Mitokondrielt DNA

Almindelighed

Mitokondrielt DNA, eller mtDNA, er deoxyribonukleinsyren, der findes inde i mitokondrierne, dvs. organellerne i eukaryote celler, der er ansvarlige for den meget vigtige cellulære proces med oxidativ phosphorylering.

Mitokondrie-DNA har nogle ligheder med nuklear DNA, såsom dobbeltstrengede nukleotider, sammensætning med hensyn til nitrogenholdige baser, tilstedeværelsen af ​​gener osv.
Det har imidlertid også nogle særegenheder, både strukturelle og funktionelle, som gør det unikt i sin slags. Disse særegenheder omfatter: cirkulæriteten af ​​nukleotidernes dobbeltstreng, indholdet af gener (som kun er 37 elementer) og det næsten totale fravær af ikke-kodende nukleotidsekvenser.
Mitokondrielt DNA udfører en grundlæggende funktion for cellers overlevelse: det producerer de enzymer, der er nødvendige for realiseringen af ​​oxidativ fosforylering.

Hvad er mitokondrielt DNA?

Mitokondrielt DNA, eller mtDNA, er DNA'et placeret i mitokondrierne.
Mitokondrier er de store cellulære organeller, der er typiske for eukaryote organismer, som omdanner den kemiske energi i fødevarer til ATP, som er en energiform, der kan udnyttes af celler.

BAGGRUND OM MITOCHONDRONERNES STRUKTUR OG FUNKTION

Mitokondrier er rørformede, filamentøse eller granulære i cytoplasmaet og fylder næsten 25% af sidstnævntes volumen.
De har to phospholipid -dobbeltlagsmembraner, en mere ekstern og en mere intern.
Den yderste membran, kendt som den ydre mitokondrielle membran, repræsenterer omkredsen af ​​hver mitokondrion og har transportproteiner (poriner og mere), som gør den gennemtrængelig for molekyler af en størrelse, der er lig med eller mindre end 5.000 dalton.
Den inderste membran, kendt som den indre mitokondrielle membran, indeholder alle de enzymatiske (eller enzymatiske) og coenzymkomponenter, der er nødvendige for syntesen af ​​ATP, og definerer et centralt rum, kaldet matrixen.
I modsætning til den yderste membran har den indre mitokondrielle membran talrige invaginationer - de såkaldte kamme - som øger dets samlede areal.
Mellem de to mitokondrielle membraner er der et rum på næsten 60-80 Ångstrøm (A). Dette rum kaldes intermembranrummet. Intermembranrummet har en sammensætning, der meget ligner cytoplasmas.
Syntesen af ​​ATP, der drives af mitokondrierne, er en meget kompleks proces, som biologer identificerer med udtrykket oxidativ fosforylering.

PRÆCIS PLACERING AF MITOCHONDRAL DNA OG MÆNGDE

Figur: en menneskelig mitokondrion.

Mitokondrielt DNA befinder sig i den mitokondrielle matrix, dvs. i rummet afgrænset af den indre mitokondrielle membran.

Ifølge pålidelige videnskabelige undersøgelser kan hver mitokondrion indeholde fra 2 til 12 kopier af mitokondrie -DNA.
I betragtning af at nogle celler i menneskekroppen kan indeholde flere tusinde mitokondrier inden i dem, kan det samlede antal kopier af mitokondrie -DNA i en enkelt menneskelig celle nå op til 20.000 enheder.

Bemærk venligst: antallet af mitokondrier i humane celler varierer afhængigt af celletypen. Eksempelvis kan hepatocytter (dvs. leverceller) indeholde mellem 1.000 og 2.000 mitokondrier hver, mens erytrocytter (dvs. røde blodlegemer) er totalt blottet for dem.

Struktur

Den generelle struktur af et mitokondrielt DNA -molekyle ligner den generelle struktur af nuklear DNA, det vil sige den genetiske arv, der er til stede i kernen af ​​eukaryote celler.
Ja, analogt med atom -DNA:

