DNA mitokondria dan sejarah keluarga. Mengenai kepentingan mengkaji DNA mitokondria kepentingan DNA mitokondria
05.05.2015 13.10.2015
Semua maklumat tentang struktur tubuh manusia dan kecenderungannya terhadap penyakit disulitkan dalam bentuk molekul DNA. Maklumat utama terletak di dalam nukleus sel. Walau bagaimanapun, 5% DNA disetempatkan dalam mitokondria.
Apakah yang dipanggil mitokondria?
Mitokondria adalah organel selular eukariota yang diperlukan untuk menukar tenaga yang terkandung dalam nutrien kepada sebatian yang boleh diserap oleh sel. Oleh itu, mereka sering dipanggil "stesen tenaga", kerana tanpa mereka kewujudan badan adalah mustahil.
Organel ini memperoleh maklumat genetik mereka sendiri kerana fakta bahawa mereka sebelum ini adalah bakteria. Selepas mereka memasuki sel organisma tuan rumah, mereka tidak dapat mengekalkan genom mereka, sementara mereka memindahkan sebahagian daripada genom mereka sendiri ke nukleus sel organisma tuan rumah. Oleh itu, kini DNA mereka (mtDNA) hanya mengandungi sebahagian, iaitu 37 gen, daripada jumlah asal. Terutamanya, mereka menyulitkan mekanisme transformasi glukosa menjadi sebatian - karbon dioksida dan air dengan pengeluaran tenaga (ATP dan NADP), tanpanya kewujudan organisma tuan rumah adalah mustahil.
Apakah keunikan mtDNA?
Sifat utama yang wujud dalam DNA mitokondria ialah ia boleh diwarisi hanya melalui garis ibu. Dalam kes ini, semua kanak-kanak (lelaki atau wanita) boleh menerima mitokondria daripada telur. Ini berlaku kerana fakta bahawa telur betina mengandungi lebih banyak organel ini (sehingga 1000 kali ganda) daripada sperma lelaki. Akibatnya, organisma anak perempuan menerimanya hanya daripada ibunya. Oleh itu, warisan mereka dari sel bapa adalah mustahil sepenuhnya.
Adalah diketahui bahawa gen mitokondria diturunkan kepada kita dari masa lalu - dari penganjur kami - "Hawa mitokondria", yang merupakan nenek moyang bersama semua orang di planet ini di sebelah ibu. Oleh itu, molekul-molekul ini dianggap sebagai objek yang paling sesuai untuk pemeriksaan genetik untuk mewujudkan persaudaraan ibu.
Bagaimanakah persaudaraan ditentukan?
Gen mitokondria mempunyai banyak mutasi titik, menjadikannya sangat berubah-ubah. Ini membolehkan kita menjalinkan persaudaraan. Semasa pemeriksaan genetik, menggunakan penganalisis genetik khas - penjujukan, perubahan nukleotida titik individu dalam genotip, persamaan atau perbezaannya, ditentukan. Pada orang yang tidak berkaitan di sebelah ibu mereka, genom mitokondria berbeza dengan ketara.
Menentukan persaudaraan adalah mungkin kerana ciri-ciri menakjubkan genotip mitokondria:
mereka tidak tertakluk kepada penggabungan semula, jadi molekul berubah hanya melalui proses mutasi, yang boleh berlaku selama satu milenium;
kemungkinan pengasingan daripada sebarang bahan biologi;
jika terdapat kekurangan biomaterial atau degradasi genom nuklear, mtDNA boleh menjadi satu-satunya sumber untuk analisis kerana bilangan salinannya yang besar;
Oleh kerana bilangan mutasi yang besar berbanding dengan gen nuklear sel, ketepatan yang tinggi dicapai apabila menganalisis bahan genetik.
Apakah yang boleh ditentukan melalui ujian genetik?
Ujian genetik mtDNA akan membantu dalam mendiagnosis kes berikut.
1. Untuk menjalinkan persaudaraan antara orang di sebelah ibu: antara datuk (atau nenek) dan cucu, abang dan kakak, bapa saudara (atau ibu saudara) dan anak saudara.
2. Apabila menganalisis sejumlah kecil biomaterial. Lagipun, setiap sel mengandungi mtDNA dalam kuantiti yang ketara (100 - 10,000), manakala DNA nuklear hanya mengandungi 2 salinan untuk setiap 23 kromosom.
3. Apabila mengenal pasti biomaterial purba - jangka hayat lebih daripada seribu tahun. Terima kasih kepada harta ini, para saintis dapat mengenal pasti bahan genetik dari mayat ahli keluarga Romanov.
4. Jika tiada bahan lain, walaupun sehelai rambut mengandungi sejumlah besar mtDNA.
5. Apabila menentukan kepunyaan gen kepada cabang genealogi manusia (Afrika, Amerika, Timur Tengah, haplogroup Eropah dan lain-lain), berkat yang mungkin untuk menentukan asal usul seseorang.
Penyakit mitokondria dan diagnosisnya
Penyakit mitokondria menampakkan diri terutamanya disebabkan oleh kecacatan dalam mtDNA sel yang dikaitkan dengan kerentanan ketara organel ini kepada mutasi. Hari ini sudah ada kira-kira 400 penyakit yang berkaitan dengan kecacatan mereka.
Biasanya, setiap sel boleh merangkumi kedua-dua mitokondria normal dan mereka yang mempunyai gangguan tertentu. Selalunya, tanda-tanda penyakit tidak nyata sama sekali. Walau bagaimanapun, apabila proses sintesis tenaga lemah, manifestasi penyakit tersebut diperhatikan di dalamnya. Penyakit ini terutamanya dikaitkan dengan gangguan sistem otot atau saraf. Sebagai peraturan, dengan penyakit sedemikian terdapat permulaan lewat manifestasi klinikal. Insiden penyakit ini adalah 1:200 orang. Adalah diketahui bahawa kehadiran mutasi mitokondria boleh menyebabkan sindrom nefrotik semasa kehamilan dan juga kematian mengejut bayi. Oleh itu, penyelidik sedang membuat percubaan aktif untuk menyelesaikan masalah yang berkaitan dengan rawatan dan penghantaran penyakit genetik jenis ini daripada ibu kepada anak-anak.
Bagaimanakah penuaan berkaitan dengan mitokondria?
Penyusunan semula genom organel ini juga ditemui apabila menganalisis mekanisme penuaan badan. Penyelidik di Universiti Hopkins menerbitkan hasil daripada pemantauan paras darah 16,000 warga tua Amerika, menunjukkan bahawa penurunan jumlah mtDNA secara langsung berkaitan dengan umur pesakit.
Kebanyakan isu yang dipertimbangkan hari ini telah menjadi asas kepada sains baru - "perubatan mitokondria", yang dibentuk sebagai arah yang berasingan pada abad ke-20. Ramalan dan rawatan penyakit yang berkaitan dengan gangguan genom mitokondria, diagnostik genetik adalah tugas utamanya.
Sebilangan besar pembaca blog saya, sudah tentu, pada satu tahap atau yang lain mempunyai idea tentang intipati dan sifat pewarisan DNA mitokondria. Terima kasih kepada ketersediaan ujian komersil, ramai pembaca saya (lebih) telah mengenal pasti haplotip mitokondria di kawasan individu mitokondria (CR, HVS1, HVS2), dan ada juga yang mempunyai urutan mitokondria yang lengkap (semua 16571 kedudukan). Oleh itu, ramai yang dapat memberi penerangan tentang "genealogi mendalam" mereka, kembali ke titik biasa gabungan semua garis genetik wanita yang sedia ada. Ahli popgenetik romantis memanggil titik ini "Hawa mitokondria," walaupun titik ini masih hanya abstraksi matematik dan, kerana ini, sebarang nama adalah konvensional semata-mata.
Lawatan singkat untuk pemula.
DNA mitokondria (selepas ini mtDNA) diturunkan daripada ibu kepada anak. Memandangkan hanya wanita boleh menghantar mtDNA kepada anak mereka, ujian mtDNA menyediakan maklumat tentang ibu, ibunya, dan seterusnya melalui talian ibu secara langsung. Kedua-dua lelaki dan wanita menerima mtDNA daripada ibu mereka, itulah sebabnya lelaki dan wanita boleh mengambil bahagian dalam ujian mtDNA. Walaupun mutasi berlaku dalam mtDNA, kekerapannya agak rendah. Selama beribu-ribu tahun, mutasi ini telah terkumpul, dan atas sebab ini, garis wanita dalam satu keluarga berbeza secara genetik daripada yang lain. Selepas manusia merebak ke seluruh planet ini, mutasi terus muncul secara rawak dalam populasi yang dipisahkan oleh jarak dari umat manusia yang pernah bersatu. Atas sebab ini, mtDNA boleh digunakan untuk menentukan asal geografi kumpulan keluarga tertentu. Keputusan ujian mtDNA dibandingkan dengan apa yang dipanggil "Cambridge Standard Sequence" (CRS) - jujukan mtDNA pertama yang ditubuhkan pada tahun 1981 di Cambridge (* nota - penggunaan CRS sebagai jujukan mitos rujukan sedang dalam semakan). Akibatnya, saintis menubuhkan haplotip orang yang sedang dikaji. Haplotype ialah ciri genetik individu anda. Apabila anda melihatnya, mtDNA ialah set sisihan anda daripada "jujukan standard Cambridge". Selepas membandingkan jujukan anda dengan jujukan daripada pangkalan data, haplogroup anda ditentukan. Haplogroup ialah ciri genetik komuniti tertentu yang mempunyai satu "nenek moyang" biasa, lebih baru daripada "Hawa mitokondria". Nenek moyang purba mereka sering berpindah dalam kumpulan yang sama semasa penghijrahan. Haplogroup menunjukkan cabang salasilah manusia yang mana anda tergolong. Mereka ditetapkan oleh huruf abjad, dari A hingga Z, ditambah dengan banyak subkumpulan. Contohnya, haplogroup Eropah - H, J, K, T, U, V, X. Timur Tengah - N dan M. Asia - A, B, C, D, F, G, M, Y, Z. Afrika - L1 , L2 , L3 dan M1. Polinesia - B. India Amerika - A, B, C, D, dan jarang sekali X. Baru-baru ini, N1, U4, U5 dan W telah ditambah kepada haplogroup Eropah.
Mari fokus pada mitohaplogroup Eropah - H, J, K, T, U, V, X, N1, U4, U5 dan W. Kebanyakan mereka, seterusnya, berpecah kepada subklade anak perempuan (cabang anak perempuan, contohnya, subklade anak perempuan haplogroup U5 - subklade U5b1 ("Ursula"), yang puncak pengedarannya berlaku di negeri Baltik dan Finland. Perlu diperhatikan bahawa matriarchs garis wanita sering dipanggil dengan nama wanita. Asas tradisi ini diletakkan oleh pengarang buku "Seven Daughters of Eve" Brian Sykes, yang menghasilkan nama untuk nenek moyang kebanyakan penduduk Eropah - Ursula (haplogroup U), Ksenia (X), Elena (H), Velda (V), Tara (T), Catherine (K) dan Jasmine (J). Anda boleh mengesan dan memetakan jalan-jalan utama di mana mereka dan seluruh nenek moyang kita berkeliaran dalam masa dan ruang, dan mengira anggaran masa untuk setiap percabangan - penampilan mutasi baru, dari "anak perempuan Hawa yang pertama." ” kepada yang paling terkini - haplogroup I dan V, yang "hanya" kira-kira 15,000 tahun.
Saya sering bertanya soalan: bagaimana DNA nuklear berbeza daripada mtDNA? Menurut konsep saintifik moden, berbilion tahun dahulu mitokondria adalah bakteria bebas yang menetap di dalam sel organisma eukariotik primitif (mempunyai nukleus sel dengan kromosom linear) dan "mengambil alih" fungsi menghasilkan haba dan tenaga dalam sel perumah. Semasa hidup bersama, mereka kehilangan beberapa gen mereka sebagai tidak perlu semasa hidup dengan segala-galanya sedia, ada yang dipindahkan ke kromosom nuklear, dan kini cincin berganda mtDNA manusia hanya terdiri daripada 16,569 pasangan asas nukleotida. Majoriti genom mitokondria diduduki oleh 37 gen. Disebabkan oleh kepekatan tinggi radikal bebas oksigen (hasil sampingan pengoksidaan glukosa) dan kelemahan mekanisme untuk membaiki ralat semasa penyalinan DNA, mutasi dalam mtDNA berlaku urutan magnitud lebih kerap daripada kromosom nuklear. Penggantian, kehilangan atau penambahan satu nukleotida di sini berlaku kira-kira sekali setiap 100 generasi - kira-kira 2500 tahun. Mutasi dalam gen mitokondria - gangguan dalam fungsi loji tenaga selular - selalunya menyebabkan penyakit keturunan. Satu-satunya fungsi mitokondria ialah pengoksidaan glukosa kepada karbon dioksida dan air dan sintesis menggunakan tenaga bahan api selular yang dibebaskan semasa proses ini - ATP dan agen pengurangan universal (pembawa proton) NADH. (NADH ialah nicotinamide adenine dinucleotide - cuba sebutkannya tanpa teragak-agak.) Walaupun tugas mudah ini memerlukan berpuluh-puluh enzim, tetapi kebanyakan gen protein yang diperlukan untuk kerja dan penyelenggaraan mitokondria telah lama dipindahkan ke kromosom "tuan rumah" sel. Dalam mtDNA, hanya gen RNA pemindahan yang membekalkan asid amino kepada ribosom yang mensintesis protein kekal (ditunjukkan oleh simbol Latin satu huruf Latin asid amino yang sepadan), dua gen RNA ribosom - RNA 12s dan RNA 16s (gen untuk protein ribosom mitokondria. terletak di dalam nukleus sel) dan beberapa (bukan semua) gen protein enzim mitokondria utama - kompleks dehidrogenase NADH (ND1-ND6, ND4L), cytochrome c oxidase (COI-III), cytochrome b (CYTb) dan dua subunit protein daripada enzim sintetase ATP (ATPase8 dan 6). Untuk keperluan genealogi molekul atau DNA, kawasan bukan pengekodan digunakan - D-gelung, yang terdiri daripada dua kawasan hypervariable, resolusi rendah dan tinggi - HVR1 (GVS1) dan HVR2 (GVS2).
Perlu mengatakan beberapa perkataan tentang kepentingan mengkaji mtDNA dari sudut pandangan genetik perubatan.
Sudah tentu, kajian telah dijalankan mengenai perkaitan penyakit tertentu dengan garis genetik wanita individu. Sebagai contoh, satu kajian mencadangkan bahawa penguraian fosforilasi oksidatif mitoklorion yang dikaitkan dengan SNP yang mentakrifkan haplogroup J(asmine) menyebabkan peningkatan suhu badan dalam fenotip pembawa haplogroup ini. Ini dikaitkan dengan peningkatan kehadiran haplogroup ini di utara Eropah, khususnya di Norway. Di samping itu, orang yang mempunyai haplogroup J mitokondria, menurut kajian lain, mengembangkan AIDS lebih cepat dan mati lebih cepat berbanding orang lain yang dijangkiti HIV. Kajian menunjukkan bahawa mutasi mitokondria yang signifikan secara filogenetik melibatkan corak ekspresi gen dalam fenotip.
