Mitokondriaalne DNA

üldsõnalisus

Mitokondriaalne DNA või mtDNA on deoksiribonukleiinhape, mis asub mitokondrites, st eukarüootsete rakkude organellid, mis vastutavad oksüdatiivse fosforüülimise väga olulise rakulise protsessi eest.

Mitokondriaalsel DNA-l on mingi sarnasus tuuma DNA-ga, nagu nukleotiidide kahekordne ahel, kompositsioon lämmastiku alusena, geenide olemasolu jne.

Siiski on sellel ka teatud struktuurilised ja funktsionaalsed iseärasused, mis muudavad selle ainulaadseks. Nende tunnuste hulka kuuluvad: nukleotiidide topeltahela ringlus, geenide sisaldus (mis on ainult 37 elementi) ja mittekodeerivate nukleotiidjärjestuste peaaegu täielik puudumine.

Mitokondriaalne DNA mängib rakkude ellujäämises olulist rolli: see toodab oksüdatiivse fosforüülimise realiseerimiseks vajalikke ensüüme.

Mis on mitokondriaalne DNA?

Mitokondriaalne DNA või mtDNA on mitokondrite sees paiknev DNA.

Mitokondrid on need suured rakulised organellid, mis on tüüpilised eukarüootsetele organismidele, mis muundavad toiduaines sisalduva keemilise energia ATP- ks, mis on rakkude poolt kasutatav energia.

MEENUTAB MITOCHONDERSIDE STRUKTUURI JA TEGEVUSE KOHTA

Tubulaarsest, filamentsest või graanulitest moodustavad mitokondrid tsütoplasmas, mis on peaaegu 25% viimase mahust.

Neil on kaks fosfolipiidi kahekihilist membraani, veel üks välimine ja veel üks sisemine.

Äärepoolseim membraan, tuntud kui välimine mitokondriaalmembraan, esindab iga mitokondri perimeetrit ja sellel on transpordiproteiinid (mitte ainult poriin), mis muudab selle läbilaskvaks 5000 daltoniga või alla selle.

Kõige sisemine membraan, tuntud kui sisemine mitokondriaalne membraan, sisaldab kõiki ATP sünteesiks vajalikke ensümaatilisi komponente (või ensüüme) ja koensüümi komponente ning piirab keskruumi, mida nimetatakse maatriksiks .

Erinevalt äärepoolsemast membraanist on sisemisel mitokondriaalmembraanil arvukalt invaginatsioone - nn crests -, mis suurendavad selle kogupindala.

Kahe mitokondriaalse membraani vahel on ruumi peaaegu 60-80 Angström (A). Seda ruumi nimetatakse intermembraanide ruumiks . Intermembraaniruumi koostis on väga sarnane tsütoplasma omaga.

Mitokondrite poolt juhitav ATP süntees on väga keeruline protsess, mida bioloogid identifitseerivad terminiga oksüdatiivne fosforüülimine .

TÄIELIK MITOCHONDRIAL DNA ASUKOHT JA KOGUS

Joonis: inimese mitokondrid.

Mitokondriaalne DNA asub mitokondrite maatriksis, st sisemise mitokondriaalse membraani poolt piiritletud ruumis.

Usaldusväärsete teaduslike uuringute põhjal võivad kõik mitokondrid sisaldada 2-12 koopiat mitokondriaalsest DNA-st.

Arvestades asjaolu, et mõnedes rakkudes võib inimkehas sisalduda mitu tuhat mitokondrit, võib mitokondriaalse DNA koopiate koguarv ühe inimese rakus isegi ulatuda 20 000 ühikuni.

Märkus: mitokondrite arv inimese rakkudes sõltub rakutüübist. Näiteks võivad hepatotsüüdid (nt maksarakud) sisaldada 1000 kuni 2 000 mitokondrit, samas kui erütrotsüüdid (st punased vererakud) on nendest täiesti ilma.

struktuur

Mitokondriaalse DNA molekuli üldine struktuur sarnaneb tuuma DNA üldstruktuurile, st eukarüootsete rakkude tuumas olevale geneetilisele pärandile.

