всеобщность
Митохондриальная ДНК, или мтДНК, представляет собой дезоксирибонуклеиновую кислоту, которая находится внутри митохондрий, то есть органелл эукариотических клеток, ответственных за очень важный клеточный процесс окислительного фосфорилирования.
Тем не менее, он также имеет некоторые особенности, как структурные, так и функциональные, которые делают его уникальным в своем роде. Эти особенности включают: округлость двойной цепи нуклеотидов, содержание генов (всего 37 элементов) и практически полное отсутствие некодирующих нуклеотидных последовательностей.
Митохондриальная ДНК играет фундаментальную роль в выживании клеток: она производит ферменты, необходимые для осуществления окислительного фосфорилирования.
Что такое митохондриальная ДНК?
Митохондриальная ДНК, или мтДНК, представляет собой ДНК, расположенную внутри митохондрий .
Митохондрии - это крупные клеточные органеллы, типичные для эукариотических организмов, которые преобразуют химическую энергию, содержащуюся в пище, в АТФ, которая является формой энергии, которая может использоваться клетками.
ОБЗОРЫ ПО СТРУКТУРЕ И ФУНКЦИОНИРОВАНИЮ МИТОХОНДЕРОВ
Из трубчатой, нитевидной или зернистой формы митохондрии находятся в цитоплазме, занимая почти 25% объема последней.
Они имеют две фосфолипидные двухслойные мембраны, еще одну внешнюю и еще одну внутреннюю.
Наружная мембрана, известная как наружная митохондриальная мембрана, представляет периметр каждой митохондрии и имеет транспортные белки (порины и не только), которые делают ее проницаемой для молекул размером, равным или меньшим 5000 дальтон.
Самая внутренняя мембрана, известная как внутренняя митохондриальная мембрана, содержит все ферментативные компоненты (или ферменты) и коферментные компоненты, необходимые для синтеза АТФ, и ограничивает центральное пространство, называемое матрицей .
В отличие от самой внешней мембраны, внутренняя митохондриальная мембрана имеет многочисленные инвагинации - так называемые гребни - которые увеличивают ее общую площадь.
Между двумя митохондриальными мембранами имеется пространство почти 60-80 Ангстрем (А). Это пространство называется межмембранным пространством . Межмембранное пространство имеет состав, очень похожий на состав цитоплазмы.
Синтез АТФ, управляемый митохондриями, является очень сложным процессом, который биологи отождествляют с термином окислительное фосфорилирование .
ТОЧНОЕ РАСПОЛОЖЕНИЕ МИТОХОНДРИАЛЬНОЙ ДНК И КОЛИЧЕСТВО
Рисунок: человеческая митохондрия.
Митохондриальная ДНК находится в митохондриальной матрице, то есть в пространстве, ограниченном внутренней митохондриальной мембраной.
На основании достоверных научных исследований каждая митохондрия может содержать от 2 до 12 копий митохондриальной ДНК.
Учитывая тот факт, что в организме человека некоторые клетки могут содержать в себе несколько тысяч митохондрий, общее количество копий митохондриальной ДНК в одной клетке человека может даже достигать 20 000 единиц.
Примечание: количество митохондрий в клетках человека варьируется в зависимости от типа клеток. Например, гепатоциты (т.е. клетки печени) могут содержать от 1000 до 2000 митохондрий каждый, в то время как эритроциты (то есть эритроциты) полностью лишены их.
структура
Общая структура молекулы митохондриальной ДНК напоминает общую структуру ядерной ДНК, то есть генетическое наследие, присутствующее в ядре эукариотических клеток.
На самом деле, аналогично ядерной ДНК:
- Митохондриальная ДНК представляет собой биополимер, состоящий из двух длинных цепей нуклеотидов . Нуклеотиды - это органические молекулы, образующиеся в результате объединения трех элементов: сахара с 5 атомами углерода (в случае ДНК, дезоксирибозы ), азотистого основания и фосфатной группы .
- Каждый нуклеотид митохондриальной ДНК связывается со следующим нуклеотидом того же филамента посредством фосфодиэфирной связи между углеродом 3 его дезоксирибозы и непосредственно следующей нуклеотид-фосфатной группой.
