Splošnost
Mitohondrijska DNA ali mtDNA je deoksiribonukleinska kislina, ki se nahaja znotraj mitohondrijev, to je organelov evkariontskih celic, odgovornih za zelo pomemben celični proces oksidativne fosforilacije.
Ima pa tudi nekaj strukturnih in funkcionalnih posebnosti, zaradi katerih je edinstven v svoji vrsti. Te posebnosti vključujejo: krožnost dvojne verige nukleotidov, vsebnost genov (kar je le 37 elementov) in skoraj popolno odsotnost nekodirajočih nukleotidnih sekvenc.
Mitohondrijska DNA opravlja temeljno funkcijo za preživetje celic: proizvaja encime, potrebne za realizacijo oksidativne fosforilacije.
Kaj je mitohondrijska DNK?
Mitohondrijska DNA ali mtDNA je DNK, ki se nahaja znotraj mitohondrijev.
Mitohondrije so tiste velike celične organele, značilne za evkariontske organizme, ki pretvarjajo kemično energijo, ki jo vsebuje hrana, v ATP, ki je oblika energije, ki jo lahko izkoristijo celice.
OZADJE O STRUKTURI IN FUNKCIONIRANJU MITOHONDRONOV
Cevaste, nitaste ali zrnate oblike, mitohondriji prebivajo v citoplazmi in zavzemajo skoraj 25% volumna slednje.
Imajo dve dvoslojni membrani fosfolipidov, eno zunanjo in eno notranjo.
Najbolj zunanja membrana, znana kot zunanja mitohondrijska membrana, predstavlja obod vsake mitohondrije in ima transportne beljakovine (porine in več), zaradi česar je prepustna za molekule velikosti 5.000 daltonov ali manj.
Notranja membrana, znana kot notranja mitohondrijska membrana, vsebuje vse encimske (ali encimske) in koencimske komponente, potrebne za sintezo ATP, in opredeljuje osrednji prostor, imenovan matriks.
Za razliko od najbolj zunanje membrane ima notranja mitohondrijska membrana številne invaginacije - tako imenovane grebene -, ki povečajo njeno celotno površino.
Med obema mitohondrijskima membranama je prostor skoraj 60-80 Angstromov (A), ki se imenuje intermembranski prostor, ki ima sestavo, ki je zelo podobna citoplazmi.
Sinteza ATP, ki jo upravljajo mitohondriji, je zelo kompleksen proces, ki ga biologi identificirajo z izrazom oksidativna fosforilacija.
TAČNA LOKACIJA MITOHONDRALNE DNK IN KOLIČINE
Slika: človeški mitohondrij.
Mitohondrijska DNA se nahaja v mitohondrijskem matriksu, to je v prostoru, ki ga omejuje notranja mitohondrijska membrana.
Po zanesljivih znanstvenih študijah lahko vsak mitohondrij vsebuje od 2 do 12 kopij mitohondrijske DNK.
Glede na dejstvo, da lahko v človeškem telesu nekatere celice v sebi vsebujejo več tisoč mitohondrijev, lahko skupno število kopij mitohondrijske DNA v posamezni človeški celici doseže kar 20.000 enot.
Prosimo, upoštevajte: število mitohondrijev v človeških celicah se razlikuje glede na tip celice. Na primer, hepatociti (tj. Jetrne celice) lahko vsebujejo med 1.000 in 2.000 mitohondrijev, medtem ko jih eritrociti (tj. Rdeče krvne celice) popolnoma nimajo.
Struktura
Splošna struktura molekule mitohondrijske DNA je podobna splošni strukturi jedrske DNK, to je genetski dediščini, prisotni v jedru evkariontskih celic.
Prav zares, analogno jedrski DNK:
- Mitohondrijska DNA je biopolimer, sestavljen iz dveh dolgih verig nukleotidov. Nukleotidi so organske molekule, ki so posledica združevanja treh elementov: sladkorja s 5 atomi ogljika (v primeru DNA, deoksiriboze), dušikove baze in fosfatne skupine.
- Vsak nukleotid mitohondrijske DNA se veže na naslednji nukleotid iste verige s pomočjo fosfodiesterske vezi med ogljikom 3 njegove deoksiriboze in fosfatno skupino naslednjega nukleotida.
- Dve verigi mitohondrijske DNK imata nasprotni usmeritvi, pri čemer je konec enega v interakciji s koncem drugega in obratno.
- Dve verigi mitohondrijske DNA medsebojno delujeta preko dušikovih baz.
Natančneje, vsaka dušikova baza vsake nitke vzpostavlja vodikove vezi z eno in samo eno dušikovo bazo, ki je prisotna na drugi nitki.
