загальність
Мітохондріальна ДНК, або мтДНК, є дезоксирибонуклеїновою кислотою, яка знаходиться всередині мітохондрій, тобто органел еукаріотичних клітин, відповідальних за дуже важливий клітинний процес окисного фосфорилювання.
Однак вона також має деякі особливості, як структурні, так і функціональні, які роблять його унікальним у своєму роді. До таких особливостей відносяться: циркулярність подвійної нитки нуклеотидів, вміст генів (що становить лише 37 елементів) і майже повна відсутність некодирующих нуклеотидних послідовностей.
Мітохондріальна ДНК відіграє фундаментальну роль у виживанні клітин: вона продукує ферменти, необхідні для реалізації окисного фосфорилювання.
Що таке мітохондріальна ДНК?
Мітохондріальна ДНК, або мтДНК, є ДНК, що знаходиться всередині мітохондрій .
Мітохондріями є ті великі клітинні органели, типові для еукаріотичних організмів, які перетворюють хімічну енергію, що міститься в їжу, в АТФ, яка є формою енергії, яку можуть використовувати клітини.
Нагадує про структуру та функціонування мітохондрів
З трубчастої, ниткоподібної або зернистої форми мітохондрії перебувають у цитоплазмі, займаючи майже 25% обсягу останньої.
Вони мають дві фосфоліпідні двошарові мембрани, ще одну зовнішню і ще одну внутрішню.
Зовнішня мембрана, відома як зовнішня мітохондріальна мембрана, являє собою периметр кожної мітохондрії і має транспортні білки (porine і не тільки), які роблять її проникною для молекул розміром, рівним або меншим за 5000 дальтон.
Внутрішня мембрана, відома як внутрішня мітохондріальна мембрана, містить всі ферментні компоненти (або ферменти) і коферментні компоненти, необхідні для синтезу АТФ, і розмежовує центральний простір, званий матрицею .
На відміну від зовнішньої мембрани, внутрішня мітохондріальна мембрана має численні інвагінації - так звані гребені - що збільшує його загальну площу.
Між двома мітохондріальними мембранами є простір майже 60-80 ангстрем (А). Цей простір називається міжмембранним простором . Міжмембранне простір має склад, дуже схожий на склад цитоплазми.
Синтез АТФ, оперований мітохондріями, є дуже складним процесом, який біологи ототожнюють з терміном окисне фосфорилювання .
Точне МОТОХОНДРІАЛЬНЕ МІСЦЕ ДЛЯ ДАНИХ І КОЛИЧЕСТВО
Малюнок: людські мітохондрії.
Митохондріальна ДНК знаходиться в матриці мітохондрій, тобто в просторі, відмежованому внутрішньою мітохондріальною мембраною.
На основі достовірних наукових досліджень кожна мітохондрія може містити від 2 до 12 копій мітохондріальної ДНК.
Враховуючи той факт, що в людському тілі деякі клітини можуть містити в собі кілька тисяч мітохондрій, загальна кількість копій мітохондрій в одній людській клітині може досягати навіть 20 000 одиниць.
Примітка: кількість мітохондрій в людських клітинах змінюється в залежності від типу клітин. Наприклад, гепатоцити (тобто клітини печінки) можуть містити від 1000 до 2000 мітохондрій кожен, а еритроцити (тобто червоні кров'яні клітини) повністю позбавлені їх.
структура
Загальна структура молекули мітохондріальної ДНК нагадує загальну структуру ядерної ДНК, тобто генетичну спадщину, що знаходиться в ядрі еукаріотичних клітин.
Насправді, подібно до ядерної ДНК:
- Мітохондріальна ДНК являє собою біополімер, що складається з двох довгих ниток нуклеотидів . Нуклеотиди являють собою органічні молекули, що утворюються в результаті об'єднання трьох елементів: цукру з 5 атомами вуглецю (у разі ДНК, дезоксирибоза ), азотистої основи і фосфатної групи .
- Кожен нуклеотид мітохондріальної ДНК зв'язується з наступним нуклеотидом тієї ж нитки, за допомогою фосфодіефірного зв'язку між вуглецем 3 його дезоксирибози і безпосередньо наступною нуклеотидною фосфатною групою.
