всеобщност
Митохондриалната ДНК, или мтДНК, е дезоксирибонуклеиновата киселина, която се намира в митохондриите, т.е. органелите на еукариотните клетки, отговорни за много важния клетъчен процес на окислително фосфорилиране.
Той обаче представя и някои особености, структурни и функционални, които го правят уникален по рода си. Тези особености включват: циркулярността на двойната нуклеотидна верига, съдържанието на гените (което е само 37 елемента) и почти пълното отсъствие на некодиращи нуклеотидни последователности.
Митохондриалната ДНК играе основна функция за оцеляване на клетките: тя произвежда необходимите ензими за осъществяване на окислително фосфорилиране.
Какво е митохондриална ДНК?
Митохондриалната ДНК, или мтДНК, е ДНК, разположена вътре в митохондриите .
Митохондриите са тези големи клетъчни органели, типични за еукариотните организми, които превръщат химическата енергия, съдържаща се в храната, в АТФ, която е форма на енергия, която могат да бъдат използвани от клетките.
ПРИПОМНЯ СТРУКТУРАТА И ФУНКЦИОНИРАНЕТО НА MITOCONDRI
Тръбни, нишковидни или гранулирани, митохондриите се намират в цитоплазмата и заемат почти 25% от обема на последната.
Те имат две фосфолипидни двуслойни мембрани, още една външна и още една вътрешна.
Външната мембрана, известна като външната митохондриална мембрана, представлява периметъра на всяка митохондрия и притежава транспортни протеини (порини, а не само), които я правят проницаема за молекули от 5000 далтона или по-малко.
Най-вътрешната мембрана, известна като вътрешна митохондриална мембрана, съдържа всички ензимни (или ензимни) и коензимни компоненти, необходими за синтеза на АТР, и ограничава централното пространство, наречено матрица .
За разлика от най-външната мембрана, вътрешната митохондриална мембрана представя множество инвагинации - така наречените хребети - които увеличават общата му площ.
Между двете митохондриални мембрани има пространство от почти 60-80 ангстрема (А). Това пространство приема името на междумембранното пространство . Интермембранното пространство има състав, много подобен на този на цитоплазмата.
Синтезът на АТР, осъществяван от митохондриите, е много сложен процес, който биолозите идентифицират с термина окислително фосфорилиране .
ПРЕЦИЗНО ОФИС НА МИТОХОНДРИАЛНА ДНК И КОЛИЧЕСТВО
Фигура: човешка митохондрия.
Митохондриалната ДНК се намира в матрицата на митохондриите, т.е. в пространството, ограничено от вътрешната митохондриална мембрана.
Въз основа на надеждни научни изследвания, всяка митохондрия може да съдържа 2 до 12 копия на митохондриална ДНК.
Като се има предвид факта, че в човешкото тяло някои клетки могат да съдържат няколко хиляди митохондрии в тях, общият брой копия на митохондриалната ДНК в една човешка клетка може да достигне дори 20 000 единици.
Забележка: броят на митохондриите в човешките клетки варира в зависимост от типа на клетката. Например, хепатоцитите (т.е. чернодробните клетки) могат да съдържат между 1000 и 2000 митохондрии всеки, докато еритроцитите (т.е. червените кръвни клетки) са напълно свободни от тях.
структура
Общата структура на митохондриалната ДНК молекула припомня общата структура на ядрената ДНК, т.е. генетичното наследство, присъстващо в ядрото на еукариотните клетки.
Всъщност, аналогично на ядрената ДНК:
- Митохондриалната ДНК е биополимер, състоящ се от две дълги нуклеотидни нишки. Нуклеотидите са органични молекули, резултат от обединението на три елемента: захар с 5 въглеродни атома (в случая на ДНК, дезоксирибоза ), азотна основа и фосфатна група .
- Всеки нуклеотид от митохондриалната ДНК се свързва със следващия нуклеотид от същата нишка, посредством фосфодиестерична връзка между въглерод 3 на неговата дезоксирибоза и фосфатната група на непосредствено следващия нуклеотид.
- Двете нишки на митохондриалната ДНК имат противоположна ориентация, като главата на една взаимодейства с края на другата и обратно. Тази конкретна подредба е известна като антипаралелна подредба (или антипаралелна ориентация ).
