Allmänhet
Mitokondriellt DNA, eller mtDNA, är deoxiribonukleinsyran som finns inuti mitokondrierna, dvs organellerna i eukaryota celler som är ansvariga för den mycket viktiga cellulära processen för oxidativ fosforylering.
Det har dock också vissa särdrag, både strukturella och funktionella, vilket gör det unikt i sitt slag. Dessa särdrag inkluderar: cirkuläriteten hos nukleotidernas dubbelsträng, innehållet i gener (som endast är 37 element) och den nästan totala frånvaron av icke-kodande nukleotidsekvenser.
Mitokondriellt DNA utför en grundläggande funktion för överlevnad av celler: det producerar de enzymer som är nödvändiga för att förverkliga oxidativ fosforylering.
Vad är mitokondriellt DNA?
Mitokondriellt DNA, eller mtDNA, är DNA som finns i mitokondrierna.
Mitokondrier är de stora cellulära organellerna, typiska för eukaryota organismer, som omvandlar den kemiska energin i maten till ATP, som är en energiform som kan utnyttjas av celler.
BAKGRUND PÅ STRUKTUR OCH FUNKTION AV MITOKONDRONER
Mitokondrier är rörformiga, trådformiga eller granulära i cytoplasman och upptar nästan 25% av volymen av den senare.
De har två fosfolipid tvåskiktsmembran, ett mer yttre och ett mer internt.
Det yttersta membranet, känt som det yttre mitokondriella membranet, representerar omkretsen för varje mitokondrion och har transportproteiner (poriner och mer), vilket gör det genomträngligt för molekyler med en storlek lika med eller mindre än 5000 dalton.
Det innersta membranet, känt som det inre mitokondriella membranet, innehåller alla de enzymatiska (eller enzymatiska) och koenzymkomponenterna som är nödvändiga för syntesen av ATP och definierar ett centralt utrymme, kallat matrisen.
Till skillnad från det yttersta membranet har det inre mitokondriella membranet många invaginationer - de så kallade åsarna - som ökar dess totala yta.
Mellan de två mitokondriella membranen finns det ett utrymme på nästan 60-80 ångström (A). Detta utrymme kallas intermembranutrymmet. Intermembranutrymmet har en sammansättning som mycket liknar cytoplasman.
Syntesen av ATP, som drivs av mitokondrier, är en mycket komplex process, som biologer identifierar med termen oxidativ fosforylering.
PRECIS PLATS FÖR MITOKONDRALT DNA OCH KVANTITET
Figur: en mänsklig mitokondrion.
Mitokondriellt DNA finns i den mitokondriella matrisen, dvs i det utrymme som avgränsas av det inre mitokondriella membranet.
Enligt tillförlitliga vetenskapliga studier kan varje mitokondrion innehålla från 2 till 12 kopior av mitokondriellt DNA.
Med tanke på att vissa celler i människokroppen kan innehålla flera tusen mitokondrier i dem kan det totala antalet kopior av mitokondriellt DNA i en enda mänsklig cell nå upp till 20 000 enheter.
Vänligen notera: antalet mitokondrier i mänskliga celler varierar beroende på celltyp. Till exempel kan hepatocyter (dvs leverceller) innehålla mellan 1 000 och 2 000 mitokondrier vardera, medan erytrocyter (dvs röda blodkroppar) är helt utan dem.
Strukturera
Den allmänna strukturen för en mitokondriell DNA -molekyl liknar den allmänna strukturen för kärn -DNA, det vill säga det genetiska arvet som finns i kärnan av eukaryota celler.
Verkligen, analogt med kärn -DNA:
- Mitokondriellt DNA är en biopolymer, som består av två långa strängar av nukleotider. Nukleotider är organiska molekyler som härrör från förening av tre grundämnen: ett socker med 5 kolatomer (i fallet med DNA, deoxiribos), en kvävehaltig bas och en fosfatgrupp.
- Varje nukleotid i mitokondriellt DNA binder till nästa nukleotid i samma sträng med hjälp av en fosfodiesterbindning mellan kolet 3 i dess deoxiribos och fosfatgruppen i den omedelbart följande nukleotiden.
- De två strängarna av mitokondriellt DNA har motsatta orienteringar, varvid slutet på en interagerar med slutet på den andra och vice versa. Detta speciella arrangemang är känt som det antiparallella arrangemanget (eller antiparallell orientering).
- De två strängarna av mitokondriellt DNA interagerar med varandra genom de kvävehaltiga baserna.
