Značná časť čitateľov mojich blogov, samozrejme, do tej či onej miery má predstavu o podstate a povahe dedičnosti mitochondriálnej DNA. Vďaka dostupnosti komerčného testovania mnohí moji (nad)čitatelia identifikovali mitochondriálne haplotypy v jednotlivých oblastiach mitochondrií (CR, HVS1, HVS2) a niektorí majú dokonca kompletnú mitochondriálnu sekvenciu (všetkých 16571 pozícií). Mnohým sa teda podarilo objasniť svoju „hlbokú genealógiu“ a vrátiť sa k spoločnému bodu koalície všetkých v súčasnosti existujúcich ženských genetických línií. Romantickí popgenetici nazvali tento bod „mitochondriálna Eva“, hoci tento bod je stále len matematickou abstrakciou, a preto je akýkoľvek názov čisto konvenčný.
Krátka exkurzia pre začiatočníkov.
Mitochondriálna DNA (ďalej mtDNA) sa prenáša z matky na dieťa. Keďže iba ženy môžu odovzdať mtDNA svojim potomkom, testovanie mtDNA poskytuje informácie o matke, jej matke a tak ďalej prostredníctvom priamej materskej línie. Muži aj ženy dostávajú mtDNA od svojej matky, a preto sa testovania mtDNA môžu zúčastniť muži aj ženy. Hoci sa mutácie v mtDNA vyskytujú, ich frekvencia je relatívne nízka. Počas tisícok rokov sa tieto mutácie nahromadili a z tohto dôvodu je ženská línia v jednej rodine geneticky odlišná od druhej. Po rozšírení ľudstva po celej planéte sa mutácie naďalej náhodne objavovali v populáciách oddelených vzdialenosťou od kedysi zjednotenej ľudskej rasy. Z tohto dôvodu môže byť mtDNA použitá na určenie geografického pôvodu danej rodinnej skupiny. Výsledky testovania mtDNA sa porovnávajú s takzvanou „Cambridge Standard Sequence“ (CRS) – prvou sekvenciou mtDNA založenou v roku 1981 v Cambridge (*poznámka – použitie CRS ako referenčnej mitosekvencie sa v súčasnosti skúma). Výsledkom je, že vedci stanovia haplotyp skúmanej osoby. Haplotyp je vaša individuálna genetická charakteristika. Keď sa na to pozriete, mtDNA je váš súbor odchýlok od „cambridgeskej štandardnej sekvencie“. Po porovnaní vašej sekvencie so sekvenciami z databázy je určená vaša haploskupina. Haploskupina je genetická charakteristika určitej komunity ľudí, ktorí mali jednu spoločnú „prababičku“, novšiu ako „mitochondriálnu Evu“. Ich dávni predkovia sa počas migrácií často pohybovali v rovnakej skupine. Haploskupina ukazuje, do ktorej genealogickej vetvy ľudstva patríte. Sú označené písmenami abecedy, od A po Z, plus početné podskupiny. Napríklad európske haploskupiny - H, J, K, T, U, V, X. Blízky východ - N a M. Ázijské - A, B, C, D, F, G, M, Y, Z. Afričan - L1 , L2, L3 a M1. Polynézske - B. Americkí Indiáni - A, B, C, D, ojedinele aj X. V poslednom čase k európskym haploskupinám pribudli N1, U4, U5 a W.
Zamerajme sa na európske mitohaploskupiny - H, J, K, T, U, V, X, N1, U4, U5 a W. Väčšina z nich sa zase rozdelila do dcérskych podkladov (dcérske vetvy, napr. dcérsky podklad haploskupiny U5 - podklad U5b1 („Ursula“), ktorého distribučný vrchol sa vyskytuje v pobaltských štátoch a vo Fínsku. Za zmienku stojí, že matriarchy ženské línie sa často nazývajú jednoducho ženskými menami. Základ tejto tradície položil autor knihy „Sedem dcér Evy“ Brian Sykes, ktorý vymyslel mená pre predpokladaných predkov väčšiny európskej populácie – Ursula (haploskupina U), Ksenia (X), Elena (H), Velda (V), Tara (T), Catherine (K) a Jasmine (J). Môžete vystopovať a zmapovať hlavné cesty, po ktorých sa oni a zvyšok našich prapraprababičiek túlali v čase a priestore, a vypočítať odhadovaný čas pre každú križovatku - objavenie sa novej mutácie, od prvých „dcér Evy“. ” až po najnovšie – haploskupiny I a V, ktoré majú „len“ asi 15 000 rokov.
Často si kladiem otázku: ako sa jadrová DNA líši od mtDNA? Podľa moderných vedeckých konceptov boli mitochondrie pred miliardami rokov nezávislé baktérie, ktoré sa usadili v bunkách primitívnych eukaryotických (s bunkovým jadrom s lineárnymi chromozómami) organizmov a „prevzali“ funkciu výroby tepla a energie v hostiteľských bunkách. Počas spoločného života prišli o časť génov ako o nepotrebné, pričom žili so všetkým pripraveným, časť sa preniesla na jadrové chromozómy a teraz sa dvojitý kruh ľudskej mtDNA skladá len z 16 569 párov nukleotidových báz. Väčšinu mitochondriálneho genómu zaberá 37 génov. Vzhľadom na vysokú koncentráciu voľných kyslíkových radikálov (vedľajšie produkty oxidácie glukózy) a slabosť mechanizmu opravy chýb pri kopírovaní DNA dochádza k mutáciám v mtDNA rádovo častejšie ako v jadrových chromozómoch. K výmene, strate alebo pridaniu jedného nukleotidu tu dochádza približne raz za 100 generácií – asi 2500 rokov. Mutácie v mitochondriálnych génoch – poruchy vo fungovaní bunkových energetických rastlín – veľmi často spôsobujú dedičné ochorenia. Jedinou funkciou mitochondrií je oxidácia glukózy na oxid uhličitý a vodu a syntéza s využitím energie bunkového paliva uvoľneného pri tomto procese – ATP a univerzálneho redukčného činidla (nosiča protónov) NADH. (NADH je nikotínamid adenín dinukleotid – skúste ho bez váhania vysloviť.) Aj táto jednoduchá úloha si vyžaduje desiatky enzýmov, no väčšina proteínových génov potrebných na prácu a udržiavanie mitochondrií sa už dávno preniesla do chromozómov „hostiteľa“ bunky. V mtDNA zostávajú iba gény transferovej RNA, ktoré dodávajú aminokyseliny ribozómom syntetizujúcim proteíny (označené jednopísmenovými latinskými symbolmi zodpovedajúcich aminokyselín), dva gény ribozomálnej RNA - 12s RNA a 16s RNA (gény pre mitochondriálne ribozómové proteíny sa nachádzajú v bunkovom jadre) a niektoré (nie všetky) gény proteíny hlavných mitochondriálnych enzýmov - komplex NADH dehydrogenázy (ND1-ND6, ND4L), cytochróm c oxidáza (COI-III), cytochróm b (CYTb) a dve proteínové podjednotky enzýmu ATP syntetázy (ATPáza 8 a 6). Pre potreby molekulárnej alebo DNA genealógie sa používa nekódujúca oblasť - D-slučka pozostávajúca z dvoch hypervariabilných oblastí s nízkym a vysokým rozlíšením - HVR1 (GVS1) a HVR2 (GVS2).
Stojí za to povedať pár slov o dôležitosti štúdia mtDNA z pohľadu lekárskej genetiky.
Samozrejme, už prebehli štúdie o asociácii niektorých chorôb s jednotlivými ženskými genetickými líniami. Napríklad jedna štúdia naznačila, že rozklad oxidatívnej fosforylácie mitochlóriónov spojených s SNP definujúcim haploskupinu J (asmín) spôsobuje zvýšenú telesnú teplotu vo fenotype nosičov tejto haploskupiny. Súvisí to so zvýšenou prítomnosťou tejto haploskupiny v severnej Európe, najmä v Nórsku. Navyše u ľudí s mitochondriálnou haploskupinou J sa podľa inej štúdie rýchlejšie rozvinie AIDS a rýchlejšie zomierajú v porovnaní s inými ľuďmi infikovanými vírusom HIV. Štúdie ukázali, že fylogeneticky významné mitochondriálne mutácie viedli k vzoru génovej expresie vo fenotype.
Ďalej, Jova sestra mitochondriálna haploskupina T je spojená so zníženou pohyblivosťou spermií u mužov. Podľa publikácie Katedry biochémie a molekulárnej bunkovej biológie Univerzity v Zaragoze predstavuje haploskupina T slabú genetickú predispozíciu k astenozoospermii. Podľa niektorých štúdií je prítomnosť haploskupiny T spojená so zvýšeným rizikom ochorenia koronárnych artérií. Podľa inej štúdie majú T nosiči menšiu pravdepodobnosť vzniku cukrovky. Niekoľko pilotných lekárskych štúdií ukázalo, že haploskupina T je spojená so zníženým rizikom Parkinsonovej a Alzheimerovej choroby.
Hneď nasledujúci príklad však ukazuje, že výsledky analýzy spojenia medzi ženskými genetickými líniami a chorobami si často protirečia. Napríklad nositelia najstaršej európskej mitohaploskupiny UK sú málo náchylní na syndróm získanej imunitnej nedostatočnosti. A zároveň jedna podskupina, U5a, sa považuje za obzvlášť citlivú na syndróm získanej imunitnej nedostatočnosti.
Skoršie štúdie preukázali pozitívnu koreláciu medzi členstvom v haploskupine U a rizikom rakoviny prostaty a kolorekta. Haploskupina K (Catherine), zostupujúca z Veľkej Británie cez subklad U8, ako aj jej rodičovské línie, sa vyznačujú zvýšeným rizikom mŕtvice a chronickej progresívnej oftalmoplegie.
Muži patriaci do dominantnej ženskej línie H (Helen, vetva kombinovanej skupiny H v Európe) sa vyznačujú najnižším rizikom astenozoospermie (ochorenie, pri ktorom sa znižuje pohyblivosť spermií).Táto haploskupina sa tiež vyznačuje vysokou telesnou odolnosťou a odolnosťou. k progresii AIDS. Zároveň sa , H vyznačuje vysokým rizikom vzniku Alzheimerovej choroby.Pre porovnanie, riziko vzniku Parkinsonovej choroby u nositeľiek ženskej genetickej línie H (Helen) je oveľa vyššie ako u podobnej riziko u zástupcov línie (JT).Navyše zástupcovia Lynn H majú najvyššiu odolnosť voči sepse.