- Двете нишки на митохондриалната ДНК взаимодействат помежду си, използвайки азотни бази .
По-конкретно, всяка азотна основа на всяка нишка установява водородни връзки с една и само една азотна основа, присъстваща на другата нишка.
Този тип взаимодействие се нарича "сдвояване на азотни бази" или "двойка азотни бази".
- Азотните основи на митохондриалната ДНК са аденин, тимин, цитозин и гуанин .
Сдвояването, при което възникват тези азотни бази, не е случайно, но е много специфично: аденин взаимодейства само с тимин, докато цитозинът взаимодейства само с гуанина.
- Митохондриалната ДНК е дом на гени (или генни последователности). Гените са последователности на повече или по-малко дълги нуклеотиди, с добре дефиниран биологичен смисъл. В повечето случаи те пораждат протеини.
СТРУКТУРНИ ПОДРОБНОСТИ ЗА МИТОХОНДРИАЛНА ДНК
Извън гореспоменатите аналогии, човешката митохондриална ДНК представя някои структурни особености, които я отличават значително от човешката ядрена ДНК.
На първо място, това е кръгова молекула, докато ядрената ДНК е линейна молекула.
Така, тя има 16, 569 двойки азотни бази, а ядрената ДНК притежава красотата от 3, 3 милиарда.
Той съдържа 37 гена, докато ядрената ДНК съдържа между 20 000 и 25 000.
Тя не е организирана в хромозоми, докато ядрената ДНК е разделена на 23 хромозоми и форми, с някои специфични протеини, вещество, наречено хроматин.
Накрая, тя включва серия от нуклеотиди, които участват в два гена едновременно, докато ядрената ДНК има гени, чиито нуклеотидни последователности са добре дефинирани и се различават една от друга.
произход
Много е вероятно митохондриалната ДНК да има бактериален произход .
Всъщност, на базата на многобройни независими изследвания, молекулярните биолози смятат, че клетъчното присъствие на митохондриалната ДНК е резултат от включването на еукариотни клетки от предци, на независими бактериални организми, много подобни на митохондриите.
Това любопитно откритие само порази научната общност отчасти, тъй като ДНК, присъстваща в бактериите, обикновено е нишка от кръгови нуклеотиди, като митохондриална ДНК.
Теорията, че митохондриите и митохондриалната ДНК имат бактериален произход, се нарича " ендосимбиотична теория " от думата " ендосимбиоза ". Накратко, в биологията терминът "ендосимбиоза" означава сътрудничество между два организма, което включва включването на едното в другото, за да се получи определено предимство.
любопитство
Според надеждни научни изследвания, в хода на еволюцията много бактериални гени, присъстващи в бъдещата митохондриална ДНК, биха променили местоположението си, преминавайки в ядрена ДНК.
С други думи, в началото на ендосимбиозата, някои гени, които сега присъстват в ядрената ДНК, се намират в ДНК на тези бактериални организми, които по-късно ще станат митохондрии.
В подкрепа на теорията за изместването на гена между митохондриалната ДНК и ядрената ДНК е наблюдението, че някои гени произтичат от митохондриална ДНК, в някои видове и от ядрена ДНК, в други.
функция
Митохондриалната ДНК произвежда ензими (т.е. протеини), необходими за правилната реализация на деликатния процес на окислително фосфорилиране.
Инструкциите за синтеза на тези ензими се намират в 37 гена, съставляващи генома на митохондриалната ДНК.
КАКВО КОДИ ГЕНИТЕ НА МИТОХОНДРИАЛНА ДНК: ДЕТАЙЛИ
37 митохондриални ДНК гени кодират за: протеини, tRNA и rRNA.
По-конкретно:
- 13 кодифицират 13 протеини, отговорни за осъществяването на окислително фосфорилиране
- 22 код за 22 тРНК молекули
- 2 код за 2 рРНК молекули
Молекулите на тРНК и рРНК са фундаментални за синтеза на гореспоменатите 13 протеини, тъй като те съставят машината, която регулира нейното производство.