Selanjutnya, haplogroup T mitokondria saudara perempuan J dikaitkan dengan penurunan motilitas sperma pada lelaki. Menurut penerbitan oleh Jabatan Biokimia dan Biologi Selular Molekul Universiti Zaragoza, haplogroup T mewakili kecenderungan genetik yang lemah kepada asthenozoospermia. Menurut beberapa kajian, kehadiran haplogroup T dikaitkan dengan peningkatan risiko penyakit arteri koronari. Menurut kajian lain, pembawa T kurang berkemungkinan menghidap diabetes. Beberapa kajian perubatan perintis telah menunjukkan bahawa mempunyai haplogroup T dikaitkan dengan pengurangan risiko penyakit Parkinson dan Alzheimer.
Walau bagaimanapun, contoh seterusnya menunjukkan bahawa hasil analisis hubungan antara garis genetik wanita dan penyakit sering bercanggah antara satu sama lain. Sebagai contoh, pembawa mitohaplogroup Eropah tertua UK adalah sedikit terdedah kepada sindrom kekurangan imun yang diperolehi. Dan pada masa yang sama, satu subkumpulan, U5a, dianggap sangat terdedah kepada sindrom kekurangan imun yang diperolehi.
Kajian terdahulu telah menunjukkan korelasi positif antara keahlian dalam haplogroup U dan risiko kanser prostat dan kolorektal. Haplogroup K (Catherine), turun dari UK melalui subklade U8, serta garis ibu bapanya, dicirikan oleh peningkatan risiko strok dan oftalmoplegia progresif kronik.
Lelaki yang tergolong dalam garis H wanita yang dominan (Helen, cawangan gabungan kumpulan H di Eropah) dicirikan oleh risiko asthenozoospermia yang paling rendah (penyakit di mana motilitas sperma berkurangan). Haplogroup ini juga dicirikan oleh rintangan dan rintangan badan yang tinggi. kepada perkembangan AIDS. Pada masa yang sama, , H dicirikan oleh risiko yang tinggi untuk membangunkan penyakit Alzheimer. Sebagai perbandingan, risiko untuk membangunkan penyakit Parkinson dalam pembawa garis genetik wanita H (Helen) adalah jauh lebih tinggi daripada yang serupa. risiko dalam wakil talian (JT) Di samping itu, wakil Lynn H mempunyai rintangan tertinggi terhadap sepsis.
Wakil-wakil garis mitokondria I, J1c, J2, K1a, U4, U5a1 dan T mempunyai risiko yang berkurangan (berbanding dengan purata) untuk membangunkan penyakit Parkinson. Wanita dari garis genetik I (Irene), J (Jasmine) dan T ( Tara) melahirkan lebih ramai daripada semua centenarian, itulah sebabnya ahli genetik pop secara berseloroh memanggil mitohaplogroup ini haplogroups centenarians. Tetapi tidak semuanya begitu baik. Sesetengah ahli subklada haplogroup J dan T (terutamanya J2) mengalami penyakit yang jarang ditentukan secara genetik (neuropati optik keturunan Leber), yang dikaitkan dengan ekspresi gen yang bertanggungjawab untuk kebutaan yang diwarisi dari ibu.
Kepunyaan mitohaplogroup N adalah faktor dalam perkembangan kanser payudara. Walau bagaimanapun, perkara yang sama berlaku untuk mitohaplogroup Eropah yang lain (H, T, U, V, W, X), dengan pengecualian K. Akhirnya, pembawa garis mitokondria wanita X ("Ksenia") mempunyai mutasi dalam mitokondria yang meningkatkan risiko menghidap diabetes jenis II, kardiomiopati dan kanser endometrium. Wakil-wakil gabungan macromitohaplogroup IWX mempunyai rintangan tertinggi terhadap perkembangan AIDS.
Mitokondria juga memainkan peranan penting dalam genetik sukan, yang telah muncul agak baru-baru ini.
Selalunya, semasa membaca penerangan tentang ubat-ubatan sukan dan makanan tambahan, saya terjumpa satu sebutan bahawa satu atau satu lagi unsur aktif ubat tersebut mempercepatkan metabolisme atau pengangkutan sebatian tertentu ke dalam mitokondria. Ini terutamanya melibatkan L-carnitine, creatine dan BCAA. Oleh kerana mitokondria bertindak sebagai penjana tenaga dalam sel, pemerhatian ini kelihatan logik dan munasabah kepada saya.
Oleh itu, mari kita pertimbangkan isu ini dengan lebih terperinci.
Menurut beberapa saintis, kekurangan tenaga membawa kepada penuaan awal badan. Semakin kurang tenaga dalam sel, semakin sedikit usaha akan diarahkan ke arah pemulihan dan penyingkiran toksin. Seperti yang mereka katakan, "Saya tidak peduli tentang lemak, saya harap saya masih hidup." Tetapi selalu ada jalan keluar:diet yang sihat serta sedikit tweak biokimia boleh memulakan semula loji janakuasa selular. Dan perkara pertama yang mereka nasihatkan untuk anda ingat ialah karnitin.
Bermula pada masa dewasa, mitokondria, loji kuasa selular, mula perlahan, yang membawa kepada penurunan dalam pengeluaran tenaga. Sel sedang bergerak ke arah penjimatan, di mana mod "pembakar selepas" tidak bernilai walaupun diimpikan. Kekurangan tenaga membawa kepada disfungsi organel selular lain dan sekali lagi menjejaskan mitokondria. Lingkaran ganas. Ini adalah penuaan, atau lebih tepat lagi, manifestasi dalamannya.
"Anda hanya semuda mitokondria anda," pakar pemakanan Robert Crichon suka berkata. Setelah menumpukan bertahun-tahun untuk mengkaji biokimia sel, dia menemui satu cara untuk mempengaruhi pengeluaran tenaga mitokondria, iaitu penuaan. Kaedah ini adalah karnitin dan bentuk aktifnya L-carnitine.
Carnitine bukan asid amino kerana ia tidak mengandungi kumpulan amino (NH2). Ia lebih seperti koenzim atau, jika anda lebih suka, sebatian seperti vitamin larut air. Mengapa karnitin menarik perhatian pakar pemakanan?
Seperti yang anda tahu, asid lemak adalah bahan api utama untuk otot, terutamanya miokardium. Kira-kira 70% tenaga dihasilkan dalam otot daripada pembakaran lemak. Carnitine mengangkut asid lemak rantai panjang merentasi membran mitokondria. Sebilangan kecil karnitin (kira-kira 25%) disintesis oleh badan daripada asid amino lisin. Kita mesti mendapatkan baki 75% daripada makanan.
Tetapi hari ini kita mendapat terlalu sedikit karnitin. Dikatakan bahawa nenek moyang kita mengambil sekurang-kurangnya 500 mg karnitin setiap hari. Rata-rata orang dalam masyarakat moden hanya menerima 30-50 mg sehari daripada makanan...
Kekurangan karnitin membawa kepada penurunan pengeluaran tenaga dan degenerasi. Kurang tenaga bermakna rizab fisiologi yang lebih lemah. Gambaran klasik ialah orang tua yang badannya sedang mengalami "krisis tenaga." Jika badan mempunyai tenaga yang mencukupi, ia boleh berjaya membina dan memperbaharui membran sel, mengekalkan integriti struktur selular, dan melindungi maklumat genetik. Sistem imun kita juga bergantung kepada pengeluaran tenaga yang mencukupi.
Robert Crichon percaya bahawa kita memerlukan lebih banyak karnitin apabila badan mula merosot. Ini adalah satu langkah ke arah meremajakan dan memberi tenaga kepada sel supaya dapat berfungsi dengan lebih baik dan juga melindungi diri mereka daripada radikal bebas dan patogen. [
By the way, setahun setengah yang lalu saya menjalankan pemeriksaan perintis dengan ahli fisiologi untuk menentukan umur biologi. Menurut jadual ahli fisiologi, hasil pengukuran paling tepat sepadan dengan umur biologi 28 tahun. Jika Encik Robert Crichon betul, maka mitokondria saya 7 tahun lebih muda daripada umur pasport saya)). Tetapi ramai rakan sebaya saya sudah hidup dalam hutang dari alam semula jadi (sekali lagi, dengan mengorbankan mitokondria mereka)].
Daging, ikan, susu, telur, keju dan produk haiwan lain biasanya mengandungi karnitin yang mencukupi. Daging kambing dan kambing adalah sumber yang sangat mujarab. Avokado dan tempe adalah sumber tumbuhan yang paling disukai.
Sudah tentu, haiwan pernah merumput di padang rumput dan makan rumput. Ini bagus kerana dalam kes ini, produk haiwan mengandungi sejumlah besar karnitin dan asid lemak omega-3 yang sihat, yang saling melengkapi. Ini membolehkan badan nenek moyang kita membakar lemak dengan berkesan dan mempunyai badan yang kuat. Pada masa kini, lembu diberi makan bijirin, yang didominasi oleh asid lemak omega-6, yang mempunyai kesan pro-radang, dan tahap karnitin telah menurun. Sebab itu sekarang, makan daging merah setiap hari bukan lagi alternatif yang sihat. Tetapi mari kita berhenti di sana.
Ada satu lagi perkara yang patut disebut. Adalah naif untuk mendakwa bahawa karnitin boleh menyelamatkan seseorang daripada penuaan untuk selama-lamanya. Tidak, ia akan menjadi terlalu mudah untuk manusia, walaupun ramai yang mungkin ingin mempercayainya.
Carnitine, seperti bahan berfaedah lain yang mengaktifkan metabolisme, hanyalah salah satu daripada banyak pembantu. Walau bagaimanapun, ia tidak dapat menghentikan secara radikal jam selular, walaupun ia mungkin dapat memperlahankannya.
Didapati bahawa kerja miokardium iskemia berhenti apabila sumber selular asid fosforik creatine telah habis, walaupun lebih kurang. 90% adenosin trifosfat. Ini menunjukkan bahawa adenosin trifosfat diedarkan secara tidak sekata di seluruh sel. Tidak semua adenosin trifosfat yang terdapat dalam sel otot digunakan, tetapi hanya sebahagian daripadanya, tertumpu pada myofibril. Keputusan eksperimen selanjutnya menunjukkan bahawa sambungan antara simpanan selular adenosin trifosfat dijalankan oleh asid fosfat kreatin dan isoenzim creatine kinase. Di bawah keadaan biasa, molekul adenosin trifosfat yang disintesis dalam mitokondria memindahkan tenaga kepada kreatin, yang, di bawah pengaruh isoenzim creatine kinase, ditukar menjadi asid fosforik kreatin. Asid fosfat kreatin bergerak ke penyetempatan tindak balas creatine kinase, di mana isoenzim creatine kinase lain memastikan penjanaan semula adenosin trifosfat daripada asid fosfat kreatin dan adenosin difosfat. Kreatin yang dikeluarkan dalam kes ini bergerak ke dalam mitokondria, dan adenosin trifosfat digunakan untuk menghasilkan tenaga, termasuk. untuk ketegangan otot. Keamatan peredaran tenaga dalam sel sepanjang laluan fosforus kreatin adalah lebih besar daripada kadar penembusan adenosin trifosfat ke dalam sitoplasma. Ini adalah sebab penurunan kepekatan asid fosfat kreatin dalam sel, dan menyebabkan kemurungan ketegangan otot walaupun bekalan selular utama adenosin trifosfat tidak terjejas.
Malangnya, orang yang terlibat dalam genetik sukan memberi sedikit perhatian kepada mitokondria. Saya masih belum melihat kajian hasil bina badan dibahagikan kepada kumpulan kawalan berdasarkan kepunyaan kumpulan mitokondria (dengan mengandaikan bahawa "penunjuk" mereka yang lain adalah sama). Sebagai contoh, reka bentuk eksperimen mungkin kelihatan seperti ini: kami memilih pembina badan yang sama umur, berat, ketinggian, komposisi otot dan pengalaman. Kami menjemput mereka untuk melakukan satu set latihan kekuatan yang sama (contohnya, bilangan maksimum set penekan bangku dengan berat 95-100 kg.) Kami membandingkan keputusan dan menganalisisnya berdasarkan maklumat priori tentang mitogroups atlet. . Kemudian kami memberi para atlet diet kombo creatine, levocarnitine, glutamin dan asid amino. Selepas beberapa lama, kami mengulangi ujian dan membandingkan keputusan dan membuat kesimpulan tentang kehadiran/ketiadaan korelasi dengan jenis mtDNA.
Saya berpendapat bahawa penyelidikan amatur saya tentang mitokondria akhirnya dapat mencerahkan manusia. Benar, saya berminat dengan mitokondria bukan sahaja dan tidak begitu banyak dalam isu genealogi dan perubatan, tetapi dalam isu psikogenetik, khususnya aspek interaksi antara orang yang berlainan mitohapogroup. Saya mengambil kebebasan untuk memanggil bidang psikosocionik penyelidikan ini. Mengambil kesempatan daripada peluang yang jarang berlaku untuk memerhati (selama 4 tahun) interaksi orang dari kumpulan mitohaplorup yang berbeza pada sekurang-kurangnya 5 forum bahasa Inggeris dan 2 forum bahasa Rusia, saya melihat satu trend yang menarik. Malangnya, saya tidak mempunyai masa untuk menyatakan dengan jelas corak ini dalam istilah diskursif bahasa saintifik popgenetik; semuanya masih pada tahap kenyataan awal. Tetapi mungkin, jika saya boleh merumuskan pemerhatian saya, ia akan turun dalam sejarah genetik populasi sebagai Undang-undang Verenich-Zaporozhchenko.
Pemerhatian saya adalah berdasarkan kajian interaksi antara tiga mitohaplogroup ringkasan Eropah utama (JT, HV, UK). Malangnya, mitohaplogroup Eropah I, W, X (serta mitogroup eksotik dan minor) disebabkan oleh ketakwakilan sampel tidak termasuk dalam bidang penyelidikan saya. Secara ringkas, pemerhatian ini bermuara kepada perkara-perkara berikut:
1) interaksi yang paling padat dan produktif diperhatikan antara wakil satu haplogroup gabungan (contohnya, antara wakil subklade J dan T yang berbeza). Mungkin fakta ini boleh dijelaskan oleh mekanisme evolusi yang menentukan pada peringkat genetik (biar saya ingatkan anda bahawa mitoDNA diwarisi secara ketat melalui garis ibu) lampiran seorang anak kepada ibunya pada usia awal. Clark-Stewart, dalam dirinya kajian tentang hubungan tiga pihak dalam banyak keluarga, mendapati bahawa pengaruh ibu terhadap anak adalah watak langsung, manakala bapa sering mempengaruhi bayi secara tidak langsung - melalui ibu (Clarke-Stewart K.A., 1978). Pengaruh ini kemudiannya diinterpolasi pada interaksi dengan wakil mitohaplogroup yang serupa (asas psikogenetik pengaruh ini masih belum dikenal pasti secara saintifik). Oleh itu, tidak menghairankan bahawa di kalangan rakan-rakan haplogroup mereka mendapati orang yang berfikiran sama yang paling boleh dipercayai
2) wakil JT dan HV adalah antipoda dalam hubungan antara satu sama lain - di antara mereka interaksi yang paling antagonis diperhatikan, sering membawa kepada konflik. Sebab-sebab antagonisme masih perlu dikaji
3) wakil-wakil mitogroup UK, sebagai peraturan, dicirikan oleh sikap neutral terhadap kedua-dua JT dan HV. Hubungan dengan kedua-dua kumpulan adalah seperti perniagaan semata-mata, mesra neutral.
