chiqishining simbiotik nazariyasi

Hujayra ichidagi endosimbiont bakteriyalardan mitoxondriya va o'simlik plastidlarining kelib chiqishi haqidagi faraz R.Altman tomonidan 1890-yilda ifodalangan. Yarim asr avval paydo bo'lgan biokimyo, sitologiya, genetika va molekulyar biologiyaning jadal rivojlanishi asrida gipoteza shunday bo'ldi. katta miqdordagi faktik materiallarga asoslangan nazariyaga aylandi. Uning mohiyati shundan iboratki: fotosintetik bakteriyalar paydo bo'lishi bilan Yer atmosferasida to'plangan kislorod - ularning metabolizmining qo'shimcha mahsuloti. Uning konsentratsiyasi ortishi bilan anaerob geterotroflarning hayoti murakkablashdi va ularning ba'zilari energiya olish uchun kislorodsiz fermentatsiyadan oksidlovchi fosforlanishga o'tdi. Bunday aerob geterotroflar fotosintez natijasida hosil bo'lgan organik moddalarni anaerob bakteriyalarga qaraganda yuqori samaradorlik bilan parchalashi mumkin. Erkin yashovchi aeroblarning bir qismi anaeroblar tomonidan ushlangan, ammo "hazm qilinmagan" emas, balki energiya stantsiyalari, mitoxondriyalar sifatida saqlanadi. Mitoxondriyalarni nafas olish qobiliyatiga ega bo'lmagan hujayralarga ATP molekulalari bilan ta'minlash uchun asirga olingan qul sifatida qaramaslik kerak. Ular proterozoy davrida o'zlari va avlodlari uchun eng yaxshi boshpana topadigan "maxluqlar" bo'lib, ular eng kam kuch sarflashlari mumkin edi.

Ko'pgina faktlar simbiotik nazariya foydasiga gapiradi:

- mitoxondriyalar va erkin yashovchi aerob bakteriyalarning o'lchamlari va shakllari mos keladi; ikkalasi ham gistonlar bilan bog'lanmagan dumaloq DNK molekulalarini o'z ichiga oladi (chiziqli yadro DNKsidan farqli o'laroq);
Nukleotidlar ketma-ketligi nuqtai nazaridan mitoxondriyalarning ribosoma va transfer RNKlari yadrodan farq qiladi, shu bilan birga ba'zi aerob grammusbat eubakteriyalarning o'xshash molekulalari bilan hayratlanarli darajada o'xshashlikni namoyish etadi;
Mitoxondriyal RNK polimerazalari, garchi hujayra yadrosida kodlangan bo'lsa-da, bakterial kabi rifampitsin tomonidan inhibe qilinadi va eukaryotik RNK polimerazalari bu antibiotikga sezgir emas;
Mitoxondriya va bakteriyalarda oqsil sintezi eukariotlarning ribosomalariga ta'sir qilmaydigan bir xil antibiotiklar tomonidan bostiriladi;
Mitoxondriyaning ichki membranasi va bakterial plazmalemmaning lipid tarkibi o'xshash, ammo eukaryotik hujayralarning boshqa membranalari bilan gomologik bo'lgan mitoxondriyaning tashqi membranasidan juda farq qiladi;
Ichki mitoxondriyal membranadan hosil bo'lgan kristallar ko'plab prokariotlarning mezosomal membranalarining evolyutsion analoglari;
Bakteriyalardan (ibtidoiy amyoba) mitoxondriyalarni hosil qilish yo'lida oraliq shakllarga taqlid qiluvchi organizmlar hali ham mavjud. Pelomyxa mitoxondriyaga ega emas, lekin har doim endosimbiotik bakteriyalarni o'z ichiga oladi).

Yangi genom metabolik yo'llarni yaratishi mumkin, bu esa foydali mahsulotlarning shakllanishiga olib keladi, ularni faqat ikkala sherik ham sintez qila olmaydi. Shunday qilib, buyrak usti korteksining hujayralari tomonidan steroid gormonlar sintezi murakkab reaktsiyalar zanjiri bo'lib, ularning ba'zilari mitoxondriyalarda, ba'zilari esa endoplazmatik retikulumda sodir bo'ladi. Promitoxondrial genlarni ushlash orqali yadro simbiontning funktsiyalarini ishonchli boshqarishga muvaffaq bo'ldi. Yadro barcha oqsillarni va mitoxondriyalarning tashqi membranasining lipid sintezini, matritsa oqsillarining ko'p qismini va organellalarning ichki membranasini kodlaydi. Eng muhimi, yadro mtDNK replikatsiyasi, transkripsiyasi va tarjimasi uchun fermentlarni kodlaydi va shu bilan mitoxondriyalarning o'sishi va ko'payishini nazorat qiladi. Simbioz sheriklarining o'sish tezligi taxminan bir xil bo'lishi kerak. Agar uy egasi tezroq o'sadigan bo'lsa, unda har bir avlod bilan bir kishiga simbiontlar soni kamayadi va oxir-oqibat mitoxondriyasiz avlodlar paydo bo'ladi. Bizga ma'lumki, jinsiy yo'l bilan ko'payadigan organizmning har bir hujayrasida ko'plab mitoxondriyalar mavjud bo'lib, ular uy egasining bo'linishlari orasida o'zlarining DNKlarini takrorlaydilar. Bu qiz hujayralarning har biri mitoxondriyal genomning kamida bitta nusxasini olishini ta'minlaydi.

Sitoplazmatik meros

Nafas olish zanjirining asosiy komponentlarini va o'zining oqsil sintez qilish apparatini kodlashdan tashqari, mitoxondriyal genom ba'zi hollarda ba'zi morfologik va fiziologik xususiyatlarni shakllantirishda ishtirok etadi. Bu belgilarga NCS sindromi (xromosoma bo'lmagan chiziq, xromosoma bo'lmagan kodlangan barg dog'i) va yuqori o'simliklarning bir qator turlariga xos bo'lgan sitoplazmatik erkak bepushtligi (CMS) kiradi, bu polenning normal rivojlanishining buzilishiga olib keladi. Ikkala belgining namoyon bo'lishi mtDNK tuzilishidagi o'zgarishlar bilan bog'liq. CMSda mitoxondrial genomlarning qayta tuzilishi ma'lum nukleotidlar ketma-ketligi yoki butun genlarning o'chirilishiga, dublikatsiyasiga, inversiyasiga yoki kiritilishiga olib keladigan rekombinatsiya hodisalari natijasida kuzatiladi. Bunday o'zgarishlar nafaqat mavjud genlarga zarar etkazishi, balki yangi ishlaydigan genlarning paydo bo'lishiga ham olib kelishi mumkin.

Sitoplazmatik irsiyat, yadroviy irsiyatdan farqli o'laroq, Mendel qonunlariga bo'ysunmaydi. Buning sababi, yuqori darajadagi hayvonlar va o'simliklarning turli jinsdagi gametalarida turli xil miqdordagi mitoxondriyalar mavjud. Demak, sichqon tuxumida 90 ming mitoxondriya bor, ammo spermada atigi to'rtta mitoxondriya bor. Ko'rinib turibdiki, urug'langan tuxumda mitoxondriyalar asosan yoki faqat urg'ochi shaxsdan, ya'ni. Barcha mitoxondrial genlarning merosi onalikdir. Yadro-sitoplazmatik o'zaro ta'sir tufayli sitoplazmatik merosni genetik tahlil qilish qiyin. Sitoplazmatik erkak bepushtligi holatida mutant mitoxondrial genom ma'lum yadro genlari bilan o'zaro ta'sir qiladi, ularning retsessiv allellari belgi rivojlanishi uchun zarurdir. Bu genlarning dominant allellari, ham gomo-, ham geterozigota holatda, mitoxondriyal genomning holatidan qat'i nazar, o'simliklarning unumdorligini tiklaydi.

Mitoxondriyal genomlarni, populyatsiya genetikasining o'ziga xos qonuniyatlariga amal qiladigan evolyutsiyasini, yadro va mitoxondrial genetik tizimlar o'rtasidagi munosabatlarni o'rganish eukaryotik hujayraning va butun organizmning murakkab ierarxik tashkil etilishini tushunish uchun zarurdir.

Mitoxondriyal DNK yoki mitoxondriyani boshqaradigan yadro genlaridagi ba'zi mutatsiyalar ba'zi irsiy kasalliklar va insonning qarishi bilan bog'liq. Kanserogenezda mtDNK nuqsonlarining ishtiroki haqida ma'lumotlar to'planmoqda. Shuning uchun mitoxondriya saraton kimyoterapiyasi uchun maqsad bo'lishi mumkin. Bir qator inson patologiyalarining rivojlanishida yadro va mitoxondrial genomlarning yaqin o'zaro ta'siri haqida faktlar mavjud. Mushaklarning og'ir zaifligi, ataksiya, karlik va aqliy zaiflashuvi bo'lgan bemorlarda autosomal dominant tarzda meros bo'lib o'tgan bir nechta mtDNK deletsiyalari aniqlandi. Jinsiy dimorfizm koroner yurak kasalligining klinik ko'rinishida aniqlangan, bu, ehtimol, onaning ta'siri - sitoplazmatik meros bilan bog'liq. Gen terapiyasining rivojlanishi yaqin kelajakda mitoxondrial genomlardagi nuqsonlarni tuzatishga umid beradi.

Ushbu ish Rossiya fundamental tadqiqotlar jamg'armasi tomonidan qo'llab-quvvatlandi. Loyiha 01-04-48971.
Muallif maqola uchun chizmalarni yaratgan aspirant M.K.Ivanovga minnatdorchilik bildiradi.

Adabiyot

1. Yankovskiy N.K., Borinskaya S.A. DNKda qayd etilgan tariximiz // Tabiat. 2001 yil. № 6. B.10-18.

2. Minchenko A.G., Dudareva N.A. Mitoxondriyal genom. Novosibirsk, 1990 yil.

3. Gvozdev V.A.// Soros. ta'lim jurnal 1999 yil. 10-son. B.11-17.

4. Margelis L. Hujayra evolyutsiyasida simbiozning roli. M., 1983 yil.

5. Skulachev V.P.// Soros. ta'lim jurnal 1998 yil. 8-son. P.2-7.

6. Igamberdiev A.U.// Soros. ta'lim jurnal 2000. № 1. B.32-36.

Evolyutsiya jarayonida "hujayraning energiya stantsiyalarida" qolgan genlar boshqaruv muammolaridan qochishga yordam beradi: agar mitoxondriyada biror narsa buzilsa, u "markazdan" ruxsatni kutmasdan, uni o'zi tuzatishi mumkin.

Bizning hujayralarimiz energiyani ko'pincha hujayraning energiya stantsiyalari deb ataladigan mitoxondriya deb ataladigan maxsus organellalar yordamida oladi. Tashqi tomondan, ular er-xotin devorli tanklarga o'xshaydi va ichki devor juda notekis, ko'plab kuchli chuqurchaga ega.

Yadro (rangli ko'k) va mitoxondriya (qizil rangli) bo'lgan hujayra. (NICHD/Flickr.com surati)

Kesimdagi mitoxondriyalar, ichki membrananing o'simtalari uzunlamasına ichki chiziqlar shaklida ko'rinadi. (Visuals Unlimited/Corbis tomonidan olingan surat.)

Mitoxondriyalarda juda ko'p biokimyoviy reaktsiyalar sodir bo'ladi, ular davomida "oziq-ovqat" molekulalari asta-sekin oksidlanadi va parchalanadi va ularning kimyoviy bog'lanish energiyasi hujayra uchun qulay shaklda saqlanadi. Ammo, qo'shimcha ravishda, bu "energiya stantsiyalari" genlar bilan o'zlarining DNKlariga ega, ular RNK sintezini ta'minlaydigan o'zlarining molekulyar mashinalari tomonidan xizmat qiladi, so'ngra oqsil sintezi.