С други думи, митохондриалната ДНК има информация, за да произведе определен набор от протеини и инструментите, необходими за синтеза на последната.
Какво представляват РНК, тРНК и рРНК?
РНК, или рибонуклеинова киселина, е нуклеиновата киселина, която играе основна роля в генерирането на протеини, започвайки от ДНК.
Като цяло едноверижната, РНК може да съществува в различни форми (или типове), в зависимост от специфичната функция, на която е делегирана.
ТРНК и рРНК са две от тези възможни форми.
TRNA се използва за добавяне на аминокиселини по време на процеса на създаване на протеин. Аминокиселините са молекулните единици, които съставляват протеини.
РРНК образува рибозомите, т.е. клетъчните структури, в които се намира протеиновия синтез.
За да научите повече за РНК и нейните функции, читателите могат да кликнат тук.
ФУНКЦИОНАЛНИ ДЕТАЙЛИ НА МИТОХОНДРИАЛНА ДНК
От функционална гледна точка, митохондриалната ДНК има някои особени характеристики, които я отличават ясно от ядрената ДНК.
Ето какво се състои от тези особени характеристики:
- Митохондриалната ДНК е полу-независима, в смисъл, че изисква намесата на някои протеини, синтезирани от ядрена ДНК.
От друга страна, ядрената ДНК е напълно автономна и произвежда за себе си всичко, от което се нуждае, за да изпълнява правилно задачите си.
- Митохондриалната ДНК има генетичен код, който е малко по-различен от този на ядрената ДНК . Това води до редица разлики в производството на протеини: ако определена нуклеотидна последователност в ядрената ДНК води до създаването на определен протеин, същата последователност в митохондриалната ДНК води до образуването на малко по-различен протеин.
- Митохондриалната ДНК има много малко последователности от некодиращи нуклеотиди, т.е. те не произвеждат никакъв протеин, tRNA или rRNA. В процентно отношение само 3% от митохондриалната ДНК е некодираща.
Обратно, ядрената ДНК е само 7% кодираща, следователно тя съдържа голям брой некодиращи нуклеотидни последователности (до 93%).
Таблица: обобщение на разликите между човешка митохондриална ДНК и човешка ядрена ДНК. | |
Митохондриална ДНК | Ядрена ДНК |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
наследяване
Наследяването на митохондриалната ДНК е строго майчино .
Това означава, че в няколко родители жената предава митохондриалната ДНК на потомството (т.е. децата).
На напълно противоположен начин от споменатото по-горе, наследяването на ядрената ДНК е половината от майката и половината от бащината. С други думи, и двамата родители допринасят в еднаква степен за предаването на ядрената ДНК в потомството.
Моля, обърнете внимание: майчиното наследяване на митохондриалната ДНК включва и митохондриалната структура. Така, митохондриите, присъстващи в индивида, са на майчина основа.
Свързани заболявания
Предпоставка: Генетичната мутация е постоянна промяна в последователността на нуклеотидите, които представляват ядрен или митохондриален ДНК ген.
Като цяло, наличието на генетична мутация води до промяна или загуба на нормалната функция на съответния ген.
Наличието на мутации в гените на митохондриалната ДНК може да определи широк спектър от патологии, включително:
- Наследствената оптична невропатия на Лебер
- Синдромът на Kearns-Sayre
- Синдром на Лий
- Дефицит на цитохром С оксидаза
- Прогресивна външна офталмоплегия
- Синдром на Пиърсън
- Митохондриална енцефаломиопатия с лактатна ацидоза и инсулт-подобни епизоди (синдром на MELAS)
- Диабет с глухота на предаване от майката
- Миоклонична епилепсия с неправилни червени влакна
Що се отнася до патологичните състояния, свързани с една или повече мутации на митохондриална ДНК, трябва да се посочат два аспекта.
Първо, тежестта на болестното състояние зависи от количествената връзка между мутиралата митохондриална ДНК и нормалната, здрава митохондриална ДНК. Ако броят на мутиралите митохондриални ДНК е далеч по-голям от този на здравата ДНК, полученото състояние ще бъде по-тежко.
