Una parte importante de los lectores de mis blogs, por supuesto, en un grado u otro tienen una idea de la esencia y naturaleza de la herencia del ADN mitocondrial. Gracias a la disponibilidad de pruebas comerciales, muchos de mis (sobre)lectores han identificado haplotipos mitocondriales en regiones individuales de la mitocondria (CR, HVS1, HVS2), y algunos incluso tienen una secuencia mitocondrial completa (las 16571 posiciones). Así, muchos pudieron arrojar luz sobre su “genealogía profunda”, remontándose al punto común de coalición de todas las líneas genéticas femeninas actualmente existentes. Los genetistas pop románticos llamaron a este punto “Eva mitocondrial”, aunque este punto sigue siendo sólo una abstracción matemática y, por eso, cualquier nombre es puramente convencional.
Una breve excursión para principiantes.
El ADN mitocondrial (en adelante ADNmt) se transmite de madre a hijo. Dado que sólo las mujeres pueden transmitir el ADNmt a su descendencia, las pruebas de ADNmt proporcionan información sobre la madre, su madre, etc., a través de la línea materna directa. Tanto hombres como mujeres reciben ADNmt de su madre, razón por la cual tanto hombres como mujeres pueden participar en las pruebas de ADNmt. Aunque se producen mutaciones en el ADNmt, su frecuencia es relativamente baja. A lo largo de miles de años, estas mutaciones se han acumulado y, por esta razón, la línea femenina de una familia es genéticamente diferente de otra. Después de que la humanidad se extendió por todo el planeta, las mutaciones continuaron apareciendo aleatoriamente en poblaciones separadas por la distancia de la raza humana que alguna vez estuvo unida. Por esta razón, el ADNmt se puede utilizar para determinar el origen geográfico de un grupo familiar determinado. Los resultados de las pruebas de ADNmt se comparan con la llamada "Secuencia estándar de Cambridge" (CRS), la primera secuencia de ADNmt establecida en 1981 en Cambridge (* nota: el uso de CRS como mitosecuencia de referencia está actualmente bajo revisión). Como resultado, los científicos establecen el haplotipo de la persona en estudio. Un haplotipo es su característica genética individual. Cuando lo miras, el ADNmt es tu conjunto de desviaciones de la "secuencia estándar de Cambridge". Después de comparar su secuencia con secuencias de la base de datos, se determina su haplogrupo. Un haplogrupo es una característica genética de una determinada comunidad de personas que tenían una "bisabuela" común, más reciente que la "Eva mitocondrial". Sus ancestros antiguos a menudo se movían en el mismo grupo durante las migraciones. El haplogrupo muestra a qué rama genealógica de la humanidad perteneces. Se designan mediante letras del alfabeto, de la A a la Z, además de numerosos subgrupos. Por ejemplo, haplogrupos europeos: H, J, K, T, U, V, X. Medio Oriente: N y M. Asiático: A, B, C, D, F, G, M, Y, Z. Africano: L1 , L2 , L3 y M1. Polinesio - B. Indios americanos - A, B, C, D y raramente X. Recientemente, se han agregado N1, U4, U5 y W a los haplogrupos europeos.
Centrémonos en los mitohaplogrupos europeos: H, J, K, T, U, V, X, N1, U4, U5 y W. La mayoría de ellos, a su vez, se dividen en subclados hijos (ramas hijas, por ejemplo, el subclado hijo del haplogrupo U5 - subclado U5b1 (“Úrsula”), cuyo pico de distribución ocurre en los estados bálticos y Finlandia. Vale la pena señalar que las matriarcas Las líneas femeninas a menudo reciben simplemente nombres femeninos. La base de esta tradición la sentó el autor del libro "Las siete hijas de Eva", Brian Sykes, quien ideó nombres para los supuestos antepasados de la mayoría de la población europea. Ursula (haplogrupo U), Ksenia (X), Elena (H), Velda (V), Tara (T), Catherine (K) y Jasmine (J). Es posible rastrear y mapear las carreteras principales por las que ellas y el resto de nuestras tatarabuelas deambularon en el tiempo y el espacio, y calcular el tiempo estimado para cada bifurcación: la aparición de una nueva mutación, de las primeras "hijas de Eva". ” al más reciente: los haplogrupos I y V, que "sólo" tienen unos 15.000 años.
A menudo hago la pregunta: ¿en qué se diferencia el ADN nuclear del ADNmt? Según los conceptos científicos modernos, hace miles de millones de años las mitocondrias eran bacterias independientes que se asentaban en las células de los organismos eucarióticos primitivos (que tenían un núcleo celular con cromosomas lineales) y “asumían” la función de producir calor y energía en las células huésped. Durante su vida juntos, perdieron algunos de sus genes por considerarlos innecesarios mientras vivían con todo listo, algunos fueron transferidos a cromosomas nucleares y ahora el doble anillo del ADNmt humano consta de solo 16.569 pares de bases de nucleótidos. La mayor parte del genoma mitocondrial está ocupada por 37 genes. Debido a la alta concentración de radicales libres de oxígeno (subproductos de la oxidación de la glucosa) y la debilidad del mecanismo de reparación de errores durante la copia del ADN, las mutaciones en el ADNmt ocurren con un orden de magnitud más frecuente que en los cromosomas nucleares. La sustitución, pérdida o adición de un nucleótido ocurre aquí aproximadamente una vez cada 100 generaciones, aproximadamente 2500 años. Las mutaciones en los genes mitocondriales (alteraciones en el funcionamiento de las plantas de energía celular) causan muy a menudo enfermedades hereditarias. La única función de las mitocondrias es la oxidación de la glucosa a dióxido de carbono y agua y la síntesis utilizando la energía del combustible celular liberado durante este proceso: ATP y el agente reductor universal (portador de protones) NADH. (NADH es nicotinamida adenina dinucleótido; intente pronunciarlo sin dudarlo). Incluso esta simple tarea requiere docenas de enzimas, pero la mayoría de los genes de proteínas necesarios para el funcionamiento y mantenimiento de las mitocondrias se han transferido durante mucho tiempo a los cromosomas del "huésped". células. En el ADNmt, sólo quedan los genes de ARN de transferencia que suministran aminoácidos a los ribosomas que sintetizan proteínas (indicados por símbolos latinos de una sola letra de los aminoácidos correspondientes), dos genes de ARN ribosómico: ARN 12s y ARN 16s (los genes de las proteínas ribosómicas mitocondriales están ubicados en el núcleo celular) y algunos (no todos) genes proteínas de las principales enzimas mitocondriales: complejo NADH deshidrogenasa (ND1-ND6, ND4L), citocromo c oxidasa (COI-III), citocromo b (CYTb) y dos subunidades de proteínas de la enzima ATP sintetasa (ATPasa8 y 6). Para las necesidades de genealogía molecular o de ADN, se utiliza una región no codificante: Bucle D, que consta de dos regiones hipervariables, de baja y alta resolución: HVR1 (GVS1) y HVR2 (GVS2).
Vale la pena decir algunas palabras sobre la importancia del estudio del ADNmt desde el punto de vista de la genética médica.
Por supuesto, ya se han realizado estudios sobre la asociación de determinadas enfermedades con líneas genéticas femeninas individuales. Por ejemplo, un estudio sugirió que la descomposición de la fosforilación oxidativa de los mitocloriones asociados con el SNP que define el haplogrupo J(asmina) provoca un aumento de la temperatura corporal en el fenotipo de los portadores de este haplogrupo. Esto se debe a la mayor presencia de este haplogrupo en el norte de Europa, en particular en Noruega. Además, según otro estudio, las personas con el haplogrupo J mitocondrial desarrollan el SIDA más rápido y mueren más rápido en comparación con otras personas infectadas por el VIH. Los estudios indicaron que las mutaciones mitocondriales filogenéticamente significativas implicaban el patrón de expresión genética en el fenotipo.
Además, el haplogrupo T mitocondrial hermano de J se asocia con una motilidad reducida de los espermatozoides en los hombres. Según una publicación del Departamento de Bioquímica y Biología Celular Molecular de la Universidad de Zaragoza, el haplogrupo T representa una predisposición genética débil a la astenozoospermia. Según algunos estudios, la presencia del haplogrupo T se asocia con un mayor riesgo de enfermedad de las arterias coronarias. Según otro estudio, los portadores de T tienen menos probabilidades de desarrollar diabetes. Varios estudios médicos piloto han demostrado que tener el haplogrupo T se asocia con un riesgo reducido de sufrir las enfermedades de Parkinson y Alzheimer.
Sin embargo, el siguiente ejemplo muestra que los resultados del análisis de la conexión entre las líneas genéticas femeninas y las enfermedades a menudo se contradicen entre sí. Por ejemplo, los portadores del mitohaplogrupo europeo más antiguo, el Reino Unido, son poco susceptibles al síndrome de inmunodeficiencia adquirida. Y al mismo tiempo, un subgrupo, el U5a, se considera especialmente susceptible al síndrome de inmunodeficiencia adquirida.
Estudios anteriores han demostrado una correlación positiva entre la pertenencia al haplogrupo U y el riesgo de cáncer de próstata y colorrectal. El haplogrupo K (Catherine), que desciende del Reino Unido a través del subclado U8, así como sus líneas parentales, se caracteriza por un mayor riesgo de accidente cerebrovascular y oftalmoplejía crónica progresiva.
