generalitet
Mitokondrielt DNA eller mtDNA er den deoxyribonukleinsyre, der befinder sig inden for mitokondrier, dvs. organellerne af eukaryote celler, som er ansvarlige for den meget vigtige cellulære proces af oxidativ phosphorylering.
Det har dog også nogle egenskaber, både strukturelle og funktionelle, hvilket gør det unikt i sin art. Disse egenskaber omfatter: cirkulæriteten af nukleotidernes dobbelstreng, indholdet af gener (som kun er 37 elementer) og den næsten totale fravær af ikke-kodende nukleotidsekvenser.
Mitokondrielt DNA spiller en fundamental rolle i celleoverlevelse: den producerer de enzymer, der er nødvendige for at realisere oxidativ phosphorylering.
Hvad er mitokondrie DNA?
Mitokondrisk DNA, eller mtDNA, er DNA'et placeret inde i mitokondrier .
Mitokondrier er de store cellulære organeller, der er typiske for eukaryote organismer, som omdanner den kemiske energi indeholdt i fødevarer til ATP, som er en form for energi, der kan anvendes af celler.
MINDER OM STRUKTUR OG FUNKTION AF MITOCHONDERS
Af rørformet, trådformet eller granulær form befinder mitokondrier sig i cytoplasmaet og optager næsten 25% af volumenet af sidstnævnte.
De har to phospholipid dobbeltlagsmembraner, en ekstern og en intern.
Den yderste membran, kendt som den ydre mitokondriale membran, repræsenterer perimeteret af hver mitokondri og har transportproteiner (porine og ikke kun), som gør det gennemtrængeligt for molekyler af størrelse lig med eller mindre end 5.000 dalton.
Den inderste membran, kendt som den indre mitokondriale membran, indeholder alle enzymatiske komponenter (eller enzymer) og coenzymkomponenter, der er nødvendige for ATP-syntese, og afgrænser et centralt rum kaldet en matrix .
I modsætning til den yderste membran har den indre mitokondrie membran mange invaginationer - de såkaldte kamme - der øger dets samlede areal.
Mellem de to mitokondrie membraner er der et rum på næsten 60-80 Ångstrøm (A). Dette rum kaldes intermembrane rum . Intermembranrummet har en sammensætning, der ligner meget af cytoplasmaet.
Syntesen af ATP, der drives af mitokondrier, er en meget kompleks proces, som biologer identificerer med udtrykket oxidativ phosphorylering .
NØJLIG MITOCHONDRIAL DNA LOCATION AND QUANTITY
Figur: En human mitokondrier.
Mitokondrielt DNA befinder sig i mitokondriermatricen, dvs. i rummet afgrænset af den indre mitokondriale membran.
Baseret på pålidelige videnskabelige undersøgelser kan hver mitokondri indeholde fra 2 til 12 kopier af mitokondrialt DNA.
I betragtning af det faktum, at nogle celler i kroppen kan indeholde flere tusinde mitokondrier i sig, kan det samlede antal mitokondrie-DNA-kopier i en enkelt menneskelig celle endda nå 20.000 enheder.
Bemærk: Antallet af mitokondrier i humane celler varierer afhængigt af celletypen. For eksempel kan hepatocytter (dvs. leverceller) indeholde mellem 1.000 og 2.000 mitokondrier hver, mens erytrocytter (dvs. røde blodlegemer) er fuldstændig blottet for dem.
struktur
Den generelle struktur af et mitokondrielt DNA-molekyle ligner den generelle struktur af nukleært DNA, det er den genetiske arv, der er til stede inden for kernen af eukaryote celler.
Faktisk ligner nukleare DNA:
- Mitokondrielt DNA er en biopolymer, der består af to lange tråde af nukleotider . Nukleotider er organiske molekyler, der er resultatet af forening af tre elementer: et sukker med 5 carbonatomer (i tilfælde af DNA, deoxyribose ), en nitrogenholdig base og en phosphatgruppe .
- Hvert nukleotid i mitokondrielt DNA binder til det næste nukleotid af det samme filament ved hjælp af en phosphodiesterbinding mellem carbon 3 af dens deoxyribose og den umiddelbart efterfølgende nukleotidphosphatgruppe.
- De to tråde af mitokondrie-DNA har modsat orientering, hvor hovedet af en interagerer med enden af den anden og omvendt. Dette særlige arrangement er kendt som et antiparallel arrangement (eller antiparallel orientering ).
