splošnost
Mitohondrijska DNA ali mtDNA je dezoksiribonukleinska kislina, ki se nahaja znotraj mitohondrijev, tj. Organelov evkariontskih celic, ki so odgovorne za zelo pomemben celični proces oksidativne fosforilacije.
Vendar pa ima tudi nekatere posebnosti, strukturne in funkcionalne, zaradi česar je edinstven v svoji obliki. Te značilnosti vključujejo: krožnost dvojne verige nukleotidov, vsebnost genov (kar je le 37 elementov) in skoraj popolno odsotnost nekodirajočih nukleotidnih sekvenc.
Mitohondrijska DNA igra temeljno vlogo pri preživetju celic: proizvaja encime, ki so potrebni za realizacijo oksidativne fosforilacije.
Kaj je mitohondrijska DNA?
Mitohondrijska DNA ali mtDNA je DNA, ki se nahaja v mitohondrijih .
Mitohondrije so tiste velike celične organele, značilne za evkariontske organizme, ki pretvarjajo kemično energijo v hrani v ATP, ki je oblika energije, ki jo lahko uporabljajo celice.
OPOZARJA NA STRUKTURO IN DELOVANJE MITOKONDE
V cevasto, nitasto ali zrnato obliko so mitohondriji v citoplazmi, ki zavzemajo skoraj 25% prostornine slednjega.
Imata dve fosfolipidni dvoslojni membrani, eno bolj zunanjo in eno bolj notranjo.
Najbolj zunanja membrana, znana kot zunanja mitohondrijska membrana, predstavlja obod vsake mitohondrije in ima transportne beljakovine (porine in ne samo), zaradi česar je prepustna za molekule velikosti, ki so enake ali manjše od 5.000 daltonov.
Notranja membrana, znana kot notranja mitohondrijska membrana, vsebuje vse encimske komponente (ali encime) in koencimske komponente, ki so potrebne za sintezo ATP in omejuje osrednji prostor, imenovan matriks .
Za razliko od najbolj oddaljene membrane ima notranja mitohondrijska membrana številne invaginacije - tako imenovane grebene - ki povečujejo njeno skupno površino.
Med dvema mitohondrijskim membranama je prostor skoraj 60-80 Angstromov (A). Ta prostor se imenuje intermembranski prostor . Medmembranski prostor ima sestavo, ki je zelo podobna sestavi citoplazme.
Sinteza ATP, ki jo upravljajo mitohondriji, je zelo kompleksen proces, ki ga biologi identificirajo z izrazom oksidativna fosforilacija .
TOČNA MITOCHONDRIAL DNK LOKACIJA IN KOLIČINA
Slika: človeški mitohondriji.
Mitohondrijska DNA se nahaja v mitohondrijski matrici, tj. V prostoru, ki ga omejuje notranja mitohondrijska membrana.
Na podlagi zanesljivih znanstvenih študij lahko vsaka mitohondrija vsebuje od 2 do 12 kopij mitohondrijske DNA.
Glede na to, da lahko v človeškem telesu nekatere celice vsebujejo več tisoč mitohondrijev, lahko skupno število kopij mitohondrijske DNA v eni človeški celici doseže celo 20.000 enot.
Opomba: število mitohondrijev v človeških celicah je odvisno od vrste celice. Na primer, hepatociti (tj. Jetrne celice) lahko vsebujejo med 1.000 in 2.000 mitohondrijev, medtem ko so eritrociti (tj. Rdeče krvne celice) popolnoma brez njih.
struktura
Splošna struktura molekule mitohondrijske DNA je podobna splošni strukturi jedrne DNA, to je genetska dediščina, ki je prisotna v jedru evkariontskih celic.
Dejansko, podobno kot jedrska DNK:
- Mitohondrijska DNA je biopolimer, sestavljen iz dveh dolgih pramenov nukleotidov . Nukleotidi so organske molekule, ki so posledica združitve 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 nitke s pomočjo fosfodiestrske vezi med ogljikom 3 njegove deoksiriboze in neposredno naslednjo skupino nukleotidnih fosfatov.
- Dva pramena mitohondrijske DNK imata nasprotno usmerjenost, pri čemer glava ene med seboj sodeluje s koncem drugega in obratno. Ta posebna ureditev je znana kot antiparalelna ureditev (ali antiparalelna orientacija ).
