Опћенитост
Митохондријска ДНК, или мтДНК, је деоксирибонуклеинска киселина која се налази унутар митохондрија, односно органела еукариотских ћелија одговорних за веома важан ћелијски процес оксидативне фосфорилације.
Међутим, он такође има неке посебности, структурне и функционалне, које га чине јединственим у својој врсти. Ове посебности укључују: кружност двоструког ланца нуклеотида, садржај гена (који има само 37 елемената) и скоро потпуно одсуство некодирајућих нуклеотидних секвенци.
Митохондријска ДНК обавља фундаменталну функцију за опстанак ћелија: производи ензиме неопходне за реализацију оксидативне фосфорилације.
Шта је митохондријска ДНК?
Митохондријска ДНК или мтДНК је ДНК која се налази унутар митохондрија.
Митохондрије су они велики ћелијски органели, типични за еукариотске организме, који претварају хемијску енергију садржану у храни у АТП, који је облик енергије који ћелије могу да експлоатишу.
ПОЗАДИНА О СТРУКТУРИ И ФУНКЦИОНИСАЊУ МИТОХОНДРОНА
Цевасти, нитасти или зрнати облик, митохондрије се налазе у цитоплазми и заузимају скоро 25% запремине потоње.
Имају две фосфолипидне двослојне мембране, још једну спољну и једну унутрашњу.
Најудаљенија мембрана, позната као спољна митохондријска мембрана, представља обод сваке митохондрије и има транспортне протеине (порине и више), што је чини пропусном за молекуле величине једнаке или мање од 5.000 далтона.
Најдубља мембрана, позната као унутрашња митохондријска мембрана, садржи све ензимске (или ензимске) и коензимске компоненте, неопходне за синтезу АТП -а, и дефинише централни простор, назван матрикс.
За разлику од најудаљеније мембране, унутрашња митохондријска мембрана има бројне инвагинације - такозване гребене - које повећавају њену укупну површину.
Између две митохондријске мембране налази се простор од скоро 60-80 Ангстрема (А). Тај простор се назива интермембрански простор. Интермембрански простор има састав врло сличан саставу цитоплазме.
Синтеза АТП -а, којом управљају митохондрији, веома је сложен процес, који биолози идентификују са термином оксидативна фосфорилација.
ТАЧНА ЛОКАЦИЈА МИТОХОНДРАЛНЕ ДНК И КОЛИЧИНА
Слика: људска митохондрија.
Митохондријска ДНК се налази у матриксу митохондрија, односно у простору који је омеђен унутрашњом мембраном митохондрија.
Према поузданим научним студијама, свака митохондрија може садржати од 2 до 12 копија митохондријске ДНК.
С обзиром на чињеницу да у људском телу неке ћелије могу садржати неколико хиљада митохондрија у себи, укупан број копија митохондријске ДНК у једној људској ћелији може достићи чак 20.000 јединица.
Молим обратите пажњу: број митохондрија у људским ћелијама варира у зависности од типа ћелије. На пример, хепатоцити (тј. Ћелије јетре) могу да садрже између 1.000 и 2.000 митохондрија, док су еритроцити (тј. Црвена крвна зрнца) потпуно лишени њих.
Структура
Општа структура молекула митохондријске ДНК подсећа на општу структуру нуклеарне ДНК, односно генетско наслеђе присутно у језгру еукариотских ћелија.
Заиста, аналогно нуклеарној ДНК:
- Митохондријска ДНК је биополимер, који се састоји од два дугачка ланца нуклеотида. Нуклеотиди су органски молекули, настали удруживањем три елемента: шећера са 5 атома угљеника (у случају ДНК, деоксирибозе), азотне базе и фосфатне групе.
- Сваки нуклеотид митохондријске ДНК везује се за следећи нуклеотид истог ланца помоћу фосфодиестерске везе између угљеника 3 његове деоксирибозе и фосфатне групе следећег нуклеотида.
- Два ланца митохондријске ДНК имају супротне оријентације, при чему је крај једног у интеракцији са крајем другог и обрнуто.
- Два ланца митохондријске ДНК међусобно делују кроз азотне базе.
Конкретно, свака азотна база сваког влакна успоставља водоничне везе са једном и само једном азотном базом, присутном на другој нити.
