Mitokondriális DNS

általánosság

A mitokondriális DNS vagy az mtDNS az a dezoxiribonukleinsav, amely a mitokondriumokban helyezkedik el, vagyis az eukarióta sejtek organellumai, amelyek felelősek az oxidatív foszforiláció nagyon fontos sejtfolyamatáért.

A mitokondriális DNS-nek valamilyen hasonlósága van a nukleáris DNS-hez, például a nukleotidok kettős szálához, a nitrogénbázisok összetételéhez, a gének jelenlétéhez stb.

Ugyanakkor bizonyos szerkezeti és funkcionális sajátosságokkal is rendelkezik, amelyek egyedi jellegűek. Ezek a jellemzők a következők: a nukleotidok kettős szálának körkörössége, a gének tartalma (ami csak 37 elem) és a nem kódoló nukleotidszekvenciák szinte teljes hiánya.

A mitokondriális DNS alapvető szerepet játszik a sejtek túlélésében: az oxidatív foszforiláció megvalósításához szükséges enzimeket termeli.

Mi a mitokondriális DNS?

A mitokondriális DNS vagy az mtDNS a mitokondriumokban található DNS.

A mitokondriumok azok a nagy sejtes organellák, amelyek jellemzőek az eukarióta szervezetekre, amelyek az élelmiszerben lévő kémiai energiát ATP-kké alakítják át, amely a sejtek által használható energia.

EMLÉKEZTET a MITOCHONDERS SZERKEZETÉNEK ÉS MŰKÖDÉSÉRE

Tubuláris, szálas vagy szemcsés formában a mitokondriumok a citoplazmában találhatók, és az utóbbi térfogatának közel 25% -át foglalják el.

Két foszfolipid kettősrétegű membránjuk van, még egy külső és egy belső.

A legkülső membrán, amely úgynevezett külső mitokondriális membrán, az egyes mitokondriumok kerületeit reprezentálja, és transzportfehérjékkel rendelkezik (porin és nem csak), amely átjárhatóvá teszi az 5000 dalton vagy annál kisebb méretű molekulákat.

A belső membrán, a belső mitokondriális membrán, tartalmazza az ATP-szintézishez szükséges összes enzimatikus komponenst (vagy enzimet) és koenzim-komponenst, és egy központi teret határol, amelyet mátrixnak nevezünk.

A legkülső membránnal ellentétben a belső mitokondriális membrán számos invaginációval rendelkezik - az úgynevezett címereket -, amelyek növelik annak teljes területét.

A két mitokondriális membrán között közel 60-80 Angström (A) tér van. Ezt a teret intermembrán térnek nevezik. Az intermembrán térfogata nagyon hasonlít a citoplazmához.

A mitokondriumok által működtetett ATP szintézise nagyon összetett folyamat, amelyet a biológusok az oxidatív foszforiláció kifejezéssel azonosítanak.

MEGBÍZHATÓ MITOCHONDRIÁLIS DNS HELYZET ÉS MINŐSÉG

Ábra: emberi mitokondrium.

A mitokondriális DNS a mitokondriumok mátrixában van, azaz a belső mitokondriális membrán által határolt térben.

A megbízható tudományos vizsgálatok alapján minden mitokondrium tartalmazhat 2-12 másolatot a mitokondriális DNS-ről.

Figyelembe véve azt a tényt, hogy az emberi testben néhány sejt tartalmazhat több ezer mitokondriumot, a mitokondriális DNS-másolatok száma egyetlen emberi sejtben akár 20 000 egységet is elérhet.

Megjegyzés: a humán sejtekben a mitokondriumok száma a sejt típusától függően változik. Például a hepatociták (azaz a májsejtek) 1000–2000 mitokondriumot tartalmazhatnak, míg az eritrociták (azaz a vörösvértestek) teljesen mentesek.

struktúra

A mitokondriális DNS-molekula általános szerkezete hasonlít a nukleáris DNS általános szerkezetére, azaz az eukarióta sejtek magjában található genetikai örökségre.