- Dva filamenta mitohondrijske DNA medsebojno vplivata preko dušikovih baz .
Natančneje, vsaka dušikova baza vsakega filamenta vzpostavi vodikove vezi z eno in samo eno dušikovo bazo, ki je prisotna na drugi žarilni nitki.
Ta vrsta interakcije se imenuje "povezovanje med dušikovimi bazami" ali "parom dušikovih baz".
- Dušične baze mitohondrijske DNA so adenin, timin, citozin in gvanin .
Spajanje, ki ga povzročajo te dušikove baze, ni naključno, ampak zelo specifično: adenin medsebojno deluje samo s timinom, medtem ko je citozin samo z gvaninom.
- Mitohondrijska DNA je dom genov (ali genskih sekvenc). Geni so zaporedja več ali manj dolgih nukleotidov, z dobro opredeljenim biološkim pomenom. V večini primerov povzročajo beljakovine.
STRUKTURNI PODATKI MITOKONDRIJSKE DNK
Poleg zgoraj omenjenih analogij ima človeška mitohondrijska DNA nekatere strukturne posebnosti, ki jo močno razlikujejo od človeške jedrne DNK.
Najprej je krožna molekula, medtem ko je jedrna DNK linearna molekula.
Tako ima 16.569 parov dušikovih baz, jedrska DNK pa ima lepoto 3, 3 milijarde.
Vsebuje 37 genov, medtem ko jedrna DNA vsebuje med 20.000 in 25.000.
Ni organiziran v kromosomih, medtem ko je jedrna DNK razdeljena na kar 23 kromosomov in oblik, z nekaterimi specifičnimi beljakovinami, snovjo, imenovano kromatin.
Končno vključuje vrsto nukleotidov, ki sodelujejo v dveh genih hkrati, medtem ko jedrna DNK vsebuje gene, katerih nukleotidne sekvence so dobro definirane in ločene druga od druge.
poreklo
Mitohondrijska DNA je zelo verjetno bakterijskega izvora .
Na podlagi številnih neodvisnih študij molekularni biologi verjamejo, da je celična prisotnost mitohondrijske DNA posledica vključitve evkariontskih celic prednikov v neodvisne bakterijske organizme, ki so zelo podobni mitohondrijem.
To nenavadno odkritje je le delno osupnilo znanstveno skupnost, saj je DNA, prisotna v bakterijah, navadno filament krožnih nukleotidov, kot je mitohondrijska DNA.
Teorija, da bi imela mitohondriji in mitohondrijska DNA bakterijski izvor, se imenuje " endosimbiotična teorija ", iz besede " endosimbioza ". Na kratko, v biologiji izraz "endosimbioza" označuje sodelovanje med dvema organizmoma, ki vključuje vključitev enega znotraj drugega, da bi pridobili določeno prednost.
radovednost
Glede na zanesljive znanstvene študije bi se med evolucijo veliko bakterijskih genov, ki so prisotni na bodoči mitohondrijski DNA, spremenili v lokacijo in se preselili v jedrno DNK.
Z drugimi besedami, na začetku endosimbioze so nekateri geni, ki so zdaj prisotni na jedrski DNA, prebivali v DNA tistih bakterijskih organizmov, ki bi potem postali mitohondriji.
Teorija, da nekateri geni izvirajo iz mitohondrijske DNA, pri nekaterih vrstah in iz jedrne DNK, v drugih, potrjuje teorijo o premiku gena med mitohondrijsko DNA in jedrno DNA.
funkcija
Mitohondrijska DNA proizvaja encime (tj. Beljakovine), ki so potrebni za pravilno realizacijo občutljivega procesa oksidativne fosforilacije.
Navodila za sintezo teh encimov se nahajajo v 37 genih, ki sestavljajo genom mitohondrijske DNA.
KAJ GEN KODOV MITOKONDRIJSKE DNK: PODROBNOSTI
37 genov mitohondrijske DNA kodira za: proteine, tRNA in rRNA.
Natančneje:
- 13 za 13 beljakovin, odgovornih za izvajanje oksidativne fosforilacije
- 22 kodirajo 22 molekul tRNA
- 2 kodirajo 2 molekuli rRNA
Molekule tRNA in rRNA so temeljnega pomena za sintezo zgoraj navedenih 13 beljakovin, saj sestavljajo stroj, ki ureja njihovo proizvodnjo.
