Типы цитоплазматических наследственных структур

УСР№10 Типы цитоплазматических наследственных структур: хлоропластная и митохондриальная ДНК, кинетопласты у одноклеточных жгутиковых, 2μ и 3μ плазмидная ДНК у дрожжей, S1 и S2 ДНК у кукурузы. Плазмиды бактерий. Признаки, контролируемые хлоропластными генами

Голуб Сергей

Владимирович

гр. 23БХ-1

Типы цитоплазматических наследственных структур

Цитоплазматические наследственные структуры - это внеклеточные генетические элементы, находящиеся вне ядра клетки, которые передаются потомству преимущественно по материнской линии. К основным типам таких структур относятся:

1. Хлоропластная ДНК (cpDNA)

- Находится в хлоропластах растений и водорослей, имеет кольцевую форму, по структуре и размеру напоминает бактериальную ДНК.

- Кодирует часть белков, необходимых для фотосинтеза и функционирования хлоропласта, остальные гены локализованы в ядре

- Наследуется, как правило, по материнской линии, хотя встречаются исключения (например, у некоторых водорослей).

2. Митохондриальная ДНК (mtDNA)

- Расположена в митохондриях всех эукариот, также имеет кольцевую структуру, содержит гены, необходимые для синтеза белков дыхательной цепи и собственного рибосомного аппарата

- Наследуется преимущественно по материнской линии, так как митохондрии зиготы происходят из цитоплазмы яйцеклетки.

- В растениях митохондриальная ДНК может быть более крупной и сложной по структуре, чем у животных.

3. Кинетопласты у одноклеточных жгутиковых

- Кинетопласт - специализированная структура, характерная для класса Kinetoplastida (например, трипаносомы, лейшмании).

- Представляет собой плотный диск или гранулу, содержащую сеть из тысяч кольцевых молекул ДНК (kDNA), находящихся внутри единственной митохондрии клетки.

- Сеть состоит из двух типов молекул: макро- и мини-кольца, которые обеспечивают уникальную организацию и репликацию митохондриального генома

- Кинетопластная ДНК играет ключевую роль в жизненном цикле и патогенности паразитов.

4. 2μ и 3μ плазмидная ДНК у дрожжей

- 2μ-плазмида - кольцевая, многокопийная, автономно реплицирующаяся ДНК, характерная для Saccharomyces cerevisiae и некоторых других видов дрожжей

- Размер 2μ-плазмиды составляет примерно 6,3 тыс. пар оснований; число копий в клетке варьирует от 11 до 68.

- 3μ-плазмида встречается реже, также относится к автономным плазмидам.

- Эти плазмиды могут нести гены, влияющие на физиологию клетки, и передаются цитоплазматически.

5. S1 и S2 ДНК у кукурузы

- S1 и S2 - короткие линейные молекулы митохондриальной ДНК, обнаруженные в митохондриях кукурузы с мужской стерильностью (cms-S)

- Имеют плазмидоподобную природу, содержат ковалентно связанные белки на 5'-концах, что уникально для высших растений.

- Количество и соотношение S1 и S2 контролируются ядерными генами и варьируют в зависимости от генетического фона растения.

- Потеря этих элементов часто связана с восстановлением фертильности.

Сравнительная таблица

Структура	Организм/Группа	Форма ДНК	Основные функции	Особенности наследования
Хлоропластная ДНК	Растения, водоросли	Кольцевая	Фотосинтез, пластидные белки	Материнская
Митохондриальная ДНК	Все эукариоты	Кольцевая	Энергетический обмен	Материнская
Кинетопластная ДНК	Жгутиковые (Kinetoplastida)	Кольцевая сеть	Митохондриальные функции, патогенность	Цитоплазматическая, клеточная
2μ/3μ плазмиды	Дрожжи	Кольцевая	Вспомогательные гены, стабильность	Цитоплазматическая
S1 и S2 ДНК	Кукуруза (cms-S)	Линейная	Связь с мужской стерильностью	Ядерно-контролируемая, цитоплазм.

