Mitochondriální DNA

všeobecnost

Mitochondriální DNA, neboli mtDNA, je deoxyribonukleová kyselina, která se nachází uvnitř mitochondrií, tj. Organel eukaryotických buněk zodpovědných za velmi důležitý buněčný proces oxidační fosforylace.

Mitochondriální DNA má některé podobnosti s nukleární DNA, jako je dvojité vlákno nukleotidů, složení z hlediska dusíkatých bází, přítomnost genů atd.

Má však také některé zvláštnosti, a to jak strukturální, tak funkční, které z něj činí jedinečný. Tyto vlastnosti zahrnují: kruhovitost dvojitého řetězce nukleotidů, obsah genů (což je pouze 37 prvků) a téměř úplnou nepřítomnost nekódujících nukleotidových sekvencí.

Mitochondriální DNA hraje zásadní roli v přežití buněk: produkuje enzymy nezbytné pro realizaci oxidační fosforylace.

Co je mitochondriální DNA?

Mitochondriální DNA nebo mtDNA je DNA lokalizovaná uvnitř mitochondrií .

Mitochondrie jsou ty velké buněčné organely, typické pro eukaryotické organismy, které přeměňují chemickou energii obsaženou v potravinách na ATP, což je forma energie, kterou mohou buňky využívat.

PŘIPOMÍNÁ STRUKTURA A FUNGOVÁNÍ MITOCHONDERŮ

Z tubulární, vláknité nebo granulované formy se mitochondrie nacházejí v cytoplazmě a zabírají téměř 25% objemu.

Mají dvě fosfolipidové dvouvrstvé membrány, jednu vnější a jednu vnitřní.

Nejvzdálenější membrána, známá jako vnější mitochondriální membrána, představuje obvod každé mitochondrie a má transportní proteiny (nejen porine a nejen), které ji činí propustnou pro molekuly o velikosti rovné nebo menší než 5000 daltonů.

Vnitřní membrána, známá jako vnitřní mitochondriální membrána, obsahuje všechny enzymatické složky (nebo enzymy) a koenzymové složky nezbytné pro syntézu ATP a vymezuje centrální prostor, nazývaný matrix .

Na rozdíl od nejvzdálenější membrány má vnitřní mitochondriální membrána četné invaginace - tzv. Hřebeny - které zvyšují její celkovou plochu.

Mezi dvěma mitochondriálními membránami je prostor téměř 60-80 Angstromů (A). Tento prostor se nazývá intermembránový prostor . Intermembránový prostor má složení velmi podobné cytoplazmě.

Syntéza ATP, provozovaná mitochondriemi, je velmi složitý proces, který biologové identifikují s termínem oxidační fosforylace .

PŘESNÉ MITOCHONDRIÁLNÍ UMÍSTĚNÍ A MNOŽSTVÍ DNA

Obrázek: lidské mitochondrie.

Mitochondriální DNA se nachází v mitochondriální matrici, tj. V prostoru vymezeném vnitřní mitochondriální membránou.

Na základě spolehlivých vědeckých studií může každá mitochondrie obsahovat 2 až 12 kopií mitochondriální DNA.

Vzhledem k tomu, že v lidském těle mohou některé buňky v sobě obsahovat několik tisíc mitochondrií, může celkový počet kopií mitochondriální DNA v jediné lidské buňce dosáhnout až 20 000 jednotek.

Poznámka: počet mitochondrií v lidských buňkách se liší v závislosti na typu buňky. Například hepatocyty (tj. Jaterní buňky) mohou obsahovat 1 000 až 2 000 mitochondrií, zatímco erytrocyty (tj. Červené krvinky) je zcela prosté.

struktura

Obecná struktura molekuly mitochondriální DNA se podobá obecné struktuře jaderné DNA, což je genetické dědictví přítomné v jádru eukaryotických buněk.

Podobně jako jaderná DNA:

  • Mitochondriální DNA je biopolymer skládající se ze dvou dlouhých řetězců nukleotidů . Nukleotidy jsou organické molekuly, které jsou výsledkem spojení tří prvků: cukru s 5 atomy uhlíku (v případě DNA, deoxyribózy ), dusíkaté báze a fosfátové skupiny .
  • Každý nukleotid mitochondriální DNA se váže na další nukleotid stejného vlákna pomocí fosfodiesterové vazby mezi uhlíkem 3 jeho deoxyribózy a bezprostředně následující nukleotidovou fosfátovou skupinou.
  • Dva řetězce mitochondriální DNA mají opačnou orientaci, s hlavou jedné interakce s koncem druhé a naopak. Toto konkrétní uspořádání je známé jako antiparalelní uspořádání (nebo antiparalelní orientace ).
  • Dvě vlákna mitochondriální DNA vzájemně interagují prostřednictvím dusíkatých bází .

