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.
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 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
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.