Valójában a nukleáris DNS-hez hasonlóan:

  • A mitokondriális DNS egy biopolimer, amely két hosszú nukleotid szálból áll. A nukleotidok olyan szerves molekulák, amelyek három elemből állnak: egy 5 szénatomos cukor (DNS, deoxiribóz ), nitrogénbázis és foszfátcsoport .
  • A mitokondriális DNS-ek mindegyik nukleotidja ugyanazon filamentum következő nukleotidjához kötődik, foszfodiészter kötéssel deoxiribózjának szénatomja és közvetlenül a következő nukleotid-foszfátcsoport között.
  • A mitokondriális DNS két szálának ellentétes iránya van, az egyik feje a másik végével kölcsönhatásban van, és fordítva. Ezt a konkrét elrendezést antiparallel elrendezésnek (vagy antiparallel orientációnak ) nevezzük.
  • A mitokondriális DNS két filamentuma kölcsönhatásba lép egymással a nitrogénbázisokon keresztül .

    Pontosabban, minden egyes szál minden egyes nitrogénbázisa egy és egyetlen nitrogénbázissal hidrogénkötéseket hoz létre a másik szálon.

    Ezt a fajta interakciót "nitrogén bázisok közötti párosításnak" vagy "nitrogén bázispárnak" nevezik.

  • A mitokondriális DNS nitrogénbázisai az adenin, a timin, a citozin és a guanin .

    A párosodás, amelyhez ezek a nitrogénbázisok emelkednek, nem véletlenszerűek, de nagyon specifikusak: az adenin csak a timinnel, míg a citozin csak guaninnal hat.

  • A mitokondriális DNS gének (vagy génszekvenciák). A gének többé-kevésbé hosszú nukleotidok szekvenciái, jól meghatározott biológiai jelentéssel. A legtöbb esetben fehérjék keletkeznek.

A MITOCHONDRIAL DNS STRUKTURÁLIS RÉSZLETEK

A fent említett analógiákon túl a humán mitokondriális DNS-nek bizonyos szerkezeti sajátosságai vannak, amelyek jelentősen megkülönböztetik azt az emberi nukleáris DNS-től.

Először egy kör alakú molekula, míg a nukleáris DNS egy lineáris molekula.

Így 16.569 pár nitrogén bázisa van, míg a nukleáris DNS 3, 3 milliárd szépségű.

37 gént tartalmaz, míg a nukleáris DNS 20 000 és 25 000 között van.

Kromoszómákban nem szerveződik, míg a nukleáris DNS-t 23 kromoszómára osztják, és bizonyos specifikus fehérjékkel kromatinnak nevezett anyagot alkot.

Végül tartalmaz egy olyan nukleotidsorozatot, amelyek egyidejűleg két génben vesznek részt, míg a nukleáris DNS-nek olyan génjei vannak, amelyek nukleotidszekvenciái jól meghatározottak és egymástól elkülönülnek.

származás

A mitokondriális DNS nagyon valószínűleg bakteriális eredetű .

Valóban, számos független tanulmány alapján a molekuláris biológusok úgy vélik, hogy a mitokondriális DNS sejtes jelenléte az őssejtes eukarióta sejtek által a mitokondriumokhoz hasonló, nagyon független baktériumorganizmusok beágyazódásának eredménye.

Ez a kíváncsi felfedezés csak részben meglepte a tudományos közösséget, mivel a baktériumokban jelenlévő DNS általában körkörös nukleotidok, például mitokondriális DNS filamentuma.

Az elméletet, hogy a mitokondriumok és a mitokondriális DNS bakteriális eredetű, az " endoszimbiotikus elmélet " -nek nevezzük, az " endosymbiosis " szóból. Röviden, a biológiában az "endoszimbiosis" kifejezés két szervezet közötti együttműködést jelez, amely magában foglalja az egyik beágyazódását a másikba, annak érdekében, hogy bizonyos előnyt szerezzen.

kíváncsiság

A megbízható tudományos tanulmányok szerint az evolúció során a jövőbeni mitokondriális DNS-ben jelenlévő számos bakteriális gén megváltoztatta volna a helyét, átállva a nukleáris DNS-be.