Плазмиды — это небольшие, обычно кольцевые молекулы ДНК, которые присутствуют в большинстве бактерий, а также в некоторых археях и грибах. Они являются внехромосомными генетическими элементами и могут существовать независимо от основной бактериальной хромосомы. Плазмиды часто содержат гены, которые могут предоставлять бактериям преимущества в определенных условиях.

Основные характеристики плазмидов:

1. Плазмиды обычно имеют кольцевую структуру и могут варьироваться по размеру от нескольких сотен до десятков тысяч базовых пар.

2. Типы плазмидов:

- Фертильные плазмиды (F-плазмиды): Участвуют в процессах конъюгации передаче генетического материала между бактериями.

- Резистентные плазмиды (R-плазмиды): Содержат гены, ответственные за устойчивость к антибиотикам.

- Токсигенные плазмиды: Кодируют токсины, которые могут быть опасны для хозяев или других организмов.

- Плазмиды, несущие метаболические гены: Позволяют бактериям использовать специфические источники углерода или другие соединения.

3. Плазмиды могут передаваться между клетками через процессы, такие как трансформация (впитывание свободной ДНК из окружающей среды), трансдукция (перенос генов с помощью вирусов) и конъюгация (прямой контакт между бактериями).

4. Плазмиды активно используются в молекулярной биологии и генной инженерии как векторы для клонирования генов, позволяя исследователям вводить желаемые гены в клетки, получать рекомбинантные белки и разрабатывать генную терапию.

5. Плазмиды играют важную роль в эволюции бактерий, обеспечивая горизонтальный перенос генов, что способствует быстрой адаптации к изменениям среды, например, к антибиотикам.

Признаки, контролируемые хлоропластными генами

Примеры признаков:

Пестролистность у растений - классический пример наследования признаков, контролируемых хлоропластными генами. У ночной красавицы (Mirabilis jalapa) тип листовой окраски (зеленые, белые или пестрые листья) определяется типом хлоропластов, полученных от материнского растения. Если материнское растение несет дефектные хлоропласты, потомство также будет иметь дефектные хлоропласты, независимо от генотипа отцовского растения

Фотосинтетическая активность - мутации в генах хлоропластов могут приводить к нарушениям фотосинтеза, что проявляется в снижении жизнеспособности растений или изменении окраски листьев.

Особенности наследования: В большинстве случаев хлоропласты наследуются по материнской линии, так как цитоплазма яйцеклетки содержит хлоропласты, а цитоплазма спермия в оплодотворении практически не участвует. Однако у некоторых видов растений возможна передача пластид и от отцовского растения или обоих родителей, что встречается значительно реже.

Признаки, контролируемые митохондриальными генами

Митохондриальные заболевания у человека - группа наследственных болезней, связанных с нарушением функций митохондрий. Примеры: синдром MELAS, синдром MERRF, синдром Кернса–Сейра, наследственная оптическая нейропатия Лебера (НОНЛ).

Нарушения энергетического обмена - проявляются снижением выработки АТФ, что особенно заметно в органах с высокой энергетической потребностью: мышцах, нервной системе, сердце

Клинические признаки митохондриальных цитопатий: низкая толерантность к физической нагрузке, мышечная слабость, миопатия, офтальмопарез, птоз, нарушения сердечного ритма, гипертрофическая кардиомиопатия, поражения центральной и периферической нервной системы, эндокринные нарушения (например, диабет).

Митохондриальные гены наследуются исключительно по материнской линии, поскольку митохондрии, как и их ДНК, передаются через цитоплазму яйцеклетки. Мужчины не передают митохондриальные признаки своим детям.

В клетках может одновременно присутствовать несколько вариантов митохондриальной ДНК (гетероплазмия), что влияет на степень выраженности признаков и вариабельность клинических проявлений.

Признаки	Хлоропластные гены	Митохондриальные гены
Примеры	Пестролистность, фотосинтез	Митохондриальные болезни, миопатии
Основной объект	Растения	Все эукариоты (особенно человек)
Тип наследования	Чаще материнский, реже отцовский	Только материнский
Клеточные функции	Фотосинтез, цвет листьев	Энергетический обмен, АТФ
Проявления	Изменение окраски, жизнеспособность	Мышечная слабость, неврология