Üldisus
Mitokondriaalne DNA või mtDNA on desoksüribonukleiinhape, mis asub mitokondrites, st eukarüootsete rakkude organellides, mis vastutavad väga olulise rakulise oksüdatiivse fosforüülimise eest.
Kuid sellel on ka mõned struktuursed ja funktsionaalsed eripärad, mis muudavad selle omamoodi ainulaadseks. Nende eripärade hulka kuuluvad: nukleotiidide kaheahelalise ringikujulisus, geenide sisaldus (mida on vaid 37 elementi) ja mittekodeerivate nukleotiidjärjestuste peaaegu täielik puudumine.
Mitokondriaalne DNA täidab rakkude ellujäämiseks põhifunktsiooni: toodab ensüüme, mis on vajalikud oksüdatiivse fosforüülimise teostamiseks.
Mis on mitokondriaalne DNA?
Mitokondriaalne DNA või mtDNA on mitokondrites paiknev DNA.
Mitokondrid on need suured rakulised organellid, mis on tüüpilised eukarüootsetele organismidele ja mis muudavad toidus sisalduva keemilise energia ATP -ks, mis on energiavorm, mida rakud saavad kasutada.
MITOCHONDRONI STRUKTUURI JA TOIMIMISE TAUST
Tsütoplasmas asuvad torukujulised, niitjad või teralised mitokondrid, mis moodustavad peaaegu 25% viimase mahust.
Neil on kaks kahekihilist fosfolipiidmembraani, veel üks väline ja teine sisemine.
Välimine membraan, mida tuntakse välise mitokondriaalse membraanina, kujutab endast iga mitokondri perimeetrit ja sellel on transpordivalgud (poriinid ja rohkem), mis muudavad selle läbilaskvaks molekulidele, mille suurus on kuni 5000 daltonit.
Sisemine membraan, mida tuntakse sisemise mitokondriaalse membraanina, sisaldab kõiki ensümaatilisi (või ensümaatilisi) ja koensüümikomponente, mis on vajalikud ATP sünteesiks, ja määratleb keskse ruumi, mida nimetatakse maatriksiks.
Erinevalt välimisest membraanist on sisemisel mitokondriaalsel membraanil palju sissetungimisi - nn harjad -, mis suurendavad selle kogupindala.
Kahe mitokondriaalse membraani vahel on ligi 60-80 angströmi (A) ruum. Seda ruumi nimetatakse membraanidevaheliseks ruumiks. Membraanidevahelise ruumi koostis on väga sarnane tsütoplasma omaga.
ATP süntees, mida juhivad mitokondrid, on väga keeruline protsess, mida bioloogid identifitseerivad terminiga oksüdatiivne fosforüülimine.
MITOKONDRAALSE DNA TÄPSE ASUKOHT JA KOGUS
Joonis: inimese mitokondrid.
Mitokondriaalne DNA asub mitokondriaalses maatriksis, st sisemise mitokondriaalse membraaniga piiritletud ruumis.
Usaldusväärsete teaduslike uuringute kohaselt võib iga mitokonder sisaldada 2–12 koopiat mitokondriaalset DNA -d.
Arvestades asjaolu, et inimkehas võivad mõned rakud sisaldada mitut tuhat mitokondrit, võib mitokondriaalse DNA koopiate koguarv ühes inimrakus ulatuda 20 000 ühikuni.
Pane tähele: mitokondrite arv inimese rakkudes varieerub sõltuvalt rakutüübist. Näiteks võivad hepatotsüüdid (st maksarakud) sisaldada 1000–2000 mitokondrit, samas kui erütrotsüüdid (st punased verelibled) puuduvad nendest täielikult.
Struktuur
Mitokondriaalse DNA molekuli üldine struktuur sarnaneb tuuma DNA üldise struktuuriga, see tähendab eukarüootsete rakkude tuumas leiduva geneetilise pärandiga.
Tõepoolest, analoogselt tuuma DNA -ga:
- Mitokondriaalne DNA on biopolümeer, mis koosneb kahest pikast nukleotiidide ahelast. Nukleotiidid on orgaanilised molekulid, mis tulenevad kolme elemendi ühendamisest: 5 süsinikuaatomiga suhkur (DNA puhul desoksüriboos), lämmastikualus ja fosfaatrühm.