Más szavakkal, az endoszimbiosis kezdetén néhány, a nukleáris DNS-ben jelen lévő gén a bakteriális szervezetek DNS-jében tartózkodott, ami ezután mitokondriumok lettek.

Az elmélet, hogy bizonyos gének a mitokondriális DNS-ből, egyes fajokból és a nukleáris DNS-ből származnak, másokban megerősíti a mitokondriális DNS és a nukleáris DNS közötti génátmenet elméletét.

függvény

A mitokondriális DNS enzimeket (azaz fehérjéket) termel, amelyek szükségesek az oxidatív foszforiláció finom folyamatának megfelelő megvalósításához.

Ezeknek az enzimeknek a szintézisére vonatkozó utasítások a 37 génben helyezkednek el, amelyek a mitokondriális DNS genomját alkotják.

MI A MITOCHONDRIÁLIS DNS KÓDJA: A RÉSZLETEK

A mitokondriális DNS 37 génje a fehérjéket, a tRNS-t és a rRNS-t kódolja.

Pontosabban:

  • 13 az oxidatív foszforilációért felelős 13 fehérje kódolása
  • A 22. ábra 22 tRNS molekulát kódol
  • 2 rRNS 2 molekulát kódol

A tRNS és az rRNS molekulák alapvetően fontosak a fenti 13 fehérje szintéziséhez, mivel azok a gyártást szabályozó gépet alkotják.

Más szóval, a mitokondriális DNS-nek van egy információja, hogy bizonyos fehérjék halmazát és az utóbbiak szintéziséhez szükséges eszközöket állítson elő.

Mi az RNS, tRNS és rRNS?

Az RNS vagy a ribonukleinsav a nukleinsav, amely alapvető szerepet játszik a fehérjék előállításában a DNS-ből.

Általában egyszálú, RNS létezhet különböző formákban (vagy típusokban), attól függően, hogy melyik függvényhez tartozik.

A TRNA és az rRNS két lehetséges forma.

A TRNA-t aminosavak hozzáadására használják a fehérjék létrehozása során. Az aminosavak a fehérjéket alkotó molekuláris egységek.

Az rRNS a riboszómákat, azaz a fehérjeszintézis alapját képező sejtstruktúrákat képezi.

Ha többet szeretne megtudni az RNS-ről és annak funkcióiról, az olvasók ide kattinthatnak.

A MITOCHONDRIAL DNS FUNKCIÓS RÉSZLETEI

Funkcionális szempontból a mitokondriális DNS-nek van néhány sajátos jellemzője, amelyek egyértelműen megkülönböztetik azt a nukleáris DNS-től.

Íme a következő jellemzők:

  • A mitokondriális DNS félig független abban az értelemben, hogy szükség van a nukleáris DNS-ből származó egyes fehérjék beavatkozására.

    Ezzel szemben a nukleáris DNS teljesen autonóm, és mindent megteremt, amire szüksége van ahhoz, hogy feladatait megfelelően elvégezze.

  • A mitokondriális DNS genetikai kódja kissé eltér a nukleáris DNS-től . Ez egy sor különbséghez vezet a fehérjék megvalósításában: ha a nukleotidok egy bizonyos szekvenciája a nukleáris DNS-ben egy bizonyos fehérje létrehozásához vezet, akkor a mitokondriális DNS azonos szekvenciája egy kicsit eltérő fehérje kialakulásához vezet.
  • A mitokondriális DNS-nek nagyon kevés nem kódoló nukleotidszekvenciája van, azaz nem termel fehérjét, tRNS-t vagy rRNS-t. A mitokondriális DNS csak 3% -a nem kódoló.

    Ezzel szemben a nukleáris DNS csak 7% -ot kódol, így nagyszámú nem kódoló nukleotidszekvenciát tartalmaz (93%).

Táblázat: az emberi mitokondriális DNS és a humán nukleáris DNS közötti különbségek összefoglalása.

