Bendrumas
Mitochondrijų DNR arba mtDNR yra dezoksiribonukleino rūgštis, esanti mitochondrijose, ty eukariotinių ląstelių organelėse, atsakingose už labai svarbų ląstelių oksidacinio fosforilinimo procesą.
Tačiau jis taip pat turi tam tikrų struktūrinių ir funkcinių ypatumų, dėl kurių jis yra unikalus. Tarp šių ypatumų yra: dvigubos nukleotidų grandinės apskritimas, genų kiekis (kuris yra tik 37 elementai) ir beveik visiškas nekoduojančių nukleotidų sekų nebuvimas.
Mitochondrijų DNR atlieka pagrindinę ląstelių išlikimo funkciją: ji gamina fermentus, būtinus oksidaciniam fosforilinimui realizuoti.
Kas yra mitochondrijų DNR?
Mitochondrijų DNR arba mtDNR yra mitochondrijose esanti DNR.
Mitochondrijos yra didelės ląstelinės organelės, būdingos eukariotiniams organizmams, kurios maiste esančią cheminę energiją paverčia ATP, kuri yra energijos forma, kurią gali panaudoti ląstelės.
MITOCHONDRONŲ STRUKTŪROS IR FUNKCIJOS PAGRINDAS
Vamzdinės, gijinės ar granuliuotos formos mitochondrijos yra citoplazmoje ir užima beveik 25% pastarosios tūrio.
Jie turi dvi dviejų sluoksnių fosfolipidines membranas, dar vieną išorinę ir dar vieną vidinę.
Išorinė membrana, žinoma kaip išorinė mitochondrijų membrana, atspindi kiekvieno mitochondrijos perimetrą ir turi transportavimo baltymų (porinų ir daugiau), todėl ji yra pralaidi molekulėms, kurių dydis yra lygus arba mažesnis nei 5000 daltonų.
Vidinėje membranoje, vadinamoje vidine mitochondrijų membrana, yra visi fermentiniai (arba fermentai) ir kofermento komponentai, reikalingi ATP sintezei, ir ji apibrėžia centrinę erdvę, vadinamą matrica.
Skirtingai nuo išorinės membranos, vidinė mitochondrijų membrana turi daugybę invaginacijų - vadinamųjų keterų -, kurios padidina jos bendrą plotą.
Tarp dviejų mitochondrijų membranų yra beveik 60–80 angstromų (A). Ši erdvė vadinama tarpmembranine erdve. Tarpmembraninė erdvė yra labai panaši į citoplazmos sudėtį.
ATP sintezė, valdoma mitochondrijų, yra labai sudėtingas procesas, kurį biologai tapatina su terminu oksidacinis fosforilinimas.
TIKRA MITOCHONDRINĖS DNR VIETA IR KIEKIS
Paveikslas: žmogaus mitochondrija.
Mitochondrijų DNR yra mitochondrijų matricoje, tai yra erdvėje, kurią riboja vidinė mitochondrijų membrana.
Remiantis patikimais moksliniais tyrimais, kiekviename mitochondrijoje gali būti nuo 2 iki 12 mitochondrijų DNR kopijų.
Atsižvelgiant į tai, kad žmogaus organizme kai kuriose ląstelėse gali būti keli tūkstančiai mitochondrijų, bendras mitochondrijų DNR kopijų skaičius vienoje žmogaus ląstelėje gali siekti net 20 000 vienetų.
Atkreipkite dėmesį: mitochondrijų skaičius žmogaus ląstelėse skiriasi priklausomai nuo ląstelių tipo. Pavyzdžiui, hepatocituose (t. Y. Kepenų ląstelėse) gali būti nuo 1000 iki 2000 mitochondrijų, o eritrocituose (t. Y. Raudonųjų kraujo kūnelių) jų visiškai nėra.
Struktūra
Bendra mitochondrijų DNR molekulės struktūra primena bendrą branduolinės DNR struktūrą, tai yra genetinį paveldą, esantį eukariotinių ląstelių branduolyje.
Iš tikrųjų, analogiškai branduolinei DNR:
- Mitochondrijų DNR yra biopolimeras, sudarytas iš dviejų ilgų nukleotidų grandinių. Nukleotidai yra organinės molekulės, susidariusios sujungus tris elementus: cukrų su 5 anglies atomais (DNR atveju - dezoksiribozę), azoto bazę ir fosfatų grupę.