Ta vrsta interakcije se imenuje "parjenje med dušikovimi bazami" ali "par dušikovih baz". - Dušikove baze mitohondrijske DNA so adenin, timin, citozin in gvanin.
Seznanjanje, do katerega nastanejo te dušikove baze, ni naključno, ampak zelo specifično: adenin medsebojno deluje samo s timinom, citozin pa le z gvaninom. - Mitohondrijska DNA je dom genov (ali genskih sekvenc). Geni so zaporedja bolj ali manj dolgih nukleotidov z dobro opredeljenim biološkim pomenom. V večini primerov povzročajo beljakovine.
STRUKTURNE POSEBNOSTI MITOHONDRALNE DNK
Poleg zgoraj omenjenih analogij ima človeška mitohondrijska DNA še nekatere strukturne posebnosti, ki jo bistveno razlikujejo od človeške jedrske DNK.
Prvič, to je krožna molekula, jedrska DNA pa linearna molekula.
Tako ima 16.569 parov dušikovih baz, jedrska DNK pa neverjetnih 3,3 milijarde.
Vsebuje 37 genov, jedrska DNK pa med 20.000 in 25.000.
Ni organiziran v kromosomih, jedrska DNK pa je razdeljena na 23 kromosomov in tvori z nekaterimi specifičnimi beljakovinami snov, imenovano kromatin.
Končno vključuje vrsto nukleotidov, ki hkrati sodelujejo v dveh genih, medtem ko ima jedrska DNA gene, katerih nukleotidna zaporedja so dobro opredeljena in se med seboj razlikujejo.
Izvor
Mitohondrijska DNK ima najverjetneje "bakterijski" izvor.
Pravzaprav na podlagi številnih neodvisnih študij molekularni biologi verjamejo, da je celična prisotnost mitohondrijske DNK posledica vključitve evkariontskih celic prednikov v neodvisne bakterijske organizme, zelo podobne mitohondrijem.
To radovedno odkritje je le delno osupnilo znanstveno skupnost, saj je DNA, prisotna v bakterijah, na splošno krožna nukleotidna veriga, podobna mitohondrijski DNA.
Teorija, po kateri imajo mitohondriji in mitohondrijska DNA "bakterijski izvor", dobi ime "endosimbiotska teorija" iz besede "endosimbioza." Na kratko, v biologiji izraz "endosimbioza" označuje sodelovanje med dvema organizmoma, ki vključuje "vključitev enega v drugega, da bi pridobili določeno prednost.
Radovednost
Po zanesljivih znanstvenih študijah bi se med evolucijo mnogi bakterijski geni, prisotni v prihodnji mitohondrijski DNK, spremenili in prešli v jedrsko DNK.
Z drugimi besedami, na začetku endosimbioze so nekateri geni, ki so zdaj prisotni na jedrski DNK, prebivali v DNK teh bakterijskih organizmov, ki so kasneje postali mitohondriji.
V podporo teoriji o premiku genov med mitohondrijsko DNK in jedrsko DNK je ugotovitev, da nekateri geni izvirajo iz mitohondrijske DNK pri nekaterih vrstah in iz jedrske DNK pri drugih.
Funkcija
Mitohondrijska DNA proizvaja encime (tj. Proteine), potrebne za pravilno izvajanje občutljivega procesa oksidativne fosforilacije.
Navodila za sintezo teh encimov so v 37 genih, ki sestavljajo genom mitohondrijske DNA.
KAJ KODA MITOHONDRALNIH GENOV DNK: PODROBNOSTI
37 genov kode mitohondrijske DNA za: beljakovine, tRNA in rRNA.
Še posebej:
- 13 kodira 13 beljakovin, odgovornih za izvajanje oksidativne fosforilacije
- 22 koda za 22 molekul tRNA
- 2 kodira 2 molekuli rRNA
Molekule tRNA in rRNA sta bistvenega pomena za sintezo omenjenih 13 beljakovin, saj sestavljajo mehanizem, ki uravnava njihovo proizvodnjo.
Z drugimi besedami, mitohondrijska DNK ima informacije za proizvodnjo določenega nabora beljakovin in orodij, potrebnih za njihovo sintezo.
Kaj so RNA, tRNA in rRNA?
RNA ali ribonukleinska kislina je nukleinska kislina, ki igra temeljno vlogo pri tvorbi beljakovin, začenši z DNK.
Na splošno enoverižna lahko ANN obstaja v različnih oblikah (ali vrstah), odvisno od posebne funkcije, na katero je prenesena.
TRNA in rRNA sta dve od teh možnih oblik.
TRNA se uporablja za dodajanje aminokislin v procesu nastajanja beljakovin.Aminokisline so molekularne enote, ki sestavljajo beljakovine.
RRNA tvori ribosome, to so celične strukture, v katerih poteka sinteza beljakovin.
