Б. Альбертс, А. Джонсон, Д. Льюис и др. - Молекулярная биология клетки (djvu) (1129766), страница 271
Текст из файла (страница 271)
Эти митохондрии обладают нормальной внешней мембраной, но их внутренняя мембрана характеризуется слабым развитием крист (рис. 14.64). Они содержат практически все митохондриальные белки, кодируемые ядерным геномом и импортируемые из цитозоля, включая ДНК и РНК полимеразы. Это указывает на огромное значе ние ядра лля биогенеза митохондрий. Исслелования карликовых мутантов также показали, что делящиеся путем фрагментации органеллы способны бесконечно воспроизводиться в цитоплазме пролиферирующих эукариотических клеток, даже в отсутствие собственнгн:о генома, Возможно, пероксисомы в норме реплицируются таким путем (см. рис. 12.33). В случае хлоропластов самым близким эквивазентом митохондриальных карликовых мутантов являются мутанты одноклеточной водоросли Еид1епа.
Мутантные водоросли, у которых не происходит хлоропластного белкового синтеза, продолжают нести хлоропласты и выживают на окисляемых субстратах. Олнако, если развитие зрелых хлоропластов у высших растений заблокировано за счет выращивания их в тем ноте или дефектного или отсутствующего хло)юпластного генома, они погибают. 14.4Л 2.
Митохондрии и пластиды содержат тканеспецифичные белки, кодируемые клеточным ядром В определенных типах клеток митохондрии выполняют специфические функ ции. Например, они принимают участие в цикле мочевины, который у млекопи тающих служит центральным згетаГюлическим путем избавления от содержащих азот продуктов разрушения клеток. Эти продукты выделяются с мочой в форме мочевины.
Несколько атапов цикла кагализируется кодируемыми в ядре ферментами митохондриального матрикса. Синтез мочевины происходит только в некоторых тканях, например в печени, и необходимые ферменты синтезируются и импортируются в митохондрии только в этих тканях. 14.4. Генетические системы митохондрий и ппастид 1331 электрон-траиспортиую цепь. Но случайности происходят, и довольно часто; по оценкам, молекула О образуется в одном из 2000 переносов электрона с ЫА()Н иа кислород. У клеток есть аварийные системы, сводящие к минимуму ущерб, наносимый супероксидом и другими активными формами кислорода. Основной такой системой является фермент супероксиддисмутаза (5ОО), катализирующий реакцию О + + Ог + 2Н' — » НгОг + О .
Затем все еще ядовитая перекись водорода превращается в воду либо ферментом каталазой (которая катализирует реакцию Н О + Н О -+ — » 2Н О + О ), либо глутатионпероксидазой (которая катализирует реакцию НгОг + 2ОЯН вЂ” » 2НгО + ОББН, где ОЯН вЂ” это трипептид глутатиои с сульфгидрильиой группой цистеииа).
Примерно 90;: О в клетке образуется в митохоидриях. Поэтому неудивительно, что митохондрии содержат собственные ферменты супероксиддисмутазу и глутатиоипероксидазу, или что мыши, у которых мало митохоидриальиой супероксиддисмутазы (МпСОД), рано погибают, в отличие от мышей, лишенных цитоплазматической или виеклеточиой формы фермента. Даже у нормальных животных митохондриальная ДНК содержит в десять раз больше окислеиных дефектных иуклеотидов, чем ядерная ДНК.
Зти наблюдения, а также тот факт, что у пожилых людей митохондрии ра(ютают хуже, привели к формулировке гипотезы «порочиого круга», которая направлена иа объяснение старения организма. Согласно этой точке зрения, окислительиое повреждение вызывает накопление мутаций в митохоидриальиой ДНК соматических тканей, что, в свою очередь, приводит к увеличению ошибок окисления в этих тканях.
Зтот вредный круговорот существует до тех пор, пока митохондрии пожилых мышей или людей ие синтезируют столько продуктов окисления, что весь организм увядает, что приводит к изнуряющему преклонному возрасту. Соответствует ли эта идея действительности? Очевидно, что старение — зто очень сложный процесс. Более того, продолжительность жизни низших миогоклеточных организмов, например червей и мух, можно значительно увеличить при помощи нескольких генетических модификаций.
Полученные данные указывают иа то, что эти организмы были запрограммированы постареть и умереть в определенный момент, а ие «изиоситься» из-за накопления мутаций. В качестве прямой проверки гипотезы порочного круга выведены мьппи, содержа~цие в два раза меньше МпЯОг), чем иормальиые.