- De to filamenter i mitokondrie-DNA'et interagerer med hinanden via de nitrogenholdige baser .
Specifikt etablerer hver kvælstofbase af hvert filament hydrogenbindinger med en og kun en nitrogenholdig base, der er til stede på den anden filament.
Denne type interaktion hedder "parring mellem nitrogenholdige baser" eller "par nitrogenholdige baser".
- De kvælstofbaserede baser af mitokondrielt DNA er adenin, thymin, cytosin og guanin .
Parringen, som disse nitrogenholdige baser giver anledning til, er ikke tilfældige, men meget specifikke: adenin virker kun sammen med thymin, mens cytosin kun er med guanin.
- Mitokondrielt DNA er hjemsted for gener (eller gensekvenser). Gener er sekvenser af mere eller mindre lange nukleotider med en veldefineret biologisk betydning. I de fleste tilfælde giver de anledning til proteiner.
STRUKTURAL DETALJER AF MITOCHONDRIAL DNA
Udover de ovennævnte analogier har menneskeligt mitokondrielt DNA nogle strukturelle egenskaber, som adskiller det væsentligt fra human nukleært DNA.
For det første er det et cirkulært molekyle, mens nukleært DNA er et lineært molekyle.
Det har således 16.569 par nitrogenholdige baser, mens det atomenergi-DNA har skønheden på 3, 3 mia.
Den indeholder 37 gener, mens nukleær DNA synes at indeholde mellem 20.000 og 25.000.
Det er ikke organiseret i kromosomer, mens nukleært DNA er opdelt i så mange som 23 kromosomer og former, med nogle specifikke proteiner, et stof kaldet chromatin.
Endelig indeholder den en række nukleotider, der deltager i to gener samtidig, mens nukleært DNA har gener, hvis nukleotidsekvenser er veldefinerede og forskellige fra hinanden.
oprindelse
Mitokondrielt DNA har meget sandsynligt en bakteriel oprindelse .
Faktisk er molekylærbiologer baseret på mange uafhængige undersøgelser af den opfattelse, at den cellulære tilstedeværelse af mitokondrie-DNA er et resultat af inkorporering af uafhængige bakterielle organismer, der ligner mitokondrier, af forfædre eukaryote celler.
Denne nysgerrige opdagelse har kun delvist forbløffet det videnskabelige samfund, da det DNA, der findes i bakterier, generelt er et filament af cirkulære nukleotider, såsom mitokondrie DNA.
Teorien om, at mitokondrier og mitokondrielt DNA ville have en bakteriel oprindelse, hedder " endosymbiotisk teori ", fra ordet " endosymbiose ". Kort sagt indikerer udtrykket "endosymbiose" i biologi et samarbejde mellem to organismer, hvilket indebærer inkorporeringen af den ene i den anden for at opnå en vis fordel.
nysgerrighed
Ifølge pålidelige videnskabelige undersøgelser vil mange bakterielle gener, der er til stede på det fremtidige mitokondrie-DNA, i løbet af evolutionen have ændret placering, og bevæger sig ind i nukleært DNA.
Med andre ord, i begyndelsen af endosymbiose, er nogle gener, som nu er til stede på nukleært DNA, bosiddende i DNA'et af disse bakterielle organismer, som så vil blive mitokondrier.
Teorien om, at visse gener stammer fra mitokondrielt DNA, hos nogle arter og fra nukleært DNA, i andre, bekræfter teorien om et genskifte mellem mitokondrielt DNA og nukleært DNA.
funktion
Mitokondrielt DNA producerer enzymer (dvs. proteiner), der er nødvendige for den korrekte realisering af den delikate proces af oxidativ phosphorylering.
Instruktionerne for syntesen af disse enzymer befinder sig i de 37 gener, der udgør mitomet af mitokondrie-DNA.
HVAD GENEN MITOCHONDRIAL DNA CODES: DETALJER
De 37 gener af mitokondrie DNA koder for: proteiner, tRNA og rRNA.
Konkret:
- 13-kode for 13 proteiner, der er ansvarlige for udførelse af oxidativ phosphorylering
- 22 koder for 22 molekyler af tRNA
- 2 koder 2 molekyler af rRNA
TRNA- og rRNA-molekylerne er grundlæggende for syntesen af de ovennævnte 13 proteiner, da de udgør maskinerne, der regulerer deres produktion.