- Дві нитки мітохондріальної ДНК мають протилежну орієнтацію, голова якої взаємодіє з кінцем іншого і навпаки. Ця особлива композиція відома як антипараллельное розташування (або антипараллельная орієнтація ).
- Дві нитки мітохондріальної ДНК взаємодіють один з одним через азотисті основи .
Зокрема, кожна азотиста основа кожної нитки встановлює водневі зв'язки з одним і тільки одним азотистим підставою, присутнім на іншій нитці.
Цей тип взаємодії називається "сполученням між азотистими основами" або "парою азотистих основ".
- Азотисті основи мітохондріальної ДНК - це аденін, тимін, цитозин і гуанін .
Спарювання, на яке породжуються ці азотисті основи, не є випадковими, а високоспецифічними: аденін взаємодіє тільки з тиміном, тоді як цитозин - тільки з гуаніном.
- Митохондріальна ДНК є домом для генів (або генних послідовностей). Гени є послідовностями більш-менш довгих нуклеотидів, з чітко визначеним біологічним значенням. У більшості випадків вони породжують білки.
СТРУКТУРНІ ДЕТАЛІ МІТОХОНДРІАЛЬНОЇ ДНК
Крім вищезгаданих аналогій, людська мітохондріальна ДНК має деякі структурні особливості, які значно відрізняють її від людської ядерної ДНК.
По-перше, це кругова молекула, а ядерна ДНК - лінійна молекула.
Таким чином, вона має 16 569 пар азотистих основ, а ядерна ДНК має красу 3, 3 мільярда.
Він містить 37 генів, в той час як ядерна ДНК містить від 20 до 25 тисяч.
Вона не організована в хромосомах, тоді як ядерна ДНК ділиться на 23 хромосоми і форми, з деякими специфічними білками, речовиною, що називається хроматином.
Нарешті, вона включає ряд нуклеотидів, які беруть участь у двох генах одночасно, тоді як ядерна ДНК має гени, чиї нуклеотидні послідовності добре визначені і відмінні один від одного.
походження
Митохондріальна ДНК дуже ймовірно має бактеріальне походження .
Дійсно, на основі численних незалежних досліджень, молекулярні біологи вважають, що клітинна присутність мітохондріальної ДНК є наслідком включення, за спадковими еукаріотичними клітинами, незалежних бактеріальних організмів, дуже схожих на мітохондрії.
Це цікаве відкриття лише частково вразило наукове співтовариство, оскільки ДНК, присутній у бактеріях, є, як правило, ниткою циркулярних нуклеотидів, таких як мітохондріальна ДНК.
Теорія, що мітохондрії і мітохондріальна ДНК матимуть бактеріальне походження, називається « ендосимбіотична теорія », від слова « ендосимбіоз ». Коротко, в біології термін "ендосимбіоз" вказує на співпрацю між двома організмами, що передбачає включення одного всередину іншого, щоб отримати певну перевагу.
цікавість
Згідно з достовірними науковими дослідженнями, в ході еволюції багато бактеріальних генів, присутніх на майбутній мітохондріальній ДНК, змінили б місце, перейшовши в ядерну ДНК.
Іншими словами, на початку ендосимбіозу деякі гени, присутні в даний час на ядерній ДНК, перебували в ДНК тих бактеріальних організмів, які потім стали мітохондріями.
Теорія про те, що деякі гени походять від мітохондріальної ДНК, у деяких видів, а також з ядерної ДНК, в інших, підтверджує теорію зміщення гена між мітохондріальною ДНК і ядерною ДНК.
функція
Мітохондріальна ДНК виробляє ферменти (тобто білки), необхідні для правильної реалізації делікатного процесу окисного фосфорилювання.
Інструкції для синтезу цих ферментів знаходяться в 37 генах, що складають геном мітохондріальної ДНК.
ЩО ГЕН МОТОХОНДРІАЛЬНИХ КОДІВ ДНК: ДЕТАЛІ
37 генів мітохондріальної ДНК кодують: білки, тРНК і рРНК.
Зокрема:
- 13 код для 13 білків, відповідальних за проведення окисного фосфорилювання
- 22 кодують 22 молекули тРНК
- 2 кодують 2 молекули рРНК
Молекули тРНК і рРНК є фундаментальними для синтезу вищезазначених 13 білків, оскільки вони складають механізм, що регулює їх виробництво.