Los hombres que pertenecen a la línea femenina dominante H en Europa (Helen - Helena, una rama del grupo combinado H) se caracterizan por tener el menor riesgo de astenozoospermia (una enfermedad en la que disminuye la motilidad de los espermatozoides). Este haplogrupo también se caracteriza por una alta resistencia corporal. y resistencia a la progresión del SIDA. Al mismo tiempo, H se caracteriza por un alto riesgo de desarrollar la enfermedad de Alzheimer. En comparación, el riesgo de desarrollar la enfermedad de Parkinson en portadores de la línea genética femenina H (Helen) es mucho mayor que el riesgo es similar entre los representantes de la línea (JT) Además, los representantes de Lynn H tienen la mayor resistencia a la sepsis.
Los representantes de las líneas mitocondriales I, J1c, J2, K1a, U4, U5a1 y T tienen un riesgo reducido (en comparación con el promedio) de desarrollar la enfermedad de Parkinson. Las mujeres de las líneas genéticas I (Irene), J (Jasmine) y T ( Tara) dio a luz a más centenarios, razón por la cual los genetistas pop llaman en broma a estos mitohaplogrupos haplogrupos de centenarios. Pero no todo es tan bueno. Algunos miembros de los subclados de los haplogrupos J y T (especialmente J2) padecen una rara enfermedad genéticamente determinada (neuropatía óptica hereditaria de Leber), asociada con la expresión de un gen responsable de la ceguera heredada de la madre.
La pertenencia al mitohaplogrupo N es un factor en el desarrollo del cáncer de mama. Sin embargo, lo mismo se aplica a otros mitohaplogrupos europeos (H, T, U, V, W, X), a excepción de K. Finalmente, los portadores de la línea mitocondrial femenina X (“Ksenia”) tienen una mutación en las mitocondrias que aumenta el riesgo de desarrollar diabetes tipo II, miocardiopatía y cáncer de endometrio. Los representantes del macromitohaplogrupo IWX combinado tienen la mayor resistencia al desarrollo del SIDA.
Las mitocondrias también desempeñan un papel importante en la genética deportiva, que ha surgido hace relativamente poco tiempo.
A menudo, al leer descripciones de medicamentos deportivos y complementos alimenticios, me encontré con la mención de que uno u otro elemento activo del medicamento acelera el metabolismo o el transporte de ciertos compuestos a las mitocondrias. Se trata principalmente de L-carnitina, creatina y BCAA. Dado que la mitocondria actúa como generador de energía en la célula, estas observaciones me parecen lógicas y plausibles.
Por lo tanto, consideremos esta cuestión con más detalle.
Según algunos científicos, la deficiencia de energía conduce a un envejecimiento prematuro del cuerpo. Cuanta menos energía haya en las células, menos esfuerzo se destinará a la restauración y eliminación de toxinas. Como dicen: "No me importa la grasa, desearía estar viva". Pero siempre hay una salida:una dieta saludable y pequeños ajustes bioquímicos pueden reiniciar las plantas de energía celular. Y lo primero que te aconsejan recordar es la carnitina.
A partir de la edad adulta, las mitocondrias, las centrales eléctricas de las células, comienzan a ralentizarse, lo que conduce a una disminución de la producción de energía. La célula avanza hacia la austeridad, en la que ni siquiera vale la pena soñar con el modo “postcombustión”. La falta de energía conduce a la disfunción de otros orgánulos celulares y nuevamente afecta a las mitocondrias. Círculo vicioso. Este es el envejecimiento, o más precisamente, su manifestación interna.
"Eres tan joven como tus mitocondrias", le gusta decir al nutricionista Robert Crichon. Tras dedicar muchos años al estudio de la bioquímica de las células, encontró una forma de influir en la producción de energía de las mitocondrias: el envejecimiento. Este método es la carnitina y su forma activa L-carnitina.
La carnitina no es un aminoácido porque no contiene un grupo amino (NH2). Es más bien una coenzima o, si se prefiere, un compuesto parecido a una vitamina soluble en agua. ¿Por qué la carnitina atrae la atención de los nutricionistas?
Como sabes, los ácidos grasos son el principal combustible de los músculos, especialmente del miocardio. Aproximadamente el 70% de la energía se produce en los músculos al quemar grasa. La carnitina transporta ácidos grasos de cadena larga a través de la membrana mitocondrial. El cuerpo sintetiza una pequeña cantidad de carnitina (alrededor del 25%) a partir del aminoácido lisina. El 75% restante debemos obtenerlo de los alimentos.
Pero hoy tenemos muy poca carnitina. Se dice que nuestros antepasados consumían al menos 500 mg de carnitina al día. La persona promedio en la sociedad moderna recibe sólo 30-50 mg por día de los alimentos...
La deficiencia de carnitina conduce a una disminución de la producción de energía y a la degeneración. Menos energía significa reservas fisiológicas más pobres. El cuadro clásico es el de personas mayores cuyos cuerpos están experimentando una “crisis energética”. Si el cuerpo tuviera suficiente energía, podría construir y renovar con éxito las membranas celulares, mantener la integridad de las estructuras celulares y proteger la información genética. Nuestro sistema inmunológico también depende de una producción adecuada de energía.
Robert Crichon cree que necesitamos más carnitina a medida que el cuerpo comienza a declinar. Este es un paso hacia rejuvenecer y energizar las células para que puedan funcionar mejor y también protegerse de los radicales libres y patógenos. [
Por cierto, hace un año y medio realicé un examen piloto con un fisiólogo para determinar la edad biológica. Según la tabla del fisiólogo, los resultados de la medición correspondían con mayor precisión a la edad biológica de 28 años. Si el Sr. Robert Crichon tiene razón, entonces mis mitocondrias son 7 años más jóvenes que la edad de mi pasaporte)). Pero muchos de mis compañeros ya viven endeudados con la naturaleza (nuevamente, a expensas de sus mitocondrias)].
La carne, el pescado, la leche, los huevos, el queso y otros productos animales contienen generalmente suficiente carnitina. El cordero y el cordero son fuentes particularmente potentes. El aguacate y el tempeh son las fuentes vegetales preferidas.
Por supuesto, los animales solían pastar en pastos y comer hierba. Esto fue genial porque en este caso los productos animales contenían grandes cantidades de carnitina y ácidos grasos saludables omega-3, que se complementan entre sí. Esto permitió que los cuerpos de nuestros antepasados quemaran grasas de manera efectiva y tuvieran un cuerpo fuerte. Hoy en día, el ganado se alimenta con cereales, en los que predominan los ácidos grasos omega-6, que tienen un efecto proinflamatorio, y los niveles de carnitina han disminuido. Por eso ahora, comer carne roja todos los días ya no es una alternativa saludable. Pero detengámonos ahí.
Hay un punto más que vale la pena mencionar. Sería ingenuo afirmar que la carnitina puede salvar a una persona del envejecimiento de una vez por todas. No, sería demasiado fácil para la humanidad, aunque a muchos les gustaría creerlo.
La carnitina, al igual que otras sustancias beneficiosas que activan el metabolismo, es sólo uno de los muchos ayudantes. Sin embargo, no es capaz de detener radicalmente el reloj del celular, aunque sí probablemente de ralentizarlo.
Se encontró que el trabajo del miocardio isquémico se detiene cuando se agotan los recursos celulares de ácido creatinfosfórico, aunque aprox. 90% trifosfato de adenosina. Esto demostró que el trifosfato de adenosina se distribuye de manera desigual por toda la célula. No se utiliza todo el trifosfato de adenosina que se encuentra en la célula muscular, sino sólo una parte determinada, concentrada en las miofibrillas. Los resultados de experimentos posteriores demostraron que la conexión entre las reservas celulares de trifosfato de adenosina se realiza mediante las isoenzimas de ácido creatinfosfórico y creatina quinasa. En condiciones normales, la molécula de trifosfato de adenosina sintetizada en las mitocondrias transfiere energía a la creatina, que, bajo la influencia de la isoenzima creatina quinasa, se convierte en ácido creatinfosfórico. El ácido creatina fosfórico pasa a la localización de las reacciones de la creatina quinasa, donde otras isoenzimas de creatina quinasa aseguran la regeneración del trifosfato de adenosina a partir del ácido creatina fosfórico y el difosfato de adenosina. La creatina liberada en este caso pasa a las mitocondrias y el trifosfato de adenosina se utiliza para producir energía, incl. para la tensión muscular. La intensidad de la circulación de energía en la célula a lo largo de la vía de la creatina-fósforo es mucho mayor que la velocidad de penetración del trifosfato de adenosina en el citoplasma. Esta es la razón de la caída de la concentración de ácido creatinfosfórico en la célula y provoca una disminución de la tensión muscular incluso cuando el suministro celular principal de trifosfato de adenosina no se ve afectado.
Desafortunadamente, las personas involucradas en la genética deportiva prestan muy poca atención a las mitocondrias. Todavía no he visto un estudio de los resultados de los culturistas divididos en grupos de control según su pertenencia a grupos mitocondriales (suponiendo que sus otros "indicadores" sean los mismos). Por ejemplo, el diseño experimental podría verse así: seleccionamos culturistas de la misma edad, peso, altura, composición muscular y experiencia. Los invitamos a realizar una serie de ejercicios de fuerza idénticos (por ejemplo, el número máximo de series de press de banca con un peso de 95-100 kg). Comparamos los resultados y los analizamos en base a información a priori sobre los mitogrupos de los deportistas. . Luego les damos a los atletas una dieta combinada de creatina, levocarnitina, glutamina y aminoácidos. Después de un tiempo, repetimos la prueba, comparamos los resultados y sacamos conclusiones sobre la presencia/ausencia de una correlación con el tipo de ADNmt.