Znížené (v porovnaní s priemerom) riziko vzniku Parkinsonovej choroby majú zástupcovia mitochondriálnych línií I, J1c, J2, K1a, U4, U5a1 a T. Ženy genetických línií I (Irene), J (Jazmín) a T ( Tara) porodila viac zo všetkých storočných, a preto popgenetici vtipne nazývajú tieto mitohaploskupiny haploskupinami storočných. Ale nie všetko je také dobré. Niektorí členovia podkladov haploskupín J a T (najmä J2) trpia zriedkavým geneticky podmieneným ochorením (Leberova dedičná optická neuropatia), spojenou s expresiou génu zodpovedného za slepotu zdedenú po matke.
Príslušnosť k mitohaploskupine N je faktorom vzniku rakoviny prsníka. To isté však platí aj pre ostatné európske mitohaploskupiny (H, T, U, V, W, X), s výnimkou K. Napokon nosičky ženskej mitochondriálnej línie X („Ksenia“) majú v mitochondriách mutáciu, ktorá zvyšuje riziko vzniku cukrovky II typu, kardiomyopatie a rakoviny endometria. Najvyššiu odolnosť voči rozvoju AIDS majú zástupcovia kombinovanej makromitohaploskupiny IWX.
Mitochondrie zohrávajú dôležitú úlohu aj v športovej genetike, ktorá sa objavila pomerne nedávno.
Často som pri čítaní popisov športových liekov a doplnkov stravy narazil na zmienku, že ten či onen aktívny prvok lieku urýchľuje metabolizmus alebo transport určitých zlúčenín do mitochondrií. Týka sa to predovšetkým L-karnitínu, kreatínu a BCAA. Keďže mitochondrie funguje ako generátor energie v bunke, tieto pozorovania sa mi zdajú logické a hodnoverné.
Pozrime sa preto na túto problematiku podrobnejšie.
Nedostatok energie podľa niektorých vedcov vedie k skorému starnutiu organizmu. Čím menej energie je v bunkách, tým menej úsilia bude smerovať k obnove a odstráneniu toxínov. Ako sa hovorí: "Nestarám sa o tuk, prajem si, aby som bol nažive." Ale vždy existuje cesta von:zdravá strava a malé biochemické vylepšenia môžu reštartovať bunkové elektrárne. A prvá vec, ktorú vám radia zapamätať si, je karnitín.
Počnúc dospelosťou sa mitochondrie, bunkové elektrárne, začínajú spomaľovať, čo vedie k zníženiu produkcie energie. Bunka smeruje k strohosti, v ktorej sa o režime „afterburner“ neoplatí ani snívať. Nedostatok energie vedie k dysfunkcii ostatných bunkových organel a opäť ovplyvňuje mitochondrie. Začarovaný kruh. Ide o starnutie, presnejšie o jeho vnútorný prejav.
„Ste len tak mladý ako vaše mitochondrie,“ rád hovorí odborník na výživu Robert Crichon. Keďže veľa rokov venoval štúdiu biochémie buniek, našiel jeden spôsob, ako ovplyvniť produkciu energie v mitochondriách, teda starnutie. Touto metódou je karnitín a jeho aktívna forma L-karnitín.
Karnitín nie je aminokyselina, pretože neobsahuje aminoskupinu (NH2). Je to skôr koenzým alebo, ak chcete, vo vode rozpustná zlúčenina podobná vitamínu. Prečo karnitín priťahuje pozornosť odborníkov na výživu?
Ako viete, mastné kyseliny sú hlavným palivom pre svaly, najmä myokard. Asi 70 % energie vzniká vo svaloch spaľovaním tukov. Karnitín transportuje mastné kyseliny s dlhým reťazcom cez mitochondriálnu membránu. Malé množstvo karnitínu (asi 25 %) si telo syntetizuje z aminokyseliny lyzínu. Zvyšných 75 % musíme získať z potravy.
Ale dnes dostávame príliš málo karnitínu. Hovorí sa, že naši predkovia denne skonzumovali minimálne 500 mg karnitínu. Priemerný človek v modernej spoločnosti prijíma len 30-50 mg denne z potravy...
Nedostatok karnitínu vedie k zníženiu produkcie energie a degenerácii. Menej energie znamená horšie fyziologické zásoby. Klasickým obrazom sú starší ľudia, ktorých telá prežívajú „energetickú krízu“. Ak by telo malo dostatok energie, mohlo by úspešne budovať a obnovovať bunkové membrány, udržiavať celistvosť bunkových štruktúr a chrániť genetickú informáciu. Od primeranej produkcie energie závisí aj náš imunitný systém.
Robert Crichon verí, že potrebujeme viac karnitínu, keď telo začne klesať. Toto je krok k omladeniu a energizovaniu buniek, aby mohli lepšie fungovať a tiež sa chrániť pred voľnými radikálmi a patogénmi. [
Mimochodom, pred rokom a pol som robil pilotné vyšetrenie u fyziológa na určenie biologického veku. Podľa tabuľky fyziológa výsledky merania najpresnejšie zodpovedali biologickému veku 28 rokov. Ak má pán Robert Crichon pravdu, tak moje mitochondrie sú o 7 rokov mladšie ako môj pasový vek)). Ale veľa mojich rovesníkov už žije na dlh od prírody (opäť na úkor svojich mitochondrií)].
Mäso, ryby, mlieko, vajcia, syry a iné živočíšne produkty vo všeobecnosti obsahujú dostatok karnitínu. Baranie a jahňacie mäso sú obzvlášť účinnými zdrojmi. Avokádo a tempeh sú najobľúbenejšie rastlinné zdroje.
Samozrejme, zvieratá sa kedysi pásli na pastvinách a jedli trávu. To bolo skvelé, pretože v tomto prípade živočíšne produkty obsahovali veľké množstvo karnitínu a zdravých omega-3 mastných kyselín, ktoré sa navzájom dopĺňajú. To umožnilo telám našich predkov efektívne spaľovať tuk a mať silné telo. Teraz je dobytok kŕmený obilím, v ktorom dominujú omega-6 mastné kyseliny, ktoré pôsobia prozápalovo a hladina karnitínu sa znížila. To je dôvod, prečo dnes už nie je konzumácia červeného mäsa každý deň zdravou alternatívou. Ale zastavme sa pri tom.
Je tu ešte jeden bod, ktorý stojí za zmienku. Bolo by naivné tvrdiť, že karnitín môže raz a navždy zachrániť človeka pred starnutím. Nie, pre ľudstvo by to bolo príliš ľahké, hoci by tomu mnohí radi verili.
Karnitín, podobne ako iné prospešné látky, ktoré aktivujú metabolizmus, je len jedným z mnohých pomocníkov. Nie je však schopný radikálne zastaviť bunkové hodiny, aj keď ich pravdepodobne dokáže spomaliť.
Zistilo sa, že pri vyčerpaní bunkových zdrojov kyseliny kreatínfosforečnej sa zastaví práca ischemického myokardu, hoci cca. 90% adenozíntrifosfát. To demonštrovalo, že adenozíntrifosfát je v bunke distribuovaný nerovnomerne. Nie je využitý všetok adenozíntrifosfát nachádzajúci sa vo svalovej bunke, ale len jeho určitá časť koncentrovaná v myofibrilách. Výsledky ďalších experimentov ukázali, že spojenie medzi bunkovými zásobami adenozíntrifosfátu je realizované kreatínfosforečnou kyselinou a izoenzýmami kreatínkinázy. Za normálnych podmienok molekula adenozíntrifosfátu syntetizovaná v mitochondriách prenáša energiu na kreatín, ktorý sa vplyvom izoenzýmu kreatínkinázy premieňa na kyselinu kreatínfosforečnú. Kyselina kreatínfosforečná sa presúva do lokalizácie kreatínkinázových reakcií, kde ostatné izoenzýmy kreatínkinázy zabezpečujú regeneráciu adenozíntrifosfátu z kyseliny kreatínfosforečnej a adenozíndifosfátu. Uvoľnený kreatín sa v tomto prípade presúva do mitochondrií a adenozíntrifosfát sa využíva na výrobu energie, vr. na svalové napätie. Intenzita cirkulácie energie v bunke pozdĺž dráhy kreatínfosforu je oveľa väčšia ako rýchlosť prieniku adenozíntrifosfátu do cytoplazmy. To je dôvodom poklesu koncentrácie kyseliny kreatínfosforečnej v bunke a spôsobuje zníženie svalového napätia aj vtedy, keď nie je ovplyvnený hlavný bunkový prísun adenozíntrifosfátu.
Bohužiaľ, ľudia zaoberajúci sa športovou genetikou venujú mitochondriám veľmi malú pozornosť. Ešte som nevidel štúdiu výsledkov kulturistov rozdelených do kontrolných skupín na základe príslušnosti k mitochondriálnym skupinám (za predpokladu, že ich ostatné “ukazovatele” sú rovnaké). Experimentálny dizajn by mohol vyzerať napríklad takto: vyberieme kulturistov rovnakého veku, hmotnosti, výšky, zloženia svalov a skúseností. Vyzveme ich, aby vykonali sériu rovnakých silových cvičení (napríklad maximálny počet sérií benchpressu s hmotnosťou 95-100 kg.) Výsledky porovnávame a analyzujeme na základe apriórnych informácií o mitoskupinách športovcov . Potom športovcom podávame kombinovanú stravu kreatínu, levokarnitínu, glutamínu a aminokyselín. Po určitom čase test zopakujeme a výsledky porovnáme a vyvodíme závery o prítomnosti/neprítomnosti korelácie s typom mtDNA.
