Генетична система мітохондрій

 

Мітохондрія має власну генетичну систему - мітохондріальну ДНК і власний білоксинтезуючий апарат. Діленню (репродукції) мітохондрій передує реплікація мітохондріальної ДНК. Синтез ДНК мітохондрій при діленні клітин відбувається незалежно від реплікації ядерної ДНК.

У більшості об'єктів ДНК мітохондрій являє собою дволанцюгову ковалентно замкнуту структуру. В одній мітохондрії може бути від однієї до 20 000 кільцевих молекул ДНК, молекулярна маса яких варіює від (9-10) • 10⁶ у хребетних до (3-4) • 10⁷ у вищих рослині і грибів. Розміри кільцевих молекул ДНК у більшості мітохондріальних геномів варіюють від 16-20 (у хребетних) до 570 кілобаз у вищих рослин (кукурудза), а лінійна довжина молекули складає 5 мкм у дріжджів і 30 мкм у вищих рослин.

У мітохондріях тваринних клітин знаходиться кілька молекул ДНК, практично не помітних на звичайних електронно-мікроскопічних препаратах. У клітинах рослин їх, як правило, більше, так що при ультраструктурних дослідженнях мітохондріальна ДНК може бути виявлена у виді тонких фібрил. І, нарешті, у мітохондріях деяких кінетопластид (наприклад, трипаносомових) безліч кільцевих молекул ДНК поєднуються у велику електронно-щільну структуру - кінетопласт. У єдиній гігантській мітохондрії кінетопластид виявляється цікава модифікація мітохондріального геному: генетичний апарат тут представлений великою кількістю кільцевих молекул двох типів - так званих максі-кілець (вони гомологічні кільцевим ДНК мітохондрій інших об'єктів) і мінікілець - вони майже не містять генетичної інформації і їхнє функціональне значення стало прояснятися лише останнім часом. У рідких випадках, наприклад у водорості хламідомонади і інфузорій парамецій, мітохондріальний геном може складатися з лінійних молекул ДНК.

Про надмолекулярне упакування мітохондріальної ДНК відомо небагато. Очевидно, фібрили мітохондріальної ДНК за способом упакування нагадують хромосому прокаріот. У деяких об'єктів виявлені основні білки невеликої молекулярної маси, начебто зв'язані з мітохондріальною ДНК. Мітохондріальна ДНК відрізняється від ядерної за складом основ, плавучій щільності і ряду інших фізико-хімічних властивостей.

Значних успіхів досягла генетика мітохондрій. Численні роботи проводяться на мітохондріальних мутантах дріжджів (мутації дихального ланцюга, які не ведуть до загибелі кліток, тому що вони переходять на бродильний тип обміну). При дослідженнях клітин, які культивувалися in vitro вдалося одержати численні мітохондріальні мутанти в птахів, ссавців (у тому числі і людини); були отримані навіть клітини з мітохондріями без власної ДНК.

Дослідження в області мітохондріальної генетики з використанням мутантних клітин дозволили встановити, що ДНК мітохондрій властиві всі генетичні функції: рекомбінація, репарація і т.д. Було показано, що мітохондрії характеризуються так називаною полярністю, тобто перевагою вмітохондрій дочірніх клітин рекомбінантів одного типу: успадковування мітохондріального геному у тваринних і рослинних клітин в основному іде по материнській лінії. Правда, ці дані були отримані на обмеженому числі об'єктів. Останнім часом були виявлені факти спадкування обох типів батьківських мітохондріальних геномів у тваринних клітин і спадкування тільки по батьківській лінії в рослинних клітинах (секвойя). Для позначення цього явища - наявності в індивіда більше одного класу мітохондріального генома (або генома хлоропластів) запропонований спеціальний термін - гетероплазмія.

Дослідження в області мітохондріальної генетики дозволили картувати мітохондріальні геноми в різних об'єктів. Зокрема, є повна характеристика геномів мітохондрій клітин людини і дріжджів; про інші організми існують уривчасті відомості.