Oleh kerana saya berminat dengan sebab-sebab pembahagian yang begitu jelas, saya meminta nasihat kepada Valery Zaporozhchenko, pakar terkemuka dunia dalam mtDNA (dia adalah pengarang salah satu program filogenetik MURKA yang paling berkesan, mempunyai koleksi mitohaplotaip peribadi terbesar di dunia. dan urutan genomik yang lengkap, dan merupakan pengarang bersama beberapa penerbitan utama mengenai mitoDNA).Valery memberikan jawapan yang agak luar biasa, tetapi jika anda memikirkannya, jawapan yang logik.Intipati jawapannya ialah pertentangan antara JT dan HV boleh dijelaskan oleh "memori genetik." Hakikatnya ialah haplogroup HV menembusi ke Eropah di suatu tempat pada giliran Mesolitik dan Neolitik melalui laluan utara.Selari dengan haplogroup ini, genus JT betina memasuki Eropah, tetapi laluan migrasi berjalan agak ke selatan. Kemungkinan besar, terdapat beberapa persaingan antara kedua-dua kumpulan (JT dan HV), kerana kedua-dua JT dan HV menduduki niche yang sama (petani Neolitik). KEPADADengan cara ini, introspeksi sejarah yang sama menerangkan neutraliti mitogroup UK berhubung dengan HV dan JT. Seperti yang diterima umum sekarang, UK (menjadi mitogroup tertua di Eropah) pada awal revolusi Neolitik dan kemunculan Neolitik yang disebutkan di atasKumpulan ini diwakili terutamanya di kalangan pemburu-pengumpul Mesolitik Eropah. Memandangkan mereka menduduki niche yang sama sekali berbeza, wakil UK tidak mempunyai apa-apa untuk dikongsi dengan HV dan JT.
Contoh terbaik konflik mito ialah konflik berusia 5 tahun antara dua minda cemerlang dalam genetik dan antropologi amatur - Dienek Pontikos (mitogroupnya T2) dan David "Polako" Veselovsky (mitogroupnya ditakrifkan sebagai H7). Ini bukan pengesahan potensi konflik interaksi antara mitogroup JT dan HV. Ini seperti eksperimen yang terkenal dengan 1 g serbuk besi atau serbuk dan 2 g kalium nitrat kering, sebelum ini dikisar dalam mortar. Sebaik sahaja mereka diletakkan bersebelahan, tindak balas ganas bermula dengan pelepasan percikan api, asap keperangan dan pemanasan yang kuat. Dalam kes ini, rupa campuran menyerupai lava merah panas. Apabila kalium nitrat bertindak balas dengan besi, kalium ferrat dan nitrogen monoksida gas terbentuk, yang, apabila teroksida di udara, menghasilkan gas perang - nitrogen dioksida. Jika sisa pepejal selepas tamat tindak balas diletakkan dalam segelas air masak sejuk, anda akan mendapat larutan kalium ferrat merah-ungu, yang terurai dalam beberapa minit.))
Apakah akibat praktikal daripada pemerhatian ini? Pada masa ini, salah satu cabang yang dipanggil konflikologi, yang dikaitkan dengan menilai keserasian individu dalam kumpulan, sedang berkembang pesat. Sememangnya, industri ini menerima ungkapan yang paling praktikal dalam menyelesaikan masalah praktikal (contohnya, pemutus atau pemilihan kakitangan). Sudah tentu, kakitangan yang diambil dinilai terutamanya berdasarkan pengetahuan profesional, kemahiran, kebolehan dan pengalaman kerja mereka. Tetapi faktor penting ialah menilai keserasian rekrut dengan pasukan dan pengurusan yang telah sedia ada. Penilaian a priori terhadap faktor ini adalah sukar, dan kini penilaian ini dibuat terutamanya dengan bantuan ujian psikologi, mengenai pembangunan dan ujian yang mana syarikat dan institusi besar (contohnya, NASA apabila memilih pasukan angkasawan) membelanjakan jumlah yang besar. wang. Walau bagaimanapun, kini, pada ambang perkembangan psikogenetik, ujian ini boleh digantikan dengan analisis keserasian yang ditentukan secara genetik.
Sebagai contoh, katakan bahawa kita mempunyai kumpulan pakar yang diambil yang memenuhi keperluan formal untuk pekerjaan dan mempunyai kecekapan yang sesuai. Terdapat satu pasukan di mana, katakan, ketiga-tiga kumpulan makro JT, HV hadirdan UK. Jika saya seorang pengurus, maka rekrut baharu akan ditugaskan kepada kumpulan orang tertentu berdasarkan tugasan yang diberikan:
1) Jika pelaksanaan tugas tertentu memerlukan kehadiran sekumpulan rapat orang yang berfikiran sama, maka pilihan terbaik adalah untuk mewujudkan sekumpulan orang yang tergolong dalam makrohaplogroup yang sama
2) Jika kumpulan sedang berusaha ke arah mencari penyelesaian baharu dan menggunakan kaedah seperti "percambahan fikiran" dalam kerjanya, adalah perlu untuk menempatkan rekrut ini dalam persekitaran antagonis (JT ke HV, dan sebaliknya)
3) Jika prinsip kerja kumpulan hanya berdasarkan hubungan perniagaan/formal, maka pengurusan harus memastikan kumpulan itu mempunyai bilangan wakil UK yang mencukupi yang akan bertindak sebagai penampan antara JT dan HV yang bercanggah.
Jika dikehendaki, prinsip yang sama boleh digunakan sebagai asas untuk pemilihan pasangan perkahwinan yang "bermotivasi secara saintifik". Sekurang-kurangnya, menilai keserasian pasangan (atau lebih tepatnya, menilai sifat keserasian) akan menjadi lebih munasabah daripada menilai keserasian dalam perkhidmatan temu janji moden, yang berdasarkan ujian psikologi primitif dan astrologi.K Ngomong-ngomong, satu-satunya perkhidmatan temu janji DNA komersial mengeksploitasi dengan ketat haplotaip kompleks histokompatibiliti. Logiknya ialah, seperti yang ditunjukkan oleh saintis, orang biasanya memilih pasangan dengan haplotaip HLA yang paling bertentangan.
Komponen genetik yang berbeza dalam populasi Norway didedahkan oleh analisis polimorfisme kromosom mtDNA & Y Haplogroup DNA mitokondria mempengaruhi perkembangan AIDS.
Pemilihan semula jadi berbentuk variasi mtDNA serantau pada manusia Ruiz-Pesini E, Lapeña AC, Díez-Sánchez C, et al. (September 2000). "Haplogroup mtDNA manusia yang dikaitkan dengan motilitas spermatozoa yang tinggi atau berkurangan." Am. J.Hum. Genet. 67(3):682–96. DOI:10.1086/303040. PMID 10936107.
Mitokondria: 30 Mitokondria haplogroup T dikaitkan dengan penyakit arteri koronari Pembawa haplotip DNA mitokondria 'T' kurang terdedah kepada diabetes « Blog Antropologi Mathilda
“Di tempat lain telah dilaporkan bahawa keahlian dalam haplogroup T mungkin menawarkan beberapa perlindungan terhadap Penyakit Alexander Belovzheimer (Chagnon et al. 1999; Herrnstadt et al. 2002) dan juga Penyakit Parkinson (Pyle et al. 2005), tetapi kata-kata amaran Pereira et al. mencadangkan bahawa kajian lanjut mungkin diperlukan sebelum mencapai kesimpulan yang kukuh."
Haplogroup DNA mitokondria mempengaruhi perkembangan AIDS.
Pemilihan semula jadi membentuk variasi mtDNA serantau pada manusia
Ruiz-Pesini E, Lapeña AC, Díez-Sánchez C, et al. (September 2000). "Haplogroup mtDNA manusia yang dikaitkan dengan motilitas spermatozoa yang tinggi atau berkurangan." Am. J.Hum. Genet. 67(3):682–96. DOI:10.1086/303040. PMID 10936107.
Mitokondria: 30 Mitokondria haplogroup T dikaitkan dengan penyakit arteri koronari
Pembawa DNA haplotype 'T' mitokondria kurang terdedah kepada diabetes « Blog Antropologi Mathilda
“Di tempat lain telah dilaporkan bahawa keahlian dalam haplogroup T mungkin menawarkan perlindungan terhadap
pengenalan
Satu perempat abad berlalu dari masa molekul DNA ditemui dalam mitokondria sebelum bukan sahaja ahli biologi molekul dan sitologi, tetapi juga ahli genetik, evolusionis, serta ahli paleontologi dan kriminologi menjadi berminat dengan mereka. Minat yang meluas itu dicetuskan oleh kerja A. Wilson dari University of California. Pada tahun 1987, beliau menerbitkan hasil analisis perbandingan DNA mitokondria yang diambil daripada 147 wakil kumpulan etnik berbeza semua kaum manusia yang mendiami lima benua. Berdasarkan jenis, lokasi dan bilangan mutasi individu, didapati bahawa semua DNA mitokondria timbul daripada satu urutan nukleotida nenek moyang melalui perbezaan. Dalam akhbar pseudo-saintifik, kesimpulan ini ditafsirkan dengan cara yang sangat mudah - semua manusia berasal dari seorang wanita, yang dipanggil Hawa mitokondria (kerana kedua-dua anak perempuan dan anak lelaki menerima mitokondria hanya dari ibu mereka), yang tinggal di Afrika Timur Laut kira-kira 200 ribu tahun dahulu. Satu lagi 10 tahun kemudian, adalah mungkin untuk menguraikan serpihan DNA mitokondria yang diasingkan daripada sisa Neanderthal, dan menganggarkan kewujudan nenek moyang terakhir manusia dan Neanderthal pada 500 ribu tahun yang lalu.
Hari ini, genetik mitokondria manusia sedang berkembang secara intensif dalam aspek populasi dan perubatan. Hubungan telah diwujudkan antara beberapa penyakit keturunan yang teruk dan kecacatan dalam DNA mitokondria. Perubahan genetik yang berkaitan dengan penuaan paling ketara dalam mitokondria. Apakah genom mitokondria yang berbeza pada manusia dan haiwan lain daripada tumbuhan, kulat dan protozoa dalam saiz, bentuk dan kapasiti genetik? Apakah peranan, bagaimana ia berfungsi, dan bagaimana genom mitokondria timbul dalam taksa yang berbeza secara umum dan pada manusia khususnya? Ini akan dibincangkan dalam esei "kecil dan paling sederhana" saya.
Sebagai tambahan kepada DNA, matriks mitokondria juga mengandungi ribosomnya sendiri, yang berbeza dalam banyak ciri daripada ribosom eukariotik yang terletak pada membran retikulum endoplasma. Walau bagaimanapun, tidak lebih daripada 5% daripada semua protein yang termasuk dalam komposisi mereka terbentuk pada ribosom mitokondria. Kebanyakan protein yang membentuk komponen struktur dan fungsi mitokondria dikodkan oleh genom nuklear, disintesis pada ribosom retikulum endoplasma dan diangkut melalui salurannya ke tapak pemasangan. Oleh itu, mitokondria adalah hasil daripada usaha gabungan dua genom dan dua alat transkripsi dan terjemahan. Sesetengah enzim subunit rantai pernafasan mitokondria terdiri daripada polipeptida yang berbeza, beberapa daripadanya dikodkan oleh genom nuklear, dan sebahagian lagi oleh genom mitokondria. Sebagai contoh, enzim utama fosforilasi oksidatif, cytochrome c oxidase dalam yis, terdiri daripada tiga subunit yang dikodkan dan disintesis dalam mitokondria, dan empat subunit yang dikodkan dalam nukleus sel dan disintesis dalam sitoplasma. Ekspresi kebanyakan gen mitokondria dikawal oleh gen nuklear tertentu.
Teori simbiotik asal usul mitokondria
Hipotesis tentang asal usul mitokondria dan plastid tumbuhan daripada bakteria endosimbion intraselular telah dinyatakan oleh R. Altman pada tahun 1890. Sepanjang abad perkembangan pesat biokimia, sitologi, genetik dan biologi molekul, yang muncul setengah abad yang lalu, hipotesis telah berkembang menjadi teori berdasarkan sejumlah besar bahan fakta . Intipatinya ialah: dengan kemunculan bakteria fotosintesis, oksigen terkumpul di atmosfera Bumi - hasil sampingan metabolisme mereka. Apabila kepekatannya meningkat, kehidupan heterotrof anaerobik menjadi lebih rumit, dan sebahagian daripada mereka bertukar daripada penapaian bebas oksigen kepada fosforilasi oksidatif untuk mendapatkan tenaga. Heterotrof aerobik sedemikian boleh, dengan kecekapan yang lebih besar daripada bakteria anaerobik, memecahkan bahan organik yang terbentuk hasil fotosintesis. Beberapa aerob yang hidup bebas ditangkap oleh anaerobes, tetapi tidak "dicerna", tetapi disimpan sebagai stesen tenaga, mitokondria. Mitokondria tidak boleh dilihat sebagai hamba, ditawan untuk membekalkan molekul ATP kepada sel yang tidak mampu bernafas. Mereka agak "makhluk" yang, pada zaman Proterozoik, mendapati untuk diri mereka sendiri dan anak-anak mereka tempat perlindungan terbaik, di mana mereka boleh menghabiskan sedikit usaha tanpa menghadapi risiko dimakan.
Banyak fakta bercakap menyokong teori simbiotik:
Saiz dan bentuk mitokondria dan bakteria aerobik yang hidup bebas bertepatan; kedua-duanya mengandungi molekul DNA bulat yang tidak dikaitkan dengan histon (tidak seperti DNA nuklear linear);
Dari segi jujukan nukleotida, RNA ribosom dan pemindahan mitokondria berbeza daripada nuklear, sambil menunjukkan persamaan yang mengejutkan dengan molekul serupa bagi beberapa eubacteria gram-negatif aerobik;
Polimerase RNA mitokondria, walaupun dikodkan dalam nukleus sel, dihalang oleh rifampisin, seperti bakteria, dan polimerase RNA eukariotik tidak sensitif terhadap antibiotik ini;
Sintesis protein dalam mitokondria dan bakteria ditindas oleh antibiotik yang sama yang tidak menjejaskan ribosom eukariota;
Komposisi lipid membran dalam mitokondria dan plasmalemma bakteria adalah serupa, tetapi sangat berbeza daripada membran luar mitokondria, yang homolog dengan membran lain sel eukariotik;
Krista yang dibentuk oleh membran mitokondria dalam adalah analog evolusi membran mesosomal banyak prokariot;
Masih terdapat organisma yang meniru bentuk perantaraan dalam perjalanan ke pembentukan mitokondria daripada bakteria (amuba primitif Pelomyxa tidak mempunyai mitokondria, tetapi sentiasa mengandungi bakteria endosimbiotik).