- Kiekvienas mitochondrijų DNR nukleotidas jungiasi prie kito tos pačios grandinės nukleotido, naudodamas fosfodiesterinį ryšį tarp jo dezoksiribozės anglies 3 ir iškart po jo esančio nukleotido fosfatų grupės.
- Dvi mitochondrijų DNR kryptys turi priešingą orientaciją, kurių vienas galas sąveikauja su kito galu ir atvirkščiai. Šis ypatingas išdėstymas yra žinomas kaip antiparallelinė struktūra (arba antiparallelinė orientacija).
- Dvi mitochondrijų DNR grandinės sąveikauja tarpusavyje per azoto bazes.
Tiksliau, kiekviena kaitinamojo siūlo kiekviena azoto bazė sukuria vandenilio ryšius su viena ir tik viena azoto baze, esančia ant kito kaitinamojo siūlo.
Šio tipo sąveika vadinama „azoto bazių poravimu“ arba „azoto bazių pora“. - Azoto turinčios mitochondrijų DNR bazės yra adeninas, timinas, citozinas ir guaninas.
Susiejimas, kurį sukelia šios azoto bazės, nėra atsitiktinis, bet labai specifinis: adeninas sąveikauja tik su timinu, o citozinas - tik su guaninu. - Mitochondrijų DNR yra genų (arba genų sekų) namai. Genai yra daugiau ar mažiau ilgų nukleotidų sekos, turinčios aiškiai apibrėžtą biologinę reikšmę. Daugeliu atvejų iš jų susidaro baltymai.
MITOCHONDRINĖS DNR STRUKTŪRINĖS SAVYBĖS
Be minėtų analogijų, žmogaus mitochondrijų DNR turi tam tikrų struktūrinių ypatumų, dėl kurių ji labai skiriasi nuo žmogaus branduolinės DNR.
Pirma, tai yra apskrito molekulė, o branduolinė DNR yra linijinė molekulė.
Taigi, ji turi 16 569 azoto bazines poras, o branduolinė DNR - milžiniška 3,3 mlrd.
Jame yra 37 genai, o branduolinėje DNR - nuo 20 000 iki 25 000.
Jis nėra suskirstytas į chromosomas, o branduolinė DNR yra padalinta į 23 chromosomas ir formas, su kai kuriais specifiniais baltymais, medžiaga, vadinama chromatinu.
Galiausiai, tai apima seriją nukleotidų, kurie vienu metu dalyvauja dviejuose genuose, o branduolinė DNR turi genus, kurių nukleotidų sekos yra gerai apibrėžtos ir skiriasi viena nuo kitos.
Kilmė
Mitochondrijų DNR greičiausiai turi „bakterinę“ kilmę.
Iš tiesų, remdamiesi daugybe nepriklausomų tyrimų, molekuliniai biologai mano, kad mitochondrijų DNR buvimas ląstelėse yra nepriklausomų bakterijų organizmų, labai panašių į mitochondrijas, įtraukimo į protėvių eukariotines ląsteles rezultatas.
Šis įdomus atradimas tik iš dalies nustebino mokslo bendruomenę, nes bakterijose esanti DNR paprastai yra žiedinė nukleotidų grandinė, tokia kaip mitochondrijų DNR.
Teorija, pagal kurią mitochondrijos ir mitochondrijų DNR turi „bakterinę kilmę“, yra pavadinta „endosimbiotine teorija“ iš žodžio „endosimbiozė“. Trumpai tariant, biologijoje terminas „endosimbiozė“ reiškia dviejų organizmų bendradarbiavimą, kuris apima „įtraukimas į kitą“, siekiant įgyti tam tikrą pranašumą.
Smalsumas
Remiantis patikimais moksliniais tyrimais, evoliucijos metu daugelis bakterijų genų, esančių būsimoje mitochondrijų DNR, būtų pakeitę vietą, pereidami į branduolinę DNR.
Kitaip tariant, endosimbiozės pradžioje kai kurie dabar branduolinėje DNR esantys genai buvo tų bakterijų organizmų, kurie vėliau taps mitochondrijomis, DNR.
Teorijai, susijusiai su genų perkėlimu tarp mitochondrijų DNR ir branduolinės DNR, paremti pastebėjimas, kad kai kurie genai yra kilę iš mitochondrijų DNR, kai kurių rūšių, o iš kitų - iš branduolinės DNR.
Funkcija
Mitochondrijų DNR gamina fermentus (ty baltymus), būtinus tinkamai įgyvendinti subtilų oksidacinį fosforilinimo procesą.
Šių fermentų sintezės instrukcijos yra 37 genuose, sudarančiuose mitochondrijų DNR genomą.