Обсяг інформації, закодованої в геномі мітохондрій, відносно невеликий; мітохондріальний геном, як правило, містить матриці для синтезу власних тРНК і високомолекулярних рРНК і деяких субодиниць ферментів дихального ланцюга й АТФ-синтазного комплексу.

Автономність білоксинтезуючої системи мітохондрій значно менша, ніж здається на перший погляд. Білкові фактори трансляції мітохондріальних РНК кодуються не ДНК мітохондрій, а ядерною ДНК, тобто процес трансляції в мітохондріях не може здійснюватися незалежно від ядерного геному. Крім того, у ДНК ядра є інформація, необхідна для синтезу факторів реплікації мітохондріальної ДНК, РНК-полімераз, що здійснюють транскрипцію ДНК мітохондрій, білків, які входять до складу 70 S рибосом (за винятком одного білка малої субодиниці) і більшої частини компонентів електроннотранспортного ланцюга й АТФ-синтазного комплексу.

В даний час велика увага приділяється вивченню механізмів транслокації білків через мітохондріальні мембрани. Встановлено, що численні білки дихального ланцюга, АТФ-синтазного комплексу і матриксу проходять у мітохондрії, очевидно, у ділянках тісного контакту зовнішньої і внутрішньої мембран - так називаних контактних сайтах. Тут знаходиться спеціальний білок-рецептор молекулярною масою 45 кДа, і утворюються специфічні канали. Процес цей вимагає енергії АТФ.

Більшість мітохондріальних мембранних ліпідів синтезується на ЕПС і вбудовується в мембрану мітохондрій. Ліпіди надходять до зовнішньої мембрани мітохондрій і попадають у внутрішню мембрану через контактні сайти. У мітохондріальних мембранах відбувається перетворення екзогенного фосфатидилсерину у фосфатидилетаноламін і утворення з «імпортованих» ліпідів кардіоліпіну - специфічного ліпіду внутрішньої мембрани мітохондрій.

Дослідження геному і білоксинтезуючого апарату мітохондрій дозволили прийти до висновку, що їм властиві деякі специфічні риси. Так, у мітохондріях має істотні особливості їх генетичний код. Універсальний термінінуючий кодон UGA у мітохондріях ссавців, дрозофіл і дріжджів кодує триптофан, а ізолейциновий кодон AUA - метіонін. Більш того, мітохондріальний генетичний код відрізняється в різних організмів. Так, лейциновий кодон GUA у мітохондріях ссавців і дрозофіл також кодує лейцин, а в мітохондріях дріжджів - треонін. Кодони AGA і AGG, які несуть в універсальному коді інформацію для синтезу аргініну, функціонують як термінуючі кодони в мітохондріях ссавців, кодують серин в мітохондріях дрозофіл і аргінін у мітохондріях дріжджів. У вищих рослин мітохондріальний генетичний код збігається з ядерним. Для зчитування всіх кодонів у білоксинтезуючому апараті мітохондрій досить всього 22-24 тРНК на відміну від цитозолю (де є принаймні 31 тРНК) і хлоропластів (30 тРНК); трансляція в мітохондріях відбувається з меншою точністю; мітохондріальні рибосоми також мають деякі особливості.

Геном мітохондрій людини відносять до так називаного „ощадливого” типу. Основна інформація закодована у важкому ланцюзі (Н-ланцюг) ДНК (у ній локалізуються гени двох високомолекулярних рРНК, 14 тРНК і 12 генів, які кодують іРНК для білків внутрішньої мембрани мітохондрій). У легкому ланцюзі (L-ланцюг) ДНК зберігається інформація тільки про8 тРНК і одну іРНК для єдиного білка малої субодиниці мітохондріальних рибосом.

