všeobecnosť
Mitochondriálna DNA alebo mtDNA je deoxyribonukleová kyselina, ktorá sa nachádza vo vnútri mitochondrií, tj organel eukaryotických buniek zodpovedných za veľmi dôležitý bunkový proces oxidačnej fosforylácie.
Má však aj niektoré zvláštnosti, či už štrukturálne alebo funkčné, čo ho robí jedinečným vo svojom druhu. Tieto vlastnosti zahŕňajú: kruhovitosť dvojitého reťazca nukleotidov, obsah génov (čo je len 37 prvkov) a takmer úplnú neprítomnosť nekódujúcich nukleotidových sekvencií.
Mitochondriálna DNA hrá zásadnú úlohu pri prežívaní buniek: produkuje enzýmy potrebné na realizáciu oxidačnej fosforylácie.
Čo je mitochondriálna DNA?
Mitochondriálna DNA alebo mtDNA je DNA nachádzajúca sa vnútri mitochondrií .
Mitochondrie sú veľké bunkové organely, typické pre eukaryotické organizmy, ktoré premieňajú chemickú energiu obsiahnutú v potravinách na ATP, čo je forma energie, ktorú môžu bunky využívať.
PRIPOMÍNA ŠTRUKTÚRU A FUNGOVANIE MITOCHONDEROV
Z tubulárnej, vláknitej alebo granulovanej formy sa mitochondrie nachádzajú v cytoplazme, ktorá zaberá takmer 25% objemu.
Majú dve fosfolipidové dvojvrstvové membrány, jednu vonkajšiu a jednu vnútornú.
Najvzdialenejšia membrána, známa ako vonkajšia mitochondriálna membrána, predstavuje obvod každej mitochondrie a má transportné proteíny (nielen porín a nielen), čo ju robí priepustnou pre molekuly s veľkosťou rovnou alebo menšou ako 5000 daltonov.
Najvnútornejšia membrána, známa ako vnútorná mitochondriálna membrána, obsahuje všetky enzymatické zložky (alebo enzýmy) a koenzýmové zložky potrebné na syntézu ATP a ohraničuje centrálny priestor, nazývaný matrica .
Na rozdiel od najvzdialenejšej membrány má vnútorná mitochondriálna membrána početné invaginácie - takzvané hrebene - ktoré zvyšujú jej celkovú plochu.
Medzi dvoma mitochondriálnymi membránami je priestor takmer 60-80 Angstromov (A). Tento priestor sa nazýva medzimembránový priestor . Intermembránový priestor má zloženie veľmi podobné zloženiu cytoplazmy.
Syntéza ATP, prevádzkovaná mitochondriami, je veľmi komplexný proces, ktorý biológovia identifikujú s termínom oxidačná fosforylácia .
PRESNÉ MITOCHONDRIÁLNE UMIESTNENIE A MNOŽSTVO DNA
Obrázok: ľudská mitochondria.
Mitochondriálna DNA sa nachádza v mitochondriálnej matrici, tj v priestore ohraničenom vnútornou mitochondriálnou membránou.
Na základe spoľahlivých vedeckých štúdií môže každá mitochondria obsahovať 2 až 12 kópií mitochondriálnej DNA.
Vzhľadom na skutočnosť, že v ľudskom tele môžu niektoré bunky v sebe obsahovať niekoľko tisíc mitochondrií, celkový počet kópií mitochondriálnej DNA v jednej ľudskej bunke môže dokonca dosiahnuť 20 000 jednotiek.
Poznámka: počet mitochondrií v ľudských bunkách sa líši v závislosti od typu bunky. Napríklad hepatocyty (tj pečeňové bunky) môžu obsahovať 1 000 až 2 000 mitochondrií, zatiaľ čo erytrocyty (tj červené krvinky) sú úplne bez nich.
štruktúra
Všeobecná štruktúra molekuly mitochondriálnej DNA sa podobá všeobecnej štruktúre jadrovej DNA, čo je genetické dedičstvo prítomné v jadre eukaryotických buniek.
V skutočnosti, podobne ako jadrová DNA:
- Mitochondriálna DNA je biopolymér pozostávajúci z dvoch dlhých reťazcov nukleotidov . Nukleotidy sú organické molekuly, ktoré sú výsledkom spojenia troch prvkov: cukru s 5 atómami uhlíka (v prípade DNA, deoxyribózy ), dusíkatej bázy a fosfátovej skupiny .
- Každý nukleotid mitochondriálnej DNA sa viaže na nasledujúci nukleotid rovnakého vlákna, prostredníctvom fosfodiesterovej väzby medzi uhlíkom 3 jeho deoxyribózy a bezprostredne nasledujúcou nukleotidovou fosfátovou skupinou.