Če želite podrobneje poznati ANN in njegove funkcije, lahko bralci kliknejo tukaj.
FUNKCIONALNI PODROBNOSTI MITOHONDRALNE DNK
S funkcionalnega vidika ima mitohondrijska DNA nekaj posebnosti, ki jo jasno ločujejo od jedrske DNK.
Tukaj so sestavljene te posebne značilnosti:
- Mitohondrijska DNA je pol neodvisna, v smislu, da potrebuje posredovanje nekaterih beljakovin, sintetiziranih iz jedrske DNK.
Po drugi strani je jedrska DNK popolnoma avtonomna in sama proizvaja vse, kar potrebuje za pravilno opravljanje svojih nalog. - Mitohondrijska DNA ima nekoliko drugačno genetsko kodo kot jedrska DNA. To vodi do številnih razlik v nastajanju beljakovin: če določeno zaporedje nukleotidov v jedrski DNK povzroči nastanek določenega proteina, enako zaporedje v mitohondrijski DNA vodi v nastanek nekoliko drugačnega proteina.
- Mitohondrijska DNA ima zelo malo nekodirajočih nukleotidnih zaporedij, torej ne proizvajajo nobenih proteinov, tRNA ali rRNA. V odstotkih je le 3% mitohondrijske DNA nekodirano.
Po drugi strani pa jedrska DNK kodira le 7%, zato vsebuje veliko nekodirajočih nukleotidnih zaporedij (kar 93%).
Tabela: povzetek razlik med človeško mitohondrijsko DNA in človeško jedrsko DNK.
Mitohondrijska DNK
Jedrska DNK
- Je okrogel
- Je linearna
- Vsebuje 16.569 parov dušikovih baz
- Ima skupaj 3,3 milijarde dušikovih baznih parov
- Vsebuje 37 genov
- Vsebuje med 20.000 in 25.000 genov
- Za pravilno delovanje potrebuje podporo nekaterih genskih produktov, ki izvirajo iz jedrske DNK
- Je avtonomen in sam proizvaja vse, kar potrebuje za pravilno opravljanje svojih nalog
- V vsaki posamezni mitohondriji je lahko prisoten v več izvodih
- Edinstven je, torej je samo v eni kopiji in se nahaja v jedru
- 97% nukleotidnega zaporedja, ki ga sestavlja, kodira
- Kodira le 7% nukleotidnega zaporedja, ki ga sestavlja
- Ni organiziran v kromosome
- Razdeljen je na 23 kromosomov
- Uporablja genetsko kodo, ki je nekoliko drugačna od tako rekoč "tradicionalne"
- Uporabite "tradicionalno" genetsko kodo
- Njena dediščina je materinska
- Njena dediščina je pol materinska in pol očetovska
- Nekateri njegovi nukleotidi sodelujejo v dveh genih hkrati
- Zaporedja nukleotidov, ki sestavljajo gene, se med seboj dobro razlikujejo
Dedovanje
Dedovanje mitohondrijske DNK je strogo materinsko.
To pomeni, da je v paru staršev ženska tista, ki prenese mitohondrijsko DNK na potomce (torej na otroke).
Povsem nasprotno od zgoraj navedenega je dedovanje jedrske DNK na pol materinsko in na polovico očetovsko, z drugimi besedami, oba starša enako prispevata k prenosu jedrske DNK pri potomcih.
Prosimo, upoštevajte: dedovanje mitohondrijske DNA pri materi vključuje tudi mitohondrijsko strukturo. Zato so mitohondriji, prisotni pri posamezniku, materinski.
Povezane patologije
Prostor: Genetska mutacija je trajna sprememba v zaporedju nukleotidov, ki sestavljajo jedrski ali mitohondrijski gen DNA.
Običajno prisotnost genetske mutacije povzroči "spremembo ali izgubo normalne funkcije vpletenega gena.
Prisotnost mutacij v genih mitohondrijske DNA lahko privede do številnih bolezni, med drugim:
- Leberjeva dedna optična nevropatija
- Kearns-Sayrejev sindrom
- Leighov sindrom
- Pomanjkanje citokrom C oksidaze
- Progresivna zunanja oftalmoplegija
- Pearsonov sindrom
- Mitohondrijska encefalomiopatija z laktacidozo in možganskim kap podobnim epizodam (sindrom MELAS)
- Sladkorna bolezen z gluhostjo, ki se prenaša z matere
- Mioklonična epilepsija z nepravilnimi rdečimi vlakni
V zvezi s patološkimi stanji, povezanimi z eno ali več mutacijami mitohondrijske DNA, je treba pojasniti dva vidika.
