genera
Mitokondriellt DNA, eller mtDNA, är deoxiribonukleinsyran som ligger inuti mitokondrier, dvs organellerna av eukaryota celler som är ansvariga för den mycket viktiga cellulära processen med oxidativ fosforylering.
Men det har också vissa egenskaper, både strukturella och funktionella, vilket gör det unikt i sitt slag. Dessa egenskaper innefattar: cirkuläriteten hos nukleotidernas dubbelsträng, innehållet av gener (som endast är 37 element) och den nästan totala frånvaron av icke-kodande nukleotidsekvenser.
Mitokondriellt DNA spelar en grundläggande roll i cellöverlevnad: den producerar de enzymer som är nödvändiga för att uppnå oxidativ fosforylering.
Vad är mitokondriellt DNA?
Mitokondriellt DNA, eller mtDNA, är DNA som ligger inuti mitokondrier .
Mitokondrier är de stora cellulära organellerna, som är typiska för eukaryota organismer, som omvandlar den kemiska energi som ingår i mat till ATP, vilket är en form av energi som kan användas av celler.
RECALLS OM STRUKTUR OCH FUNKTION AV MITOCHONDERS
I rörformig, trådformad eller granulär form bor mitokondrier i cytoplasman och upptar nästan 25% av volymen av den senare.
De har två fosfolipid-dubbelskiktsmembran, en extern och en intern invändig.
Det yttersta membranet, känt som det yttre mitokondriella membranet, representerar perimetern för varje mitokondri och har transportproteiner (porin och inte enbart), som gör den permeabel för molekyler av storlek lika med eller mindre än 5000 dalton.
Det innersta membranet, känt som det inre mitokondriella membranet, innehåller alla enzymatiska komponenter (eller enzymer) och koenzymkomponenter som är nödvändiga för ATP-syntesen, och avgränsar ett centralt utrymme, som kallas en matris .
Till skillnad från det yttersta membranet har det inre mitokondriska membranet många invaginationer - de så kallade kramarna - som ökar dess totala yta.
Mellan de två mitokondriella membranerna finns ett utrymme på nästan 60-80 Ångström (A). Detta utrymme kallas intermembran utrymme . Intermembranutrymmet har en komposition som är mycket lik den hos cytoplasman.
Syntesen av ATP, som drivs av mitokondrierna, är en väldigt komplex process, vilken biologer identifierar med termen oxidativ fosforylering .
RIKTIG MITOCHONDRIAL DNA-PLATS OCH MÄNGD
Figur: En mänsklig mitokondri.
Mitokondriellt DNA finns i mitokondriamatrisen, dvs i utrymmet avgränsat av det inre mitokondriella membranet.
Baserat på tillförlitliga vetenskapliga studier kan varje mitokondri innehålla från 2 till 12 kopior av mitokondriellt DNA.
Med tanke på det faktum att vissa celler i kroppen kan innehålla flera tusen mitokondrier, kan det totala antalet mitokondriella DNA-kopior i en enda mänsklig cell till och med nå 20 000 enheter.
Anm .: Antalet mitokondrier i humana celler varierar beroende på celltypen. Till exempel kan hepatocyter (dvs. leverceller) innehålla mellan 1000 och 2000 mitokondrier vardera, medan erytrocyter (dvs röda blodkroppar) helt saknar dem.
struktur
Den allmänna strukturen hos en mitokondriell DNA-molekyl liknar den allmänna strukturen av kärn-DNA, det är det genetiska arvet som finns närvarande i kärnan hos eukaryota celler.
I själva verket liknar nukleär DNA:
- Mitokondriellt DNA är en biopolymer, bestående av två långa strängar av nukleotider . Nukleotider är organiska molekyler, som härrör från föreningen av tre element: ett socker med 5 kolatomer (i fallet med DNA, deoxyribos ), en kvävebas och en fosfatgrupp .
- Varje nukleotid i mitokondriellt DNA binder till nästa nukleotid av samma filament, medelst en fosfodiesterbindning mellan kolet 3 i dess deoxiribos och den omedelbart följande nukleotidfosfatgruppen.