Juda uzoq o'tmishda mitoxondriyalar boshqa bir hujayrali mavjudotlar (ehtimol, arxeya) tomonidan iste'mol qilingan mustaqil bakteriyalar bo'lgan deb ishoniladi. Ammo bir kuni "yirtqichlar" to'satdan yutib yuborilgan protomitoxondriyalarni hazm qilishni to'xtatib, ularni o'zlarida saqlab qolishdi. Simbiontlarning bir-biri bilan uzoq ishqalanishi boshlandi; Natijada, yutib yuborilganlar o'zlarining tuzilishini sezilarli darajada soddalashtirdilar va hujayra ichidagi organellalarga aylandilar va ularning "xo'jayinlari" yanada samarali energiya tufayli o'simliklar va hayvonlargacha bo'lgan hayotning tobora murakkab shakllariga aylana oldilar.

Bir vaqtlar mitoxondriyalar mustaqil bo'lganligi ularning genetik apparati qoldiqlari bilan tasdiqlanadi. Albatta, agar siz ichkarida hamma narsa tayyor bo'lsa, o'z genlaringizni o'z ichiga olish zarurati yo'qoladi: inson hujayralaridagi zamonaviy mitoxondriyalarning DNKsi atigi 37 genni o'z ichiga oladi - yadro DNKidagi 20-25 mingga qarshi. Millionlab yillar davomida evolyutsiya davomida ko'plab mitoxondrial genlar hujayra yadrosiga o'tdi: ular kodlagan oqsillar sitoplazmada sintezlanadi va keyin mitoxondriyalarga ko'chiriladi. Biroq, darhol savol tug'iladi: nega 37 gen hali ham o'z joyida qoldi?

Mitoxondriyalar, takrorlaymiz, barcha eukaryotik organizmlarda, ya'ni hayvonlar, o'simliklar, zamburug'lar va oddiygina organizmlarda mavjud. Ian Jonston ( Iain Jonston) Birmingem va Ben Uilyams universitetidan ( Ben P. Uilyams) Whitehead institutidan turli eukaryotlardan olingan 2000 dan ortiq mitoxondrial genomlarni tahlil qildi. Maxsus matematik model yordamida tadqiqotchilar evolyutsiya davrida mitoxondriyalarda qaysi genlar qolish ehtimoli ko‘proq ekanligini tushunishga muvaffaq bo‘lishdi.

Kirish

Mitoxondriyalarda DNK molekulalari topilganidan buyon chorak asr o'tdi va ular nafaqat molekulyar biologlar va sitologlar, balki genetiklar, evolyutsionistlar, shuningdek, paleontologlar va kriminologlar. Bunday keng tarqalgan qiziqish Kaliforniya universitetidan A. Uilsonning ishi bilan qo'zg'atildi. 1987 yilda u besh qit'ada yashovchi barcha inson irqlari turli etnik guruhlarning 147 vakilidan olingan mitoxondriyal DNKning qiyosiy tahlili natijalarini e'lon qildi. Alohida mutatsiyalarning turi, joylashuvi va soniga asoslanib, barcha mitoxondriyal DNKlar bitta ajdod nukleotidlar ketma-ketligidan kelib chiqqanligi aniqlandi. farqlar. Soxta ilmiy matbuotda bu xulosa juda soddalashtirilgan tarzda talqin qilingan - butun insoniyat Shimoliy-Sharqiy Afrikada yashagan mitoxondrial Momo Havo (chunki ikkala qiz ham, o'g'il ham mitoxondriyani faqat onalaridan oladi) deb nomlangan bitta ayoldan kelib chiqqan. 200 ming yil oldin. Yana 10 yil o'tgach, neandertal qoldiqlaridan ajratilgan mitoxondriyal DNK parchasini ochish va odamlar va neandertallarning so'nggi umumiy ajdodi 500 ming yil oldin mavjudligini taxmin qilish mumkin edi.

Bugungi kunda inson mitoxondrial genetikasi ham populyatsiyada, ham tibbiy jihatdan jadal rivojlanmoqda. Bir qator og'ir irsiy kasalliklar va mitoxondriyal DNKdagi nuqsonlar o'rtasida bog'liqlik o'rnatildi. Qarish bilan bog'liq genetik o'zgarishlar mitoxondriyalarda eng aniq namoyon bo'ladi. Odam va boshqa hayvonlarda o‘simliklar, zamburug‘lar va oddiy hayvonlarnikidan kattaligi, shakli va genetik qobiliyatiga ko‘ra farq qiluvchi mitoxondrial genom nima? Rol nima, u qanday ishlaydi va mitoxondrial genom umuman turli taksonlarda va xususan odamlarda qanday paydo bo'lgan? Bu mening "kichik va eng kamtarona" inshomda muhokama qilinadi.

Mitoxondriyal matritsada DNKdan tashqari, endoplazmatik retikulum membranalarida joylashgan eukaryotik ribosomalardan ko'p xususiyatlari bilan farq qiluvchi o'ziga xos ribosomalar ham mavjud. Biroq, ularning tarkibiga kiradigan barcha oqsillarning 5% dan ko'pi mitoxondriya ribosomalarida hosil bo'ladi. Mitoxondriyaning strukturaviy va funksional komponentlarini tashkil etuvchi oqsillarning aksariyati yadro genomi tomonidan kodlanadi, endoplazmatik retikulumning ribosomalarida sintezlanadi va uning kanallari orqali yig'ilish joyiga etkaziladi. Shunday qilib, mitoxondriyalar ikkita genom va ikkita transkripsiya va tarjima apparatlarining birgalikdagi harakatlari natijasidir. Mitoxondrial nafas olish zanjirining ba'zi subunit fermentlari turli polipeptidlardan iborat bo'lib, ularning bir qismi yadro genomi, ba'zilari esa mitoxondriyal genom tomonidan kodlangan. Masalan, oksidlovchi fosforlanishning asosiy fermenti, xamirturushdagi sitoxrom c oksidaza mitoxondriyalarda kodlangan va sintezlangan uchta subbirlikdan va hujayra yadrosida kodlangan va sitoplazmada sintezlangan to'rtta subbirlikdan iborat. Aksariyat mitoxondrial genlarning ifodalanishi maxsus yadro genlari tomonidan boshqariladi.

Mitoxondriyalarning kelib chiqishining simbiotik nazariyasi

Hujayra ichidagi endosimbiont bakteriyalardan mitoxondriya va o'simlik plastidlarining kelib chiqishi haqidagi faraz R.Altman tomonidan 1890-yilda ifodalangan edi. Bir asrlik jadal rivojlanish davrida. biokimyo , sitologiya, yarim asr oldin paydo bo'lgan genetika va molekulyar biologiya, gipoteza katta miqdordagi faktik materiallarga asoslangan nazariyaga aylandi. Uning mohiyati shundan iboratki: fotosintetik bakteriyalar paydo bo'lishi bilan Yer atmosferasida to'plangan kislorod - ularning metabolizmining qo'shimcha mahsuloti. Uning konsentratsiyasi ortishi bilan anaerob geterotroflarning hayoti murakkablashdi va ularning ba'zilari energiya olish uchun kislorodsiz sharoitdan o'tdi. fermentatsiya oksidlovchi fosforlanishga. Bunday aerob geterotroflar anaerob bakteriyalarga qaraganda yuqori samaradorlik bilan fotosintez natijasida hosil bo'lgan organik moddalarni parchalashi mumkin edi. Erkin yashovchi aeroblarning bir qismi anaeroblar tomonidan ushlangan, ammo "hazm qilinmagan" emas, balki energiya stantsiyalari, mitoxondriyalar sifatida saqlanadi. Mitoxondriyalarni nafas olish qobiliyatiga ega bo'lmagan hujayralarga ATP molekulalari bilan ta'minlash uchun asirga olingan qul sifatida qaramaslik kerak. Ular proterozoy davrida o'zlari va avlodlari uchun eng yaxshi boshpana topadigan "maxluqlar" bo'lib, ular eng kam kuch sarflashlari mumkin edi.

Ko'pgina faktlar simbiotik nazariya foydasiga gapiradi:

Mitoxondriyalar va erkin yashovchi aerob bakteriyalarning o'lchamlari va shakllari bir-biriga mos keladi; ikkalasi ham gistonlar bilan bog'lanmagan dumaloq DNK molekulalarini o'z ichiga oladi (chiziqli yadro DNKsidan farqli o'laroq);

Nukleotidlar ketma-ketligi nuqtai nazaridan mitoxondriyalarning ribosoma va transfer RNKlari yadrodan farq qiladi, shu bilan birga ba'zi aerob grammusbat eubakteriyalarning o'xshash molekulalari bilan hayratlanarli darajada o'xshashlikni namoyish etadi;

Mitoxondrial RNK polimerazalari, garchi hujayra yadrosida kodlangan bo'lsa-da, bakteriya kabi rifampitsin tomonidan inhibe qilinadi va eukaryotik RNK polimerazalari bunga sezgir emas. antibiotik ;

Mitoxondriya va bakteriyalarda oqsil sintezi eukariotlarning ribosomalariga ta'sir qilmaydigan bir xil antibiotiklar tomonidan bostiriladi;

Mitoxondriyaning ichki membranasi va bakterial plazmalemmaning lipid tarkibi o'xshash, ammo eukaryotik hujayralarning boshqa membranalari bilan gomologik bo'lgan mitoxondriyaning tashqi membranasidan juda farq qiladi;

Ichki mitoxondriyal membranadan hosil bo'lgan kristallar ko'plab prokariotlarning mezosomal membranalarining evolyutsion analoglari;

Bakteriyalardan (ibtidoiy amyoba) mitoxondriyalarni hosil qilish yo'lida oraliq shakllarga taqlid qiluvchi organizmlar hali ham mavjud. Pelomyxa mitoxondriyaga ega emas, lekin har doim endosimbiotik bakteriyalarni o'z ichiga oladi).

Eukaryotlarning turli qirolliklari turli ajdodlarga ega bo'lgan va bakterial endosimbioz tirik organizmlar evolyutsiyasining turli bosqichlarida paydo bo'lgan degan fikr mavjud. Bu protozoa, zamburug'lar, o'simliklar va yuqori hayvonlarning mitoxondrial genomlari tuzilishidagi farqlardan ham dalolat beradi. Ammo barcha holatlarda, promitoxondriya genlarining asosiy qismi, ehtimol, mobil genetik elementlarning yordami bilan yadroga kirgan. Simbiontlardan birining genomining bir qismi boshqasining genomiga kiritilganda, simbiontlarning integratsiyasi qaytarilmas holga keladi. Yangi genom metabolik yo'llarni yaratishi mumkin, bu esa foydali mahsulotlarning shakllanishiga olib keladi, ularni har ikkala sherik ham individual ravishda sintez qila olmaydi. Shunday qilib, buyrak usti korteksining hujayralari tomonidan steroid gormonlar sintezi murakkab reaktsiyalar zanjiri bo'lib, ularning ba'zilari mitoxondriyalarda, ba'zilari esa endoplazmatik retikulumda sodir bo'ladi. Promitoxondrial genlarni ushlash orqali yadro simbiontning funktsiyalarini ishonchli boshqarishga muvaffaq bo'ldi. Yadro barcha oqsillarni va mitoxondriyalarning tashqi membranasining lipid sintezini, matritsa oqsillarining ko'p qismini va organellalarning ichki membranasini kodlaydi. Eng muhimi, yadro mtDNK replikatsiyasi, transkripsiyasi va tarjimasi uchun fermentlarni kodlaydi va shu bilan mitoxondriyalarning o'sishi va ko'payishini nazorat qiladi. Simbioz sheriklarining o'sish tezligi taxminan bir xil bo'lishi kerak. Agar uy egasi tezroq o'sadigan bo'lsa, unda har bir avlod bilan bir kishiga simbiontlar soni kamayadi va oxir-oqibat mitoxondriyasiz avlodlar paydo bo'ladi. Bizga ma'lumki, jinsiy yo'l bilan ko'payadigan organizmning har bir hujayrasida ko'plab mitoxondriyalar mavjud bo'lib, ular uy egasining bo'linishlari orasida o'zlarining DNKlarini takrorlaydilar. Bu qiz hujayralarning har biri mitoxondriyal genomning kamida bitta nusxasini olishini ta'minlaydi.