Myslím si, že môj amatérsky výskum mitochondrií môže v konečnom dôsledku osvietiť ľudstvo. Pravdaže, o mitochondrie sa zaujímam nielen a ani nie tak o genealógiu a medicínsku problematiku, ale o problematiku psychogenetiky, najmä o aspekty interakcie medzi ľuďmi rôznych mitohaposkupín. Túto oblasť výskumu som si dovolil nazvať psychosocionika. Využitím vzácnej príležitosti pozorovať (po dobu 4 rokov) interakciu ľudí rôznych mitohaploskupín na minimálne 5 fórach v anglickom jazyku a 2 fórach v ruskom jazyku som si všimol zaujímavý trend. Žiaľ, nestihol som tento vzorec jasne formulovať v diskurzívnych pojmoch vedeckého jazyka popgenetiky, všetko je zatiaľ v rovine predbežných poznámok. Ale možno, ak môžem sformulovať svoje pozorovanie, zapíše sa do histórie populačnej genetiky ako Verenich-Záporožčenkov zákon.
Moje pozorovania sú založené na štúdiu interakcií medzi tromi hlavnými európskymi súhrnnými mitohaploskupinami (JT, HV, UK). Žiaľ, európske mitohaploskupiny I, W, X (ako aj exotické a minoritné mitoskupiny) z dôvodu nereprezentatívnosti vzorky neboli zaradené do oblasti môjho výskumu. Stručne povedané, tieto pozorovania sa scvrkli do nasledujúcich bodov:
1) najhustejšia a najproduktívnejšia interakcia sa pozoruje medzi zástupcami jednej kombinovanej haploskupiny (napríklad medzi zástupcami rôznych podkladov J a T). Možno sa táto skutočnosť dá vysvetliť evolučným mechanizmom, ktorý na genetickej úrovni (pripomínam, že mitoDNA sa dedí striktne po materskej línii) určuje pripútanosť dieťaťa k matke v ranom veku.Clark-Stewart vo svojom Štúdia tripartitných vzťahov v mnohých rodinách zistila, že vplyv matky na dieťa má priamy charakter, zatiaľ čo otec často ovplyvňuje dieťa nepriamo – prostredníctvom matky (Clarke-Stewart K.A., 1978). Tento vplyv je následne interpolovaný na interakciu s predstaviteľmi podobných mitohaploskupín (psychogenetický základ tohto vplyvu ešte nebol vedecky identifikovaný). Preto nie je prekvapujúce, že medzi svojimi haploskupinami ľudia nachádzajú najspoľahlivejších podobne zmýšľajúcich ľudí.
2) zástupcovia JT a HV sú vo vzájomnom vzťahu antipódy - medzi nimi sa pozoruje najviac antagonistická interakcia, ktorá často vedie ku konfliktom. Príčiny antagonizmu je potrebné preskúmať
3) zástupcovia mitoskupiny Spojeného kráľovstva sa spravidla vyznačujú neutrálnym postojom k JT aj HV. Vzťahy s oboma skupinami sú čisto obchodné, neutrálne.
Keďže ma zaujímali dôvody takéhoto zjavného rozdelenia, obrátil som sa s prosbou o radu na popredného svetového špecialistu na mtDNA Valerija Záporožčenka (je autorom jedného z najefektívnejších fylogenetických programov MURKA, má najväčšiu súkromnú zbierku mitohaplotypov na svete a kompletné genómové sekvencie a je spoluautorom niekoľkých významných publikácií o mitoDNA).Valery dal trochu nezvyčajnú, ale ak sa nad tým zamyslíte, logickú odpoveď.Podstatou jeho odpovede bolo, že antagonizmus medzi JT a HV možno vysvetliť „genetickou pamäťou“. Faktom je, že haploskupina HV prenikla do Európy niekde na prelome mezolitu a neolitu severnou cestou.Paralelne s touto haploskupinou sa do Európy dostal aj ženský rod JT, no migračná trasa viedla trochu na juh. S najväčšou pravdepodobnosťou existovala určitá konkurencia medzi oboma skupinami (JT a HV), keďže JT aj HV zaberali rovnakú niku (neolitickí farmári). TOMimochodom, tá istá historická introspekcia vysvetľuje neutralitu mitoskupiny Spojeného kráľovstva vo vzťahu k HV a JT. Ako sa dnes všeobecne uznáva, Spojené kráľovstvo (ako najstaršia mitoskupina v Európe) na úsvite neolitickej revolúcie a objavenia sa vyššie uvedeného neolituTieto skupiny boli zastúpené najmä medzi európskymi druhohornými lovcami-zberačmi. Keďže obsadili úplne iné miesto, zástupcovia Spojeného kráľovstva jednoducho nemali čo zdieľať s HV a JT.
Najlepším príkladom mitokonfliktu je 5 rokov starý konflikt medzi dvoma brilantnými hlavami v amatérskej genetike a antropológii - Dienekom Pontikosom (ktorého mitoskupina je T2) a Davidom "Polakom" Veselovským (ktorého mitoskupina je H7). Toto nie je potvrdenie konfliktného potenciálu interakcie medzi mitoskupinami JT a HV. Je to ako dobre známy experiment s 1 g železného prášku alebo prášku a 2 g suchého dusičnanu draselného, predtým rozdrveného v mažiari. Akonáhle sú umiestnené vedľa seba, začne búrlivá reakcia s uvoľňovaním iskier, hnedastým dymom a silným zahrievaním. V tomto prípade vzhľad zmesi pripomína rozžeravenú lávu. Pri reakcii dusičnanu draselného so železom vzniká železitan draselný a plynný oxid dusnatý, ktorý pri oxidácii na vzduchu vzniká hnedý plyn – oxid dusičitý. Ak tuhý zvyšok po skončení reakcie vložíte do pohára studenej prevarenej vody, získate červenofialový roztok železitanu draselného, ktorý sa za pár minút rozloží.))
Aké sú praktické dôsledky týchto pozorovaní? V súčasnosti sa rýchlo rozvíja jedno z odvetví takzvanej konfliktológie, spojené s posudzovaním kompatibility jednotlivcov v skupine. Prirodzene, najpraktickejšie sa toto odvetvie prejavuje pri riešení praktických problémov (napríklad obsadzovanie alebo výber personálu). Samozrejme, prijímaný personál sa posudzuje najmä podľa jeho odborných vedomostí, zručností, schopností a pracovných skúseností. Dôležitým faktorom je však posúdenie kompatibility regrútov s už vybudovaným tímom a vedením. Apriórne hodnotenie tohto faktora je ťažké a teraz sa toto hodnotenie robí najmä pomocou psychologických testov, na vývoj a testovanie ktorých veľké korporácie a inštitúcie (napríklad NASA pri výbere tímu astronautov) vynakladajú veľké sumy. peňazí. Teraz, na prahu rozvoja psychogenetiky, však môžu byť tieto testy nahradené analýzou geneticky podmienenej kompatibility.
Predpokladajme napríklad, že máme určitú skupinu prijatých odborníkov, ktorí spĺňajú formálne požiadavky na prijatie do zamestnania a majú príslušné kompetencie. Existuje tím, v ktorom sú povedzme všetky tri makroskupiny JT, HVa UK. Ak by som bol manažér, noví regrúti by boli pridelení určitým skupinám ľudí na základe pridelených úloh:
1) Ak si realizácia určitej úlohy vyžaduje prítomnosť blízkej skupiny rovnako zmýšľajúcich ľudí, potom je najlepšou možnosťou vytvoriť skupinu ľudí patriacich do rovnakej makrohaploskupiny
2) Ak skupina pracuje na hľadaní nových riešení a pri svojej práci využíva metódy ako „brainstorming“, je potrebné umiestniť týchto rekrutov do prostredia antagonistov (JT do HV a naopak)
3) Ak sú princípy práce skupiny založené čisto na obchodných/formálnych vzťahoch, potom by mal manažment zabezpečiť, aby mala skupina dostatočný počet zástupcov Spojeného kráľovstva, ktorí budú pôsobiť ako nárazník medzi konfliktnými JT a HV.
Ak je to žiaduce, rovnaké princípy možno použiť ako základ pre „vedecky motivovaný“ výber manželského partnera. Prinajmenšom posúdenie partnerovej kompatibility (alebo skôr posúdenie povahy kompatibility) bude oveľa vierohodnejšie ako posúdenie kompatibility v moderných zoznamovacích službách, ktoré sú založené na primitívnych psychologických testoch a astrológii. Mimochodom, jediná komerčná služba zoznamovania DNA striktne využíva haplotypy komplexu histokompatibility. Logika je taká, že ako ukázali vedci, ľudia si väčšinou vyberajú partnerov s najopačnejším haplotypom HLA.
Rôzne genetické komponenty v nórskej populácii odhalené analýzou polymorfizmov mtDNA a Y chromozómov Haploskupiny mitochondriálnej DNA ovplyvňujú progresiu AIDS.
Prirodzený výber formoval regionálnu variáciu mtDNA u ľudí Ruiz-Pesini E, Lapeña AC, Díez-Sánchez C, et al. (september 2000). "Haploskupiny ľudskej mtDNA spojené s vysokou alebo zníženou pohyblivosťou spermií." Am. J.Hum. Genet. 67(3):682-96. DOI:10.1086/303040. PMID 10936107.
Mitochondrie: 30 Mitochondriálna haploskupina T je spojená s ochorením koronárnych artérií Nositelia mitochondriálnej DNA haplotypu „T“ sú menej náchylní na cukrovku « Mathilda's Anthropology Blog
„Inde bolo hlásené, že členstvo v haploskupine T môže poskytnúť určitú ochranu pred Alexandrovou Belovzheimerovou chorobou (Chagnon a kol. 1999; Herrnstadt a kol. 2002) a tiež Parkinsonovou chorobou (Pyle a kol. 2005), ale varovné slová Pereiru a kol. naznačujú, že pred dosiahnutím pevných záverov môžu byť potrebné ďalšie štúdie."
Haploskupiny mitochondriálnej DNA ovplyvňujú progresiu AIDS.
Prirodzený výber formoval regionálne variácie mtDNA u ľudí
Ruiz-Pesini E, Lapeña AC, Díez-Sánchez C, a kol. (september 2000). "Haploskupiny ľudskej mtDNA spojené s vysokou alebo zníženou pohyblivosťou spermií." Am. J.Hum. Genet. 67(3):682-96. DOI:10.1086/303040. PMID 10936107.
