Генетическая система митохондрий

Реферат

Тема: Генетическая система митохондрий.

Содержание

Введение……………………………………………………………………...........3

1. Структура  и функции митохондрий…………………………………………..4

2. Теории  возникновения митохондриальной  ДНК…………………………….6

3. Геном  митохондрий…………………………………………………………….7

4. Формы  и число молекул митохондриальной  ДНК…………………………10

5. Митохондриальная  наследственность…………………………………….11

5.1. Наследование  по материнской линии…………………………………...11

5.2. Наследование  по отцовской линии……………………………………....12

6. Особенности  митохондриальной ДНК………………..…………………..13

7. Роль митохондрий в старении организма………….……………………..15

8. Митохондриальная медицина………….…………………………………….16

Заключение………………………………………………………………………19

Список  использованной литературы………………………………………….21

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Введение

Сегодня общепризнано, что помимо ядерных  генов, о которых уже многое известно, существуют еще так называемые неядерные  гены. Это гены митохондрий. Как выяснилось в последнее десятилетие, они играют очень важную роль в жизни целой клетки и всего организма. И это связано не только с жизнью растений, но и с жизнью животных и человека. Именно поэтому в последние годы так возрос интерес генетиков к митохондриальным генам. Понимание того, как устроен митохондриальный геном, как он работает и как регулируется его поведение очень важно. Поскольку только женщины могут передавать митохондриальную ДНК своим потомкам, тестирование дает информацию о матери, ее матери и так далее по прямой материнской линии. Митохондриальную ДНК от матери получают как мужчины, так и женщины. Используя эту информацию ученые могут определить к какой генеалогической ветви человечества относится исследуемый человек. Важную роль играют митохондрии и в возникщей сравнительно недавно спортивной генетике. Знания о митохондриальном геноме имеют непосредственные выходы в медицинскую практику, в создание новых биотехнологий для фундаментальных исследований и промышленного использования.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

1. Структура и функции митохондрий

Митохондрии - это органеллы размером с бактерию (около 1 х 2 мкм). Они найдены в  большом количестве почти во всех эукариотических клетках. Обычно в  клетке содержится около 2000 митохондрий, общий объем которых составляет до 25% от общего объема клетки. Митохондрия  ограничена двумя мембранами - гладкой  внешней и складчатой внутренней, имеющей очень большую поверхность. Складки внутренней мембраны глубоко  входят в матрикс митохондрий, образуя  поперечный перегородки - кристы. Пространство между внешней и внутренней мембранами обычно называют межмембранным пространством.

Различный типы клеток отличаются друг от друга  как по количеству и форме митохондрий, так и по количеству крист. Особенно много крист имеют митохондрии  в тканях с активными окислительными процессами, например в сердечной  мышце. Вариации митохондрий по форме, что зависит от их функционального  состояния, могут наблюдаться и  в тканях одного типа. Митохондрии  — изменчивые и пластичные органеллы.

Мембраны  митохондрий содержат интегральные мембранные белки. Во внешнюю мембрану входят порины, которые образуют поры и делают мембраны проницаемыми для  веществ с молекулярной массой до 10 кДа. Внутренняя же мембрана митохондрий  непроницаема для большинства молекул; исключение составляют О2, СО2, Н20. Внутренняя мембрана митохондрий характеризуется  необычно высоким содержанием белков (75%). В их число входят транспортные белки-переносчики, ферменты, компоненты дыхательной цепи и АТФ-синтаза. Кроме того, в ней содержится необычный  фосфолипид кардиолипин. Матрикс также  обогащен белками, особенно ферментами цитратного цикла

Митохондрии являются «силовой станцией» клетки, поскольку за счет окислительной  деградации питательных веществ  в них синтезируется большая  часть необходимого клетке АТФ (АТР). В митохондриях локализованы следующие  метаболические процессы: превращение  пирувата в ацетил-КоА, катализируемое пируватдегидрогеназным комплексом: цитратный  цикл; дыхательная цепь, сопряженная  с синтезом АТФ (сочетание этих процессов  носит название «окислительное фосфорилирование»); расщепление жирных кислот путем  β-окисления и частично цикл мочевины. Митохондрии также поставляют клетке продукты промежуточного метаболизма  и действуют наряду с ЭР как  депо ионов кальция, которое с  помощью ионных насосов поддерживает концентрацию Са2+ в цитоплазме на постоянном низком уровне (ниже 1 мкмоль/л).