Mitoxondrial biogenezda hujayra yadrosining roli

Mutantli xamirturushlarning ma'lum bir turi mitoxondriyal DNKda katta o'chirishga ega, bu mitoxondriyadagi oqsil sintezining to'liq to'xtashiga olib keladi; natijada bu organoidlar o'z vazifasini bajara olmaydi. Bunday mutantlar past glyukozali muhitda o'sganda kichik koloniyalar hosil qilganligi sababli, ular deyiladi sitoplazmatik mutantamimayda.

Garchi mayda mutantlar mitoxondriyal oqsil sinteziga ega bo'lmasa va shuning uchun oddiy mitoxondriyalarni hosil qilmasa ham, bunday mutantlar shunga qaramay promitoxondriya, ma'lum darajada oddiy mitoxondriyalarga o'xshash, normal tashqi membrana va yomon rivojlangan kristalli ichki membranaga ega. Promitoxondriyalar tarkibida yadro genlari tomonidan kodlangan va sitoplazmatik ribosomalarda sintez qilingan ko'plab fermentlar, jumladan DNK va RNK polimerazalari, limon kislotasi siklining barcha fermentlari va ichki membranani tashkil etuvchi ko'plab oqsillar mavjud. Bu mitoxondrial biogenezda yadro genomining asosiy rolini aniq ko'rsatadi.

Shunisi qiziqki, yo'qolgan DNK bo'laklari mitoxondriyal genomning 20-99,9% dan ortig'ini tashkil qilsa-da, kichik mutantlardagi mitoxondriyal DNKning umumiy miqdori har doim yovvoyi turdagi kabi bir xil darajada qoladi. Bu DNKni kuchaytirish jarayoni hali kam o'rganilganligi bilan bog'liq, buning natijasida bir xil bo'limning tandem takrorlaridan iborat va normal molekulaga teng bo'lgan DNK molekulasi hosil bo'ladi. Masalan, yovvoyi tipdagi DNK nukleotidlar ketma-ketligining 50% ni saqlaydigan kichik mutantning mitoxondrial DNKsi ikkita takrorlanishdan iborat bo'ladi, molekulasi esa faqat 0,1% yovvoyi genom qolgan fragmentning 1000 nusxasidan quriladi. Shunday qilib, mayda mutantlar mitoxondriyal DNKning ko'p miqdorda o'ziga xos bo'limlarini olish uchun ishlatilishi mumkin, ularni tabiatning o'zi klonlangan deb aytish mumkin.

Organoidlarning biogenezi asosan yadro genlari tomonidan boshqarilsa-da, ba'zi ma'lumotlarga ko'ra, organellalarning o'zi ham qayta aloqa printsipiga qandaydir tartibga soluvchi ta'sir ko'rsatadi; hech bo'lmaganda bu mitoxondriya bilan bog'liq. Agar buzilmagan hujayralar mitoxondriyalarida oqsil sintezi bloklangan bo‘lsa, DNK, RNK va oqsillarning mitoxondrial sintezida ishtirok etuvchi fermentlar sitoplazmada ortiqcha miqdorda shakllana boshlaydi, go‘yo hujayra blokirovka qiluvchi vosita ta’sirini yengishga harakat qiladi. Ammo, mitoxondriyadan ba'zi signallarning mavjudligi shubhasiz bo'lsa-da, uning tabiati hali ham noma'lum.

Bir qator sabablarga ko'ra, mitoxondrial biogenez mexanizmlari ko'p hollarda madaniyatlarda o'rganilmoqda. Sakkaromitslar carlsbergensis(pivo xamirturushi va S. cerevisiae(novvoy xamirturush). Birinchidan, glyukozada o'sayotganda, bu xamirturushlar faqat glikoliz orqali mavjud bo'lish, ya'ni mitoxondrial funktsiyasiz yashash qobiliyatini namoyon qiladi. Bu mitoxondriyal va yadroviy DNKdagi mutatsiyalarni o'rganishga imkon beradi, bu organellalarning rivojlanishiga to'sqinlik qiladi. Bunday mutatsiyalar deyarli barcha boshqa organizmlarda halokatli hisoblanadi. Ikkinchidan, xamirturush - oddiy bir hujayrali eukariotlarni etishtirish va biokimyoviy o'rganish oson. Nihoyat, xamirturush gaploid va diploid fazalarda, odatda aseksual tomurcuklanma (assimetrik mitoz) bilan ko'payishi mumkin. Ammo xamirturushda jinsiy jarayon ham sodir bo'ladi: vaqti-vaqti bilan ikkita haploid hujayra qo'shilib, diploid zigota hosil qiladi, keyin ular mitoz yo'li bilan bo'linadi yoki meiozga uchraydi va yana haploid hujayralarni hosil qiladi. Aseksual va jinsiy ko'payishning almashinishini eksperimental nazorat qilish orqali mitoxondriyal funktsiya uchun mas'ul bo'lgan genlar haqida ko'p narsalarni bilib olish mumkin. Ushbu usullardan foydalangan holda, xususan, bunday genlar yadro DNKsida yoki mitoxondrial DNKda lokalizatsiya qilinganligini aniqlash mumkin, chunki mitoxondrial genlarning mutatsiyalari yadro genlarining merosini boshqaradigan Mendel qonunlariga ko'ra meros bo'lib o'tmaydi.

Mitoxondriyalarning transport tizimlari

Mitoxondriya va xloroplastlar tarkibidagi oqsillarning aksariyati sitozoldan ushbu organellalarga import qilinadi. Bu ikkita savol tug'diradi: hujayra oqsillarni tegishli organellaga qanday yo'naltiradi va bu oqsillar hujayra ichiga qanday kiradi?

Qisman javob fermentning kichik bo'linmasini (S) xloroplast stromasiga tashishni o'rganish orqali olingan. ribuloza-1,5-bifosfat-karboksilyuklar. Agar mRNK bitta hujayra sitoplazmasidan ajratilgan bo'lsa dengiz o'tlari Chlamydomonas yoki no'xat barglaridan, in vitroda oqsil sintez qilish tizimiga matritsa sifatida kiritilgan, keyin hosil bo'lgan ko'plab oqsillardan biri o'ziga xos anti-S antikori bilan bog'lanadi. In vitroda sintez qilingan S oqsili ppo-S deb ataladi, chunki u oddiy S oqsilidan taxminan 50 ta aminokislota qoldig'idan kattaroqdir. Pro-S oqsili buzilmagan xloroplastlar bilan inkubatsiya qilinganida, u organoidlarga kirib boradi va u erda peptidaza tomonidan S-oqsiliga aylanadi. Keyin S oqsili xloroplast ribosomalarida sintezlangan ribuloza-1,5-bisfosfatkarboksilazaning katta bo'linmasi bilan bog'lanadi va u bilan xloroplast stromasida faol ferment hosil qiladi.

S proteinini uzatish mexanizmi noma'lum. Pro-S xloroplastning tashqi membranasida yoki tashqi va ichki membranalarning tutashgan joyida joylashgan retseptor oqsili bilan bog'lanadi va energiya talab qiladigan jarayon natijasida transmembran kanallari orqali stromaga o'tadi, deb ishoniladi. xarajat.

Proteinning mitoxondriyaga o'tishi ham xuddi shunday tarzda sodir bo'ladi. Agar tozalangan xamirturush mitoxondriyalari yangi sintezlangan radioaktiv xamirturush oqsillarini o'z ichiga olgan hujayra ekstrakti bilan inkubatsiya qilinsa, yadro genomi tomonidan kodlangan mitoxondrial oqsillar sitoplazmadagi mitoxondrial bo'lmagan oqsillardan ajralib, mitoxondriyalarga tanlab qo'shilishi kuzatilishi mumkin. buzilmagan hujayra. Bunda tashqi va ichki membranalar oqsillari, matritsa va membranalararo bo'shliq mitoxondriyaning tegishli bo'limiga yo'l topadi.

Ichki membrana, matritsa va membranalararo bo'shliq uchun mo'ljallangan ko'plab yangi sintezlangan oqsillar N-terminalida etakchi peptidga ega bo'lib, u matritsada joylashgan maxsus proteaz tomonidan tashish paytida ajralib chiqadi. Proteinlarni ushbu uchta mitoxondriyal bo'linmalarga tashish ichki membranada yaratilgan elektrokimyoviy proton gradientining energiyasini talab qiladi. Tashqi membrana uchun oqsillarni o'tkazish mexanizmi boshqacha: bu holda, uzoqroq kashshof oqsilning energiya yoki proteolitik parchalanishi talab qilinmaydi. Ushbu va boshqa kuzatishlar shuni ko'rsatadiki, mitoxondriyal oqsillarning barcha to'rtta guruhi organoidlarga quyidagi mexanizm orqali o'tadi: tashqi membrana uchun mo'ljallangan oqsillardan tashqari barcha oqsillar ichki membranaga kiritilgan deb taxmin qilinadi. energiya sarfi va tashqi va ichki membranalar o'rtasidagi aloqa joylarida sodir bo'ladi. Ko'rinib turibdiki, oqsilning membranaga dastlabki kiritilishidan so'ng u proteolitik parchalanishga uchraydi, bu uning konformatsiyasining o'zgarishiga olib keladi; konformatsiyaning qanday o'zgarishiga qarab, oqsil membranada mahkamlanadi yoki matritsaga yoki membranalararo bo'shliqqa "itariladi".

Oqsillarning mitoxondriya va xloroplastlarning membranalari orqali o'tishi, asosan, ularning endoplazmatik retikulum membranalari orqali o'tishiga o'xshaydi. Biroq, bir nechta muhim farqlar mavjud. Birinchidan, matritsaga yoki stromaga o'tkazilganda, oqsil organellaning tashqi va ichki membranasidan o'tadi, endoplazmatik to'rning bo'shlig'iga o'tkazilganda esa, molekulalar faqat bitta membranadan o'tadi. Bundan tashqari, oqsillarni retikulumga o'tkazish mexanizm yordamida amalga oshiriladi maqsadli chiqarish(vektorli razryad) - oqsil ribosomani hali to'liq tark etmaganida boshlanadi (kotranslational import), va mitoxondriya va xloroplastlarga o'tish oqsil molekulasining sintezi to'liq tugagandan so'ng sodir bo'ladi. (tarjimadan keyingi import).

Ushbu farqlarga qaramasdan, ikkala holatda ham hujayra oqsilning qaysi membranaga yo'naltirilganligini aniqlaydigan signal ketma-ketligini o'z ichiga olgan prekursor oqsillarni sintez qiladi. Ko'rinib turibdiki, ko'p hollarda bu ketma-ketlik transport jarayoni tugagandan so'ng prekursor molekulasidan ajralib chiqadi. Biroq, ba'zi oqsillar darhol yakuniy shaklda sintezlanadi. Bunday hollarda signal ketma-ketligi tayyor oqsilning polipeptid zanjirida joylashganligiga ishoniladi. Signal ketma-ketligi hali ham yaxshi tushunilmagan, ammo bunday ketma-ketliklarning bir nechta turlari mavjud bo'lib, ularning har biri oqsil molekulasining hujayraning ma'lum bir hududiga o'tkazilishini belgilaydi. Masalan, o'simlik hujayrasida sintezi sitozolda boshlangan oqsillarning bir qismi keyinchalik mitoxondriyalarga, boshqalari xloroplastlarga, boshqalari peroksizomalarga, boshqalari esa endoplazmatik to'rga o'tadi. Proteinlarning hujayra ichidagi to'g'ri taqsimlanishiga olib keladigan murakkab jarayonlar endigina tushuniladi.

