Структурно-генетическая организация митохондриальной ДНК

Митохондрии представляют собой цитоплазматические органеллы, количество которых в эукариотической клетке может варьировать в зависимости от ее функциональных особенностей. Роль митохондрий в жизнедеятельности клетки определяется происходящими в них биохимическими процессами аэробного окисления аминокислот, жирных кислот и транспортируемых из цитоплазматического раствора (цитозоля) продуктов, образующихся при гликолизе углеводов. Результатом этих процессов, названных окислительным фосфорилированием, является синтез молекул аденозинтрифосфатов (АТФ), обеспечивающих энергией все метаболические реакции организма, которые нуждаются в ее использовании.

Молекулы ДНК, обнаруженные в митохондриях, относятся к категории экстрахромосомных (цитоплазматических) генетических элементов эукариотических клеток. Митохондриальные ДНК (мтДНК) представляют собой замкнутые (кольцевые) двухцепочечные молекулы небольших размеров (длина порядка 5−30 мкм), но содержащиеся в клетке в большом количестве копий. Так, каждая митохондрия млекопитающих, в том числе человека, содержит, вероятно, от 2 до 10 копий молекулы мтДНК длиной около 5 мкм (рис. 5.43), тогда как в одной клетке может присутствовать от 100 до 1 000 и более митохондрий. В отличие от эукариотических хромосом в составе митохойдрий отсутствуют гистоновые белки, т. е. в них не происходит образования ДНК-гистоновых комплексов.

Рис. 5.43. Электронная микрофотография двух молекул мтДНК из клеток мыши (каждая длиной около 5 мкм).

В митохондриальном геноме человека, представленном кольцевой молекулой ДНК, содержащей примерно 16 500 пар нуклеотидов, идентифицированы структурные гены, контролирующие синтез 2 различающихся молекул рРНК, 22 вариантов тРНК и 13 различных белков, включая некоторые из ферментов, участвующих в процессах окислительного фосфорилирования. Таким образом, в митохондриях человека, как и других эукариотических организмов, имеется собственная генетическая система, в которой участвуют мтДНК, митохондриальные рибосомы, тРНК и белки, обеспечивающие процессы транскрипции, трансляции и репликации мтДНК.

Рибосомы митохондрий имеют размеры 70S (субъединицы 50S и 30S), которые характерны для бактериальных рибосом, отличаясь от соответствующих цитоплазматических органелл эукариотической клетки с размерами 805 (субъединицы 605 и 405).

В связи с малыми размерами митохондриального генома мтДНК практически не содержит некодирующих участков, в процессах транскрипции и трансляции участвуют обе нити этой молекулы, а набор митохондриальных тРНК сведен до необходимого минимума (22 различающиеся молекулы). При этом более 95% митохондриальных белков кодируются не самой мтДНК, а генами ядерных хромосом эукариотической клетки.

Генетический код митохондрий имеет ряд отличий от универсального кода хромосом. Так, например, в митохондриальных мРНК человека триплеты АГА и АГГ являются стоп-кодонами (в универсальном коде это триплеты аргинина), тогда как хромосомный стоп-кодон УГА в митохондриях выполняет функцию кодирования триптофана.

Существует гипотеза, согласно которой эволюционное происхождение митохондрий связывают с остатками хромосом каких-то древних бактериоподобных организмов, проникших в цитоплазму эукариотической клетки и ставших историческими предшественниками этих органелл.

Мутационные изменения в мтДНК могут приводить к возникновению митохондриальных наследственных болезней человека, связанных с нарушениями процессов окислительного фосфорилирования и энергетического обмена в клетках.