Структура та функції мітохондрій

Все більш уваги вчених приваблює проблема різноманітності геному людини. Ці дослідження спрямовані на рішення фундаментальних наукових проблем, які пов’язані з походженням людини та на виявлення генних різниць, які пов’язані з чутливістю або стійкістю людини до різних захворювань та впливом середовища.

У 1981 р. в лабораторії молекулярної біології Медичного дослідницького Центру у Кембриджі науковою групою Ф.Сєнгера була розшифрована нуклеотидна структура мтДНК людини (рис.1).

Згідно однієй із гіпотез, мітохондрії виникли як симбіонт прото-еукаріотичніх клітин понад двох більйонів років тому і передали більшу частину своїх генів клітинному ядру.

Кількість та форма мітохондрій варіюють у залежності від функції клітини. В криптах МТХ вбудовані білкові компоненти дихального ланцюга – ферменти, які беруть участь у перетворенні енергії хімічних зв’язків при окислюванні поживних речовин у енергію молекул АТФ. В матріксі МТХ, крім ДНК, знаходяться і власні рибосоми.Мітохондріальна рибосома складається із великої та малої субодиниць, кожна з яких містить одну рРНК, яка кодується мітохондріальними генами. Однак, на них кодується лише мала (до 5 %) частина білків, які входять до складу клітинних органел. Більша частина білків, які являються структурними та функціональними компонентами МТХ, кодуються у ядерному геномі.

Апарат білкового синтезу в мітохондріях має змішане походження. Більша частина його білкових компонентів транспортується в органелу із навколишньої цитоплазми. В мітохондріях не відбувається перенос нуклеїнових кислот через мембрану органели як в одному, так і в другому напрямку. Тому всі РНК, які входять до складу апарату білкового синтезу, продукуються самою органелою. Деякі субодинічні ферменти дихального ланцюга МТХ складаються із різних поліпептидів, частина з яких кодується ядерним, а частина – мітохондріальним геномом. МТХ – це результат об’єднаних зусиль двох геномів.

Геном МТХ виявляє значну варіабельність по набору генів, порядку їх розташування та експресії. МтДНК людини надзвичайно компактно організована. Вона уявляє собою малу двохланцюгову кільцеву молекулу, розміром 16569 пар нуклеотидів (рис.1). Інтронів у неї немає, деякі гени перекриваються (тобто, остання основа одного гена, являється першою основою наступного за ним гена); майже кожна пара основ належить будь-якому гену, за винятком D-петлі, області, яка відповідає за ініціацію реплікації ДНК. Мітохондріальний геном має 13 областей, які потенційно можуть кодувати білки. До них відносяться області, які кодують цитохром b, три субодиниці цитохром-оксидази та одну із субодиниць АТФази. Кожна клітина людини містить сотні МТХ та тисячі копій мтДНК.

 

Рис. 1. Структура мітохондріального геному та приклади мітохондриальних хвороб. ADPD – Хвороба Альцгеймера / хвороба Паркинсона; DEAF - нейросенсорна глухота; LHON - спадкова нейроофтальмопатія Лебера; MELAS (мітохондриальна міопатія, ен­цефалопатія, лактат-ацидоз та судоми); MERRF - міоклональна епілепсія у сполученні з „рваними” червоними м’язовими волокна­ми; NARP - нейропатія, атаксія та пігментний ре­тініт; РЕМ - летальна прогресуюча енцефаломіопатія [Бочков Н.П. Клиническая генетика: Учебник – 2-е изд., перераб. И доп. – М.:ГЄОТАР-МЕД, 2001]

МТХ реплікують, транскрибують і транспортують свою ДНК напівавтономно від ядерної, хоча, безумовно, ядерна та мітохондріальна функції взаємопов’язані. Більша частина генів експресується в одному напрямку, гени тРНК розташовуються між генами, які кодують рРНК або білок.

Комплементарні ланцюги в мтДНК значно різняться по плавучій щільності у лужному градієнті СsCl, оскільки мають неоднаковий зміст пуринових («важких») та піримідинових («легких») нуклеотидів. Вони носять назву Н і L ланцюги. Реплікація ДНК в МТХ людини однобічнаа і асинхронна. Це пов’язано з різною локалізацією точок ініціації реплікації комплементарних ниток ДНК. З початку ініціюється реплікація Н-ланцюга, а синтез L-ланцюга ініціюється після того, як вже синтезується 67% Н - ланцюга. Це обумовлено тим, що область ініціації реплікації L-ланцюга доступна лише в одноланцюговому стані, а це має місце тільки при розплітанні подвійної спіралі при синтезі Н-ланцюга. Ініціація реплікації Н-ланцюга відбувається в області D-петлі -петля є єдиною областю мтДНК, що некодує, і містить гіперваріабельні ділянки НVS I і HVS II.