Nuklein kislotalar va oqsillardan tashqari, yangi mitoxondriyalarni qurish uchun lipidlar kerak. Xloroplastlardan farqli o'laroq, mitoxondriyalar lipidlarning katta qismini tashqi tomondan oladi. Hayvon hujayralarida endoplazmatik retikulumda sintez qilingan fosfolipidlar maxsus oqsillar yordamida mitoxondriyaning tashqi membranasiga ko'chiriladi va keyin ichki membranaga kiritiladi; Bu ikki membrana o'rtasidagi aloqa nuqtasida sodir bo'ladi, deb ishoniladi. Mitoxondriyalarning o'zlari tomonidan katalizlanadigan lipidlar biosintezining asosiy reaktsiyasi fosfatid kislotaning asosan ichki mitoxondriyal membranada joylashgan va uning barcha lipidlarining taxminan 20% ni tashkil etadigan fosfolipid kardiolipinga aylanishidir.

Mitoxondriyal genomlarning hajmi va shakli

Bugungi kunga qadar 100 dan ortiq turli xil mitoxondrial genomlar o'qilgan. Nukleotidlar ketma-ketligi to'liq aniqlangan mitoxondrial DNKdagi ularning genlari to'plami va soni hayvonlar, o'simliklar, zamburug'lar va oddiy hayvonlarning turli turlarida juda katta farq qiladi. Eng ko'p genlar flagellatli protozoalarning mitoxondrial genomida topilgan. Rectinomo-nas americana- 97 gen, shu jumladan boshqa organizmlarning mtDNKsida topilgan barcha protein kodlovchi genlar. Ko‘pgina yuqori hayvonlarda mitoxondriyal genomda 37 ta gen mavjud: nafas olish zanjiri oqsillari uchun 13 ta, tRNK uchun 22 ta va rRNK uchun ikkita (katta ribosoma bo‘linmasi 16S rRNK va kichik 12S rRNK uchun). O'simliklar va protozoalarda, hayvonlar va ko'pchilik zamburug'lardan farqli o'laroq, mitoxondriyal genom ushbu organellalarning ribosomalarini tashkil etuvchi ba'zi oqsillarni ham kodlaydi. Shablonli polinukleotid sintezining asosiy fermentlari, masalan, DNK polimeraza (mitoxondriyal DNKni replikatsiya qiluvchi) va RNK polimeraza (mitoxondriyal genomni transkripsiya qiluvchi) yadroda shifrlangan va sitoplazmadagi ribosomalarda sintezlanadi. Bu fakt eukaryotik hujayraning murakkab ierarxiyasida mitoxondrial avtonomiyaning nisbiyligini ko'rsatadi.

Qoida tariqasida, har bir mitoxondriya o'z genomining bir nechta nusxasini o'z ichiga oladi. Shunday qilib, inson jigar hujayralarida 2 mingga yaqin mitoxondriya mavjud bo'lib, ularning har birida 10 ta bir xil genom mavjud. Sichqoncha fibroblastlarida ikkita genomga ega 500 ta mitoxondriya, xamirturush hujayralarida esa S. cerevisiae- har biri to'rtta genomga ega bo'lgan 22 tagacha mitoxondriya.

DIV_ADBLOCK764">

2-rasm. Chiziqli (A), doiraviy (B), zanjirli (C) mtDNK oligomerlarini hosil qilish sxemasi. ori DNK replikatsiyasi boshlanadigan hududdir.

Turli organizmlarning mitoxondrial genomining hajmi falciparum plazmodiumidagi 6 mingdan kam nukleotid juftligidan (ikkita rRNK genidan tashqari u faqat uchta protein kodlovchi genni o'z ichiga oladi) quruqlikdagi o'simliklardagi yuz minglab nukleotid juftlarigacha (uchun). misol, Arabidopsis thaliana xochga mixlangan oiladan 366924 juft nukleotid). Bundan tashqari, yuqori o'simliklarning mtDNK hajmidagi 7-8 baravar farqlar hatto bir oilada ham uchraydi. Umurtqali hayvonlarning mtDNK uzunligi biroz farq qiladi: odamlarda - 16569 juft nukleotid, cho'chqalarda - 16350, delfinlarda - 16330, tirnoqli qurbaqalarda Xenopus laevis- 17533, sazanda - 16400. Bu genomlar genlarning lokalizatsiyasi bo'yicha ham o'xshash bo'lib, ularning aksariyati uchi uchi joylashgan; ba'zi hollarda ular hatto bir-birining ustiga chiqadi, odatda bitta nukleotid, shuning uchun bir genning oxirgi nukleotidi keyingisida birinchi bo'ladi. Umurtqali hayvonlardan farqli o'laroq, o'simliklar, qo'ziqorinlar va protozoalarda 80% gacha kodlanmagan ketma-ketliklar mavjud. Mitoxondrial genomlardagi genlarning tartibi turlarga qarab farq qiladi.

Mitoxondriyadagi reaktiv kislorod turlarining yuqori konsentratsiyasi va zaif ta'mirlash tizimi yadro DNKsiga nisbatan mtDNK mutatsiyalarining chastotasini kattalik tartibida oshiradi. Kislorod radikallari C®T (sitozin deaminatsiyasi) va G®T (guaninning oksidlovchi shikastlanishi) o'ziga xos almashtirishlarni keltirib chiqaradi, buning natijasida mtDNK AT juftlariga boy bo'lishi mumkin. Bundan tashqari, barcha mtDNKlar qiziqarli xususiyatga ega - ular yadro va prokaryotik DNKlardan farqli o'laroq, metillanmagan. Ma'lumki, metillanish (DNKning kodlash funktsiyasini buzmasdan nukleotidlar ketma-ketligini vaqtincha kimyoviy modifikatsiya qilish) dasturlashtirilgan gen inaktivatsiyasi mexanizmlaridan biridir.

Organellalardagi DNK molekulalarining hajmi va tuzilishi

	Tuzilishi	Og'irligi, million dalton	Eslatmalar
ohon Dria	Hayvonlar	Ring		Har bir alohida turda bir xil o'lchamdagi barcha molekulalar mavjud
Yuqori ra steniya	Ring	Turli xil	Barcha o'rganilgan turlar turli o'lchamdagi dumaloq DNKga ega bo'lib, unda genetik ma'lumotlarning umumiy tarkibi turlarga qarab 300 dan 1000 million daltongacha bo'lgan massaga to'g'ri keladi.
Qo'ziqorinlar: Protozoa	Ring Ring Ring Chiziqli
Xlor to'lov pechka	Dengiz o'tlari	Ring Ring
Yuqori o'simliklar	Ring		Har bir alohida turda faqat bittasining molekulalari topilgan

Ba'zi hujayralar va to'qimalarda DNK organellalarining nisbiy miqdori

Organizm	Mato yoki hujayra turi	Mol-l DNK/organellar soni	Organlar soni - nell in qafas	To'liq DNK organellalarining ulushi Hujayra DNKsi, %
ohon Dria
	L qator hujayralari
	Tuxum

Xlor to'lov pechka		Vegetativ diploid hujayralar
Makkajo'xori

Mitoxondriyal genomning ishlashi

Sutemizuvchilar mitoxondriyalarining DNK replikatsiyasi va transkripsiyasi mexanizmlarining o'ziga xos xususiyati nimada?

Qo'shimcha" href="/text/category/komplementarij/" rel="xatcho'p">MtDNKdagi qo'shimcha zanjirlar o'ziga xos zichlikda sezilarli darajada farqlanadi, chunki ular tarkibida teng bo'lmagan miqdorda "og'ir" purin va "engil" pirimidin nukleotidlari mavjud. Ular shunday. - H (og'ir - og'ir) va L (engil - engil) zanjiri mtDNK molekulasi replikatsiyasining boshida D - halqa hosil bo'ladi (inglizcha Displacement halqasidan) Bu struktura ko'rinadi. elektron mikroskopda ikki zanjirli va bir ipli (H-zanjirning tortilgan qismi) boʻlimlardan iborat.Ikki zanjirli boʻlim L-zanjirning bir qismi va toʻldiruvchi yangi sintezlangan DNK fragmentidan hosil boʻladi. uzunligi 450-650 (organizm turiga qarab) nukleotidlar, 5"- ribonukleotid primerining oxiri, H-zanjir sintezining (oriH) boshlang'ich nuqtasiga to'g'ri keladi. L zanjirining sintezi qizi H zanjiri ori L nuqtaga yetgandan keyingina boshlanadi. Bu L zanjirining replikatsiya boshlanishi mintaqasiga faqat bir zanjirli DNK sintezi fermentlari kirishi mumkinligi bilan bog'liq. holat, va shuning uchun, H-zanjir sintezi paytida faqat braided holatda qo'sh spiral. Shunday qilib, mtDNKning qiz zanjirlari uzluksiz va asinxron sintezlanadi (3-rasm).

3-rasm. Sutemizuvchilar mtDNK replikatsiya sxemasi. Birinchidan, D-halqa hosil bo'ladi, keyin qiz H-zanjir sintezlanadi, so'ngra qizi L-zanjirning sintezi boshlanadi.

16S rRNK genining oxiri (4-rasm). Bunday qisqa transkriptlar uzunlarga qaraganda 10 barobar ko'p. Pishib etish natijasida ( qayta ishlash) ulardan 12S rRNK va 16S rRNK hosil boʻlib, ular mitoxondriyal ribosomalar hamda fenilalanin va valin tRNK hosil boʻlishida ishtirok etadi. Qolgan tRNKlar uzun transkriptlardan kesiladi va tarjima qilingan mRNKlar hosil bo'ladi, ularning 3" uchiga poliadenil ketma-ketliklari biriktiriladi. Bu mRNKlarning 5" uchlari yopilmagan, bu eukariotlar uchun odatiy holdir. Sutemizuvchilarning mitoxondrial genlarining hech birida intronlar mavjud bo'lmagani uchun qo'shilish (fusion) sodir bo'lmaydi.

4-rasm. 37 genni o'z ichiga olgan inson mtDNKsining transkripsiyasi. Barcha transkriptlar ori H mintaqasida sintezlana boshlaydi.Ribosomal RNKlar uzun va qisqa H zanjirli transkriptlardan ajratiladi. tRNK va mRNK DNKning ikkala zanjiri transkriptlaridan ishlov berish natijasida hosil bo'ladi. tRNK genlari och yashil rangda ko'rsatilgan.

Mitoxondriyal genom yana qanday hayratlanarli narsalarni taqdim etishi mumkinligini bilmoqchimisiz? Ajoyib! O'qing!..

Rahbar va 3 "kodlanmagan hududlar, aksariyat yadroviy mRNKlar kabi. Bir qator genlar ham intronlarni o'z ichiga oladi. Shunday qilib, sitoxrom oksidaz b ni kodlaydigan quti genida ikkita intron mavjud. Birlamchi RNK transkripsiyasidan, avtokatalitik (ishtirokisiz) har qanday yoki oqsillar) birinchi intronning koʻp qismining nusxasi kesiladi.Qolgan RNK qoʻshilishda ishtirok etuvchi maturaza fermenti hosil boʻlishi uchun shablon boʻlib xizmat qiladi.Uning aminokislotalar ketma-ketligining bir qismi qolgan nusxalarda kodlangan. Maturaza ularni kesib tashlaydi, o'zining mRNKsini yo'q qiladi, ekzonlarning nusxalari birlashtiriladi va sitoxrom oksidaza b uchun mRNK hosil bo'ladi (5-rasm). "kodlanmagan ketma-ketliklar."

5-rasm. Xamirturush mitoxondriyalarida sitoxrom oksidaza b mRNKni qayta ishlash (etilish). Splaysning birinchi bosqichida splaysning ikkinchi bosqichi uchun zarur bo'lgan maturazani sintez qiladigan mRNK hosil bo'ladi.