Specifikt upprättar varje kvävebas i varje filament vätebindningar med en och endast en kvävehaltig bas, närvarande på den andra filamenten.
Denna typ av interaktion kallas "parning mellan kvävehaltiga baser" eller "par kvävehaltiga baser". - De kvävehaltiga baserna i mitokondriellt DNA är adenin, tymin, cytosin och guanin.
Parningen som dessa kvävehaltiga baser ger upphov till är inte slumpmässig, men mycket specifik: adenin interagerar endast med tymin, medan cytosin endast interagerar med guanin. - Mitokondriellt DNA är hem för gener (eller gensekvenser). Gener är sekvenser av mer eller mindre långa nukleotider, med en väldefinierad biologisk betydelse. I de flesta fall ger de upphov till proteiner.
STRUKTURA SÄRSKILDA FÖR MITOKONDRALT DNA
Utöver de ovan nämnda analogierna har mänskligt mitokondriellt DNA vissa strukturella särdrag, som skiljer det avsevärt från mänskligt kärn -DNA.
För det första är det en cirkulär molekyl, medan kärn -DNA är en linjär molekyl.
Således har den 16 569 kvävehaltiga baspar, medan kärn -DNA har hela 3,3 miljarder.
Den innehåller 37 gener, medan kärn -DNA verkar innehålla mellan 20 000 och 25 000.
Det är inte organiserat i kromosomer, medan kärn -DNA är uppdelat i 23 kromosomer och bildar, med vissa specifika proteiner, ett ämne som kallas kromatin.
Slutligen innehåller den en serie nukleotider som deltar i två gener samtidigt, medan kärn -DNA har gener vars nukleotidsekvenser är väldefinierade och distinkta från varandra.
Ursprung
Mitokondriellt DNA har sannolikt ett "bakteriellt" ursprung.
Faktum är att på grundval av många oberoende studier tror molekylärbiologer att den cellulära närvaron av mitokondriellt DNA är resultatet av införlivandet av förfädernas eukaryota celler av oberoende bakterieorganismer, mycket lik mitokondrier.
Denna nyfikna upptäckt har bara delvis förvånat det vetenskapliga samfundet, eftersom DNA som finns i bakterier i allmänhet är en cirkulär nukleotidsträng, som mitokondriellt DNA.
Teorin enligt vilken mitokondrier och mitokondriellt DNA har ett "bakteriellt ursprung tar namnet" endosymbiotisk teori ", från ordet" endosymbios. "Kort sagt, i biologin, indikerar termen" endosymbios "ett samarbete mellan två organismer, vilket involverar "införlivande av det ena i det andra för att få en viss fördel.
Nyfikenhet
Enligt tillförlitliga vetenskapliga studier, under evolutionens gång, skulle många bakteriegener, som finns på det framtida mitokondriella DNA, ha ändrat plats och flyttat in i kärn -DNA.
Med andra ord, i början av endosymbios, fanns några gener som nu finns på kärn -DNA i DNA från dessa bakterieorganismer, som senare skulle bli mitokondrier.
För att stödja teorin om ett skift av gener mellan mitokondriellt DNA och kärn -DNA, är observationen att vissa gener härrör från mitokondriellt DNA, i vissa arter och från kärn -DNA, i andra.
Fungera
Mitokondriellt DNA producerar enzymer (dvs. proteiner), nödvändiga för korrekt implementering av den känsliga oxidativa fosforyleringsprocessen.
Instruktionerna för syntetisering av dessa enzymer finns i de 37 gener som utgör mitokondriellt DNA -genom.
VILKA MITOKONDRAL DNA -GENER KOD: DETALJERNA
De 37 generna i mitokondriellt DNA kodar för: proteiner, tRNA och rRNA.
Särskilt:
- 13 kodar 13 proteiner som är ansvariga för att utföra oxidativ fosforylering
- 22 kod för 22 tRNA -molekyler
- 2 kodar för 2 rRNA -molekyler
Molekylerna av tRNA och rRNA är grundläggande för syntesen av de ovannämnda 13 proteinerna, eftersom de utgör det maskineri som reglerar deras produktion.
Så, med andra ord, mitokondriellt DNA besitter informationen för att producera en viss uppsättning proteiner och de verktyg som är nödvändiga för deras syntes.
Vad är RNA, tRNA och rRNA?
RNA, eller ribonukleinsyra, är nukleinsyran som spelar en grundläggande roll vid generering av proteiner, utgående från DNA.
I allmänhet enkelsträngad kan ANN existera i olika former (eller typer), beroende på den specifika funktion som den delegeras till.
