generalitet
Mitokondrialt DNA, eller mtDNA, er deoksyribonukleinsyren som ligger inne i mitokondriene, dvs. organeller av eukaryotiske celler som er ansvarlige for den svært viktige cellulære prosessen med oksidativ fosforylering.
Men det har også noen særegenheter, både strukturelle og funksjonelle, noe som gjør det unikt i sitt slag. Disse funksjonene inkluderer: sirkulariteten av nukleotidens dobbelstreng, innholdet av gener (som bare er 37 elementer) og det nesten totale fravær av ikke-kodende nukleotidsekvenser.
Mitokondrielt DNA spiller en grunnleggende rolle i celleoverlevelse: den produserer enzymer som er nødvendige for å realisere oksidativ fosforylering.
Hva er mitokondrielt DNA?
Mitokondrialt DNA, eller mtDNA, er DNA plassert inne i mitokondriene .
Mitokondrier er de store cellulære organeller som er typiske for eukaryotiske organismer, som omdanner den kjemiske energien i mat til ATP, som er en form for energi som kan brukes av celler.
RECALLS OM STRUKTUR OG FUNKSJON AV MITOCHONDERS
I rørformet, trådformet eller granulært form bor mitokondriene i cytoplasma, og besitter nesten 25% av volumet av sistnevnte.
De har to fosfolipid dobbeltlagsmembraner, en ytterligere og en ytterligere intern.
Den ytre membran, kjent som den ytre mitokondriamembranen, representerer perimeteret til hver mitokondri og har transportproteiner (porine og ikke bare) som gjør det gjennomtrengelig for molekyler av størrelse lik eller mindre enn 5000 dalton.
Den innerste membranen, kjent som den indre mitokondriamembran, inneholder alle enzymatiske komponenter (eller enzymer) og koenzymkomponenter som er nødvendige for ATP-syntese, og avgrenser et sentralt rom, kalt en matrise .
I motsetning til yttermembranen har den indre mitokondriamembranen mange invaginasjoner - de såkalte krestene - som øker dens totale areal.
Mellom de to mitokondriske membranene er det et rom på nesten 60-80 Ångstrøm (A). Denne plassen kalles intermembrane plass . Intermembraneområdet har en sammensetning som er veldig lik den for cytoplasma.
Syntese av ATP, drevet av mitokondrier, er en svært kompleks prosess, som biologer identifiserer med begrepet oksidativ fosforylering .
Nøyaktig MITOCHONDRIAL DNA LOCATION AND QUANTITY
Figur: En human mitokondri.
Mitokondrielt DNA ligger i mitokondriamatrisen, dvs. i rommet som er avgrenset av den indre mitokondriamembranen.
Basert på pålitelige vitenskapelige studier, kan hver mitokondri inneholde fra 2 til 12 kopier av mitokondrielt DNA.
Med tanke på det faktum at noen celler i kroppen kan inneholde flere tusen mitokondrier i seg, kan det totale antall kopi av mitokondriale DNA i en enkelt menneskelig celle til og med nå 20.000 enheter.
Merk: Antallet mitokondrier i humane celler varierer avhengig av celletype. For eksempel kan hepatocytter (dvs. leverceller) inneholde mellom 1000 og 2000 mitokondrier hver, mens erytrocytter (dvs. røde blodlegemer) er helt blottet for dem.
struktur
Den generelle strukturen til et mitokondrielt DNA-molekyl ligner den generelle strukturen av kjernefysisk DNA, det er den genetiske arven tilstede i kjernen av eukaryotiske celler.
Faktisk, på samme måte som kjernefysisk DNA:
- Mitokondrielt DNA er en biopolymer, bestående av to lange tråder av nukleotider . Nukleotider er organiske molekyler, som skyldes forening av tre elementer: et sukker med 5 karbonatomer (i tilfelle DNA, deoksyribose ), en nitrogenbasert base og en fosfatgruppe .
- Hvert nukleotid av mitokondrielt DNA binder til neste nukleotid av samme filament, ved hjelp av en fosfodiesterbinding mellom karbonet 3 av dets deoksyribose og den umiddelbart etterfølgende nukleotidfosfatgruppe.
- De to strengene av mitokondrielt DNA har motsatt orientering, med lederen av en som interagerer med enden av den andre og omvendt. Denne spesielle arrangement er kjent som en antiparallell anordning (eller antiparallell orientering ).