Creo que mi investigación amateur sobre las mitocondrias puede, en última instancia, iluminar a la humanidad. Es cierto que las mitocondrias me interesan no sólo y no tanto en la genealogía y las cuestiones médicas, sino también en las cuestiones de la psicogenética, en particular en los aspectos de la interacción entre personas de diferentes mitohapogrupos. Me tomé la libertad de llamar psicosociónica a esta área de investigación. Aprovechando la rara oportunidad de observar (durante 4 años) la interacción de personas de diferentes mitohaplogrupos en al menos 5 foros en inglés y 2 foros en ruso, noté una tendencia interesante. Desafortunadamente, no tuve tiempo de articular claramente este patrón en los términos discursivos del lenguaje científico de la popgenética; todo está todavía en el nivel de observaciones preliminares. Pero tal vez, si puedo formular mi observación, pasará a la historia de la genética de poblaciones como Ley Verenich-Zaporozhchenko.
Mis observaciones se basan en el estudio de las interacciones entre los tres principales mitohaplogrupos resumidos europeos (JT, HV, Reino Unido). Desafortunadamente, los mitohaplogrupos europeos I, W, X (así como los mitogrupos exóticos y menores) debido a la falta de representatividad de la muestra no se incluyeron en el campo de mi investigación. Brevemente, estas observaciones se reducen a los siguientes puntos:
1) la interacción más densa y productiva se observa entre representantes de un haplogrupo combinado (por ejemplo, entre representantes de diferentes subclados J y T). Quizás este hecho pueda explicarse por un mecanismo evolutivo que determina a nivel genético (permítanme recordarles que el mitoDNA se hereda estrictamente por línea materna) el apego de un niño a su madre a una edad temprana. Clark-Stewart, en su Un estudio de las relaciones tripartitas en muchas familias descubrió que la influencia de la madre sobre el niño es de carácter directo, mientras que el padre a menudo influye en el bebé de forma indirecta, a través de la madre (Clarke-Stewart K.A., 1978). Esta influencia se interpola posteriormente en la interacción con representantes de mitohaplogrupos similares (la base psicogenética de esta influencia aún no se ha identificado científicamente). Por lo tanto, no es sorprendente que entre sus compañeros haplogrupos las personas encuentren personas de ideas afines más confiables.
2) Los representantes de JT y HV son antípodas entre sí: es entre ellos donde se observa la interacción más antagónica, que a menudo conduce a conflictos. Las razones del antagonismo aún están por estudiarse.
3) Los representantes del mitogrupo del Reino Unido, por regla general, se caracterizan por una actitud neutral tanto hacia JT como hacia HV. Las relaciones con ambos grupos son puramente comerciales y neutrales.
Como estaba interesado en las razones de una división tan obvia, pedí consejo a Valery Zaporozhchenko, el principal especialista mundial en ADNmt (es autor de uno de los programas filogenéticos más eficaces, MURKA, tiene la colección privada de mitohaplotipos más grande del mundo). y secuencias genómicas completas, y es coautor de varias publicaciones importantes sobre mitoDNA).Valery dio una respuesta algo inusual, pero si lo piensas bien, lógica.La esencia de su respuesta fue que el antagonismo entre JT y HV podría explicarse por la "memoria genética". El hecho es que el haplogrupo HV penetró en Europa en algún lugar del cruce del Mesolítico y el Neolítico a través de la ruta del norte.Paralelamente a este haplogrupo, el género femenino JT ingresó a Europa, pero la ruta migratoria discurría un poco hacia el sur. Lo más probable es que hubiera cierta competencia entre ambos grupos (JT y HV), ya que tanto JT como HV ocupaban el mismo nicho (agricultores neolíticos). APor cierto, la misma introspección histórica explica la neutralidad del mitogrupo UK en relación con HV y JT. Como es generalmente aceptado ahora, Gran Bretaña (que es el mitogrupo más antiguo de Europa) en los albores de la revolución neolítica y la aparición del Neolítico antes mencionado.Estos grupos estaban representados principalmente entre los cazadores-recolectores europeos del Mesolítico. Dado que ocupaban un nicho completamente diferente, los representantes del Reino Unido simplemente no tenían nada que compartir con HV y JT.
El mejor ejemplo de mitoconflicto es el conflicto que ya dura cinco años entre dos mentes brillantes de la genética y la antropología amateur: Dienek Pontikos (cuyo mitogrupo es T2) y David "Polako" Veselovsky (cuyo mitogrupo es H7). Esto no es una confirmación del potencial de conflicto de la interacción entre los mitogrupos JT y HV. Esto es como el conocido experimento con 1 g de polvo o polvo de hierro y 2 g de nitrato de potasio seco, previamente molido en un mortero. Tan pronto como se colocan uno al lado del otro, comienza una reacción violenta con la liberación de chispas, humo marrón y un fuerte calentamiento. En este caso, el aspecto de la mezcla se asemeja a la lava al rojo vivo. Cuando el nitrato de potasio reacciona con el hierro, se forman ferrato de potasio y monóxido de nitrógeno gaseoso que, cuando se oxida en el aire, produce un gas marrón: dióxido de nitrógeno. Si el residuo sólido después del final de la reacción se coloca en un vaso de agua hervida fría, se obtiene una solución rojo violeta de ferrato de potasio, que se descompone en unos minutos.))
¿Cuáles son las consecuencias prácticas de estas observaciones? Actualmente, se está desarrollando rápidamente una de las ramas de la llamada conflictología, asociada a la evaluación de la compatibilidad de los individuos en un grupo. Naturalmente, esta industria encuentra su expresión más práctica en la resolución de problemas prácticos (por ejemplo, casting o selección de personal). Por supuesto, el personal contratado se evalúa principalmente por sus conocimientos profesionales, habilidades, habilidades y experiencia laboral. Pero un factor importante es evaluar la compatibilidad de los reclutas con el equipo y la dirección ya establecidos. Una evaluación a priori de este factor es difícil, y ahora esta evaluación se realiza principalmente con la ayuda de pruebas psicológicas, en cuyo desarrollo y pruebas las grandes corporaciones e instituciones (por ejemplo, la NASA al seleccionar un equipo de astronautas) gastan grandes cantidades. de dinero. Sin embargo, ahora, en el umbral del desarrollo de la psicogenética, estas pruebas pueden ser reemplazadas por un análisis de compatibilidad determinada genéticamente.
Por ejemplo, supongamos que tenemos un determinado grupo de especialistas contratados que cumplen con los requisitos formales para el empleo y tienen la competencia adecuada. Hay un equipo en el que, digamos, están presentes los tres macrogrupos JT, HVy Reino Unido. Si yo fuera gerente, los nuevos reclutas serían asignados a ciertos grupos de personas según las tareas asignadas:
1) Si la implementación de una determinada tarea requiere la presencia de un grupo cercano de personas con ideas afines, entonces la mejor opción es crear un grupo de personas que pertenezcan al mismo macrohaplogrupo.
2) Si el grupo está trabajando para encontrar nuevas soluciones y utiliza métodos como la “lluvia de ideas” en su trabajo, es necesario colocar a estos reclutas en el entorno de antagonistas (JT a HV, y viceversa).
3) Si los principios del trabajo del grupo se basan puramente en relaciones comerciales/formales, entonces la dirección debe garantizar que el grupo tenga un número suficiente de representantes en el Reino Unido que actuarán como amortiguador entre los JT y los HV en conflicto.
Si se desea, se pueden utilizar los mismos principios como base para la selección del cónyuge “con motivación científica”. Como mínimo, evaluar la compatibilidad de una pareja (o más bien, evaluar la naturaleza de la compatibilidad) será mucho más plausible que evaluar la compatibilidad en los servicios de citas modernos, que se basan en pruebas psicológicas y astrológicas primitivas. Por cierto, el único servicio comercial de datación por ADN explota estrictamente los haplotipos del complejo de histocompatibilidad. La lógica es que, como han demostrado los científicos, las personas suelen elegir parejas con el haplotipo HLA más opuesto.
Los diferentes componentes genéticos en la población noruega revelados por el análisis de los polimorfismos del ADNmt y del cromosoma Y y los haplogrupos del ADN mitocondrial influyen en la progresión del SIDA.
La selección natural dio forma a la variación regional del ADNmt en humanos Ruiz-Pesini E, Lapeña AC, Díez-Sánchez C, et al. (Septiembre de 2000). "Haplogrupos de ADNmt humano asociados con una motilidad alta o reducida de los espermatozoides". Soy. J. Hum. Gineta. 67(3):682–96. DOI:10.1086/303040. PMID 10936107.
Mitocondria: 30 El haplogrupo T mitocondrial está asociado con la enfermedad de las arterias coronarias Los portadores del haplotipo 'T' del ADN mitocondrial son menos propensos a la diabetes « Blog de antropología de Mathilda
“En otros lugares se ha informado que la pertenencia al haplogrupo T puede ofrecer cierta protección contra la enfermedad de Alexander Belovzheimer (Chagnon et al. 1999; Herrnstadt et al. 2002) y también contra la enfermedad de Parkinson (Pyle et al. 2005), pero las palabras de advertencia de Pereira et al. Sugieren que pueden ser necesarios más estudios antes de llegar a conclusiones firmes".
