Формування, ріст і розвиток мітохондрій в гаметогенезі та ранньому ембріогенезі хребетних

Формування мітохондрій є багатоступінчатим і багатокомпонентним процесом Особливістю їх утворення є те, що мітохондріальні білки є продуктами діяльності двох генетичних систем: мітохондріальної та ядерної. Просторове розділення цих двох генетичних систем є одною із причин складності їх системи взаєморегуляції як на рівні синтезу окремих білків, так і на рівні інтактної мітохондрії. Розглянемо процеси, що в сукупності утворюють єдиний механізм формування мітохондрій

1)Система синтезу білків в мітохондріях.

Апарат білкового синтезу, локалізований у мітохондріях, призначення для утворення дуже малої кількості білків, що становить не більше 7 -10% білків внутрішньої мембрани мітохондрій. Основним продуктом мітохондріального білкового синтезу є поліпептиди з сильно вираженими гідрофобними властивостями [Пинус, Рабинович, 1977]

Апарат трансляції мітохондрій характеризується рядом унікальних властивостей. Перш за все, це стосується розміру рибосом. Мітохондріальні рибосоми тварин - найменші серед усіх відомих типів рибосом, що зумовлено відносно невеликими розмірами рРНК, відсутністю 5S рРНК, малим розміром рибосомальних білків [Минченко, 1987]. У порівнянні з цитоплазматичними та бактеріальними мітохондріальні рибосоми тварин характеризуються більш низьким співвідношенням РНК та білка. В клітинах жаби у великій субчастинці мітохондріальних рибосом вміст РНК становить 32%, в малій субчастинці - 20%, тоді як в цитоплазматичних рибосомах ця величина дорівнює 58% РНК для великої субчастинки і 50% РНК для малої субчастинки. Для мітохондрій ссавців встановлено, що вміст РНК у їхніх рибосомах приблизно вдвічі нижчий в порівнянні з іншими рибосомами [Озернюк, 1978].Рибосоми тварин містять не менш ніж 87 білків: 52 білки у великій субодиниці (молекулярна маса - 8,8 - 49 тис. дальтон) і 33 білки у меншій субодиниці (молекулярна маса - 10 - 48 тис. дальтон), причому всі вони різняться за електрофоретичною рухливістю від білків цитоплазматичних рибосом. Унікальними є і мітохондріальні мРНК. Вони не містять довгих фланкіруючих ділянок, що не транслюються, які присутні в мРНК з цитоплазми, і відповідальні за зв’язування з рибосомами, характеризуються вкороченими полі-А-послідовностями та відсутністю “кепів”, необхідних для ефективної трансляції цитоплазматичних мРНК [Гаузе, 1977].

Що стосується мітохондріальної ДНК, то відомо, що вона успадковується лише по материнській лінії. Сцолозі [Szollozi, 1965; цит. за: Билл, Ноулз, 1981] виявив, що у щурів при заплідненні мітохондрії сперміїв входять в яйцеклітину, а потім набухають і руйнуються. Існують докази того, що після запліднення мітохондріальна ДНК елімінується [Hutchison et al. 1974, цит. за Билл, Ноулз, 1981]. Висловлено припущення, що по батьківській лінії може передаватися не більш ніж одна молекула ДНК мітохондрій на 25 тисяч материнських молекул.[Минченко, Дударева, 1990]

У ссавців мітохондріальний геном представлений кільцевою мітохондріальною ДНК розміром близько 5 мкм (молекулярна маса приблизно 10 МД), що присутня в мітохондріях у вигляді ковалентно замкнутих форм, що перебувають у надспіралізованому стані [Минченко, 1987].

Комплементарні ланцюги в мітохондріальної ДНК більшості тварин суттєво різняться за плавучою щільністю в градієнтах лужного хлориду цезію, оскільки мають неоднаковий середній нуклеотидний склад, що коливається у тварин різних видів у значних межах. Частина молекул ДНК в мітохондріях клітин більшості організмів присутня у вигляді олігомерних форм, що поділяються на два класи: кільцеві олігомери, тобто молекули з контурною довжиною, кратною довжині мономерних кілець і ланцюгові олігомери (катенани) що складаються із зв’язаних топологічним зв’язком мономерних кілець [Минченко, Дударева, 1990].

Особливістю мітохондріальної системи трансляції є також те, що синтез білків в мітохондріях людини і тварин здійснюється за участю лише 22 - 23 тРНК. Цієї кількості тРНК достатньо завдяки тому, що система генетичного коду мітохондрій змінена в порівнянні із універсальним генетичним кодом. (табл.1). Більшість мітохондріальних тРНК здатні зчитувати по чотири кодони, які різняться за третім нуклеотидом, тобто при наявності чотирьох варіантів кодування однієї амінокислоти. Слід також відмітити, що розмір мітохондріальних тРНК клітин тварин менший у порівнянні з цитоплазматичними тРНК. [Anderson et al., 1981].

Табл.1 Генетичний код мітохондрій [Anderson et al., 1981].

У таблиці показано бокси, що зчитуються за допомогою єдиної тРНК. Вказано також загальну кількість амінокислотних кодонів, знайдених у генах та послідовностях, які можуть бути генами ДНК мітохондрій.

Ще однією особливістю синтезу мітохондріальних білків є те, що він стійкий до дії специфічного інгібітора цитоплазматичної трансляції циклогексиміду і специфічно пригнічується хлорамфеніколом і бромідом етидію. Синтез білків в ізольованих мітохондріях протікає з низькою швидкістю і нелінійно. Це, можливо, зумовлено затримкою просування полірибосоми по мРНК в її середній ділянці і частково присутністю в мітохондріях інгібітора трансляції, який знижує загальну кількість полірибосом шляхом порушення цілісності мРНК [Шугалий и др., 1974].