Главной функцией митохондрий является захват богатых энергией субстратов (жирные кислоты, пируват, углеродный скелет аминокислот) из цитоплазмы и их окислительное  расщепление с образованием СО2 и  Н2О, сопряженное с синтезом АТФ.

Реакции цитратного цикла приводят к полному  окислению углеродсодержащих соединений (СО2) и образованию восстановительных  эквивалентов, главным образом в  виде восстановленных коферментов. Большинство этих процессов протекают  в матриксе. Ферменты дыхательной  цепи, которые реокисляют восстановленные  коферменты, локализованы во внутренней мембране митохондрий. В качестве доноров  электронов для восстановления кислорода  и образования воды используются НАДН и связанный с ферментом  ФАДН2. Эта высоко экзергоническая  реакция является многоступенчатой и сопряжена с переносом протонов (Н+) через внутреннюю мембрану из матрикса в межмембранное пространство. В  результате на внутренней мембране создается  электрохимический градиент. В митохондриях электрохимический градиент используется для синтеза АТФ из АДФ (ADP) и  неорганического фосфата (Рi) при  катализе АТФ-синтазой. Электрохимический  градиент является также движущей силой  ряда транспортных систем.

Так же митохондрии  хранят наследственный материал в виде митохондриальной ДНК.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

2. Теории возникновения митохондриальной ДНК

Согласно  эндосимбиотической теории, митохондриальная ДНК произошла от кольцевых молекул  ДНК бактерий и поэтому имеет  иное происхождение, чем ядерный  геном. Сейчас преобладает точка  зрения, согласно которой митохондрии  имеют монофилетическое происхождение, то есть были приобретены предками эукариот лишь однажды.

На основании  сходства в последовательностях  нуклеотидов ДНК ближайшими родственниками митохондрий среди ныне живущих  прокариот считают альфа-протеобактерий (выдвигалась также гипотеза, что  к митохондриям близки риккетсии). Сравнительный  анализ геномов митохондрий показывает, что в ходе эволюции происходило  постепенное перемещение генов  предков современных митохондрий  в ядро клетки. Необъяснимыми с  эволюционной точки зрения остаются некоторые особенности митохондриальной ДНК (например, довольно большое число  интронов, нетрадиционное использование  триплетов и др.). Ввиду ограниченного  размера митохондриального генома бо́льшая часть митохондриальных белков кодируется в ядре. При этом бо́льшая часть митохондриальных тРНК кодируются митохондриальным геномом.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

3. Митохондрия и ее геном

Митохондрии - важнейшие клеточные органеллы, которые присутствуют во всех эукариотических  организмах и являются энергетическими  станциями клетки. В них осуществляются реакции клеточного дыхания, идущие с выделением энергии, которая запасается в виде аденозинтрифосфорной кислоты (АТФ). Митохондрии, как и пластиды, - это относительно автономные органеллы. Они отграничены двойной мембраной  и имеют собственную генетическую систему. Исследование генома митохондрий  выявило совершенно уникальные его  особенности. Первое шокирующее сообщение  пришло в 1979 году, когда было обнаружено, что в митохондриях нередки отклонения от универсального генетического кода. Эти отклонения были найдены позже  во многих организмах, особенно в митохондриях животных и грибов. Так, в митохондриях человека кодон АУА кодирует аминокислоту метионин вместо изолейцина в стандартном  коде. Кодоны АГА и АГГ, в стандартном  коде кодирующие аргинин, являются стоп-кодонами, а кодон УГА, в стандартном  коде являющийся стоп-кодоном, кодирует триптофан. Митохондрии растений, по-видимому, используют нормальный генетический код.

Другой  необычной чертой митохондрий является особенность узнавания кодонов  транспортными РНК, что приводит к тому, что одна молекула узнает сразу четыре кодона. Указанное изменение  митохондриального генетического  кода уменьшает значимость третьего нуклеотида в кодоне и приводит к  тому, что требуется меньше транспортных РНК. Всего 22 транспортных РНК достаточно для узнавания всех 64 кодонов, тогда  как для обычных рибосом их должно быть не менее 32 (в некоторых  организмах найдено до 61).

