ogólność
Mitochondrialne DNA lub mtDNA to kwas deoksyrybonukleinowy, który znajduje się w mitochondriach, tj. Organellach komórek eukariotycznych odpowiedzialnych za bardzo ważny komórkowy proces fosforylacji oksydacyjnej.
Jednak ma też pewne cechy szczególne, zarówno strukturalne, jak i funkcjonalne, które czynią go wyjątkowym w swoim rodzaju. Te cechy obejmują: kolistość podwójnej nici nukleotydów, zawartość genów (która wynosi tylko 37 elementów) i prawie całkowity brak niekodujących sekwencji nukleotydowych.
Mitochondrialne DNA odgrywa zasadniczą rolę w przeżyciu komórek: wytwarza enzymy niezbędne do realizacji fosforylacji oksydacyjnej.
Co to jest DNA mitochondrialne?
DNA mitochondrialne lub mtDNA to DNA znajdujące się w mitochondriach .
Mitochondria to duże organelle komórkowe, typowe dla organizmów eukariotycznych, które przekształcają energię chemiczną zawartą w żywności w ATP, która jest formą energii, która może być wykorzystywana przez komórki.
ODWOŁUJE SIĘ DO STRUKTURY I FUNKCJONOWANIA MITOCHONDERS
Z postaci rurkowej, nitkowatej lub ziarnistej mitochondria znajdują się w cytoplazmie, zajmując prawie 25% objętości tej ostatniej.
Mają dwie fosfolipidowe membrany dwuwarstwowe, jedną bardziej zewnętrzną i jedną wewnętrzną.
Zewnętrzna błona, znana jako zewnętrzna błona mitochondrialna, reprezentuje obwód każdej mitochondriów i ma białka transportowe (porine i nie tylko), które czynią go przepuszczalnym dla cząsteczek o wielkości równej lub mniejszej niż 5000 daltonów.
Najgłębsza błona, znana jako wewnętrzna błona mitochondrialna, zawiera wszystkie składniki enzymatyczne (lub enzymy) i składniki koenzymów niezbędne do syntezy ATP i wyznacza przestrzeń centralną, zwaną macierzą .
W przeciwieństwie do zewnętrznej błony, wewnętrzna błona mitochondrialna ma liczne inwazje - tak zwane grzbiety - które zwiększają jej całkowitą powierzchnię.
Między dwiema błonami mitochondrialnymi jest przestrzeń prawie 60-80 Angstremów (A). Ta przestrzeń nazywana jest przestrzenią międzybłonową . Przestrzeń międzybłonowa ma skład bardzo podobny do składu cytoplazmy.
Synteza ATP, obsługiwana przez mitochondria, jest bardzo złożonym procesem, który biologowie identyfikują z terminem fosforylacja oksydacyjna .
DOKŁADNA LOKALIZACJA DNA MITOCHONDRIAL I ILOŚĆ
Rysunek: ludzkie mitochondria.
DNA mitochondrialny znajduje się w macierzy mitochondriów, tj. W przestrzeni ograniczonej wewnętrzną błoną mitochondrialną.
Na podstawie wiarygodnych badań naukowych każda mitochondria może zawierać od 2 do 12 kopii mitochondrialnego DNA.
Biorąc pod uwagę fakt, że w ludzkim ciele niektóre komórki mogą zawierać w sobie kilka tysięcy mitochondriów, całkowita liczba kopii DNA mitochondrialnego w pojedynczej komórce ludzkiej może osiągnąć nawet 20 000 jednostek.
Uwaga: liczba mitochondriów w komórkach ludzkich różni się w zależności od typu komórki. Na przykład hepatocyty (tj. Komórki wątroby) mogą zawierać od 1 000 do 2 000 mitochondriów, podczas gdy erytrocyty (tj. Czerwone krwinki) są całkowicie pozbawione ich.
struktura
Ogólna struktura mitochondrialnej cząsteczki DNA przypomina ogólną strukturę jądrowego DNA, czyli dziedzictwo genetyczne obecne w jądrze komórek eukariotycznych.
W rzeczywistości, podobnie jak DNA jądrowe:
- Mitochondrialne DNA to biopolimer składający się z dwóch długich nici nukleotydów . Nukleotydy są cząsteczkami organicznymi, powstającymi w wyniku połączenia trzech elementów: cukru z 5 atomami węgla (w przypadku DNA, dezoksyrybozy ), zasady azotowej i grupy fosforanowej .
- Każdy nukleotyd mitochondrialnego DNA wiąże się z następnym nukleotydem tego samego filamentu, za pomocą wiązania fosfodiestrowego pomiędzy węglem 3 jego dezoksyrybozy i bezpośrednio następującą grupą fosforanową nukleotydu.