    Konkrétně každá dusíkatá báze každého vlákna zavádí vodíkové vazby s jednou a pouze jednou dusíkatou bází, přítomnou na druhém vlákně.

    Tento typ interakce se nazývá "párování mezi dusíkatými bázemi" nebo "párem dusíkatých bází".

  • Dusíkaté báze mitochondriální DNA jsou adenin, thymin, cytosin a guanin .

    Párování, ke kterému tyto dusíkaté báze vznikají, není náhodné, ale vysoce specifické: adenin interaguje pouze s tyminem, zatímco cytosin pouze s guaninem.

  • Mitochondriální DNA je domovem genů (nebo genových sekvencí). Geny jsou sekvence více či méně dlouhých nukleotidů s dobře definovaným biologickým významem. Ve většině případů vznikají proteiny.

STRUKTURÁLNÍ DETAILY MITOCHONDRIÁLNÍ DNA

Kromě výše uvedených analogií má lidská mitochondriální DNA některé strukturní zvláštnosti, které ji značně odlišují od lidské jaderné DNA.

Nejprve je to kruhová molekula, zatímco jaderná DNA je lineární molekula.

Má tedy 16 569 párů dusíkatých bází, zatímco jaderná DNA má krásu 3, 3 miliardy.

Obsahuje 37 genů, zatímco nukleární DNA obsahuje mezi 20 000 a 25 000.

Není organizován v chromozomech, zatímco jaderná DNA je rozdělena na až 23 chromozomů a forem, s některými specifickými proteiny, látkou zvanou chromatin.

Konečně, zahrnuje řadu nukleotidů, které se účastní dvou genů současně, zatímco jaderná DNA má geny, jejichž nukleotidové sekvence jsou dobře definované a od sebe odlišné.

původ

Mitochondriální DNA má velmi pravděpodobně bakteriální původ .

Na základě četných nezávislých studií se molekulární biologové domnívají, že buněčná přítomnost mitochondriální DNA je výsledkem inkorporace nezávislých bakteriálních organismů, které jsou velmi podobné mitochondriím, původními eukaryotickými buňkami.

Tento zvědavý objev vědeckou komunitu jen částečně ohromil, protože DNA přítomná v bakteriích je obecně vláknem kruhových nukleotidů, jako je mitochondriální DNA.

Teorie, že mitochondrie a mitochondriální DNA budou mít bakteriální původ, se nazývá " endosymbiotická teorie ", od slova " endosymbióza ". Stručně, v biologii, termín “endosymbiosis” označuje spolupráci mezi dvěma organismy, který zahrnuje začlenění jednoho uvnitř druhého, aby získal jistou výhodu.

zvědavost

Podle spolehlivých vědeckých studií by v průběhu evoluce mnoho bakteriálních genů, přítomných na budoucí mitochondriální DNA, změnilo místo a přesunulo se do jaderné DNA.

Jinými slovy, na začátku endosymbiózy, některé geny přítomné nyní na jaderné DNA sídlily v DNA těch bakteriálních organismů, které by se pak staly mitochondriemi.

Teorie, že určité geny pocházejí z mitochondriální DNA, v některých druzích az jaderné DNA, v jiných, potvrzuje teorii posunu genů mezi mitochondriální DNA a nukleární DNA.

funkce

Mitochondriální DNA produkuje enzymy (tj. Proteiny), které jsou nezbytné pro správnou realizaci delikátního procesu oxidační fosforylace.

Instrukce pro syntézu těchto enzymů spočívají v 37 genech, které tvoří genom mitochondriální DNA.

Co je genem MITOCHONDRIÁLNÍ DNA kódů: PODROBNOSTI

37 genů mitochondriální DNA kóduje: proteiny, tRNA a rRNA.

Konkrétně:

  • 13 kóduje 13 proteinů zodpovědných za provádění oxidační fosforylace
  • 22 kóduje 22 molekul tRNA
  • 2 kódují 2 molekuly rRNA

Molekuly tRNA a rRNA jsou zásadní pro syntézu výše uvedených 13 proteinů, protože tvoří mechanismus, který reguluje jejich produkci.

Jinými slovy, mitochondriální DNA má informace pro produkci určitého souboru proteinů a nástrojů nezbytných pro jejich syntézu.

Co jsou RNA, tRNA a rRNA?

RNA, neboli ribonukleová kyselina, je nukleová kyselina, která hraje zásadní úlohu při tvorbě proteinů, počínaje DNA.

Obecně jednovláknová RNA může existovat v různých formách (nebo typech), v závislosti na specifické funkci, ke které je zástupcem.

TRNA a rRNA jsou dvě z těchto možných forem.