Terdapat idea bahawa kerajaan eukariota yang berbeza mempunyai nenek moyang yang berbeza dan endosimbiosis bakteria timbul pada peringkat yang berbeza dalam evolusi organisma hidup. Ini juga dibuktikan dengan perbezaan dalam struktur genom mitokondria protozoa, kulat, tumbuhan dan haiwan yang lebih tinggi. Tetapi dalam semua kes, bahagian utama gen dari promitochondria memasuki nukleus, mungkin dengan bantuan unsur genetik mudah alih. Apabila sebahagian daripada genom salah satu simbion dimasukkan ke dalam genom yang lain, penyepaduan simbion menjadi tidak dapat dipulihkan. Genom baharu boleh mencipta laluan metabolik yang membawa kepada pembentukan produk berguna yang tidak boleh disintesis oleh mana-mana pasangan secara individu. Oleh itu, sintesis hormon steroid oleh sel korteks adrenal adalah rantaian tindak balas yang kompleks, beberapa daripadanya berlaku dalam mitokondria, dan beberapa dalam retikulum endoplasma. Dengan menangkap gen promitokondria, nukleus dapat mengawal fungsi symbiont dengan pasti. Dalam nukleus, semua protein dan sintesis lipid membran luar mitokondria, kebanyakan protein matriks dan membran dalam organel dikodkan. Paling penting, nukleus mengekod enzim untuk replikasi, transkripsi dan terjemahan mtDNA, dengan itu mengawal pertumbuhan dan pembiakan mitokondria. Kadar pertumbuhan rakan kongsi simbiosis sepatutnya lebih kurang sama. Jika tuan rumah berkembang lebih cepat, maka dengan setiap generasi bilangan simbion setiap individu akan berkurangan, dan, akhirnya, keturunan tanpa mitokondria akan muncul. Kita tahu bahawa setiap sel organisma yang membiak secara seksual mengandungi banyak mitokondria yang mereplikasi DNA mereka di antara bahagian perumah. Ini memastikan setiap sel anak perempuan menerima sekurang-kurangnya satu salinan genom mitokondria.
Peranan nukleus sel dalam biogenesis mitokondria
Sejenis yis mutan tertentu mempunyai penghapusan besar dalam DNA mitokondria, yang membawa kepada pemberhentian lengkap sintesis protein dalam mitokondria; akibatnya, organel ini tidak dapat melaksanakan fungsinya. Oleh kerana mutan tersebut membentuk koloni kecil apabila tumbuh pada medium rendah glukosa, mereka dipanggil sitoplasma mutantamikecil molek.
Walaupun mutan kecil tidak mempunyai sintesis protein mitokondria dan oleh itu tidak membentuk mitokondria normal, mutan tersebut tetap mengandungi promitokondria, yang pada tahap tertentu serupa dengan mitokondria biasa, mempunyai membran luar biasa dan membran dalam dengan krista yang kurang berkembang. Promitochondria mengandungi banyak enzim yang dikodkan oleh gen nuklear dan disintesis pada ribosom sitoplasma, termasuk polimerase DNA dan RNA, semua enzim kitaran asid sitrik dan banyak protein yang membentuk membran dalam. Ini jelas menunjukkan peranan utama genom nuklear dalam biogenesis mitokondria.
Adalah menarik untuk diperhatikan bahawa walaupun serpihan DNA yang hilang menyumbang 20 hingga lebih daripada 99.9% daripada genom mitokondria, jumlah keseluruhan DNA mitokondria dalam mutan kecil sentiasa kekal pada tahap yang sama seperti dalam jenis liar. Ini disebabkan oleh proses penguatan DNA yang masih sedikit dikaji, akibatnya molekul DNA terbentuk, yang terdiri daripada ulangan tandem bahagian yang sama dan sama saiz dengan molekul biasa. Sebagai contoh, DNA mitokondria mutan kecil yang mengekalkan 50% daripada urutan nukleotida DNA jenis liar akan terdiri daripada dua ulangan, manakala molekul yang mengekalkan hanya 0,1% genom jenis liar akan dibina daripada 1000 salinan serpihan yang tinggal. Oleh itu, mutan kecil boleh digunakan untuk mendapatkan bahagian tertentu DNA mitokondria dalam kuantiti yang banyak, yang boleh dikatakan diklon oleh alam semula jadi itu sendiri.
Walaupun biogenesis organel dikawal terutamanya oleh gen nuklear, organel itu sendiri, menurut beberapa data, juga mempunyai beberapa jenis pengaruh pengawalseliaan pada prinsip maklum balas; sekurang-kurangnya ini adalah kes dengan mitokondria. Jika sintesis protein disekat dalam mitokondria sel utuh, maka enzim yang terlibat dalam sintesis mitokondria DNA, RNA dan protein mula terbentuk secara berlebihan dalam sitoplasma, seolah-olah sel cuba mengatasi kesan agen penyekat. Tetapi, walaupun kewujudan beberapa isyarat daripada mitokondria tidak diragui, sifatnya masih tidak diketahui.
Untuk beberapa sebab, mekanisme biogenesis mitokondria kini dikaji dalam kebanyakan kes dalam budaya Saccharomyces carlsbergensis(yis pembuat bir dan S. cerevisiae(yis pembuat roti). Pertama, apabila tumbuh pada glukosa, yis ini mempamerkan keupayaan unik untuk wujud hanya melalui glikolisis, iaitu, untuk melakukan tanpa fungsi mitokondria. Ini memungkinkan untuk mengkaji mutasi dalam mitokondria dan DNA nuklear yang mengganggu perkembangan organel ini. Mutasi sedemikian boleh membawa maut pada hampir semua organisma lain. Kedua, yis - eukariota sel tunggal mudah - mudah ditanam dan dikaji secara biokimia. Akhirnya, yis boleh membiak dalam kedua-dua fasa haploid dan diploid, biasanya dengan tunas aseksual (mitosis asimetrik). Tetapi dalam yis, proses seksual juga berlaku: dari semasa ke semasa, dua sel haploid bergabung untuk membentuk zigot diploid, yang kemudiannya sama ada membahagi dengan mitosis atau mengalami meiosis dan sekali lagi menghasilkan sel haploid. Dengan mengawal seli pembiakan aseksual dan seksual secara eksperimen, seseorang boleh belajar banyak tentang gen yang bertanggungjawab untuk fungsi mitokondria. Menggunakan kaedah ini, adalah mungkin, khususnya, untuk mengetahui sama ada gen tersebut disetempatkan dalam DNA nuklear atau dalam DNA mitokondria, kerana mutasi gen mitokondria tidak diwarisi mengikut undang-undang Mendel, yang mengawal pewarisan gen nuklear.
Sistem pengangkutan mitokondria
Kebanyakan protein yang terkandung dalam mitokondria dan kloroplas diimport ke dalam organel ini daripada sitosol. Ini menimbulkan dua persoalan: bagaimana sel mengarahkan protein ke organel yang betul, dan bagaimanakah protein ini memasuki sel?
Jawapan separa diperoleh dengan mengkaji pengangkutan subunit kecil (S) enzim ke dalam stroma kloroplas. ribulosa-1,5-bifosfat-karboksilurang. Jika mRNA diasingkan daripada sitoplasma alga unisel Chlamydomonas atau daripada daun kacang, diperkenalkan sebagai matriks ke dalam sistem sintesis protein secara in vitro, maka salah satu daripada banyak protein yang terhasil akan diikat oleh antibodi anti-S tertentu. Protein S yang disintesis secara in vitro dipanggil ppo-S kerana ia adalah lebih kurang 50 sisa asid amino lebih besar daripada protein S biasa. Apabila protein pro-S diinkubasi dengan kloroplas utuh, ia menembusi ke dalam organel dan ditukar di sana oleh peptidase ke dalam protein S. Kemudian protein S mengikat kepada subunit besar ribulosa-1,5-bifosfat karboksilase, disintesis pada ribosom kloroplas, dan membentuk enzim aktif dengannya dalam stroma kloroplas.
Mekanisme pemindahan protein S tidak diketahui. Adalah dipercayai bahawa pro-S mengikat kepada protein reseptor yang terletak pada membran luar kloroplas atau di persimpangan membran luar dan dalam, dan kemudian dipindahkan ke dalam stroma melalui saluran transmembran hasil daripada proses yang memerlukan tenaga. perbelanjaan.
Pengangkutan protein ke dalam mitokondria berlaku dengan cara yang sama. Jika mitokondria yis tulen diinkubasi dengan ekstrak sel yang mengandungi protein yis radioaktif yang baru disintesis, boleh diperhatikan bahawa protein mitokondria yang dikodkan oleh genom nuklear dipisahkan daripada protein bukan mitokondria dalam sitoplasma dan secara terpilih dimasukkan ke dalam mitokondria - seperti yang berlaku dalam sel utuh. Dalam kes ini, protein membran luar dan dalam, matriks dan ruang antara membran mencari jalan ke petak sepadan mitokondria.
Banyak daripada protein yang baru disintesis yang ditujukan untuk membran dalam, matriks dan ruang antara membran mempunyai peptida pemimpin pada terminal-N mereka, yang terputus semasa pengangkutan oleh protease khusus yang terletak dalam matriks. Pengangkutan protein ke dalam tiga petak mitokondria ini memerlukan tenaga kecerunan proton elektrokimia yang dicipta pada membran dalam. Mekanisme pemindahan protein untuk membran luar adalah berbeza: dalam kes ini, tiada tenaga mahupun belahan proteolitik bagi protein prekursor yang lebih panjang diperlukan. Pemerhatian ini dan lain-lain mencadangkan bahawa keempat-empat kumpulan protein mitokondria diangkut ke dalam organel melalui mekanisme berikut: diandaikan bahawa semua protein, kecuali yang ditakdirkan untuk membran luar, dimasukkan ke dalam membran dalam sebagai hasil daripada proses yang memerlukan perbelanjaan tenaga dan berlaku di tempat sentuhan antara membran luar dan dalam. Nampaknya, selepas penggabungan awal protein ini ke dalam membran, ia mengalami pembelahan proteolitik, yang membawa kepada perubahan dalam bentuknya; bergantung pada bagaimana perubahan konformasi, protein sama ada berlabuh dalam membran atau "ditolak" ke dalam matriks atau ke dalam ruang antara membran.
Pemindahan protein merentasi membran mitokondria dan kloroplas, pada dasarnya, serupa dengan pemindahannya melalui membran retikulum endoplasma. Walau bagaimanapun, terdapat beberapa perbezaan penting. Pertama, apabila diangkut ke dalam matriks atau stroma, protein melalui kedua-dua membran luar dan dalam organel, manakala apabila diangkut ke dalam lumen retikulum endoplasma, molekul melalui hanya satu membran. Di samping itu, pemindahan protein ke dalam retikulum dilakukan menggunakan mekanisme keluaran yang disasarkan(vectorial discharge) - ia bermula apabila protein belum keluar sepenuhnya dari ribosom (import terjemahan bersama), dan pemindahan ke mitokondria dan kloroplas berlaku selepas sintesis molekul protein selesai sepenuhnya (import selepas terjemahan).
Walaupun terdapat perbezaan ini, dalam kedua-dua kes sel mensintesis protein prekursor yang mengandungi urutan isyarat yang menentukan membran mana protein diarahkan. Nampaknya, dalam banyak kes jujukan ini dipecahkan daripada molekul prekursor selepas selesai proses pengangkutan. Walau bagaimanapun, sesetengah protein segera disintesis dalam bentuk terakhirnya. Adalah dipercayai bahawa dalam kes sedemikian urutan isyarat terkandung dalam rantai polipeptida protein siap. Urutan isyarat masih kurang difahami, tetapi mungkin terdapat beberapa jenis jujukan sedemikian, yang setiap satunya menentukan pemindahan molekul protein ke kawasan tertentu sel. Contohnya, dalam sel tumbuhan, beberapa protein, yang sintesisnya bermula dalam sitosol, kemudian diangkut ke mitokondria, yang lain ke kloroplas, yang lain ke peroksisom, dan yang lain ke retikulum endoplasma. Proses kompleks yang membawa kepada pengedaran protein intraselular yang betul kini baru difahami.
Selain asid nukleik dan protein, lipid diperlukan untuk membina mitokondria baru. Tidak seperti kloroplas, mitokondria memperoleh kebanyakan lipidnya dari luar. Dalam sel haiwan, fosfolipid yang disintesis dalam retikulum endoplasma diangkut ke membran luar mitokondria menggunakan protein khas dan kemudian dimasukkan ke dalam membran dalam; ini dipercayai berlaku pada titik sentuhan antara dua membran. Reaksi utama biosintesis lipid, yang dimangkinkan oleh mitokondria sendiri, ialah penukaran asid fosfatidik kepada kardiolipin fosfolipid, yang terdapat terutamanya dalam membran mitokondria dalam dan menyumbang kira-kira 20% daripada semua lipidnya.
Saiz dan bentuk genom mitokondria
Sehingga kini, lebih daripada 100 genom mitokondria yang berbeza telah dibaca. Set dan bilangan gen mereka dalam DNA mitokondria, yang mana jujukan nukleotida ditentukan sepenuhnya, sangat berbeza antara spesies haiwan, tumbuhan, kulat dan protozoa yang berbeza. Bilangan gen terbesar ditemui dalam genom mitokondria protozoa berbendera Rectinomo-nas americana- 97 gen, termasuk semua gen pengekodan protein yang terdapat dalam mtDNA organisma lain. Dalam kebanyakan haiwan yang lebih tinggi, genom mitokondria mengandungi 37 gen: 13 untuk protein rantai pernafasan, 22 untuk tRNA dan dua untuk rRNA (untuk subunit ribosom besar 16S rRNA dan untuk rRNA 12S kecil). Dalam tumbuhan dan protozoa, tidak seperti haiwan dan kebanyakan kulat, genom mitokondria juga mengekod beberapa protein yang membentuk ribosom organel ini. Enzim utama sintesis polinukleotida templat, seperti polimerase DNA (mereplikasi DNA mitokondria) dan polimerase RNA (mentranskripsi genom mitokondria), disulitkan dalam nukleus dan disintesis pada ribosom dalam sitoplasma. Fakta ini menunjukkan relativiti autonomi mitokondria dalam hierarki kompleks sel eukariotik.
Genom mitokondria spesies berbeza berbeza bukan sahaja dalam set gen, susunan lokasi dan ekspresi mereka, tetapi dalam saiz dan bentuk DNA. Sebilangan besar genom mitokondria yang diterangkan hari ini adalah molekul DNA untai berganda supergegelung bulat. Dalam sesetengah tumbuhan, bersama-sama dengan bentuk bulat, terdapat juga yang linear, dan dalam beberapa protozoa, seperti ciliates, hanya DNA linear ditemui dalam mitokondria.
Sebagai peraturan, setiap mitokondria mengandungi beberapa salinan genomnya. Oleh itu, dalam sel hati manusia terdapat kira-kira 2 ribu mitokondria, dan setiap satunya mengandungi 10 genom yang sama. Dalam fibroblas tikus terdapat 500 mitokondria yang mengandungi dua genom, dan dalam sel yis S. cerevisiae- sehingga 22 mitokondria, setiap satu mempunyai empat genom.
https://pandia.ru/text/78/545/images/image002_21.jpg" align="left" width="386 height=225" height="225"> Rajah 2. Skim pembentukan oligomer mtDNA linear (A), bulat (B), rantai (C). ori ialah kawasan di mana replikasi DNA bermula.