У мітохондріях рослин кодується низькомолекулярна РНК рибосом. У мітохондріальних геномах хламідомонади й інфузорії тетрахімени зберігається інформація не про всі тРНК: частина тРНК, які працюють у мітохондріях, закодована в геномі ядра. А в ядерному геномі трипаносомід представлена інформація про всі тРНК мітохондріальні білоксинтезуючі системи. Істотні розходження спостерігаються між різними об'єктами йу кодуванні білків дихального ланцюга й АТФ-синтазного комплексу. Таким чином, на тлі відносної сталості інформаційної ємності мітохондріального генома виявляється і значна еволюційна пластичність цієї ознаки.

 

Функції мітохондрій

Різноманітні функції мітохондрій настільки тісно зв'язані з їхньою структурою, що їх зовсім неможливо вивчати окремо.

Ще перші цитологи, починаючи з Альтмана, припускали, що мітохондрії зв'язані з процесами окислювання в клітинах. У 1912 р. Бателі і Штерн, а потім у 1913 р. і Варбург встановили, що дихальні ферменти утримуються в нерозчинній фракції клітини. Про це відкриття не згадували до 1929 р., коли Кейліну вдалося виділити з м'язового волокна частки, які містять сукцинат- і цитохромоксидази. Це була перша поліферментна система, виділена з клітки, але її не вдалося ідентифікувати специфічними цитологічними методами. Класична робота Бенслі і Херра, які виділили гранулярну фракцію з клітин печінки і ідентифікували ці гранули з мітохондріями, проклала шлях сучасному вивченню ферментативних функцій мітохондрій. Було встановлено, що ізольовані мітохондрії активно окисляють глутамінову і янтарну кислоти і дають позитивнуреакцію на цитохромоксидазу з реактивом нади. Було також виявлено, що при дегенерації мітохондрій, яка була викликана заморожуванням і наступним відтаванням клітини, в останньому знижується споживання кисню й активність сукцинатоксидази і цитохромоксидази. Нарешті, Хогебум, Клод і Хочкісс у 1946 р. довели, що обидва ці ферменти зв'язані з мітохондріальною фракцією клітини. З тих пір виділення мітохондрій стало широко розповсюдженою процедурою, і у вивченні функцій мітохондрій були досягнуті великі успіхи.

Ще з часів перших досліджень удалося установити, що мітохондрії складаються на 65-70% з білка і на 25-30% з ліпідів, головним чином фосфатидів (лецитину і кефаліну); холестерин та інші ліпіди присутні лише в незначній кількості. РНК незмінно складає близько 0,5% сухої ваги мітохондрій.

Існують два основних способи дослідження виділених мітохондрій: або їх вивчають у виді інтактних часток, або ці частки розділяють на усе більш і більш дрібні фрагменти, кожний з яких містить певні групи, які володіють ферментативною активністю. Обидва шляхи дослідження виявилися надзвичайно плідними і забезпечили одержання важливих даних про макромолекулярну і функціональну організацію мітохондрій.

Ферментна система мітохондрій. Ферментативні процеси мітохондрій вкрай складні; щоб їх охарактеризувати кількісно, достатньо сказати, що в реакції, які звичайно протікають у кожній мітохондрії, беруть більш 70 ферментів і коферментів, не рахуючи великого числа кофакторів, вітамінів і деяких металів.

Єдиною „сировиною”, яку потребують мітохондрії, є фосфат і аденозиндифосфат (АДФ), а кінцевим продуктом - АТФ, СО₂ і Н₂О. Три основні харчові речовини клітини (вуглеводи, жири і білки) в остаточному розщеплюються в цитоплазмі до двовуглецевих одиниць. Кожна така одиниця вступає в з'єднання з коферментом А, в результаті чого утворюється ацетилкофермент А. Коли останній попадає в мітохондрію, його ацетатна група вступає в цикл Кребса (його називають також циклом трикарбонових кислот або циклом лимонної кислоти) і після ряду складних реакцій за участю різних ферментів проходить декарбоксилювання, тобто вуглець, який входить до йогоскладувиділяється у вигляді СО₂. На різних етапах циклу пари електронів (або еквівалентне число атомів Н) під дією дегідрогеназ переносяться в дихальний ланцюг (ланцюг переносу електронів); зрештою вони з'єднуються з молекулярним киснем, утворюючи молекули води.