TRNA se používá k přidávání aminokyselin během procesu tvorby proteinů. Aminokyseliny jsou molekulární jednotky, které tvoří proteiny.

RRNA tvoří ribozomy, tj. Buněčné struktury, na nichž je založena syntéza proteinů.

Chcete-li se dozvědět více o RNA a jejích funkcích, čtenáři mohou kliknout zde.

FUNKČNÍ PODROBNOSTI MITOCHONDRIÁLNÍ DNA

Z funkčního hlediska má mitochondriální DNA některé zvláštní vlastnosti, které ji jasně odlišují od jaderné DNA.

Zde jsou uvedeny tyto vlastnosti:

  • Mitochondriální DNA je polo-nezávislá v tom smyslu, že potřebuje zásah některých proteinů syntetizovaných z jaderné DNA.

    Naproti tomu jaderná DNA je zcela autonomní a produkuje vše, co potřebuje k řádnému plnění svých úkolů.

  • Mitochondriální DNA má geneticky odlišný kód než nukleární DNA . To vede k řadě rozdílů v realizaci proteinů: jestliže určitá sekvence nukleotidů v jaderné DNA vede k vytvoření určitého proteinu, stejná sekvence v mitochondriální DNA vede k tvorbě mírně odlišného proteinu.
  • Mitochondriální DNA má velmi málo nekódujících nukleotidových sekvencí, to znamená, že neprodukují žádný protein, tRNA nebo rRNA. V procentech jsou pouze 3% mitochondriální DNA nekódující.

    Naopak nukleární DNA kóduje pouze 7%, takže obsahuje velké množství nekódujících nukleotidových sekvencí (93%).

Tabulka: Souhrn rozdílů mezi lidskou mitochondriální DNA a lidskou jadernou DNA.

Mitochondriální DNA

Jaderná DNA

  • Je kruhový
  • Je to lineární
  • Má celkem 16 569 párů dusíkatých bází
  • Má celkem 3, 3 miliardy párů dusíkatých bází
  • Obsahuje celkem 37 genů
  • Obsahuje 20 000 až 25 000 genů
  • Pro správnou funkci potřebuje podporu některých genových produktů, odvozených z jaderné DNA
  • Je autonomní a vytváří vše, co potřebuje k řádnému plnění svých funkcí
  • Může být přítomen v několika kopiích v rámci jednotlivých mitochondrií
  • Je jedinečný, to znamená, že je pouze v jedné kopii a sídlí v jádru
  • 97% nukleotidové sekvence, ze které se skládá, je kódování
  • Pouze 7% sekvence nukleotidů, které ji tvoří, je kódování
  • Není organizována v chromozomech
  • Je rozdělen do 23 chromozomů
  • Použijte genetický kód, který se mírně liší od „tradičního“
  • Použijte "tradiční" genetický kód
  • Její dědictví je mateřské
  • Jeho dědictví je polovina mateřské a poloviny otcovské
  • Některé jeho nukleotidy se účastní současně dvou genů
  • Nukleotidové sekvence, které tvoří geny, jsou od sebe dobře odlišeny

dědictví

Dědičnost mitochondriální DNA je striktně mateřská .

To znamená, že u několika rodičů je to žena, která přenáší mitochondriální DNA na potomky (tj. Děti).

Úplně opačným způsobem, než je uvedeno výše, je dědičnost jaderné DNA poloviční, mateřská a poloviční otcovská. Jinými slovy, oba rodiče přispívají stejně k přenosu jaderné DNA v potomstvu.

Poznámka: mateřská dědičnost mitochondriální DNA také zahrnuje mitochondriální strukturu. Mitochondrie přítomné u jedince jsou tedy na mateřské formě.

Přidružené patologie

Předpoklad: genetická mutace je trvalá změna v sekvenci nukleotidů, které tvoří gen nukleární nebo mitochondriální DNA.

Přítomnost genetické mutace obecně vede ke změně nebo ztrátě normální funkce příslušného genu.

Přítomnost mutací na úrovni genů mitochondriální DNA může určit širokou škálu onemocnění, včetně:

  • Leberova dědičná optická neuropatie
  • Kearns-Sayreův syndrom
  • Leighův syndrom
  • Nedostatek cytochromu C oxidázy
  • Progresivní externí oftalmoplegie
  • Pearsonův syndrom
  • Mitochondriální encefalomyopatie s laktátovou acidózou a epizodami podobnými mozkové příhodě (syndrom MELAS)
  • Diabetes s mateřskou transmisní hluchotou
  • Myoklonická epilepsie s nepravidelnými červenými vlákny

S ohledem na patologické stavy spojené s jednou nebo více mutacemi mitochondriální DNA musí být specifikovány dva aspekty.