Saiz genom mitokondria organisma berbeza berkisar antara kurang daripada 6 ribu pasangan nukleotida dalam plasmodium falciparum (sebagai tambahan kepada dua gen rRNA, ia mengandungi hanya tiga gen pengekodan protein) hingga ratusan ribu pasangan nukleotida dalam tumbuhan darat (untuk contoh, Arabidopsis thaliana daripada keluarga cruciferous 366924 pasangan nukleotida). Selain itu, perbezaan 7-8 kali ganda dalam saiz mtDNA tumbuhan yang lebih tinggi didapati walaupun dalam keluarga yang sama. Panjang mtDNA vertebrata berbeza sedikit: pada manusia - 16569 pasangan nukleotida, pada babi - 16350, pada ikan lumba-lumba - 16330, pada katak cakar Xenopus laevis- 17533, dalam karp - 16400. Genom ini juga serupa dalam penyetempatan gen, kebanyakannya terletak hujung ke hujung; dalam sesetengah kes, mereka malah bertindih, biasanya oleh satu nukleotida, supaya nukleotida terakhir satu gen adalah yang pertama dalam seterusnya. Tidak seperti vertebrata, tumbuhan, kulat dan protozoa mengandungi sehingga 80% urutan bukan pengekodan. Susunan gen dalam genom mitokondria berbeza antara spesies.
Kepekatan tinggi spesies oksigen reaktif dalam mitokondria dan sistem pembaikan yang lemah meningkatkan kekerapan mutasi mtDNA dengan susunan magnitud berbanding DNA nuklear. Radikal oksigen menyebabkan penggantian khusus C®T (deaminasi sitosin) dan G®T (kerosakan oksidatif kepada guanin), akibatnya mtDNA mungkin kaya dengan pasangan AT. Di samping itu, semua mtDNA mempunyai sifat yang menarik - mereka tidak metilasi, tidak seperti DNA nuklear dan prokariotik. Adalah diketahui bahawa metilasi (pengubahsuaian kimia sementara bagi jujukan nukleotida tanpa mengganggu fungsi pengekodan DNA) adalah salah satu mekanisme penyahaktifan gen yang diprogramkan.
Saiz dan struktur molekul DNA dalam organel
Struktur | Berat, juta dalton | Nota |
||
|
ohon Dria | Haiwan | cincin | Setiap spesies individu mempunyai semua molekul dengan saiz yang sama |
|
Ra lebih tinggi sthenia | cincin | Berbeza-beza | Semua spesies yang dikaji mempunyai DNA bulat dengan saiz yang berbeza, di mana jumlah kandungan maklumat genetik sepadan dengan jisim 300 hingga 1000 juta dalton, bergantung kepada spesies |
|
cendawan: Protozoa | cincin cincin cincin Linear | |||
|
Klorin bayaran stov | Rumpai laut | cincin cincin | ||
Lebih tinggi tumbuhan | cincin | Dalam setiap spesies individu, molekul hanya satu ditemui |
Jumlah relatif organel DNA dalam beberapa sel dan tisu
organisma | Fabrik atau jenis sel | Bilangan mol-l DNA/organ- | Bilangan organ- masuk sangkar | Bahagian organel DNA dalam keseluruhannya DNA sel, % |
|
|
ohon Dria | |||||
Sel baris L | |||||
Telur | |||||
|
Klorin bayaran stov | Sel diploid vegetatif | ||||
jagung |
Fungsi genom mitokondria
Apakah yang istimewa tentang mekanisme replikasi DNA dan transkripsi mitokondria mamalia?
Pelengkap" href="/text/category/komplementarij/" rel="bookmark">Rantai pelengkap dalam mtDNA berbeza dengan ketara dalam ketumpatan tertentu, kerana ia mengandungi jumlah purin "berat" dan nukleotida pirimidin "ringan" yang tidak sama. Itulah ciri-cirinya dipanggil. - rantai H (berat - berat) dan L (ringan - ringan). Pada permulaan replikasi molekul mtDNA, gelung D yang dipanggil terbentuk (dari gelung Anjakan Bahasa Inggeris). Struktur ini, boleh dilihat dalam mikroskop elektron, terdiri daripada bahagian beruntai dua dan beruntai tunggal (bahagian rantai H yang ditarik balik). Bahagian beruntai dua dibentuk oleh sebahagian daripada rantaian L dan serpihan DNA yang disintesis baru pelengkap. dengan panjang 450-650 (bergantung kepada jenis organisma) nukleotida, mempunyai 5"- hujung primer ribonukleotida, yang sepadan dengan titik permulaan sintesis rantai-H (oriH). Sintesis rantaian L bermula hanya apabila rantaian H anak perempuan mencapai titik ori L. Ini disebabkan oleh fakta bahawa kawasan permulaan replikasi rantaian L boleh diakses oleh enzim sintesis DNA hanya dalam untaian tunggal. keadaan, dan oleh itu, hanya dalam heliks berganda keadaan tidak berjalin semasa sintesis rantai-H. Oleh itu, helai anak perempuan mtDNA disintesis secara berterusan dan tidak segerak (Rajah 3).
Rajah 3. Skim replikasi mtDNA mamalia. Mula-mula, gelung D terbentuk, kemudian rantai H anak perempuan disintesis, kemudian sintesis rantai L anak perempuan bermula.
Penghujung gen 16S rRNA (Rajah 4). Terdapat 10 kali lebih banyak transkrip pendek daripada yang panjang. Hasil daripada pematangan (pemprosesan), mereka membentuk 12S rRNA dan 16S rRNA, yang terlibat dalam pembentukan ribosom mitokondria, serta fenilalanin dan tRNA valine. Baki tRNA dikeluarkan daripada transkrip panjang dan mRNA yang diterjemahkan terbentuk, pada 3" hujung yang jujukan polyadenyl dilampirkan. Hujung 5" mRNA ini tidak dihadkan, yang luar biasa untuk eukariota. Penyambungan (gabungan) tidak berlaku, kerana tiada satu pun daripada gen mitokondria mamalia mengandungi intron.
Rajah 4. Transkripsi mtDNA manusia yang mengandungi 37 gen. Semua transkrip mula disintesis di rantau ori H. RNA ribosom dikeluarkan daripada transkrip untaian H panjang dan pendek. tRNA dan mRNA terbentuk hasil daripada pemprosesan daripada transkrip kedua-dua helai DNA. Gen tRNA ditunjukkan dalam warna hijau muda.
Adakah anda ingin tahu apakah kejutan lain yang boleh diberikan oleh genom mitokondria? Hebat! Teruskan membaca!..
Pemimpin dan kawasan bukan pengekodan 3", seperti kebanyakan mRNA nuklear. Sebilangan gen juga mengandungi intron. Oleh itu, dalam pengekodan gen kotak cytochrome oxidase b, terdapat dua intron. Dari transkrip RNA primer, secara autokatalitik (tanpa penyertaan mana-mana atau protein) salinan kebanyakan intron pertama dipotong. RNA yang selebihnya berfungsi sebagai templat untuk pembentukan enzim maturase, yang terlibat dalam penyambungan. Sebahagian daripada urutan asid aminonya dikodkan dalam salinan yang tinggal. daripada intron. Maturase memotongnya, memusnahkan mRNAnya sendiri, salinan ekson dicantum bersama, dan mRNA untuk cytochrome oxidase b terbentuk (Rajah 5). Penemuan fenomena ini memaksa kita untuk mempertimbangkan semula idea intron sebagai "jujukan bukan pengekodan."
Rajah 5. Pemprosesan (pematangan) mRNA cytochrome oxidase b dalam mitokondria yis. Pada peringkat pertama splicing, mRNA terbentuk, yang mensintesis maturase, yang diperlukan untuk tahap kedua splicing.
Apabila mengkaji ekspresi gen mitokondria Trypanosoma brucei sisihan yang mengejutkan telah ditemui daripada salah satu aksiom asas biologi molekul, yang menyatakan bahawa jujukan nukleotida dalam mRNA betul-betul sepadan dengan yang di kawasan pengekodan DNA. Ternyata mRNA salah satu subunit cytochrome c oxidase diedit, iaitu, selepas transkripsi, struktur utamanya berubah - empat urasil dimasukkan. Akibatnya, mRNA baru terbentuk, yang berfungsi sebagai matriks untuk sintesis subunit tambahan enzim, urutan asid amino yang tidak mempunyai persamaan dengan urutan virus, kulat, tumbuhan dan haiwan. penyelidik Burrell membandingkan struktur salah satu gen mitokondria anak lembu dengan urutan asid amino dalam subunit cytochrome oxidase yang dikodkan oleh gen ini. Ternyata kod genetik mitokondria dalam lembu (dan juga pada manusia) bukan sahaja berbeza daripada yang universal, ia adalah "ideal", iaitu, ia mematuhi peraturan berikut: "jika dua kodon mempunyai dua nukleotida yang sama, dan nukleotida ketiga tergolong dalam kelas yang sama (purine - A, G, atau pirimidin - U, C), kemudian mereka kod untuk asid amino yang sama.” Dalam kod universal terdapat dua pengecualian kepada peraturan ini: kod AUA triplet untuk isoleucine, dan kodon AUG untuk metionin, manakala dalam kod mitokondria ideal kedua-dua kod triplet ini. untuk metionin; Triplet UGG mengekod hanya tryptophan, dan triplet UGA mengekod kodon hentian. Dalam kod universal, kedua-dua sisihan berkenaan dengan aspek asas sintesis protein: kodon AUG ialah kodon permulaan, dan kodon hentikan UGA menghentikan sintesis polipeptida. Kod ideal tidak wujud dalam semua mitokondria yang diterangkan, tetapi tidak satu pun daripada mereka mempunyai kod universal. Kita boleh mengatakan bahawa mitokondria bercakap bahasa yang berbeza, tetapi tidak pernah bahasa nukleus.
Perbezaan antara kod genetik "universal" dan dua kod mitokondria
kodon | Mitokondria kod mamalia | Mitokondria kod yis | “ Sejagat” |
Seperti yang telah disebutkan, terdapat 22 gen tRNA dalam genom mitokondria vertebrata. Bagaimanakah set yang tidak lengkap sedemikian berfungsi untuk semua 60 kodon untuk asid amino (dalam kod ideal 64 triplet terdapat empat kodon hentian, dalam kod universal terdapat tiga)? Hakikatnya ialah semasa sintesis protein dalam mitokondria, interaksi kodon-antikodon dipermudahkan - dua daripada tiga nukleotida antikodon digunakan untuk pengiktirafan. Oleh itu, satu tRNA mengenali keempat-empat ahli keluarga kodon, hanya berbeza dalam nukleotida ketiga. Contohnya, tRNA leucine dengan antikodon GAU berdiri di atas ribosom bertentangan dengan kodon TsU, TsUC, TsUA dan Tsug, memastikan penggabungan leucine yang tidak dapat disangkal ke dalam rantai polipeptida. Dua kodon leucine lain, UUA dan UUG, diiktiraf oleh tRNA dengan antikodon AAU. Secara keseluruhan, lapan molekul tRNA yang berbeza mengiktiraf lapan keluarga empat kodon setiap satu, dan 14 tRNA mengiktiraf pasangan kodon yang berbeza, setiap satu mengekodkan satu asid amino.
Adalah penting bahawa enzim sintetase aminoacyl-tRNA, yang bertanggungjawab untuk penambahan asid amino kepada tRNA mitokondria yang sepadan, dikodkan dalam nukleus sel dan disintesis pada ribosom retikulum endoplasma. Oleh itu, dalam vertebrata, semua komponen protein sintesis polipeptida mitokondria disulitkan dalam nukleus. Dalam kes ini, sintesis protein dalam mitokondria tidak ditindas oleh sikloheximide, yang menghalang kerja ribosom eukariotik, tetapi sensitif terhadap antibiotik erythromycin dan chloramphenicol, yang menghalang sintesis protein dalam bakteria. Fakta ini berfungsi sebagai salah satu hujah yang menyokong asal usul mitokondria daripada bakteria aerobik semasa pembentukan simbiotik sel eukariotik.
Kepentingan mempunyai sistem genetik anda sendiri untuk mitokondria
Mengapa mitokondria memerlukan sistem genetik mereka sendiri, manakala organel lain, seperti peroksisom dan lisosom, tidak? Isu ini sama sekali tidak remeh, kerana mengekalkan sistem genetik yang berasingan adalah mahal untuk sel, memandangkan bilangan gen tambahan yang diperlukan dalam genom nuklear. Protein ribosom, sintetase aminoacyl-tRNA, DNA dan polimerase RNA, pemprosesan RNA dan enzim pengubahsuaian, dsb. hendaklah dikodkan di sini. Kebanyakan protein yang dikaji daripada mitokondria berbeza dalam urutan asid amino daripada rakan sejawatannya dari bahagian lain sel, dan di sana adalah sebab untuk mempercayai bahawa dalam organ ini terdapat sangat sedikit protein yang boleh ditemui di tempat lain. Ini bermakna hanya untuk mengekalkan sistem genetik mitokondria, genom nuklear mesti mengandungi beberapa dozen gen tambahan. Sebab-sebab "pembaziran" ini tidak jelas, dan harapan bahawa jawapan akan ditemui dalam urutan nukleotida DNA mitokondria tidak menjadi kenyataan. Sukar untuk membayangkan mengapa protein yang terbentuk dalam mitokondria semestinya disintesis di sana, dan bukan dalam sitosol.
Biasanya, kewujudan sistem genetik dalam organel tenaga dijelaskan oleh fakta bahawa beberapa protein yang disintesis di dalam organel terlalu hidrofobik untuk melalui membran mitokondria dari luar. Walau bagaimanapun, kajian tentang kompleks ATP synthetase telah menunjukkan bahawa penjelasan sedemikian adalah tidak masuk akal. Walaupun subunit protein individu ATP synthetase sangat terpelihara semasa evolusi, tapak sintesisnya berubah. Dalam kloroplas, beberapa protein yang agak hidrofilik, termasuk empat daripada lima subunit bahagian F1-ATPase kompleks, dihasilkan pada ribosom dalam organel. Sebaliknya, cendawan Neurospora dan dalam sel haiwan, komponen yang sangat hidrofobik (subunit 9) bahagian membran ATPase disintesis pada ribosom sitoplasma dan hanya selepas itu masuk ke dalam organel. Penyetempatan gen yang berbeza mengekod subunit protein setara secara fungsi dalam organisma yang berbeza adalah sukar untuk dijelaskan menggunakan sebarang hipotesis yang mempostulatkan kelebihan evolusi tertentu sistem genetik moden mitokondria dan kloroplas.
Memandangkan semua perkara di atas, kita hanya boleh menganggap bahawa sistem genetik mitokondria mewakili jalan buntu evolusi. Dalam rangka kerja hipotesis endosimbiotik, ini bermakna proses pemindahan gen endosimbion ke dalam genom nuklear perumah berhenti sebelum ia selesai sepenuhnya.
Warisan sitoplasma
Akibat pemindahan gen sitoplasma untuk sesetengah haiwan, termasuk manusia, adalah lebih serius daripada yis. Dua sel yis haploid yang bergabung adalah saiz yang sama dan menyumbang jumlah DNA mitokondria yang sama kepada zigot yang terhasil. Oleh itu, dalam yis, genom mitokondria diwarisi daripada kedua ibu bapa, yang menyumbang sama kepada kumpulan gen anak-anak (walaupun, selepas beberapa generasi berasingan keturunan selalunya akan mengandungi mitokondria hanya satu daripada jenis induk). Sebaliknya, pada haiwan yang lebih tinggi, telur menyumbang lebih banyak sitoplasma kepada zigot daripada sperma, dan dalam sesetengah haiwan sperma mungkin tidak menyumbang sitoplasma sama sekali. Oleh itu, seseorang boleh berfikir bahawa dalam haiwan yang lebih tinggi genom mitokondria akan dihantar hanya daripada satu induk (iaitu melalui ibu baris); dan sememangnya, ini telah disahkan oleh eksperimen. Ternyata, sebagai contoh, apabila menyeberang tikus dua strain makmal dengan DNA mitokondria sedikit berbeza dalam urutan nukleotida (jenis A dan B), keturunan diperolehi mengandungi
mengandungi DNA mitokondria daripada jenis ibu sahaja.