TRNA och rRNA är två av dessa möjliga former.
TRNA används för att tillsätta aminosyror under processen för framställning av proteiner Aminosyror är de molekylära enheter som bildar proteiner.
RRNA bildar ribosomerna, det vill säga de cellulära strukturerna i vilka syntesen av proteiner sker.
För att i detalj veta ANN och dess funktioner kan läsarna klicka här.
FUNKTIONELLA DETALJER OM MITOKONDRALT DNA
Ur funktionell synvinkel har mitokondriellt DNA några särdrag som tydligt skiljer det från kärn -DNA.
Här är vad dessa speciella egenskaper består av:
- Mitokondriellt DNA är halvoberoende, i den meningen att det behöver ingripa av vissa proteiner syntetiserade från kärn-DNA.
Å andra sidan är kärn -DNA helt autonomt och producerar i sig allt det som behövs för att utföra sina uppgifter korrekt. - Mitokondriellt DNA har en något annorlunda genetisk kod än kärn -DNA.Detta leder till ett antal skillnader i tillverkningen av proteiner: om en viss sekvens av nukleotider i kärn -DNA leder till skapandet av ett visst protein, leder samma sekvens i mitokondriellt DNA till bildandet av ett något annorlunda protein.
- Mitokondriellt DNA har mycket få icke-kodande nukleotidsekvenser, det vill säga att de inte producerar några proteiner, tRNA eller rRNA. Procentuellt sett är endast 3% av mitokondriellt DNA icke-kodande.
Å andra sidan är kärn-DNA bara 7% kodande, så det innehåller många icke-kodande nukleotidsekvenser (så mycket som 93%).
Tabell: sammanfattning av skillnaderna mellan humant mitokondriellt DNA och mänskligt kärn -DNA.
Mitokondriellt DNA
Kärn -DNA
- Det är cirkulärt
- Det är linjärt
- Det har totalt 16 569 kvävehaltiga baspar
- Den har totalt 3,3 miljarder kvävehaltiga baspar
- Den innehåller totalt 37 gener
- Den innehåller mellan 20 000 och 25 000 gener
- För att fungera korrekt behöver det stöd från vissa genprodukter som härrör från kärn -DNA
- Det är autonomt och producerar själv allt som behövs för att utföra sina funktioner korrekt
- Det kan finnas i flera kopior inom varje enskild mitokondrion
- Det är unikt, det vill säga det finns bara i ett exemplar, och det finns i kärnan
- 97% av nukleotidsekvensen som komponerar den kodar
- Endast 7% av nukleotidsekvensen som utgör den kodar
- Det är inte organiserat i kromosomer
- Det är uppdelat i 23 kromosomer
- Den använder en genetisk kod som är något annorlunda än den så att säga "traditionella"
- Använd den "traditionella" genetiska koden
- Dess arv är moderligt
- Dess arv är hälften moderligt och halvt faderligt
- Några av dess nukleotider deltar i två gener samtidigt
- Sekvenserna av nukleotider som utgör generna skiljer sig väl från varandra
Arv
Mitokondriellt DNA -arv är strängt modernt.
Detta innebär att det i ett par föräldrar är kvinnan som överför mitokondriellt DNA till avkomman (dvs till barnen).
På ett helt motsatt sätt till ovanstående är kärn -DNA -arv hälften moderligt och halvt faderligt. Med andra ord bidrar båda föräldrarna lika till överföring av kärn -DNA hos avkommor.
Vänligen notera: maternellt arv av mitokondriellt DNA involverar också mitokondriell struktur. Därför är mitokondrier som finns hos en individ moder.
Tillhörande patologier
Premiss: En genetisk mutation är en permanent förändring i sekvensen av nukleotider, som utgör en nukleär eller mitokondriell DNA -gen.
Typiskt resulterar närvaron av en genetisk mutation i en "förändring eller förlust av normal funktion hos den inblandade genen.
Förekomsten av mutationer i de mitokondriella DNA -generna kan leda till ett brett spektrum av sjukdomar, inklusive:
- Lebers ärftliga optiska neuropati
- Kearns-Sayre syndrom
- Leighs syndrom
- Bristen på cytokrom C -oxidas
- Progressiv yttre oftalmoplegi
- Pearsons syndrom
- Mitokondriell encefalomyopati med laktacidos och strokeliknande episoder (MELAS syndrom)
- Diabetes med maternellt överförd dövhet
- Myoklonisk epilepsi med oregelbundna röda fibrer
När det gäller de patologiska tillstånden kopplade till en eller flera mitokondriella DNA -mutationer måste två aspekter förtydligas.
