System syntezy białek w mitochondriach. Produkty syntezy białek mitochondrialnych. Synteza białek mitochondrialnych w cytoplazmie. Transport w mitochondriach białek syntetyzowanych w cytoplazmie. Powstawanie poszczególnych składników błon mitochondrialnych

Rola mitochondriów w rozwoju kręgowców jest trudna do przecenienia. W końcu wszystkie procesy w komórce, w taki czy inny sposób związane z metabolizmem energetycznym, zależą od oddychania komórkowego, którego ważnym elementem jest fosforylacja oksydacyjna. Tego ostatniego nie można sobie wyobrazić bez błon mitochondrialnych. W procesie ontogenezy rola fosforylacji oksydacyjnej, a co za tym idzie mitochondriów, jest szczególnie wyraźna i rodzi szereg zagadnień wymagających zbadania.

Po pierwsze, toczy się obecnie ożywiona debata naukowa na temat wpływu metabolizmu energetycznego na wiek komórek. Wiadomo, że rozwój i starzenie się organizmu w dużym stopniu zmienia wchłanianie tlenu przez komórkę, a to nie może nie wpływać na strukturę i liczbę mitochondriów. Oznacza to, że badając procesy powstawania mitochondriów w rozwoju, będziemy mogli wpływać na procesy starzenia się i odmładzania komórek.

Po drugie, badanie mitochondriów jako nośnika własnego genomu otwiera szerokie perspektywy. Genom mitochondrialny jest znacznie mniejszy niż genom jądrowy i dlatego jest wygodnym obiektem do badań. Ponadto otwarta pozostaje kwestia interakcji genomów mitochondrialnych i jądrowych, przenoszenia genów z mitochondriów do jądra w procesie rozwoju ewolucyjnego. Badanie tych problemów może pomóc w rozwiązaniu wielu problemów ewolucji i genetyki.

Po trzecie, proces rozmnażania mitochondriów w oogenezie jest wciąż niejasny i ta kwestia jest również aktywnie badana.

Synteza białek mitochondrialnych i cechy powstawania mitochondriów

Powstawanie mitochondriów jest procesem wieloetapowym i wieloskładnikowym, a osobliwością ich powstawania jest to, że białka mitochondrialne są produktami dwóch układów genetycznych: mitochondrialnego i jądrowego. Przestrzenne oddzielenie tych dwóch układów genetycznych jest jedną z przyczyn złożoności ich układu wzajemnej regulacji zarówno na poziomie syntezy poszczególnych białek, jak i na poziomie nienaruszonych mitochondriów. Rozważ procesy, które razem tworzą jeden mechanizm powstawania mitochondriów

System syntezy białek w mitochondriach

Aparat do syntezy białek, zlokalizowany w mitochondriach, przeznaczony jest do tworzenia bardzo małej ilości białek, która nie przekracza 7-10% białek błony wewnętrznej mitochondriów. Głównym produktem syntezy białek mitochondrialnych są polipeptydy o silnych właściwościach hydrofobowych [Pinus, Rabinovich, 1977].

Mitochondrialny aparat translacyjny charakteryzuje się szeregiem unikalnych właściwości. Przede wszystkim dotyczy to wielkości rybosomów. Rybosomy mitochondrialne zwierząt są najmniejszymi ze wszystkich znanych typów rybosomów, ze względu na stosunkowo mały rozmiar rRNA, brak 5S rRNA, mały rozmiar białek rybosomalnych [Minchenko, 1987].

W porównaniu do cytoplazmatycznych i bakteryjnych rybosomów mitochondrialnych zwierzęta charakteryzują się niższym stosunkiem RNA i białka. W komórkach żab w dużej subcząstce rybosomów mitochondrialnych zawartość RNA wynosi 32%, w małej subcząstce 20%, natomiast w cytoplazmatycznych rybosomach ta wartość wynosi 58% RNA dla dużej subcząstki i 50% RNA dla małej subcząstki. W przypadku mitochondriów ssaków stwierdzono, że zawartość RNA w ich rybosomach jest około dwa razy niższa niż w innych rybosomach [Ozernyuk, 1978].