Warisan sitoplasma, tidak seperti nuklear, tidak mematuhi undang-undang Mendel. Ini disebabkan oleh fakta bahawa dalam haiwan dan tumbuhan yang lebih tinggi, gamet dari jantina yang berbeza mengandungi jumlah mitokondria yang berbeza. Jadi, dalam telur tikus terdapat 90 ribu mitokondria, tetapi dalam sperma hanya ada empat. Adalah jelas bahawa dalam telur yang disenyawakan, mitokondria kebanyakannya atau hanya dari individu wanita, iaitu, pewarisan semua gen mitokondria adalah ibu. Analisis genetik pewarisan sitoplasma adalah sukar kerana interaksi nuklear-sitoplasma. Dalam kes kemandulan lelaki sitoplasma, genom mitokondria mutan berinteraksi dengan gen nuklear tertentu, alel resesif yang diperlukan untuk pembangunan sifat tersebut. Alel dominan gen ini, baik dalam keadaan homo dan heterozigot, memulihkan kesuburan tumbuhan, tanpa mengira keadaan genom mitokondria.
Saya ingin membincangkan mekanisme pewarisan gen ibu dengan memberikan contoh khusus. Untuk memahami secara akhirnya dan tidak boleh ditarik balik mekanisme pewarisan gen mitokondria bukan Mendelian (sitoplasma), mari kita pertimbangkan apa yang berlaku kepada gen tersebut apabila dua sel haploid bergabung untuk membentuk zigot diploid. Dalam kes apabila satu sel yis membawa mutasi yang menentukan rintangan sintesis protein mitokondria kepada kloramfenikol, dan satu lagi, sel jenis liar, sensitif terhadap antibiotik ini: gen mutan boleh dikenal pasti dengan mudah dengan menumbuhkan yis pada medium dengan gliserol, yang hanya boleh digunakan oleh sel dengan mitokondria utuh; oleh itu, dengan kehadiran kloramfenikol, hanya sel yang membawa gen mutan boleh tumbuh dalam medium sedemikian. Zigot diploid kami pada mulanya akan mempunyai kedua-dua mitokondria jenis mutan dan liar. Hasil daripada mitosis, sel anak diploid akan tunas daripada zigot, yang akan mengandungi hanya sebilangan kecil mitokondria. Selepas beberapa kitaran mitosis, akhirnya salah satu sel baru akan menerima semua mitokondria, sama ada jenis mutan atau liar. Oleh itu, semua keturunan sel sedemikian akan mempunyai mitokondria yang serupa secara genetik. Proses rawak sedemikian, akibatnya anak diploid terbentuk yang mengandungi mitokondria hanya satu jenis, dipanggil mitosiske seperkumpulanke. Apabila sel diploid dengan hanya satu jenis mitokondria mengalami meiosis, keempat-empat sel haploid anak perempuan menerima gen mitokondria yang sama. Warisan jenis ini dipanggil nemendeseekor singa skim atau sitoplasma berbeza dengan pewarisan gen nuklear Mendelian. Pemindahan gen sitoplasma bermakna gen yang dikaji terletak dalam mitokondria.
Kajian genom mitokondria, evolusinya, yang mengikut undang-undang spesifik genetik populasi, dan hubungan antara sistem genetik nuklear dan mitokondria, adalah perlu untuk memahami organisasi hierarki kompleks sel eukariotik dan organisma secara keseluruhan.
Sesetengah penyakit keturunan dan penuaan manusia dikaitkan dengan mutasi tertentu dalam DNA mitokondria atau dalam gen nuklear yang mengawal fungsi mitokondria. Data terkumpul mengenai penglibatan kecacatan mtDNA dalam karsinogenesis. Oleh itu, mitokondria mungkin menjadi sasaran kemoterapi kanser. Terdapat fakta tentang interaksi rapat genom nuklear dan mitokondria dalam pembangunan beberapa patologi manusia. Beberapa pemadaman mtDNA ditemui pada pesakit yang mengalami kelemahan otot yang teruk, ataxia, pekak, dan terencat akal, yang diwarisi secara autosomal dominan. Dimorfisme seksual telah ditubuhkan dalam manifestasi klinikal penyakit jantung koronari, yang kemungkinan besar disebabkan oleh kesan ibu - warisan sitoplasma. Perkembangan terapi gen memberi harapan untuk membetulkan kecacatan dalam genom mitokondria pada masa hadapan yang boleh dijangka.
Seperti yang diketahui, untuk menyemak fungsi salah satu komponen sistem multikomponen, ia menjadi perlu untuk menghapuskan komponen ini dengan analisis seterusnya terhadap perubahan yang telah berlaku. Oleh kerana topik abstrak ini adalah untuk menunjukkan peranan genom ibu untuk perkembangan anak, adalah logik untuk mengetahui akibat gangguan dalam komposisi genom mitokondria yang disebabkan oleh pelbagai faktor. Alat untuk mengkaji peranan di atas ternyata adalah proses mutasi, dan akibat tindakannya yang menarik minat kita adalah apa yang dipanggil. penyakit mitokondria.
Penyakit mitokondria adalah contoh keturunan sitoplasma pada manusia, atau lebih tepat lagi, "keturunan organel". Penjelasan ini perlu dibuat kerana kewujudan, sekurang-kurangnya dalam sesetengah organisma, penentu keturunan sitoplasma yang tidak dikaitkan dengan organel selular - sitogen kini telah terbukti (-Vechtomov, 1996).
Penyakit mitokondria adalah kumpulan penyakit heterogen yang disebabkan oleh kecacatan genetik, struktur, biokimia mitokondria dan pernafasan tisu terjejas. Untuk membuat diagnosis penyakit mitokondria, analisis genealogi, klinikal, biokimia, morfologi dan genetik yang komprehensif adalah penting. Tanda biokimia utama patologi mitokondria ialah perkembangan asidosis laktik; asidemia hiperlaktik dalam kombinasi dengan asidemia hyperpyruvatic biasanya dikesan. Bilangan pilihan berbeza mencapai 120 borang. Terdapat peningkatan yang stabil dalam kepekatan asid laktik dan piruvik dalam cecair serebrospinal.
Penyakit mitokondria (MD) mewakili masalah penting untuk perubatan moden. Mengikut kaedah penghantaran keturunan, MD termasuk penyakit yang diwarisi secara monogenik mengikut jenis Mendelian, di mana, disebabkan mutasi gen nuklear, sama ada struktur dan fungsi protein mitokondria terganggu, atau ekspresi perubahan DNA mitokondria, juga sebagai penyakit yang disebabkan oleh mutasi gen mitokondria, yang terutamanya dihantar kepada keturunan melalui garis ibu.
Data daripada kajian morfologi yang menunjukkan patologi kasar mitokondria: percambahan mitokondria yang tidak normal, polimorfisme mitokondria dengan gangguan bentuk dan saiz, kekacauan cristae, pengumpulan mitokondria yang tidak normal di bawah sarcolemma, kemasukan paracrystalline dalam mitokondria, kehadiran vakuola interfibrillar.
Bentuk penyakit mitokondria
1 . Penyakit mitokondria yang disebabkan oleh mutasi dalam DNA mitokondria
1.1.Penyakit yang disebabkan oleh penghapusan DNA mitokondria
1.1.1.Sindrom Cairns-Sayre
Penyakit ini menunjukkan dirinya pada usia 4-18 tahun, oftalmoplegia luaran yang progresif, retinitis pigmentosa, ataxia, gegaran niat, blok jantung atrioventrikular, peningkatan tahap protein dalam cecair serebrospinal lebih daripada 1 g/l, gentian merah "koyak" dalam rangka. biopsi otot
1.1.2.Sindrom Pearson
Permulaan penyakit adalah dari lahir atau pada bulan-bulan pertama kehidupan, kadang-kadang perkembangan encephalomyopathies, ataxia, demensia, oftalmoplegia luaran progresif, anemia hipoplastik, fungsi pankreas eksokrin terjejas, kursus progresif adalah mungkin.
2 .Penyakit yang disebabkan oleh mutasi titik dalam DNA mitokondria
Jenis warisan ibu, penurunan akut atau subakut dalam ketajaman penglihatan pada satu atau kedua-dua mata, gabungan dengan gangguan neurologi dan osteoartikular, mikroangiopati retina, kursus progresif dengan kemungkinan remisi atau pemulihan ketajaman penglihatan, permulaan penyakit pada usia 20 tahun -30 tahun
2.2. Sindrom NAPR (neuropati, ataxia, retinitis pigmentosa)
Jenis warisan ibu, gabungan neuropati, ataxia dan retinitis pigmentosa, perkembangan psikomotor yang lambat, demensia, kehadiran gentian merah "koyak" dalam biopsi tisu otot
2.3. Sindrom MERRF (myoclonus-epilepsy, gentian merah “koyak”)
Jenis warisan ibu, permulaan penyakit pada usia 3-65 tahun, epilepsi mioklonik, ataxia, demensia dalam kombinasi dengan pekak sensorineural, atrofi saraf optik dan gangguan sensitiviti mendalam, asidosis laktik, pemeriksaan EEG mendedahkan epilepsi bilik mandi umum. kompleks, gentian merah "koyak" dalam biopsi otot rangka, kursus progresif
2.4. Sindrom MELAS (encephalomyopathy mitokondria, asidosis laktik, episod seperti strok)
Jenis warisan ibu, permulaan penyakit sebelum umur 40 tahun, intoleransi senaman, sakit kepala seperti migrain dengan loya dan muntah, episod seperti strok, sawan, asidosis laktik, gentian merah "koyak" dalam biopsi otot, kursus progresif.
3 .Patologi yang berkaitan dengan kecacatan dalam komunikasi intergenomik
3.1. Sindrom penghapusan DNA berbilang mitokondria
Blepharoptosis, oftalmoplegia luaran, kelemahan otot, pekak sensorineural, atrofi saraf optik, kursus progresif, gentian merah "koyak" dalam biopsi otot rangka, penurunan aktiviti enzim rantai pernafasan.
3.2.Sindrom penghapusan DNA mitokondria
Mod pewarisan autosomal resesif
Bentuk klinikal:
3.2.1.Kebudak-budakan maut
a) kegagalan hati yang teruk b) hepatopati c) hipotensi otot
Debut dalam tempoh neonatal
3.2.2.Miopati kongenital
Kelemahan otot yang teruk, hipotensi umum, kardiomiopati dan sawan, kerosakan buah pinggang, glikosuria, aminoasidopati, fosaturia
3.2.3.Miopati bayi
berlaku dalam 2 tahun pertama kehidupan, kelemahan otot progresif, atrofi kumpulan otot proksimal dan kehilangan refleks tendon, kursus progresif pesat, kematian dalam 3 tahun pertama kehidupan.
4 Penyakit mitokondria yang disebabkan oleh mutasi DNA nuklear
4.1.Penyakit yang berkaitan dengan kecacatan pada rantai pernafasan
4.1.1. Kekurangan Kompleks 1 (NADH:CoQ reductase)
Bermulanya penyakit sebelum umur 15 tahun, sindrom miopati, perkembangan psikomotor tertunda, gangguan sistem kardiovaskular, sawan tahan terapi, pelbagai gangguan neurologi, kursus progresif
4.1.2. Kekurangan Kompleks 2 (succinate-CoQ reductase)
Dicirikan oleh sindrom encephalomyopathy, kursus progresif, sawan, kemungkinan perkembangan ptosis
4.1.3.Kekurangan kompleks 3 (CoQ-cytochrome C oxidoreductase)
Gangguan multisistem, kerosakan kepada pelbagai organ dan sistem, melibatkan sistem saraf pusat dan periferi, sistem endokrin, buah pinggang, kursus progresif
4.1.4.Kekurangan kompleks (sitokrom C oksidase)
4.1.4.1.Asidosis laktik kongenital bayi yang maut
Miopati mitokondria dengan kegagalan buah pinggang atau kardiomiopati, bermula pada usia neonatal, gangguan pernafasan yang teruk, hipotensi otot meresap, kursus progresif, kematian pada tahun pertama kehidupan.
4.1.4.2.Kelemahan otot bayi jinak
Atrofi, dengan rawatan yang mencukupi dan tepat pada masanya, penstabilan cepat proses dan pemulihan dengan 1-3 tahun hidup adalah mungkin.
5 Sindrom Menkes (trichopyodystrophy)
Kelewatan mendadak dalam perkembangan psikomotor, pertumbuhan terbantut, pertumbuhan terjejas dan perubahan distrofi pada rambut,
6 . Encephalomiopati mitokondria
6.1.Sindrom Leigh(ensefalomielopati neurotizing subakut)
Muncul selepas 6 bulan hayat, hipotonia otot, ataxia, nistagmus, gejala piramid, oftalmoplegia, atrofi saraf optik, penambahan kardiomiopati dan asidosis metabolik ringan sering diperhatikan.