Mitochondrie: 30 Mitochondriálna haploskupina T je spojená s ochorením koronárnych artérií
Nositelia mitochondriálnej DNA haplotypu „T“ sú menej náchylní na cukrovku « Mathildin blog o antropológii
„Inde bolo hlásené, že členstvo v haploskupine T môže poskytnúť určitú ochranu proti
Mitochondrie sa nachádzajú nielen v rastlinných bunkách, ale aj v bunkách zvierat a húb. Tieto organely sú všestrannejšie ako plastidy. DNA v mitochondriách bola prvýkrát objavená v roku 1963 (M. Naas) bezprostredne po objavení DNA v plastidoch. Napriek podobnosti funkcií a štruktúry mitochondrií vo všetkých troch kráľovstvách eukaryotov je ich genetická organizácia značne odlišná, takže organizácia mitochondriálnych genómov v týchto kráľovstvách sa zvyčajne zvažuje oddelene, pričom identifikujú spoločné znaky organizácie genómu.
Fyzikálno-chemické zloženie mitochondriálnej DNA je v rôznych kráľovstvách odlišné. V rastlinách je pomerne konštantná: 45 až 47 % DNA pozostáva z GC párov. U zvierat a húb sa mení výraznejšie: od 21 do 50 % párov HC.
U mnohobunkových zvierat sa veľkosť mitochondriálneho genómu pohybuje od 14,5 do 19,5 kb. V praxi ide vždy o jednu kruhovú molekulu DNA. Napríklad ľudská mitochondriálna DNA je kruhová molekula merajúca 16 569 nukleotidových párov. Táto veľkosť môže byť vyjadrená v iných jednotkách - vo forme molekulovej hmotnosti - 106 daltonov alebo vo forme dĺžky obrysu molekuly - 5 mikrónov. Primárna štruktúra tejto molekuly je úplne určená. Mitochondrie obsahujú vlastný translačný aparát – t.j. vlastné ribozómy 70S, podobné chloroplastovým alebo prokaryotickým a skladajúce sa z dvoch podjednotiek, vlastnej messenger RNA, potrebných enzýmov a proteínových faktorov. Ich genóm kóduje 12S a 16S ribozomálne RNA, ako aj 22 transferových RNA. Okrem toho mitochondriálna DNA kóduje 13 polypeptidov, z ktorých 12 bolo identifikovaných. Všetky kódujúce sekvencie sú umiestnené priamo vedľa seba. V extrémnych prípadoch ich oddeľuje len niekoľko nukleotidov. Nekódujúce sekvencie, t.j. žiadne intróny. Za kódujúcou sekvenciou je takmer vždy gén transferovej RNA. Napríklad poradie je nasledovné: fenylalanínová transferová RNA - 12S ribozomálny RNA gén - valínová transferová RNA - 16S ribozomálna RNA gén - leucín transferová RNA atď. Tento poriadok je charakteristický nielen pre ľudské mitochondrie, je veľmi konzervatívny a charakteristický pre všetky zvieratá: ovocné mušky, býky, myši, vtáky, plazy a iné zvieratá.
Väčšina génov sa nachádza v ťažkom reťazci, v ľahkom reťazci sú len gény pre osem transportných RNA a jeden štruktúrny gén. Na rozdiel od všetkých ostatných genómov sú teda v mitochondriálnom genóme obidva reťazce zmysluplné.
Aj keď je poradie génov vo zvieracích mitochondriách rovnaké, zistilo sa, že samotné gény majú rozdielnu ochranu. Najvariabilnejšia je nukleotidová sekvencia počiatku replikácie a množstvo štruktúrnych génov. Najkonzervovanejšie sekvencie sa nachádzajú v génoch ribozomálnej RNA a niektorých štrukturálnych génoch, vrátane sekvencie kódujúcej ATPázu.
Treba poznamenať, že univerzálnosť genetického kódu je narušená v mitochondriálnom genóme. Napríklad ľudské mitochondrie používajú triplet AUA ako kodón pre metionín, nie izoleucín, ako všetci ostatní, a triplet UGA, používaný v štandardnom genetickom slovníku ako stop kodón, kóduje tryptofán v mitochondriách.
Vo všeobecnosti ľudská mitochondriálna DNA vyzerá rovnako ako DNA iných cicavcov: myší a býkov. Napriek tomu, že nejde ani zďaleka o príbuzné druhy, veľkosti ich mitochondriálnej DNA sú si dosť blízke: 16 569; 16 295; a 16 338 párov báz, v tomto poradí. Gény transferovej RNA zdieľajú niektoré zmyslové gény. Najdôležitejšie zo štruktúrnych génov sú gény pre cytochróm oxidázu, NADH dehydrogenázu, cytochróm C oxidoreduktázu a ATP syntetázu (obr. 4).
Mapa ľudského mitochondriálneho genómu okrem génov zobrazuje aj päť známych ľudských chorôb, ktoré sa dedia po materskej línii a sú spôsobené mutáciami v mitochondriálnom genóme.
Napríklad Leberova choroba – optická atrofia – je spôsobená mutáciou génu NADH dehydrogenázy. Rovnaké ochorenie môže byť spôsobené aj mutáciou v géne pre cytochróm b a iné lokusy. Celkovo je známe, že štyri lokusy sú narušené a môžu spôsobiť rovnaký mutantný fenotyp. Okrem toho tá istá mapa zobrazuje ďalšie štyri choroby spojené s poruchami mozgu, svalov, srdca, obličiek a pečene. Všetky tieto choroby sa dedia po materskej línii a ak má matka nielen defektnú, ale aj normálnu mitochondriálnu DNA a mitochondrie, tak dochádza k triedeniu mutantných a normálnych organel a potomstvo môže mať obe organely v rôznom pomere a my môže pozorovať aj somatické štiepenie, kedy jednotlivé časti tela tieto defekty nemajú.
Ryža. 4 Štruktúra mitochondriálneho genómu cicavcov založená na kompletnej sekvencii ľudskej, myšacej a hovädzej mitochondriálnej DNA
Malý mitochondriálny genóm zvierat teda môže kódovať mimoriadne dôležité funkcie tela a do značnej miery determinovať jeho normálny vývoj.
Rovnako ako plastidový genóm, mitochondriálny genóm kóduje iba časť mitochondriálnych polypeptidov (tabuľka 1) a pozoruje sa fenomén dvojitého kódovania. Napríklad niektoré podjednotky komplexu ATPázy sú kódované jadrom, zatiaľ čo druhá časť je kódovaná mitochondriálnym genómom. Väčšina génov kódujúcich ribozomálne myochondriálne RNA a proteíny, ako aj transkripčné a translačné enzýmy, sú kódované bunkovým jadrom.
© G.M. Dymshits
Prekvapenia mitochondriálneho genómu
G.M. Dymshits
Grigory Moiseevich Dymshits, Doktor biologických vied, profesor Katedry molekulárnej biológie Štátnej univerzity v Novosibirsku, vedúci laboratória štruktúry genómu Ústavu cytológie a genetiky sibírskej pobočky Ruskej akadémie vied. Spoluautor a editor štyroch školských učebníc zo všeobecnej biológie.Od objavu molekúl DNA v mitochondriách uplynulo štvrťstoročie, kým sa o ne začali zaujímať nielen molekulárni biológovia a cytológovia, ale aj genetici, evolucionisti, ale aj paleontológovia a kriminológovia, historici a lingvisti. Takýto široký záujem vyvolala práca A. Wilsona z Kalifornskej univerzity. V roku 1987 publikoval výsledky porovnávacej analýzy mitochondriálnej DNA odobranej od 147 zástupcov rôznych etnických skupín všetkých ľudských rás obývajúcich päť kontinentov. Na základe typu, umiestnenia a počtu jednotlivých mutácií sa zistilo, že všetka mitochondriálna DNA vznikla z jednej nukleotidovej sekvencie predkov prostredníctvom divergencie. V pseudovedeckej tlači bol tento záver interpretovaný extrémne zjednodušene – celé ľudstvo pochádza z jednej ženy, nazývanej mitochondriálna Eva (dcéry aj synovia dostávajú mitochondrie len od svojej matky), ktorá žila v severovýchodnej Afrike okolo 200 pred tisíc rokmi. O ďalších 10 rokov neskôr sa podarilo rozlúštiť fragment mitochondriálnej DNA izolovaný z pozostatkov neandertálca a odhadnúť existenciu posledného spoločného predka ľudí a neandertálcov pred 500 tisíc rokmi.
Ľudská mitochondriálna genetika sa dnes intenzívne rozvíja z populačného aj medicínskeho hľadiska. Bolo zistené spojenie medzi množstvom závažných dedičných chorôb a defektov mitochondriálnej DNA. Genetické zmeny spojené so starnutím sú najvýraznejšie v mitochondriách. Čo je mitochondriálny genóm, ktorý sa líši u ľudí a iných zvierat od genómu rastlín, húb a prvokov vo veľkosti, tvare a genetickej kapacite? Ako funguje mitochondriálny genóm a ako vznikol v rôznych taxónoch? O tom sa bude diskutovať v našom článku.
Mitochondrie sa nazývajú energetické stanice bunky. Okrem vonkajšej hladkej membrány majú vnútornú membránu, ktorá tvorí početné záhyby – cristae. Obsahujú zabudované proteínové zložky dýchacieho reťazca – enzýmy podieľajúce sa na premene energie chemických väzieb oxidovaných živín na energiu molekúl kyseliny adenozíntrifosforečnej (ATP). S touto „konvertibilnou menou“ bunka platí za všetky svoje energetické potreby. V bunkách zelených rastlín sa okrem mitochondrií nachádzajú aj ďalšie energetické stanice – chloroplasty. Fungujú na „solárnych batériách“, ale tiež tvoria ATP z ADP a fosfátov. Podobne ako mitochondrie, aj chloroplasty – autonómne sa rozmnožujúce organely – majú tiež dve membrány a obsahujú DNA.