- Iga mitokondriaalse DNA nukleotiid seondub sama ahela järgmise nukleotiidiga fosfodiestersideme kaudu selle desoksüriboosi süsiniku 3 ja vahetult järgneva nukleotiidi fosfaatrühma vahel.
- Kahel mitokondriaalse DNA ahelal on vastupidine suund, kusjuures ühe ots interakteerub teise otsaga ja vastupidi. See konkreetne paigutus on tuntud kui paralleelne paigutus (või antiparalleelne orientatsioon).
- Kaks mitokondriaalse DNA ahelat interakteeruvad üksteisega lämmastikaluste kaudu.
Täpsemalt, iga hõõgniidi iga lämmastikalus loob vesiniksidemed ühe ja ainult ühe lämmastikualusega, mis on teisel hõõgniidil.
Seda tüüpi koostoimet nimetatakse "lämmastikaluste sidumiseks" või "lämmastikaluste paariks". - Mitokondriaalse DNA lämmastikalused on adeniin, tümiin, tsütosiin ja guaniin.
Nende lämmastikaluste tekkimine ei ole juhuslik, vaid väga spetsiifiline: adeniin interakteerub ainult tümiiniga, tsütosiin aga ainult guaniiniga. - Mitokondriaalne DNA on geenide (või geenijärjestuste) koduks. Geenid on enam-vähem pikkade nukleotiidide järjestused, millel on täpselt määratletud bioloogiline tähtsus. Enamikul juhtudel annavad nad valke.
MITOKONDRAALSE DNA STRUKTUURILISED OMADUSED
Lisaks ülalmainitud analoogiatele on inimese mitokondriaalsel DNA -l mõned struktuurilised iseärasused, mis eristavad seda oluliselt inimese tuuma -DNA -st.
Esiteks on see ringikujuline molekul, tuuma -DNA aga lineaarne molekul.
Seega on sellel 16 569 lämmastikku sisaldavat aluspaari, tuuma -DNA -l aga 3,3 miljardit.
See sisaldab 37 geeni, samas kui tuuma DNA näib sisaldavat 20 000 kuni 25 000 geeni.
See ei ole organiseeritud kromosoomides, samas kui tuuma DNA on jagatud 23 kromosoomiks ja vormiks, millel on mõned spetsiifilised valgud, aine, mida nimetatakse kromatiiniks.
Lõpuks sisaldab see seeriat nukleotiide, mis osalevad korraga kahes geenis, samas kui tuuma -DNA -l on geene, mille nukleotiidjärjestused on hästi määratletud ja üksteisest erinevad.
Päritolu
Mitokondriaalsel DNA -l on tõenäoliselt "bakteriaalne" päritolu.
Tegelikult arvavad molekulaarbioloogid arvukate sõltumatute uuringute põhjal, et mitokondriaalse DNA olemasolu rakkudes on tingitud mitokondritele väga sarnaste sõltumatute bakteriaalsete organismide esivanemate eukarüootsete rakkude liitmisest.
See uudishimulik avastus on teadlaskonda vaid osaliselt hämmastanud, kuna bakterites esinev DNA on üldiselt ringikujuline nukleotiidne ahel, nagu mitokondriaalne DNA.
Teooria, mille kohaselt mitokondritel ja mitokondriaalsel DNA -l on "bakteriaalne päritolu", kannab nime "endosümbiootiline teooria" sõnast "endosümbioos". Lühidalt, bioloogias tähistab termin "endosümbioos" kahe organismi koostööd, mis hõlmab "ühe ühendamine teisega, et saada teatud eelis.
Uudishimu
Usaldusväärsete teaduslike uuringute kohaselt oleksid evolutsiooni käigus paljud tulevases mitokondriaalses DNA -s leiduvad bakterigeenid muutnud asukohta, liikudes tuuma -DNA -ks.
Teisisõnu, endosümbioosi alguses asusid mõned tuuma -DNA -l praegu esinevad geenid nende bakteriaalsete organismide DNA -s, millest hiljem said mitokondrid.