Mitoxondriyal genlarning ifodasini o'rganishda Trypanosoma brucei asosiylaridan birining hayratlanarli og'ishini aniqladi aksiomalar molekulyar biologiya, bu mRNKdagi nukleotidlar ketma-ketligi DNKning kodlash hududlaridagi ketma-ketlikka to'liq mos kelishini bildiradi. Ma'lum bo'lishicha, sitoxrom c oksidaza bo'linmalaridan birining mRNKsi tahrirlangan, ya'ni transkripsiyadan so'ng uning asosiy tuzilishi o'zgaradi - to'rtta urasil qo'shiladi. Natijada, yangi mRNK hosil bo'lib, u fermentning qo'shimcha bo'linmasini sintez qilish uchun matritsa bo'lib xizmat qiladi, aminokislotalar ketma-ketligi viruslar, zamburug'lar, o'simliklar va hayvonlarning ketma-ketligi bilan hech qanday umumiylikga ega emas. tadqiqotchi Burrell buzoqning mitoxondrial genlaridan birining tuzilishini shu gen tomonidan kodlangan sitoxrom oksidaza subbirligidagi aminokislotalar ketma-ketligi bilan taqqosladi.Ma'lum bo'lishicha, mitoxondriyalarning genetik kodi qoramollarda (shuningdek, odamlarda ham) nafaqat. universaldan farq qiladi, u "ideal", ya'ni quyidagi qoidaga bo'ysunadi: "agar ikkita kodon ikkita bir xil nukleotidga ega bo'lsa va uchinchi nukleotidlar bir xil sinfga tegishli bo'lsa (purin - A, G yoki pirimidin - U, C), keyin ular bir xil aminokislotalarni kodlaydilar.” Umumjahon kodida bu qoidadan ikkita istisno mavjud: AUA tripleti izolösinni, AUG kodoni metioninni, ideal mitoxondriyal kodda esa bu ikkala tripletni kodlaydi. metionin uchun; UGG tripleti faqat triptofanni, UGA tripleti esa stop kodonini kodlaydi. Umumjahon kodida ikkala og'ish ham oqsil sintezining asosiy jihatlariga taalluqlidir: AUG kodoni boshlang'ich hisoblanadi va to'xtash kodoni UGA polipeptid sintezini to'xtatadi. Ideal kod barcha tasvirlangan mitoxondriyalarga xos emas, lekin ularning hech biri universal kodga ega emas. Aytishimiz mumkinki, mitoxondriyalar turli tillarda gaplashadi, lekin hech qachon yadro tilida emas.

"Universal" genetik kod va ikkita mitoxondriyal kod o'rtasidagi farqlar

Kodon	Mitoxondrial sutemizuvchilar kodi	Mitoxondrial xamirturush kodi	“ Universal”

Yuqorida aytib o'tilganidek, umurtqali hayvonlarning mitoxondrial genomida 22 tRNK genlari mavjud. Bunday to'liq bo'lmagan to'plam aminokislotalar uchun barcha 60 ta kodonga qanday xizmat qiladi (64 uchlik ideal kodida to'rtta to'xtash kodon mavjud, universal kodda uchta)? Gap shundaki, mitoxondriyadagi oqsil sintezi jarayonida kodon-antikodon o'zaro ta'siri soddalashtiriladi - tanib olish uchun uchta antikodon nukleotiddan ikkitasi ishlatiladi. Shunday qilib, bitta tRNK kodon oilasining barcha to'rt a'zosini taniydi, faqat uchinchi nukleotidda farqlanadi. Masalan, GAU antikodoniga ega leytsin tRNK TsU, TsUC, TsUA va Tsug kodonlariga qarama-qarshi ribosomada joylashgan bo'lib, leysinning polipeptid zanjiriga shubhasiz qo'shilishini ta'minlaydi. Yana ikkita leysin kodonlari, UUA va UUG, tRNK tomonidan AAU antikodoni bilan tan olinadi. Hammasi bo'lib, sakkiz xil tRNK molekulalari har biri to'rtta kodondan iborat sakkizta oilani taniydi va 14 tRNK har biri bitta aminokislotani kodlaydigan turli juft kodonlarni taniydi.

Mitoxondriya uchun o'z genetik tizimingizga ega bo'lishning ahamiyati

Nima uchun mitoxondriyalar o'zlarining genetik tizimiga muhtoj, boshqa organellalar, masalan, peroksisomalar va lizosomalar kerak emas? Bu masala unchalik ahamiyatsiz emas, chunki yadro genomidagi zarur miqdordagi qo'shimcha genlarni hisobga olgan holda, alohida genetik tizimni saqlash hujayra uchun qimmatga tushadi. Ribosomal oqsillarni, aminoatsil-tRNK sintetazalarini, DNK va RNK polimerazalarini, RNKni qayta ishlash va modifikatsiyalash fermentlarini va boshqalarni bu erda kodlash kerak.Mitoxondriyadan o'rganilayotgan oqsillarning aksariyati aminokislotalar ketma-ketligi bilan hujayraning boshqa qismlaridagi hamkasblaridan farq qiladi va u erda Bu organlarda boshqa joylarda topilishi mumkin bo'lgan juda oz miqdordagi oqsillar mavjud deb hisoblash uchun asosdir. Bu shuni anglatadiki, mitoxondriyalarning genetik tizimini saqlab qolish uchun yadro genomida bir necha o'nlab qo'shimcha genlar bo'lishi kerak. Ushbu "isrofgarchilik" ning sabablari noaniq va javob mitoxondriyal DNK nukleotidlar ketma-ketligida topiladi degan umid amalga oshmadi. Nima uchun mitoxondriyalarda hosil bo'lgan oqsillar sitozolda emas, balki u erda sintezlanishi kerakligini tasavvur qilish qiyin.

Odatda, energiya organellalarida genetik tizimning mavjudligi organella ichida sintezlangan oqsillarning bir qismi tashqaridan mitoxondriyal membranadan o'tish uchun juda hidrofobik bo'lganligi bilan izohlanadi. Biroq, ATP sintetaza kompleksini o'rganish shuni ko'rsatdiki, bunday tushuntirish aql bovar qilmaydi. ATP sintetazasining alohida oqsil bo'linmalari evolyutsiya jarayonida yuqori darajada saqlanib qolgan bo'lsa-da, ularning sintez joylari o'zgaradi. Xloroplastlarda bir nechta hidrofilik oqsillar, shu jumladan kompleksning F1-ATPase qismining beshta bo'linmasidan to'rttasi organella ichidagi ribosomalarda hosil bo'ladi. Aksincha, qo'ziqorin Neyrospora hayvonlar hujayralarida esa sitoplazma ribosomalarida ATPazning membrana qismining juda hidrofobik komponenti (9-bo'linma) sintezlanadi va shundan keyingina organellaga o'tadi. Turli organizmlardagi funktsional ekvivalent oqsillarning subbirliklarini kodlovchi genlarning turli lokalizatsiyasini mitoxondriya va xloroplastlarning zamonaviy genetik tizimlarining evolyutsion afzalliklarini tasdiqlovchi har qanday gipoteza yordamida tushuntirish qiyin.

Yuqorida aytilganlarning barchasini hisobga olsak, biz faqat mitoxondrial genetik tizim evolyutsiyaning boshi berk ko'chasini anglatadi, deb taxmin qilishimiz mumkin. Endosimbiotik gipoteza doirasida, bu endosimbiotik genlarni xost yadrosi genomiga o'tkazish jarayoni to'liq tugagunga qadar to'xtaganligini anglatadi.

Sitoplazmatik meros

Ba'zi hayvonlar, shu jumladan odamlar uchun sitoplazmatik genlarni o'tkazish oqibatlari xamirturushga qaraganda jiddiyroqdir. Ikkita birlashuvchi haploid xamirturush hujayralari bir xil o'lchamda va hosil bo'lgan zigotaga bir xil miqdordagi mitoxondriyal DNK hissa qo'shadi. Shunday qilib, xamirturushda mitoxondrial genom ikkala ota-onadan ham meros bo'lib, naslning genofondiga teng hissa qo'shadi (garchi bir necha avloddan keyin). alohida nasl ko'pincha ota-ona turlaridan faqat bittasining mitoxondriyalarini o'z ichiga oladi). Bundan farqli ravishda, yuqori hayvonlarda tuxum zigotaga spermatozoidga qaraganda ko'proq sitoplazma hissa qo'shadi va ba'zi hayvonlarda sperma sitoplazmaga umuman hissa qo'shmasligi mumkin. Shuning uchun, yuqori hayvonlarda mitoxondriyal genom faqat bitta ota-onadan uzatiladi, deb o'ylash mumkin. onalik chiziqlar); va haqiqatan ham bu tajribalar bilan tasdiqlangan. Masalan, nukleotidlar ketma-ketligi (A va B turlari) bir oz farq qiladigan mitoxondriyal DNKga ega ikkita laboratoriya shtammining kalamushlarini kesib o'tganda, o'z ichiga olgan avlodlar olindi.

faqat onalik tipidagi mitoxondriyal DNKni o'z ichiga oladi.

Sitoplazmatik meros, yadrodan farqli o'laroq, Mendel qonunlariga bo'ysunmaydi. Buning sababi, yuqori darajadagi hayvonlar va o'simliklarning turli jinsdagi gametalarida turli xil miqdordagi mitoxondriyalar mavjud. Demak, sichqon tuxumida 90 ming mitoxondriya bor, ammo spermada atigi to'rtta mitoxondriya bor. Ko'rinib turibdiki, urug'lantirilgan tuxumda mitoxondriyalar asosan yoki faqat urg'ochi shaxsdan, ya'ni barcha mitoxondrial genlarning merosi onalikdir. Yadro-sitoplazmatik o'zaro ta'sir tufayli sitoplazmatik merosni genetik tahlil qilish qiyin. Sitoplazmatik erkak bepushtligi holatida mutant mitoxondrial genom ma'lum yadro genlari bilan o'zaro ta'sir qiladi, ularning retsessiv allellari belgi rivojlanishi uchun zarurdir. Bu genlarning dominant allellari, ham gomo-, ham geterozigota holatda, mitoxondriyal genomning holatidan qat'i nazar, o'simliklarning unumdorligini tiklaydi.

Men aniq bir misol keltirgan holda genlarning onalik merosi mexanizmiga to‘xtalib o‘tmoqchiman. Mitoxondriyal genlarning nomendeliy (sitoplazmatik) irsiyat mexanizmini nihoyat va qaytarib bo'lmaydigan tarzda tushunish uchun ikkita gaploid hujayralar diploid zigota hosil qilish uchun birlashganda bunday genlar bilan nima sodir bo'lishini ko'rib chiqaylik. Agar xamirturush hujayralaridan biri mitoxondriyal oqsil sintezining xloramfenikolga chidamliligini aniqlaydigan mutatsiyaga uchragan bo'lsa, ikkinchisi esa, yovvoyi tipdagi hujayra ushbu antibiotikga sezgir bo'lsa: mutant genlarni xamirturush bilan muhitda o'stirish orqali osongina aniqlash mumkin. faqat buzilmagan mitoxondriyalari bo'lgan hujayralar foydalanishi mumkin bo'lgan glitserin; shuning uchun xloramfenikol borligida bunday muhitda faqat mutant genni tashuvchi hujayralar o'sishi mumkin. Bizning diploid zigotamiz dastlab mutant va yovvoyi tipdagi mitoxondriyalarga ega bo'ladi. Mitoz natijasida zigotadan diploid qiz hujayra kurtaklanadi, unda oz miqdordagi mitoxondriyalar bo'ladi. Bir nechta mitotik tsikllardan so'ng, yangi hujayralardan biri mutant yoki yovvoyi turdagi barcha mitoxondriyalarni oladi. Shuning uchun bunday hujayraning barcha avlodlari genetik jihatdan bir xil mitoxondriyalarga ega bo'ladi. Bunday tasodifiy jarayon, natijada faqat bitta turdagi mitoxondriyalarni o'z ichiga olgan diploid nasl hosil bo'ladi. mitotikth segregatsiyath. Faqat bitta turdagi mitoxondriyaga ega bo'lgan diploid hujayra meiozga uchraganida, barcha to'rtta qiz haploid hujayralar bir xil mitoxondriyal genlarni oladi. Ushbu turdagi meros deyiladi nemendesher yog'sizlantirish yoki sitoplazmatik yadro genlarining Mendel merosidan farqli o'laroq. Sitoplazmatik genlarning o'tkazilishi o'rganilayotgan genlarning mitoxondriyalarda joylashganligini anglatadi.