Дихальний ланцюг являє собою головну систему перетворення енергії в мітохондріях. Її компоненти не тільки функціонально, але і просторово тісно зв'язані зі структурою мітохондрій. До складу основних компонентів дихального ланцюга входять два флавопротеїдних фермента (сукцинат- і ДПН-дегідрогенази), чотири цитохроми, а також негемінове залізо, мідь і кофермент Q. У трьох точках цього ланцюга за рахунок енергії електронів з АДФ і фосфату утвориться АТФ. Тому говорять, що дихальний ланцюг сполучений з фосфорилюванням.

Локалізація ферментної системи мітохондрій. Один з методів вивчення локалізації ферментів у мітохондріях складається в подрібненні цих часток на фрагменти різного розміру, які мають різними властивостями. Якщо зважку мітохондрій піддати дії ультразвуку, то розчинні білки, які містяться в матриксі виділяються і в осадженій фракції залишаються частини мембран . Наприклад, у мітохондріях із клітин печінки утримується більше розчинних білків, чим у мітохондріях серцевого м'яза, які мають більш компактну структурою і велику кількістю крист.

До числа розчинних білків, які містяться в матриксі, відноситься більшість ферментів, які беруть участь у циклі Кребса (аконітаза, дегідрогеназа малеїнової кислоти, фумараза, дегідрогеназа ізолимоної кислоти, конденсуючий фермент, дегідрогенази піровиноградної і кетоглутарової кислот і т.д.) і жирних кислот (кротоназа, ацилдегідрогеназа). У матриксі мітохондрій містяться також різні нуклеотиди, нуклеотид-коферменти і неорганічні іони (К⁺, HPO^4-, Mg⁺⁺ Cl^-- і SO4^-). У нерозчинної, фракції, тобто в мембранах, знаходяться всі ферменти, які відносяться до дихального ланцюга, а також ферменти, які каталізують сполучений з нею процес окисного фосфорилювання.

Так як між числом крист і інтенсивністю реакцій дихального ланцюга існує пряма залежність, то було висунуто припущення, що в кристах і внутрішніх мембранах мітохондрій; міститься більшість ферментів, які беруть участь у цих реакціях.

До дуже важливого результату привели спектрофотометричні дослідження: вони дають підставу думати, що компоненти дихального ланцюга знаходяться в еквімолекулярних співвідношеннях, тобто на кожну молекулу цитохрому або цитохромоксидази припадає одна молекула сукцинатдегідрогенази або ДПН-дегідрогенази.

Деякі фрагменти мітохондрій, які утворюються під дією ультразвуку або отримані за допомогою інших методів роздроблення, ще зберігають здатність до окисного фосфорилювання, але при їх подальшому подрібнюванні отримують частки, які хоча і містять ферменти дихального ланцюга, однак не можуть забезпечити сполучення окислювання з синтезом АТФ.

Розрахунки показують, що 25-40% білків мембран складають ферменти дихального ланцюга, а 60-70% структурних білків не містять окислювально-відновних груп.

Ще однією стороною діяльності мітохондрій участь у специфічних синтезах, наприклад у синтезі стероїдних гормонів і окремих ліпідів. У мітохондріях можуть накопичуватися різні речовини і деякі іони, особливо іони Са²⁺. У мітохондріях ооцитів різних тварин утворюється скупчення жовтка, при цьому вони втрачають свою основну функцію. Мітохондрії, які відпрацювали можуть також накопичувати продукти екскреції. Нарешті, у деяких випадках (печінка, нирки) мітохондрії здатні акумулювати шкідливі речовини й отруту, які попадають в клітину, ізолюючи їх від основної цитоплазми і частково блокуючи шкідливу дію цих речовин.