Rybosomy zwierzęce zawierają co najmniej 87 białek: 52 białka w dużej podjednostce (masa cząsteczkowa – 8,8 – 49 tys. daltonów) i 33 białka w mniejszej podjednostce (masa cząsteczkowa – 10 – 48 tys. daltonów) i wszystkie różnią się ruchliwością elektroforetyczną cytoplazmatyczne białka rybosomalne. Unikalne są również mitochondrialne mRNA. Nie zawierają długich, nieulegających translacji regionów flankujących, które są obecne w cytoplazmatycznym mRNA i są odpowiedzialne za wiązanie rybosomów, charakteryzują się skróconymi sekwencjami poli-A i brakiem „czapek” niezbędnych do wydajnej translacji cytoplazmatycznego mRNA [Gause, 1977].

Jeśli chodzi o DNA mitochondrialne, wiadomo, że jest ono dziedziczone tylko przez linię matczyną. Szollozi [Szollozi, 1965; cyt. przez: Bill, Knowles, 1981] stwierdzili, że u szczurów podczas zapłodnienia plemniki mitochondria wnikają do komórki jajowej, a następnie puchną i rozkładają się. Istnieją dowody na to, że mitochondrialne DNA jest eliminowane po zapłodnieniu [Hutchison et al. 1974, cyt. dla Billa, Knowles, 1981]. Sugeruje się, że nie więcej niż jedna cząsteczka mitochondrialnego DNA na 25 000 matczynych cząsteczek może być przekazywana przez linię ojcską. [Minczenko, Dudariewa, 1990]

U ssaków genom mitochondrialny jest reprezentowany przez koliste mitochondrialne DNA o wielkości około 5 μm (masa cząsteczkowa około 10 MD), które występuje w mitochondriach w postaci kowalencyjnie zamkniętych form w stanie superskręconym [Minchenko, 1987].

Komplementarne nici w mitochondrialnym DNA większości zwierząt różnią się znacznie gęstością pływającą w alkalicznych gradientach chlorku cezu, ponieważ mają różny średni skład nukleotydów, który znacznie różni się u zwierząt różnych gatunków. Niektóre cząsteczki DNA w mitochondriach komórek większości organizmów występują w postaci form oligomerycznych, które dzielą się na dwie klasy: oligomery pierścieniowe, tj. cząsteczki o długości konturu, wielokrotności długości pierścieni monomerycznych oraz oligomery łańcuchowe (katenany) składające się połączonych pierścieni wiązań topologicznych [Minchenko, Dudareva, 1990].

Cechą mitochondrialnego systemu translacji jest również fakt, że synteza białek w mitochondriach ludzkich i zwierzęcych odbywa się przy udziale jedynie 22 – 23 tRNA. Taka ilość tRNA jest wystarczająca ze względu na fakt, że system kodu genetycznego mitochondriów jest zmieniony w porównaniu z uniwersalnym kodem genetycznym. (Tabela 1). Większość mitochondrialnych tRNA jest w stanie odczytać cztery kodony, które różnią się trzecim nukleotydem, tj. w obecności czterech opcji kodowania jednego aminokwasu. Należy również zauważyć, że wielkość mitochondrialnego tRNA komórek zwierzęcych jest mniejsza w porównaniu z cytoplazmatycznym tRNA. [Anderson i wsp., 1981].

Stół 1 Kod genetyczny mitochondriów [Anderson i wsp., 1981].