Тобто, іншими словами, мітохондріальна ДНК має інформацію для отримання певного набору білків і інструментів, необхідних для синтезу останнього.
Що таке РНК, тРНК і рРНК?
РНК, або рибонуклеїнова кислота, є нуклеїновою кислотою, яка відіграє фундаментальну роль у генерації білків, починаючи з ДНК.
Взагалі одноланцюгові, РНК можуть існувати в різних формах (або типах), залежно від конкретної функції, до якої він є заступником.
TRNA і рРНК є двома з цих можливих форм.
TRNA використовується для додавання амінокислот, під час процесу створення білків. Амінокислоти - це молекулярні одиниці, які складають білки.
РРНК утворює рибосоми, тобто клітинні структури, в яких заснований синтез білка.
Щоб дізнатися більше про РНК та її функції, читачі можуть натиснути тут.
ФУНКЦІОНАЛЬНІ ДЕТАЛІ ДНК МІТОХОНДРІЮ
З функціональної точки зору, мітохондріальна ДНК має певні особливості, які чітко відрізняють її від ядерної ДНК.
Ось які особливості:
- Митохондріальна ДНК є напівнезалежною в тому сенсі, що вона потребує втручання деяких білків, синтезованих з ядерної ДНК.
Навпаки, ядерна ДНК повністю автономна і виробляє все необхідне для правильного виконання своїх завдань.
- Мітохондріальна ДНК має генетичний код, який дещо відрізняється від ядерної ДНК . Це призводить до ряду відмінностей у реалізації білків: якщо певна послідовність нуклеотидів в ядерній ДНК призводить до створення певного білка, то така ж послідовність в мітохондріальній ДНК призводить до утворення дещо іншого білка.
- Мітохондріальна ДНК має дуже мало некодирующих нуклеотидних послідовностей, тобто не виробляє жодного білка, тРНК або рРНК. У відсотковому відношенні лише 3% мітохондріальної ДНК є некодирующим.
Навпаки, ядерна ДНК кодує тільки 7%, тому вона містить велику кількість некодирующих нуклеотидних послідовностей (93%).
Таблиця: резюме відмінностей між мітохондріальною ДНК людини і людською ядерною ДНК. | |
Мітохондріальна ДНК | Ядерна ДНК |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
успадкування
Успадкування мітохондріальної ДНК суворо материнське .
Це означає, що у пари батьків саме жінка передає мітохондріальну ДНК потомству (тобто дітям).
Повністю протилежним способом до вищезазначеного, успадкування ядерної ДНК становить, половина, материнську і половину батьківської. Іншими словами, обидва батьки в рівній мірі сприяють передачі ядерної ДНК у потомство.
Примітка: материнське успадкування мітохондріальної ДНК також включає структуру мітохондрій. Таким чином, мітохондрії, присутні в індивідуумі, знаходяться на материнській цвілі.
Пов'язані патології
Примітка: генетична мутація - це постійна зміна послідовності нуклеотидів, які утворюють ядерний або мітохондріальний ген ДНК.
Як правило, наявність генетичної мутації призводить до зміни або втрати нормальної функції залученого гена.
Наявність мутацій на рівні генів мітохондріальної ДНК може визначати широкий спектр захворювань, у тому числі:
- Спадкова оптична нейропатія Лебера
- Синдром Кернса-Сайра
- Синдром Лі
- Дефіцит оксидази цитохрому
- Прогресуюча зовнішня офтальмоплегія
- Синдром Пірсона
- Мітохондріальна енцефаломіопатія з лактоацидозом та інсульт-подібними епізодами (синдром MELAS)
- Діабет з материнською глухотою передачі
- Міоклонічна епілепсія з неправильними червоними волокнами
Що стосується патологічних станів, пов'язаних з однією або кількома мутаціями мітохондріальної ДНК, необхідно вказати два аспекти.
По-перше, тяжкість патологічного стану залежить від кількісної залежності між мутованою мітохондріальною ДНК і здоровою, нормальною мітохондріальною ДНК. Якщо кількість мутованої мітохондріальної ДНК набагато вище, ніж у здорової ДНК, отримане умова буде більш суворим.