- De två delarna av mitokondriellt DNA har motsatt orientering, med huvudet på en som interagerar med slutet av den andra och vice versa. Detta speciella arrangemang är känt som ett antiparallellt arrangemang (eller antiparallell orientering ).
- De två filamenten i mitokondriella DNA interagerar med varandra via de kvävebaserade baserna .
Specifikt etablerar varje kvävebas av varje filament vätebindningar med en och en enda kvävebas, närvarande på den andra filamenten.
Denna typ av interaktion kallas "parning mellan kvävebaser" eller "par kvävebaser".
- De kvävebaserade baserna av mitokondriellt DNA är adenin, tymin, cytosin och guanin .
Parringen som dessa kvävebaser ger upphov till är inte slumpmässiga men mycket specifika: adenin interagerar bara med tymin, medan cytosin endast 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.
STRUKTURAL DETALJER FÖR MITOCHONDRIAL DNA
Utöver de ovannämnda analogierna har humant mitokondriellt DNA vissa strukturella särdrag som särskiljer det avsevärt från humant nukleärt DNA.
För det första är det en cirkulär molekyl, medan kärn DNA är en linjär molekyl.
Således har den 16 569 par kvävebaser, medan det kärn-DNA har en skönhet på 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 så många som 23 kromosomer och bildar, med vissa specifika proteiner, ett ämne som heter kromatin.
Slutligen innehåller den en serie nukleotider som deltar i två gener samtidigt, medan kärn DNA har gener vars nukleotidsekvenser är väldefinierade och skiljda från varandra.
härkomst
Mitokondriellt DNA är mycket sannolikt att ha ett bakteriellt ursprung .
På grundval av många oberoende studier tror molekylärbiologer att cellcellens närvaro av mitokondriellt DNA är resultatet av införlivandet av oberoende bakteriella organismer, som liknar mitokondrier, av fostrala eukaryota celler.
Denna nyfikna upptäckt har bara delvis förvånad det vetenskapliga samfundet, eftersom DNA som är närvarande i bakterier i allmänhet är ett tråd av cirkulära nukleotider, såsom mitokondriellt DNA.
Teorin om att mitokondrier och mitokondriellt DNA skulle ha ett bakteriellt ursprung kallas " endosymbiotisk teori ", från ordet " endosymbios ". Kortfattat indikerar termen "endosymbios" i biologi ett samarbete mellan två organismer, vilket innefattar införlivandet av en i den andra för att få en viss fördel.
nyfikenhet
Enligt tillförlitliga vetenskapliga studier, under utvecklingens gång skulle många bakteriegener, som presenteras på det framtida mitokondriella DNA, ha förändrats läge, förflyttning till kärn-DNA.
Med andra ord, i början av endosymbios, var några gener närvarande nu på kärn-DNA bosatt i DNA hos de bakteriella organismerna, som då skulle bli mitokondrier.
Teorin om att vissa gener härstammar från mitokondriellt DNA, hos vissa arter och från kärn-DNA, i andra, bekräftar teorin om ett genskifte mellan mitokondriellt DNA och nukleärt DNA.
funktion
Mitokondriellt DNA producerar enzymer (dvs. proteiner), som är nödvändiga för en korrekt realisering av den känsliga processen med oxidativ fosforylering.
Instruktionerna för syntesen av dessa enzymer finns i de 37 gener som utgör grunden för mitokondriellt DNA.
VAD GENOM MITOCHONDRIAL DNA CODES: DETALJERNA
De 37 generna av mitokondriellt DNA kodar för: proteiner, tRNA och rRNA.
specifikt:
- 13-kod för 13 proteiner som är ansvariga för att utföra oxidativ fosforylering
- 22 kodar 22 molekyler av tRNA
- 2 kodar 2 molekyler av rRNA
TRNA- och rRNA-molekylerna är grundläggande för syntesen av de ovannämnda 13 proteinerna, eftersom de utgör den maskin som reglerar deras produktion.
Med andra ord har mitokondriella DNA informationen att producera en viss uppsättning proteiner och de verktyg som behövs för syntesen av den senare.
Vad är RNA, tRNA och rRNA?