Prvič, resnost bolezni je odvisna od količinskega razmerja med mutiranimi mitohondrijskimi DNK in zdravimi, normalnimi mitohondrijskimi DNK. Če je število mutiranih mitohondrijskih DNK bistveno večje od števila zdravih DNK, bo posledično stanje hujše.
Drugič, mutacije v mitohondrijski DNA vplivajo le na nekatera tkiva v organizmu, zlasti na tista, ki zahtevajo velike količine ATP, ki so posledica procesa oksidativne fosforilacije. To je povsem razumljivo: za več kot eno okvaro mitohondrijske DNA so najbolj potrebne celice funkcijo, ki jo običajno opravlja mitohondrijska DNA.
LEBEROVA DEDNA OPTIČNA NEVROPATIJA
Leberjeva dedna optična nevropatija nastane kot posledica mutacije kar štirih genov mitohondrijske DNA. Ti geni vsebujejo informacije, ki vodijo do sinteze tako imenovanega kompleksa I (ali NADH oksid-reduktaze), enega od različnih encimov, vključenih v proces oksidativne fosforilacije.
Manifestacije patologije so progresivna degeneracija optičnega živca in postopna izguba vida.
KEARNS-SAYRE SINDROM
Kearns-Sayrejev sindrom se pojavi zaradi pomanjkanja poštene količine mitohondrijske DNK (N.B .: pomanjkanje določenega nukleotidnega zaporedja se imenuje delecija).
Ljudje s Kearns-Sayrejevim sindromom razvijejo oftalmoplegijo (popolno ali delno paralizo okulomotornih mišic), obliko retinopatije in nenormalnosti srčnega ritma (atrioventrikularni blok).
LEIGHOV SINDROM
Leighhov sindrom nastane kot posledica mutacij mitohondrijske DNA, ki lahko vplivajo na protein ATP-sintaze (imenovan tudi V-kompleks) in / ali na nekatere tRNA.
Leigh -ov sindrom je progresivna nevrološka bolezen, ki se pojavi v otroštvu ali otroštvu in je odgovorna za: razvojni zastoj, mišično oslabelost, periferno nevropatijo, motorične motnje, težave z dihanjem in oftalmoplegijo.
POMANJKLJIVOST OKSIDAZE CITOKROMA
Pomanjkanje oksidaze citokroma C nastane zaradi mutacije vsaj 3 genov mitohondrijske DNA. Ti geni so bistveni za pravilno sintezo encima citokrom C oksidaze (ali kompleksa IV), vključenega v proces oksidativne fosforilacije.
Značilne manifestacije pomanjkanja citokrom C oksidaze so: disfunkcija skeletnih mišic, srčna disfunkcija, ledvična disfunkcija in jetrna disfunkcija.
PROGRESIVNA ZUNANJA OFTALMOPLEGIJA
Progresivna zunanja oftalmoplegija nastane zaradi pomanjkanja znatnega števila nukleotidov mitohondrijske DNA (črtanje)
S progresivno naravo (kot je mogoče uganiti iz imena) ta patologija povzroča paralizo okulomotornih mišic s posledično ptozo in precejšnjimi težavami z vidom.
PEARSONOV SINDROM
Pearsonov sindrom se pojavi po opaznem izbrisu mitohondrijske DNA, podobno kot progresivna zunanja oftalmoplegija in Kearns-Sayrejev sindrom.
Značilne manifestacije Pearsonovega sindroma so: sideroblastična anemija, disfunkcija trebušne slinavke (npr. Diabetes, odvisen od insulina), nevrološki primanjkljaji in mišične motnje.
Pearsonov sindrom običajno prizadene prizadeto osebo v mladosti. Pravzaprav tisti, ki jih ta patologija prizadene, le redko dosežejo odraslo dobo.
SINDROM MELAS
Sindrom MELAS, znan tudi kot mitohondrijska encefalomiopatija z laktacidozo in epizodami, podobnimi možganski kapi, nastane zaradi mutacije vsaj 5 genov mitohondrijske DNA.
Ti geni prispevajo k sintezi NADH oksid-reduktaze ali kompleksa I in nekaterih tRNA.
Sindrom MELAS vključuje prisotnost nevroloških motenj, mišičnih motenj, nenavadnega kopičenja mlečne kisline v tkivih (z vsemi spremljajočimi simptomi), težave z dihanjem, izgubo nadzora delovanja črevesja, ponavljajočo se utrujenost, težave z ledvicami, težave s srcem, sladkorno bolezen, epilepsijo in pomanjkanje koordinacije.
DRUGE PATOLOGIJE
Po različnih znanstvenih študijah bi bolezni, kot so sindrom cikličnega bruhanja, pigmentni retinitis, ataksija, Parkinsonova bolezen in Alzheimerjeva bolezen, zaznale tudi vpletenost mitohondrijske DNA in nekatere njene mutacije.
.jpg)