Los haplogrupos del ADN mitocondrial influyen en la progresión del SIDA.
La selección natural dio forma a la variación regional del ADNmt en humanos
Ruiz-Pesini E, Lapeña AC, Díez-Sánchez C, et al. (Septiembre de 2000). "Haplogrupos de ADNmt humano asociados con una motilidad alta o reducida de los espermatozoides". Soy. J. Hum. Gineta. 67(3):682–96. DOI:10.1086/303040. PMID 10936107.
Mitocondria: 30 El haplogrupo T mitocondrial está asociado con la enfermedad de las arterias coronarias
Los portadores del haplotipo 'T' del ADN mitocondrial son menos propensos a la diabetes « Blog de antropología de Mathilda
"En otros lugares se ha informado que la pertenencia al haplogrupo T puede ofrecer cierta protección contra
Las mitocondrias se encuentran no sólo en las células vegetales, sino también en las células animales y fúngicas. Estos orgánulos son más versátiles que los plastidios. El ADN en las mitocondrias se descubrió por primera vez en 1963 (M. Naas), inmediatamente después del descubrimiento del ADN en los plastidios. A pesar de la similitud de las funciones y la estructura de las mitocondrias en los tres reinos de los eucariotas, su organización genética es bastante diferente, por lo que la organización de los genomas mitocondriales en estos reinos generalmente se considera por separado, identificando características comunes de la organización del genoma.
La composición fisicoquímica del ADN mitocondrial es diferente en los distintos reinos. En las plantas es bastante constante: del 45 al 47% del ADN está formado por pares de GC. En animales y hongos varía más significativamente: del 21 al 50% de los pares HC.
En animales multicelulares, el tamaño del genoma mitocondrial oscila entre 14,5 y 19,5 kb. En la práctica, siempre se trata de una molécula de ADN circular. Por ejemplo, el ADN mitocondrial humano es una molécula circular que mide 16.569 pares de nucleótidos. Este tamaño se puede expresar en otras unidades, en forma de peso molecular, 10 6 daltons o en forma de longitud del contorno molecular, 5 micrones. La estructura primaria de esta molécula está completamente determinada. Las mitocondrias contienen su propio aparato de traducción, es decir, Ribosomas propios 70S, similares a los cloroplastos o procarióticos y formados por dos subunidades, ARN mensajero propio, enzimas necesarias y factores proteicos. Su genoma codifica ARN ribosómicos 12S y 16S, así como 22 ARN de transferencia. Además, el ADN mitocondrial codifica 13 polipéptidos, de los cuales 12 han sido identificados. Todas las secuencias codificantes se encuentran una al lado de la otra. En casos extremos, están separados por sólo unos pocos nucleótidos. Secuencias no codificantes, es decir sin intrones. A continuación de la secuencia codificante casi siempre hay un gen de ARN de transferencia. Por ejemplo, el orden es el siguiente: ARN de transferencia de fenilalanina - gen de ARN ribosómico 12S - ARN de transferencia de valina - gen de ARN ribosómico 16S - ARN de transferencia de leucina, etc. Este orden es característico no sólo de las mitocondrias humanas, es muy conservador y característico de todos los animales: moscas de la fruta, toros, ratones, pájaros, reptiles y otros animales.
La mayoría de los genes se encuentran en la cadena pesada; en la cadena ligera solo hay genes para ocho ARN de transporte y un gen estructural. Por tanto, a diferencia de todos los demás genomas, en el genoma mitocondrial ambas cadenas tienen significado.
Aunque el orden de los genes en las mitocondrias animales es el mismo, se ha descubierto que los genes mismos tienen una conservación diferente. La más variable es la secuencia de nucleótidos del origen de replicación y varios genes estructurales. Las secuencias más conservadas se encuentran en genes de ARN ribosómico y en algunos genes estructurales, incluida la secuencia codificante de ATPasa.
Cabe señalar que la universalidad del código genético se ve alterada en el genoma mitocondrial. Por ejemplo, las mitocondrias humanas utilizan el triplete AUA como codón para la metionina, no la isoleucina, como todos los demás, y el triplete UGA, utilizado en el diccionario genético estándar como codón de terminación, codifica el triptófano en las mitocondrias.
En general, el ADN mitocondrial humano tiene el mismo aspecto que el de otros mamíferos: ratones y toros. A pesar de que están lejos de ser especies estrechamente relacionadas, los tamaños de su ADN mitocondrial son bastante parecidos entre sí: 16.569; 16.295; y 16.338 pares de bases, respectivamente. Los genes de transferencia de ARN comparten algunos genes sensoriales. Los genes estructurales más importantes son los genes de la citocromo oxidasa, la NADH deshidrogenasa, la citocromo C oxidorreductasa y la ATP sintetasa (Fig. 4).
El mapa del genoma mitocondrial humano, además de los genes, también muestra cinco enfermedades humanas bien conocidas que se heredan por línea materna y son causadas por mutaciones en el genoma mitocondrial.
Por ejemplo, la enfermedad de Leber (atrofia óptica) es causada por una mutación en el gen NADH deshidrogenasa. La misma enfermedad también puede ser causada por una mutación en el gen del citocromo. b y otros lugares. En total, se sabe que cuatro loci están alterados y pueden causar el mismo fenotipo mutante. Además, el mismo mapa muestra cuatro enfermedades más asociadas con defectos en el cerebro, los músculos, el corazón, los riñones y el hígado. Todas estas enfermedades se heredan por línea materna, y si la madre no sólo tiene ADN mitocondrial y mitocondrias defectuosas, sino también normales, entonces se produce una clasificación de orgánulos mutantes y normales, y la descendencia puede tener ambos orgánulos en diferentes proporciones, y nosotros También se puede observar división somática, cuando partes individuales del cuerpo no tienen estos defectos.
Arroz. 4 Estructura del genoma mitocondrial de mamíferos basada en la secuencia completa del ADN mitocondrial humano, de ratón y bovino.
Así, el pequeño genoma mitocondrial de los animales puede codificar funciones extremadamente importantes del organismo y determinar en gran medida su desarrollo normal.
Al igual que el genoma de los plástidos, el genoma mitocondrial codifica sólo una parte de los polipéptidos mitocondriales (Tabla 1) y se observa el fenómeno de la doble codificación. Por ejemplo, algunas de las subunidades del complejo ATPasa están codificadas por el núcleo, mientras que la otra parte está codificada por el genoma mitocondrial. La mayoría de los genes que codifican los ARN y las proteínas miocondriales ribosomales, así como las enzimas de transcripción y traducción, están codificados por el núcleo celular.
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Sorpresas del genoma mitocondrial
GM idiotas
Grigory Moiseevich Dymshits, Doctor en Ciencias Biológicas, Profesor del Departamento de Biología Molecular de la Universidad Estatal de Novosibirsk, Jefe del Laboratorio de Estructura del Genoma del Instituto de Citología y Genética de la Rama Siberiana de la Academia de Ciencias de Rusia. Coautor y editor de cuatro libros de texto escolares sobre biología general.Ha pasado un cuarto de siglo desde el descubrimiento de las moléculas de ADN en las mitocondrias antes de que no sólo los biólogos moleculares y los citólogos se interesaran por ellas, sino también los genetistas, los evolucionistas, así como los paleontólogos y criminólogos, los historiadores y los lingüistas. Un interés tan generalizado fue provocado por el trabajo de A. Wilson de la Universidad de California. En 1987 publicó los resultados de un análisis comparativo del ADN mitocondrial tomado de 147 representantes de diferentes grupos étnicos de todas las razas humanas que habitan los cinco continentes. Basándose en el tipo, la ubicación y el número de mutaciones individuales, se estableció que todo el ADN mitocondrial surgió de una secuencia de nucleótidos ancestral mediante divergencia. En la prensa pseudocientífica, esta conclusión se interpretó de una manera extremadamente simplificada: toda la humanidad descendió de una mujer llamada Eva mitocondrial (tanto las hijas como los hijos reciben mitocondrias solo de su madre), que vivió en el noreste de África hace unos 200 años. hace mil años. Diez años después, fue posible descifrar un fragmento de ADN mitocondrial aislado de los restos de un neandertal y estimar la existencia del último ancestro común de humanos y neandertales hace 500 mil años.
Hoy en día, la genética mitocondrial humana se está desarrollando intensamente tanto en el aspecto poblacional como en el médico. Se ha establecido una conexión entre varias enfermedades hereditarias graves y defectos en el ADN mitocondrial. Los cambios genéticos asociados con el envejecimiento son más pronunciados en las mitocondrias. ¿Cuál es el genoma mitocondrial que se diferencia en humanos y otros animales del de plantas, hongos y protozoos en tamaño, forma y capacidad genética? ¿Cómo funciona el genoma mitocondrial y cómo surgió en diferentes taxones? Esto se discutirá en nuestro artículo.
Las mitocondrias se denominan estaciones de energía de la célula. Además de la membrana lisa exterior, tienen una membrana interior que forma numerosos pliegues: las crestas. Contienen componentes proteicos incorporados de la cadena respiratoria: enzimas involucradas en la conversión de la energía de los enlaces químicos de los nutrientes oxidados en la energía de las moléculas de ácido adenosín trifosfórico (ATP). Con esta “moneda convertible” la célula paga todas sus necesidades energéticas. En las células de las plantas verdes, además de las mitocondrias, también hay otras centrales energéticas: los cloroplastos. Funcionan con “baterías solares”, pero también forman ATP a partir de ADP y fosfato. Al igual que las mitocondrias, los cloroplastos (orgánulos que se reproducen de forma autónoma) también tienen dos membranas y contienen ADN.