Оказалось, что эти мутантные мыши живут столько же, сколько и мыши дикого типа, и у иих ие наблюдается преждевременного старения. Несмотря иа это, у иих накапливается необычно большое количество митохоидриальиых окислительиых повреждений, раньше снижается функция митохондрий и ча|це образуются опухоли. Несмотря иа то что в случае человека этот вопрос еще ие решен, сомнительно, что мы сможем продлить свою жизнь, просто глотая таблетки с аитиоксидаитами. 14.4.15. Почему у митохондрий и хлоропластов есть свои собственные генетические системы? Зачем митохоидриям и хлоропластам собственная отдельная генетическая система, когда другим оргаиеллам в той же цитоплазме, например лизосомам и пероксисомам, этого ие требуется? Зто нетривиальный вопрос, поскольку поддерживать отдельиую генетическую систему довольно затратно: специальио для этого ядерный геном кодирует более 90 белков, включая многие рибосомиые белки, амииоацил- тРНК-сиитазы, ДНК- и РНК-полимеразы и белки модификации и процессиига 1332 Часть Мбиутранняяорганнаацйя кдяткн.
РНК (рнс. $4.66). Аминокислигньге последовательности большинства этих белков митохондрий и хлоропластов отличаются от последовательностей их ядерных и цитоплазматических аналогов, и, по видимому, у этих оргаиелл очень мало общих белков с остальной клеткой. Это означает, что ядро должно предоставлять по крайней мере митохондриальная днк транскрипты РНК внешняя внутренняя мембрана митохондрии мембрана митохондрии митохондриальная РНК-попимераза аминокислоты митохондриапьные аминоацип-тРНК- синтезы Рис.
14.66. Происхождение митохондриальных РНК и белков, Белки, кодируемые в ядре и импортируемые из цитозоля, играют важную роль в поддержании генетической системы митохондзий. Более юго, они также составляют большую часгь других белков орса неллы. на схеме не указано сугцествование дополнительных кадируемых ядром белков, которые регулируют экспрессию отдельных митохондриальных белков на поспранскрипционном уровне. Сама митохондрия вносит в свою генетическую систему только мРНК, РРНК и тРНК, но у некоторых организмов даже тРНК импортируются.
14.4. Генетические системы митохондрий и пластид 1333 90 генов только для поддержания генетической системы каждой их этих органслл. Непонятно, почему клетки используют такую затратную систему. Мы нс можем придумать убсдитсльных причин, почему белки, синтсзируемыс в митохондриях и хлоропластах, нс могут синтсзироваться в цитозолс. Отдельные белковые субъсдиницы в различных митохондриальных фсрмснтных комплексах очень консервативны с точки зрения эволюции, но это нс относится к сайту их синтеза (см.
рис. 14.59). Несмотря на это, два кодируюших белки гена Сох1 и СоЬ присутствуют во всех митохондриальных гсномах. Эти гены кодируют крупные гидрофобныс белки с множеством трансмсмбранных сегментов. Возможно, онн должны котрансляционно встраиваться во внутреннюю мембрану рибосомами митохондрий. С другой стороны, гснегичсскис системы органслл вполне могут быть эволюционным тупиком. В терминах эндосимбиотичсской гипотезы это означает, что процесс переноса генов эндосимбионтов в ядро остановился до своего завершения. Дальнейший псрснос в случае митохондрий стал невозможен из-за изменений митохондриального генетического кода, т.с.
при переносе оставшихся митохондриальных генов в ядро они переставали функционировать. Заключение Митохондрии позволили большинству эукариотических клеток производить окислительное фосфорилирование, тогда как хлоропласты позволяют определенным эукариотам (растениям и некоторым водорослям) фотосинтезировать. Предположительно, за счет своего прокариотического происхождения эти органеллы растут в результате скоординированного процесса, требующего участия двух разных генетических систем: одной — в самой органелле и одной — в клеточном ядре. Большинство белков этих органелл кодируется ядерной ДНК, синтезируется в цитозоле и затем импортируется в органеллу. Некоторые белки и РНК органелл кодируются их собственной ДНК и синтезируются в самой органелле.
Человеческий митохондриальный геном состоит из примерно ! б 500 нуклеотидов и кодирует 2 рибосомные РНК, 22 транспортные РНК и 13 различных полипептидных цепей. Хлоропластные геномы примерно в 10 раз больше и несут около 120 генов. Но даже в мутантах, лишенных функционального генома митохондрий или хлоропластов, формируются частично функциональные органеллы, что указывает на огромный вклад ядра в биогенез этих органелл. Рибосомы хлоропластов очень похожи на бактериальные рибосомы, тогда как митохондриальнгяе обладают как сходстпвами, так и отличиями от бактериальных, что усложняет поиск их прародителя. Однако сходство белков указывает на то, что обе органеллы появились, когда примитивная эукариотическая клетка вступила в эндосимбиотические отношения с бактерией.
Предполагается, что митохондрии произошли от пурпурной бактерии, а 1позже) цианобактерия стала предшественником хлоропластов. Несмотря на то что многие гены этих древних бактерий все еще функционируют для синтеза белков органелл, большинство из них интегрировалось в ядерный геном, где они кодируют сходные с бактериальными ферменты, которые синтезируются на цитоплазматических рибосомах и затем импортируются в органеллу.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