Tegelikult sarnaselt tuuma DNA-le:

  • Mitokondriaalne DNA on biopolümeer, mis koosneb kahest pikast nukleotiidide ahelast. Nukleotiidid on orgaanilised molekulid, mis tulenevad kolme elemendi liitumisest: 5 süsinikuaatomiga suhkrut (DNA, deoksüriboosi ), lämmastiku aluse ja fosfaatrühma kohta .
  • Iga mitokondriaalse DNA nukleotiid seondub sama filamenti järgmise nukleotiidiga fosfodiestri sideme abil selle deoksüriboosi süsiniku 3 ja vahetult järgneva nukleotiidfosfaadi rühma vahel.
  • Mitokondriaalse DNA kahel ahelal on vastassuunaline orientatsioon, mille pea on teise otsa ja vastupidi. See konkreetne paigutus on tuntud kui antiparalleelne paigutus (või paralleelne orientatsioon ).
  • Mitokondriaalse DNA kaks filamenti mõjutavad üksteisega lämmastiku aluste kaudu .

    Täpsemalt, iga kiu iga lämmastiku alus loob vesiniksidemed ühe ja ainult ühe lämmastiku alusega, mis on teises kihis.

    Seda tüüpi koostoimet nimetatakse "sidumiseks lämmastiku aluste vahel" või "lämmastiku aluste paari".

  • Mitokondriaalse DNA lämmastiku alused on adeniin, tümiin, tsütosiin ja guaniin .

    Paaristamine, millele need lämmastiku alused tekivad, ei ole juhuslik, kuid väga spetsiifiline: adeniin toimib ainult tümiiniga, samas kui tsütosiin ainult guaniiniga.

  • Mitokondriaalne DNA on koduks geenidele (või geenijärjestustele). Geenid on enam-vähem pikkade nukleotiidide järjestused, millel on hästi määratletud bioloogiline tähendus. Enamikul juhtudel põhjustavad nad valke.

MITOCHONDRIAL DNA STRUKTUURILISED ANDMED

Lisaks ülalmainitud analoogidele on inimese mitokondriaalsel DNA-l mõned struktuurilised iseärasused, mis eristavad seda oluliselt inimese tuuma DNA-st.

Esiteks on tegemist ringikujulise molekuliga, samas kui tuuma DNA on lineaarne molekul.

Seega on sellel 16699 paari lämmastiku aluseid, samas kui tuuma-DNA omab 3, 3 miljardit ilu.

See sisaldab 37 geeni, samas kui tuuma DNA näib olevat vahemikus 20 000 kuni 25 000.

See ei ole korraldatud kromosoomides, samas kui tuuma DNA jaguneb 23 kromosoomseks ja moodustab mõne spetsiifilise valguga kromatiini.

Lõpuks sisaldab see mitmeid nukleotiide, mis osalevad samaaegselt kahes geenis, samas kui tuuma DNA-l on geenid, mille nukleotiidjärjestused on hästi määratletud ja üksteisest erinevad.

päritolu

Mitokondriaalsel DNA-l on väga tõenäoline bakteriaalne päritolu .

Tõepoolest, arvukate sõltumatute uuringute põhjal usuvad molekulaarbioloogid, et mitokondriaalse DNA rakkude esinemine on tingitud iseseisvate bakteriaalsete organismide liitumisest esivanemate eukarüootsete rakkude poolt, mis on väga sarnased mitokondritele.

See uudishimulik avastus on teadlaskonda ainult osaliselt üllatunud, kuna bakterites olev DNA on üldiselt ringikujuliste nukleotiidide, näiteks mitokondriaalse DNA filament.

Teoreetiliselt, et mitokondritel ja mitokondriaalsel DNA-l oleks bakteriaalne päritolu, nimetatakse sõna " endosümbioos " " endosümbiotiliseks teooriaks ". Lühidalt öeldes tähistab bioloogia termin "endosümbioos" kahe organismi vahelist koostööd, mis hõlmab ühe teise ühendamist, et saada teatud eelis.

uudishimu

Usaldusväärsete teaduslike uuringute kohaselt oleks evolutsiooni käigus paljud bakteriaalsed geenid, mis esinevad tulevases mitokondriaalses DNA-s, muutnud asukohta, liikudes tuuma-DNA-sse.