- Две нити митохондриальной ДНК имеют противоположную ориентацию, голова одной из которых взаимодействует с концом другой и наоборот. Это конкретное расположение известно как антипараллельное расположение (или антипараллельная ориентация ).
- Две нити митохондриальной ДНК взаимодействуют друг с другом через азотистые основания .
В частности, каждое азотистое основание каждой нити создает водородные связи с одним и только одним азотистым основанием, присутствующим на другой нити.
Этот тип взаимодействия называется «спаривание азотистых оснований» или «пара азотистых оснований».
- Азотистыми основаниями митохондриальной ДНК являются аденин, тимин, цитозин и гуанин .
Спаривание, которое вызывают эти азотистые основания, не случайно, а весьма специфично: аденин взаимодействует только с тимином, а цитозин - только с гуанином.
- Митохондриальная ДНК является домом для генов (или последовательностей генов). Гены представляют собой последовательности из более или менее длинных нуклеотидов с четко определенным биологическим значением. В большинстве случаев они дают белки.
СТРУКТУРНЫЕ ДЕТАЛИ МИТОХОНДРИАЛЬНОЙ ДНК
Помимо вышеупомянутых аналогий, человеческая митохондриальная ДНК имеет некоторые структурные особенности, которые значительно отличают ее от человеческой ядерной ДНК.
Во-первых, это круговая молекула, а ядерная ДНК - линейная молекула.
Таким образом, он имеет 16 569 пар азотистых оснований, а ядерная ДНК обладает красотой 3, 3 миллиарда.
Он содержит 37 генов, в то время как ядерная ДНК содержит от 20 000 до 25 000.
Он не организован в хромосомах, в то время как ядерная ДНК делится на 23 хромосомы и формы, с некоторыми специфическими белками, веществом, называемым хроматином.
Наконец, он включает ряд нуклеотидов, которые участвуют в двух генах одновременно, в то время как ядерная ДНК имеет гены, нуклеотидные последовательности которых четко определены и отличаются друг от друга.
происхождения
Митохондриальная ДНК, скорее всего, имеет бактериальное происхождение .
Действительно, основываясь на многочисленных независимых исследованиях, молекулярные биологи полагают, что клеточное присутствие митохондриальной ДНК является результатом включения предковыми эукариотическими клетками независимых бактериальных организмов, очень похожих на митохондрии.
Это любопытное открытие лишь частично поразило научное сообщество, поскольку ДНК, присутствующая в бактериях, обычно представляет собой филамент кольцевых нуклеотидов, таких как митохондриальная ДНК.
Теория о том, что митохондрии и митохондриальная ДНК будут иметь бактериальное происхождение, называется « эндосимбиотическая теория », от слова « эндосимбиоз ». Вкратце, в биологии термин «эндосимбиоз» указывает на сотрудничество между двумя организмами, которое включает в себя включение одного внутрь другого, чтобы получить определенное преимущество.
любопытство
Согласно достоверным научным исследованиям, в ходе эволюции многие бактериальные гены, присутствующие в будущей митохондриальной ДНК, изменили бы свое местоположение, перейдя в ядерную ДНК.
Другими словами, в начале эндосимбиоза некоторые гены, присутствующие в настоящее время в ядерной ДНК, находились в ДНК этих бактериальных организмов, которые затем стали бы митохондриями.
Теория о том, что определенные гены происходят от митохондриальной ДНК у некоторых видов и от ядерной ДНК у других, подтверждает теорию о смещении генов между митохондриальной ДНК и ядерной ДНК.
функция
Митохондриальная ДНК продуцирует ферменты (то есть белки), необходимые для правильной реализации деликатного процесса окислительного фосфорилирования.
Инструкции по синтезу этих ферментов находятся в 37 генах, которые составляют геном митохондриальной ДНК.
КАКОЙ ГЕН МИТОХОНДРИАЛЬНОЙ ДНК КОДОВ: ДЕТАЛИ
37 генов митохондриальной ДНК кодируют: белки, тРНК и рРНК.
В частности:
- 13 кодов для 13 белков, ответственных за проведение окислительного фосфорилирования
- 22 кодируют 22 молекулы тРНК
- 2 кодируют 2 молекулы рРНК
Молекулы тРНК и рРНК являются основополагающими для синтеза вышеуказанных 13 белков, так как они составляют механизм, который регулирует их производство.