Geenide nihkumist mitokondriaalse DNA ja tuuma -DNA vahel käsitleva teooria toetuseks on tähelepanek, et teatud geenid pärinevad teatud liikide mitokondriaalsest DNA -st ja teiste puhul tuuma -DNA -st.
Funktsioon
Mitokondriaalne DNA toodab ensüüme (st valke), mis on vajalikud õrna oksüdatiivse fosforüülimisprotsessi õigeks elluviimiseks.
Juhised nende ensüümide sünteesimiseks asuvad 37 geenis, mis moodustavad mitokondriaalse DNA genoomi.
MIDA MITOCHONDRAL DNA GENES KOODIS: ÜKSIKASJAD
Mitokondriaalse DNA 37 geeni kodeerivad: valke, tRNA ja rRNA.
Eriti:
- 13 kodeerib 13 valku, mis vastutavad oksüdatiivse fosforüülimise eest
- 22 kood 22 tRNA molekuli jaoks
- 2 kodeerivad 2 rRNA molekuli
TRNA ja rRNA molekulid on eespool nimetatud 13 valgu sünteesi jaoks olulised, kuna need moodustavad masina, mis reguleerib nende tootmist.
Teisisõnu, mitokondriaalsel DNA -l on teave teatud valkude ja nende sünteesiks vajalike tööriistade tootmiseks.
Mis on RNA, tRNA ja rRNA?
RNA või ribonukleiinhape on nukleiinhape, millel on põhiline roll valkude loomisel, alustades DNA -st.
Üldjuhul võib üheahelaline ANN esineda erinevates vormides (või tüüpides), sõltuvalt konkreetsest funktsioonist, millele see on delegeeritud.
TRNA ja rRNA on kaks neist võimalikest vormidest.
TRNA -d kasutatakse aminohapete lisamiseks valkude valmistamise käigus Aminohapped on valgud moodustavad molekuliühikud.
RRNA moodustab ribosoomid, st rakulised struktuurid, milles toimub valkude süntees.
ANN -i ja selle funktsioonide üksikasjalikuks tundmiseks saavad lugejad siin klõpsata.
FUNKTSIONAALSED ANDMED MITOCHONDRAL DNA kohta
Funktsionaalsest seisukohast on mitokondriaalsel DNA -l mõned omapärased omadused, mis eristavad seda selgelt tuuma -DNA -st.
Siin on, millest need omapärased omadused koosnevad:
- Mitokondriaalne DNA on poolsõltumatu selles mõttes, et see vajab mõnede tuuma-DNA-st sünteesitud valkude sekkumist.
Teisest küljest on tuuma -DNA täiesti autonoomne ja toodab iseenesest kõike, mida on vaja oma ülesannete nõuetekohaseks täitmiseks. - Mitokondriaalsel DNA -l on pisut erinev geneetiline kood kui tuuma -DNA -l. See toob kaasa mitmeid erinevusi valkude valmistamisel: kui tuuma DNA teatud nukleotiidijärjestus viib teatud valgu tekkimiseni, siis sama järjestus mitokondriaalses DNA -s toob kaasa veidi erineva valgu moodustumise.
- Mitokondriaalses DNA-s on väga vähe mittekodeerivaid nukleotiidjärjestusi, see tähendab, et nad ei tooda valke, tRNA-sid ega rRNA-sid. Protsentuaalselt on ainult 3% mitokondriaalsest DNA-st mittekodeeriv.
Teisest küljest kodeerib tuuma DNA vaid 7%, seega sisaldab see palju mittekodeerivaid nukleotiidjärjestusi (koguni 93%).
Tabel: kokkuvõte erinevustest inimese mitokondriaalse DNA ja inimese tuuma DNA vahel.