- Dva reťazce mitochondriálnej DNA majú opačnú orientáciu, pričom hlava jedného z nich interaguje s koncom druhého a naopak. Toto konkrétne usporiadanie je známe ako antiparalelné usporiadanie (alebo antiparalelná orientácia ).
- Tieto dve vlákna mitochondriálnej DNA vzájomne interagujú prostredníctvom dusíkatých báz .
Konkrétne každá dusíkatá báza každého vlákna vytvára vodíkové väzby s jednou a iba jednou dusíkatou bázou, prítomnou na druhom vlákne.
Tento typ interakcie sa nazýva "párovanie medzi dusíkatými bázami" alebo "pármi dusíkatých báz".
- Dusíkaté bázy mitochondriálnej DNA sú adenín, tymín, cytozín a guanín .
Párovanie, ku ktorému tieto dusíkaté bázy vznikajú, nie je náhodné, ale vysoko špecifické: adenín reaguje iba s tymínom, zatiaľ čo cytozín len s guanínom.
- Mitochondriálna DNA je domovom génov (alebo sekvencií génov). Gény sú sekvencie viac alebo menej dlhých nukleotidov s dobre definovaným biologickým významom. Vo väčšine prípadov spôsobujú vznik proteínov.
ŠTRUKTURÁLNE DETAILY MITOCHONDRIÁLNEJ DNA
Okrem vyššie uvedených analógií má ľudská mitochondriálna DNA niektoré štrukturálne zvláštnosti, ktoré ju značne odlišujú od ľudskej nukleárnej DNA.
Po prvé, je to kruhová molekula, zatiaľ čo jadrová DNA je lineárna molekula.
Má teda 16 569 párov dusíkatých báz, zatiaľ čo jadrová DNA má krásu 3, 3 miliardy.
Obsahuje 37 génov, zatiaľ čo nukleárna DNA obsahuje medzi 20 000 a 25 000.
Nie je organizovaná v chromozómoch, zatiaľ čo jadrová DNA je rozdelená na až 23 chromozómov a tvorí sa s niektorými špecifickými proteínmi látka nazývaná chromatín.
Nakoniec obsahuje rad nukleotidov, ktoré sa zúčastňujú súčasne na dvoch génoch, zatiaľ čo jadrová DNA má gény, ktorých nukleotidové sekvencie sú dobre definované a od seba odlišné.
pôvod
Mitochondriálna DNA má veľmi pravdepodobne bakteriálny pôvod .
Na základe mnohých nezávislých štúdií sa molekulárni biológovia domnievajú, že bunečná prítomnosť mitochondriálnej DNA je výsledkom inkorporácie nezávislých bakteriálnych organizmov predkovými eukaryotickými bunkami, ktoré sú veľmi podobné mitochondriám.
Tento zvedavý objav vedeckej obce len čiastočne ohromil, pretože DNA prítomná v baktériách je vo všeobecnosti vlákno kruhových nukleotidov, ako je mitochondriálna DNA.
Teória, že mitochondrie a mitochondriálna DNA by mali bakteriálny pôvod, sa nazýva " endosymbiotická teória " zo slova " endosymbióza ". V stručnosti, v biológii, termín "endosymbióza" označuje spoluprácu medzi dvoma organizmami, čo zahŕňa začlenenie jedného do druhého, aby sa získala určitá výhoda.
zvedavosť
Podľa spoľahlivých vedeckých štúdií by v priebehu evolúcie mnoho bakteriálnych génov, prítomných na budúcej mitochondriálnej DNA, zmenilo polohu a presunulo sa do jadrovej DNA.
Inými slovami, na začiatku endosymbiózy sa niektoré gény prítomné na jadrovej DNA nachádzajú v DNA tých bakteriálnych organizmov, ktoré by sa potom stali mitochondriami.
Teória, že určité gény pochádzajú z mitochondriálnej DNA, v niektorých druhoch a z jadrovej DNA, v iných, potvrdzuje teóriu génového posunu medzi mitochondriálnou DNA a nukleárnou DNA.
funkcie
Mitochondriálna DNA produkuje enzýmy (tj proteíny), ktoré sú nevyhnutné pre správnu realizáciu citlivého procesu oxidačnej fosforylácie.
Návod na syntézu týchto enzýmov spočíva v 37 génoch, ktoré tvoria genóm mitochondriálnej DNA.
ČO GENE MITOCHONDRIÁLNYCH DNA KÓDOV: PODROBNOSTI
37 génov mitochondriálnej DNA kóduje: proteíny, tRNA a rRNA.
konkrétne:
- 13 kódujú 13 proteínov zodpovedných za uskutočňovanie oxidačnej fosforylácie
- 22 kóduje 22 molekúl tRNA
- 2 kódujú 2 molekuly rRNA
Molekuly tRNA a rRNA sú základom syntézy vyššie uvedených 13 proteínov, pretože tvoria mechanizmus, ktorý reguluje ich produkciu.