RNA, eller ribonukleinsyra, är nukleinsyran som spelar en grundläggande roll vid framställning av proteiner, utgående från DNA.
I allmänhet ensträngad kan RNA existera i olika former (eller typer) beroende på den specifika funktion som den är en suppleant.
TRNA och rRNA är två av dessa möjliga former.
TRNA används för tillsats av aminosyror under processen för att skapa proteiner. Aminosyror är molekylenheter som utgör proteiner.
RRNAet bildar ribosomen, det vill säga de cellulära strukturerna i vilka proteinsyntesen är baserad.
För att läsa mer om RNA och dess funktioner kan läsarna klicka här.
FUNKTIONALA DETALJER FÖR MITOCHONDRIAL DNA
Från en funktionell synpunkt har mitokondriellt DNA några speciella egenskaper som tydligt skiljer det från kärn-DNA.
Här är vad dessa särdrag består av:
- Mitokondriellt DNA är halvoberoende i den meningen att det behöver ingripa av vissa proteiner syntetiserade från kärn-DNA.
Däremot är nukleär DNA helt autonomt och producerar allt som behövs för att utföra sina uppgifter korrekt.
- Mitokondriellt DNA har en genetisk kod något annorlunda än den hos nukleär DNA . Detta leder till en rad skillnader i realiseringen av proteiner: om en viss sekvens av nukleotider i kärn-DNA leder till skapandet av ett visst protein leder samma sekvens i mitokondriell DNA till bildandet av ett något annorlunda protein.
- Mitokondriellt DNA har väldigt få icke-kodande nukleotidsekvenser, det vill säga, som inte producerar något protein, tRNA eller rRNA. I procentandelar är endast 3% mitokondriellt DNA icke-kodande.
I motsats härtill kodar kärn DNA endast för 7%, så det innehåller ett stort antal icke-kodande nukleotidsekvenser (93%).
Tabell: sammanfattning av skillnaderna mellan humant mitokondriellt DNA och humant nukleärt DNA. | |
Mitokondriellt DNA | Nukleärt DNA |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
arv
Ärendet av mitokondriellt DNA är strikt maternellt .
Det betyder att hos ett par föräldrar är det kvinnan som överför mitokondrialt DNA till avkomman (dvs. barnen).
På ett helt motsatt sätt till ovanstående är arv DNA-arvet halvt, maternellt och halvfaderligt. Med andra ord bidrar båda föräldrarna lika till överföringen av kärn-DNA i avkomman.
Obs! Maternets arv av mitokondriellt DNA inbegriper också mitokondriell struktur. Således är mitokondrier som finns närvarande i en individ på en mormödform.
Associerade patologier
Premise: En genetisk mutation är en permanent förändring i sekvensen av nukleotider, som utgör en kärn- eller mitokondriell DNA-gen.
I allmänhet leder närvaron av en genetisk mutation till en förändring eller förlust av den generella funktionen hos den involverade genen.
Förekomsten av mutationer vid nivån av mitokondriella DNA-gener kan avgöra ett brett spektrum av sjukdomar, inklusive:
- Lebers ärftlig optisk neuropati
- Kearns-Sayre syndrom
- Leigh syndrom
- Cytokrom C-oxidasbrist
- Progressiv extern oftalmoplegi
- Pearson syndrom
- Mitokondriell encefalomyopati med mjölksyraacidos och strokeliknande episoder (MELAS syndrom)
- Diabetes med mammalisk dövhet
- Myoklonisk epilepsi med oregelbundna röda fibrer
Med avseende på de patologiska tillstånd som är kopplade till en eller flera mitokondriella DNA-mutationer måste två aspekter specificeras.
För det första beror svårighetsgraden av det morbida tillståndet på det kvantitativa förhållandet mellan muterat mitokondriellt DNA och friskt, normalt mitokondriellt DNA. Om antalet muterade mitokondriella DNA är mycket högre än för friskt DNA kommer det resulterande tillståndet att bli svårare.