Teisisõnu, endosümbioosi alguses elasid mõned tuuma DNA juures olevad geenid nende bakteriaalsete organismide DNA-s, mis muutuksid mitokondriteks.

Teooria, et teatud geenid pärinevad mitokondriaalsest DNA-st, mõnes liigi ja tuuma DNA-st, kinnitavad teoreetiliselt mitokondriaalse DNA ja tuuma DNA vahelise geeni nihke teooriat.

funktsioon

Mitokondriaalne DNA toodab ensüüme (st valke), mis on vajalikud oksüdatiivse fosforüülimise õrna protsessi korrektseks realiseerimiseks.

Nende ensüümide sünteesi juhised paiknevad 37 geenis, mis moodustavad mitokondriaalse DNA genoomi.

MIS MITOCHONDRIAL DNA KODADE KOODID: DETAILID

Mitokondriaalse DNA 37 geeni kodeerivad: valgud, tRNA ja rRNA.

Täpsemalt:

  • 13 tähistab 13 valku, mis vastutavad oksüdatiivse fosforüülimise eest
  • 22 kodeerivad 22 tRNA molekuli
  • 2 kodeerivad 2 rRNA molekuli

TRNA ja rRNA molekulid on ülaltoodud 13 valgu sünteesi jaoks olulised, kuna nad moodustavad nende tootmist reguleeriva masina.

Teisisõnu, mitokondriaalsel DNA-l on teave teatud valkude kogumi ja viimaste sünteesiks vajalike tööriistade tootmiseks.

Mis on RNA, tRNA ja rRNA?

RNA või ribonukleiinhape on nukleiinhape, mis mängib olulist rolli valkude loomisel alates DNA-st.

Üldiselt võib ühe ahelaga RNA eksisteerida erinevates vormides (või tüüpides), sõltuvalt konkreetsest funktsioonist, millele ta on asetäitja.

TRNA ja rRNA on kaks neist võimalikest vormidest.

TRNA-d kasutatakse aminohapete lisamiseks valkude loomisel. Aminohapped on molekulid, mis moodustavad valke.

RRNA moodustab ribosoomid, st rakulised struktuurid, milles valgu süntees põhineb.

RNA ja selle funktsioonide kohta lisateabe saamiseks saavad lugejad siia klõpsata.

MITOCHONDRIAL DNA FUNKTSIONAALSED ANDMED

Funktsionaalsest vaatepunktist on mitokondriaalsel DNA-l mõned iseärasused, mis eristavad seda selgelt tuuma DNA-st.

Siin on need, mida need konkreetsed funktsioonid sisaldavad:

  • Mitokondriaalne DNA on pool-iseseisev selles mõttes, et see vajab teatud tuuma DNA-st sünteesitud valkude sekkumist.

    Seevastu on tuuma DNA täiesti autonoomne ja toodab kõike, mida ta vajab oma ülesannete nõuetekohaseks täitmiseks.

  • Mitokondriaalsel DNA-l on geneetiline kood, mis erineb veidi tuuma DNA omast . See toob kaasa rea ​​erinevusi valkude realiseerimisel: kui teatud nukleotiidide järjestus tuuma DNA-s viib teatud valgu loomiseni, siis sama järjestus mitokondriaalses DNA-s viib veidi erineva valgu moodustumiseni.
  • Mitokondriaalsel DNA-l on väga vähe mittekodeerivaid nukleotiidjärjestusi, see tähendab, et nad ei tooda ühtegi valku, tRNA-d või rRNA-d. Protsentides on ainult 3% mitokondriaalsest DNA-st kodeerimata.

    Seevastu kodeerib tuuma DNA ainult 7%, nii et see sisaldab suurt hulka mittekodeerivaid nukleotiidjärjestusi (93%).

Tabel: inimese mitokondriaalse DNA ja inimese tuuma DNA erinevuste kokkuvõte.