Ова врста интеракције назива се "упаривање између азотних база" или "пар азотних база". - Азотне базе митохондријске ДНК су аденин, тимин, цитозин и гванин.
Упаривање на коме настају ове азотне базе није случајно, већ је врло специфично: аденин ступа у интеракцију само са тимином, док цитозин делује само са гванином. - Митохондријска ДНК је дом гена (или секвенци гена). Гени су секвенце више или мање дугих нуклеотида, са добро дефинисаним биолошким значајем. У већини случајева стварају протеине.
СТРУКТУРНЕ ПОСЕБНОСТИ МИТОХОНДРАЛНЕ ДНК
Осим горе наведених аналогија, људска митохондријска ДНК има неке структурне особености које је значајно разликују од људске нуклеарне ДНК.
Прво, то је кружни молекул, док је нуклеарна ДНК линеарни молекул.
Тако има 16.569 азотних парова база, док нуклеарна ДНК има огромних 3,3 милијарде.
Садржи 37 гена, док изгледа да нуклеарна ДНК садржи између 20.000 и 25.000.
Није организован у хромозомима, док је нуклеарна ДНК подељена на 23 хромозома и формира, са неким специфичним протеинима, супстанцу која се зове хроматин.
Коначно, она укључује низ нуклеотида који учествују у два гена истовремено, док нуклеарна ДНК има гене чије су нуклеотидне секвенце добро дефинисане и међусобно се разликују.
Порекло
Митохондријска ДНК највероватније има „бактеријско“ порекло.
Заправо, на основу бројних независних студија, молекуларни биолози верују да је ћелијско присуство митохондријске ДНК резултат инкорпорације еукариотских ћелија предака у независне бактеријске организме, врло сличне митохондријама.
Ово чудно откриће само је делимично задивило научну заједницу, јер је ДНК присутна у бактеријама генерално кружни нуклеотидни ланац, попут митохондријске ДНК.
Теорија према којој митохондрије и митохондријска ДНК имају „бактеријско порекло“ добија назив „ендосимбиотска теорија“, од речи „ендосимбиоза“. Укратко, у биологији израз „ендосимбиоза“ указује на сарадњу два организма, која укључује „укључивање једнога у друго, како би се стекла одређена предност.
Радозналост
Према поузданим научним студијама, током еволуције многи бактеријски гени, присутни у будућој митохондријској ДНК, променили би локацију, прелазећи у нуклеарну ДНК.
Другим речима, на почетку ендосимбиозе, неки гени сада присутни на нуклеарној ДНК боравили су у ДНК тих бактеријских организама, који ће касније постати митохондрији.
У прилог теорији која се односи на промену гена између митохондријске ДНК и нуклеарне ДНК, иде запажање да одређени гени потичу из митохондријске ДНК, у неким врстама, и из нуклеарне ДНК, у другима.
Функција
Митохондријска ДНК производи ензиме (тј. Протеине), неопходне за правилно спровођење деликатног процеса оксидативне фосфорилације.
Упутства за синтезу ових ензима налазе се у 37 гена који чине геном митохондријске ДНК.
КОЈИ КОД МИТОХОНДРАЛНИХ ГЕНОВА ДНК: ДЕТАЉИ
37 гена митохондријског ДНК кода за: протеине, тРНК и рРНК.
Нарочито:
- 13 кодира 13 протеина одговорних за извођење оксидативне фосфорилације
- 22 код за 22 молекула тРНА
- 2 кодирају 2 молекула рРНК
Молекули тРНК и рРНК су фундаментални за синтезу поменутих 13 протеина, јер чине машинерију која регулише њихову производњу.
Другим речима, митохондријска ДНК поседује информације за производњу одређеног скупа протеина и алата неопходних за њихову синтезу.
Шта су РНК, тРНК и рРНК?
РНК или рибонуклеинска киселина је нуклеинска киселина која игра фундаменталну улогу у стварању протеина, почевши од ДНК.
Генерално једноланчана, АНН може постојати у различитим облицима (или типовима), у зависности од посебне функције на коју је делегирана.
ТРНА и рРНА су два од ових могућих облика.
ТРНК се користи за додавање аминокиселина током процеса стварања протеина.Аминокиселине су молекуларне јединице које чине протеине.
РРНК формира рибосоме, то јест ћелијске структуре у којима се одвија синтеза протеина.