Además del ADN, la matriz mitocondrial también contiene sus propios ribosomas, que se diferencian en muchas características de los ribosomas eucariotas ubicados en las membranas del retículo endoplásmico. Sin embargo, no más del 5% de todas las proteínas incluidas en su composición se forman en los ribosomas de las mitocondrias. La mayoría de las proteínas que forman parte de los componentes estructurales y funcionales de las mitocondrias están codificadas por el genoma nuclear, se sintetizan en los ribosomas del retículo endoplásmico y se transportan a través de sus canales hasta el lugar de ensamblaje. Así, las mitocondrias son el resultado de los esfuerzos combinados de dos genomas y dos aparatos de transcripción y traducción. Algunas subunidades de enzimas de la cadena respiratoria mitocondrial constan de diferentes polipéptidos, algunos de los cuales están codificados por el genoma nuclear y otros por el genoma mitocondrial. Por ejemplo, la enzima clave de la fosforilación oxidativa, la citocromo c oxidasa en la levadura, consta de tres subunidades codificadas y sintetizadas en las mitocondrias, y cuatro subunidades codificadas en el núcleo celular y sintetizadas en el citoplasma. La expresión de la mayoría de los genes mitocondriales está controlada por genes nucleares específicos.
Tamaños y formas de los genomas mitocondriales.
Hasta la fecha se han leído más de 100 genomas mitocondriales diferentes. El conjunto y número de sus genes en el ADN mitocondrial, cuya secuencia de nucleótidos está completamente determinada, varía mucho entre las diferentes especies de animales, plantas, hongos y protozoos. La mayor cantidad de genes se encontró en el genoma mitocondrial de los protozoos flagelados. Rectinomonas americana- 97 genes, incluidos todos los genes codificadores de proteínas que se encuentran en el ADNmt de otros organismos. En la mayoría de los animales superiores, el genoma mitocondrial contiene 37 genes: 13 para proteínas de la cadena respiratoria, 22 para ARNt y dos para ARNr (para la subunidad ribosomal grande 16S rRNA y para la pequeña 12S rRNA). En las plantas y los protozoos, a diferencia de los animales y la mayoría de los hongos, el genoma mitocondrial también codifica algunas proteínas que forman los ribosomas de estos orgánulos. Las enzimas clave de la síntesis de polinucleótidos molde, como la ADN polimerasa (que replica el ADN mitocondrial) y la ARN polimerasa (que transcribe el genoma mitocondrial), se cifran en el núcleo y se sintetizan en los ribosomas del citoplasma. Este hecho indica la relatividad de la autonomía mitocondrial en la compleja jerarquía de la célula eucariota.
Los genomas mitocondriales de diferentes especies difieren no sólo en el conjunto de genes, el orden de su localización y expresión, sino también en el tamaño y la forma del ADN. La gran mayoría de los genomas mitocondriales descritos hoy en día son moléculas de ADN bicatenario superenrolladas circulares. En algunas plantas, además de las formas circulares, también las hay lineales, y en algunos más simples, como los ciliados, en las mitocondrias solo se encuentra ADN lineal.
Normalmente, cada mitocondria contiene varias copias de su genoma. Así, en las células del hígado humano hay alrededor de 2 mil mitocondrias y cada una de ellas contiene 10 genomas idénticos. En los fibroblastos de ratón hay 500 mitocondrias que contienen dos genomas y en las células de levadura S. cerevisiae- hasta 22 mitocondrias, cada una con cuatro genomas.
El genoma mitocondrial de las plantas suele estar formado por varias moléculas de distintos tamaños. Uno de ellos, el "cromosoma principal", contiene la mayoría de los genes, y las formas circulares más pequeñas, que están en equilibrio dinámico entre sí y con el cromosoma principal, se forman como resultado de la recombinación intra e intermolecular debido a la presencia de secuencias repetidas (Fig. 1).
Figura 1. Esquema de formación de moléculas circulares de ADN de diferentes tamaños en las mitocondrias de las plantas.
La recombinación ocurre a lo largo de regiones repetidas (indicadas en azul).
Figura 2. Esquema de formación de oligómeros de ADNmt lineal (A), circular (B) y de cadena (C).
ori es la región donde comienza la replicación del ADN.
El tamaño del genoma mitocondrial de diferentes organismos varía desde menos de 6 mil pares de bases en el plasmodium falciparum (además de dos genes de ARNr, contiene solo tres genes codificadores de proteínas) hasta cientos de miles de pares de bases en las plantas terrestres (por ejemplo, ejemplo, Arabidopsis thaliana de la familia de las crucíferas 366924 pares de nucleótidos). Además, incluso dentro de la misma familia se encuentran diferencias de 7 a 8 veces en el tamaño del ADNmt de las plantas superiores. La longitud del ADNmt de los vertebrados difiere ligeramente: en humanos - 16569 pares de nucleótidos, en cerdos - 16350, en delfines - 16330, en ranas con garras Xenopus laevis- 17533, en carpa - 16400. Estos genomas también son similares en la localización de genes, la mayoría de los cuales están ubicados de un extremo a otro; en algunos casos incluso se superponen, generalmente por un nucleótido, de modo que el último nucleótido de un gen es el primero del siguiente. A diferencia de los vertebrados, en plantas, hongos y protozoos, el ADNmt contiene hasta un 80% de secuencias no codificantes. El orden de los genes en los genomas mitocondriales difiere entre especies.
La alta concentración de especies reactivas de oxígeno en las mitocondrias y un sistema de reparación débil aumentan la frecuencia de mutaciones del ADNmt en un orden de magnitud en comparación con el ADN nuclear. Los radicales de oxígeno provocan sustituciones específicas C®T (desaminación de la citosina) y G®T (daño oxidativo a la guanina), por lo que el ADNmt posiblemente sea rico en pares AT. Además, todo el ADNmt tiene una propiedad interesante: no está metilado, a diferencia del ADN nuclear y procariótico. Se sabe que la metilación (modificación química temporal de la secuencia de nucleótidos sin alterar la función codificante del ADN) es uno de los mecanismos de inactivación genética programada.
Replicación y transcripción del ADN mitocondrial de mamíferos.
En la mayoría de los animales, las cadenas complementarias del ADNmt varían significativamente en densidad específica, ya que contienen cantidades desiguales de nucleótidos de purina "pesados" y de pirimidina "ligeros". Por eso se llaman cadena H (pesada - pesada) y L (ligera - ligera). Al comienzo de la replicación de la molécula de ADNmt, se forma el llamado bucle D (del inglés bucle de desplazamiento - bucle de desplazamiento). Esta estructura, visible al microscopio electrónico, consta de una región bicatenaria y una monocatenaria (parte extendida de la cadena H). La región bicatenaria está formada por parte de la cadena L y un fragmento de ADN recién sintetizado complementario a ella, de 450-650 nucleótidos de longitud (dependiendo del tipo de organismo), que tiene un cebador ribonucleótido en el extremo 5", que corresponde hasta el punto de inicio de la síntesis de la cadena H (ori H). Síntesis La cadena L comienza sólo cuando la cadena hija H alcanza el punto ori L. Esto se debe al hecho de que la región de inicio de replicación de la cadena L- La cadena es accesible a las enzimas de síntesis de ADN solo en un estado monocatenario y, por lo tanto, solo en una doble hélice desenroscada durante la síntesis de H -cadenas Por lo tanto, las hebras hijas de ADNmt se sintetizan de forma continua y asincrónica (Fig. 3).
Fig. 3. Esquema de replicación del ADNmt de mamíferos.
Primero, se forma el bucle D, luego se sintetiza la cadena hija H,
luego comienza la síntesis de la cadena L hija.
En las mitocondrias, el número total de moléculas con un bucle D supera significativamente el número de moléculas que se replican completamente. Esto se debe al hecho de que el bucle D tiene funciones adicionales: unión del ADNmt a la membrana interna e inicio de la transcripción, ya que los promotores de la transcripción de ambas cadenas de ADN se localizan en esta región.
A diferencia de la mayoría de los genes eucarióticos, que se transcriben independientemente unos de otros, cada una de las cadenas de ADNmt de los mamíferos se transcribe para formar una única molécula de ARN, comenzando en la región ori H. Además de estas dos largas moléculas de ARN, complementarias de las cadenas H- y Cadenas L, se forman más secciones cortas de la cadena H que comienzan en el mismo punto y terminan en el extremo de 3" del gen 16S rRNA (Fig. 4). Hay 10 veces más transcripciones cortas de este tipo que largas. Como resultado de la maduración (procesamiento), a partir de ellos se forma el ARNr 12S y el ARNr 16S, implicado en la formación de ribosomas mitocondriales, así como el ARNt de fenilalanina y valina. Los ARNt restantes se escinden de transcripciones largas y se forman ARNm traducidos, para cuyos extremos de 3" están unidos a secuencias de poliadenilo. Los extremos de 5" de estos ARNm no están tapados, lo cual es inusual en los eucariotas. El empalme no ocurre porque ninguno de los genes mitocondriales de los mamíferos contiene intrones.