Итак, другими словами, митохондриальная ДНК обладает информацией для производства определенного набора белков и инструментов, необходимых для синтеза последних.
Что такое РНК, тРНК и рРНК?
РНК, или рибонуклеиновая кислота, - это нуклеиновая кислота, которая играет фундаментальную роль в генерации белков, начиная с ДНК.
Как правило, одноцепочечная РНК может существовать в различных формах (или типах), в зависимости от конкретной функции, которой она является заместителем.
ТРНК и рРНК являются двумя из этих возможных форм.
ТРНК используется для добавления аминокислот, в процессе создания белков. Аминокислоты - это молекулярные единицы, из которых состоят белки.
РРНК образует рибосомы, то есть клеточные структуры, на которых основан синтез белка.
Чтобы узнать больше о РНК и ее функциях, читатели могут щелкнуть здесь.
ФУНКЦИОНАЛЬНЫЕ ДЕТАЛИ МИТОХОНДРИАЛЬНОЙ ДНК
С функциональной точки зрения митохондриальная ДНК обладает некоторыми специфическими характеристиками, которые четко отличают ее от ядерной ДНК.
Вот из чего состоят эти особенности:
- Митохондриальная ДНК является полунезависимой в том смысле, что ей необходимо вмешательство некоторых белков, синтезированных из ядерной ДНК.
В отличие от этого, ядерная ДНК полностью автономна и производит все необходимое для правильного выполнения своих задач.
- Митохондриальная ДНК имеет генетический код, немного отличающийся от кода ядерной ДНК . Это приводит к ряду различий в реализации белков: если определенная последовательность нуклеотидов в ядерной ДНК приводит к созданию определенного белка, такая же последовательность в митохондриальной ДНК приводит к образованию немного другого белка.
- Митохондриальная ДНК имеет очень мало некодирующих нуклеотидных последовательностей, то есть не продуцирующих белок, тРНК или рРНК. В процентном отношении только 3% митохондриальной ДНК не кодируют.
Напротив, ядерная ДНК кодирует только 7%, поэтому она содержит большое количество некодирующих нуклеотидных последовательностей (93%).
Таблица: сводка различий между митохондриальной ДНК человека и ядерной ДНК человека. | |
Митохондриальная ДНК | Ядерная ДНК |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
наследование
Наследование митохондриальной ДНК строго материнское .
Это означает, что у пары родителей именно женщина передает митохондриальную ДНК потомству (то есть детям).
В противоположность вышесказанному, наследование ядерной ДНК является наполовину материнским и наполовину отцовским. Другими словами, оба родителя вносят одинаковый вклад в передачу ядерной ДНК в потомстве.
Примечание: материнское наследование митохондриальной ДНК также включает митохондриальную структуру. Таким образом, митохондрии, присутствующие у человека, находятся на материнской плесени.
Сопутствующие патологии
Предпосылка: генетическая мутация - это постоянное изменение последовательности нуклеотидов, которые составляют ген ядерной или митохондриальной ДНК.
Как правило, наличие генетической мутации приводит к изменению или потере нормальной функции вовлеченного гена.
Наличие мутаций на уровне генов митохондриальной ДНК может определять широкий спектр заболеваний, в том числе:
- Наследственная оптическая невропатия Лебера
- Синдром Кернса-Сайре
- Синдром Ли
- Дефицит цитохрома С оксидазы
- Прогрессирующая наружная офтальмоплегия
- Синдром Пирсона
- Митохондриальная энцефаломиопатия с лактоацидозом и приступоподобными эпизодами (синдром MELAS)
- Диабет с материнской глухотой
- Миоклоническая эпилепсия с нерегулярными красными волокнами
Что касается патологических состояний, связанных с одной или несколькими мутациями митохондриальной ДНК, необходимо указать два аспекта.
Во-первых, тяжесть патологического состояния зависит от количественной взаимосвязи между мутированной митохондриальной ДНК и здоровой нормальной митохондриальной ДНК. Если количество мутированной митохондриальной ДНК намного выше, чем у здоровой ДНК, результирующее состояние будет более тяжелым.