Да бисте детаљно упознали АНН и његове функције, читаоци могу кликнути овде.
ФУНКЦИОНАЛНИ ПОДАЦИ МИТОХОНДРАЛНЕ ДНК
Са функционалног становишта, митохондријска ДНК има неке посебне карактеристике које је јасно разликују од нуклеарне ДНК.
Ево шта се састоје од ових посебних карактеристика:
- Митохондријска ДНК је полу-независна, у смислу да јој је потребна интервенција неких протеина синтетизованих из нуклеарне ДНК.
С друге стране, нуклеарна ДНК је потпуно аутономна и сама производи све што је потребно за правилно извршавање задатака. - Митохондријска ДНК има нешто другачији генетски код од нуклеарне ДНК. То доводи до бројних разлика у стварању протеина: ако одређени низ нуклеотида у нуклеарној ДНК доводи до стварања одређеног протеина, исти низ у митохондријској ДНК доводи до стварања нешто другачијег протеина.
- Митохондријска ДНК има врло мало некодирајућих нуклеотидних секвенци, односно не производи никакве протеине, тРНК или рРНК. У процентима, само 3% митохондријске ДНК је некодирано.
С друге стране, нуклеарна ДНК кодира само 7%, па садржи много некодирајућих нуклеотидних секвенци (чак 93%).
Табела: резиме разлика између људске митохондријске ДНК и људске нуклеарне ДНК.
Митохондријска ДНК
Нуклеарна ДНК
- Кружног је облика
- Линеарно је
- Има укупно 16,569 азотних парова база
- Има укупно 3,3 милијарде азотних парова база
- Садржи укупно 37 гена
- Садржи између 20.000 и 25.000 гена
- За правилно функционисање потребна му је подршка неких генских производа који потичу из нуклеарне ДНК
- Аутономна је и сама производи све што је потребно за правилно обављање својих функција
- Може бити присутан у неколико копија унутар сваког појединачног митохондрија
- Јединствен је, односно налази се само у једној копији и налази се у језгру
- 97% нуклеотидне секвенце која је чини кодира
- Само 7% нуклеотидне секвенце која га чини кодира
- Није организован у хромозоме
- Подељен је на 23 хромозома
- Користи генетски код који се мало разликује од, такорећи, "традиционалног"
- Користите „традиционални“ генетски код
- Његово наслеђе је по мајци
- Његово наслеђе је пола мајчино, а пола очинско
- Неки од његових нуклеотида учествују у два гена истовремено
- Секвенце нуклеотида које чине гене међусобно се добро разликују
Наслеђивање
Наслеђивање митохондријске ДНК је строго мајчинско.
То значи да је у пар родитеља жена та која преноси митохондријску ДНК на потомство (тј. На децу).
На потпуно супротан начин од наведеног, нуклеарно наслеђивање ДНК је пола мајчино, а пола очинско, другим речима, оба родитеља подједнако доприносе преношењу нуклеарне ДНК у потомству.
Молим обратите пажњу: мајчинско наслеђивање митохондријске ДНК такође укључује митохондријску структуру. Дакле, митохондрији присутни код појединца су мајчински.
Повезане патологије
Простор: Генетска мутација је трајна промена у секвенци нуклеотида, који чине нуклеарни или митохондријални ген ДНК.
Типично, присуство генетске мутације доводи до „промене или губитка нормалне функције гена који је у питању.
Присуство мутација у генима митохондријске ДНК може довести до широког спектра болести, укључујући:
- Леберова наследна оптичка неуропатија
- Кеарнс-Саиреов синдром
- Леигх -ов синдром
- Недостатак цитокром Ц оксидазе
- Прогресивна спољна офталмоплегија
- Пеарсонов синдром
- Митохондријска енцефаломиопатија са лактатном ацидозом и епизодама сличним можданом удару (МЕЛАС синдром)
- Дијабетес са глувоћом која се преноси са мајке
- Миоклонска епилепсија са неправилним црвеним влакнима
С обзиром на патолошка стања повезана са једном или више митохондријалних ДНК мутација, потребно је разјаснити два аспекта.
Прво, тежина болести зависи од квантитативног односа између мутираних митохондријских ДНК и здравих, нормалних митохондријских ДНК. Ако је број мутираних митохондријских ДНК знатно већи од броја здравих ДНК, настало стање ће бити теже.