6.2.Sindrom Alpers(polidistrofi sklerosing progresif)
Kemerosotan bahan kelabu otak dalam kombinasi dengan sirosis hati, kekurangan kompleks 5 (ATP synthetase), perkembangan psikomotor tertunda, ataxia, demensia, kelemahan otot, perjalanan penyakit yang progresif, prognosis yang tidak menguntungkan
6.3.Kekurangan Koenzim-Q
Krisis metabolik, kelemahan otot dan keletihan, oftalmoplegia, pekak, penurunan penglihatan, episod seperti strok, ataxia, epilepsi myoclonus, kerosakan buah pinggang: glukosuria, aminoacidopathy, phosphaturia, gangguan endokrin, kursus progresif, penurunan aktiviti enzim rantai pernafasan
7 .Penyakit yang berkaitan dengan gangguan metabolik asid laktik dan piruvik
7.1 Kekurangan piruvat karboksilase jenis pewarisan autosomal resesif, permulaan penyakit dalam tempoh neonatal, kompleks gejala "anak lembik", sawan tahan terapi, kepekatan tinggi badan keton dalam darah, hiperammonemia, hiperlisinemia, penurunan aktiviti piruvat karboksilase dalam otot rangka
7.2.Kekurangan piruvat dehidrogenase
Manifestasi dalam tempoh neonatal, dismorfia kraniofasial, sawan tahan terapi, gangguan pernafasan dan menghisap, kompleks gejala "anak lembik", disgynesia serebrum, asidosis teruk dengan tahap laktat dan piruvat yang tinggi
7.3.Aktiviti piruvat dehidrogenase berkurangan
Bermula pada tahun pertama kehidupan, mikrosefali, perkembangan psikomotor tertunda, ataxia, distonia otot, koreoathetosis, asidosis laktik dengan kandungan piruvat yang tinggi
7.4.Kekurangan dihydrolipoyltransacetylase
Jenis warisan autosomal resesif, permulaan penyakit dalam tempoh neonatal, mikrosefali, perkembangan psikomotor tertangguh, hipotonia otot dengan peningkatan seterusnya dalam nada otot, atrofi cakera optik, asidosis laktik, penurunan aktiviti dihydrolipoyltrans-acetylase
7.5.Kekurangan dihydrolipoyl dehydrogenase
Jenis pewarisan autosomal resesif, permulaan penyakit pada tahun pertama kehidupan, kompleks gejala "anak lembik", krisis dismetabolik dengan muntah dan cirit-birit, perkembangan psikomotor yang lambat, atrofi cakera optik, asidosis laktik, peningkatan tahap alanin dalam serum darah, α-ketoglutarat, asid α-keto rantai bercabang, penurunan aktiviti dihydrolipoyl dehydrogenase
8 .Penyakit yang disebabkan oleh kecacatan beta-pengoksidaan asid lemak
8.1.Kekurangan asetil-KoA dehidrogenase rantai karbon panjang
Jenis warisan autosomal resesif, permulaan penyakit pada bulan pertama kehidupan, krisis metabolik dengan muntah dan cirit-birit, kompleks gejala "anak lembik", hipoglikemia, asiduria dikarboksilik, penurunan aktiviti asetil-CoA dehidrogenase lemak rantai karbon panjang asid
8.2 Kekurangan asetil-KoA dehidrogenase rantaian sederhana karbon
Jenis warisan autosomal resesif, permulaan penyakit dalam tempoh neonatal atau bulan pertama kehidupan, krisis metabolik dengan muntah dan cirit-birit,
kelemahan otot dan hipotensi, sindrom kematian mengejut sering berkembang, hipoglikemia, asiduria dikarboksilik, penurunan aktiviti asetil-KoA dehidrogenase asid lemak rantaian sederhana karbon
8.3. Kekurangan asid lemak rantai pendek asetil-KoA dehidrogenase
Jenis pewarisan autosomal resesif, umur yang berbeza untuk permulaan penyakit, toleransi senaman menurun, krisis metabolik dengan muntah dan cirit-birit, kelemahan otot dan hipotensi, peningkatan perkumuhan asid metilsuksinik melalui kencing, dehidrogenase asetil-CoA asid lemak rantai karbon pendek
8.4. Kekurangan berbilang asetil-KoA dehidrogenase asid lemak
Bentuk neonatal: dismorfia kraniofasial, disgynesia otak, hipoglisemia dan asidosis teruk, perjalanan malignan, penurunan aktiviti semua asetil-KoA dehidrogenase asid lemak,
Bentuk bayi: kompleks gejala "anak lembik", kardiomiopati, krisis metabolik, hipoglisemia dan asidosis
8.5. Penurunan aktiviti semua asid lemak asetil-KoA dehidrogenase
Borang debut lewat: episod berkala kelemahan otot, krisis metabolik, hipoglikemia dan asidosis kurang ketara, kecerdasan dipelihara,
9 .Enzimopati kitaran Krebs
9.1.Kekurangan fumarase
Jenis pewarisan autosomal resesif, permulaan penyakit dalam tempoh neonatal atau bayi baru lahir, mikrosefali, kelemahan otot umum dan hipotensi, episod kelesuan, ensefalopati yang berkembang pesat, prognosis yang buruk
9.2.Kekurangan suksinat dehidrogenase
Penyakit jarang yang dicirikan oleh ensefalomiopati progresif
9.3 Kekurangan alfa-ketoglutarat dehidrogenase
Jenis warisan autosomal resesif, permulaan penyakit neonatal, mikrosefali, kompleks gejala "anak lembik", episod kelesuan, asidosis laktik, kursus progresif yang cepat, penurunan kandungan enzim kitaran Krebs dalam tisu
9.4.Sindrom kekurangan karnitin dan enzim metabolismenya
Kekurangan carnitine palmitoyltransferase-1, jenis pewarisan autosomal resesif, permulaan awal penyakit, episod koma hipoglisemik bukan ketonemik, hepatomegali, hipertrigliseridemia dan hiperammonemia sederhana, penurunan aktiviti carnitine palmitoyltransferase-1 dalam fibroblas dan sel hati
9.5. Kekurangan translocase asilkarnitin karnitin
Permulaan awal penyakit, gangguan kardiovaskular dan pernafasan, kompleks gejala "anak lembik", episod kelesuan dan koma, peningkatan kepekatan ester karnitin dan rantai karbon panjang dengan latar belakang penurunan karnitin bebas dalam serum darah, aktiviti menurun daripada carnitine acylcarnitine translocase
9.6. Kekurangan carnitine palmitoyl transferase-2
Jenis pewarisan autosomal resesif, kelemahan otot, myalgia, myoglobinuria, penurunan aktiviti carnitine palmitoyltransferase-2 dalam otot rangka
Jenis pewarisan autosomal resesif, kompleks gejala miopati, episod kelesuan dan kelesuan, kardiomiopati, episod hipoglikemia, penurunan paras karnitin serum dan peningkatan perkumuhan air kencing.
Setelah menganalisis senarai patologi yang 'mengerikan' yang berkaitan dengan perubahan tertentu dalam fungsi genom mitokondria (dan bukan sahaja), persoalan tertentu timbul. Apakah produk gen mitokondria dan dalam proses selular super-mega-vital yang mana mereka mengambil bahagian?
Ternyata, beberapa patologi di atas boleh berlaku disebabkan oleh gangguan dalam sintesis 7 subunit kompleks NADH dehidrogenase, 2 subunit ATP synthetase, 3 subunit cytochrome c oxidase dan 1 subunit ubiquinol-cytochrome c reductase (cytochrome). b) , yang merupakan produk gen mitokondria. Berdasarkan ini, kita boleh menyimpulkan bahawa protein ini mempunyai peranan penting dalam proses respirasi selular, pengoksidaan asid lemak dan sintesis ATP, pemindahan elektron dalam sistem pengangkutan elektron membran MT dalaman, fungsi sistem antioksidan, dll.
Berdasarkan data terkini mengenai mekanisme apoptosis, ramai saintis telah membuat kesimpulan bahawa terdapat pusat kawalan untuk apoptosis...
Peranan protein mitokondria juga telah ditunjukkan dalam penggunaan antibiotik yang menyekat sintesis mitokondria. Jika sel manusia dalam kultur tisu dirawat dengan antibiotik, seperti tetracycline atau chloramphenicol, pertumbuhannya akan berhenti selepas satu atau dua bahagian. Ini disebabkan oleh perencatan sintesis protein mitokondria, yang membawa kepada penampilan mitokondria yang rosak dan, sebagai akibatnya, pembentukan ATP yang tidak mencukupi. Mengapakah antibiotik boleh digunakan untuk merawat jangkitan kuman? Terdapat beberapa jawapan kepada soalan ini:
1. Sesetengah antibiotik (seperti erythromycin) tidak melalui membran dalam mitokondria mamalia.
2. Kebanyakan sel dalam badan kita tidak membahagi atau membahagi dengan sangat perlahan, jadi penggantian mitokondria sedia ada dengan yang baru berlaku sama perlahan-lahan (dalam banyak tisu, separuh daripada mitokondria diganti dalam masa kira-kira lima hari atau lebih lama). Oleh itu, bilangan mitokondria normal akan berkurangan ke tahap kritikal hanya jika sekatan sintesis protein mitokondria dikekalkan selama beberapa hari.
3. Keadaan tertentu dalam tisu menghalang ubat tertentu daripada memasuki mitokondria sel yang paling sensitif. Sebagai contoh, kepekatan tinggi Ca2+ dalam sumsum tulang membawa kepada pembentukan kompleks Ca2+-tetracycline, yang tidak dapat menembusi prekursor sel darah yang membahagi dengan cepat (dan oleh itu paling terdedah).
Faktor-faktor ini memungkinkan untuk menggunakan beberapa ubat yang menghalang sintesis protein mitokondria sebagai antibiotik dalam rawatan haiwan yang lebih tinggi. Hanya dua daripada ubat ini mempunyai kesan sampingan: rawatan jangka panjang dengan dos kloramfenikol yang besar boleh menyebabkan gangguan fungsi hematopoietik sumsum tulang (menekan pembentukan sel darah merah dan putih), dan penggunaan jangka panjang tetrasiklin boleh merosakkan epitelium usus. Tetapi dalam kedua-dua kes, ia masih belum jelas sepenuhnya sama ada kesan sampingan ini disebabkan oleh sekatan biogenesis mitokondria atau oleh sebab lain.
Kesimpulan
Ciri-ciri struktur dan fungsi genom mt adalah seperti berikut. Pertama, telah ditetapkan bahawa mtDNA dihantar dari ibu kepada semua ibunya
keturunan dan daripada anak perempuannya kepada semua generasi berikutnya, tetapi anak lelaki tidak mewariskan DNA mereka (warisan ibu). Perwatakan keibuan
pewarisan mtDNA mungkin dikaitkan dengan dua keadaan: sama ada bahagian mtDNA paternal sangat kecil (tidak dihantar melalui garis paternal)
lebih daripada satu molekul DNA setiap 25 ribu mtDNA ibu), bahawa mereka tidak dapat dikesan dengan kaedah sedia ada, atau selepas persenyawaan replikasi mitokondria bapa disekat. Kedua, ketiadaan kebolehubahan gabungan - mtDNA hanya dimiliki oleh salah seorang ibu bapa, oleh itu, peristiwa penggabungan semula ciri DNA nuklear dalam meiosis tidak hadir, dan urutan nukleotida berubah dari generasi ke generasi hanya disebabkan oleh mutasi. Ketiga, mtDNA tidak mempunyai intron
(kebarangkalian tinggi bahawa mutasi rawak akan menjejaskan kawasan pengekodan DNA), histon pelindung dan sistem pembaikan DNA yang berkesan - semua ini menentukan kadar mutasi 10 kali lebih tinggi daripada DNA nuklear. Keempat, mtDNA normal dan mutan boleh wujud serentak di dalam sel yang sama - fenomena heteroplasmi (kehadiran hanya mtDNA mutan normal atau hanya dipanggil homoplasmi). Akhirnya, kedua-dua rantai ditranskripsi dan diterjemahkan dalam mtDNA, dan dalam beberapa ciri kod genetik mtDNA berbeza daripada yang universal (UGA mengekod triptofan, AUA mengekod metionin, AGA dan AGG adalah stop-
kodon).
Sifat-sifat ini dan fungsi-fungsi mt-genom di atas telah menjadikan kajian kebolehubahan jujukan nukleotida mtDNA sebagai alat yang tidak ternilai untuk doktor, saintis forensik, ahli biologi evolusi,
wakil sains sejarah dalam menyelesaikan masalah khusus mereka.
Sejak tahun 1988, apabila didapati bahawa mutasi gen mtDNA mendasari miopati mitokondria (J. Y. Holt et al., 1988) dan neuropati optik keturunan Leber (D. C. Wallace, 1988), pengenalpastian mutasi yang lebih sistematik dalam genom mt manusia membawa kepada pembentukan genom mt manusia. konsep penyakit mitokondria (MD). Pada masa ini, mutasi mtDNA patologi telah ditemui dalam setiap jenis gen mitokondria.
Bibliografi
1. Skulachev, mitokondria dan oksigen, Soros. pendidikan majalah
2. Asas biokimia: Dalam tiga jilid, M.: Mir, .
3. Nicholes D. G. Bioenergetics, Satu Pengenalan. kepada Chemiosm. Th., Acad. Akhbar, 1982.
4. Stryer L. Biokimia, ed ke-2. San Francisco, Freeman, 1981.
5. Membran biologi Skulachev. M., 1989.
6. , retikulum Chentsov: Struktur dan beberapa fungsi // Keputusan Sains. Masalah am biologi. 1989
7. Sitologi Chentsov. M.: Rumah Penerbitan Universiti Negeri Moscow, 1995
8. , Skop kecekapan genom mitokondria // Vestn. RAMS, 2001. ‹ 10. ms 31-43.
9. Holt I. J., Harding A. E., Morgan-Hughes I. A. Penghapusan DNA mitokondria otot pada pesakit dengan miopati mitokondria. Alam 1988, 331:717-719.
10. dan lain-lain. Genom manusia dan gen kecenderungan. St. Petersburg, 2000
11. , Genom mitokondria. Novosibirsk, 1990.
12. // Soros. pendidikan majalah 1999. No. 10. P.11-17.
13. Peranan simbiosis dalam evolusi sel. M., 1983.
14. // Soros. pendidikan majalah 1998. No. 8. P.2-7.
15. // Soros. pendidikan majalah 2000. No 1. P.32-36.
Universiti Kebangsaan Kyiv dinamakan sempena. Taras Shevchenko
Jabatan Biologi
Esei
mengenai topik:
"Peranan genom ibu dalam perkembangan keturunan"
Dengandi sanaenta IVkursus
Jabatan Biokimia
Frolova Artema
Kiev 2004
Rancang:
Pengenalan................................................. ..............................1
Teori simbiotik asal usul mitokondria......2
Peranan nukleus sel dalam biogenesis mitokondria......................................... ..........5
Sistem pengangkutan mitokondria.............................................................. .................. ......7
Saiz dan bentuk genom mitokondria.................................10
Fungsi genom mitokondria......14
Kepentingan mempunyai sistem genetik sendiri untuk mitokondria............................................ ............ ...................................19
Warisan sitoplasma...................................20
Contoh pewarisan mitokondria ialah rintangan antibiotik dalam sel yis dan kemandulan seksual lelaki (kekurangan gamet lelaki) dalam sesetengah tumbuhan, seperti jagung.
Pada manusia (mungkin) terdapat kecacatan perkembangan seperti gabungan bahagian bawah kaki dan spina bifida.
Warisan sentriolar
Contoh sifat yang dihantar melalui sentriol masih belum dapat dipastikan.
Dalam sitoplasma bakteria, molekul DNA bulat kecil terletak secara autonomi - plasmid. Tiga jenis plasmid telah diasingkan.
Plasmid yang mengandungi faktor F (faktor kesuburan): F+ (lelaki), F- (perempuan). Semasa konjugasi, faktor boleh bergerak dari satu bakteria ke yang lain, i.e. perubahan jantina.
Plasmid yang mengandungi faktor R (faktor rintangan) menentukan rintangan antibiotik. Mereka juga boleh berpindah dari satu bakteria ke bakteria yang lain.
Colicinogen plasmid - mengekod protein yang mempunyai kesan buruk kepada individu dari spesies yang sama yang tidak mengandungi kolicinogens (bakteria pembunuh).
Gen dalam nukleus dan sitoplasma berinteraksi antara satu sama lain. Ia berdasarkan bentuk interaksi gen bukan alel yang diketahui seperti epistasis (contohnya, gen nuklear menindas gen sitoplasma).
Terdapat juga pseudocytoplasmic keturunan yang disebabkan oleh kehadiran dalam sel simbion - bakteria atau virus. Oleh itu, Drosophila mempunyai bangsa dengan sensitiviti yang meningkat kepada CO 2. Sel-sel kaum ini mengandungi virus yang menentukan sifat ini.
Sesetengah ciliate selipar (“pembunuh”) merembeskan bahan yang mempunyai kesan buruk kepada individu lain daripada spesies yang sama. Bakteria ditemui dalam sel mereka.