Z drugimi besedami, mitohondrijska DNK ima informacije za izdelavo določenega niza beljakovin in orodij, potrebnih za sintezo slednjih.
Kaj so RNA, tRNA in rRNA?
RNA ali ribonukleinska kislina je nukleinska kislina, ki igra temeljno vlogo pri tvorbi proteinov, začenši z DNA.
Na splošno je lahko enojna, RNA prisotna v različnih oblikah (ali vrstah), odvisno od specifične funkcije, na katero je poslanec.
TRNA in rRNA sta dve od teh možnih oblik.
TRNA se uporablja za dodajanje aminokislin med procesom ustvarjanja beljakovin. Aminokisline so molekularne enote, ki sestavljajo beljakovine.
RRNA tvori ribosome, tj celične strukture, na katerih temelji sinteza beljakovin.
Če želite izvedeti več o RNA in njenih funkcijah, lahko bralci kliknejo tukaj.
FUNKCIONALNI PODROBNOSTI DNK MITOKONDRIJE
S funkcionalnega vidika ima mitohondrijska DNA nekaj posebnosti, ki jo jasno ločujejo od jedrne DNK.
V nadaljevanju so navedene naslednje funkcije:
- Mitohondrijska DNA je pol-neodvisna v smislu, da potrebuje intervencijo nekaterih proteinov, sintetiziranih iz jedrne DNA.
Nasprotno je jedrska DNK popolnoma avtonomna in proizvaja vse, kar potrebuje za pravilno izvajanje svojih nalog.
- Mitohondrijska DNK ima genetsko kodo, ki je nekoliko drugačna od genetske DNA . To vodi v vrsto razlik v realizaciji beljakovin: če določena sekvenca nukleotidov v jedrni DNK vodi do nastanka določenega proteina, ista sekvenca v mitohondrijski DNA povzroči nastanek nekoliko drugačnega proteina.
- Mitohondrijska DNA ima zelo malo nekodirajočih nukleotidnih sekvenc, to je, da ne proizvajajo nobenega proteina, tRNA ali rRNA. V odstotkih je samo 3% mitohondrijske DNA nekodirajoče.
Nasprotno, jedrna DNA kodira samo 7%, zato vsebuje veliko število nekodirajočih nukleotidnih sekvenc (93%).
Tabela: povzetek razlik med človeško mitohondrijsko DNA in človeško jedro DNK. | |
Mitohondrijska DNA | Jedrska DNA |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
dedovanje
Dedovanje mitohondrijske DNA je strogo materinsko .
To pomeni, da ženska v nekaj starših prenese mitohondrijsko DNK na potomce (tj. Otroke).
Na popolnoma drugačen način od zgoraj navedenega, je dedovanje jedrne DNK polovica materine in polovice očetov. Z drugimi besedami, oba starša enako prispevata k prenosu jedrne DNA v potomcih.
Opomba: dedovanje mitohondrijske DNA pri materi vključuje tudi mitohondrijsko strukturo. Tako so mitohondriji, ki so prisotni pri posamezniku, na plesni.
Povezane patologije
Premisa: genetska mutacija je stalna sprememba v zaporedju nukleotidov, ki tvorijo gen jedrske ali mitohondrijske DNA.
Na splošno je prisotnost genetske mutacije povzročila spremembo ali izgubo normalne funkcije vključenega gena.
Prisotnost mutacij na ravni genov mitohondrijske DNA lahko opredeli širok spekter bolezni, vključno z:
- Leberjeva dedna optična nevropatija
- Kearns-Sayrejev sindrom
- Leighov sindrom
- Pomanjkanje citokrom C oksidaze
- Napredna zunanja oftalmoplegija
- Pearsonov sindrom
- Mitohondrijska encefalomiopatija z laktacidozo in epizodami, podobnimi kapi (sindrom MELAS)
- Sladkorna bolezen z materinim prenosom gluhost
- Mioklonična epilepsija z nepravilnimi rdečimi vlakni
Glede na patološka stanja, povezana z eno ali več mutacijami mitohondrijske DNA, je treba določiti dva vidika.
Prvič, resnost morbidnega stanja je odvisna od kvantitativnega odnosa med mutirano mitohondrijsko DNA in zdravo, normalno mitohondrijsko DNA. Če je število mutiranih mitohondrijskih DNA veliko višje kot pri zdravi DNK, bo stanje, ki iz tega izhaja, bolj resno.