Mitokondriális DNS

Nukleáris DNS

  • Kör alakú
  • Ez lineáris
  • Összesen 16.569 pár nitrogénbázist tartalmaz
  • Összesen 3, 3 milliárd pár nitrogénbázist tartalmaz
  • Összesen 37 gént tartalmaz
  • 20 000 és 25 000 gént tartalmaz
  • Ahhoz, hogy megfelelően működjön, szükség van bizonyos géntermékek támogatására, amelyek a nukleáris DNS-ből származnak
  • Ez autonóm, és mindent megteremt, amire szüksége van ahhoz, hogy a feladatait megfelelően elvégezze
  • Az egyes mitokondriumokban több példányban is jelen lehet
  • Egyedülálló, azaz csak egy példányban van, és a magban van
  • A nukleotidszekvencia 97% -a kódol
  • A nukleotidok szekvenciájának csak 7% -a kódol
  • Nem kromoszómákban van rendezve
  • 23 kromoszómára oszlik
  • Olyan genetikai kódot használjon, amely kissé eltér a "hagyományos" -tól
  • Használja a "hagyományos" genetikai kódot
  • Az örökség anyai
  • Az öröksége fél anyai és félig apai
  • Néhány nukleotidja egyidejűleg két génben vesz részt
  • A géneket alkotó nukleotidszekvenciák jól elkülönülnek egymástól

öröklés

A mitokondriális DNS öröksége szigorúan anyai .

Ez azt jelenti, hogy néhány szülőnél az asszony adja át a mitokondriális DNS-t az utódoknak (azaz a gyerekeknek).

A fentiekhez képest teljesen ellentétes módon a nukleáris DNS öröksége félig anyai és félig apai. Más szavakkal, mindkét szülő egyenlő mértékben járul hozzá a nukleáris DNS továbbításához az utódokban.

Megjegyzés: a mitokondriális DNS anyai öröksége magában foglalja a mitokondriális struktúrát is. Így az egyénben jelenlévő mitokondriumok anyai formában vannak.

Kapcsolódó patológiák

Előfeltétel: a genetikai mutáció a nukleotidok szekvenciájának állandó változása, amely nukleáris vagy mitokondriális DNS-gént alkot.

Általában a genetikai mutáció jelenléte az érintett gén normál működésének megváltozásához vagy elvesztéséhez vezet.

A mutációk jelenléte a mitokondriális DNS-gének szintjén számos betegség meghatározására képes, beleértve a következőket:

  • Leber örökletes optikai neuropátia
  • Kearns-Sayre-szindróma
  • Leigh szindróma
  • A citokróm C oxidáz hiánya
  • Progresszív külső ophthalmoplegia
  • Pearson-szindróma
  • Mitokondriális encephalomyopathia tejsavas acidózissal és stroke-szerű epizódokkal (MELAS szindróma)
  • A cukorbetegség anyai transzmisszió süketséggel
  • Myoclonic epilepszia szabálytalan vörös szálakkal

Az egy vagy több mitokondriális DNS-mutációhoz kapcsolódó kóros állapotok tekintetében két szempontot kell meghatározni.

Először is, a morbid állapot súlyossága a mutált mitokondriális DNS és az egészséges, normális mitokondriális DNS közötti mennyiségi viszonytól függ. Ha a mutált mitokondriális DNS-ek száma jóval magasabb, mint az egészséges DNS-nél, a kapott állapot súlyosabb lesz.

Másodszor, a mitokondriális DNS-mutációk csak bizonyos szöveteket érintenek a testben, különösen azokban, amelyek nagy mennyiségű ATP-t igényelnek az oxidatív foszforiláció folyamatából. Ez megérthető: azok a sejtek, amelyeknek a legnagyobb szükségük van arra a funkcióra, amelyre a mitokondriális DNS normálisan teljesül, leginkább a hibás mitokondriális DNS-t érinti.

A LEBER HERITITÁRIS OPTIKAI NEUROPATHIA

Leber örökletes optikai neuropátia a négy mitokondriális DNS-gén mutációjából ered. Ezek a gének olyan információt tartalmaznak, amely az úgynevezett komplex I (vagy NADH-oxid-reduktáz) szintéziséhez vezet, amely az oxidatív foszforiláció folyamatában részt vevő különböző enzimek egyikét képezi.