Phe

UUU

77

Ser

UCU

32

Tyr

UAU

46

Cys

UGU

5

UUC

141

UKC

99

ZAK

89

UGC

17

Lew

UUA

73

UCA

83

Ter

UAA

Trp

UGA

93

UUG

16

UCG

7

AAG

UGG

11

Lew

CUU

65

Zawodowiec

CCU

41

Jego

CAU

18

Arg

CGU

7

CUC

167

CCC

119

CAC

79

CGC

25

CUA

276

CCA

52

Gln

CAA

81

CGA

29

MCUG

45

CCG

7

CAG

9

CGG

2

Ile

AUU

125

Th

ACU

51

Asn

AAU

33

Ser

AGU

14

AUC

196

ACC

155

AAC

131

AGC

39

Spotkał

AUA

167

ACA

133

Lys

AAA

85

Ter

AGA

SIE

40

ACG

10

AAG

10

AGG

Val

GUU

30

Ala

GCU

43

Żmija

GAU

15

Gry

CGU

24

GUC

49

GCC

124

GAC

51

CGC

88

GUA

70

GCA

80

Glu

GAA

64

GGA

67

GUG

18

GCG

8

KNEBEL

24

RRRR

34

W tabeli przedstawiono pola, które są odczytywane przy użyciu pojedynczego tRNA. Wskazano również całkowitą liczbę kodonów aminokwasów znajdujących się w genach i sekwencjach, które mogą być genami mitochondrialnego DNA.

Inną cechą syntezy białek mitochondrialnych jest odporność na specyficzny inhibitor translacji cytoplazmatycznej cykloheksymidu i jest specyficznie hamowana przez chloramfenikol i bromek etydyny. Synteza białek w izolowanych mitochondriach przebiega wolno i nieliniowo. Może to wynikać z opóźnionego postępu polirybosomu na mRNA w jego środkowym regionie, a częściowo z obecności w mitochondriach inhibitora translacji, który zmniejsza całkowitą liczbę polirybosomów poprzez zakłócanie integralności mRNA [Shugaly i wsp., 1974].

Produkty syntezy białek mitochondrialnych

Genom mitochondrialny zwierząt koduje syntezę stosunkowo niewielkiej liczby polipeptydów. W mitochondrialnym DNA komórek ludzkich i zwierzęcych zidentyfikowano 13 ramek odczytu dla pięciu znanych i ośmiu jeszcze niezbadanych białek. Introny nie są wykrywane w genach kodujących mitochondrialną syntezę białek w komórkach zwierzęcych, w przeciwieństwie do wyższych komórek roślinnych i grzybowych [Anderson i wsp., 1981].

Co ciekawe, liczba mitochondrialnych białek translacyjnych wykrytych przez elektroforezę znacznie przekracza liczbę ramek odczytu, a tym samym liczbę potencjalnych genów zidentyfikowanych w nici H mitochondrialnego DNA. Może to wynikać z faktu, że wśród białek syntetyzowanych w mitochondriach znajdują się te, które są kodowane przez nić L – mitochondrialnego DNA, chociaż nie znaleziono jeszcze zrębów odczytu. Ponadto można założyć, że niektóre ze zidentyfikowanych ramek odczytu mogą kodować syntezę więcej niż jednego białka.

Obecnie wśród produktów translacji mitochondrialnej zidentyfikowano trzy podjednostki oksydazy cytochromowej (I, II i III), apocytochrom b i dwie podjednostki ATPazy, przy czym geny kodujące syntezę obu podjednostek (6. i 8.) znaleziono tylko w genomie mitochondrialnym. drożdże, aw komórkach zwierzęcych jednoznacznie znaleziono tylko gen 6. podjednostki. Funkcjonalne znaczenie wielu białek syntetyzowanych w mitochondriach zostało szczegółowo zbadane. Istnieją dowody, że niektóre z polipeptydów syntetyzowanych w mitochondriach mogą pochodzić z mitochondriów i odgrywać rolę w relacjach jądrowo-mitochondrialnych, szczególnie w regulowaniu ekspresji genów jądrowych kodujących mitochondrialną syntezę białek [Bibb i wsp., 1981; cyt. za: Minczenko, 1987].

Dowodami cytoplazmatycznego pochodzenia większości białek mitochondrialnych są następujące oznaki:

  • Mitochondria cytoplazmatycznych mutantów drobnych drożdży mają wadliwy łańcuch oddechowy (brak cytochromów aa3, B i C), zredukowane lub brak mitochondrialnego DNA i najwyraźniej brak systemu syntezy białek. Dlatego wszystkie białka obecne w takich wadliwych mitochondriach są pochodzenia cytoplazmatycznego;
  • Mitochondria komórek rosnących w obecności inhibitorów mitochondrialnej syntezy białek (chloramfenikolu lub erytromycyny) mają wadliwy układ oddechowy. Przy całkowitym zahamowaniu syntezy białek w mitochondriach wszystkie białka pozostające w organelli są pochodzenia cytoplazmatycznego. Naturalnie mitochondria komórek, które rosną w obecności inhibitorów mitochondrialnej syntezy białek, są podobne pod względem struktury i zestawu enzymów do mitochondriów cytoplazmatycznych mutantów drobnych drożdży [Ozernyuk, 1985].