För det första beror sjukdomens svårighetsgrad på det kvantitativa sambandet mellan muterade mitokondriella DNA och friska, normala mitokondriella DNA. Om antalet muterade mitokondriella DNA är betydligt större än för friska DNA, blir det resulterande tillståndet allvarligare.
För det andra påverkar mutationer i mitokondriellt DNA endast vissa vävnader i organismen, i synnerhet de som kräver stora mängder ATP som härrör från den oxidativa fosforyleringsprocessen. den funktion som mitokondriellt DNA normalt fyller.
LEBER ärftlig OPTISK NEUROPATI
Lebers ärftliga optiska neuropati uppstår som ett resultat av mutationen av så många som fyra mitokondriella DNA -gener. Dessa gener innehåller den information som leder till syntesen av det så kallade komplexet I (eller NADH-oxidreduktas), ett av de olika enzymerna som är involverade i den oxidativa fosforyleringsprocessen.
Patologins manifestationer består av en progressiv degeneration av synnerven och en gradvis synförlust.
KEARNS-SAYRE SYNDROME
Kearns-Sayre syndrom uppträder på grund av avsaknaden av en rimlig mängd mitokondriellt DNA (N.B: bristen på en viss nukleotidsekvens kallas en deletion).
Personer med Kearns-Sayre syndrom utvecklar oftalmoplegi (total eller partiell förlamning av de okulomotoriska musklerna), en form av retinopati och hjärtrytmavvikelser (atrioventrikulärt block).
LEIGHS SYNDROM
Leigh syndrom uppstår som ett resultat av mitokondriella DNA-mutationer, som kan påverka ATP-syntasproteinet (även kallat V-komplex) och / eller vissa tRNA.
Leighs syndrom är en progressiv neurologisk sjukdom som uppträder i spädbarn eller barndom och är ansvarig för: utvecklingsfördröjning, muskelsvaghet, perifer neuropati, motoriska störningar, andningssvårigheter och oftalmoplegi.
DEFICITET AV CYTOCHROME C OXIDASE
Cytokrom C -oxidasbrist uppstår på grund av mutation av minst 3 mitokondriella DNA -gener. Dessa gener är väsentliga för korrekt syntes av cytokrom C -oxidas (eller komplext IV) enzym, involverat i den oxidativa fosforyleringsprocessen.
Typiska manifestationer av cytokrom C -oxidasbrist består av: skelettmuskeldysfunktion, hjärtfunktion, njurfunktion och nedsatt leverfunktion.
PROGRESSIV EXTERN OPTALMOPLEGI
Progressiv yttre oftalmoplegi uppstår från bristen på ett stort antal mitokondriella DNA -nukleotider (radering)
Med en progressiv karaktär (som man kan gissa från namnet) orsakar denna patologi en förlamning av de okulomotoriska musklerna, med påföljande ptos och betydande synproblem.
PEARSONS SYNDROM
Pearsons syndrom uppträder efter en tydlig radering av mitokondriellt DNA, på liknande sätt som progressiv yttre oftalmoplegi och Kearns-Sayre syndrom.
Typiska manifestationer av Pearsons syndrom består av: sideroblastisk anemi, bukspottkörtelns dysfunktion (t.ex. insulinberoende diabetes), neurologiska underskott och muskelsjukdomar.
Pearson syndrom orsakar vanligtvis att den drabbade personen dör i ung ålder. Faktum är att de som drabbas av denna patologi sällan når vuxen ålder.
MELAS SYNDROM
MELAS syndrom, även känt som mitokondriell encefalomyopati med laktacidos och strokeliknande episoder, härrör från mutation av minst 5 mitokondriella DNA-gener.
Dessa gener bidrar till syntesen av NADH-oxidreduktas, eller komplex I, och av vissa tRNA.
MELAS syndrom innefattar förekomst av neurologiska störningar, muskelsjukdomar, ovanlig ackumulering av mjölksyra i vävnaderna (med alla symtom som följer), andningsproblem, förlust av tarmfunktionskontroll, återkommande trötthet, njurproblem, hjärtproblem, diabetes, epilepsi och brist på samordning.
ÖVRIGA PATOLOGIER
Enligt olika vetenskapliga studier skulle sjukdomar som cykliskt kräkningssyndrom, retinitis pigmentosa, ataxi, Parkinsons sjukdom och Alzheimers sjukdom också se inblandning av mitokondriellt DNA och några av dess mutationer.