För det andra påverkar mutationer i mitokondriellt DNA endast vissa vävnader i kroppen, särskilt de som kräver stora mängder av ATP som härrör från processen med oxidativ fosforylering. Det här är helt förståeligt: cellerna som har det största behovet av den funktion som mitokondriella DNA normalt utför, påverkas mest av ett funktionsstörande mitokondriellt DNA.
HERRITITÄR OPTISK NEUROPATI AV LEBER
Lebers ärftliga optiska neuropati uppstår på grund av mutationen av så många som fyra mitokondriella DNA-gener. Dessa gener innehåller den information som leder till syntesen av det så kallade komplexa I (eller NADH-oxidreduktas), en av de olika enzymerna som är involverade i processen med oxidativ fosforylering.
Patologins manifestationer består i en progressiv degenerering av den optiska nerven och i en gradvis synförlust.
KEARNS-SAYRE SYNDROME
Kearns-Sayre syndrom uppträder på grund av avsaknaden av en diskret del av mitokondriellt DNA (Obs: bristen på en viss nukleotidsekvens kallas deletion ).
Lider av Kearns-Sayre syndrom utvecklar oftalmoplegi (dvs total eller partiell förlamning av de oculomotoriska musklerna), en form av retinopati och onormal hjärtrytm (atrioventrikulärt block).
LEIGH SYNDROME
Leigh syndrom uppstår som ett resultat av mitokondriella DNA-mutationer, vilket kan involvera ATP-syntasproteinet (även kallat V-komplexet) och / eller några tRNA.
Leigh syndrom är en progressiv neurologisk sjukdom som uppträder under spädbarn eller barndom och är ansvarig för: utvecklingsfördröjning, muskelsvaghet, perifer neuropati, motorisk störningar, andningssvårigheter och oftalmoplegi.
DEFICIT AV CYTOKROME C OXIDASE
Cytokrom C-oxidasbrist framträder på grund av mutationen av minst 3 mitokondriella DNA-gener. Dessa gener är grundläggande för den korrekta syntesen av cytokrom C oxidas (eller komplex IV) enzym involverat i processen med oxidativ fosforylering.
De typiska manifestationerna av cytokrom C-oxidasbrist består av: skelettmuskulär dysfunktion, hjärtdysfunktion, njursvikt och leverdysfunktion.
PROGRESSIVE EXTERNAL OPHTHALMOPHY
Progressiv extern oftalmoplegi uppstår på grund av bristen på ett väsentligt antal mitokondriella DNA-nukleotider (deletion)
Med en progressiv karaktär (som du kan gissa från namnet) orsakar denna patologi en förlamning av de oculomotoriska musklerna, med följd av ptos och betydande visuella problem.
PEARSON SYNDROME
Pearson-syndromet uppträder efter en stor deletion av mitokondriellt DNA, som liknar progressiv extern oftalmoplegi och Kearns-Sayre syndrom.
De typiska manifestationerna av Pearson syndrom består av: sidoblastisk anemi, pankreas dysfunktioner (t.ex. insulinberoende diabetes), neurologiska underskott och muskelsjukdomar.
I allmänhet orsakar Pearson syndrom dödsfallet hos patienten i en ung ålder. Faktum är att de som drabbas av denna patologi når sällan vuxen ålder.
MELAS SYNDROME
MELAS-syndromet, även känt som mitokondriellt encefalomyopati med mjölksyraacidos och strokeliknande episoder, uppstår som en följd av mutationen av minst 5 mitokondriella DNA-gener.
Dessa gener bidrar till syntesen av NADH-oxidreduktas, eller komplex I, och av några tRNA.
MELAS-syndromet involverar närvaro av neurologiska störningar, muskelsjukdomar, ovanlig ackumulering av mjölksyra i vävnaderna (med alla de resulterande symtomen), andningsbesvär, förlust av kontroll av tarmfunktioner, återkommande utmattning, njureproblem, hjärtproblem, diabetes, epilepsi och brist på samordning.
ÖVRIGA PATHOLOGIER
Enligt flera vetenskapliga studier skulle jämna sjukdomar som cykliskt kräkningssyndrom, retinitpigmentosa, ataxi, Parkinsons sjukdom och Alzheimers sjukdom se mitokondriellt DNA och vissa mutationer involverade.