Figura 4. Transcripción de ADNmt humano que contiene 37 genes. Todas las transcripciones comienzan a sintetizarse en la región ori H. Los ARN ribosómicos se escinden de las transcripciones de cadena H larga y corta. El ARNt y el ARNm se forman como resultado del procesamiento a partir de transcripciones de ambas hebras de ADN. Los genes de ARNt se indican en verde claro.Sorpresas del genoma mitocondrial
A pesar de que los genomas de las mitocondrias de mamíferos y de levaduras contienen aproximadamente la misma cantidad de genes, el tamaño del genoma de la levadura es de 4 a 5 veces mayor: alrededor de 80 mil pares de bases. Aunque las secuencias codificantes del ADNmt de levadura son altamente homólogas a las secuencias correspondientes en humanos, los ARNm de levadura tienen además un líder de 5" y una región no codificante de 3", como la mayoría de los ARNm nucleares. Varios genes también contienen intrones. Por tanto, el gen de caja que codifica la citocromo oxidasa b tiene dos intrones. Una copia de la mayor parte del primer intrón se extrae del transcrito de ARN primario de forma autocatalítica (sin la participación de ninguna proteína). El ARN restante sirve como plantilla para la formación de la enzima madurasa, que participa en el empalme. Parte de su secuencia de aminoácidos está codificada en las copias restantes de los intrones. Maturase los corta, destruyendo su propio ARNm, se unen copias de exones y se forma el ARNm de la citocromo oxidasa b (Fig. 5). El descubrimiento de este fenómeno nos obligó a reconsiderar la idea de los intrones como “secuencias no codificantes”. 
Figura 5. Procesamiento (maduración) del ARNm de la citocromo oxidasa b en mitocondrias de levadura.
En la primera etapa del empalme, se forma ARNm, que se utiliza para sintetizar la madurasa,
necesario para el segundo paso de empalme.
Al estudiar la expresión de genes mitocondriales. Trypanosoma brucei descubrió una desviación sorprendente de uno de los axiomas básicos de la biología molecular, que establece que la secuencia de nucleótidos en el ARNm coincide exactamente con la de las regiones codificantes del ADN. Resultó que el ARNm de una de las subunidades de la citocromo c oxidasa está editado, es decir. después de la transcripción, su estructura primaria cambia: se insertan cuatro uracilos. Como resultado, se forma un nuevo ARNm, que sirve como plantilla para la síntesis de una subunidad adicional de la enzima, cuya secuencia de aminoácidos no tiene nada en común con la secuencia codificada por el ARNm sin editar (ver tabla).
Descubierta por primera vez en las mitocondrias del tripanosoma, la edición de ARN está muy extendida en los cloroplastos y las mitocondrias de las plantas superiores. También se encuentra en células somáticas de mamíferos; por ejemplo, en el epitelio intestinal humano se edita el ARNm del gen de la apolipoproteína.
La mayor sorpresa para los científicos fue la mitocondria en 1979. Hasta entonces se creía que el código genético era universal y que los mismos tripletes codificaban los mismos aminoácidos en bacterias, virus, hongos, plantas y animales. El investigador inglés Burrell comparó la estructura de uno de los genes mitocondriales de la ternera con la secuencia de aminoácidos de la subunidad de la citocromo oxidasa codificada por este gen. Resultó que el código genético de las mitocondrias en el ganado (así como en los humanos) no sólo difiere del universal, sino que es "ideal", es decir. obedece la siguiente regla: "si dos codones tienen dos nucleótidos idénticos y el tercer nucleótido pertenece a la misma clase (purina - A, G o pirimidina - U, C), entonces codifican el mismo aminoácido". En el código universal hay dos excepciones a esta regla: el triplete AUA codifica isoleucina y el codón AUG codifica metionina, mientras que en el código mitocondrial ideal ambos tripletes codifican metionina; El triplete UGG codifica sólo triptófano y el triplete UGA codifica un codón de terminación. En el código universal, ambas desviaciones se refieren a aspectos fundamentales de la síntesis de proteínas: el codón AUG es el iniciador y el codón de parada UGA detiene la síntesis del polipéptido. El código ideal no es inherente a todas las mitocondrias descritas, pero ninguna de ellas tiene un código universal. Podemos decir que las mitocondrias hablan diferentes idiomas, pero nunca el idioma del núcleo.
Como ya se mencionó, hay 22 genes de ARNt en el genoma mitocondrial de los vertebrados. ¿Cómo sirve un conjunto tan incompleto a los 60 codones de los aminoácidos (el código ideal de 64 tripletes tiene cuatro codones de terminación, el código universal tiene tres)? El hecho es que durante la síntesis de proteínas en las mitocondrias, las interacciones codón-anticodón se simplifican: dos de cada tres nucleótidos anticodón se utilizan para el reconocimiento. Por tanto, un ARNt reconoce los cuatro miembros de una familia de codones, diferenciándose sólo en el tercer nucleótido. Por ejemplo, el ARNt de leucina con el anticodón GAU se encuentra en el ribosoma frente a los codones TsU, TsUC, TsUA y Tsug, lo que garantiza la incorporación sin errores de la leucina a la cadena polipeptídica. Otros dos codones de leucina, UUA y UUG, son reconocidos por el ARNt con el anticodón AAU. En total, ocho moléculas de ARNt diferentes reconocen ocho familias de cuatro codones cada una, y 14 ARNt reconocen diferentes pares de codones, cada uno de los cuales codifica un aminoácido.
Es importante que las enzimas aminoacil-tRNA sintetasa, responsables de la adición de aminoácidos a los correspondientes tRNA mitocondriales, estén codificadas en el núcleo celular y sintetizadas en los ribosomas del retículo endoplásmico. Así, en los vertebrados, todos los componentes proteicos de la síntesis de polipéptidos mitocondriales están cifrados en el núcleo. En este caso, la cicloheximida no suprime la síntesis de proteínas en las mitocondrias, que bloquea el trabajo de los ribosomas eucariotas, pero es sensible a los antibióticos eritromicina y cloranfenicol, que inhiben la síntesis de proteínas en las bacterias. Este hecho es uno de los argumentos a favor del origen de las mitocondrias a partir de bacterias aeróbicas durante la formación simbiótica de células eucariotas.
Teoría simbiótica del origen de las mitocondrias.
La hipótesis sobre el origen de las mitocondrias y los plastidios vegetales a partir de bacterias endosimbiontes intracelulares fue expresada por R. Altman en 1890. A lo largo del siglo de rápido desarrollo de la bioquímica, la citología, la genética y la biología molecular, que apareció hace medio siglo, la hipótesis ha ido evolucionando. convertido en una teoría basada en una gran cantidad de material fáctico. Su esencia es la siguiente: con la aparición de las bacterias fotosintéticas, el oxígeno se acumula en la atmósfera terrestre, un subproducto de su metabolismo. A medida que aumentó su concentración, la vida de los heterótrofos anaeróbicos se volvió más complicada y algunos de ellos pasaron de la fermentación sin oxígeno a la fosforilación oxidativa para obtener energía. Estos heterótrofos aeróbicos podrían descomponer sustancias orgánicas resultantes de la fotosíntesis con mayor eficacia que las bacterias anaeróbicas. Algunos de los aerobios de vida libre fueron capturados por anaerobios, pero no “digeridos”, sino almacenados como estaciones de energía, las mitocondrias. Las mitocondrias no deben verse como esclavas, cautivas para suministrar moléculas de ATP a células que no son capaces de respirar. Son más bien “criaturas” que, allá por el Proterozoico, encontraron para ellas y sus descendientes el mejor de los refugios, donde podían dedicar el menor esfuerzo sin correr el riesgo de ser devorados.
Numerosos hechos hablan a favor de la teoría simbiótica:
- los tamaños y formas de las mitocondrias y las bacterias aeróbicas de vida libre coinciden; ambos contienen moléculas de ADN circulares no asociadas con histonas (a diferencia del ADN nuclear lineal);Existe la idea de que los diferentes reinos de eucariotas tuvieron diferentes ancestros y la endosimbiosis bacteriana surgió en diferentes etapas de la evolución de los organismos vivos. Esto también se evidencia en las diferencias en la estructura de los genomas mitocondriales de protozoos, hongos, plantas y animales superiores. Pero en todos los casos, la mayor parte de los genes de las promitocondrias entraron en el núcleo, posiblemente con la ayuda de elementos genéticos móviles. Cuando parte del genoma de uno de los simbiontes se incluye en el genoma de otro, la integración de los simbiontes se vuelve irreversible.En términos de secuencias de nucleótidos, los ARN ribosómicos y de transferencia de las mitocondrias difieren de los nucleares, al tiempo que demuestran una similitud sorprendente con moléculas similares de algunas eubacterias gramnegativas aeróbicas;
Las ARN polimerasas mitocondriales, aunque codificadas en el núcleo celular, son inhibidas por la rifampicina, al igual que las bacterianas, y las ARN polimerasas eucariotas son insensibles a este antibiótico;
La síntesis de proteínas en mitocondrias y bacterias se suprime con los mismos antibióticos que no afectan los ribosomas de los eucariotas;
La composición lipídica de la membrana interna de las mitocondrias y del plasmalema bacteriano es similar, pero muy diferente a la de la membrana externa de las mitocondrias, que es homóloga a otras membranas de células eucariotas;
Las crestas formadas por la membrana mitocondrial interna son las análogas evolutivas de las membranas mesosomales de muchos procariotas;
Todavía existen organismos que imitan formas intermedias en el camino hacia la formación de mitocondrias a partir de bacterias (ameba primitiva Pelomixa no tiene mitocondrias, pero siempre contiene bacterias endosimbióticas).