- Dwie nici mitochondrialnego DNA mają przeciwną orientację, a głowa jednego oddziałuje z końcem drugiej i odwrotnie. Ten szczególny układ jest znany jako układ antyrównoległy (lub orientacja antyrównoległa ).
- Dwa włókna mitochondrialnego DNA oddziałują ze sobą za pośrednictwem zasad azotowych .
W szczególności każda baza azotowa każdego włókna tworzy wiązania wodorowe z jedną i tylko jedną zasadą azotową, obecną na drugim włóknie.
Ten rodzaj interakcji nazywany jest „parowaniem między zasadami azotowymi” lub „parą zasad azotowych”.
- Azotowymi zasadami mitochondrialnego DNA są adenina, tymina, cytozyna i guanina .
Parowanie, które powodują powstawanie tych zasad azotowych, nie jest przypadkowe, ale wysoce specyficzne: adenina oddziałuje tylko z tyminą, podczas gdy cytozyna tylko z guaniną.
- Mitochondrialne DNA jest domem dla genów (lub sekwencji genów). Geny są sekwencjami mniej lub bardziej długich nukleotydów o dobrze zdefiniowanym znaczeniu biologicznym. W większości przypadków powodują powstawanie białek.
SZCZEGÓŁY STRUKTURALNE DNA MITOCHONDRIAL
Poza wspomnianymi analogiami, ludzki DNA mitochondrialny ma pewne osobliwości strukturalne, które znacznie go odróżniają od ludzkiego DNA jądrowego.
Po pierwsze, jest cząsteczką kołową, podczas gdy jądrowy DNA jest cząsteczką liniową.
Ma więc 16 569 par zasad azotowych, podczas gdy jądrowy DNA ma piękno 3, 3 mld.
Zawiera 37 genów, podczas gdy DNA jądrowe wydaje się zawierać od 20 000 do 25 000.
Nie jest zorganizowany w chromosomy, podczas gdy jądrowy DNA jest podzielony na aż 23 chromosomy i formy, z pewnymi specyficznymi białkami, substancją zwaną chromatyną.
Wreszcie zawiera szereg nukleotydów, które uczestniczą w dwóch genach jednocześnie, podczas gdy jądrowy DNA ma geny, których sekwencje nukleotydowe są dobrze zdefiniowane i różnią się od siebie.
pochodzenie
Prawdopodobnie mitochondrialne DNA ma pochodzenie bakteryjne .
W istocie, w oparciu o liczne niezależne badania, biolodzy molekularni uważają, że komórkowa obecność mitochondrialnego DNA jest wynikiem inkorporacji przez pierwotne komórki eukariotyczne niezależnych organizmów bakteryjnych, bardzo podobnych do mitochondriów.
To ciekawe odkrycie tylko częściowo zdumiało społeczność naukową, ponieważ DNA obecne w bakteriach jest na ogół filamentem okrągłych nukleotydów, takich jak mitochondrialne DNA.
Teoria, że mitochondria i mitochondrialne DNA mają pochodzenie bakteryjne, nazywana jest „ teorią endosymbiotyczną ” ze słowa „ endosymbioza ”. W skrócie, w biologii termin „endosymbioza” wskazuje na współpracę między dwoma organizmami, która polega na włączeniu jednego do drugiego, aby uzyskać pewną przewagę.
ciekawość
Według wiarygodnych badań naukowych, w trakcie ewolucji wiele genów bakteryjnych obecnych w przyszłym mitochondrialnym DNA zmieniłoby lokalizację, przenosząc się do jądrowego DNA.
Innymi słowy, na początku endosymbiozy niektóre geny obecne obecnie w DNA jądrowym rezydowały w DNA tych organizmów bakteryjnych, które następnie stałyby się mitochondriami.
Teoria, że pewne geny pochodzą z mitochondrialnego DNA, u niektórych gatunków oraz z jądrowego DNA, w innych potwierdza teorię przesunięcia genu między DNA mitochondrialnym a jądrowym DNA.
funkcja
Mitochondrialny DNA wytwarza enzymy (tj. Białka), niezbędne do prawidłowej realizacji delikatnego procesu fosforylacji oksydacyjnej.
Instrukcje syntezy tych enzymów znajdują się w 37 genach, które tworzą genom mitochondrialnego DNA.
JAKIEGO GODU MITOCHONDRIALNYCH KODÓW DNA: SZCZEGÓŁY
37 genów mitochondrialnego DNA koduje: białka, tRNA i rRNA.
W szczególności:
- 13 koduje 13 białek odpowiedzialnych za przeprowadzenie fosforylacji oksydacyjnej
- 22 kodują 22 cząsteczki tRNA
- 2 koduje 2 cząsteczki rRNA
Cząsteczki tRNA i rRNA mają fundamentalne znaczenie dla syntezy powyższych 13 białek, ponieważ tworzą maszynerię, która reguluje ich produkcję.