KĄ KODO MITOCHONDRAL DNR GENES: DETALIAI
37 mitochondrijų DNR genai koduoja: baltymus, tRNR ir rRNR.
Visų pirma:
- 13 koduoja 13 baltymų, atsakingų už oksidacinį fosforilinimą
- 22 kodas 22 tRNR molekulėms
- 2 kodas 2 rRNR molekulėms
TRNR ir rRNR molekulės yra labai svarbios minėtų 13 baltymų sintezei, nes jos sudaro mašiną, reguliuojančią jų gamybą.
Kitaip tariant, mitochondrijų DNR turi informaciją tam tikram baltymų rinkiniui gaminti ir įrankius, reikalingus jų sintezei.
Kas yra RNR, tRNR ir rRNR?
RNR arba ribonukleino rūgštis yra nukleorūgštis, kuri vaidina pagrindinį vaidmenį kuriant baltymus, pradedant DNR.
Paprastai viengrandis ANN gali būti įvairių formų (arba tipų), priklausomai nuo konkrečios funkcijos, kuriai ji yra pavesta.
TRNA ir rRNR yra dvi iš šių galimų formų.
TRNR naudojama amino rūgščių pridėjimui baltymų gamybos proceso metu. Aminorūgštys yra molekuliniai vienetai, sudarantys baltymus.
RRNR sudaro ribosomas, tai yra ląstelių struktūras, kuriose vyksta baltymų sintezė.
Norėdami išsamiai sužinoti ANN ir jo funkcijas, skaitytojai gali spustelėti čia.
FUNKCINIAI MITOCHONDRINĖS DNR INFORMACIJA
Funkciniu požiūriu mitochondrijų DNR turi tam tikrų ypatumų, aiškiai atskiriančių ją nuo branduolinės DNR.
Štai šios savybės yra šios:
- Mitochondrijų DNR yra pusiau nepriklausoma ta prasme, kad jai reikia įsikišti kai kurių baltymų, susintetintų iš branduolinės DNR.
Kita vertus, branduolinė DNR yra visiškai savarankiška ir pati gamina viską, ko reikia, kad tinkamai atliktų savo užduotis. - Mitochondrijų DNR genetinis kodas yra šiek tiek kitoks nei branduolinės. Dėl to susidaro daugybė baltymų konstrukcijos skirtumų: jei tam tikra nukleotidų seka branduolinėje DNR sukuria tam tikrą baltymą, ta pati seka mitochondrijų DNR sukelia šiek tiek kitokį baltymą.
- Mitochondrijų DNR turi labai mažai nekoduojančių nukleotidų sekų, tai yra, jos negamina jokių baltymų, tRNR ar rRNR. Procentine išraiška tik 3% mitochondrijų DNR yra nekoduojama.
Atvirkščiai, branduolinė DNR koduoja tik 7%, todėl joje yra daug nekoduojančių nukleotidų sekų (net 93%).
Lentelė: skirtumų tarp žmogaus mitochondrijų DNR ir žmogaus branduolinės DNR santrauka.
Mitochondrijų DNR
Branduolinė DNR
- Jis yra apskritas
- Jis yra linijinis
- Iš viso jame yra 16 569 azoto bazės poros
- Jame iš viso yra 3,3 milijardo azoto bazinių porų
- Jame iš viso yra 37 genai
- Jame yra nuo 20 000 iki 25 000 genų
- Kad tinkamai veiktų, jam reikia tam tikrų genų produktų, gautų iš branduolinės DNR, palaikymo
- Jis yra savarankiškas ir pats gamina viską, ko reikia, kad tinkamai atliktų savo funkcijas
- Kiekviename mitochondrijoje jis gali būti keliais egzemplioriais
- Jis yra unikalus, tai yra, jis yra tik viename egzemplioriuje ir yra šerdyje
- 97% nukleotidų sekos, kuri ją sudaro, yra koduojama
- Tik 7% nukleotidų sekos, kuri ją sudaro, yra koduojama
- Jis nėra suskirstytas į chromosomas
- Jis suskirstytas į 23 chromosomas
- Jame naudojamas genetinis kodas, kuris šiek tiek skiriasi nuo, taip sakant, „tradicinio“
- Naudokite „tradicinį“ genetinį kodą
- Jos paveldėjimas yra motiniškas
- Jo paveldėjimas yra pusiau motinos ir pusė tėvo
- Kai kurie jo nukleotidai dalyvauja dviejuose genuose vienu metu
- Genus sudarančios nukleotidų sekos yra gerai atskirtos viena nuo kitos
Paveldėjimas
Mitochondrijų DNR paveldėjimas yra griežtai motinos.