Inými slovami, mitochondriálna DNA má informácie na produkciu určitého súboru proteínov a nástrojov potrebných na ich syntézu.
Čo sú RNA, tRNA a rRNA?
RNA alebo ribonukleová kyselina je nukleová kyselina, ktorá zohráva zásadnú úlohu pri tvorbe proteínov, vychádzajúc z DNA.
Všeobecne jednovláknová RNA môže existovať v rôznych formách (alebo typoch) v závislosti od špecifickej funkcie, ktorej je zástupcom.
TRNA a rRNA sú dve z týchto možných foriem.
TRNA sa používa na pridávanie aminokyselín počas procesu tvorby proteínov. Aminokyseliny sú molekulárne jednotky, ktoré tvoria proteíny.
RRNA tvorí ribozómy, tj bunkové štruktúry, na ktorých je založená syntéza proteínov.
Ak sa chcete dozvedieť viac o RNA a jej funkciách, čitatelia môžu kliknúť sem.
FUNKČNÉ PODROBNOSTI MITOCHONDRIÁLNEJ DNA
Z funkčného hľadiska má mitochondriálna DNA niektoré charakteristické vlastnosti, ktoré ju jasne odlišujú od jadrovej DNA.
Tu sú tieto konkrétne vlastnosti:
- Mitochondriálna DNA je polo-nezávislá v tom zmysle, že potrebuje zásah niektorých proteínov syntetizovaných z jadrovej DNA.
Naopak, jadrová DNA je úplne autonómna a produkuje všetko, čo potrebuje na riadne plnenie svojich úloh.
- Mitochondriálna DNA má genetický kód mierne odlišný od nukleárneho DNA . To vedie k sérii rozdielov v realizácii proteínov: ak určitá sekvencia nukleotidov v jadrovej DNA vedie k vytvoreniu určitého proteínu, rovnaká sekvencia v mitochondriálnej DNA vedie k vytvoreniu mierne odlišného proteínu.
- Mitochondriálna DNA má veľmi málo nekódujúcich nukleotidových sekvencií, to znamená, že neprodukujú žiadny proteín, tRNA alebo rRNA. V percentuálnom vyjadrení sú len 3% mitochondriálnej DNA nekódujúce.
Oproti tomu jadrová DNA kóduje iba 7%, takže obsahuje veľké množstvo nekódujúcich nukleotidových sekvencií (93%).
Tabuľka: súhrn rozdielov medzi ľudskou mitochondriálnou DNA a ľudskou nukleárnou DNA. | |
Mitochondriálna DNA | Jadrová DNA |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
dedičstvo
Dedičnosť mitochondriálnej DNA je prísne maternálna .
To znamená, že u niekoľkých rodičov je to žena, ktorá prenáša mitochondriálnu DNA na potomstvo (tj deti).
Úplne opačným spôsobom, ako je uvedené vyššie, je dedičstvo jadrovej DNA polovičné, materské a polovičné otcovské. Inými slovami, obaja rodičia rovnako prispievajú k prenosu jadrovej DNA v potomstve.
Poznámka: materinská dedičnosť mitochondriálnej DNA zahŕňa aj mitochondriálnu štruktúru. Takže mitochondrie prítomné v jedincovi sú na materskej forme.
Súvisiace patológie
Predpoklad: genetická mutácia je trvalá zmena v sekvencii nukleotidov, ktoré tvoria jadrový alebo mitochondriálny gén DNA.
Vo všeobecnosti prítomnosť genetickej mutácie vedie k zmene alebo strate normálnej funkcie príslušného génu.
Prítomnosť mutácií na úrovni génov mitochondriálnej DNA môže určiť širokú škálu ochorení, vrátane:
- Leberova dedičná optická neuropatia
- Kearns-Sayreov syndróm
- Leighov syndróm
- Nedostatok cytochrómu C oxidázy
- Progresívna externá oftalmoplegia
- Pearsonov syndróm
- Mitochondriálna encefalomyopatia s laktátovou acidózou a epizódami typu mozgovej príhody (syndróm MELAS)
- Cukrovka s hluchotou prenosu matiek
- Myoklonická epilepsia s nepravidelnými červenými vláknami
Vzhľadom na patologické stavy spojené s jednou alebo viacerými mutáciami mitochondriálnej DNA, musia byť špecifikované dva aspekty.
Po prvé, závažnosť morbidného stavu závisí od kvantitatívneho vzťahu medzi mutovanou mitochondriálnou DNA a zdravou, normálnou mitochondriálnou DNA. Ak je počet mutovaných mitochondriálnych DNA oveľa vyšší ako počet zdravých DNA, výsledný stav bude závažnejší.