• Mitokondrielt DNA er en biopolymer, der består af to lange tråde af nukleotider. Nukleotider er organiske molekyler, der stammer fra foreningen af ​​tre elementer: et sukker med 5 carbonatomer (i tilfælde af DNA, deoxyribose), en nitrogenholdig base og en fosfatgruppe.
• Hvert nukleotid i mitokondrie -DNA binder til det næste nukleotid i den samme streng ved hjælp af en phosphodiesterbinding mellem carbon 3 i dets deoxyribose og phosphatgruppen i det umiddelbart følgende nukleotid.
• De to tråde af mitokondrielt DNA har modsatte orienteringer, hvor enden interagerer med enden på den anden og omvendt. Dette særlige arrangement er kendt som det antiparallelle arrangement (eller antiparallel orientering).
• De to tråde af mitokondrielt DNA interagerer med hinanden gennem de nitrogenholdige baser.
  Specifikt etablerer hver nitrogenbaseret base af hvert filament hydrogenbindinger med en og kun en nitrogenbaseret base, der er til stede på den anden filament.
  Denne type interaktion kaldes "parring mellem nitrogenholdige baser" eller "par nitrogenholdige baser".
• De nitrogenholdige baser af mitokondrie -DNA er adenin, thymin, cytosin og guanin.
  Parringen, som disse nitrogenholdige baser giver anledning til, er ikke tilfældig, men yderst specifik: adenin interagerer kun med thymin, mens cytosin kun interagerer med guanin.
• Mitokondrielt DNA er hjemsted for gener (eller gensekvenser). Gener er sekvenser af mere eller mindre lange nukleotider med en veldefineret biologisk betydning. I de fleste tilfælde giver de anledning til proteiner.

STRUKTURELLE SPECIFIKATIONER AF MITOCHONDRAL DNA

Ud over de førnævnte analogier har humant mitokondrie -DNA nogle strukturelle særegenheder, som adskiller det betydeligt fra humant atom -DNA.
For det første er det et cirkulært molekyle, mens atom -DNA er et lineært molekyle.
Således har den 16.569 nitrogenholdige basepar, mens nukleare DNA har hele 3.3 mia.
Det indeholder 37 gener, mens nukleare DNA ser ud til at indeholde mellem 20.000 og 25.000.
Det er ikke organiseret i kromosomer, mens nukleare DNA er opdelt i 23 kromosomer og danner med nogle specifikke proteiner et stof kaldet kromatin.
Endelig inkluderer det en række nukleotider, der deltager i to gener på samme tid, mens nukleare DNA har gener, hvis nukleotidsekvenser er veldefinerede og adskilte fra hinanden.

Oprindelse

Mitokondrielt DNA har sandsynligvis en "bakteriel" oprindelse.
På grundlag af talrige uafhængige undersøgelser mener molekylærbiologer faktisk, at den cellulære tilstedeværelse af mitokondrie -DNA er resultatet af inkorporering af forfædre eukaryote celler af uafhængige bakterieorganismer, der meget ligner mitokondrier.
Denne besynderlige opdagelse har kun delvist overrasket det videnskabelige samfund, da DNA til stede i bakterier generelt er en cirkulær nukleotidstreng, ligesom mitokondrielt DNA.
Teorien, hvorefter mitokondrier og mitokondrielt DNA har en "bakteriel oprindelse, tager navnet" endosymbiotisk teori ", fra ordet" endosymbiose. "Kort sagt i biologien angiver udtrykket" endosymbiose "et samarbejde mellem to organismer, som involverer "inkorporering af det ene i det andet for at opnå en vis fordel.

Nysgerrighed
Ifølge pålidelige videnskabelige undersøgelser ville mange bakteriegener, der er til stede på det fremtidige mitokondrielle DNA, i løbet af evolutionen have ændret placering og bevæget sig ind i nukleare DNA.
Med andre ord, i begyndelsen af ​​endosymbiose, var nogle gener, der nu er til stede på atom -DNA, bosat i DNA'et fra de bakterielle organismer, som senere ville blive til mitokondrier.
For at understøtte teorien om et skift af gener mellem mitokondrie -DNA og nukleare DNA er den observation, at visse gener stammer fra mitokondrielt DNA, i nogle arter og fra nukleart DNA, i andre.

Fungere

Mitokondrielt DNA producerer enzymer (dvs. proteiner), der er nødvendige for korrekt implementering af den sarte oxidative phosphoryleringsproces.
Instruktionerne til syntetisering af disse enzymer findes i de 37 gener, der udgør mitokondrie -DNA -genomet.

HVAD MITOCHONDRAL DNA GENES CODE: DETALJERNE

De 37 gener i mitokondrie -DNA koder for: proteiner, tRNA og rRNA.
I særdeleshed:

• 13 koder for 13 proteiner, der er ansvarlige for at udføre oxidativ phosphorylering
• 22 kode for 22 tRNA molekyler
• 2 koder for 2 rRNA -molekyler

Molekylerne af tRNA og rRNA er grundlæggende for syntesen af ​​de førnævnte 13 proteiner, da de udgør det maskineri, der regulerer deres produktion.
Så med andre ord, mitokondrielt DNA besidder informationen til at producere et bestemt sæt proteiner og de nødvendige værktøjer til deres syntese.