Mitoxondrial genomlarni, ularning evolyutsiyasini populyatsiya genetikasining o'ziga xos qonuniyatlariga rioya qilgan holda o'rganish; munosabatlar Yadro va mitoxondrial genetik tizimlar o'rtasidagi eukaryotik hujayra va butun organizmning murakkab ierarxik tashkiliyligini tushunish uchun zarur.

Ba'zi irsiy kasalliklar va insonning qarishi mitoxondriyal DNK yoki mitoxondriyal funktsiyani boshqaruvchi yadro genlarida ma'lum mutatsiyalar bilan bog'liq. Kanserogenezda mtDNK nuqsonlarining ishtiroki haqida ma'lumotlar to'planmoqda. Shuning uchun mitoxondriya saraton kimyoterapiyasi uchun maqsad bo'lishi mumkin. Bir qator inson patologiyalarining rivojlanishida yadro va mitoxondrial genomlarning yaqin o'zaro ta'siri haqida faktlar mavjud. Mushaklarning og'ir zaifligi, ataksiya, karlik va aqliy zaiflashuvi bo'lgan bemorlarda autosomal dominant tarzda meros bo'lib o'tgan bir nechta mtDNK deletsiyalari aniqlandi. Klinik ko'rinishlarda jinsiy dimorfizm aniqlangan ishemik yurak kasalligi, bu, ehtimol, onaning ta'siriga bog'liq - sitoplazmatik meros. Gen terapiyasining rivojlanishi yaqin kelajakda mitoxondrial genomlardagi nuqsonlarni tuzatishga umid beradi.

Ma'lumki, ko'p komponentli tizimning tarkibiy qismlaridan birining funktsiyasini tekshirish uchun sodir bo'lgan o'zgarishlarni keyingi tahlil qilish bilan ushbu komponentni yo'q qilish kerak bo'ladi. Ushbu referat mavzusi ona genomining nasl rivojlanishidagi rolini ko'rsatishdan iborat bo'lganligi sababli, turli omillar ta'sirida mitoxondriyal genom tarkibidagi buzilishlarning oqibatlari haqida bilish mantiqan to'g'ri keladi. Yuqoridagi rolni o'rganish vositasi mutatsiya jarayoni bo'lib chiqdi va bizni qiziqtirgan uning ta'sirining oqibatlari deb ataladigan narsa edi. mitoxondriyal kasalliklar.

Mitoxondriyal kasalliklar odamlarda sitoplazmatik irsiyatga, aniqrog'i, "organellalar irsiyatiga" misol bo'ladi. Bu tushuntirish kerak, chunki hech bo'lmaganda ba'zi organizmlarda sitoplazmatik irsiyning mavjudligi aniqlovchi, hujayra organellalari bilan bog'liq emas - sitogenlar (Vechtomov, 1996).

Mitoxondriya kasalliklari - bu mitoxondriyalarning genetik, strukturaviy, biokimyoviy nuqsonlari va to'qimalarning nafas olishining buzilishi natijasida kelib chiqadigan kasalliklarning geterogen guruhi. Mitoxondriyal kasallik tashxisini qo'yish uchun murakkab genealogik, klinik, biokimyoviy, morfologik va genetik tahlil. Mitoxondriyal patologiyaning asosiy biokimyoviy belgisi sut atsidozining rivojlanishi bo'lib, odatda giperpiruvatik atsidemiya bilan birgalikda giperlaktik atsidemiya aniqlanadi. Turli xil variantlar soni 120 ta shaklga yetdi. Miya omurilik suyuqligida sut va piruvik kislotalar kontsentratsiyasining barqaror o'sishi kuzatiladi.

Mitoxondriyal kasalliklar (MD) zamonaviy tibbiyot uchun muhim muammo hisoblanadi. Irsiy o'tkazish usullariga ko'ra, MDlarga Mendel tipiga ko'ra monogenik meros bo'lib o'tadigan kasalliklar kiradi, ularda yadro genlarining mutatsiyasi tufayli mitoxondriyal oqsillarning tuzilishi va faoliyati buziladi yoki mitoxondriyal DNKning ifodasi o'zgaradi. mitoxondriyal genlarning mutatsiyalari natijasida kelib chiqqan kasalliklar sifatida, asosan onalik chizig'i orqali naslga o'tadi.

Mitoxondriyalarning yalpi patologiyasini ko'rsatadigan morfologik tadqiqotlar ma'lumotlari: mitoxondriyalarning anormal proliferatsiyasi, shakli va hajmining buzilishi bilan mitoxondriyalarning polimorfizmi; tartibsizlik Kristalar, sarkolemma ostida g'ayritabiiy mitoxondriyalarning to'planishi, mitoxondriyadagi parakristal qo'shimchalar, interfibrillyar vakuolalarning mavjudligi.

Mitoxondriyal kasalliklarning shakllari

1 . Mitoxondriyal DNK mutatsiyalari natijasida kelib chiqqan mitoxondriyal kasalliklar

1.1.Mitoxondriyal DNK deletsiyasi natijasida yuzaga keladigan kasalliklar

1.1.1.Kerns-Sayre sindromi

Kasallik 4-18 yoshda o'zini namoyon qiladi, progressiv tashqi oftalmoplegiya, retinit pigmentozasi, ataksiya, niyat tremori, yurakning atrioventrikulyar blokadasi, miya omurilik suyuqligida oqsil miqdori 1 g/l dan oshishi, skeletda "yirtilgan" qizil tolalar. mushak biopsiyalari

1.1.2.Pirson sindromi

Kasallik tug'ilishdan yoki hayotning birinchi oylarida boshlanadi, ba'zida ensefalomiopatiyalar, ataksiya, demans, progressiv tashqi oftalmoplegiya, gipoplastika rivojlanadi. anemiya, ekzokrin oshqozon osti bezi funktsiyasining buzilishi, progressiv kurs

2 .Mitoxondriyal DNKning nuqta mutatsiyasidan kelib chiqadigan kasalliklar

Onaning meros turi, bir yoki ikkala ko'zda ko'rish keskinligining o'tkir yoki subakut pasayishi, nevrologik va osteoartikulyar buzilishlar, retinal mikroangiopatiya, remissiya yoki ko'rish keskinligini tiklash imkoniyati bilan progressiv kurs, 20-30 yoshda kasallikning boshlanishi

2.2.NAPR sindromi (neyropatiya, ataksiya, retinit pigmentozasi)

Merosning onalik turi, neyropatiya, ataksiya va retinit pigmentozasining kombinatsiyasi, psixomotor rivojlanishning kechikishi, demans, mushak to'qimalarining biopsiyalarida "yirtilgan" qizil tolalar mavjudligi.

2.3 MERRF sindromi (miyoklonus-epilepsiya, "yirtilgan" qizil tolalar)

Onaning irsiy turi, kasallikning 3-65 yoshda boshlanishi, miyoklonik epilepsiya, ataksiya, sensorinöral karlik bilan birgalikda demans, ko'rish nervlarining atrofiyasi va chuqur sezuvchanlikning buzilishi, laktik atsidoz, EEG tekshiruvlarida umumiy vanna epilepsiyasi aniqlanadi. komplekslar, skelet mushaklari biopsiyalarida "yirtiq" qizil tolalar, progressiv kurs

2.4 MELAS sindromi (mitoxondrial ensefalomiopatiya, laktik atsidoz, insultga o'xshash epizodlar)

Merosning onalik turi, kasallikning 40 yoshdan oldin boshlanishi, jismoniy mashqlarga toqat qilmaslik, ko'ngil aynishi va qusish bilan kechadigan migrenga o'xshash bosh og'rig'i, insultga o'xshash epizodlar, konvulsiyalar, laktik atsidoz, mushak biopsiyalarida "yirtiq" qizil tolalar, progressiv kurs.

3 .Genomik aloqadagi nuqsonlar bilan bog'liq patologiya

3.1.Ko'p mitoxondriyal DNKni yo'q qilish sindromlari

Blefaroptoz, tashqi oftalmoplegiya, mushaklar kuchsizligi, sensorinöral karlik, optik asab atrofiyasi, progressiv kurs, skelet mushaklari biopsiyalarida "yirtilgan" qizil tolalar, nafas olish zanjiri fermentlari faolligining pasayishi.

3.2.Mitoxondriyal DNK deletsiya sindromi

Avtosomal retsessiv meros usuli

Klinik shakllari:

3.2.1.Fatal infantil

a) og'ir jigar etishmovchiligi b) gepatopatiya v) mushak gipotenziyasi

Neonatal davrda debyut

3.2.2.Konjenital miyopatiya

Mushaklarning og'ir zaifligi, umumiy gipotenziya, kardiyomiyopatiya va konvulsiyalar, buyrak shikastlanishi, glikozuriya, aminokisdopatiya, fosfaturiya

3.2.3.Infantil miyopatiya

hayotning birinchi 2 yilida sodir bo'ladi, progressiv mushaklar kuchsizligi, proksimal mushak guruhlari atrofiyasi va tendon reflekslarini yo'qotish, tez progressiv kurs, hayotning birinchi 3 yilida o'lim.

4 Yadro DNK mutatsiyasidan kelib chiqqan mitoxondrial kasalliklar

4.1.Nafas olish zanjiridagi nuqsonlar bilan bog'liq kasalliklar

4.1.1. Kompleks 1 etishmovchiligi (NADH: CoQ reduktaza)

15 yoshdan oldin kasallikning boshlanishi, miyopatiya sindromi, psixomotor rivojlanishning kechikishi, yurak-qon tomir tizimining buzilishi, terapiyaga chidamli konvulsiyalar, ko'plab nevrologik kasalliklar, progressiv kurs

4.1.2. Kompleks 2 etishmovchiligi (suksinat-CoQ reduktaza)

Ensefalomiopatiya sindromi, progressiv kurs, tutilishlar, ptozisning mumkin bo'lgan rivojlanishi bilan tavsiflanadi.

4.1.3.Kompleks 3 (CoQ-sitoxrom C oksidoreduktaza) etishmovchiligi

Ko'p tizimli buzilishlar, markaziy va periferik asab tizimi, endokrin tizim, buyraklar, progressiv kursni o'z ichiga olgan turli organlar va tizimlarning shikastlanishi

4.1.4.Kompleks etishmovchiligi (sitoxrom C oksidaza)

4.1.4.1.O'limga olib keladigan tug'ma chaqaloq sut kislotasi

Buyrak etishmovchiligi yoki kardiyomiyopatiya bilan mitoxondrial miyopatiya, neonatal yoshda boshlangan, og'ir nafas olish buzilishi, diffuz mushak gipotenziyasi, progressiv kurs, hayotning birinchi yilida o'lim.

4.1.4.2.Infantil mushaklarning benign zaifligi

Atrofiya, adekvat va o'z vaqtida davolash bilan, jarayonning tez barqarorlashishi va hayotning 1-3 yil ichida tiklanishi mumkin.

5 Menkes sindromi (trixopoliodistrofiya)

Psikomotor rivojlanishning keskin kechikishi, o'sishning sekinlashishi, o'sishning buzilishi va sochlardagi distrofik o'zgarishlar;

6 . Mitoxondrial ensefalomiyopatiyalar

6.1.Ley sindromi(subakut nevrotizatsiya qiluvchi ensefalomyelopatiya)

6 oylik hayotdan keyin paydo bo'ladi, mushak gipotoniyasi, ataksiya, nistagmus, piramidal simptomlar, oftalmoplegiya, optik asab atrofiyasi, kardiyomiyopatiya va engil metabolik atsidoz qo'shilishi ko'pincha qayd etiladi.