Po druhé, mutácie v mitochondriálnej DNA ovplyvňujú len určité tkanivá v tele, najmä tie, ktoré vyžadujú veľké množstvá ATP vyplývajúce z procesu oxidačnej fosforylácie. To je celkom pochopiteľné: bunky, ktoré najviac potrebujú funkciu, ktorú mitochondriálna DNA normálne vykonáva, sú najviac ovplyvnené chybnou mitochondriálnou DNA.
HERITITÁRNE OPTICKÉ NEUROPATY LEBER
Leberova dedičná optická neuropatia vzniká v dôsledku mutácie až štyroch génov mitochondriálnej DNA. Tieto gény obsahujú informácie, ktoré vedú k syntéze takzvaného komplexu I (alebo NADH oxid-reduktázy), jedného z rôznych enzýmov zapojených do procesu oxidačnej fosforylácie.
Prejav patológie spočíva v progresívnej degenerácii zrakového nervu a postupnej strate zraku.
KEARNS-SAYRE SYNDROME
Kearns-Sayreov syndróm sa objavuje v dôsledku chýbajúcej diskrétnej časti mitochondriálnej DNA (pozn .: nedostatok určitej nukleotidovej sekvencie sa nazýva delécia ).
U pacientov trpiacich Kearns-Sayreovým syndrómom sa vyvinie oftalmoplegia (tj úplná alebo čiastočná paralýza ochabnutých svalov), forma retinopatie a abnormálny srdcový rytmus (atrioventrikulárny blok).
LEIGH SYNDROME
Leighov syndróm vzniká ako výsledok mutácií mitochondriálnej DNA, ktoré môžu zahŕňať proteín ATP-syntázy (tiež nazývaný V komplex) a / alebo niektoré tRNA.
Leighov syndróm je progresívne neurologické ochorenie, ktoré sa objavuje v detstve alebo detstve a je zodpovedné za: oneskorenie vývoja, svalovú slabosť, periférnu neuropatiu, motorické poruchy, ťažkosti s dýchaním a oftalmoplegiu.
DEFICIT OXIDÁZY CYTOKROMU C
Nedostatok cytochrómu C oxidázy sa objavuje v dôsledku mutácie aspoň 3 mitochondriálnych génov DNA. Tieto gény sú základom pre správnu syntézu enzýmu cytochróm C oxidázy (alebo komplexu IV), ktorý sa zúčastňuje procesu oxidačnej fosforylácie.
Typické prejavy deficitu cytochrómu C oxidázy sú: dysfunkcia kostrového svalstva, dysfunkcia srdca, dysfunkcia obličiek a dysfunkcia pečene.
POSTUPNÉ VONKAJŠIE OPATRÁLNE OPATRENIA
K progresívnemu externému oftalmoplegiu dochádza v dôsledku nedostatku značného počtu nukleotidov mitochondriálnej DNA (delécia)
S progresívnym charakterom (ako sa dá hádať z názvu) táto patológia spôsobuje paralýzu okulomotorických svalov s následnou ptózou a značnými vizuálnymi problémami.
PEARSON SYNDROME
Pearsonov syndróm sa objavuje po veľkej delécii mitochondriálnej DNA, podobnej progresívnemu externému oftalmoplegiu a Kearns-Sayreovmu syndrómu.
Typickými prejavmi Pearsonovho syndrómu sú: sideroblastická anémia, pankreatické dysfunkcie (napr. Diabetes závislý od inzulínu), neurologické deficity a svalové poruchy.
Vo všeobecnosti Pearsonov syndróm spôsobuje smrť postihnutého subjektu v mladom veku. V skutočnosti tí, ktorí sú touto patológiou postihnutí, len zriedka dosiahnu dospelosť.
MELAS SYNDROME
Syndróm MELAS, tiež známy ako mitochondriálna encefalomyopatia s laktátovou acidózou a epizódami podobnými mozgovej príhode, sa vyskytuje ako výsledok mutácie aspoň 5 génov mitochondriálnej DNA.
Tieto gény prispievajú k syntéze NADH oxid-reduktázy alebo komplexu I a niektorých tRNA.
Syndróm MELAS zahŕňa prítomnosť neurologických porúch, svalových porúch, neobvyklej akumulácie kyseliny mliečnej v tkanivách (so všetkými výslednými príznakmi), respiračných problémov, straty kontroly črevných funkcií, recidivujúcej únavy, problémov s obličkami, srdcových problémov, cukrovky. epilepsia a nedostatočná koordinácia.
INÉ PATOLÓGIE
Podľa niekoľkých vedeckých štúdií by aj ochorenia ako syndróm cyklického zvracania, retinitis pigmentosa, ataxia, Parkinsonova choroba a Alzheimerova choroba mohli vidieť mitochondriálnu DNA a niektoré mutácie.
