Općenitost
Mitohondrijska DNA ili mtDNA je deoksiribonukleinska kiselina koja se nalazi unutar mitohondrija, tj. Organela eukariotskih stanica odgovornih za vrlo važan stanični proces oksidativne fosforilacije.
Međutim, on također ima neke posebnosti, strukturne i funkcionalne, koje ga čine jedinstvenim u svojoj vrsti. Ove posebnosti uključuju: kružnost dvostrukog lanca nukleotida, sadržaj gena (koji ima samo 37 elemenata) i gotovo potpuno odsustvo nekodirajućih nukleotidnih sekvenci.
Mitohondrijska DNA obavlja temeljnu funkciju za opstanak stanica: proizvodi enzime potrebne za realizaciju oksidativne fosforilacije.
Što je mitohondrijska DNK?
Mitohondrijska DNA, ili mtDNA, je DNA koja se nalazi unutar mitohondrija.
Mitohondriji su oni veliki stanični organeli, tipični za eukariotske organizme, koji kemijsku energiju sadržanu u hrani pretvaraju u ATP, koji je oblik energije koji stanice mogu iskoristiti.
POZADINA O STRUKTURI I FUNKCIONIRANJU MITOHONDRONA
Cjevasti, nitasti ili zrnati oblik, mitohondriji se nalaze u citoplazmi, zauzimajući gotovo 25% volumena potonje.
Imaju dvije dvoslojne membrane fosfolipida, jednu vanjsku i jednu unutarnju.
Najudaljenija membrana, poznata kao vanjska mitohondrijska membrana, predstavlja obod svake mitohondrije i ima transportne proteine (porine i više), što je čini propusnom za molekule veličine jednake ili manje od 5.000 daltona.
Unutarnja membrana, poznata kao unutarnja mitohondrijska membrana, sadrži sve enzimske (ili enzimske) i koenzimske komponente, potrebne za sintezu ATP -a, te definira središnji prostor, nazvan matriks.
Za razliku od najudaljenije membrane, unutarnja mitohondrijska membrana ima brojne invaginacije - takozvane grebene - koje povećavaju njezinu ukupnu površinu.
Između dvije mitohondrijske membrane nalazi se prostor od gotovo 60-80 Angstrema (A). Taj se prostor naziva intermembranski prostor. Intermembranski prostor ima sastav vrlo sličan sastavu citoplazme.
Sinteza ATP -a, kojom upravljaju mitohondriji, vrlo je složen proces koji biolozi identificiraju s pojmom oksidativna fosforilacija.
TOČNO LOKACIJU MITOHONDRALNE DNK I KOLIČINE
Slika: ljudska mitohondrija.
Mitohondrijska DNA nalazi se u mitohondrijskom matriksu, tj. U prostoru omeđenom unutarnjom mitohondrijskom membranom.
Prema pouzdanim znanstvenim studijama, svaki mitohondrij može sadržavati od 2 do 12 kopija mitohondrijske DNA.
S obzirom na činjenicu da u ljudskom tijelu neke stanice mogu sadržavati nekoliko tisuća mitohondrija u sebi, ukupan broj kopija mitohondrijske DNA u jednoj ljudskoj stanici može doseći čak 20 000 jedinica.
Molim Zabilježite: 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 ih eritrociti (tj. Crvena krvna zrnca) potpuno nemaju.
Struktura
Opća struktura molekule mitohondrijske DNA nalikuje općoj strukturi nuklearne DNA, odnosno genetskom naslijeđu prisutnom u jezgri eukariotskih stanica.
Doista, analogno nuklearnoj DNK:
- Mitohondrijska DNA je biopolimer, koji se sastoji od dva duga lanca nukleotida. Nukleotidi su organske molekule nastale spajanjem triju elemenata: šećera s 5 atoma ugljika (u slučaju DNA, deoksiriboze), dušične baze i fosfatne skupine.
- Svaki nukleotid mitohondrijske DNA veže se za sljedeći nukleotid iste niti pomoću fosfodiesterske veze između ugljika 3 njegove deoksiriboze i fosfatne skupine neposredno slijedećeg nukleotida.
- Dva lanca mitohondrijske DNK imaju suprotne orijentacije, s tim da kraj jednog uzajamno djeluje s krajem drugog i obrnuto. Ovaj poseban raspored poznat je kao antiparalelni raspored (ili antiparalelna orijentacija).
- Dva lanca mitohondrijske DNA međusobno djeluju putem dušikovih baza.
Konkretno, svaka dušikova baza svake niti uspostavlja vodikove veze s jednom i samo jednom dušičnom bazom, prisutnom na drugoj niti.
