općenitost
Mitohondrijska DNA ili mtDNA je dezoksiribonukleinska kiselina koja se nalazi unutar mitohondrija, tj. Organela eukariotskih stanica odgovornih za vrlo važan stanični proces oksidativne fosforilacije.
Međutim, ona ima i neke specifičnosti, kako strukturalne tako i funkcionalne, što ga čini jedinstvenim u svojoj vrsti. Te značajke uključuju: kružnost dvostrukog lanca nukleotida, sadržaj gena (koji je samo 37 elemenata) i gotovo potpuno odsustvo nekodirajućih nukleotidnih sekvenci.
Mitohondrijska DNA igra temeljnu ulogu u preživljavanju stanica: ona proizvodi enzime potrebne za realizaciju oksidativne fosforilacije.
Što je mitohondrijska DNA?
Mitohondrijska DNA, ili mtDNA, je DNA smještena unutar mitohondrija .
Mitohondrije su velike stanične organele, tipične za eukariotske organizme, koje pretvaraju kemijsku energiju sadržanu u hrani u ATP, što je oblik energije koji stanice mogu koristiti.
PODSJEĆA NA STRUKTURU I FUNKCIONIRANJE MITOCHONDERSA
Od cjevastog, filamentoznog ili zrnatog oblika, mitohondrije se nalaze u citoplazmi, zauzimajući gotovo 25% volumena potonjeg.
Imaju dvije fosfolipidne dvoslojne membrane, jednu vanjsku i još jednu unutarnju.
Najbliža membrana, poznata kao vanjska mitohondrijska membrana, predstavlja perimetar svake mitohondrije i ima transportne proteine (porine i ne samo), što ga čini propusnim za molekule veličine jednake ili manje od 5.000 daltona.
Unutarnja membrana, poznata kao unutarnja mitohondrijska membrana, sadrži sve enzimske komponente (ili enzime) i koenzimske komponente potrebne za sintezu ATP-a, i ograničava središnji prostor, koji se naziva matrica .
Za razliku od najudaljenije membrane, unutarnja mitohondrijska membrana ima brojne invaginacije - takozvani grbovi - koji povećavaju njegovu ukupnu površinu.
Između dviju mitohondrijskih membrana nalazi se prostor od gotovo 60-80 angstroma (A). Taj se prostor naziva intermembranskim prostorom . Međumembranski prostor ima sastav koji je vrlo sličan sastavu citoplazme.
Sinteza ATP-a, kojom upravlja mitohondrija, vrlo je složen proces, koji biolozi identificiraju s pojmom oksidativne fosforilacije .
TOČNA MITOKONDRIJALNA LOKACIJA DNA I KOLIČINA
Slika: ljudski mitohondriji.
Mitohondrijska DNA nalazi se u matrici mitohondrija, tj. U prostoru koji je ograničen unutarnjom mitohondrijskom membranom.
Na temelju pouzdanih znanstvenih istraživanja, svaka mitohondrija može sadržavati od 2 do 12 kopija mitohondrijske DNA.
S obzirom na činjenicu da u ljudskom tijelu neke stanice mogu sadržavati unutar njih nekoliko tisuća mitohondrija, ukupan broj kopija mitohondrijske DNA, u jednoj ljudskoj stanici, može doseći čak 20.000 jedinica.
Napomena: broj mitohondrija u ljudskim stanicama varira ovisno o tipu stanice. Na primjer, hepatociti (tj. Stanice jetre) mogu sadržavati između 1.000 i 2.000 mitohondrija, dok su eritrociti (tj. Crvene krvne stanice) potpuno bez njih.
struktura
Opća struktura molekule mitohondrijske DNA nalikuje općoj strukturi nuklearne DNK, odnosno genetskoj baštini prisutnoj u jezgri eukariotskih stanica.
Zapravo, slično kao i nuklearna DNK:
- Mitohondrijska DNA je biopolimer koji se sastoji od dva duga niza nukleotida . Nukleotidi su organske molekule, koje nastaju ujedinjenjem triju elemenata: šećera s 5 ugljikovih atoma (u slučaju DNA, deoksiriboze ), dušične baze i fosfatne skupine .
- Svaki nukleotid mitohondrijske DNA veže se na sljedeći nukleotid istog filamenta, pomoću fosfodiesterske veze između ugljika 3 njegove deoksiriboze i odmah slijedeće nukleotidne fosfatne skupine.