Za prvé, závažnost morbidního stavu závisí na kvantitativním vztahu mezi mutovanou mitochondriální DNA a zdravou normální mitochondriální DNA. Pokud je počet mutovaných mitochondriálních DNA mnohem vyšší než u zdravé DNA, výsledný stav bude závažnější.

Za druhé, mutace v mitochondriální DNA ovlivňují pouze určité tkáně v těle, zejména ty, které vyžadují velké množství ATP vyplývající z procesu oxidační fosforylace. To je zcela pochopitelné: buňky, které nejvíce potřebují funkci, kterou mitochondriální DNA normálně provádí, jsou nejvíce postiženy nefunkční mitochondriální DNA.

HERITITARY OPTICAL NEUROPATHY LEBER

Leberova dědičná optická neuropatie vzniká v důsledku mutace až čtyř genů mitochondriální DNA. Tyto geny obsahují informace, které vedou k syntéze tzv. Komplexu I (nebo NADH oxid-reduktázy), jednoho z různých enzymů zapojených do procesu oxidační fosforylace.

Projevy patologie spočívají v progresivní degeneraci zrakového nervu a postupné ztrátě zraku.

KEARNS-SAYRE SYNDROME

Kearns-Sayreův syndrom se objevuje v důsledku nedostatku diskrétní části mitochondriální DNA (NB: nedostatek určité nukleotidové sekvence se nazývá delece ).

Utrpení Kearns-Sayreho syndromu vyvolávají oftalmoplegii (tj. Totální nebo částečnou paralýzu okulomotorických svalů), formu retinopatie a abnormální srdeční rytmus (atrioventrikulární blok).

LEIGH SYNDROME

Leighův syndrom vzniká jako výsledek mutací mitochondriální DNA, které mohou zahrnovat protein ATP-syntázy (také nazývaný komplex V) a / nebo některé tRNA.

Leighův syndrom je progresivní neurologické onemocnění, které se objevuje v dětství nebo v dětství a je zodpovědné za: vývojové zpoždění, svalovou slabost, periferní neuropatii, motorické poruchy, potíže s dýcháním a oftalmoplegii.

DEFICIT OXIDÁZY CYTOKROME C

Nedostatek cytochromu C oxidázy se objevuje v důsledku mutace alespoň 3 genů mitochondriální DNA. Tyto geny jsou zásadní pro správnou syntézu enzymu cytochromu C oxidázy (nebo komplexu IV), který se podílí na procesu oxidační fosforylace.

Typické projevy deficitu cytochromu C oxidasy jsou: dysfunkce kosterních svalů, srdeční dysfunkce, dysfunkce ledvin a dysfunkce jater.

POKROČILÁ VNĚJŠÍ OPATALMOPIE

K progresivnímu externímu oftalmoplegii dochází v důsledku nedostatku podstatného množství nukleotidů mitochondriální DNA (delece)

S progresivním charakterem (jak můžete hádat z názvu) tato patologie způsobuje paralýzu okulomotorických svalů, s následnou ptózou a značnými zrakovými problémy.

PEARSON SYNDROME

Pearsonův syndrom se objevuje po velké deleci mitochondriální DNA, podobně jako progresivní externí oftalmoplegie a Kearns-Sayreův syndrom.

Typickými projevy Pearsonova syndromu jsou: sideroblastická anémie, dysfunkce pankreatu (např. Diabetes závislý na inzulínu), neurologické deficity a svalové poruchy.

Obecně Pearsonův syndrom způsobuje smrt subjektu postiženého v mladém věku. Ve skutečnosti ti, kteří jsou touto patologií postiženi, mají zřídka dospělost.

MELAS SYNDROME

Syndrom MELAS, známý také jako mitochondriální encefalomyopatie s laktátovou acidózou a epizodami podobnými mozkové příhodě, se objevuje jako výsledek mutace alespoň 5 genů mitochondriální DNA.

Tyto geny přispívají k syntéze NADH oxid-reduktázy nebo komplexu I a některých tRNA.

Syndrom MELAS zahrnuje přítomnost neurologických poruch, svalových poruch, neobvyklé akumulace kyseliny mléčné ve tkáních (se všemi výslednými symptomy), dýchacích potíží, ztráty kontroly nad střevními funkcemi, opakované únavy, problémů s ledvinami, srdečních problémů, diabetu., epilepsie a nedostatek koordinace.

OSTATNÍ PATOLOGIE

Podle několika vědeckých studií by i onemocnění, jako je syndrom cyklického zvracení, retinitis pigmentosa, ataxie, Parkinsonova choroba a Alzheimerova choroba, mohly vidět mitochondriální DNA a některé mutace.

Doporučená

Subunguální krvácení - příčiny a symptomy
2019
Clopidogrel Teva
2019
Jaké jsou slzy?
2019