Ova vrsta interakcije naziva se "uparivanje između dušikovih baza" ili "par dušičnih baza". - Dušične baze mitohondrijske DNA su adenin, timin, citozin i gvanin.
Uparivanje na kojem nastaju te dušikove baze nije slučajno, već je vrlo specifično: adenin stupa u interakciju samo s timinom, dok citozin u interakciji samo s gvaninom. - Mitohondrijska DNK je dom gena (ili genskih sekvenci). Geni su sekvence više ili manje dugih nukleotida, s dobro definiranim biološkim značajem. U većini slučajeva stvaraju bjelančevine.
STRUKTURNE POSEBNOSTI MITOHONDRALNE DNK
Osim gore navedenih analogija, ljudska mitohondrijska DNA ima neke strukturne posebnosti koje je znatno razlikuju od ljudske nuklearne DNA.
Prvo, to je kružna molekula, dok je nuklearna DNA linearna molekula.
Tako ima 16.569 parova dušičnih baza, dok nuklearna DNA ima ogromnih 3,3 milijarde.
Sadrži 37 gena, dok se čini da nuklearna DNK sadrži između 20.000 i 25.000.
Nije organizirana u kromosomima, dok je nuklearna DNA podijeljena na 23 kromosoma i tvori, s nekim specifičnim proteinima, tvar koja se naziva kromatin.
Konačno, uključuje niz nukleotida koji sudjeluju u dva gena istovremeno, dok nuklearna DNA ima gene čiji su nukleotidni nizovi dobro definirani i međusobno se razlikuju.
Podrijetlo
Mitohondrijska DNA najvjerojatnije ima "bakterijsko" podrijetlo.
Zapravo, na temelju brojnih neovisnih studija, molekularni biolozi vjeruju da je stanična prisutnost mitohondrijske DNA rezultat inkorporacije eukariotskih stanica predaka u neovisne bakterijske organizme, vrlo slične mitohondrijima.
Ovo je znatiželjno otkriće samo djelomično zadivilo znanstvenu zajednicu jer je DNK prisutna u bakterijama općenito kružna nukleotidna nit, poput mitohondrijske DNA.
Teorija prema kojoj mitohondriji i mitohondrijska DNA imaju "bakterijsko podrijetlo" uzima naziv "endosimbiotska teorija", od riječi "endosimbioza". Ukratko, u biologiji izraz "endosimbioza" označava suradnju između dva organizma, što uključuje "uključivanje jednoga u drugo, kako bi se stekla određena prednost.
Znatiželja
Prema pouzdanim znanstvenim studijama, tijekom evolucije mnogi bakterijski geni, prisutni na budućoj mitohondrijskoj DNA, promijenili bi mjesto, prešavši u nuklearnu DNA.
Drugim riječima, na početku endosimbioze, neki geni sada prisutni na nuklearnoj DNA stanovali su u DNK tih bakterijskih organizama, koji će kasnije postati mitohondriji.
U prilog teoriji koja se odnosi na pomak gena između mitohondrijske DNA i nuklearne DNA, primjećuje se opažanje da određeni geni potječu iz mitohondrijske DNA, u nekim vrstama, i iz nuklearne DNA, u drugima.
Funkcija
Mitohondrijska DNA proizvodi enzime (tj. Proteine), potrebne za ispravnu provedbu osjetljivog procesa oksidativne fosforilacije.
Upute za sintezu ovih enzima nalaze se u 37 gena koji čine genom mitohondrijske DNA.
KOJI KOD MITOHONDRALNIH GENOVA DNK: DETALJI
37 gena mitohondrijskog DNK koda za: proteine, tRNA i rRNA.
Posebno:
- 13 kodira 13 proteina odgovornih za provođenje oksidativne fosforilacije
- 22 kod za 22 molekule tRNA
- 2 kodiraju 2 molekule rRNA
Molekule tRNA i rRNA temeljne su za sintezu spomenutih 13 proteina, jer čine strojeve koji reguliraju njihovu proizvodnju.
Drugim riječima, mitohondrijska DNA posjeduje informacije za proizvodnju određenog skupa proteina i alata potrebnih za njihovu sintezu.
Što su RNA, tRNA i rRNA?
RNA ili ribonukleinska kiselina je nukleinska kiselina koja igra temeljnu ulogu u stvaranju proteina, počevši od DNK.
Općenito jednolančani, ANN može postojati u različitim oblicima (ili tipovima), ovisno o specifičnoj funkciji na koju je delegiran.
TRNA i rRNA dva su od ovih mogućih oblika.
TRNA se koristi za dodavanje aminokiselina tijekom procesa stvaranja bjelančevina. Aminokiseline su molekularne jedinice koje čine proteine.