- Dva lanca mitohondrijske DNA imaju suprotnu orijentaciju, a glava jedne interakcije s krajem druge i obratno. Ovaj određeni raspored poznat je kao antiparalelni raspored (ili antiparalelna orijentacija ).
- Dva vlakna mitohondrijske DNA međusobno djeluju, preko dušičnih baza .
Naime, svaka dušična baza svakog filamenta uspostavlja vodikove veze s jednom i samo jednom dušičnom bazom, prisutnom na drugom filamentu.
Ovaj tip interakcije naziva se "sparivanje između dušičnih baza" ili "par dušičnih baza".
- Dušične baze mitohondrijske DNA su adenin, timin, citozin i gvanin .
Sparivanje s kojim nastaju ove dušične baze nisu slučajne, već vrlo specifične: adenin stupa u interakciju samo s timinom, dok citozin samo s gvaninom.
- Mitohondrijska DNA je dom genima (ili genskim sljedovima). Geni su sekvence više ili manje dugih nukleotida, s dobro definiranim biološkim značenjem. U većini slučajeva uzrokuju proteine.
STRUKTURNI DETALJI MITOKONDRIJSKE DNA
Osim gore spomenutih analogija, ljudska mitohondrijska DNK ima neke strukturne osobitosti koje je značajno razlikuju od ljudske nuklearne DNA.
Prvo, to je kružna molekula, dok je nuklearna DNK linearna molekula.
Dakle, ima 16.569 pari dušičnih baza, dok nuklearna DNK posjeduje ljepotu od 3, 3 milijarde.
Sadrži 37 gena, dok izgleda da nuklearna DNK sadrži između 20.000 i 25.000.
Ona nije organizirana u kromosomima, dok je nuklearna DNK podijeljena na 23 kromosoma i oblika, s nekim specifičnim proteinima, tvari nazvanom kromatin.
Konačno, uključuje niz nukleotida koji istodobno sudjeluju u dva gena, dok nuklearna DNK ima gene čije su nukleotidne sekvence dobro definirane i različite.
podrijetlo
Mitohondrijska DNA vrlo je vjerojatno da ima bakterijsko podrijetlo .
Doista, na temelju brojnih nezavisnih studija, molekularni biolozi vjeruju da je stanična prisutnost mitohondrijske DNA rezultat ugradnje, pomoću eukariotskih stanica predaka, nezavisnih bakterijskih organizama, vrlo sličnih mitohondrijima.
Ovo znatiželjno otkriće samo je djelomično zadivilo znanstvenu zajednicu, budući da je DNA prisutna u bakterijama općenito filament kružnih nukleotida, kao što je mitohondrijska DNA.
Teorija da će mitohondriji i mitohondrijska DNA imati bakterijsko podrijetlo naziva se " endosimbiotska teorija ", od riječi " endosymbiosis ". Ukratko, u biologiji, pojam "endosimbioza" označava suradnju između dva organizma, koja uključuje ugradnju jednog unutar drugog, kako bi se dobila određena prednost.
znatiželja
Prema pouzdanim znanstvenim istraživanjima, tijekom evolucije mnogi bakterijski geni, prisutni u budućoj mitohondrijskoj DNK, promijenili bi lokaciju, krećući se u nuklearnu DNK.
Drugim riječima, na početku endosimbioze, neki geni sada prisutni na nuklearnoj DNA nalaze se u DNK onih bakterijskih organizama, koji bi tada postali mitohondriji.
Teorija da neki geni potječu od mitohondrijske DNA, u nekim vrstama i iz nuklearne DNA, u drugima, potvrđuje teoriju o pomaku gena između mitohondrijske DNA i nuklearne DNA.
funkcija
Mitohondrijska DNA proizvodi enzime (tj. Proteine), potrebne za ispravnu realizaciju osjetljivog procesa oksidativne fosforilacije.
Upute za sintezu ovih enzima nalaze se u 37 gena koji čine genom mitohondrijske DNA.
ŠTO JE GEN KODA MITOKONDRIJSKE DNK: DETALJI
37 gena mitohondrijske DNA kodiraju za: proteine, tRNA i rRNA.
konkretno:
- 13 kodiraju 13 proteina odgovornih za provođenje oksidativne fosforilacije
- 22 kodiraju 22 molekule tRNA
- 2 kodiraju 2 molekule rRNA
Molekule tRNA i rRNA su fundamentalne za sintezu gornjih 13 proteina, budući da čine mehanizam koji regulira njihovu proizvodnju.