Mitochondriálny matrix obsahuje okrem DNA aj vlastné ribozómy, ktoré sa v mnohých charakteristikách líšia od eukaryotických ribozómov umiestnených na membránach endoplazmatického retikula. Avšak nie viac ako 5% všetkých proteínov zahrnutých v ich zložení sa tvorí na ribozómoch mitochondrií. Väčšina proteínov, ktoré tvoria štrukturálne a funkčné zložky mitochondrií, je kódovaná jadrovým genómom, syntetizovaná na ribozómoch endoplazmatického retikula a transportovaná cez svoje kanály na miesto zostavenia. Mitochondrie sú teda výsledkom spoločného úsilia dvoch genómov a dvoch transkripčných a translačných aparátov. Niektoré podjednotky enzýmov mitochondriálneho dýchacieho reťazca pozostávajú z rôznych polypeptidov, z ktorých niektoré sú kódované jadrovým genómom a niektoré mitochondriálnym genómom. Napríklad kľúčový enzým oxidatívnej fosforylácie, cytochróm c oxidáza v kvasinkách, pozostáva z troch podjednotiek kódovaných a syntetizovaných v mitochondriách a štyroch podjednotiek kódovaných v bunkovom jadre a syntetizovaných v cytoplazme. Expresia väčšiny mitochondriálnych génov je riadená špecifickými jadrovými génmi.
Veľkosti a tvary mitochondriálnych genómov
K dnešnému dňu bolo prečítaných viac ako 100 rôznych mitochondriálnych genómov. Súbor a počet ich génov v mitochondriálnej DNA, pre ktoré je nukleotidová sekvencia úplne určená, sa veľmi líšia medzi rôznymi druhmi zvierat, rastlín, húb a prvokov. Najväčší počet génov bol nájdený v mitochondriálnom genóme bičíkatých prvokov Rectinomonas americana- 97 génov, vrátane všetkých génov kódujúcich proteíny, ktoré sa nachádzajú v mtDNA iných organizmov. U väčšiny vyšších zvierat obsahuje mitochondriálny genóm 37 génov: 13 pre proteíny dýchacieho reťazca, 22 pre tRNA a dva pre rRNA (pre veľkú ribozomálnu podjednotku 16S rRNA a pre malú 12S rRNA). V rastlinách a prvokoch, na rozdiel od zvierat a väčšiny húb, mitochondriálny genóm kóduje aj niektoré proteíny, ktoré tvoria ribozómy týchto organel. Kľúčové enzýmy syntézy templátových polynukleotidov, ako je DNA polymeráza (replikujúca mitochondriálnu DNA) a RNA polymeráza (prepisujúca mitochondriálny genóm), sú šifrované v jadre a syntetizované na ribozómoch v cytoplazme. Tento fakt poukazuje na relativitu mitochondriálnej autonómie v komplexnej hierarchii eukaryotickej bunky.
Mitochondriálne genómy rôznych druhov sa líšia nielen súborom génov, poradím ich umiestnenia a expresie, ale aj veľkosťou a tvarom DNA. Prevažná väčšina dnes opísaných mitochondriálnych genómov sú kruhové superšpirálové dvojvláknové molekuly DNA. V niektorých rastlinách, spolu s kruhovými formami, existujú aj lineárne a u niektorých prvokov, ako sú nálevníky, sa v mitochondriách nachádza iba lineárna DNA.
Každá mitochondria zvyčajne obsahuje niekoľko kópií svojho genómu. V ľudských pečeňových bunkách je teda asi 2 000 mitochondrií a každá z nich obsahuje 10 rovnakých genómov. V myších fibroblastoch je 500 mitochondrií obsahujúcich dva genómy a v kvasinkových bunkách S.cerevisiae- až 22 mitochondrií, z ktorých každá má štyri genómy.
Mitochondriálny genóm rastlín typicky pozostáva z niekoľkých molekúl rôznych veľkostí. Jeden z nich, „hlavný chromozóm“, obsahuje väčšinu génov a menšie kruhové formy, ktoré sú v dynamickej rovnováhe medzi sebou aj s hlavným chromozómom, vznikajú ako výsledok intra- a intermolekulárnej rekombinácie v dôsledku prítomnosť opakovaných sekvencií (obr. 1).
Obr. Schéma tvorby kruhových molekúl DNA rôznych veľkostí v rastlinných mitochondriách.
K rekombinácii dochádza pozdĺž opakovaných oblastí (označené modrou farbou).
Obr. Schéma tvorby lineárnych (A), kruhových (B), reťazových (C) oligomérov mtDNA.
ori je oblasť, kde začína replikácia DNA.
Veľkosť mitochondriálneho genómu rôznych organizmov sa pohybuje od menej ako 6 tisíc párov báz v plazme falciparum (okrem dvoch génov rRNA obsahuje iba tri gény kódujúce proteíny) až po stovky tisíc párov báz v suchozemských rastlinách (napr. príklad, Arabidopsis thaliana z čeľade krížovitých 366924 nukleotidových párov). Navyše 7-8-násobné rozdiely vo veľkosti mtDNA vyšších rastlín sa nachádzajú dokonca aj v rámci tej istej rodiny. Dĺžka mtDNA stavovcov sa mierne líši: u ľudí - 16569 nukleotidových párov, u ošípaných - 16350, u delfínov - 16330, u žab s pazúrikmi Xenopus laevis- 17533, u kaprov - 16400. Tieto genómy sú tiež podobné v lokalizácii génov, z ktorých väčšina je umiestnená od konca ku koncu; v niektorých prípadoch sa dokonca prekrývajú, zvyčajne o jeden nukleotid, takže posledný nukleotid jedného génu je prvý v ďalšom. Na rozdiel od stavovcov v rastlinách, hubách a prvokoch obsahuje mtDNA až 80 % nekódujúcich sekvencií. Poradie génov v mitochondriálnych genómoch sa medzi druhmi líši.
Vysoká koncentrácia reaktívnych foriem kyslíka v mitochondriách a slabý opravný systém zvyšujú frekvenciu mutácií mtDNA rádovo v porovnaní s jadrovou DNA. Kyslíkové radikály spôsobujú špecifické substitúcie C®T (deaminácia cytozínu) a G®T (oxidačné poškodenie guanínu), v dôsledku čoho je mtDNA pravdepodobne bohatá na AT páry. Všetky mtDNA majú navyše zaujímavú vlastnosť – nie sú metylované, na rozdiel od jadrovej a prokaryotickej DNA. Je známe, že metylácia (dočasná chemická modifikácia nukleotidovej sekvencie bez narušenia kódovacej funkcie DNA) je jedným z mechanizmov programovanej génovej inaktivácie.
Replikácia a transkripcia mitochondriálnej DNA cicavcov
U väčšiny zvierat sa komplementárne reťazce v mtDNA výrazne líšia v špecifickej hustote, pretože obsahujú nerovnaké množstvá „ťažkých“ purínových a „ľahkých“ pyrimidínových nukleotidov. Takže sa nazývajú - H (ťažký - ťažký) a L (ľahký - ľahký) reťazec. Na začiatku replikácie molekuly mtDNA vzniká takzvaná D-slučka (z anglického displacement loop – displacement loop). Táto štruktúra, viditeľná pod elektrónovým mikroskopom, pozostáva z dvojvláknovej a jednovláknovej (predĺžená časť H-reťazca) oblasti. Dvojvláknová oblasť je tvorená časťou L-reťazca a k nemu komplementárnym novosyntetizovaným fragmentom DNA, dlhým 450-650 nukleotidov (v závislosti od typu organizmu), ktorý má na 5" konci ribonukleotidový primér, ktorý zodpovedá do východiskového bodu syntézy H-reťazca (ori H) Syntéza L-reťazec začína až vtedy, keď dcérsky H-reťazec dosiahne bod ori L. Je to spôsobené tým, že oblasť iniciácie replikácie L- Reťazec je prístupný enzýmom syntézy DNA len v jednovláknovom stave, a teda iba v nezakrútenej dvojzávitnici počas syntézy H -reťazce. Dcérske vlákna mtDNA sú teda syntetizované kontinuálne a asynchrónne (obr. 3).
Obr. Schéma replikácie mtDNA cicavcov.
Najprv sa vytvorí D-slučka, potom sa syntetizuje dcérske H-vlákno,
potom začína syntéza dcérskeho L-reťazca.
V mitochondriách celkový počet molekúl s D-slučkou výrazne prevyšuje počet plne sa replikujúcich molekúl. Je to spôsobené tým, že D-slučka má ďalšie funkcie - pripojenie mtDNA k vnútornej membráne a iniciáciu transkripcie, keďže v tejto oblasti sú lokalizované promótory transkripcie oboch reťazcov DNA.
Na rozdiel od väčšiny eukaryotických génov, ktoré sa prepisujú nezávisle od seba, sa každé z reťazcov mtDNA cicavcov prepisuje tak, aby vznikla jedna molekula RNA, začínajúca v oblasti ori H. Okrem týchto dvoch dlhých molekúl RNA, komplementárnych k H- a L-reťazce, viac sú vytvorené krátke úseky H-reťazca, ktoré začínajú v rovnakom bode a končia na 3" konci génu 16S rRNA (obr. 4). Takýchto krátkych transkriptov je 10-krát viac ako dlhých. V dôsledku dozrievania (spracovania) z nich vzniká 12S rRNA a 16S rRNA, podieľajúca sa na tvorbe mitochondriálnych ribozómov, ako aj fenylalanínová a valínová tRNA.Zostávajúce tRNA sú vyrezané z dlhých transkriptov a vznikajú translatované mRNA, do 3" konce, ku ktorým sú pripojené polyadenylové sekvencie. 5" konce týchto mRNA nie sú zakryté, čo je pre eukaryoty nezvyčajné. K zostrihu nedochádza, pretože žiadny z cicavčích mitochondriálnych génov neobsahuje intróny.