Друго, мутације у митохондријалној ДНК утичу само на нека ткива организма, посебно на она која захтевају велике количине АТП -а настале услед процеса оксидативне фосфорилације. То је сасвим разумљиво: патити више од једног квара митохондријске ДНК су ћелије којима је најпотребније функцију коју митохондријска ДНК нормално испуњава.
ЛЕБЕРОВА НАСЛЕДНА ОПТИЧКА НЕУРОПАТИЈА
Леберова наследна оптичка неуропатија настаје као резултат мутације чак четири гена митохондријске ДНК. Ови гени садрже информације које доводе до синтезе такозваног комплекса И (или НАДХ оксид-редуктазе), једног од различитих ензима укључених у процес оксидативне фосфорилације.
Манифестације патологије састоје се у прогресивној дегенерацији оптичког нерва и постепеном губитку вида.
КЕАРНС-САИРЕ СИНДРОМ
Кеарнс-Саиреов синдром се јавља због недостатка приличне количине митохондријске ДНК (Н.Б .: недостатак одређене нуклеотидне секвенце назива се делеција).
Људи са Кеарнс-Саире синдромом развијају офталмоплегију (потпуну или делимичну парализу окуломоторних мишића), облик ретинопатије и абнормалности срчаног ритма (атриовентрикуларни блок).
ЛЕИГХОВ СИНДРОМ
Леигх-ов синдром настаје као резултат мутација митохондријске ДНК, које могу утицати на протеин АТП-синтазе (такође назван В-комплекс) и / или неке тРНК.
Леигх -ов синдром је прогресивна неуролошка болест, која се јавља у раном дјетињству или дјетињству и одговорна је за: заостајање у развоју, слабост мишића, периферну неуропатију, моторне поремећаје, потешкоће с дисањем и офталмоплегију.
НЕДОСТАТАК ЦИТОХРОМА Ц ОКСИДАЗЕ
Недостатак цитокром Ц оксидазе настаје услед мутације најмање 3 гена митохондријске ДНК. Ови гени су неопходни за правилну синтезу ензима цитокром Ц оксидазе (или комплекса ИВ), укљученог у процес оксидативне фосфорилације.
Типичне манифестације недостатка цитокром Ц оксидазе састоје се од: дисфункције скелетних мишића, срчане дисфункције, бубрежне дисфункције и дисфункције јетре.
ПРОГРЕСИВНА ВАЊСКА ОФТАЛМОПЛЕГИЈА
Прогресивна спољна офталмоплегија настаје због недостатка значајног броја нуклеотида митохондријске ДНК (брисање)
Са прогресивним карактером (као што се може наслутити из назива), ова патологија изазива парализу окуломоторних мишића, са последичном птозом и значајним видним проблемима.
ПЕАРСОНОВ СИНДРОМ
Пеарсонов синдром се јавља након упадљивог брисања митохондријске ДНК, на сличан начин као прогресивна спољна офталмоплегија и Кеарнс-Саиреов синдром.
Типичне манифестације Пеарсоновог синдрома састоје се од: сидеробластичне анемије, дисфункције панкреаса (нпр. Дијабетес зависан од инсулина), неуролошких дефицита и поремећаја мишића.
Пеарсонов синдром обично узрокује да погођена особа умре у младости. У ствари, они погођени овом патологијом ретко достижу одраслу доб.
МЕЛАС СИНДРОМ
МЕЛАС синдром, такође познат као митохондријска енцефаломиопатија са лактацидозом и епизодама сличним можданом удару, настаје мутацијом најмање 5 гена митохондријске ДНК.
Ови гени доприносе синтези НАДХ оксид-редуктазе, или комплекса И, и неких тРНК.
МЕЛАС синдром укључује присуство неуролошких поремећаја, поремећаја мишића, неуобичајено накупљање млечне киселине у ткивима (са свим пратећим симптомима), проблеме са дисањем, губитак контроле функције црева, понављајући умор, проблеме са бубрезима, срчане проблеме, дијабетес, епилепсију и недостатак координације.
ОСТАЛЕ ПАТОЛОГИЈЕ
Према различитим научним студијама, болести попут синдрома цикличног повраћања, пигментозног ретинитиса, атаксије, Паркинсонове болести и Алцхајмерове болести такође би довеле до укључивања митохондријске ДНК и неких његових мутација.