Drugim riječima, mitohondrijska DNK ima informacije za proizvodnju određenog skupa proteina i alata potrebnih za sintezu potonjeg.
Što su RNA, tRNA i rRNA?
RNA, ili ribonukleinska kiselina, je nukleinska kiselina koja ima temeljnu ulogu u stvaranju proteina, počevši od DNA.
Općenito, jednolančana, RNA može postojati u različitim oblicima (ili vrstama), ovisno o specifičnoj funkciji kojoj je zamjenik.
TRNA i rRNA su dva od tih mogućih oblika.
TRNA se koristi za dodavanje aminokiselina tijekom procesa stvaranja proteina. Aminokiseline su molekularne jedinice koje sačinjavaju proteine.
RRNA tvori ribosome, tj. Stanične strukture u kojima se temelji sinteza proteina.
Da biste saznali više o RNA i njezinim funkcijama, čitatelji mogu kliknuti ovdje.
FUNKCIONALNI DETALJI MITOKONDRIJSKE DNA
S funkcionalne točke gledišta, mitohondrijska DNK ima neke specifične karakteristike koje ga jasno razlikuju od nuklearne DNK.
Evo što se sastoji od sljedećih značajki:
- Mitohondrijska DNA je polu-neovisna u smislu da treba intervenciju nekih proteina sintetiziranih iz nuklearne DNA.
Nasuprot tome, nuklearna DNK je potpuno autonomna i proizvodi sve što joj je potrebno za pravilno izvršavanje zadataka.
- Mitohondrijska DNA ima genetski kod koji se malo razlikuje od onog u nuklearnoj DNA . To dovodi do niza razlika u realizaciji proteina: ako određena sekvenca nukleotida u nuklearnoj DNA dovodi do stvaranja određenog proteina, ista sekvenca u mitohondrijskoj DNA dovodi do stvaranja nešto drugačijeg proteina.
- Mitohondrijska DNA ima vrlo malo nekodirajućih nukleotidnih sekvenci, to jest, ne proizvodi nikakav protein, tRNA ili rRNA. U postocima, samo 3% mitohondrijske DNA nije kodirano.
Nasuprot tome, nuklearna DNA kodira za samo 7%, tako da sadrži veliki broj nekodirajućih nukleotidnih sekvenci (93%).
Tablica: sažetak razlika između ljudske mitohondrijske DNA i ljudske nuklearne DNA. | |
Mitohondrijska DNA | Nuklearna DNA |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
baština
Nasljeđivanje mitohondrijske DNA je strogo majčinsko .
To znači da u nekoliko roditelja žena prenosi mitohondrijsku DNA na potomstvo (tj. Djecu).
Na potpuno suprotan način od gore navedenog, nasljeđivanje nuklearne DNA je, pola, majčinsko i pola očinsko. Drugim riječima, oba roditelja jednako doprinose prijenosu nuklearne DNA u potomstvo.
Napomena: majčinsko nasljeđivanje mitohondrijske DNA također uključuje mitohondrijsku strukturu. Dakle, mitohondrije prisutne u pojedincu su na majčinskom plijesni.
Povezane patologije
Premisa: genetska mutacija je trajna promjena u nizu nukleotida, koji čine nuklearni ili mitohondrijski gen DNA.
Općenito, prisutnost genetske mutacije dovodi do promjene ili gubitka normalne funkcije uključenog gena.
Prisutnost mutacija na razini gena mitohondrijske DNA može odrediti širok raspon bolesti, uključujući:
- Leberova nasljedna optička neuropatija
- Kearns-Sayreov sindrom
- Leighov sindrom
- Nedostatak citokrom C oksidaze
- Progresivna vanjska oftalmoplegija
- Pearsonov sindrom
- Mitohondrijska encefalomiopatija s laktičkom acidozom i epizodama sličnim moždanom udaru (MELAS sindrom)
- Dijabetes s majčinom gluhoćom prijenosa
- Mioklonična epilepsija s nepravilnim crvenim vlaknima
S obzirom na patološka stanja povezana s jednom ili više mutacija mitohondrijske DNA, moraju se specificirati dva aspekta.
Prvo, ozbiljnost morbidnog stanja ovisi o kvantitativnoj vezi između mutirane mitohondrijske DNA i zdrave, normalne mitohondrijske DNA. Ako je broj mutirane mitohondrijske DNA mnogo viši od broja zdrave DNA, rezultirajuće stanje će biti ozbiljnije.