Obr. Transkripcia ľudskej mtDNA obsahujúcej 37 génov. Všetky transkripty sa začínajú syntetizovať v oblasti ori H. Ribozomálne RNA sú vyrezané z transkriptov dlhého a krátkeho H-vlákna. tRNA a mRNA vznikajú ako výsledok spracovania z transkriptov oboch reťazcov DNA. Gény tRNA sú označené svetlozelenou farbou.Prekvapenia mitochondriálneho genómu
Napriek tomu, že genómy mitochondrií cicavcov a kvasiniek obsahujú približne rovnaký počet génov, veľkosť genómu kvasiniek je 4-5 krát väčšia – okolo 80 tisíc párov báz. Hoci kódujúce sekvencie kvasinkovej mtDNA sú vysoko homológne so zodpovedajúcimi sekvenciami u ľudí, kvasinkové mRNA majú navyše 5" vedúcu a 3" nekódujúcu oblasť, ako väčšina jadrových mRNA. Množstvo génov obsahuje aj intróny. Box gén kódujúci cytochróm oxidázu b má teda dva intróny. Kópia väčšiny prvého intrónu je vyrezaná z primárneho RNA transkriptu autokatalyticky (bez účasti akýchkoľvek proteínov). Zvyšná RNA slúži ako templát pre tvorbu enzýmu maturázy, ktorý sa podieľa na zostrihu. Časť jeho aminokyselinovej sekvencie je zakódovaná v zostávajúcich kópiách intrónov. Maturáza ich odreže, čím sa zničí jej vlastná mRNA, kópie exónov sa zošijú a vytvorí sa mRNA pre cytochróm oxidázu b (obr. 5). Objav tohto javu nás prinútil prehodnotiť myšlienku intrónov ako „nekódujúcich sekvencií“. 
Obr. Spracovanie (dozrievanie) mRNA cytochróm oxidázy b v kvasinkových mitochondriách.
V prvej fáze zostrihu sa vytvorí mRNA, ktorá sa používa na syntézu maturázy,
potrebné pre druhý krok spájania.
Pri štúdiu expresie mitochondriálnych génov Trypanosoma brucei objavil prekvapivú odchýlku od jednej zo základných axióm molekulárnej biológie, ktorá tvrdí, že sekvencia nukleotidov v mRNA sa presne zhoduje so sekvenciou v kódujúcich oblastiach DNA. Ukázalo sa, že mRNA jednej z podjednotiek cytochróm c oxidázy je editovaná, t.j. po transkripcii sa mení jeho primárna štruktúra – vkladajú sa štyri uracily. Výsledkom je vytvorenie novej mRNA, ktorá slúži ako templát pre syntézu ďalšej podjednotky enzýmu, ktorej sekvencia aminokyselín nemá nič spoločné so sekvenciou kódovanou neupravenou mRNA (pozri tabuľku).
Prvýkrát objavený v trypanozómových mitochondriách, editácia RNA je rozšírená v chloroplastoch a mitochondriách vyšších rastlín. Nachádza sa aj v somatických bunkách cicavcov, napríklad v ľudskom črevnom epiteli je upravená mRNA génu pre apolipoproteín.
Mitochondrie predstavovali pre vedcov najväčšie prekvapenie v roku 1979. Do tej doby sa verilo, že genetický kód je univerzálny a rovnaké triplety kódujú rovnaké aminokyseliny v baktériách, vírusoch, hubách, rastlinách a zvieratách. Anglický výskumník Burrell porovnal štruktúru jedného z teľacích mitochondriálnych génov so sekvenciou aminokyselín v podjednotke cytochróm oxidázy kódovanej týmto génom. Ukázalo sa, že genetický kód mitochondrií u hovädzieho dobytka (ale aj u ľudí) sa od univerzálneho nielen líši, je „ideálny“, t.j. sa riadi nasledujúcim pravidlom: „ak dva kodóny majú dva identické nukleotidy a tretie nukleotidy patria do rovnakej triedy (purín - A, G alebo pyrimidín - U, C), potom kódujú rovnakú aminokyselinu. V univerzálnom kóde existujú dve výnimky z tohto pravidla: triplet AUA kóduje izoleucín a kodón AUG kóduje metionín, zatiaľ čo v ideálnom mitochondriálnom kóde oba tieto triplety kódujú metionín; Triplet UGG kóduje iba tryptofán a triplet UGA kóduje stop kodón. V univerzálnom kóde sa obe odchýlky týkajú základných aspektov syntézy proteínov: kodón AUG je iniciačný a stop kodón UGA zastavuje syntézu polypeptidu. Ideálny kód nie je vlastný všetkým opísaným mitochondriám, ale žiadna z nich nemá univerzálny kód. Môžeme povedať, že mitochondrie hovoria rôznymi jazykmi, ale nikdy nie jazykom jadra.
Ako už bolo spomenuté, v mitochondriálnom genóme stavovcov je 22 génov tRNA. Ako takáto neúplná sada slúži všetkým 60 kodónom pre aminokyseliny (ideálny kód 64 tripletov má štyri stop kodóny, univerzálny kód tri)? Faktom je, že pri syntéze proteínov v mitochondriách sú interakcie kodón-antikodón zjednodušené – na rozpoznávanie sa používajú dva z troch antikodónových nukleotidov. Jedna tRNA teda rozpoznáva všetkých štyroch členov kodónovej rodiny, líšia sa len v treťom nukleotide. Napríklad leucínová tRNA s antikodónom GAU stojí na ribozóme oproti kodónom TsU, TsUC, TsUA a Tsug, čo zaisťuje bezchybnú inkorporáciu leucínu do polypeptidového reťazca. Dva ďalšie leucínové kodóny, UUA a UUG, rozpoznáva tRNA s antikodónom AAU. Celkovo osem rôznych molekúl tRNA rozpoznáva osem rodín so štyrmi kodónmi a 14 tRNA rozpoznáva rôzne páry kodónov, z ktorých každý kóduje jednu aminokyselinu.
Je dôležité, že enzýmy aminoacyl-tRNA syntetázy, zodpovedné za adíciu aminokyselín k zodpovedajúcim mitochondriálnym tRNA, sú kódované v bunkovom jadre a syntetizované na ribozómoch endoplazmatického retikula. U stavovcov sú teda všetky proteínové zložky mitochondriálnej syntézy polypeptidov zakódované v jadre. V tomto prípade syntéza proteínov v mitochondriách nie je potlačená cykloheximidom, ktorý blokuje prácu eukaryotických ribozómov, ale je citlivý na antibiotiká erytromycín a chloramfenikol, ktoré inhibujú syntézu proteínov v baktériách. Tento fakt slúži ako jeden z argumentov v prospech pôvodu mitochondrií z aeróbnych baktérií pri symbiotickej tvorbe eukaryotických buniek.
Symbiotická teória pôvodu mitochondrií
Hypotézu o pôvode mitochondrií a rastlinných plastidov z vnútrobunkových endosymbiontných baktérií vyslovil R. Altman už v roku 1890. Za storočie prudkého rozvoja biochémie, cytológie, genetiky a molekulárnej biológie, ktoré sa objavilo pred polstoročím, sa hypotéza rozrástla prerástol do teórie založenej na veľkom množstve faktografických materiálov. Jeho podstatou je toto: s príchodom fotosyntetických baktérií sa v zemskej atmosfére nahromadil kyslík – vedľajší produkt ich metabolizmu. Keď sa jeho koncentrácia zvyšovala, život anaeróbnych heterotrofov sa skomplikoval a niektoré z nich prešli z fermentácie bez kyslíka na oxidačnú fosforyláciu, aby získali energiu. Takéto aeróbne heterotrofy by mohli rozkladať organické látky vznikajúce pri fotosyntéze s vyššou účinnosťou ako anaeróbne baktérie. Niektoré z voľne žijúcich aeróbov boli zachytené anaeróbmi, ale neboli „strávené“, ale uložené ako energetické stanice, mitochondrie. Mitochondrie by sa nemali považovať za otrokov, ktorí sú zajatí, aby dodávali molekuly ATP bunkám, ktoré nie sú schopné dýchania. Sú to skôr „stvorenia“, ktoré ešte v proterozoiku našli pre seba a svoje potomstvo tie najlepšie úkryty, kde mohli vynaložiť čo najmenej úsilia bez toho, aby riskovali, že ich zožerú.
V prospech symbiotickej teórie hovorí množstvo faktov:
- veľkosti a tvary mitochondrií a voľne žijúcich aeróbnych baktérií sa zhodujú; obe obsahujú kruhové molekuly DNA, ktoré nie sú spojené s histónmi (na rozdiel od lineárnej jadrovej DNA);Existuje názor, že rôzne kráľovstvá eukaryotov mali rôznych predkov a bakteriálna endosymbióza vznikla v rôznych štádiách evolúcie živých organizmov. Svedčia o tom aj rozdiely v štruktúre mitochondriálnych genómov prvokov, húb, rastlín a vyšších živočíchov. Vo všetkých prípadoch však väčšina génov z promitochondrií vstúpila do jadra, možno pomocou mobilných genetických prvkov. Keď je časť genómu jedného zo symbiontov zahrnutá do genómu iného, integrácia symbiontov sa stáva nezvratnou.Pokiaľ ide o nukleotidové sekvencie, ribozomálne a transferové RNA mitochondrií sa líšia od jadrových, pričom demonštrujú prekvapivú podobnosť s podobnými molekulami niektorých aeróbnych gramnegatívnych eubaktérií;
Mitochondriálne RNA polymerázy, aj keď sú kódované v bunkovom jadre, sú inhibované rifampicínom, podobne ako bakteriálne, a eukaryotické RNA polymerázy sú na toto antibiotikum necitlivé;
Syntéza bielkovín v mitochondriách a baktériách je potlačená rovnakými antibiotikami, ktoré neovplyvňujú ribozómy eukaryotov;
Lipidové zloženie vnútornej membrány mitochondrií a bakteriálnej plazmalemy je podobné, ale je veľmi odlišné od zloženia vonkajšej membrány mitochondrií, ktorá je homológna s inými membránami eukaryotických buniek;
Krysty tvorené vnútornou mitochondriálnou membránou sú evolučnými analógmi mezozomálnych membrán mnohých prokaryotov;
Stále existujú organizmy, ktoré napodobňujú intermediárne formy na ceste k tvorbe mitochondrií z baktérií (primitívne améby Pelomyxa nemá mitochondrie, ale vždy obsahuje endosymbiotické baktérie).