Terdapat satu bangsa tikus dengan kecenderungan keturunan untuk kanser payudara. Penularan berlaku melalui susu ibu yang mengandungi virus. Jika kita mengecualikan zuriat daripada memberi susu ini, maka tidak akan ada kecenderungan untuk kanser, dan sebaliknya, jika zuriat dari kaum yang sihat diberi makan susu ini, maka mereka akan mempunyai kecenderungan untuk kanser.
Kebolehubahan
Kebolehubahan – harta organisma hidup untuk mengubah kedua-dua maklumat keturunan yang diterima daripada ibu bapa mereka dan proses pelaksanaannya semasa ontogenesis.
Terdapat tiga jenis kebolehubahan:
fenotip,
ontogenetik,
genotip.
Kebolehubahan fenotip atau pengubahsuaian - perubahan dalam fenotip sebagai tindak balas kepada faktor persekitaran. Jenis kebolehubahan ini dikenal pasti oleh Charles Darwin dan dipanggil oleh beliau “ pasti" Ciri-ciri yang diperoleh semasa ontogenesis tidak diwarisi. Had kebolehubahan sesuatu sifat dipanggil norma tindak balas. Norma tindak balas diwarisi. Ia boleh menjadi lebar dan sempit. (Berikan contoh.)
Untuk proses evolusi, kebolehubahan fenotip adalah sangat penting, kerana pemilihan semula jadi individu dalam alam semula jadi berjalan mengikut fenotip.
Ontogenetik kebolehubahan – perubahan semula jadi dalam genotip dan fenotip semasa ontogenesis.
Perubahan dalam fenotip tubuh manusia semasa pertumbuhan dan penampilan ciri seksual sekunder adalah contoh kebolehubahan ontogenetik.
Perubahan biasa dalam genotip semasa ontogenesis ditemui baru-baru ini. Benar, terdapat beberapa contoh sedemikian yang diketahui. Oleh itu, protein imunoglobulin dalam tikus terdiri daripada dua pecahan: V (pembolehubah) dan C (malar). Dalam embrio tikus, gen yang mengekodnya terletak pada jarak yang agak jauh antara satu sama lain:
Pada tikus dewasa, gen ini disambungkan dan berfungsi sebagai satu:
Kebolehubahan genotip disebabkan oleh perubahan genotip. Charles Darwin memanggil jenis kebolehubahan ini " tidak pasti" Ini ialah kebolehubahan boleh diwarisi (diwariskan melalui pewarisan).
Kebolehubahan genotip terbahagi kepada dua jenis: gabungan dan mutasi .
Kebolehubahan gabungan disebabkan oleh penggabungan semula bahan genetik sedia ada.
Secara semula jadi terdapat tiga sumber kebolehubahan gabungan:
1) perbezaan bebas kromosom dalam meiosis (bilangan gabungan adalah
2 n, dengan n ialah bilangan kromosom dalam set haploid);
2) menyeberang (pertukaran kawasan homolog antara homolog
kromosom);
3) kombinasi rawak kromosom semasa persenyawaan.
Semua ini membawa kepada kepelbagaian besar genotip dan fenotip, yang seterusnya, memastikan kebolehsuaian spesies yang tinggi.
Pada intinya mutasi kebolehubahan terletak pada penstrukturan semula radas genetik.
Mengapa mitokondria memerlukan DNA mereka sendiri? Walaupun, mengapa simbion tidak sepatutnya mempunyai DNA mereka sendiri dalam diri mereka, menghasilkan semua yang mereka perlukan di tempat kejadian? Mengapa kemudian memindahkan sebahagian daripada DNA mitokondria ke dalam nukleus sel, mewujudkan keperluan untuk mengangkut produk gen ke dalam mitokondria? Mengapakah mitokondria diturunkan hanya daripada satu ibu bapa? Bagaimanakah mitokondria yang diterima daripada ibu wujud bersama dengan genom sel, yang terdiri daripada DNA ibu dan bapa? Lebih ramai orang belajar tentang mitokondria, lebih banyak persoalan timbul.
Walau bagaimanapun, ini bukan sahaja terpakai kepada mitokondria: dalam mana-mana bidang mana-mana sains, mengembangkan sfera pengetahuan hanya membawa kepada peningkatan permukaannya dalam hubungan dengan yang tidak diketahui, menimbulkan lebih banyak soalan baru, jawapan yang akan memperluaskan perkara yang sama. sfera dengan hasil yang boleh diramalkan sama.
Jadi, DNA mitokondria moden diedarkan dengan cara yang sangat aneh: sebahagian kecil daripada gen terkandung secara langsung dalam mitokondria dalam kromosom bulat (lebih tepat lagi, dalam beberapa salinan kromosom yang sama dalam setiap mitokondria), dan kebanyakan pelan tindakan untuk penghasilan komponen mitokondria disimpan dalam nukleus sel. Oleh itu, penyalinan gen ini berlaku serentak dengan penyalinan genom seluruh organisma, dan produk yang dihasilkan oleh mereka bergerak jauh dari sitoplasma sel ke dalam mitokondria. Walau bagaimanapun, ini mudah dalam banyak cara: mitokondria dibebaskan daripada keperluan untuk menyalin semua gen ini semasa pembiakan, membacanya dan membina protein dan komponen lain, memfokuskan pada fungsi utamanya menghasilkan tenaga. Mengapa, kemudian, masih terdapat DNA kecil dalam mitokondria, yang penyelenggaraannya memerlukan semua mekanisme ini, tanpanya mitokondria boleh menumpukan lebih banyak sumber untuk tujuan utama kewujudan mereka?
Pada mulanya diandaikan bahawa DNA yang tinggal dalam mitokondria adalah atavisme, warisan pro-mitokondria yang diserap oleh metanogen, yang mempunyai genom bakteria yang lengkap. Pada permulaan simbiosis mereka, walaupun wujud dalam nukleus gen mitokondria tersebut ( m-gen), yang diperlukan untuk mengekalkan persekitaran yang selesa untuk pro-mitokondria di dalam metanogen (ini ditulis secara terperinci mengenai mitokondria), gen yang sama disimpan dalam setiap mitokondria. Pro-mitokondria, pada permulaan hayatnya sebagai symbiont, kelihatan lebih kurang sama dengan bakteria moden dalam rajah di sebelah kiri perenggan ini.
Dan sangat perlahan, kerana kekurangan permintaan, gen ini hilang dari kromosom mitokondria akibat pelbagai mutasi. Tetapi nukleus sel mengumpul lebih banyak m-gen, yang memasuki sitoplasma dari simbion-mitokondria yang musnah dan disepadukan ke dalam genom chimera eukariotik. Sebaik sahaja m-gen yang baru dimasukkan mula dibaca, mekanisme selular menghasilkan produk yang diperlukan untuk mitokondria, membebaskan symbion daripada menciptanya secara bebas. Ini bermakna bahawa analog mitokondria gen yang telah masuk ke dalam nukleus tidak lagi dikekalkan dalam susunan kerja oleh pemilihan semula jadi dan dipadamkan oleh mutasi dengan cara yang sama seperti semua yang sebelumnya. Oleh itu, adalah logik untuk mengandaikan bahawa tidak lama lagi gen-gen yang masih kekal dalam mitokondria akan bergerak ke dalam nukleus, yang akan membawa kepada manfaat tenaga yang besar untuk eukariota: lagipun, mekanisme yang menyusahkan untuk menyalin, membaca dan membetulkan DNA boleh dikeluarkan daripada setiap mitokondria, dan sebagainya semua yang anda perlukan untuk mencipta protein.
Setelah membuat kesimpulan ini, saintis mengira berapa lama masa yang diperlukan untuk semua gen untuk berhijrah dari mitokondria ke nukleus melalui hanyutan semula jadi. Dan ternyata tarikh akhir ini telah lama berlalu. Pada masa sel eukariotik muncul, mitokondria mempunyai genom bakteria tetap beberapa ribu gen (saintis menentukan bagaimana genom ini dengan mengkaji gen-m yang dipindahkan ke nukleus dalam organisma yang berbeza), tetapi kini mitokondria semua jenis eukariota telah kehilangan daripada 95 hingga 99.9% daripada gen mereka. Tiada siapa yang mempunyai lebih daripada seratus gen yang tinggal dalam mitokondria mereka, tetapi tiada seorang pun yang mempunyai mitokondria bebas gen sama ada. Jika peluang memainkan peranan penting dalam proses ini, maka sekurang-kurangnya beberapa spesies telah pun melengkapkan laluan pemindahan gen ke nukleus. Tetapi ini tidak berlaku, dan mitokondria spesies berbeza yang dikaji setakat ini, yang kehilangan gen mereka secara bebas antara satu sama lain, mengekalkan set yang sama daripada mereka, yang secara langsung menunjukkan keperluan untuk kehadiran gen tertentu ini dalam mitokondria.
Selain itu, organel sel penghasil tenaga lain, kloroplas, juga mempunyai DNA mereka sendiri, dan dengan cara yang sama, kloroplas spesies berbeza berkembang secara selari dan bebas, masing-masing kekal dengan set gen yang sama.
Ini bermakna bahawa semua kesulitan yang ketara untuk mengekalkan genom anda sendiri dalam setiap mitokondria selular (dan secara purata satu sel mengandungi beberapa ratus!) dan alat yang menyusahkan untuk menyalin-membetulkan-menerjemahkannya (yang utama, tetapi bukan semua! Anda lihat bahagian dalam gambar di sebelah kiri ) lebih berat daripada sesuatu.
Dan pada masa ini terdapat teori yang konsisten tentang "sesuatu" ini: keupayaan untuk menghasilkan bahagian tertentu mitokondria secara langsung di dalamnya adalah perlu untuk mengawal kadar pernafasan dan menyesuaikan proses yang berlaku dalam mitokondria kepada keperluan yang sentiasa berubah-ubah. keseluruhan organisma.
Bayangkan bahawa salah satu daripada ratusan mitokondria dalam sel tiba-tiba kekurangan unsur rantai pernafasan (untuk butiran lanjut, lihat), atau ia tidak mempunyai sintase ATP yang mencukupi. Ia ternyata sama ada sarat dengan makanan dan oksigen dan tidak dapat memprosesnya dengan cukup cepat, atau ruang intermembrannya dipenuhi dengan proton yang tidak mempunyai tempat untuk pergi - bencana yang lengkap secara umum. Sudah tentu, semua penyelewengan ini daripada situasi kehidupan yang ideal mencetuskan pelbagai isyarat yang bertujuan untuk meratakan senarai kapal yang karam.
Isyarat-isyarat ini mencetuskan penghasilan bahagian-bahagian yang kekurangan mitokondria pada masa ini, mengaktifkan bacaan gen yang mana protein dibina. Sebaik sahaja mitokondria mempunyai komponen rantai pernafasan atau ATPase yang mencukupi, "kecondongan akan mendatar", isyarat untuk keperluan untuk membina bahagian baru akan berhenti datang, dan gen akan dimatikan semula. Ini adalah salah satu mekanisme yang sangat elegan dalam kesederhanaannya yang diperlukan untuk pengawalan kendiri sel; pelanggaran sedikit pun membawa kepada penyakit serius atau bahkan tidak berdaya maju organisma.
Mari cuba tentukan secara logik di mana gen yang diperlukan untuk bertindak balas terhadap isyarat kecemasan ini harus ditempatkan. Bayangkan keadaan di mana gen ini terletak di dalam nukleus sel yang mengandungi beberapa ratus mitokondria. Dalam salah satu mitokondria, sebagai contoh, kekurangan timbul NADH dehidrogenase: enzim pertama rantai pernafasan, yang berperanan untuk mengeluarkan dua elektron daripada molekul NADH, memindahkannya ke enzim seterusnya dan mengepam 2-4 proton merentasi membran.
Sebenarnya, kekurangan mana-mana enzim berlaku agak kerap, kerana mereka gagal secara berkala, jumlah makanan yang digunakan sentiasa berubah, keperluan sel untuk ATP juga melonjak mengikuti lompatan atau bergelumang organisma yang mengandungi sel ini. Oleh itu, keadaannya sangat tipikal. Oleh itu, mitokondria mengeluarkan isyarat: "anda perlu membina lebih banyak NADH dehidrogenase!", yang melampaui hadnya, melalui sitoplasma ke nukleus, menembusi nukleus dan mencetuskan bacaan gen yang diperlukan. Mengikut piawaian selular, masa transit isyarat ini sangat penting, tetapi ia juga perlu untuk menarik RNA utusan yang dibina dari nukleus ke dalam sitoplasma, mencipta protein menggunakannya, dan menghantarnya ke mitokondria...
Dan di sini timbul masalah yang jauh lebih penting daripada membuang masa tambahan: apabila mencipta protein mitokondria khusus, mereka ditandakan dengan isyarat "menghantar kepada mitokondria," tetapi yang mana? Tidak diketahui. Oleh itu, setiap beberapa ratus mitokondria mula menerima protein yang mereka tidak perlukan. Sel membelanjakan sumber untuk pengeluaran dan penghantarannya, mitokondria dipenuhi dengan rantaian pernafasan yang berlebihan (yang membawa kepada proses pernafasan yang tidak berkesan), dan satu-satunya mitokondria yang memerlukan protein ini tidak menerimanya dalam kuantiti yang mencukupi, kerana paling baik ia mendapat seperseratus. daripada apa yang dihasilkan. Jadi dia terus menghantar isyarat kecemasan dan huru-hara berterusan. Walaupun dari huraian lirikal dan cetek tentang apa yang berlaku, adalah jelas bahawa sel sedemikian tidak berdaya maju. Dan bahawa terdapat gen yang mesti dibaca dan diterjemahkan terus ke dalam mitokondria untuk mengawal proses yang berlaku di dalamnya, dan tidak bergantung pada rancangan untuk pengeluaran kuku yang dilancarkan oleh teras parti... iaitu, protein rantai pernafasan untuk semua mitokondria sekaligus.
Setelah memeriksa apa sebenarnya yang dihasilkan dalam mitokondria organisma yang berbeza yang kekal dalam mitokondria (dan oleh itu memindahkan gen-m ke dalam nukleus secara bebas antara satu sama lain), kami mendapati bahawa ini adalah unsur-unsur untuk membina rantai pernafasan dan ATPase, sebagai serta ribosom (iaitu, alat penyiaran bahagian utama).
Anda boleh membaca lebih lanjut mengenai ini (dan banyak lagi) dari Lane di "Tenaga, seks, bunuh diri: mitokondria dan makna kehidupan". Nah, anda boleh membandingkan rajah DNA mitokondria, di mana produk yang dikodkan diuraikan (di sebelah kanan perenggan ini), dengan rajah rantai pernafasan (di atas), supaya menjadi jelas apa sebenarnya yang dihasilkan dalam mitokondria. . Sudah tentu, tidak setiap protein yang dimasukkan ke dalam rantai ini dihasilkan secara tempatan; sebahagian daripadanya dibina dalam sitoplasma sel. Tetapi "sauh" utama yang mana bahagian lain berpaut dicipta di dalam mitokondria. Ini membolehkan anda menghasilkan seberapa banyak enzim yang anda perlukan, dan tepat di mana ia diperlukan.
Bagaimana mitokondria berkaitan dengan seks dan bagaimana genom yang berbeza wujud bersama dalam satu sel, saya akan menulis dalam salah satu bab seterusnya baris ini.
Artikel mengenai topik