A patológia megnyilvánulása a látóideg progresszív degenerációjában és a látás fokozatos elvesztésében rejlik.

KEARNS-SAYRE SYNDROME

A Kearns-Sayre-szindróma a mitokondriális DNS diszkrét részének hiánya miatt jelenik meg (NB: egy bizonyos nukleotidszekvencia hiányát deléciónak nevezik).

A Kearns-Sayre-szindróma szenvedő betegei ophthalmoplegiát (azaz az oculomotoros izmok teljes vagy részleges bénulását), a retinopátia és a rendellenes szívritmus (atrioventrikuláris blokk) formáját fejtik ki.

LEIGH SYNDROME

Leigh-szindróma a mitokondriális DNS-mutációk eredményeként jön létre, amelyek magukban foglalhatják az ATP-szintáz fehérjét (más néven V-komplex) és / vagy néhány tRNS-t.

A Leigh-szindróma egy progresszív neurológiai betegség, amely a csecsemő- vagy gyermekkorban jelentkezik, és felelős a következőkért: fejlődési késleltetés, izomgyengeség, perifériás neuropátia, motoros rendellenességek, légzési nehézség és ophthalmoplegia.

A CUTOKROME C OXIDASE MEGHATÁROZÁSA

A citokróm C oxidáz hiánya legalább 3 mitokondriális DNS gén mutációja miatt jelentkezik. Ezek a gének alapvetőek az oxidatív foszforiláció folyamatában részt vevő citokróm C oxidáz (vagy komplex IV) enzim megfelelő szintéziséhez.

A citokróm C oxidáz hiányának tipikus megnyilvánulása a következők: csontváz-diszfunkció, szívműködési zavar, veseelégtelenség és májfunkció.

PROGRESSIVE EXTERNAL OPHTHALMOPHY

A progresszív külső ophthalmoplegia a jelentős számú mitokondriális DNS-nukleotid hiánya miatt következik be (törlés)

Progresszív jelleggel (ahogyan a névből kitalálhatod) ez a patológia a oculomotoros izmok bénulását okozza, következésképpen ptosis és jelentős vizuális problémák.

PEARSON SYNDROME

Pearson-szindróma a mitokondriális DNS nagy deléciója után jelenik meg, hasonlóan a progresszív külső ophthalmoplegiához és a Kearns-Sayre-szindrómához.

A Pearson-szindróma tipikus megnyilvánulásai a következők: szideroblasztikus anaemia, hasnyálmirigy-diszfunkciók (pl. Inzulinfüggő diabétesz), neurológiai hiányok és izmok rendellenességei.

Általában Pearson-szindróma az érintett beteg halálát okozza fiatal korban. Valójában a betegség által érintettek ritkán érik el a felnőttkorot.

MELAS SYNDROME

A MELAS-szindróma, amelyet tejsav-acidózissal és stroke-szerű epizódokkal is ismert, mitokondriális encephalomyopathia néven ismert, legalább 5 mitokondriális DNS-gén mutációjának következménye.

Ezek a gének hozzájárulnak a NADH-oxid-reduktáz vagy az I komplex és néhány tRNS-ek szintéziséhez.

A MELAS-szindróma neurológiai rendellenességek, izomrendszeri rendellenességek, a tejsav szokatlan felhalmozódása a szövetekben (mindezen tünetekkel együtt), légzési problémák, a bélfunkciók kontrolljának elvesztése, visszatérő fáradtság, vesebetegségek, szívproblémák, cukorbetegség, epilepszia és koordináció hiánya.

EGYÉB PATHOLÓGIA

Számos tudományos tanulmány szerint a betegségek, mint például a ciklikus hányás szindróma, a retinitis pigmentosa, az ataxia, a Parkinson-kór és az Alzheimer-kór, a mitokondriális DNS-t és néhány mutációt tartalmazzák.

Ajánlott

Hemodinamikai válasz az aerob testmozgásra
2019
Gamma-oryzanol
2019
Instabil angina
2019