Tak więc znaczenie mitochondrialnej syntezy białek polega na dostarczeniu mitochondriom niewielkiej ilości białek hydrofobowych wchodzących w skład szeregu kompleksów enzymatycznych zlokalizowanych na błonie wewnętrznej mitochondriów, a także syntezie polipeptydów zaangażowanych w relacje jądrowo-cytoplazmatyczne.

Synteza białek mitochondrialnych w cytoplazmie

Mitochondria zawierają kilkaset białek w błonie zewnętrznej i wewnętrznej, przestrzeni międzybłonowej i macierzy, których synteza odbywa się na macierzach kodowanych przez genom jądrowy. Analogi cytoplazmatyczne są znane z wielu enzymów mitochondrialnych, ale formy cytoplazmatyczne i mitochondrialne tych białek są kodowane przez różne geny. Synteza tych białek zachodzi zarówno na wolnych, jak i związanych z błoną polisomach cytoplazmatycznych retikulum endoplazmatycznego. [Sager, 1975].

Obecnie szczegółowo badano syntezę dużej liczby białek mitochondrialnych błony zewnętrznej i wewnętrznej, przestrzeni międzybłonowej i macierzy oraz ich transport w mitochondriach. Wszystkie badane białka błon zewnętrznych mitochondriów są syntetyzowane w cytoplazmie i jako takie są wbudowywane w błonę, a wszystkie inne białka (przynajmniej niektóre) są syntetyzowane jako prekursory z N-końcową sekwencją liderową od 1 do 6 tysięcy daltonów . Białka lub ich prekursory pochodzące z cytoplazmy rozpoznawane są przez określone struktury (receptory) zlokalizowane na zewnętrznej błonie mitochondriów.

Białka prekursorowe w N-końcowej sekwencji liderowej zawierają nie tylko informację potrzebną do rozpoznania receptora, ale także informację, która zapewnia dalszy transport białka i poszczególne etapy jego obróbki [Adoutte, 1983, Benson i wsp., 1984; cyt. za: Minczenko, 1987].

Transport w mitochondriach białek syntetyzowanych w cytoplazmie

Wydaje się, że istnieją co najmniej trzy mechanizmy transportu białek i ich prekursorów w mitochondriach. Pierwszy mechanizm jest charakterystyczny dla białek błon zewnętrznych mitochondriów, które są syntetyzowane na polisomach cytoplazmatycznych w postaci dojrzałych form. Białka te posiadają sekwencje sygnałowe, dzięki którym pewne struktury błony zewnętrznej są rozpoznawane i w niej osadzane.

Drugi i trzeci mechanizm transportu są charakterystyczne dla białek mitochondrialnych syntetyzowanych w cytoplazmie w postaci prekursorów. Białka te ze swoimi rozpoznawalnymi strukturami oddziałują z pewnymi receptorami na zewnętrznej błonie i przenikają ją. Białka transportowane przez drugi mechanizm przechodzą przez błonę wewnętrzną w procesie, który wymaga gradientu elektrochemicznego na błonie wewnętrznej; następnie następuje cięcie sekwencji liderowej.

Transport takich białek nie jest konieczny do przetwarzania, ponieważ prekursory białek skutecznie gromadzą się w mitochondriach (matryce lub błonach wewnętrznych) nawet przy silnym hamowaniu proteinaz mitochondrialnych. W trzecim mechanizmie białka z cytoplazmy wchodzą do przestrzeni międzybłonowej. Białka te są przemieszczane przez zewnętrzną błonę mitochondriów, a następnie N-końcowa część prekursora białka przechodzi przez błonę wewnętrzną do macierzy, gdzie proteinazy macierzy odcinają część sekwencji liderowej.