Med mit ord har mitokondrie-DNA således informationen til at producere et bestemt sæt proteiner og de nødvendige redskaber til sidstnævntes syntese.
Hvad er RNA, tRNA og rRNA?
RNA, eller ribonukleinsyre, er nukleinsyren, der spiller en grundlæggende rolle i dannelsen af proteiner, der starter fra DNA.
Generelt enkeltstrenget kan RNA findes i forskellige former (eller typer) afhængigt af den specifikke funktion, som den er en stedfortræder for.
TRNA og rRNA er to af disse mulige former.
TRNA anvendes til tilsætning af aminosyrer under processen med at skabe proteiner. Aminosyrer er de molekylære enheder, der udgør proteiner.
RRNA'et danner ribosomer, dvs. de cellulære strukturer, hvori proteinsyntese er baseret.
For at lære mere om RNA og dets funktioner kan læsere klikke her.
FUNKTIONAL DETALJER AF MITOCHONDRIAL DNA
Fra et funktionelt synspunkt har mitokondrie-DNA nogle særlige egenskaber, der klart skelner det fra nukleært DNA.
Her er hvad disse særlige funktioner består af:
- Mitokondrielt DNA er semi-uafhængigt i den forstand, at det behøver interventionen af nogle proteiner syntetiseret fra nukleært DNA.
I modsætning hertil er nuklear DNA helt autonomt og producerer alt, hvad der er nødvendigt for at udføre sine opgaver korrekt.
- Mitokondrisk DNA har en genetisk kode, der er lidt anderledes end den for nukleær DNA . Dette fører til en række forskelle i realiseringen af proteiner: Hvis en bestemt sekvens af nukleotider i det nukleare DNA fører til dannelsen af et bestemt protein, fører samme sekvens i mitokondrielt DNA til dannelsen af et lidt anderledes protein.
- Mitokondrisk DNA har meget få ikke-kodende nukleotidsekvenser, det vil sige, der ikke producerer noget protein, tRNA eller rRNA. I procentdele er kun 3% af mitokondrie-DNA ikke-kodende.
I modsætning hertil kodes nukleært DNA kun for 7%, så det indeholder et stort antal ikke-kodende nukleotidsekvenser (93%).
Tabel: Sammenfatning af forskellene mellem humant mitokondrie DNA og human nukleært DNA. | |
Mitokondrielt DNA | Nukleært DNA |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
Arv
Arvet af mitokondrie-DNA er strengt maternal .
Det betyder, at i et par forældre er det kvinden, der overfører mitokondrie-DNA til afkom (dvs. børnene).
På en helt modsat måde til ovenstående er arv DNA-arv halv, moderlig og halvfaderlig. Med andre ord bidrager begge forældre lige til overførslen af nukleært DNA i afkom.
Bemærk: Moderens arv af mitokondrielt DNA involverer også mitokondriell struktur. Således er mitokondrierne, som er til stede i et individ, på en modermælk.
Tilknyttede patologier
Premise: En genetisk mutation er en permanent ændring i sekvensen af nukleotider, som udgør et nukleært eller mitokondrisk DNA-gen.
Tilstedeværelsen af en genetisk mutation fører generelt til en ændring eller tab af den normale funktion af det involverede gen.
Tilstedeværelsen af mutationer på niveauet af mitokondrie DNA-gener kan bestemme en bred vifte af sygdomme, herunder:
- Leber's arvelige optiske neuropati
- Kearns-Sayre syndrom
- Leigh syndrom
- Cytochrom C oxidase mangel
- Progressiv ekstern oftalmoplegi
- Pearson syndrom
- Mitokondriell encefalomyopati med mælkesyreose og slagtilfælde-episoder (MELAS-syndrom)
- Diabetes med moderens transmissionsdøvhed
- Myoklonisk epilepsi med uregelmæssige røde fibre
Med hensyn til de patologiske tilstande, der er forbundet med en eller flere mitokondrie-DNA-mutationer, skal to aspekter specificeres.
For det første afhænger sværhedsgraden af den morbidste tilstand af det kvantitative forhold mellem muteret mitokondrie-DNA og sundt, normalt mitokondrie-DNA. Hvis antallet af muteret mitokondrielt DNA er meget højere end det for sunde DNA, vil den resulterende tilstand være mere alvorlig.