RRNA tvori ribosome, odnosno stanične strukture u kojima se odvija sinteza proteina.
Čitatelji mogu detaljno upoznati ANN i njegove funkcije klikom ovdje.
FUNKCIONALNI PODACI MITOHONDRALNE DNK
S funkcionalnog gledišta, mitohondrijska DNA ima neke osebujne karakteristike koje je jasno razlikuju od nuklearne DNA.
Evo što se sastoje od ovih posebnih karakteristika:
- Mitohondrijska DNK je polu neovisna, u smislu da joj je potrebna intervencija nekih proteina sintetiziranih iz nuklearne DNA.
S druge strane, nuklearna DNA potpuno je autonomna i sama proizvodi sve što joj je potrebno za pravilno izvršavanje zadataka. - Mitohondrijska DNA ima nešto drugačiji genetski kod od nuklearne DNA. To dovodi do brojnih razlika u stvaranju proteina: ako određeni slijed nukleotida u nuklearnoj DNA dovodi do stvaranja određenog proteina, isti slijed u mitohondrijskoj DNA dovodi do stvaranja nešto drugačijeg proteina.
- Mitohondrijska DNA ima vrlo malo nekodirajućih nukleotidnih sekvenci, odnosno ne proizvodi nikakve proteine, tRNA ili rRNA. U postotcima, samo 3% mitohondrijske DNA je nekodirano.
S druge strane, nuklearna DNA kodira samo 7%, pa sadrži mnogo nekodirajućih nukleotidnih sekvenci (čak 93%).
Tablica: sažetak razlika između ljudske mitohondrijske DNA i ljudske nuklearne DNA.
Mitohondrijska DNK
Nuklearna DNA
- Kružnog je oblika
- Linearna je
- Ima ukupno 16.569 parova dušičnih baza
- Ima ukupno 3,3 milijarde dušikovih parova baza
- Sadrži ukupno 37 gena
- Sadrži između 20.000 i 25.000 gena
- Za pravilno funkcioniranje potrebna mu je podrška nekih genskih proizvoda koji proizlaze iz nuklearne DNA
- Autonomna je i sama proizvodi sve što je potrebno za pravilno obavljanje svojih funkcija
- Može biti prisutan u nekoliko kopija unutar svakog pojedinog mitohondrija
- Jedinstven je, odnosno nalazi se samo u jednoj kopiji i nalazi se u jezgri
- Kodira 97% nukleotidne sekvence koja ga čini
- Samo 7% nukleotidne sekvence koja ga čini kodira
- Nije organiziran u kromosome
- Podijeljen je na 23 kromosoma
- Koristi genetski kod koji se malo razlikuje od, da tako kažem, "tradicionalnog"
- Koristite "tradicionalni" genetski kod
- Njegovo je nasljedstvo majčinsko
- Njegovo nasljeđe je pola majčinsko, a pola očinsko
- Neki od njegovih nukleotida sudjeluju u dva gena istovremeno
- Sljedovi nukleotida koji čine gene međusobno se dobro razlikuju
Nasljeđivanje
Nasljeđivanje mitohondrijske DNA strogo je majčino.
To znači da je u par roditelja žena koja prenosi mitohondrijsku DNK na potomstvo (tj. Na djecu).
Na potpuno suprotan način od navedenog, nasljeđivanje nuklearne DNK je pola majčinsko, a pola očinsko. Drugim riječima, oba roditelja podjednako doprinose prijenosu nuklearne DNK u potomstvu.
Molim Zabilježite: majčinsko nasljeđivanje mitohondrijske DNA također uključuje mitohondrijsku strukturu. Dakle, mitohondriji prisutni u pojedinca su majčinski.
Povezane patologije
Prostor: Genetska mutacija je trajna promjena u slijedu nukleotida, koji čine nuklearni ili mitohondrijski gen DNA.
Tipično, prisutnost genetske mutacije rezultira "promjenom ili gubitkom normalne funkcije uključenog gena.
Prisutnost mutacija u genima mitohondrijske DNA može dovesti do širokog spektra bolesti, uključujući:
- Leberova nasljedna optička neuropatija
- Kearns-Sayreov sindrom
- Leigh -ov sindrom
- Nedostatak citokrom C oksidaze
- Progresivna vanjska oftalmoplegija
- Pearsonov sindrom
- Mitohondrijska encefalomiopatija s laktatnom acidozom i epizodama sličnim moždanom udaru (MELAS sindrom)
- Dijabetes s gluhoćom koja se prenosi s majke
- Mioklonska epilepsija s nepravilnim crvenim vlaknima
S obzirom na patološka stanja povezana s jednom ili više mutacija mitohondrijske DNA, potrebno je pojasniti dva aspekta.