Innymi słowy, mitochondrialny DNA ma informacje do wytworzenia pewnego zestawu białek i narzędzi niezbędnych do syntezy tego ostatniego.
Czym są RNA, tRNA i rRNA?
RNA lub kwas rybonukleinowy to kwas nukleinowy, który odgrywa podstawową rolę w tworzeniu białek, począwszy od DNA.
Ogólnie, jednoniciowy, RNA może istnieć w różnych formach (lub typach), w zależności od określonej funkcji, do której jest zastępcą.
TRNA i rRNA to dwie z tych możliwych form.
TRNA służy do dodawania aminokwasów podczas procesu tworzenia białek. Aminokwasy to jednostki molekularne, które tworzą białka.
RRNA tworzy rybosomy, tj. Struktury komórkowe, w których opiera się synteza białek.
Aby dowiedzieć się więcej o RNA i jego funkcjach, czytelnicy mogą kliknąć tutaj.
SZCZEGÓŁOWE FUNKCJE DNA MITOCHONDRIAL
Z funkcjonalnego punktu widzenia mitochondrialne DNA ma pewne szczególne cechy, które wyraźnie odróżniają go od jądrowego DNA.
Oto, na czym polegają te szczególne cechy:
- Mitochondrialny DNA jest pół-niezależny w tym sensie, że wymaga interwencji niektórych białek syntetyzowanych z jądrowego DNA.
Natomiast DNA jądrowe jest całkowicie autonomiczne i wytwarza wszystko, czego potrzebuje do prawidłowego wykonywania swoich zadań.
- DNA mitochondrialny ma kod genetyczny nieco różniący się od kodu DNA jądrowego . Prowadzi to do szeregu różnic w realizacji białek: jeśli pewna sekwencja nukleotydów w jądrowym DNA prowadzi do utworzenia pewnego białka, ta sama sekwencja w mitochondrialnym DNA prowadzi do utworzenia nieco innego białka.
- Mitochondrialny DNA ma bardzo niewiele niekodujących sekwencji nukleotydowych, to znaczy, które nie wytwarzają żadnego białka, tRNA ani rRNA. W ujęciu procentowym tylko 3% mitochondrialnego DNA nie jest kodowane.
W przeciwieństwie do tego, jądrowy DNA koduje tylko 7%, więc zawiera dużą liczbę niekodujących sekwencji nukleotydowych (93%).
Tabela: podsumowanie różnic między ludzkim mitochondrialnym DNA a ludzkim jądrowym DNA. | |
DNA mitochondrialne | DNA jądrowe |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
dziedzictwo
Dziedziczenie mitochondrialnego DNA jest ściśle matczyne .
Oznacza to, że u kilku rodziców to kobieta przekazuje mitochondrialne DNA potomstwu (tj. Dzieciom).
W całkowicie odwrotny sposób do powyższego, dziedziczenie jądrowego DNA to połowa macierzyństwa i połowa ojca. Innymi słowy, oboje rodzice w równym stopniu przyczyniają się do przekazywania jądrowego DNA u potomstwa.
Uwaga: matczyne dziedzictwo DNA mitochondrialnego obejmuje również strukturę mitochondrialną. Tak więc mitochondria występujące u osobnika są na matczynej pleśni.
Powiązane patologie
Przesłanka: mutacja genetyczna jest trwałą zmianą sekwencji nukleotydów, które tworzą gen DNA jądrowego lub mitochondrialnego.
Ogólnie, obecność mutacji genetycznej prowadzi do zmiany lub utraty normalnej funkcji zaangażowanego genu.
Obecność mutacji na poziomie genów mitochondrialnego DNA może określać szeroki zakres chorób, w tym:
- Dziedziczna neuropatia wzrokowa Lebera
- Zespół Kearnsa-Sayre'a
- Zespół Leigha
- Niedobór oksydazy cytochromu C
- Postępująca zewnętrzna oftalmoplegia
- Zespół Pearsona
- Mitochondrialna encefalomyopatia z kwasicą mleczanową i epizodami udarowymi (zespół MELAS)
- Cukrzyca z głuchotą transmisyjną u matki
- Padaczka miokloniczna z nieregularnymi czerwonymi włóknami
W odniesieniu do stanów patologicznych związanych z jedną lub większą liczbą mutacji mitochondrialnego DNA, należy określić dwa aspekty.
Po pierwsze, ciężkość stanu chorobowego zależy od ilościowego związku między zmutowanym mitochondrialnym DNA a zdrowym, prawidłowym mitochondrialnym DNA. Jeśli liczba zmutowanego mitochondrialnego DNA jest znacznie wyższa niż zdrowego DNA, wynikowy stan będzie bardziej dotkliwy.