For det andet påvirker mutationer i mitokondrielt DNA kun visse væv i kroppen, især dem der kræver store mængder ATP som følge af processen med oxidativ phosphorylering. Dette er helt forståeligt: de celler, der har størst behov for den funktion, som mitokondriale DNA normalt udfører, er mest påvirket af et funktionssvigtende mitokondrie DNA.
HERITITÆR OPTISK NEUROPATHI AF LEBER
Lebers arvelige optiske neuropati opstår som følge af mutationen af så mange som fire mitokondrie-DNA-gener. Disse gener indeholder de oplysninger, der fører til syntesen af det såkaldte komplekse I (eller NADH oxidreduktase), et af de forskellige enzymer involveret i processen med oxidativ phosphorylering.
Patologiens manifestationer består i en progressiv degenerering af den optiske nerve og i et gradvist synssvigt.
KEARNS-SAYRE SYNDROME
Kearns-Sayre syndrom fremkommer på grund af manglen på en diskret del af mitokondrialt DNA (NB: manglen på en bestemt nukleotidsekvens kaldes sletning ).
Lider af Kearns-Sayre syndrom udvikler oftalmoplegi (dvs. total eller delvis lammelse af de oculomotoriske muskler), en form for retinopati og unormal hjerterytme (atrioventrikulær blok).
LEIGH SYNDROME
Leigh syndrom opstår som følge af mitochondrial DNA mutationer, som kan involvere ATP-syntase proteinet (også kaldet V komplekset) og / eller nogle tRNA'er.
Leigh syndrom er en progressiv neurologisk sygdom, der forekommer i barndom eller barndom og er ansvarlig for: udviklingsforsinkelse, muskel svaghed, perifer neuropati, motoriske forstyrrelser, åndedrætsbesvær og oftalmoplegi.
DEFIKIT AF CYTOKROME C OXIDASE
Cytochrom C-oxidasemangel forekommer på grund af mutationen af mindst 3 mitokondriale DNA-gener. Disse gener er grundlæggende for den korrekte syntese af cytochrom C oxidasen (eller kompleks IV) enzymet involveret i processen med oxidativ phosphorylering.
De typiske manifestationer af cytokrom C-oxidasmangel består af: skeletmuskulaturdysfunktion, hjertedysfunktion, renal dysfunktion og leverdysfunktion.
PROGRESSIVE EKSTERNE OTHALMOPHY
Progressiv ekstern oftalmoplegi forekommer på grund af manglen på et betydeligt antal mitokondrie-DNA-nukleotider (deletion)
Med en progressiv karakter (som du kan gætte fra navnet), forårsager denne patologi en lammelse af de oculomotoriske muskler, med deraf følgende ptosis og betydelige visuelle problemer.
PEARSON SYNDROME
Pearson syndrom fremkommer efter en stor deletion af mitokondrie DNA, svarende til progressiv ekstern ophthalmoplegi og Kearns-Sayre syndrom.
De typiske manifestationer af Pearson syndrom består af: sideroblastisk anæmi, pankreasdysfunktioner (fx insulinafhængig diabetes), neurologiske underskud og muskelsygdomme.
Generelt forårsager Pearson-syndromets dødsårsag i en ung alder. Faktisk når de, der er ramt af denne patologi, sjældent op på voksenalderen.
MELAS SYNDROME
MELAS syndromet, også kendt som mitokondrialt encephalomyopati med mælkesyreacidose og slagtilfælde, forekommer som følge af mutationen af mindst 5 mitokondrie-DNA-gener.
Disse gener bidrager til syntesen af NADH oxidreduktase, eller kompleks I og af nogle tRNA'er.
MELAS syndrom involverer tilstedeværelsen af neurologiske lidelser, muskelsygdomme, usædvanlig ophobning af mælkesyre i vævene (med alle de resulterende symptomer), åndedrætsproblemer, tab af kontrol af tarmfunktioner, tilbagevendende træthed, nyreproblemer, hjerteproblemer, diabetes, epilepsi og manglende koordinering.
ANDRE PATHOLOGIER
Ifølge flere videnskabelige undersøgelser vil endda sygdomme som cyklisk opkastningssyndrom, retinitis pigmentosa, ataxi, Parkinsons sygdom og Alzheimers sygdom se mitokondrie DNA og nogle mutationer involveret.