- De to filamenter av mitokondriell DNA interagerer med hverandre via nitrogenbasisene .
Nærmere bestemt etablerer hver nitrogenholdige base av hvert filament hydrogenbindinger med en og en eneste nitrogenholdig base, som er tilstede på den andre filament.
Denne typen interaksjon kalles "sammenkobling mellom nitrogenbaser" eller "par nitrogenbaserte baser".
- De nitrogenholdige basene av mitokondrielt DNA er adenin, tymin, cytosin og guanin .
Parringen som disse nitrogenbasene gir opphav, er ikke tilfeldig, men svært spesifikk: adenin virker bare sammen med tymin, mens cytosin bare er med guanin.
- Mitokondrielt DNA er hjem for gener (eller gensekvenser). Gener er sekvenser av mer eller mindre lange nukleotider, med en veldefinert biologisk betydning. I de fleste tilfeller gir de opphav til proteiner.
STRUKTURAL INFORMASJON AV MITOCHONDRIAL DNA
Utover de nevnte analogiene har menneskelig mitokondrielt DNA noen strukturelle særegenheter som skiller det betydelig fra menneskelig nukleært DNA.
For det første er det et sirkulært molekyl, mens nukleært DNA er et lineært molekyl.
Dermed har det 16 569 par nitrogenholdige baser, mens det atomenergiske DNA har en skjønnhet på 3, 3 milliarder.
Den inneholder 37 gener, mens kjernefysisk DNA ser ut til å inneholde mellom 20.000 og 25.000.
Det er ikke organisert i kromosomer, mens kjernefysisk DNA er delt inn i så mange som 23 kromosomer og former, med noen spesifikke proteiner, et stoff som kalles chromatin.
Til slutt omfatter den en rekke nukleotider som deltar i to gener samtidig, mens nukleært DNA har gener hvis nukleotidsekvenser er veldefinerte og forskjellige fra hverandre.
opprinnelse
Mitokondrielt DNA er meget sannsynlig å ha en bakteriell opprinnelse .
Faktisk, basert på mange uavhengige studier, tror molekylærbiologer at den cellulære tilstedeværelsen av mitokondriell DNA er et resultat av innlemmelsen av uavhengige eukaryotiske celler av uavhengige bakterielle organismer, som ligner på mitokondrier.
Denne nysgjerrige oppdagelsen har bare delvis forbløffet over det vitenskapelige samfunn, da DNA tilstede i bakterier generelt er et filament av sirkulære nukleotider, som for eksempel mitokondrielt DNA.
Teorien om at mitokondrier og mitokondrielt DNA ville ha en bakteriell opprinnelse, kalles " endosymbiotisk teori ", fra ordet " endosymbiose ". Kort sagt, i biologi, betyr termen "endosymbiose" et samarbeid mellom to organismer, som involverer innlemmelse av den ene i den andre, for å få en viss fordel.
nysgjerrighet
Ifølge pålitelige vitenskapelige studier, i løpet av evolusjonen, ville mange bakterielle gener presentert på det fremtidige mitokondriale DNA, ha endret sted, flyttet inn i kjernefysisk DNA.
Med andre ord, i begynnelsen av endosymbiose, har noen gener presentert nå på kjernefysisk DNA bodd i DNA fra de bakterielle organismer, som da vil bli mitokondrier.
Teorien om at visse gener stammer fra mitokondrielt DNA, i noen arter, og fra nukleært DNA, i andre, bekrefter teorien om et genskifte mellom mitokondrielt DNA og nukleært DNA.
funksjon
Mitokondriell DNA produserer enzymer (dvs. proteiner), som er nødvendige for riktig realisering av den delikate prosessen med oksidativ fosforylering.
Instruksjonene for syntesen av disse enzymene ligger i de 37 gener som utgjør genomet av mitokondrialt DNA.
HVA MEGEN AV MITOCHONDRIAL DNA KODER: DETALJER
De 37 gener av mitokondrielt DNA koder for: proteiner, tRNA og rRNA.
spesifikt:
- 13-kode for 13 proteiner som er ansvarlige for å utføre oksidativ fosforylering
- 22 koder 22 molekyler av tRNA
- 2 koder 2 molekyler av rRNA
TRNA- og rRNA-molekylene er grunnleggende for syntesen av de 13 proteinene ovenfor, da de utgjør maskineri som regulerer produksjonen.