El nuevo genoma puede crear vías metabólicas que conducen a la formación de productos útiles que ninguno de los socios puede sintetizar por sí solo. Por tanto, la síntesis de hormonas esteroides por las células de la corteza suprarrenal es una cadena compleja de reacciones, algunas de las cuales ocurren en las mitocondrias y otras en el retículo endoplásmico. Al capturar los genes promitocondriales, el núcleo pudo controlar de forma fiable las funciones del simbionte. El núcleo codifica todas las proteínas y la síntesis de lípidos de la membrana externa de las mitocondrias, la mayoría de las proteínas de la matriz y la membrana interna de los orgánulos. Lo más importante es que el núcleo codifica enzimas para la replicación, transcripción y traducción del ADNmt, controlando así el crecimiento y la reproducción de las mitocondrias. La tasa de crecimiento de los socios de simbiosis debería ser aproximadamente la misma. Si el huésped crece más rápido, con cada generación el número de simbiontes por individuo disminuirá y, eventualmente, aparecerán descendientes sin mitocondrias. Sabemos que cada célula de un organismo que se reproduce sexualmente contiene muchas mitocondrias que replican su ADN entre divisiones del huésped. Esto asegura que cada una de las células hijas reciba al menos una copia del genoma mitocondrial.
herencia citoplásmica
Además de codificar los componentes clave de la cadena respiratoria y su propio aparato sintetizador de proteínas, el genoma mitocondrial en algunos casos participa en la formación de algunas características morfológicas y fisiológicas. Estos rasgos incluyen el síndrome NCS (banda no cromosómica, mancha foliar no codificada cromosómicamente) y la esterilidad masculina citoplasmática (CMS), característico de varias especies de plantas superiores, que conduce a una interrupción del desarrollo normal del polen. La manifestación de ambos signos se debe a cambios en la estructura del ADNmt. En CMS, se observan reordenamientos de genomas mitocondriales como resultado de eventos de recombinación que conducen a deleciones, duplicaciones, inversiones o inserciones de ciertas secuencias de nucleótidos o genes completos. Estos cambios pueden causar no sólo daños a los genes existentes, sino también la aparición de nuevos genes funcionales.
La herencia citoplasmática, a diferencia de la herencia nuclear, no obedece las leyes de Mendel. Esto se debe al hecho de que en los animales y plantas superiores los gametos de diferentes sexos contienen cantidades dispares de mitocondrias. Entonces, en un óvulo de ratón hay 90 mil mitocondrias, pero en un espermatozoide solo cuatro. Es obvio que en un óvulo fecundado las mitocondrias proceden predominante o únicamente del individuo femenino, es decir La herencia de todos los genes mitocondriales es materna. El análisis genético de la herencia citoplasmática es difícil debido a las interacciones nuclear-citoplasmáticas. En el caso de la esterilidad masculina citoplasmática, el genoma mitocondrial mutante interactúa con ciertos genes nucleares, cuyos alelos recesivos son necesarios para el desarrollo del rasgo. Los alelos dominantes de estos genes, tanto en estado homocigoto como heterocigoto, restauran la fertilidad de las plantas, independientemente del estado del genoma mitocondrial.
El estudio de los genomas mitocondriales, su evolución, que sigue las leyes específicas de la genética de poblaciones, y las relaciones entre los sistemas genéticos nuclear y mitocondrial, es necesario para comprender la compleja organización jerárquica de la célula eucariota y del organismo en su conjunto.
Ciertas mutaciones en el ADN mitocondrial o en los genes nucleares que controlan las mitocondrias se han asociado con algunas enfermedades hereditarias y el envejecimiento humano. Se están acumulando datos sobre la implicación de los defectos del ADNmt en la carcinogénesis. Por tanto, las mitocondrias pueden ser un objetivo de la quimioterapia contra el cáncer. Hay datos sobre la estrecha interacción de los genomas nuclear y mitocondrial en el desarrollo de diversas patologías humanas. Se encontraron múltiples deleciones de ADNmt en pacientes con debilidad muscular grave, ataxia, sordera y retraso mental, heredados de forma autosómica dominante. Se ha establecido un dimorfismo sexual en las manifestaciones clínicas de la enfermedad coronaria, que probablemente se debe al efecto materno: la herencia citoplasmática. El desarrollo de la terapia génica da esperanzas de corregir defectos en los genomas mitocondriales en un futuro previsible.
Este trabajo fue apoyado por la Fundación Rusa para la Investigación Básica. Proyecto 01-04-48971.
El autor agradece al estudiante de posgrado M.K. Ivanov, quien creó los dibujos para el artículo.
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El ADN en las mitocondrias está representado por moléculas cíclicas que no forman enlaces con histonas; en este sentido, se parecen a los cromosomas bacterianos.
En los seres humanos, el ADN mitocondrial contiene 16,5 mil pb y está completamente descifrado. Se encontró que el ADN mitocondrial de varios objetos es muy homogéneo; su diferencia radica únicamente en el tamaño de los intrones y las regiones no transcritas. Todo el ADN mitocondrial está representado por múltiples copias, reunidas en grupos o cúmulos. Por tanto, una mitocondria de hígado de rata puede contener de 1 a 50 moléculas de ADN cíclico. La cantidad total de ADN mitocondrial por célula es aproximadamente el uno por ciento. La síntesis de ADN mitocondrial no está asociada con la síntesis de ADN en el núcleo. Al igual que en las bacterias, el ADN mitocondrial se recoge en una zona separada: el nucleoide, cuyo tamaño es de aproximadamente 0,4 micrones de diámetro. Las mitocondrias largas pueden tener de 1 a 10 nucleoides. Cuando una mitocondria larga se divide, se separa de ella una sección que contiene un nucleoide (similar a la fisión binaria de las bacterias). La cantidad de ADN en los nucleoides mitocondriales individuales puede fluctuar hasta 10 veces según el tipo de célula. Cuando las mitocondrias se fusionan, sus componentes internos pueden intercambiarse.
El ARNr y los ribosomas de las mitocondrias son marcadamente diferentes de los del citoplasma. Si se encuentran ribosomas 80 en el citoplasma, entonces los ribosomas de las mitocondrias de las células vegetales pertenecen a los ribosomas 70 (consisten en subunidades 30 y 50, contienen ARN 16 y 23, característico de las células procarióticas), y los ribosomas más pequeños (alrededor de 50) se encuentran en las mitocondrias de las células animales. En el mitoplasma, la síntesis de proteínas se produce en los ribosomas. A diferencia de la síntesis en los ribosomas citoplasmáticos, se detiene bajo la acción del antibiótico cloranfenicol, que suprime la síntesis de proteínas en las bacterias.
Los ARN de transferencia también se sintetizan en el genoma mitocondrial; se sintetizan un total de 22 ARNt. El código triplete del sistema sintético mitocondrial es diferente al utilizado en el hialoplasma. A pesar de la presencia de aparentemente todos los componentes necesarios para la síntesis de proteínas, las pequeñas moléculas de ADN mitocondrial no pueden codificar todas las proteínas mitocondriales, sólo una pequeña parte de ellas. Entonces el ADN tiene un tamaño de 15 mil pb. Puede codificar proteínas con un peso molecular total de aproximadamente 6x105. Al mismo tiempo, el peso molecular total de las proteínas de una partícula del conjunto respiratorio completo de las mitocondrias alcanza un valor de aproximadamente 2x106.
Arroz. Tamaños relativos de mitocondrias en diferentes organismos.
Es interesante observar el destino de las mitocondrias en las células de levadura. En condiciones aeróbicas, las células de levadura tienen mitocondrias típicas con crestas claramente definidas. Cuando las células se transfieren a condiciones anaeróbicas (por ejemplo, cuando se subcultivan o cuando se transfieren a una atmósfera de nitrógeno), no se detectan mitocondrias típicas en su citoplasma y, en su lugar, se ven pequeñas vesículas de membrana. Resultó que en condiciones anaeróbicas, las células de levadura no contienen una cadena respiratoria completa (los citocromos by a están ausentes). Cuando se airea el cultivo, se produce una rápida inducción de la biosíntesis de enzimas respiratorias, un fuerte aumento en el consumo de oxígeno y aparecen mitocondrias normales en el citoplasma.
Asentamiento de personas en la Tierra. 
¿Por qué las mitocondrias necesitan su propio ADN? Aunque, ¿por qué los simbiontes no deberían tener su propio ADN dentro de sí mismos, produciendo todo lo que necesitan en el acto? ¿Por qué entonces transferir parte del ADN mitocondrial al núcleo celular, creando la necesidad de transportar productos genéticos a la mitocondria? ¿Por qué las mitocondrias se transmiten sólo de uno de los padres? ¿Cómo coexisten las mitocondrias recibidas de la madre con el genoma de la célula, formado por el ADN de la madre y del padre? Cuanto más aprende la gente sobre las mitocondrias, más preguntas surgen.
Sin embargo, esto se aplica no sólo a las mitocondrias: en cualquier campo de cualquier ciencia, ampliar la esfera del conocimiento sólo conduce a un aumento de su superficie en contacto con lo desconocido, planteando cada vez más preguntas nuevas, cuyas respuestas ampliarán la misma. esfera con el mismo resultado predecible.