Po drugie, mutacje w mitochondrialnym DNA dotyczą tylko niektórych tkanek w organizmie, szczególnie tych, które wymagają dużych ilości ATP wynikających z procesu fosforylacji oksydacyjnej. Jest to całkiem zrozumiałe: komórki, które mają największą potrzebę funkcji, do której normalnie działa mitochondrialny DNA, są najbardziej dotknięte nieprawidłowym działaniem mitochondrialnego DNA.
HERITITARY OPTICAL NEUROPATHY OF LEBER
Dziedziczna neuropatia wzrokowa Lebera powstaje w wyniku mutacji aż czterech mitochondrialnych genów DNA. Geny te zawierają informacje, które prowadzą do syntezy tak zwanego kompleksu I (lub reduktazy tlenkowej NADH), jednego z różnych enzymów zaangażowanych w proces fosforylacji oksydacyjnej.
Objawy patologii polegają na postępującej degeneracji nerwu wzrokowego i stopniowej utracie wzroku.
SYNDROM KEARNS-SAYRE
Zespół Kearnsa-Sayre'a pojawia się z powodu braku odrębnej części mitochondrialnego DNA (NB: brak pewnej sekwencji nukleotydowej nazywany jest delecją ).
Cierpiący na zespół Kearnsa-Sayre'a rozwijają oftalmoplegię (tj. Całkowity lub częściowy paraliż mięśni okulomotorycznych), formę retinopatii i nieprawidłowy rytm serca (blok przedsionkowo-komorowy).
SYNDROM LEIGH
Zespół Leigh powstaje w wyniku mutacji mitochondrialnego DNA, które mogą obejmować białko syntazy ATP (zwane również kompleksem V) i / lub niektóre tRNA.
Zespół Leigha jest postępującą chorobą neurologiczną, która pojawia się w okresie niemowlęcym lub dzieciństwie i jest odpowiedzialna za: opóźnienie rozwoju, osłabienie mięśni, neuropatię obwodową, zaburzenia motoryczne, trudności w oddychaniu i oftalmoplegię.
DEFICYT OXIDASU CYTOKROMU
Niedobór oksydazy cytochromu C pojawia się z powodu mutacji co najmniej 3 genów mitochondrialnego DNA. Geny te mają zasadnicze znaczenie dla prawidłowej syntezy enzymu oksydazy cytochromu C (lub kompleksu IV) biorącego udział w procesie fosforylacji oksydacyjnej.
Typowe objawy niedoboru oksydazy cytochromu C obejmują: dysfunkcję mięśni szkieletowych, zaburzenia czynności serca, zaburzenia czynności nerek i zaburzenia czynności wątroby.
PROGRESYWNA OKOLICZNOŚĆ ZEWNĘTRZNA
Postępująca zewnętrzna oftalmoplegia występuje z powodu braku znacznej liczby mitochondrialnych nukleotydów DNA (delecja)
Z postacią progresywną (jak można się domyślić na podstawie nazwy), ta patologia powoduje paraliż mięśni okulomotorycznych, w konsekwencji ptosis i znaczne problemy ze wzrokiem.
ZESPÓŁ PEARSON
Zespół Pearsona pojawia się po dużej delecji mitochondrialnego DNA, podobnej do postępującej zewnętrznej oftalmoplegii i zespołu Kearnsa-Sayre'a.
Typowe objawy zespołu Pearsona to: niedokrwistość syderoblastyczna, dysfunkcje trzustki (np. Cukrzyca insulinozależna), deficyty neurologiczne i zaburzenia mięśni.
Ogólnie zespół Pearsona powoduje śmierć chorego w młodym wieku. W rzeczywistości osoby dotknięte tą patologią rzadko osiągają dorosłość.
ZESPÓŁ MELAS
Zespół MELAS, znany również jako mitochondrialna encefalomyopatia z kwasicą mleczanową i epizodami podobnymi do udaru, występuje w wyniku mutacji co najmniej 5 genów mitochondrialnego DNA.
Geny te przyczyniają się do syntezy reduktazy tlenkowej NADH lub kompleksu I i niektórych tRNA.
Zespół MELAS obejmuje występowanie zaburzeń neurologicznych, zaburzeń mięśniowych, niezwykłego gromadzenia się kwasu mlekowego w tkankach (ze wszystkimi wynikającymi z tego objawami), problemów z oddychaniem, utraty kontroli funkcji jelit, nawracającego zmęczenia, problemów z nerkami, problemów z sercem, cukrzycy, padaczka i brak koordynacji.
INNE PATOLOGIE
Według kilku badań naukowych, nawet choroby takie jak zespół cyklicznych wymiotów, barwnikowe zwyrodnienie siatkówki, ataksja, choroba Parkinsona i choroba Alzheimera mogą powodować mitochondrialne DNA i niektóre mutacje.