Mitokondriaalne DNA

Tuuma DNA

  • See on ümmargune
  • See on lineaarne
  • Sellel on kokku 16 569 paari lämmastiku aluseid
  • Kokku on see 3, 3 miljardit paari lämmastiku baase
  • See sisaldab kokku 37 geeni
  • See sisaldab 20 000 kuni 25 000 geeni
  • Nõuetekohaselt toimimiseks vajab see teatud geeniproduktide tuge, mis tulenevad tuuma DNA-st
  • See on autonoomne ja toodab kõike, mida ta vajab oma ülesannete nõuetekohaseks täitmiseks
  • Igas mitokondris võib see esineda mitmes eksemplaris
  • See on ainulaadne, see on ainult ühes eksemplaris ja elab tuumas
  • 97% nukleotiidjärjestusest, millest see koosneb, kodeerib
  • Ainult 7% nukleotiidide järjestusest, mis seda moodustavad, kodeerib
  • Seda ei korraldata kromosoomides
  • See on jagatud 23 kromosoomiks
  • Kasutage geneetilist koodi, mis erineb veidi "traditsioonilisest"
  • Kasutage "traditsioonilist" geneetilist koodi
  • Tema pärand on ema
  • Tema pärand on poolel emal ja poolel isal
  • Mõned selle nukleotiidid osalevad samaaegselt kahes geenis
  • Geene moodustavad nukleotiidjärjestused on üksteisest hästi eristatud

pärimine

Mitokondriaalse DNA pärimine on rangelt ema .

See tähendab, et paaril vanematel on naine, kes edastab mitokondriaalse DNA järglastele (st lastele).

Ülalnimetatust täiesti vastupidisel viisil on tuuma DNA pärand pooleks emaks ja pooleks isaks. Teisisõnu, mõlemad vanemad panustavad võrdselt tuuma DNA ülekandmisse järglastesse.

Märkus: mitokondriaalse DNA ema pärand hõlmab ka mitokondriaalset struktuuri. Seega on indiviidil olevad mitokondrid emalehel.

Seotud patoloogiad

Ettevalmistus: geneetiline mutatsioon on püsiv muutus nukleotiidide järjestuses, mis moodustavad tuuma- või mitokondriaalse DNA geeni.

Üldiselt põhjustab geneetilise mutatsiooni esinemine kaasneva geeni normaalse funktsiooni muutumist või kadumist.

Mutatsioonide esinemine mitokondriaalsete DNA geenide tasemel võib määrata laia haiguste valikut, sealhulgas:

  • Leberi pärilik optiline neuropaatia
  • Kearns-Sayre sündroom
  • Leighi sündroom
  • Tsütokroom C oksüdaasi puudulikkus
  • Progressiivne välimine ophthalmoplegia
  • Pearsoni sündroom
  • Mitokondriaalne entsefalomüopaatia laktatsidoosi ja insuldi-sarnaste episoodidega (MELAS'i sündroom)
  • Diabeet, kus on emade ülekande kurtus
  • Müokloonne epilepsia koos ebaregulaarsete punaste kiududega

Mis puutub patoloogilistesse seisunditesse, mis on seotud ühe või mitme mitokondriaalse DNA mutatsiooniga, tuleb määratleda kaks aspekti.

Esiteks sõltub haigestunud seisundi raskusaste muteerunud mitokondriaalse DNA ja terve, normaalse mitokondriaalse DNA vahel. Kui muteerunud mitokondriaalse DNA arv on palju kõrgem kui tervetel DNA-del, on tulemuseks olev seisund tugevam.

Teiseks mõjutavad mitokondriaalse DNA mutatsioonid ainult teatavaid organismi kudesid, eriti neid, mis vajavad oksüdatiivse fosforüülimise protsessist tulenevat suurt ATP kogust. See on üsna mõistetav: rakud, millel on kõige suurem vajadus funktsiooni järele, millele mitokondriaalne DNA tavaliselt toimib, on kõige enam häiritud mitokondriaalse DNA toimimisest.

LEBERI HERITITAARNE OPTILINE NEUROPATIA

Leberi pärilik optiline neuropaatia tekib nelja mitokondriaalse DNA geeni mutatsiooni tõttu. Need geenid sisaldavad informatsiooni, mis viib nn kompleks I (või NADH-oksiid-reduktaasi), mis on üks oksüdatiivse fosforüülimise protsessis osalevatest ensüümidest, sünteesi.