Så med andre ord har mitokondriell DNA informasjonen for å produsere et bestemt sett med proteiner og verktøyene som er nødvendige for syntesen av sistnevnte.
Hva er RNA, tRNA og rRNA?
RNA, eller ribonukleinsyre, er nukleinsyren som spiller en grunnleggende rolle i genereringen av proteiner, utgående fra DNA.
Generelt enkeltstrenget kan RNA finnes i forskjellige former (eller typer), avhengig av den spesifikke funksjonen som den er en nestleder i.
TRNA og rRNA er to av disse mulige former.
TRNA brukes til tilsetning av aminosyrer, under prosessen med å skape proteiner. Aminosyrer er molekylære enhetene som utgjør proteiner.
RRNA danner ribosomer, det vil si de cellulære strukturer der proteinsyntese er basert.
For å lære mer om RNA og dets funksjoner, kan leserne klikke her.
FUNKSJONAL INFORMASJON AV MITOCHONDRIAL DNA
Fra et funksjonelt synspunkt har mitokondrielt DNA noen spesielle egenskaper som tydelig skiller det fra nukleært DNA.
Her er hva disse spesielle funksjonene består av:
- Mitokondrielt DNA er semi-uavhengig i den forstand at det trenger inngrep av noen proteiner syntetisert fra nukleært DNA.
I motsetning er atomen DNA helt autonome og produserer alt det trenger for å utføre sine oppgaver på riktig måte.
- Mitokondrielt DNA har en genetisk kode som er litt annerledes enn den for nukleær DNA . Dette fører til en rekke forskjeller i realisering av proteiner: Hvis en bestemt sekvens av nukleotider i det nukleære DNA fører til dannelsen av et bestemt protein, fører samme sekvens i mitokondriell DNA til dannelsen av et litt annet protein.
- Mitokondrielt DNA har svært få ikke-kodende nukleotidsekvenser, det vil si, som ikke produserer noe protein, tRNA eller rRNA. I prosentbetingelser er bare 3% av mitokondrielt DNA ikke-kodende.
I motsetning danner kjernefysisk DNA bare 7%, så det inneholder et stort antall ikke-kodende nukleotidsekvenser (93%).
Tabell: Sammendrag av forskjellene mellom humant mitokondrielt DNA og menneskelig nukleært DNA. | |
Mitokondrielt DNA | Nukleært DNA |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
arv
Arv av mitokondrielt DNA er strengt maternal .
Dette betyr at i et par foreldre er det kvinnen som overfører mitokondrialt DNA til avkom (dvs. barn).
På en helt motsatt måte til det ovennevnte er arven av kjernefysisk DNA en halv, mors og halvfaderlig. Med andre ord bidrar begge foreldrene likt til overføringen av kjernefysisk DNA i avkom.
Merk: Moderens arv av mitokondriell DNA involverer også den mitokondrielle strukturen. Dermed er mitokondriene som er tilstede i et individ, på en modermugg.
Tilknyttede patologier
Premiss: En genetisk mutasjon er en permanent forandring i sekvensen av nukleotider, som utgjør et kjernefysisk eller mitokondrisk DNA-gen.
Vanligvis fører tilstedeværelsen av en genetisk mutasjon til en endring eller tap av normal funksjon av genet involvert.
Tilstedeværelsen av mutasjoner på nivået av mitokondriale DNA-gener kan bestemme et bredt spekter av sykdommer, inkludert:
- Leber er arvelig optisk nevropati
- Kearns-Sayre syndrom
- Leigh syndrom
- Cytokrom C-oksidase mangel
- Progressiv ekstern oftalmoplegi
- Pearson syndrom
- Mitokondriell encefalomyopati med melkesyreoseose og slagtilfelle episoder (MELAS syndrom)
- Diabetes med maternell overføring døvhet
- Myoklonisk epilepsi med uregelmessige røde fibre
Med hensyn til de patologiske forhold knyttet til en eller flere mitokondriale DNA mutasjoner, må to aspekter spesifiseres.
For det første avhenger alvorlighetsgraden av morbid tilstand av det kvantitative forholdet mellom mutert mitokondrielt DNA og sunt, normalt mitokondrielt DNA. Hvis antallet mutert mitokondrielt DNA er mye høyere enn det for sunt DNA, vil den resulterende tilstanden være strengere.