Hvad er RNA, tRNA og rRNA?
RNA eller ribonukleinsyre er nukleinsyren, der spiller en grundlæggende rolle i dannelsen af ​​proteiner, startende fra DNA.
Generelt enkeltstrenget kan ANN'et eksistere i forskellige former (eller typer) afhængigt af den specifikke funktion, som det er delegeret til.
TRNA og rRNA er to af disse mulige former.
TRNA bruges til at tilføje aminosyrer under processen med fremstilling af proteiner Aminosyrer er de molekylære enheder, der danner proteiner.
RRNA danner ribosomer, det vil sige de cellulære strukturer, hvor syntesen af ​​proteiner finder sted.
For detaljeret at kende ANN og dets funktioner kan læserne klikke her.

FUNKTIONELLE DETALJER OM MITOCHONDRAL DNA

Fra et funktionelt synspunkt har mitokondrie -DNA nogle særegne egenskaber, der klart adskiller det fra atom -DNA.
Her er hvad disse særegne egenskaber består af:

• Mitokondrielt DNA er semi-uafhængigt, i den forstand at det har brug for indgreb af nogle proteiner syntetiseret fra nuklear DNA.
  På den anden side er atom -DNA fuldstændigt autonomt og producerer i sig selv alt, hvad det har brug for for at udføre sine opgaver korrekt.
• Mitokondrielt DNA har en lidt anden genetisk kode end atom -DNA. Dette fører til en række forskelle i fremstilling af proteiner: hvis en bestemt sekvens af nukleotider i nukleare DNA fører til dannelsen af ​​et bestemt protein, fører den samme sekvens i mitokondrielt DNA til dannelsen af ​​et lidt anderledes protein.
• Mitokondrie-DNA har meget få ikke-kodende nukleotidsekvenser, det vil sige, at de ikke producerer nogen proteiner, tRNA'er eller rRNA'er. I procent er kun 3% af mitokondrie-DNA ikke-kodende.
  På den anden side er nukleare DNA kun 7% kodende, så det indeholder en masse ikke-kodende nukleotidsekvenser (hele 93%).

Tabel: resumé af forskellene mellem humant mitokondrie -DNA og humant nukleare DNA.

Mitokondrielt DNA

Nuklear DNA

• Det er cirkulært

• Det er lineært

• Det har 16.569 nitrogenholdige basepar i alt

• Det har i alt 3,3 milliarder nitrogenholdige basepar

• Det indeholder i alt 37 gener

• Den indeholder mellem 20.000 og 25.000 gener

• For at fungere korrekt har den brug for støtte fra nogle genprodukter, der stammer fra atom -DNA

• Det er autonomt og producerer i sig selv alt, hvad det har brug for for at udføre sine funktioner korrekt

• Det kan være til stede i flere kopier inden for hver enkelt mitokondrion

• Det er unikt, det vil sige, det er kun i ét eksemplar, og det ligger i kernen

• 97% af nukleotidsekvensen, der sammensætter den, koder

• Kun 7% af nukleotidsekvensen, der sammensætter den, koder

• Det er ikke organiseret i kromosomer

• Det er opdelt i 23 kromosomer

• Den bruger en genetisk kode, der er lidt forskellig fra den så at sige "traditionelle"

• Brug den "traditionelle" genetiske kode

• Dens arv er moderlig

• Dens arv er halvt moder og halvt faderligt

• Nogle af dets nukleotider deltager i to gener på samme tid

• Sekvenserne af nukleotider, der udgør generne, skelnes godt fra hinanden

Arv

Mitokondrielt DNA -arv er strengt moderligt.
Det betyder, at det i et par forældre er kvinden, der overfører mitokondrielt DNA til afkommet (dvs. til børnene).
På en helt modsat måde til ovenstående er arv fra nukleare DNA halvt moderligt og halvt faderligt. Med andre ord bidrager begge forældre ligeligt til overførsel af nuklear DNA i afkom.
Bemærk venligst: moderens arv af mitokondrie -DNA involverer også den mitokondrielle struktur. Derfor er mitokondrier til stede i et individ moderlige.

Tilhørende patologier

Forudsætning: En genetisk mutation er en permanent ændring i sekvensen af ​​nukleotider, der udgør et atom- eller mitokondrielt DNA -gen.
Typisk resulterer tilstedeværelsen af ​​en genetisk mutation i en "ændring eller tab af normal funktion af det involverede gen.
Tilstedeværelsen af ​​mutationer i mitokondrielle DNA -gener kan føre til en lang række sygdomme, herunder:

• Lebers arvelige optiske neuropati
• Kearns-Sayre syndrom
• Leighs syndrom
• Mangel på cytochrom C oxidase
• Progressiv ekstern oftalmoplegi
• Pearsons syndrom
• Mitokondriel encefalomyopati med laktatacidose og slagtilfælde-lignende episoder (MELAS syndrom)
• Diabetes med maternelt overført døvhed
• Myoklonisk epilepsi med uregelmæssige røde fibre