Nový genóm môže vytvárať metabolické dráhy, ktoré vedú k tvorbe užitočných produktov, ktoré nemôže syntetizovať ani jeden z partnerov sám. Syntéza steroidných hormónov bunkami kôry nadobličiek je teda zložitý reťazec reakcií, z ktorých niektoré sa vyskytujú v mitochondriách a niektoré v endoplazmatickom retikule. Zachytením promitochondriálnych génov bolo jadro schopné spoľahlivo riadiť funkcie symbionta. Jadro kóduje všetky proteíny a syntézu lipidov vonkajšej membrány mitochondrií, väčšiny proteínov matrice a vnútornej membrány organel. Najdôležitejšie je, že jadro kóduje enzýmy na replikáciu, transkripciu a transláciu mtDNA, čím riadi rast a reprodukciu mitochondrií. Rýchlosť rastu symbióznych partnerov by mala byť približne rovnaká. Ak hostiteľ rastie rýchlejšie, s každou generáciou sa počet symbiontov na jednotlivca zníži a nakoniec sa objavia potomkovia bez mitochondrií. Vieme, že každá bunka pohlavne sa rozmnožujúceho organizmu obsahuje mnoho mitochondrií, ktoré replikujú svoju DNA medzi deleniami hostiteľa. To zaisťuje, že každá z dcérskych buniek dostane aspoň jednu kópiu mitochondriálneho genómu.
Cytoplazmatická dedičnosť
Okrem kódovania kľúčových zložiek dýchacieho reťazca a vlastného aparátu na syntézu proteínov sa mitochondriálny genóm v niektorých prípadoch podieľa na tvorbe niektorých morfologických a fyziologických charakteristík. Medzi tieto znaky patrí syndróm NCS (nechromozomálny pruh, nechromozomálne zakódovaná škvrnitosť listov) a cytoplazmatická samčia sterilita (CMS), charakteristická pre množstvo druhov vyšších rastlín, čo vedie k narušeniu normálneho vývoja peľu. Prejav oboch znakov je spôsobený zmenami v štruktúre mtDNA. Pri CMS sa pozorujú prestavby mitochondriálnych genómov ako výsledok rekombinácií vedúcich k deléciám, duplikáciám, inverziám alebo inzerciám určitých nukleotidových sekvencií alebo celých génov. Takéto zmeny môžu spôsobiť nielen poškodenie existujúcich génov, ale aj vznik nových fungujúcich génov.
Cytoplazmatická dedičnosť, na rozdiel od jadrovej, sa neriadi Mendelovými zákonmi. Je to spôsobené tým, že u vyšších živočíchov a rastlín obsahujú gaméty rôznych pohlaví rozdielne množstvá mitochondrií. Takže v myšom vajci je 90 tisíc mitochondrií, ale v spermiách sú len štyri. Je zrejmé, že v oplodnenom vajíčku sú mitochondrie prevažne alebo len zo ženského jedinca, t.j. Dedičnosť všetkých mitochondriálnych génov je materská. Genetická analýza cytoplazmatickej dedičnosti je ťažká kvôli interakciám medzi jadrom a cytoplazmou. V prípade cytoplazmatickej samčej sterility interaguje mutantný mitochondriálny genóm s určitými jadrovými génmi, ktorých recesívne alely sú nevyhnutné pre vývoj znaku. Dominantné alely týchto génov v homo- aj heterozygotnom stave obnovujú plodnosť rastlín bez ohľadu na stav mitochondriálneho genómu.
Štúdium mitochondriálnych genómov, ich evolúcie, ktorá sa riadi špecifickými zákonmi populačnej genetiky a vzťahov medzi jadrovými a mitochondriálnymi genetickými systémami, je nevyhnutné na pochopenie komplexnej hierarchickej organizácie eukaryotickej bunky a organizmu ako celku.
Určité mutácie v mitochondriálnej DNA alebo v jadrových génoch, ktoré kontrolujú mitochondrie, sú spojené s niektorými dedičnými chorobami a starnutím človeka. Zhromažďujú sa údaje o účasti defektov mtDNA na karcinogenéze. Preto môžu byť mitochondrie cieľom chemoterapie rakoviny. Existujú fakty o úzkej interakcii jadrových a mitochondriálnych genómov pri vývoji množstva ľudských patológií. Viacnásobné delécie mtDNA sa našli u pacientov s ťažkou svalovou slabosťou, ataxiou, hluchotou a mentálnou retardáciou, zdedenými autozomálne dominantným spôsobom. V klinických prejavoch koronárnej choroby srdca sa zistil sexuálny dimorfizmus, ktorý je s najväčšou pravdepodobnosťou spôsobený materským účinkom - cytoplazmatickou dedičnosťou. Rozvoj génovej terapie dáva nádej na nápravu defektov v mitochondriálnych genómoch v dohľadnej budúcnosti.
Túto prácu podporila Ruská nadácia pre základný výskum. Projekt 01-04-48971.
Autor je vďačný postgraduálnemu študentovi M.K. Ivanovovi, ktorý vytvoril kresby pre článok.
Literatúra
1. Yankovsky N.K., Borinskaya S.A. Naša história zaznamenaná v DNA // Príroda. 2001. Číslo 6. S.10-18. 2. Minchenko A.G., Dudareva N.A. Mitochondriálny genóm. Novosibirsk, 1990. 3. Gvozdev V.A.// Soros. vzdelanie časopis 1999. Číslo 10. S.11-17. 4. Margelis L.Úloha symbiózy v evolúcii buniek. M., 1983. 5. Skulachev V.P.// Soros. vzdelanie časopis 1998. Číslo 8. S.2-7. 6. Igamberdiev A.U.// Soros. vzdelanie časopis 2000. č. 1. S.32-36.
DNA v mitochondriách predstavujú cyklické molekuly, ktoré netvoria väzby s histónmi, v tomto smere pripomínajú bakteriálne chromozómy.
U ľudí obsahuje mitochondriálna DNA 16,5 tisíc bp, je úplne dešifrovaná. Zistilo sa, že mitochondriálna DNA rôznych objektov je veľmi homogénna, ich rozdiel spočíva len vo veľkosti intrónov a netranskribovaných oblastí. Celá mitochondriálna DNA je reprezentovaná viacerými kópiami, zhromaždenými v skupinách alebo zhlukoch. Jedna mitochondria pečene potkana teda môže obsahovať 1 až 50 cyklických molekúl DNA. Celkové množstvo mitochondriálnej DNA na bunku je asi jedno percento. Syntéza mitochondriálnej DNA nie je spojená so syntézou DNA v jadre. Rovnako ako u baktérií, mitochondriálna DNA sa zhromažďuje v oddelenej zóne - nukleoide, jej veľkosť je asi 0,4 mikrónu v priemere. Dlhé mitochondrie môžu mať 1 až 10 nukleoidov. Keď sa delí dlhá mitochondria, oddelí sa od nej časť obsahujúca nukleoid (podobne ako pri binárnom štiepení baktérií). Množstvo DNA v jednotlivých mitochondriálnych nukleoidoch môže v závislosti od typu bunky kolísať až 10-násobne. Keď mitochondrie splynú, ich vnútorné zložky sa môžu vymeniť.
rRNA a ribozómy mitochondrií sa výrazne líšia od ribozómov v cytoplazme. Ak sa v cytoplazme nachádzajú ribozómy 80. rokov, potom ribozómy mitochondrií rastlinných buniek patria k ribozómom 70. rokov (pozostávajú z podjednotiek 30. a 50. rokov, obsahujú 16. a 23. RNA, charakteristické pre prokaryotické bunky) a menšie ribozómy (približne 50. rokov) sa nachádzajú mitochondrie živočíšnych buniek. V mitoplazme dochádza k syntéze proteínov na ribozómoch. Zastavuje sa, na rozdiel od syntézy na cytoplazmatických ribozómoch, pôsobením antibiotika chloramfenikolu, ktorý potláča syntézu bielkovín v baktériách.
Transferové RNA sa syntetizujú aj na mitochondriálnom genóme, celkovo sa syntetizuje 22 tRNA. Tripletový kód mitochondriálneho syntetického systému je odlišný od kódu používaného v hyaloplazme. Napriek prítomnosti zdanlivo všetkých zložiek nevyhnutných na syntézu proteínov, malé molekuly mitochondriálnej DNA nedokážu kódovať všetky mitochondriálne proteíny, iba ich malú časť. DNA má teda veľkosť 15 tisíc bp. môže kódovať proteíny s celkovou molekulovou hmotnosťou približne 6x105. Zároveň celková molekulová hmotnosť proteínov častice kompletného respiračného súboru mitochondrií dosahuje hodnotu asi 2x106.
Ryža. Relatívne veľkosti mitochondrií v rôznych organizmoch.
Je zaujímavé sledovať osud mitochondrií v kvasinkových bunkách. V aeróbnych podmienkach majú kvasinkové bunky typické mitochondrie s jasne definovanými kristami. Keď sa bunky prenesú do anaeróbnych podmienok (napríklad keď sú subkultivované alebo keď sa prenesú do dusíkovej atmosféry), typické mitochondrie sa v ich cytoplazme nezistia a namiesto toho sú viditeľné malé membránové vezikuly. Ukázalo sa, že v anaeróbnych podmienkach kvasinkové bunky neobsahujú kompletný dýchací reťazec (chýbajú cytochrómy b a a). Pri prevzdušnení kultúry dochádza k rýchlej indukcii biosyntézy respiračných enzýmov, prudkému zvýšeniu spotreby kyslíka a v cytoplazme sa objavia normálne mitochondrie.
Osídlenie ľudí na Zemi 
Prečo mitochondrie potrebujú svoju vlastnú DNA? Aj keď, prečo by symbionti nemali mať v sebe vlastnú DNA, ktorá by všetko, čo potrebujú, produkovala priamo na mieste? Prečo potom prenášať časť mitochondriálnej DNA do bunkového jadra, čím vzniká potreba transportu génových produktov do mitochondrií? Prečo sa mitochondrie prenášajú len od jedného rodiča? Ako mitochondrie prijaté od matky koexistujú s genómom bunky, ktorý sa skladá z DNA matky a otca? Čím viac sa ľudia o mitochondriách dozvedia, tým viac otázok vzniká.
To sa však netýka len mitochondrií: v akejkoľvek oblasti vedy vedie rozširovanie sféry poznania len k zväčšovaniu jej povrchu v kontakte s neznámym, vyvolávajú stále nové a nové otázky, ktorých odpovede sa budú rozširovať rovnako. guľa s rovnakým predvídateľným výsledkom.