For det andre påvirker mutasjoner i mitokondrielt DNA bare visse vev i kroppen, spesielt de som krever store mengder ATP som følge av prosessen med oksidativ fosforylering. Dette er ganske forståelig: cellene som har størst behov for funksjonen som mitokondriell DNA normalt utfører, er mest påvirket av et funksjonsfalt mitokondrielt DNA.
ERITITÆR OPTISK NEUROPATI AV LEBER
Lebers arvelige optiske nevropati oppstår på grunn av mutasjonen av så mange som fire mitokondrie-DNA-gener. Disse gener inneholder informasjonen som fører til syntesen av den såkalte komplekse I (eller NADH oksidreduktase), en av de forskjellige enzymer involvert i prosessen med oksidativ fosforylering.
Patologiens manifestasjoner består i en progressiv degenerasjon av optisk nerve og i gradvis tap av syn.
KEARNS-SAYRE SYNDROME
Kearns-Sayre syndrom fremkommer på grunn av mangelen på en diskret del av mitokondrialt DNA (NB: mangelen på en bestemt nukleotidsekvens kalles sletting ).
Lider av Kearns-Sayre syndrom utvikler oftalmoplegi (dvs. total eller delvis lammelse av de oculomotoriske musklene), en form for retinopati og unormal hjerterytme (atrioventrikulær blokk).
LEIGH SYNDROME
Leigh syndrom oppstår som et resultat av mitokondriale DNA mutasjoner, som kan involvere ATP-syntase proteinet (også kalt V-komplekset) og / eller noen tRNAer.
Leigh syndrom er en progressiv nevrologisk sykdom som oppstår i barndommen eller barndommen og er ansvarlig for: utviklingsforsinkelse, muskel svakhet, perifer neuropati, motoriske lidelser, pustevansker og oftalmoplegi.
DEFIKIT AV CYTOKROME C OKSIDASJON
Cytokrom C-oksidase mangel oppstår på grunn av mutasjonen av minst 3 mitokondriale DNA-gener. Disse gener er grunnleggende for den korrekte syntesen av cytokrom C-oksidase (eller kompleks IV) enzym involvert i prosessen med oksidativ fosforylering.
De typiske manifestasjonene av cytokrom C-oksidase mangel består av: skjelettmuskulær dysfunksjon, hjertedysfunksjon, nyresvikt og leverdysfunksjon.
PROGRESSIVE EKSTERNE OPHTHALMOPHY
Progressiv ekstern oftalmoplegi oppstår på grunn av mangelen på et betydelig antall mitokondriale DNA-nukleotider (sletting)
Med en progressiv karakter (som du kan gjette fra navnet), forårsaker denne patologien en lammelse av de oculomotoriske musklene, med følgelig ptosis og betydelige visuelle problemer.
PEARSON SYNDROME
Pearson syndrom fremkommer etter en stor deling av mitokondrialt DNA, som ligner på progressiv ekstern oftalmoplegi og Kearns-Sayre syndrom.
De typiske manifestasjoner av Pearson syndrom består av: sideroblastisk anemi, pankreasdysfunksjoner (f.eks. Insulinavhengig diabetes), nevrologiske underskudd og muskelsykdommer.
Generelt forårsaker Pearson syndrom at individets død blir rammet i ung alder. Faktisk når de som er rammet av denne patologien sjelden til voksen alder.
MELAS SYNDROME
MELAS-syndromet, også kjent som mitokondriell encefalomyopati med melkesyreacidose og slagtilfelle episoder, oppstår som et resultat av mutasjonen av minst 5 mitokondrie-DNA-gener.
Disse gener bidrar til syntesen av NADH oksid-reduktase, eller kompleks I, og av noen tRNAer.
MELAS syndromet involverer tilstedeværelse av nevrologiske lidelser, muskelsykdommer, uvanlig opphopning av melkesyre i vevet (med alle de resulterende symptomene), respirasjonsproblemer, tap av kontroll av tarmfunksjoner, tilbakevendende tretthet, nyreproblemer, hjerteproblemer, diabetes, epilepsi og mangel på koordinering.
ANDRE PATHOLOGIER
Ifølge flere vitenskapelige studier, ville selv sykdommer som syklusisk oppkastssyndrom, retinitis pigmentosa, ataksi, Parkinsons sykdom og Alzheimers sykdom se mitokondrielt DNA og noen mutasjoner involvert.