В митохондриальной генетической системе содержится запись некоторых (но далеко не всех) митохондриальных белков и большинства митохондриальных РНК (иногда за исключением нескольких маленьких РНК, в том числе  части транспортных РНК, которые  транспортируются в митохондрию  из цитоплазмы). Митохондриальный геном  кодирует 13 субъединиц комплексов дыхательной  цепи. Ядерный геном кодирует остальные  белки - переносчики электронов, митохондриальные транслоказы, компоненты транспорта белков в митохондрии, факторы, необходимые  для транскрипции, трансляции и репликации митохондриальной ДНК. Поэтому можно  сказать, что функционирование митохондрии  представляет собой диалог между  двумя геномами: митохондриальным и  ядерным. Некоторые митохондриальные гены представлены копиями в ядерном (а у растений и в хлоропластном) геноме.

Особенность митохондриального генома многих организмов - это необычайно частое изменение  структуры синтезированной РНК, так называемое редактирование. Иными  словами, митохондриальный геном содержит немало ошибок, исправляемых в процессе созревания матричных РНК. У высших растений исправляется от 3 до 15% нуклеотидов (в отдельных мРНК до 40%), у простейших - до 50%. В водорослевых митохондриях редактирование отсутствует, что свидетельствует  о том, что данное свойство появилось  в эволюции в связи с выходом  растений на сушу. Редактирование наблюдается  и в пластидах, но там оно составляет всего около 0,13% кодонов. Редактирование включает обычно замену Ц на У в  строго определенных местах, но в некоторых  случаях, наоборот, происходит замена У на Ц. Процесс осуществляется специфическими ферментами, исправлению подвергаются различные участки РНК, преимущественно  участки, кодирующие аминокислоты, но могут модифицироваться последовательности, соответствующие стоп-кодонам, а  также последовательности внутри интронов (участки, вырезаемые при "созревании" РНК - сплайсинге). Сплайсинг имеет  место в митохондриях, хотя он почти  отсутствует у эубактерий, от которых  они произошли. Более того, вырезаемые участки (интроны) митохондрий могут  кодировать белки (матюразы), функция  которых - осуществлять сам этот процесс  вырезания.

РНК-редактирование включает разнообразные механизмы. Оно, в частности, приводит к формированию функциональных транспортных РНК митохондрий  и возникло, по-видимому, как механизм, предотвращающий накопление мутаций  в асексуальных генетических системах. Митохондрии являются такой системой, поскольку они размножаются путем  деления. Однако общие закономерности редактирования и чем оно обусловлено  еще надлежит выяснить.

В митохондриях иногда наблюдается и перекрывание генов. Так, в митохондриальном геноме курицы ген тирозиновой транспортной РНК перекрывается одним нуклеотидом  с геном цистеиновой транспортной РНК. Этот нуклеотид исходно гуаниновый, но он подвергается редактированию и  превращается в адениновый нуклеотид. Митохондрии животных содержат очень  маленькие рибосомы, определяемые по коэффициенту седиментации при центрифугировании  как 55S. При этом две большие рибосомные РНК также имеют меньшие размеры, чем у прокариот, а малая рибосомная РНК вообще отсутствует. Часть рибосомных белков также отсутствует. (Напомним, что митохондрии эукариот имеют значение 80S, соответствующее молекулярной массе около 4 млн дальтон, а митохондрии прокариот - 70S, соответствующее молекулярной массе 2,7 млн дальтон.) В митохондриях растений, напротив, рибосомы более сходны с прокариотическими по размерам и строению.

Митохондрии имеют систему репликации ДНК, сходную  с таковой у прокариот, но имеющую  свои особенности у разных организмов. Система транскрипции и трансляции также различается в митохондриях разных организмов. Особенности строения рибосомных РНК митохондрий животных и человека обусловливают, в частности, тот факт, что трансляция практически  не ингибируется эритромицином и  хлорамфениколом (левомицетином) - мощными  ингибиторами трансляции прокариот. Данная особенность обусловила относительно невысокую токсичность этих веществ  для человека и возможность их применения в качестве антибиотиков.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

4. Формы и число молекул митохондриальной ДНК

Электронная микроскопия демонстрирует определённую локализацию мтДНК в митохондриях человека (рис 1).

Рис. 1. Разрешение 200 нм. (A) Сечение через цитоплазму после окрашивания мтДНК частичками золота. (B) Цитоплазма после экстракции; мтДНК, связанные с частичками золота, остались на месте. Из статьи Iborra et al., 2004.

У большинства  изученных организмов митохондрии  содержат только кольцевые молекулы ДНК, у некоторых растений одновременно присутствуют и кольцевые, и линейные молекулы, а у ряда протистов (например, инфузорий) имеются только линейные молекулы.