Второ, мутациите на митохондриалната ДНК имат ефект само върху някои тъкани на организма, по-специално тези, които изискват големи количества АТР, произтичащи от процеса на окислително фосфорилиране. Това е напълно разбираемо: да страдат повече от неизправност на митохондриалната ДНК са клетките, които най-много се нуждаят от функцията, с която митохондриалната ДНК функционира нормално.
НАСЛЕДСТВЕНА ОПТИЧНА НЕВРОПАТИЯ НА LEBER
Наследената оптична невропатия на Лебер възниква поради мутацията на четири гена на митохондриалната ДНК. Тези гени съдържат информацията, която води до синтеза на така наречения комплекс I (или NADH оксид-редуктаза), един от различните ензими, участващи в процеса на окислително фосфорилиране.
Проявите на заболяването се състоят от прогресивна дегенерация на зрителния нерв и постепенна загуба на зрението.
СИНДРОМ НА KEARNS-SAYRE
Синдромът на Kearns-Sayre се появява поради липсата на отделна част от митохондриалната ДНК (NB: липсата на определена нуклеотидна последователност се нарича делеция ).
Тези, които страдат от синдрома на Kearns-Sayre, развиват офталмоплегия (т.е. пълна или частична парализа на околомоторните мускули), форма на ретинопатия и аномалии на сърдечния ритъм (атриовентрикуларен блок).
ЛИНЕН СИНДРОМ
Синдромът на Leigh се появява след мутации на митохондриална ДНК, които могат да повлияят на протеина на АТР-синтазата (наричан също V комплекс) и / или някои tRNA.
Синдромът на Leigh е прогресивно неврологично заболяване, което възниква по време на детството или детството и е отговорно за: забавяне на развитието, мускулна слабост, периферна невропатия, двигателни нарушения, затруднения в дишането и офталмоплегия.
ДЕФИЦИТ ОТ CITOCROMO C OSSIDASI
Недостигът на цитохром С оксидаза се дължи на мутацията на поне 3 митохондриални ДНК гени. Тези гени са от съществено значение за правилния синтез на ензима цитохром С оксидаза (или комплекс IV), участващ в процеса на окислително фосфорилиране.
Типичните прояви на дефицит на цитохром С оксидаза се състоят от: дисфункция на скелетната мускулатура, сърдечна дисфункция, бъбречна дисфункция и чернодробна дисфункция.
ПРОГРЕСИВНА ВЪНШНА ОФАЛНА МОПЛЕГИЯ
Прогресивната външна офталмоплегия произтича от липсата на значителен брой митохондриални ДНК нуклеотиди (заличаване)
От прогресивния характер (както можете да се досетите от името) тази патология причинява парализа на околомоторните мускули, което води до птоза и значителни зрителни проблеми.
СИНДРОМ НА PEARSON
Синдромът на Pearson се появява след забележимо изтриване на митохондриалната ДНК, подобно на прогресиращата външна офталмоплегия и синдрома на Kearns-Sayre.
Типичните прояви на синдрома на Pearson се състоят от: сидеробластична анемия, панкреатична дисфункция (напр. Инсулинозависим диабет), неврологични дефицити и мускулни нарушения.
Обикновено синдромът на Pearson причинява смъртта на засегнатия субект в ранна възраст. Често засегнатите от тази патология достигат зряла възраст.
СИНДРОМ на MELAS
Синдромът на MELAS, известен също като митохондриална енцефаломиопатия с лактоацидоза и подобни на инсулт епизоди, настъпва поради мутация на поне 5 гена на митохондриална ДНК.
Тези гени допринасят за синтеза на NADH оксид-редуктаза, или комплекс I, и някои тРНК.
Синдромът на MELAS включва наличие на неврологични нарушения, мускулни нарушения, необичайно натрупване на млечна киселина в тъканите (с всички следващи симптоми), респираторни проблеми, загуба на контрол на чревните функции, повтаряща се умора, проблеми с бъбреците, сърдечни проблеми, диабет, епилепсия и липса на координация.
ДРУГИ ПАТОЛОГИИ
Според няколко научни изследвания, дори болести като циклично повръщане, пигментозен ретинит, атаксия, болест на Паркинсон и болест на Алцхаймер, ще видят участието на митохондриалната ДНК и някои от мутациите му.