Następnie utworzona forma prekursorowa wraca do przestrzeni międzybłonowej, gdzie wiąże się z zewnętrzną powierzchnią błony wewnętrznej i dopiero wtedy następuje końcowe przetwarzanie pod działaniem proteinazy związanej z błoną wewnętrzną. Polipeptydy transportowane do mitochondriów podlegają modyfikacji potranslacyjnej. W mitochondriach znaleziono kinazy białkowe, które fosforylują białka błony zewnętrznej i wewnętrznej mitochondriów [Minchenko, Dudareva, 1990].

Powstawanie poszczególnych składników błon mitochondrialnych. Reprodukcja mitochondriów

Zbieranie składników mitochondrialnych syntetyzowanych w różnych częściach komórki jest dość złożonym procesem, regulowanym zarówno na poziomie wzajemnej koordynacji syntezy białek mitochondrialnych i cytoplazmatycznych, jak i na poziomie właściwości samych składników. Uważa się, że hydrofobowe produkty syntezy białek w mitochondriach wiążą się z lipidami. Powstałe proteolipidy są zdolne do wzajemnej agregacji i tworzenia większych kompleksów, które mogą być „matrycami” do wiązania białek syntetyzowanych w cytoplazmie. Ten wniosek dotyczący kręgowców został po raz pierwszy wysunięty w pracach Droza i Bergerona [Droz, Bergeron, 1965; cyt. za: Ozernyuk, 1978].

Badając cechy ultrastruktury i właściwości błony wewnętrznej mitochondriów, stwierdzono, że w mitochondriach występują strefy wzrostu, w których głównie inkorporowane są nowe składniki. Strefy wzrostu, według Wernera i Napperta, znajdują się w miejscach, w których wewnętrzna błona zamienia się w cristae. [Werner, Neupert, 1972; cyt. za: Ozernyuk, 1978].

O złożoności zagadnienia mechanizmu rozmnażania mitochondriów świadczy fakt, że nadal nie jest jasne, jak przebiega proces zwiększania liczby mitochondriów. Według Ozernyuka [1978] mitochondria rozmnażają się przez podział. Jednak w ostatnich pracach autorzy utrzymują pogląd, że mitochondria powstają w wyniku tworzenia się błon mitochondrialnych na strukturach prekursorowych [Luzikov, 1980; cyt. za: Zotin, Zotina, 1993].

Ponieważ w wielu przypadkach mitochondria są w stanie utworzyć ciągłą siateczkę mitochondrialną lub powstają mitochondria olbrzymie [Eisenstadt, 1984], możliwe jest, że ten drugi pogląd jest bardziej prawdziwy. Wszystko to pokazuje, że jest jeszcze za wcześnie na jakiekolwiek założenia dotyczące mechanizmu wzrostu mitochondriów w okresie niskiego wzrostu oocytów.

literatura

1. Eisenstadt TV Cytologia oogenezy – M., Science, 1993, 364p.

2. Bill J., Knowles J. Dziedziczność niejądrowa. M., Mir, 1981, 168 s.

3. Burnasheva SA, Gabaeva NS itp. Współczesne problemy spermatogenezy. M., Science, 1982, 259 s.

4. Gaza GG Mitochondrialne DNA. M., Science, 1977, 286 s.

5. Danilova LV Ultrastrukturalne badania spermatogenezy. M., Science, 1978, 206 s.

6. Zotin AI, Zotina RS Fenomenologiczna teoria rozwoju, wzrostu i starzenia się organizmu. M., Nauka, 1993, 364 s.

7. Embriologia ryb Kaufman ZS. M., Agropromizdat, 1990, 272 s.

8. Minchenko AG, Dudareva NA Genom mitochondrialny. Nowosybirsk, Nauka, 1990, 194 s.

9. Ozernyuk ND Wzrost i reprodukcja mitochondriów. M., Science, 1978, 264 s.

10. Ozernyuk ND Wymiana energii we wczesnej embriogenezie ryb. M., Nauka,!985,196p.

11. Seger R. Geny i organelle cytoplazmatyczne. M., Mir, 1975, 424 s.

Dodaj komentarz

Twój adres e-mail nie zostanie opublikowany.