Mitokondriaalne DNA
Tuuma DNA
- See on ringikujuline
- See on lineaarne
- Sellel on kokku 16 569 lämmastikku sisaldavat aluspaari
- Sellel on kokku 3,3 miljardit lämmastikku sisaldavat aluspaari
- See sisaldab kokku 37 geeni
- See sisaldab 20 000 kuni 25 000 geeni
- Nõuetekohaseks toimimiseks vajab see mõningate tuuma -DNA -st pärinevate geeniproduktide tuge
- See on autonoomne ja toodab iseenesest kõike, mida ta vajab oma ülesannete nõuetekohaseks täitmiseks
- See võib esineda mitmes eksemplaris igas mitokondris
- See on ainulaadne, see tähendab, et see on ainult ühes eksemplaris ja asub tuumas
- 97% nukleotiidjärjestusest, mis seda moodustab, kodeerib
- Ainult 7% selle moodustavatest nukleotiidjärjestustest kodeerib
- See pole organiseeritud kromosoomideks
- See on jagatud 23 kromosoomiks
- See kasutab geneetilist koodi, mis erineb veidi nii -öelda "traditsioonilisest"
- Kasutage "traditsioonilist" geneetilist koodi
- Selle pärand on emalik
- Selle pärand on pooleldi ema ja pool isa
- Mõned selle nukleotiidid osalevad kahes geenis korraga
- Geene moodustavate nukleotiidide järjestused on üksteisest hästi eristatavad
Pärand
Mitokondriaalse DNA pärimine on rangelt emalik.
See tähendab, et vanemate paaris edastab mitokondriaalse DNA järglastele (st lastele) just naine.
Täiesti vastupidisel viisil ülaltoodule on tuuma DNA pärimine pooleldi emalik ja pooleldi isalik. Teisisõnu, mõlemad vanemad aitavad võrdselt kaasa tuuma DNA edasikandumisele järglastel.
Pane tähele: mitokondriaalse DNA pärimine emalt hõlmab ka mitokondriaalset struktuuri. Seega on indiviidis esinevad mitokondrid emad.
Seotud patoloogiad
Eeldus: Geneetiline mutatsioon on tuuma- või mitokondriaalse DNA geeni moodustavate nukleotiidide järjestuse püsiv muutus.
Tavaliselt põhjustab geneetilise mutatsiooni olemasolu "kaasatud geeni normaalse funktsiooni muutuse või kaotuse.
Mutatsioonide esinemine mitokondriaalsetes DNA geenides võib põhjustada mitmesuguseid haigusi, sealhulgas:
- Leberi pärilik optiline neuropaatia
- Kearns-Sayre'i sündroom
- Leigh sündroom
- Tsütokroom C oksüdaasi puudus
- Progresseeruv väline oftalmopleegia
- Pearsoni sündroom
- Mitokondriaalne entsefalomüopaatia koos laktatsidoosi ja insulditaoliste episoodidega (MELAS sündroom)
- Suhkurtõbi koos emalt ülekantud kurtusega
- Ebakorrapäraste punaste kiududega müoklooniline epilepsia
Seoses patoloogiliste seisunditega, mis on seotud ühe või mitme mitokondriaalse DNA mutatsiooniga, tuleb selgitada kahte aspekti.
Esiteks sõltub haiguse tõsidus kvantitatiivsest seosest muteerunud mitokondriaalsete DNA -de ja tervete normaalsete mitokondriaalsete DNA -de vahel. Kui muteerunud mitokondriaalsete DNA -de arv on tunduvalt suurem kui tervetel DNA -del, on sellest tulenev seisund raskem.
Teiseks mõjutavad mitokondriaalse DNA mutatsioonid ainult mõningaid organismi kudesid, eriti neid, mis vajavad suurtes kogustes ATP -d, mis tuleneb oksüdatiivsest fosforüülimisprotsessist. See on täiesti arusaadav: mitokondriaalse DNA talitlushäirete all kannatavad rakud vajavad kõige rohkem funktsioon, mida mitokondriaalne DNA tavaliselt täidab.
LEBERI PÄRENDILINE OPTILINE NEUROPAATIA
Leberi pärilik optiline neuropaatia tekib nelja mitokondriaalse DNA geeni mutatsiooni tagajärjel. Need geenid sisaldavad teavet, mis viib nn kompleksi I (või NADH oksiidreduktaasi) sünteesi, mis on üks oksüdatiivse fosforüülimise protsessis osalevatest ensüümidest.