Drugič, mutacije v mitohondrijski DNA vplivajo samo na nekatera tkiva v telesu, zlasti tista, ki zahtevajo velike količine ATP, ki izhajajo iz procesa oksidativne fosforilacije. To je povsem razumljivo: celice, ki najbolj potrebujejo funkcijo, ki jo običajno opravlja mitohondrijska DNA, so najbolj prizadete zaradi motnje v delovanju mitohondrijske DNA.
ZAVAROVALNA OPTIČNA NEUROPATIJA LEBERJA
Leberjeva dedna optična nevropatija nastane zaradi mutacije kar štirih mitohondrijskih genov DNA. Ti geni vsebujejo informacije, ki vodijo v sintezo tako imenovanega kompleksa I (ali NADH oksid-reduktaze), enega od različnih encimov, ki sodelujejo v procesu oksidativne fosforilacije.
Manifestacije patologije so progresivna degeneracija vidnega živca in postopna izguba vida.
SINDROM KEARNS-SAYRE
Kearns-Sayrejev sindrom se pojavi zaradi pomanjkanja diskretnega dela mitohondrijske DNA (opomba: pomanjkanje določene nukleotidne sekvence se imenuje izbris ).
Tisti, ki trpijo za Kearns-Sayrejevim sindromom, razvijejo oftalmoplegijo (tj. Popolno ali delno paralizo okulomotornih mišic), obliko retinopatije in nenormalnega srčnega ritma (atrioventrikularni blok).
SINDROM LEIGH
Leighov sindrom nastane kot posledica mutacij mitohondrijske DNA, ki lahko vključujejo protein ATP-sintazo (imenovan tudi kompleks V) in / ali nekatere tRNA.
Leighov sindrom je progresivna nevrološka bolezen, ki se pojavi v otroštvu in je odgovorna za: zaostanek v razvoju, šibkost mišic, periferno nevropatijo, motorične motnje, težave z dihanjem in oftalmoplegijo.
PRIMER ZA CIKROKROMOV C OKSIDAS
Pomanjkanje citokrom C oksidaze se pojavi zaradi mutacije vsaj 3 genov mitohondrijske DNA. Ti geni so bistveni za pravilno sintezo encima citokrom C oksidaze (ali kompleksa IV), ki je vključen v proces oksidativne fosforilacije.
Značilne manifestacije pomanjkanja citokrom C oksidaze so: disfunkcija skeletne mišice, motnje delovanja srca, motnje delovanja ledvic in motnje delovanja jeter.
PROGRESIVNA ZUNANJA OPTALMOFIJA
Pojavi se progresivna zunanja oftalmoplegija zaradi pomanjkanja znatnega števila nukleotidov mitohondrijske DNA (črtano).
S progresivnim značajem (kot lahko uganite iz imena) ta patologija povzroči paralizo okulomotornih mišic, s posledično ptozo in precejšnjimi vidnimi težavami.
SINDROM PEARSON
Pearsonov sindrom se pojavi po velikem izbrisu mitohondrijske DNA, podobno kot progresivna zunanja oftalmoplegija in Kearns-Sayrejev sindrom.
Tipične manifestacije Pearsonovega sindroma so: sideroblastična anemija, motnje delovanja trebušne slinavke (npr. Insulin-odvisna sladkorna bolezen), nevrološki primanjkljaji in mišične motnje.
Na splošno Pearsonov sindrom povzroči smrt prizadete osebe v mladosti. Dejstvo je, da tisti, ki jih ta patologija prizadene, le redko dosežejo odraslost.
SINDROM MELAS
Sindrom MELAS, znan tudi kot mitohondrijska encefalomiopatija z laktacidozo in epizodami, podobnimi kapi, nastane kot posledica 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 nastalimi simptomi), težav z dihanjem, izgubo nadzora nad črevesnimi funkcijami, ponavljajočo se utrujenostjo, težavami z ledvicami, srčnimi težavami, sladkorno boleznijo epilepsija in pomanjkanje koordinacije.
DRUGE PATOLOGIJE
Po več znanstvenih študijah bi celo bolezni, kot so sindrom cikličnega bruhanja, retinitis pigmentosa, ataksija, Parkinsonova bolezen in Alzheimerjeva bolezen, vključevale mitohondrijsko DNA in nekatere vključene mutacije.