6.2.Alpers sindromi(progressiv sklerozan polidistrofiya)

Jigar sirrozi bilan birgalikda miyaning kulrang moddasining degeneratsiyasi, kompleks 5 (ATP sintetaza) etishmovchiligi, psixomotor rivojlanishning kechikishi, ataksiya, demans, mushaklarning kuchsizligi, kasallikning progressiv kursi, noqulay prognoz.

6.3.Koenzim-Q tanqisligi

Metabolik inqirozlar, mushaklarning kuchsizligi va charchoqlari, oftalmoplegiya, karlik, ko'rishning pasayishi, insultga o'xshash epizodlar, ataksiya, miyoklonus epilepsiya, buyrak shikastlanishi: glyukozuriya, aminoatsidopatiya, fosfaturiya, endokrin kasalliklar, progressiv kurs, xastalik faolligining pasayishi.

7 .Sut va piruvik kislotalar almashinuvining buzilishi bilan bog'liq kasalliklar

7.1.Piruvat karboksilaza etishmovchiligi Avtosomal retsessiv irsiyat turi, kasallikning neonatal davrda boshlanishi, “bo'sh bola” simptom kompleksi, terapiyaga chidamli konvulsiyalar, qonda keton tanachalarining yuqori konsentratsiyasi, giperammonemiya, giperlizinemiya, piruvat karboksilaza faolligining pasayishi. skelet mushaklari

7.2.Piruvatdehidrogenaza etishmovchiligi

Neonatal davrda namoyon bo'lish, kraniofasiyal dismorfiya, terapiyaga chidamli konvulsiyalar, nafas olish va so'rishning buzilishi, "bo'sh bola" simptomlar majmuasi, miya disginezi, laktat va piruvatning yuqori darajasi bilan og'ir atsidoz.

7.3.Piruvatdehidrogenaza faolligining pasayishi

Hayotning birinchi yilida boshlanadi, mikrosefaliya, psixomotor rivojlanishning kechikishi, ataksiya, mushak distoni, xoreoatetoz, yuqori piruvatli sut kislotasi.

7.4.Digidrolipoiltransatsetilaz etishmovchiligi

Avtosomal retsessiv meros turi, kasallikning neonatal davrda boshlanishi, mikrosefaliya, kechiktirilgan psixomotor rivojlanish, mushaklarning gipotoniyasi, keyinchalik mushak tonusining oshishi, optik disk atrofiyasi, laktik atsidoz, dihidrolipoiltrans-asetilaz faolligining pasayishi.

7.5.Digidrolipoildehidrogenaza etishmovchiligi

Avtosomal retsessiv meros turi, hayotning birinchi yilida kasallikning boshlanishi, "bo'sh bola" simptomlar majmuasi, qusish va diareya bilan kechadigan dismetabolik inqirozlar, psixomotor rivojlanishning kechikishi, optik disklarning atrofiyasi, laktik atsidoz, alanin darajasining oshishi. qon zardobi, a-ketoglutarat, tarmoqlangan zanjirli a-keto kislotalar, dihidrolipoildehidrogenaza faolligining pasayishi

8 .Yog 'kislotalarining beta-oksidlanishidagi nuqsonlardan kelib chiqadigan kasalliklar

8.1.Uzoq uglerod zanjiri atsetil-KoA dehidrogenaza etishmovchiligi

Avtosomal retsessiv meros turi, hayotning birinchi oylarida kasallikning boshlanishi, qusish va diareya bilan kechadigan metabolik inqirozlar, "bo'sh bola" simptomlar majmuasi, gipoglikemiya, dikarboksilik atsiduriya, uzun uglerod zanjirli yog'li atsetil-KoA dehidrogenaza faolligining pasayishi. kislotalar

8.2.O'rta uglerodli zanjirli atsetil-KoA dehidrogenaza etishmovchiligi

Avtosomal retsessiv meros turi, kasallikning neonatal davrda yoki hayotning birinchi oylarida boshlanishi, qusish va diareya bilan kechadigan metabolik inqirozlar;

mushaklar kuchsizligi va gipotenziya, to'satdan o'lim sindromi tez-tez rivojlanadi, gipoglikemiya, dikarboksilik atsiduriya, o'rta uglerod zanjiri yog' kislotalarining atsetil-KoA dehidrogenaza faolligining pasayishi.

8.3. Qisqa zanjirli yog 'kislotasi atsetil-KoA dehidrogenaza etishmovchiligi

Avtosomal retsessiv meros turi, kasallikning turli yoshdagi boshlanishi, jismoniy mashqlar bardoshliligining pasayishi, qusish va diareya bilan kechadigan metabolik inqirozlar, mushaklarning kuchsizligi va gipotenziya, metilsuksinik kislotaning siydik bilan chiqarilishi, qisqa uglerod zanjirli yog 'kislotalarining atsetil-KoA dehidrogenazasi.

8.4.Yog 'kislotalarining atsetil-KoA dehidrogenazalarining ko'p tanqisligi.

Neonatal shakl: kraniofasiyal dismorfiya, miya disgineziyasi, og'ir gipoglikemiya va atsidoz, malign kurs, yog 'kislotalarining barcha atsetil-KoA dehidrogenazalari faolligining pasayishi,

Infantil shakl:"bo'sh bola" simptomlar majmuasi, kardiyomiyopatiya, metabolik inqirozlar, gipoglikemiya va atsidoz

8.5.Barcha yog 'kislotasi atsetil-KoA dehidrogenazalarining faolligining pasayishi

Kechiktirilgan debyut shakli: mushaklar kuchsizligining davriy epizodlari, metabolik inqirozlar, gipoglikemiya va atsidoz kamroq aniqlanadi, aql-idrok saqlanib qoladi,

9 .Krebs siklining enzimopatiyalari

9.1.Fumaraza etishmovchiligi

Avtosomal retsessiv meros turi, kasallikning neonatal yoki yangi tug'ilgan chaqaloq davrida boshlanishi, mikrosefaliya, mushaklarning umumiy zaifligi va gipotenziya, letargiya epizodlari, tez rivojlanayotgan ensefalopatiya, yomon prognoz.

9.2.Suksinatdehidrogenaza etishmovchiligi

Progressiv ensefalomiopatiya bilan tavsiflangan kam uchraydigan kasallik

9.3.Alfa-ketoglutarat dehidrogenaza etishmovchiligi

Avtosomal retsessiv meros turi, kasallikning neonatal boshlanishi, mikrosefaliya, "bo'sh bola" simptomlar majmuasi, letargiya epizodlari, laktik atsidoz, tez progressiv kurs, to'qimalarda Krebs tsikli fermentlarining kamayishi.

9.4.Karnitin va uning almashinuvi fermentlarining yetishmasligi sindromlari.

Karnitin palmitoiltransferaza-1 etishmovchiligi, irsiyning autosomal retsessiv turi, kasallikning erta boshlanishi, ketonemik bo'lmagan gipoglikemik koma epizodlari, gepatomegaliya, gipertrigliseridemiya va o'rtacha giperammonemiya, fibroblastlarda karnitin palmitoiltransferaza-1 va faollikning pasayishi.

9.5.Karnitin asilkarnitin translokaz etishmovchiligi

Kasallikning erta boshlanishi, yurak-qon tomir va nafas olish tizimining buzilishi, "bo'sh bola" simptomlar majmuasi, letargiya va koma epizodlari, qon zardobida erkin karnitinning kamayishi fonida karnitin efirlari va uzun uglerod zanjirlari kontsentratsiyasining oshishi, faollikning pasayishi. karnitin asilkarnitin translokazasi

9.6.Karnitin palmitoil transferaza-2 etishmovchiligi

Avtosomal retsessiv meros turi, mushaklar kuchsizligi, miyalji, miyoglobinuriya, skelet mushaklarida karnitin palmitoiltransferaza-2 faolligining pasayishi.

Avtosomal retsessiv meros turi, miyopatik simptomlar majmuasi, letargiya va letargiya epizodlari, kardiyomiyopatiya, gipoglikemiya epizodlari, qon zardobida karnitin miqdorining pasayishi va siydik chiqarishning ko'payishi.

Mitoxondriyal (va nafaqat) genomning ishlashidagi muayyan o'zgarishlar bilan bog'liq patologiyalarning bunday "dahshatli" ro'yxatini tahlil qilib, ba'zi savollar tug'iladi. Mitoxondrial genlar qanday mahsulotlardan iborat va ular qaysi supermega hayotiy hujayra jarayonlarida ishtirok etadi?

Ma'lum bo'lishicha, yuqoridagi patologiyalarning ba'zilari NADH dehidrogenaza kompleksining 7 bo'linmasi, ATP sintetazasining 2 bo'linmasi, sitoxrom c oksidazasining 3 bo'linmasi va ubiquinol-sitoxrom c reduktazaning 1 bo'linmasining sintezidagi buzilishlar tufayli yuzaga kelishi mumkin. b) , mitoxondriyalarning gen mahsuloti. Shundan kelib chiqqan holda, bu oqsillar hujayra nafas olish, yog 'kislotalari oksidlanishi va ATP sintezi, ichki MT membranasining elektron tashish tizimida elektronlar almashinuvi, antioksidant tizimning ishlashi va boshqalarda asosiy rol o'ynaydi degan xulosaga kelishimiz mumkin.

Apoptoz mexanizmlari haqidagi so'nggi ma'lumotlarga qaraganda, ko'plab olimlar apoptozni nazorat qilish markazi mavjud degan xulosaga kelishdi...

Mitoxondrial oqsillarning roli mitoxondrial sintezni bloklaydigan antibiotiklardan foydalanishda ham ko'rsatilgan. Agar to'qima madaniyatidagi inson hujayralari tetratsiklin yoki xloramfenikol kabi antibiotik bilan davolansa, ularning o'sishi bir yoki ikkita bo'linishdan keyin to'xtaydi. Bu mitoxondriyal oqsil sintezini inhibe qilish bilan bog'liq bo'lib, nuqsonli mitoxondriyalarning paydo bo'lishiga va natijada ATPning etarli darajada shakllanishiga olib keladi. Nima uchun antibiotiklar bakterial infektsiyalarni davolash uchun ishlatilishi mumkin? Bu savolga bir nechta javoblar mavjud:

1. Ba'zi antibiotiklar (masalan, eritromitsin) sutemizuvchilar mitoxondriyalarining ichki membranasidan o'tmaydi.

2. Bizning tanamizdagi aksariyat hujayralar juda sekin bo'linmaydi yoki bo'linmaydi, shuning uchun mavjud mitoxondriyalarni yangilari bilan almashtirish xuddi shunday sekin sodir bo'ladi (ko'p to'qimalarda mitoxondriyalarning yarmi taxminan besh kun yoki undan ham ko'proq vaqt ichida almashtiriladi). Shunday qilib, mitoxondriyal oqsil sintezining blokadasi ko'p kunlar davomida saqlanib qolsa, oddiy mitoxondriyalar soni kritik darajaga kamayadi.

3. To'qima ichidagi ma'lum sharoitlar ba'zi dorilarning eng sezgir hujayralar mitoxondriyalariga kirishiga to'sqinlik qiladi. Masalan, suyak iligida Ca2+ ning yuqori kontsentratsiyasi tez bo'linadigan (va shuning uchun eng zaif) qon hujayralari prekursorlariga kira olmaydigan Ca2 + - tetratsiklin kompleksining shakllanishiga olib keladi.