Entonces, el ADN de las mitocondrias modernas se distribuye de una manera muy extraña: una pequeña parte de los genes está contenida directamente en las mitocondrias en un cromosoma circular (más precisamente, en varias copias del mismo cromosoma en cada mitocondria), y la mayor parte de Los planos para la producción de los componentes de la mitocondria se almacenan en el núcleo celular. Por lo tanto, la copia de estos genes se produce simultáneamente con la copia del genoma de todo el organismo, y los productos producidos por ellos recorren un largo camino desde el citoplasma de la célula hasta las mitocondrias. Sin embargo, esto es conveniente en muchos sentidos: la mitocondria se libera de la necesidad de copiar todos estos genes durante la reproducción, leerlos y construir proteínas y otros componentes, centrándose en su función principal de producir energía. ¿Por qué, entonces, en las mitocondrias todavía hay poco ADN, cuyo mantenimiento requiere todos estos mecanismos, sin los cuales las mitocondrias podrían dedicar aún más recursos al objetivo principal de su existencia?
Al principio se supuso que el ADN que quedaba en las mitocondrias era un atavismo, un legado de una promitocondria absorbida por el metanógeno, que tiene un genoma bacteriano completo. Al inicio de su simbiosis, a pesar de la existencia en el núcleo de esos genes mitocondriales ( genes m), que eran necesarios para mantener un ambiente confortable para las promitocondrias dentro del metanógeno (esto se describe en detalle en Acerca de las mitocondrias), los mismos genes se almacenaron en cada una de las mitocondrias. La promitocondria, al comienzo de su vida como simbionte, tenía aproximadamente el mismo aspecto que la bacteria moderna en el diagrama a la izquierda de este párrafo.
Y muy lentamente, por falta de demanda, estos genes desaparecieron del cromosoma mitocondrial como resultado de diversas mutaciones. Pero el núcleo celular acumuló cada vez más genes m, que ingresaron al citoplasma desde los simbiontes-mitocondrias destruidos y se integraron en el genoma de la quimera eucariota. Tan pronto como se empezó a leer el gen m recién insertado, los mecanismos celulares produjeron los productos necesarios para las mitocondrias, liberando a los simbiontes de crearlos de forma independiente. Esto significa que el análogo mitocondrial del gen que había pasado al núcleo ya no se mantuvo en funcionamiento mediante selección natural y fue borrado por mutaciones de la misma manera que todos los anteriores. Por lo tanto, sería lógico suponer que pronto los genes que aún permanecen en las mitocondrias se trasladarán al núcleo, lo que supondrá grandes beneficios energéticos para los eucariotas: después de todo, es posible eliminar los engorrosos mecanismos de copia, lectura y corrección del ADN. cada mitocondria, y así todo lo necesario para crear proteínas.
Habiendo llegado a esta conclusión, los científicos calcularon cuánto tiempo tardarían todos los genes en migrar de la mitocondria al núcleo a través de la deriva natural. Y resultó que este plazo ya había pasado hace mucho tiempo. En el momento de la aparición de las células eucariotas, las mitocondrias tenían un genoma bacteriano regular de varios miles de genes (los científicos determinan cómo era este genoma estudiando los genes m transferidos al núcleo en diferentes organismos), pero ahora las mitocondrias de todos los tipos de eucariotas han perdido del 95 al 99,9% de sus genes. A nadie le quedaban más de cien genes en sus mitocondrias, pero tampoco a nadie le quedaban mitocondrias libres de genes. Si el azar desempeñara un papel clave en este proceso, entonces al menos varias especies ya habrían completado el camino de la transferencia genética al núcleo. Pero esto no sucedió, y las mitocondrias de diferentes especies estudiadas hasta ahora, que pierden sus genes independientemente unas de otras, conservaron el mismo conjunto de ellos, lo que indica directamente la necesidad de la presencia de estos genes en las mitocondrias.
Además, otros orgánulos de las células productores de energía, los cloroplastos, también tienen su propio ADN, y de la misma manera, los cloroplastos de diferentes especies evolucionaron en paralelo e independientemente, quedando cada uno con el mismo conjunto de genes.
Esto significa que todos esos importantes inconvenientes de mantener el propio genoma en cada mitocondria celular (¡y en promedio una célula contiene varios cientos!) y el engorroso aparato para copiarlo, corregirlo y traducirlo (¡los principales, pero no todos! Ya ves su partes en la imagen de la izquierda) son superadas por algo.
Y actualmente existe una teoría consistente sobre este "algo": la capacidad de producir ciertas partes de las mitocondrias directamente en su interior es necesaria para regular la frecuencia de la respiración y adaptar los procesos que ocurren en las mitocondrias a las necesidades en constante cambio de la organismo completo.
Imagine que a una de los cientos de mitocondrias de una célula de repente le faltan elementos de la cadena respiratoria (para más detalles, consulte) o no tiene suficientes ATP sintasas. Resulta que está sobrecargado de comida y oxígeno y no puede procesarlos lo suficientemente rápido, o su espacio intermembrana está lleno de protones que no tienen adónde ir: un completo desastre en general. Por supuesto, todas estas desviaciones de la situación de vida ideal desencadenan múltiples señales destinadas a nivelar la lista del barco que se hunde.
Estas señales desencadenan la producción exactamente de aquellas partes de las que carecen las mitocondrias en este momento, activando la lectura de los genes mediante los cuales se construyen las proteínas. Tan pronto como la mitocondria tenga suficientes componentes de la cadena respiratoria o ATPasas, la “inclinación se nivelará”, las señales de la necesidad de construir nuevas partes dejarán de llegar y los genes se desactivarán nuevamente. Este es uno de los mecanismos necesarios de autorregulación celular sorprendentemente elegantes y simples; su más mínima violación conduce a enfermedades graves o incluso a la inviabilidad del organismo.
Intentemos determinar lógicamente dónde deben ubicarse los genes necesarios para responder a esta señal de angustia. Imagine una situación en la que estos genes estén ubicados en el núcleo de una célula que contenga un par de cientos de mitocondrias. En una de las mitocondrias, por ejemplo, surgió una deficiencia NADH deshidrogenasas: la primera enzima de la cadena respiratoria, cuya función es eliminar dos electrones de la molécula de NADH, transferirlos a la siguiente enzima y bombear de 2 a 4 protones a través de la membrana.
De hecho, tales deficiencias de cualquier enzima ocurren con bastante frecuencia, porque fallan periódicamente, la cantidad de alimento consumido cambia constantemente y la necesidad de ATP de la célula también aumenta después de los saltos o revolcarse del organismo que contiene esta célula. Por tanto, la situación es muy típica. Y así la mitocondria emite una señal: “¡necesitas construir más NADH deshidrogenasa!”, que va más allá de sus límites, pasa a través del citoplasma hasta el núcleo, penetra en el núcleo y provoca la lectura de los genes necesarios. Según los estándares celulares, el tiempo de tránsito de esta señal es muy significativo, pero también es necesario extraer el ARN mensajero construido desde el núcleo al citoplasma, crear proteínas con él y enviarlas a la mitocondria...
Y aquí surge un problema que es mucho más importante que perder tiempo extra: al crear proteínas mitocondriales especializadas, se marcan con una señal de "entregar a la mitocondria", pero ¿cuál? Desconocido. Por lo tanto, cada una de un par de cientos de mitocondrias comienza a recibir proteínas que no necesitan. La célula gasta recursos en su producción y entrega, las mitocondrias están llenas de un exceso de cadenas respiratorias (lo que conduce a procesos respiratorios ineficaces) y la única mitocondria que necesita estas proteínas no las recibe en cantidades suficientes, porque en el mejor de los casos obtiene una centésima parte. de lo que se produce. Entonces ella sigue enviando señales de socorro y el caos continúa. Incluso a partir de esta descripción lírica y superficial de lo que está sucediendo, queda claro que una célula así no es viable. Y que hay genes que deben leerse y traducirse directamente a las mitocondrias para regular los procesos que ocurren en ellas, y no depender del plan de producción de clavos lanzado por el núcleo del partido... es decir, proteínas de la cadena respiratoria para todas las mitocondrias a la vez.
Después de comprobar qué se produce exactamente en las mitocondrias de diferentes organismos que permanecieron en las mitocondrias (y por lo tanto trasladaron los genes m al núcleo de forma independiente unos de otros), descubrimos que estos eran precisamente los elementos para la construcción de las cadenas respiratorias y la ATPasa, como así como ribosomas (es decir, la parte principal aparato de difusión).
Puede leer más sobre esto (y más) de Lane en "Energía, sexo, suicidio: las mitocondrias y el sentido de la vida". Bueno, simplemente puedes comparar el diagrama del ADN mitocondrial, donde se descifran los productos codificados (a la derecha de este párrafo), con el diagrama de la cadena respiratoria (arriba), para que quede claro qué se produce exactamente en las mitocondrias. . Por supuesto, no todas las proteínas insertadas en esta cadena se producen localmente; algunas de ellas se construyen en el citoplasma de la célula. Pero las principales “anclas” a las que se aferran otras partes se crean dentro de las mitocondrias. Esto le permite producir exactamente tantas enzimas como necesite y exactamente donde se necesitan.
Cómo se relacionan las mitocondrias con el sexo y cómo coexisten diferentes genomas en una célula, lo escribiré en uno de los próximos capítulos de esta línea.