Patoloogia ilmingud seisnevad nägemisnärvi progresseeruvas degeneratsioonis ja nägemise järkjärgulises vähenemises.

KEARNS-SAYRE SYNDROME

Kearns-Sayre sündroom ilmneb mitokondriaalse DNA diskreetse osa puudumise tõttu (NB: teatud nukleotiidjärjestuse puudumist nimetatakse deletsiooniks ).

Kearns-Sayre'i sündroomi all kannatavad ophthalmoplegia (st okulomotoorse lihase täielik või osaline halvatus), retinopaatia vorm ja ebanormaalne südamerütm (atrioventrikulaarne blokk).

LEIGH SYNDROME

Leighi sündroom tekib mitokondriaalsete DNA mutatsioonide tulemusena, mis võivad hõlmata ATP-süntaasi valku (mida nimetatakse ka V-kompleksiks) ja / või mõningaid tRNA-sid.

Leighi sündroom on progresseeruv neuroloogiline haigus, mis ilmneb lapsepõlves või lapsepõlves ja on vastutav: arengu hilinemise, lihasnõrkuse, perifeerse neuropaatia, liikumishäirete, hingamisraskuste ja oftalmoplaatia eest.

CYTOKROME C OSIIDAASI MÄÄRAMINE

Tsütokroom C oksüdaasi puudulikkus tuleneb vähemalt 3 mitokondriaalse DNA geeni mutatsioonist. Need geenid on oksüdatiivse fosforüülimise protsessis osaleva tsütokroom C oksüdaasi (või kompleksi IV) ensüümi õige sünteesi jaoks olulised.

Tsütokroom C oksüdaasi puudulikkuse tüüpilised ilmingud on: skeletilihaste düsfunktsioon, südamepuudulikkus, neerufunktsiooni häire ja maksatalitlus.

PROGRESSIIVNE VÄLISPÄEVA

Progressiivset välist oftalmoplegiat esineb märkimisväärse arvu mitokondriaalsete DNA nukleotiidide puudumise tõttu (välja jäetud)

Progressiivse iseloomuga (nagu võite nimest välja arvata) põhjustab see patoloogia okulomotoorse lihase halvatusele, mille tagajärjeks on ptoos ja märkimisväärsed visuaalsed probleemid.

PEARSON SYNDROME

Pearson'i sündroom ilmneb pärast mitokondriaalse DNA suurt deletsiooni, mis sarnaneb progresseeruva välise ophthalmoplegia ja Kearns-Sayre sündroomiga.

Pearsoni sündroomi tüüpilised ilmingud on: sideroblastne aneemia, pankrease düsfunktsioonid (nt insuliinist sõltuv diabeet), neuroloogilised puudused ja lihashäired.

Üldiselt põhjustab Pearsoni sündroom noorukil surma. Tegelikult saavutavad selle patoloogiaga seotud isikud harva täiskasvanuea.

MELAS SYNDROME

MELASi sündroom, tuntud ka kui mitokondriaalse entsefalomüopaatia laktatsidoosi ja insuldi sarnaste episoodidega, toimub vähemalt 5 mitokondriaalse DNA geeni mutatsiooni tulemusena.

Need geenid aitavad kaasa NADH-oksiid-reduktaasi või I kompleksi ja mõnede tRNA-de sünteesile.

MELAS'i sündroom hõlmab neuroloogiliste häirete, lihashäirete, piimhappe ebatavalise kuhjumise (kõikidest sümptomitest), hingamisprobleemide, soole funktsioonide kontrolli kadumise, korduva väsimuse, neeruprobleemide, südameprobleemide, diabeedi kadumise. epilepsia ja koordineerimise puudumine.

MUUD PATHOLOOGIA

Mitmete teaduslike uuringute kohaselt võivad isegi haigused nagu tsükliline oksendamise sündroom, pigmentoos, ataksia, Parkinsoni tõbi ja Alzheimeri tõbi sisaldada mitokondriaalset DNA-d ja mõningaid kaasnevaid mutatsioone.

Soovitatav

Krooniline kõhulahtisus: diagnoosimine, ravi, toitumine
2019
Fütosteroolid: kõrvaltoimed ja terviseriskid
2019
I.Randi kirbud
2019