Patoloogia ilmingud hõlmavad nägemisnärvi progresseeruvat degeneratsiooni ja nägemise järkjärgulist kadumist.
KEARNS-SAYRE SÜNDROOM
Kearns-Sayre'i sündroom ilmneb õiglase koguse mitokondriaalse DNA puudumise tõttu (NB: teatud nukleotiidjärjestuse puudumist nimetatakse deletsiooniks).
Kearns-Sayre'i sündroomiga inimestel tekib oftalmopleegia (okulomotoorsete lihaste täielik või osaline halvatus), mis on retinopaatia ja südame rütmihäirete vorm (atrioventrikulaarne blokaad).
LEIGHI SÜNDROOM
Leigh sündroom tekib mitokondriaalsete DNA mutatsioonide tagajärjel, mis võivad mõjutada ATP-süntaasi valku (nimetatakse ka V-kompleksiks) ja / või mõnda tRNA-d.
Leigh sündroom on progresseeruv neuroloogiline haigus, mis ilmneb imikueas või lapsepõlves ja mille põhjuseks on: arengupeetus, lihasnõrkus, perifeerne neuropaatia, motoorsed häired, hingamisraskused ja oftalmopleegia.
CYTOCHROME C OXIDASE DEFICITY
Tsütokroom C oksüdaasi defitsiit tekib vähemalt 3 mitokondriaalse DNA geeni mutatsiooni tõttu. Need geenid on olulised oksüdatiivse fosforüülimise protsessis osaleva tsütokroom C oksüdaasi (või kompleksi IV) ensüümi õigeks sünteesiks.
Tsütokroom C oksüdaasi puudulikkuse tüüpilised ilmingud hõlmavad: skeletilihaste düsfunktsiooni, südame-, neeru- ja maksafunktsiooni häireid.
PROGRESSIIVNE VÄLINE OTHTHALMOPLEGY
Progresseeruv väline oftalmopleegia tuleneb olulise arvu mitokondriaalsete DNA nukleotiidide puudumisest (kustutatud)
Progresseeruva iseloomuga (nagu nimest võib arvata) põhjustab see patoloogia okulomotoorsete lihaste halvatust, millega kaasneb ptoos ja märkimisväärsed nägemishäired.
PEARSONI SÜNDROOM
Pearsoni sündroom ilmneb pärast mitokondriaalse DNA silmatorkavat kustutamist, sarnaselt progresseeruva välise oftalmopleegia ja Kearns-Sayre'i sündroomiga.
Pearsoni sündroomi tüüpilised ilmingud on: sideroblastiline aneemia, kõhunäärme düsfunktsioon (nt insuliinsõltuv diabeet), neuroloogilised puudujäägid ja lihaste häired.
Pearsoni sündroom põhjustab tavaliselt haige inimese surma noores eas. Tegelikult jõuavad need, keda see patoloogia mõjutab, täiskasvanueani harva.
MELAS SÜNDROOM
MELAS-sündroom, tuntud ka kui mitokondriaalne entsefalomüopaatia koos laktatsidoosi ja insulditaoliste episoodidega, tuleneb vähemalt 5 mitokondriaalse DNA geeni mutatsioonist.
Need geenid aitavad kaasa NADH oksiidreduktaasi ehk kompleksi I ja mõnede tRNA-de sünteesile.
MELAS -sündroom hõlmab neuroloogilisi häireid, lihashäireid, piimhappe ebatavalist kogunemist kudedesse (koos kaasnevate sümptomitega), hingamisprobleeme, soolefunktsiooni kontrolli kaotust, korduvat väsimust, neeruprobleeme, südameprobleeme, diabeeti, epilepsiat ja koordineerimise puudumine.
MUUD PATOLOOGIAD
Erinevate teaduslike uuringute kohaselt näeksid mitokondriaalse DNA ja mõnede selle mutatsioonide kaasamist ka sellised haigused nagu tsükliline oksendamise sündroom, retiniit pigmentosa, ataksia, Parkinsoni tõbi ja Alzheimeri tõbi.