DNA moderných mitochondrií je teda distribuovaná veľmi zvláštnym spôsobom: malá časť génov je obsiahnutá priamo v mitochondriách v kruhovom chromozóme (presnejšie v niekoľkých kópiách toho istého chromozómu v každej mitochondrii) a väčšina plány na výrobu komponentov mitochondrie sú uložené v bunkovom jadre. Preto ku kopírovaniu týchto génov dochádza súčasne s kopírovaním genómu celého organizmu a nimi produkované produkty putujú dlhú cestu z cytoplazmy bunky do mitochondrií. Je to však výhodné v mnohých ohľadoch: mitochondrie je oslobodená od potreby kopírovať všetky tieto gény počas reprodukcie, čítať ich a budovať proteíny a ďalšie zložky so zameraním na svoju hlavnú funkciu výroby energie. Prečo je potom v mitochondriách stále malá DNA, ktorej udržiavanie si vyžaduje všetky tieto mechanizmy, bez ktorých by mitochondrie mohli venovať ešte viac prostriedkov hlavnému účelu svojej existencie?
Najprv sa predpokladalo, že DNA zostávajúca v mitochondriách je atavizmus, dedičstvo promitochondrií absorbovaných metanogénom, ktorý má kompletný bakteriálny genóm. Na začiatku ich symbiózy, napriek existencii týchto mitochondriálnych génov v jadre ( m-gény), ktoré boli potrebné na udržanie komfortného prostredia pre promitochondrie vo vnútri metanogénu (podrobne sa o tom píše v mitochondriách), boli v každej z mitochondrií uložené rovnaké gény. Pro-mitochondrie na začiatku svojho života ako symbiont vyzerali zhruba rovnako ako moderná baktéria na diagrame naľavo od tohto odseku.
A veľmi pomaly, kvôli nedostatku dopytu, tieto gény mizli z mitochondriálneho chromozómu v dôsledku rôznych mutácií. Ale bunkové jadro hromadilo stále viac m-génov, ktoré sa dostali do cytoplazmy zo zničených symbiontov-mitochondrií a integrovali sa do genómu eukaryotickej chiméry. Len čo sa začal čítať novo vložený m-gén, bunkové mechanizmy produkovali produkty potrebné pre mitochondrie, čím oslobodili symbionty od ich nezávislej tvorby. To znamená, že mitochondriálny analóg génu, ktorý prešiel do jadra, už nebol udržiavaný v funkčnom stave prirodzeným výberom a bol vymazaný mutáciami rovnakým spôsobom ako všetky predchádzajúce. Preto by bolo logické predpokladať, že čoskoro sa tie gény, ktoré ešte zostanú v mitochondriách, presunú do jadra, čo povedie k veľkým energetickým výhodám pre eukaryoty: koniec koncov, ťažkopádne mechanizmy na kopírovanie, čítanie a korekciu DNA môžu byť odstránené z každá mitochondria, a teda všetko, čo potrebujete na tvorbu bielkovín.
Po dosiahnutí tohto záveru vedci vypočítali, ako dlho bude trvať, kým všetky gény migrujú z mitochondrií do jadra prirodzeným driftom. A ukázalo sa, že tento termín už dávno uplynul. V čase, keď sa objavila eukaryotická bunka, mali mitochondrie pravidelný bakteriálny genóm s niekoľkými tisíckami génov (vedci určujú, aký bol tento genóm štúdiom m-génov prenesených do jadra v rôznych organizmoch), ale teraz mitochondrie všetkých typov eukaryotov stratili od 95 do 99,9 % ich génov. Nikomu nezostalo v mitochondriách viac ako sto génov, ale nikto nemal ani mitochondrie bez génov. Ak by v tomto procese hrala kľúčovú rolu náhoda, potom by cestu génového prenosu do jadra už absolvovalo minimálne niekoľko druhov. No nestalo sa tak a doteraz skúmané mitochondrie rôznych druhov, ktoré nezávisle od seba strácajú svoje gény, si zachovali ich rovnaký súbor, čo priamo naznačuje potrebu prítomnosti týchto konkrétnych génov v mitochondriách.
Navyše, iné organely buniek produkujúce energiu, chloroplasty, majú tiež svoju vlastnú DNA a rovnakým spôsobom sa paralelne a nezávisle vyvíjali chloroplasty rôznych druhov, pričom každý zostal s rovnakým súborom génov.
To znamená, že všetky tie výrazné nepríjemnosti s udržiavaním vlastného genómu v každej bunkovej mitochondrii (a v priemere ich jedna bunka obsahuje niekoľko stoviek!) a ťažkopádny aparát na jeho kopírovanie-opravovanie-prekladanie (tie hlavné, ale nie všetky! Vidíte jeho časti na obrázku vľavo ) sú niečím prevážené.
A v súčasnosti existuje konzistentná teória tohto „niečoho“: schopnosť produkovať určité časti mitochondrií priamo vo vnútri, je potrebné regulovať rýchlosť dýchania a prispôsobovať procesy prebiehajúce v mitochondriách neustále sa meniacim potrebám mitochondrií. celého organizmu.
Predstavte si, že jednej zo stoviek mitochondrií v bunke zrazu chýbajú prvky dýchacieho reťazca (podrobnejšie pozri), alebo nemá dostatok ATP syntáz. Ukáže sa, že je buď preťažený potravou a kyslíkom a nedokáže ich dostatočne rýchlo spracovať, alebo jeho medzimembránový priestor praská protónmi, ktoré nemajú kam ísť – vo všeobecnosti hotová katastrofa. Samozrejme, všetky tieto odchýlky od ideálnej životnej situácie spúšťajú viaceré signály, ktorých cieľom je vyrovnať zoznam potápajúcej sa lode.
Tieto signály spúšťajú produkciu presne tých častí, ktoré mitochondriám momentálne chýbajú, čím sa aktivuje čítanie génov, pomocou ktorých sú bielkoviny postavené. Akonáhle má mitochondria dostatok komponentov dýchacieho reťazca alebo ATPáz, „náklon sa vyrovná“, prestanú prichádzať signály o potrebe výstavby nových častí a gény sa opäť vypnú. Ide o jeden z úžasne elegantných vo svojej jednoduchosti nevyhnutných mechanizmov samoregulácie buniek, ktorých najmenšie porušenie vedie k vážnym ochoreniam až neživotaschopnosti organizmu.
Pokúsme sa logicky určiť, kde by sa mali nachádzať gény potrebné na reakciu na tento núdzový signál. Predstavte si situáciu, že tieto gény sú umiestnené v jadre bunky obsahujúcej niekoľko stoviek mitochondrií. Napríklad v jednej z mitochondrií vznikol nedostatok NADH dehydrogenázy: prvý enzým dýchacieho reťazca, ktorého úlohou je odstrániť dva elektróny z molekuly NADH, preniesť ich na ďalší enzým a prepumpovať 2-4 protóny cez membránu.
V skutočnosti sa takéto nedostatky akéhokoľvek enzýmu vyskytujú pomerne často, pretože periodicky zlyhávajú, množstvo skonzumovanej potravy sa neustále mení, potreba ATP v bunke tiež skáče po skokoch alebo prepadnutí organizmu obsahujúceho túto bunku. Preto je situácia veľmi typická. A tak mitochondria vyšle signál: „treba vybudovať viac NADH dehydrogenázy!“, ktorý prekročí svoje hranice, prejde cez cytoplazmu do jadra, prenikne do jadra a spustí čítanie potrebných génov. Podľa bunkových štandardov je čas prechodu tohto signálu veľmi významný, ale je tiež potrebné vytiahnuť skonštruovanú messenger RNA z jadra do cytoplazmy, vytvoriť pomocou nej proteíny a poslať ich do mitochondrií...
A tu vzniká problém, ktorý je oveľa závažnejší ako plytvanie časom navyše: pri vytváraní špecializovaných mitochondriálnych proteínov sú označené signálom „doručiť do mitochondrií“, ale ktorý? Neznámy. Preto každá z niekoľkých stoviek mitochondrií začne prijímať bielkoviny, ktoré nepotrebuje. Bunka vynakladá prostriedky na ich produkciu a dodávku, mitochondrie sú naplnené nadbytočnými dýchacími reťazcami (čo vedie k neúčinným respiračným procesom) a jediná mitochondria, ktorá tieto proteíny potrebuje, ich neprijíma v dostatočnom množstve, pretože v najlepšom prípade dostane stotinu. toho, čo sa vyrába. Takže stále vysiela núdzové signály a chaos pokračuje. Aj z tohto lyrického a povrchného opisu toho, čo sa deje, je jasné, že takáto bunka nie je životaschopná. A že existujú gény, ktoré sa musia čítať a prekladať priamo do mitochondrií, aby regulovali procesy v nich prebiehajúce, a nespoliehať sa na plán výroby nechtov, ktorý spustilo jadro strany... teda proteíny dýchacieho reťazca pre všetky mitochondrie naraz.
Po overení toho, čo presne sa vyrábalo v mitochondriách rôznych organizmov, ktoré zostali v mitochondriách (a teda presúvali m-gény do jadra nezávisle od seba), sme zistili, že to boli presne prvky na budovanie dýchacích reťazcov a ATPázy, ako napr. ako aj ribozómy (to je hlavná časť vysielacieho aparátu).
Viac o tom (a ešte viac) si môžete prečítať od Lane na "Energia, sex, samovražda: mitochondrie a zmysel života". Môžete jednoducho porovnať diagram mitochondriálnej DNA, kde sú kódované produkty dešifrované (napravo od tohto odseku), s diagramom dýchacieho reťazca (vyššie), aby bolo jasné, čo presne sa v mitochondriách produkuje. . Samozrejme, nie každý proteín vložený do tohto reťazca je produkovaný lokálne, niektoré z nich sú zabudované v cytoplazme bunky. Ale hlavné „kotvy“, na ktoré lipnú ostatné časti, sú vytvorené vo vnútri mitochondrií. To vám umožní produkovať presne toľko enzýmov, koľko potrebujete, a presne tam, kde sú potrebné.
Ako mitochondrie súvisia so sexom a ako rôzne genómy koexistujú v jednej bunke, napíšem v jednej z ďalších kapitol tohto riadku.