Bu omillar mitoxondriyal oqsil sintezini inhibe qiluvchi ba'zi dorilarni antibiotiklar sifatida yuqori hayvonlarni davolashda qo'llash imkonini beradi. Ushbu dorilarning faqat ikkitasi nojo'ya ta'sirga ega: levomitsetinning katta dozalari bilan uzoq muddatli davolanish suyak iligining gematopoetik funktsiyasining buzilishiga olib kelishi mumkin (qizil va oq qon hujayralari shakllanishini bostiradi) va tetratsiklinni uzoq muddatli foydalanish. ichak epiteliysiga zarar yetkazadi. Ammo ikkala holatda ham bu nojo'ya ta'sirlar mitoxondriyal biogenez blokadasi yoki boshqa sabablarga ko'ra yuzaga kelganmi, hali to'liq aniq emas.

Xulosa

Mt genomining strukturaviy va funksional xususiyatlari quyidagilardan iborat. Birinchidan, mtDNK onadan barchaga uzatilishi aniqlandi

avlodlari va qizlaridan keyingi barcha avlodlarga, lekin o'g'illar o'zlarining DNKlarini (onalik merosi) o'tkazmaydilar. Onalik xarakteri

mtDNKning irsiylanishi, ehtimol, ikkita holat bilan bog'liq: yoki otalik mtDNK ulushi juda kichik (otalik chizig'i orqali uzatilmaydi)

25 ming onaning mtDNKsiga bittadan ortiq DNK molekulasi), ularni mavjud usullar bilan aniqlab bo'lmaydi yoki urug'lantirilgandan keyin ota mitoxondriyalarining replikatsiyasi bloklanadi. Ikkinchidan, kombinativ o'zgaruvchanlikning yo'qligi - mtDNK faqat ota-onalardan biriga tegishli, shuning uchun meyozda yadro DNKsiga xos bo'lgan rekombinatsiya hodisalari mavjud emas va nukleotidlar ketma-ketligi avloddan-avlodga faqat mutatsiyalar tufayli o'zgaradi. Uchinchidan, mtDNKda intronlar yo'q

(tasodifiy mutatsiya DNKning kodlash hududiga ta'sir qilish ehtimoli yuqori), himoya gistonlar va samarali DNKni tiklash tizimi - bularning barchasi yadro DNKsiga qaraganda 10 baravar yuqori mutatsiya tezligini aniqlaydi. To'rtinchidan, bir hujayra ichida normal va mutant mtDNK bir vaqtning o'zida birga bo'lishi mumkin - geteroplazma fenomeni (faqat normal yoki faqat mutant mtDNKning mavjudligi gomoplazma deb ataladi). Va nihoyat, ikkala zanjir ham mtDNKda transkripsiyalanadi va tarjima qilinadi va bir qator xususiyatlarda mtDNKning genetik kodi universal koddan farq qiladi (UGA triptofanni kodlaydi, AUA metioninni kodlaydi, AGA va AGG to'xtaydi).

kodonlar).

Ushbu xususiyatlar va mt-genomning yuqoridagi funktsiyalari mtDNK nukleotidlari ketma-ketligi o'zgaruvchanligini o'rganishni shifokorlar, sud-tibbiyot olimlari, evolyutsion biologlar uchun bebaho vositaga aylantirdi.

o'ziga xos muammolarni hal qilishda tarix fanining vakillari.

1988 yildan boshlab, mtDNK gen mutatsiyalari mitoxondrial miopatiyalar (J. Y. Holt va boshq., 1988) va Leberning irsiy optik neyropatiyasi (D. C. Wallace, 1988) asosida ekanligi aniqlangandan beri, inson genomidagi mutatsiyalarni yanada tizimli ravishda aniqlash. mitoxondrial kasalliklar (MD) tushunchasi. Hozirgi vaqtda mitoxondrial genlarning har bir turida patologik mtDNK mutatsiyalari aniqlangan.

Adabiyotlar ro'yxati

1. Skulachev, mitoxondriya va kislorod, Soros. ta'lim jurnal

2. Biokimyo asoslari: Uch jildda, M.: Mir, .

3. Nicholes D. G. Bioenergetika, Kirish. kimyosmga. Th., akad. Matbuot, 1982 yil.

4. Stryer L. Biochemistry, 2-nashr. San-Fransisko, Friman, 1981 yil.

5. Skulachev biologik membranalari. M., 1989 yil.

6. , Chentsov retikulum: tuzilishi va ba'zi funktsiyalari // Fan natijalari. Biologiyaning umumiy muammolari. 1989 yil

7. Chentsov sitologiyasi. M.: Moskva davlat universiteti nashriyoti, 1995 yil

8. , Mitoxondrial genomning vakolat doirasi // Vestn. RAMS, 2001. ‹ 10. 31-43-betlar.

9. Xolt I. J., Xarding A. E., Morgan-Hughes I. A. Mitoxondriyal miopatiya bilan og'rigan bemorlarda mushak mitoxondriyal DNKni yo'q qilish. Tabiat 1988, 331:717-719.

10. va boshq. Inson genomi va moyillik genlari. Sankt-Peterburg, 2000 yil

11. , Mitoxondriyal genom. Novosibirsk, 1990 yil.

12. // Soros. ta'lim jurnal 1999 yil. 10-son. B.11-17.

13. Hujayra evolyutsiyasida simbiozning roli. M., 1983 yil.

14. // Soros. ta'lim jurnal 1998 yil. 8-son. P.2-7.

15. // Soros. ta'lim jurnal 2000. № 1. B.32-36.

nomidagi Kiev milliy universiteti. Taras Shevchenko

Biologiya kafedrasi

Insho

mavzusida:

"Ona genomining nasl rivojlanishidagi roli"

BilanU yerdaenta IVkurs

Biokimyo kafedrasi

Frolova Artema

Kiev 2004

Reja:

Kirish................................................................. .............................1

Mitoxondriyalarning kelib chiqishining simbiotik nazariyasi......2

Hujayra yadrosining mitoxondrial biogenezdagi roli...................................... .........5

Mitoxondrial transport tizimlari................................................. ...................... 7

Mitoxondriyal genomlarning o'lchami va shakli.................................10

Mitoxondriyal genomning ishlashi......14

Mitoxondriya uchun o'z genetik tizimiga ega bo'lishning ahamiyati...................................... ...................... ...................................19

Sitoplazmatik irsiyat.................................20

Asosiy maqola: Mitoxondriyal DNK

Matritsada joylashgan mitoxondrial DNK yopiq dumaloq ikki zanjirli molekula bo'lib, inson hujayralarida 16569 juft nukleotid o'lchamiga ega, bu yadroda joylashgan DNKdan taxminan 10 5 baravar kichikdir. Hammasi bo'lib, mitoxondrial DNK 2 rRNK, 22 tRNK va nafas olish zanjiri fermentlarining 13 ta subbirliklarini kodlaydi, bu uning tarkibidagi oqsillarning yarmidan ko'pini tashkil qilmaydi. Xususan, mitoxondrial genom nazorati ostida yettita ATP sintetaza subbirligi, uchta sitoxrom oksidaza va bitta ubiquinol-sitoxrom subbirligi kodlangan. Bilan-reduktaza. Bunda og‘irroq (tashqi) DNK zanjiridan bitta, ikkita ribosoma va oltita transfer RNKdan tashqari barcha oqsillar, engilroq (ichki) zanjirdan esa 14 ta boshqa tRNK va bitta oqsil transkripsiyalanadi.

Ushbu fonda o'simlik mitoxondrial genomi ancha katta bo'lib, 370 000 juft nukleotidga yetishi mumkin, bu yuqorida tavsiflangan odam mitoxondrial genomidan taxminan 20 marta katta. Bu erdagi genlar soni ham taxminan 7 baravar ko'p, bu o'simlik mitoxondriyalarida ATP sintezi bilan bog'liq bo'lmagan qo'shimcha elektron tashish yo'llarining paydo bo'lishi bilan birga keladi.

Mitoxondriyal DNK interfazada replikatsiyalanadi, bu yadrodagi DNK replikatsiyasi bilan qisman sinxronlanadi. Hujayra siklida mitoxondriyalar siqilish yo‘li bilan ikkiga bo‘linadi, ularning hosil bo‘lishi mitoxondriyaning ichki membranasidagi dumaloq trubadan boshlanadi. Mitoxondriyal genomning nukleotidlar ketma-ketligini batafsil oʻrganish natijasida hayvonlar va zamburugʻlar mitoxondriyalarida universal genetik koddan chetlanishlar keng tarqalganligi aniqlandi. Shunday qilib, inson mitoxondriyalarida standart koddagi izolösin o‘rniga TAT kodoni metionin aminokislotasini kodlaydi, odatda argininni kodlovchi TCT va TCC kodonlari to‘xtash kodonlari, AST kodonlari esa to‘xtash kodonidir. standart kod, metionin aminokislotasini kodlaydi. O'simlik mitoxondriyalariga kelsak, ular universal genetik koddan foydalanadilar. Mitoxondriyaning yana bir xususiyati tRNK kodonini tanib olishning o'ziga xos xususiyati bo'lib, u shunday bitta molekula birdaniga bir emas, balki uch yoki to'rtta kodonni taniy olish qobiliyatidan iborat. Bu xususiyat kodondagi uchinchi nukleotidning ahamiyatini pasaytiradi va mitoxondriyalar tRNK turlarining kamroq turlarini talab qilishiga olib keladi. Bunday holda, faqat 22 xil tRNK etarli bo'ladi.

O'zining genetik apparatiga ega bo'lgan mitoxondriya ham o'zining oqsil sintez qilish tizimiga ega, uning xususiyati hayvon va qo'ziqorin hujayralarida juda kichik ribosomalar bo'lib, 55S cho'kindi koeffitsienti bilan tavsiflanadi, bu prokaryotiklarning 70S ribosomalaridan ham pastroqdir. turi. Bundan tashqari, ikkita yirik ribosomali RNK ham prokariotlarga qaraganda kichikroq va kichik rRNK umuman yo'q. O'simlik mitoxondriyalarida, aksincha, ribosomalar hajmi va tuzilishi jihatidan prokaryotiklarga ko'proq o'xshaydi.

Mitoxondriyal oqsillar[tahrirlash | manba matnini tahrirlash]

Katta ferment komplekslarining subbirliklarini tashkil etuvchi mitoxondriyal mRNK dan tarjima qilingan oqsillar soni cheklangan. Oqsillarning muhim qismi yadroda kodlangan va sitoplazmatik 80S ribosomalarida sintezlanadi. Xususan, ba'zi oqsillar - elektron tashuvchilar, mitoxondriyal translokazalar, oqsillarni mitoxondriyalarga tashish komponentlari, shuningdek, mitoxondriyal DNKning transkripsiyasi, translatsiyasi va replikatsiyasi uchun zarur bo'lgan omillar shunday shakllanadi. Bundan tashqari, N-terminalidagi bunday oqsillar maxsus signal peptidlariga ega bo'lib, ularning o'lchamlari 12 dan 80 gacha aminokislota qoldiqlari orasida o'zgarib turadi. Bu joylar amfifil jingalaklarni hosil qiladi va tashqi membranada lokalizatsiya qilingan mitoxondriyani aniqlash retseptorlarining bog'lanish sohalari bilan oqsillarning o'ziga xos aloqasini ta'minlaydi. Bu oqsillar chaperon oqsillari (xususan, hsp70) bilan bog'langan holda qisman ochilgan holda tashqi mitoxondriyal membranaga ko'chiriladi. Mitoxondriyaga kiradigan oqsillar tashqi va ichki membranalar orqali o'zlarining aloqa joylariga o'tgandan so'ng, yana chaperonlar bilan aloqa qilishadi, lekin o'zlarining mitoxondriyal kelib chiqishi, ular membranani kesib o'tuvchi oqsilni o'zlashtiradilar, uning mitoxondriyaga qaytarilishini ta'minlaydilar, shuningdek, nazorat qiladilar. polipeptid zanjirining to'g'ri katlanma jarayoni. Ko'pchilik chaperonlar ATPaz faolligiga ega, buning natijasida oqsillarni mitoxondriyaga tashish ham, ularning funktsional faol shakllarini shakllantirish ham energiyaga bog'liq jarayonlardir.