Hvad angår de patologiske tilstande forbundet med en eller flere mitokondrielle DNA -mutationer, skal to aspekter afklares.
For det første afhænger sygdommens sværhedsgrad af det kvantitative forhold mellem muterede mitokondrielle DNA'er og sunde, normale mitokondrielle DNA'er. Hvis antallet af muterede mitokondrie -DNA'er er langt større end for raske DNA'er, vil den resulterende tilstand være mere alvorlig.
For det andet påvirker mutationer i mitokondrie -DNA kun nogle væv i organismen, især dem, der kræver store mængder ATP som følge af den oxidative phosphoryleringsproces. Dette er ganske forståeligt: ​​at lide mere end én funktionsfejl i mitokondrie -DNA er de celler, der har mest brug for den funktion, mitokondrielt DNA normalt opfylder.

LEBER ERFARLIG OPTISK NEUROPATI

Lebers arvelige optiske neuropati opstår som følge af mutation af hele fire mitokondrielle DNA -gener. Disse gener indeholder de oplysninger, der fører til syntesen af ​​den såkaldte kompleks I (eller NADH-oxid-reduktase), et af de forskellige enzymer, der er involveret i den oxidative phosphoryleringsproces.
Patologiens manifestationer består i en progressiv degeneration af synsnerven og et gradvist synstab.

KEARNS-SAYRE SYNDROME

Kearns-Sayre syndrom opstår på grund af manglen på en rimelig mængde mitokondrielt DNA (N.B: manglen på en bestemt nukleotidsekvens kaldes en deletion).
Personer med Kearns-Sayre syndrom udvikler oftalmoplegi (total eller delvis lammelse af de oculomotoriske muskler), en form for retinopati og abnormiteter i hjerterytmen (atrioventrikulær blok).

LEIGH'S SYNDROME

Leigh syndrom opstår som et resultat af mitokondrielle DNA-mutationer, som kan påvirke ATP-syntaseproteinet (også kaldet V-kompleks) og / eller nogle tRNA'er.
Leighs syndrom er en progressiv neurologisk sygdom, der optræder i barndommen eller barndommen og er ansvarlig for: udviklingsforsinkelse, muskelsvaghed, perifer neuropati, motoriske lidelser, vejrtrækningsbesvær og oftalmoplegi.

Mangel på CYTOCHROME C OXIDASE

Cytokrom C -oxidasemangel opstår på grund af mutation af mindst 3 mitokondrielle DNA -gener. Disse gener er afgørende for den korrekte syntese af cytochrom C -oxidase (eller komplekst IV) enzym, der er involveret i den oxidative phosphoryleringsproces.
Typiske manifestationer af cytokrom C -oxidasemangel består af: skeletmuskeldysfunktion, hjertedysfunktion, nedsat nyrefunktion og nedsat leverfunktion.

PROGRESSIV EKSTERN OPTHALMOPLEGI

Progressiv ekstern oftalmoplegi skyldes manglen på et betydeligt antal mitokondrielle DNA -nukleotider (deletion)
Med en progressiv karakter (som man kan gætte ud fra navnet), forårsager denne patologi en lammelse af de oculomotoriske muskler med deraf følgende ptose og betydelige synsproblemer.

PEARSONS SYNDROM

Pearsons syndrom optræder efter en iøjnefaldende sletning af mitokondrie-DNA på lignende måde som progressiv ekstern oftalmoplegi og Kearns-Sayre syndrom.
Typiske manifestationer af Pearsons syndrom består af: sideroblastisk anæmi, pancreasdysfunktion (f.eks. Insulinafhængig diabetes), neurologiske underskud og muskelsygdomme.
Pearson syndrom får normalt den berørte person til at dø i en ung alder. Faktisk når de, der er berørt af denne patologi, sjældent voksenalderen.

MELAS SYNDROME

MELAS syndrom, også kendt som mitokondriel encefalomyopati med laktatacidose og slagtilfælde-lignende episoder, opstår ved mutation af mindst 5 mitokondrielle DNA-gener.
Disse gener bidrager til syntesen af ​​NADH-oxid-reduktase eller kompleks I og af nogle tRNA'er.
MELAS syndrom involverer tilstedeværelse af neurologiske lidelser, muskelforstyrrelser, usædvanlig ophobning af mælkesyre i vævene (med alle de ledsagende symptomer), vejrtrækningsproblemer, tab af tarmfunktionskontrol, tilbagevendende træthed, nyreproblemer, hjerteproblemer, diabetes, epilepsi og mangel på koordination.

ANDRE PATOLOGIER

Ifølge forskellige videnskabelige undersøgelser ville sygdomme som cyklisk opkastningssyndrom, retinitis pigmentosa, ataksi, Parkinsons sygdom og Alzheimers sygdom også se involvering af mitokondrielt DNA og nogle af dets mutationer.