Prvo, težina bolesti ovisi o kvantitativnom odnosu između mutiranih mitohondrijskih DNA i zdravih, normalnih mitohondrijskih DNA. Ako je broj mutiranih mitohondrijskih DNA znatno veći od broja zdravih DNK, rezultirajuće stanje bit će teže.
Drugo, mutacije u mitohondrijskoj DNA utječu samo na neka tkiva u organizmu, osobito na ona koja zahtijevaju velike količine ATP -a nastale oksidativnim procesom fosforilacije. To je sasvim razumljivo: patiti više od jednog kvara mitohondrijske DNA su stanice koje su najpotrebnije funkciju koju mitohondrijska DNA normalno ispunjava.
LEBEROVA NASLJEDNA OPTIČKA NEUROPATIJA
Leberova nasljedna optička neuropatija nastaje kao posljedica mutacije čak četiri gena mitohondrijske DNA. Ti geni sadrže informacije koje vode do sinteze takozvanog kompleksa I (ili NADH oksid-reduktaze), jednog od različitih enzima uključenih u proces oksidativne fosforilacije.
Manifestacije patologije sastoje se u progresivnoj degeneraciji vidnog živca i postupnom gubitku vida.
KEARNS-SAYRE SINDROM
Kearns-Sayreov sindrom pojavljuje se zbog nedostatka prilične količine mitohondrijske DNA (N.B .: nedostatak određene nukleotidne sekvence naziva se delecija).
Osobe s Kearns-Sayreovim sindromom razvijaju oftalmoplegiju (potpunu ili djelomičnu paralizu okulomotornih mišića), oblik retinopatije i abnormalnosti srčanog ritma (atrioventrikularni blok).
LEIGHOV SINDROM
Leigh-ov sindrom nastaje kao rezultat mutacija mitohondrijske DNA, koje mogu utjecati na protein ATP-sintaze (koji se naziva i V-kompleks) i / ili neke tRNA.
Leigh -ov sindrom je progresivna neurološka bolest, koja se javlja u dojenačkoj dobi ili djetinjstvu i odgovorna je za: zaostajanje u razvoju, slabost mišića, perifernu neuropatiju, motoričke smetnje, poteškoće s disanjem i oftalmoplegiju.
NEDOSTATAK CITOKROM C OKSIDAZE
Nedostatak citokrom C oksidaze nastaje zbog mutacije najmanje 3 gena mitohondrijske DNA. Ti su geni bitni 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, bubrežne disfunkcije i disfunkcije jetre.
PROGRESIVNA VANJSKA OFTALMOPLEGIJA
Progresivna vanjska oftalmoplegija proizlazi iz nedostatka značajnog broja nukleotida mitohondrijske DNA (brisanje)
S progresivnim karakterom (kao što se može naslutiti iz naziva), ova patologija uzrokuje paralizu okulomotornih mišića, s posljedičnom ptozom i značajnim vidnim problemima.
PEARSONOV SINDROM
Pearsonov sindrom pojavljuje se nakon upadljivog brisanja mitohondrijske DNA, na sličan način kao progresivna vanjska oftalmoplegija i Kearns-Sayreov sindrom.
Tipične manifestacije Pearsonovog sindroma sastoje se od: sideroblastične anemije, disfunkcije gušterače (npr. Dijabetes ovisan o inzulinu), neuroloških deficita i poremećaja mišića.
Pearsonov sindrom obično uzrokuje smrt oboljele osobe u mladosti. Zapravo, oni pogođeni ovom patologijom rijetko dostižu odraslu dob.
SINDROM MELAS
MELAS sindrom, također poznat kao mitohondrijska encefalomiopatija s laktatnom acidozom i epizodama sličnim moždanom udaru, proizlazi iz mutacije najmanje 5 gena mitohondrijske DNA.
Ovi geni doprinose sintezi NADH oksid-reduktaze, ili kompleksa I, i nekih tRNA.
MELAS sindrom uključuje prisutnost neuroloških poremećaja, mišićnih poremećaja, neuobičajeno nakupljanje mliječne kiseline u tkivima (sa svim popratnim simptomima), probleme s disanjem, gubitak kontrole rada crijeva, ponavljajući umor, probleme s bubrezima, probleme sa srcem, dijabetes, epilepsiju i nedostatak koordinacije.
OSTALE PATOLOGIJE
Prema različitim znanstvenim istraživanjima, bolesti poput sindroma cikličnog povraćanja, pigmentoznog retinitisa, ataksije, Parkinsonove bolesti i Alzheimerove bolesti, također bi vidjele upletenost mitohondrijske DNA i neke od njezinih mutacija.