Drugo, mutacije u mitohondrijskoj DNA utječu samo na određena tkiva u tijelu, posebice na ona koja zahtijevaju velike količine ATP-a koja proizlazi iz procesa oksidativne fosforilacije. To je sasvim razumljivo: stanice koje imaju najveću potrebu za funkcijom koju normalno obavlja mitohondrijska DNA najviše su pogođene neispravnom mitohondrijskom DNA.
HERITITARNA OPTIČKA NEUROPATIJA LEBERA
Leberova nasljedna optička neuropatija nastaje zbog mutacije čak četiri gena mitohondrijske DNA. Ti geni sadrže informacije koje dovode do sinteze takozvanog kompleksa I (ili NADH oksid-reduktaze), jednog od različitih enzima uključenih u proces oksidativne fosforilacije.
Pojava patologije sastoji se od progresivne degeneracije vidnog živca i postepenog gubitka vida.
KEARNS-SAYRE SINDROM
Kearns-Sayreov sindrom pojavljuje se zbog nedostatka diskretnog dijela mitohondrijske DNA (NB: nedostatak određene nukleotidne sekvence zove se brisanje ).
Oboljeli od Kearns-Sayre sindroma razvijaju oftalmoplegiju (tj. Potpunu ili djelomičnu paralizu okulomotornih mišića), oblik retinopatije i abnormalnog srčanog ritma (atrioventrikularni blok).
LEIGH SINDROM
Leighov sindrom nastaje kao rezultat mutacija mitohondrijske DNA, koje mogu uključivati protein ATP-sintaze (također nazvan V kompleks) i / ili neke tRNA.
Leigh-ov sindrom je progresivna neurološka bolest koja se javlja tijekom djetinjstva ili djetinjstva i odgovorna je za: kašnjenje u razvoju, slabost u mišićima, perifernu neuropatiju, motoričke poremećaje, poteškoće s disanjem i oftalmoplegiju.
DEFICIT CIKROKROME C OXIDASE
Nedostatak citokrom C oksidaze pojavljuje se zbog mutacije najmanje 3 gena mitohondrijske DNA. Ovi geni su temeljni za ispravnu sintezu enzima citokrom C oksidaze (ili kompleksa IV) uključenog u proces oksidativne fosforilacije.
Tipične manifestacije nedostatka citokrom C oksidaze sastoje se od disfunkcije skeletnih mišića, srčane disfunkcije, disfunkcije bubrega i disfunkcije jetre.
PROGRESIVNA VANJSKA OPTALMOPIJA
Progresivna vanjska oftalmoplegija nastaje zbog nedostatka znatnog broja mitohondrijskih nukleotida DNA (delecija)
S progresivnim karakterom (kao što možete pogoditi iz naziva), ova patologija uzrokuje paralizu okulomotornih mišića, s posljedičnom ptozom i značajnim vizualnim problemima.
PEARSON SINDROM
Pearsonov sindrom pojavljuje se nakon velike delecije mitohondrijske DNA, slične progresivnoj vanjskoj oftalmoplegiji i Kearns-Sayreovom sindromu.
Tipične manifestacije Pearsonovog sindroma uključuju: sideroblastičnu anemiju, disfunkcije gušterače (npr. Dijabetes ovisan o inzulinu), neurološke deficite i mišićne poremećaje.
Općenito, Pearsonov sindrom uzrokuje smrt subjekta pogođenog u mladoj dobi. Zapravo, oni koji su pogođeni ovom patologijom rijetko dostižu zrelost.
MELAS SINDROM
Sindrom MELAS, poznat i kao mitohondrijska encefalomiopatija s epizodama laktacidoze i moždanog udara, javlja se kao rezultat mutacije najmanje 5 gena mitohondrijske DNA.
Ovi geni doprinose sintezi NADH oksid-reduktaze, ili kompleksa I, i nekih tRNA.
Sindrom MELAS-a uključuje prisutnost neuroloških poremećaja, mišićnih poremećaja, neuobičajenog nakupljanja mliječne kiseline u tkivima (sa svim rezultirajućim simptomima), respiratornih problema, gubitka kontrole intestinalnih funkcija, ponavljajućeg umora, problema s bubrezima, srčanih problema, dijabetesa epilepsija i nedostatak koordinacije.
OSTALE PATOLOGIJE
Prema nekoliko znanstvenih studija, čak i bolesti kao što su sindrom cikličkog povraćanja, retinitis pigmentosa, ataksija, Parkinsonova bolest i Alzheimerova bolest vidjele su mitohondrijsku DNA i neke uključene mutacije.