По-друге, мутації в мітохондріальній ДНК впливають тільки на певні тканини в організмі, особливо ті, які вимагають великої кількості АТФ, що виникає в результаті процесу окисного фосфорилювання. Це цілком зрозуміло: клітини, які найбільше потребують функції, до якої, як правило, виконують мітохондріальну ДНК, найбільше потерпають від несправної мітохондріальної ДНК.
СУЧАСНА ОПТИЧНА НЕЙРОПАТІЯ ЛЕБЕРА
Спадкова оптична нейропатія Лебера виникає внаслідок мутації чотирьох генів мітохондріальної ДНК. Ці гени містять інформацію, що призводить до синтезу так званого комплексу I (або NADH оксид-редуктази), одного з різних ферментів, що беруть участь у процесі окисного фосфорилювання.
Прояви патології полягають у прогресуючої дегенерації зорового нерва і поступовій втраті зору.
СИНДРОМ KEARNS-SAYRE
Синдром Кірнса-Сайра з'являється через відсутність дискретної частини мітохондріальної ДНК (NB: відсутність певної нуклеотидної послідовності називається делецією ).
Страждають синдромом Кернса-Сайра розвиваються офтальмоплегія (тобто повний або частковий параліч окорухових м'язів), форма ретинопатії і аномальний серцевий ритм (атріовентрикулярний блок).
СИНДРОМ ЛІГИ
Синдром Лі виникає в результаті мутацій мітохондріальної ДНК, які можуть включати білок АТФ-синтази (також званий V-комплекс) та / або деякі тРНК.
Синдром Лі є прогресуючим неврологічним захворюванням, яке виникає в дитинстві і несе відповідальність за: затримку розвитку, м'язову слабкість, периферичну нейропатію, рухові розлади, утруднення дихання і офтальмоплегію.
ДЕФІЦИТ ЦИТОКРОМУ C ОКСИДАЗИ
Дефіцит оксидази цитохрому С виникає внаслідок мутації щонайменше 3 генів мітохондріальної ДНК. Ці гени є фундаментальними для правильного синтезу ферменту цитохром-оксидази (або комплексу IV), залученого в процес окисного фосфорилювання.
Типовими проявами дефіциту оксидази цитохрому С є: дисфункція скелетних м'язів, серцева дисфункція, порушення функції нирок і дисфункція печінки.
ПРОГРЕСИВНА ЗОВНІШНЯ ОФТАЛЬМОФІЯ
Прогресуюча зовнішня офтальмоплегія відбувається через відсутність значної кількості мітохондріальних нуклеотидів ДНК (делеція).
З прогресивним характером (як можна здогадатися з назви) ця патологія викликає параліч окорухових м'язів, що має наслідком птоз і значні зорові проблеми.
СИНДРОМ PEARSON
Синдром Пірсона з'являється після великої делеції мітохондріальної ДНК, подібної прогресуючої зовнішньої офтальмоплегії і синдрому Кернса-Сайра.
Типові прояви синдрому Пірсона складаються з: сидеробластной анемії, дисфункцій підшлункової залози (наприклад, інсулінозалежного діабету), неврологічних дефіцитів і м'язових розладів.
Взагалі, синдром Пірсона викликає загибель суб'єкта, ураженого в молодому віці. Фактично, ті, хто постраждали від цієї патології, рідко досягають дорослості.
СИНДРОМ МЕЛАСА
Синдром MELAS, також відомий як мітохондріальна енцефаломіопатія з лактоацидозом і подібними до інсульту епізодами, виникає в результаті мутації щонайменше 5 генів мітохондріальної ДНК.
Ці гени сприяють синтезу NADH оксид-редуктази, або комплексу I, і деяких тРНК.
Синдром MELAS передбачає наявність неврологічних розладів, м'язових розладів, незвичайного накопичення молочної кислоти в тканинах (з усіма отриманими симптомами), респіраторних проблем, втрати контролю кишкових функцій, рецидивуючої втоми, проблем з нирками, проблемами серця, діабетом, епілепсія і відсутність координації.
ІНШІ ПАТОЛОГІЇ
Згідно з кількома науковими дослідженнями, навіть такі хвороби, як синдром циклічної блювоти, пігментна ретинит, атаксія, хвороба Паркінсона і хвороба Альцгеймера, бачать мітохондріальну ДНК і деякі мутації.