Во-вторых, мутации в митохондриальной ДНК затрагивают только определенные ткани организма, особенно те, которые требуют большого количества АТФ в результате окислительного фосфорилирования. Это вполне понятно: клетки, которые в наибольшей степени нуждаются в функции, которую обычно выполняет митохондриальная ДНК, наиболее подвержены неправильной работе митохондриальной ДНК.
НАСЛЕДСТВЕННАЯ ОПТИЧЕСКАЯ НЕВРОПАТИЯ ЛЕБЕРА
Наследственная оптическая невропатия Лебера возникает из-за мутации целых четырех генов митохондриальной ДНК. Эти гены содержат информацию, которая приводит к синтезу так называемого комплекса I (или NADH-оксид-редуктазы), одного из различных ферментов, участвующих в процессе окислительного фосфорилирования.
Проявления патологии заключаются в прогрессирующей дегенерации зрительного нерва и постепенной потере зрения.
СИНДРОМ КИРНС-САЙРА
Синдром Кернса-Сайре возникает из-за отсутствия дискретной части митохондриальной ДНК (примечание: отсутствие определенной нуклеотидной последовательности называется делецией ).
У пациентов с синдромом Кернса-Сайре развивается офтальмоплегия (то есть полный или частичный паралич глазодвигательных мышц), форма ретинопатии и аномальный сердечный ритм (атриовентрикулярная блокада).
LEIGH СИНДРОМ
Синдром Ли возникает в результате мутаций митохондриальной ДНК, которые могут включать белок АТФ-синтазы (также называемый комплексом V) и / или некоторые тРНК.
Синдром Ли - это прогрессирующее неврологическое заболевание, которое возникает в младенчестве или детстве и вызывает: задержку развития, мышечную слабость, периферическую невропатию, двигательные расстройства, затруднение дыхания и офтальмоплегию.
ДЕФИЦИТ ЦИТОКРОМА С ОКСИДАЗЫ
Дефицит цитохрома С оксидазы появляется из-за мутации по крайней мере 3 генов митохондриальной ДНК. Эти гены имеют основополагающее значение для правильного синтеза фермента оксидазы цитохрома С (или комплекса IV), участвующего в процессе окислительного фосфорилирования.
Типичные проявления дефицита цитохром С оксидазы состоят из: дисфункция скелетных мышц, сердечная дисфункция, почечная дисфункция и дисфункция печени.
ПРОГРЕССИВНАЯ ВНЕШНЯЯ ОФТАЛЬМОФИЯ
Прогрессирующая внешняя офтальмоплегия возникает из-за отсутствия значительного количества митохондриальных нуклеотидов ДНК (делеция)
С прогрессирующим характером (как можно догадаться из названия), эта патология вызывает паралич глазодвигательных мышц с последующим птозом и значительными проблемами со зрением.
ПИРСОН СИНДРОМ
Синдром Пирсона появляется после большой делеции митохондриальной ДНК, сходной с прогрессирующей внешней офтальмоплегией и синдромом Кернса-Сэйра.
Типичные проявления синдрома Пирсона включают сидеробластную анемию, дисфункцию поджелудочной железы (например, инсулинозависимый диабет), неврологические нарушения и мышечные расстройства.
В общем, синдром Пирсона вызывает смерть субъекта, пораженного в молодом возрасте. На самом деле, те, кто страдает от этой патологии, редко достигают совершеннолетия.
МЕЛАС СИНДРОМ
Синдром MELAS, также известный как митохондриальная энцефаломиопатия с лактоацидозом и инсультоподобными эпизодами, возникает в результате мутации по меньшей мере 5 генов митохондриальной ДНК.
Эти гены способствуют синтезу NADH-оксид-редуктазы или комплекса I и некоторых тРНК.
Синдром MELAS включает в себя неврологические расстройства, мышечные расстройства, необычное накопление молочной кислоты в тканях (со всеми возникающими симптомами), проблемы с дыханием, потерю контроля над функциями кишечника, периодическую усталость, проблемы с почками, проблемы с сердцем, диабет, эпилепсия и отсутствие координации.
ДРУГИЕ ПАТОЛОГИИ
Согласно нескольким научным исследованиям, даже при таких заболеваниях, как синдром циклической рвоты, пигментный ретинит, атаксия, болезнь Паркинсона и болезнь Альцгеймера, могут наблюдаться митохондриальная ДНК и некоторые мутации.