Tai reiškia, kad tėvų poroje būtent moteris perduoda mitochondrijų DNR palikuonims (ty vaikams).
Priešingai nei minėta, branduolinės DNR paveldėjimas yra pusiau motininis ir pusiau tėviškas. Kitaip tariant, abu tėvai vienodai prisideda prie branduolinės DNR perdavimo palikuonims.
Atkreipkite dėmesį: mitochondrijų DNR paveldėjimas iš motinos taip pat apima mitochondrijų struktūrą. Taigi individo mitochondrijos yra motinos.
Susijusios patologijos
Prielaida: Genetinė mutacija yra nuolatinis nukleotidų, sudarančių branduolinį arba mitochondrijų DNR geną, sekos pokytis.
Paprastai genetinės mutacijos buvimas lemia „atitinkamo geno normalios funkcijos pasikeitimą arba praradimą“.
Mutacijų buvimas mitochondrijų DNR genuose gali sukelti daugybę ligų, įskaitant:
- Paveldima Leberio optinė neuropatija
- Kearns-Sayre sindromas
- Leigh sindromas
- Citochromo C oksidazės trūkumas
- Progresuojanti išorinė oftalmoplegija
- Pearsono sindromas
- Mitochondrijų encefalomiopatija su pieno rūgšties acidoze ir į insultą panašiais epizodais (MELAS sindromas)
- Diabetas su motinos kurtumu
- Miokloninė epilepsija su netaisyklingomis raudonomis skaidulomis
Kalbant apie patologines sąlygas, susijusias su viena ar keliomis mitochondrijų DNR mutacijomis, reikia išsiaiškinti du aspektus.
Pirma, ligos sunkumas priklauso nuo kiekybinio santykio tarp mutavusių mitochondrijų DNR ir sveikų, normalių mitochondrijų DNR. Jei mutavusių mitochondrijų DNR skaičius yra žymiai didesnis nei sveikų DNR, susidariusi būklė bus sunkesnė.
Antra, mitochondrijų DNR mutacijos veikia tik kai kuriuos organizmo audinius, ypač tuos, kuriems reikalingas didelis ATP kiekis, atsirandantis dėl oksidacinio fosforilinimo proceso. Tai visiškai suprantama: norint patirti daugiau nei vieną mitochondrijų DNR sutrikimą, labiausiai reikia ląstelių. funkcija, kurią paprastai atlieka mitochondrijų DNR.
LEBER'O PAVELDOTA OPTINĖ NEUROPATIJA
Paveldima Leberio optinė neuropatija atsiranda dėl keturių mitochondrijų DNR genų mutacijos. Šiuose genuose yra informacijos, kuri lemia vadinamojo komplekso I (arba NADH oksido reduktazės), vieno iš įvairių fermentų, dalyvaujančių oksidaciniame fosforilinimo procese, sintezę.
Patologijos apraiškos yra laipsniškas regos nervo degeneracija ir laipsniškas regėjimo praradimas.
KEARNS-SAYRE SINDROMAS
Kearns-Sayre sindromas atsiranda dėl to, kad nėra pakankamai mitochondrijų DNR (N.B.: tam tikros nukleotidų sekos trūkumas vadinamas delecija).
Žmonėms, sergantiems Kearns-Sayre sindromu, išsivysto oftalmoplegija (visiškas arba dalinis okulomotorinių raumenų paralyžius), retinopatijos forma ir širdies ritmo sutrikimai (atrioventrikulinė blokada).
LEIGH'O SINDROMAS
Leigh sindromas atsiranda dėl mitochondrijų DNR mutacijų, kurios gali paveikti ATP-sintazės baltymą (dar vadinamą V kompleksu) ir (arba) kai kurias tRNR.
Leigh sindromas yra progresuojanti neurologinė liga, kuri atsiranda kūdikystėje ar vaikystėje ir yra atsakinga už: vystymosi sulėtėjimą, raumenų silpnumą, periferinę neuropatiją, motorinius sutrikimus, kvėpavimo sutrikimus ir oftalmoplegiją.
CITOCHROMO C OXIDAZĖS TRŪKUMAS
Citochromo C oksidazės trūkumas atsiranda dėl mažiausiai 3 mitochondrijų DNR genų mutacijos. Šie genai yra būtini norint teisingai sintezuoti citochromo C oksidazės (arba IV komplekso) fermentą, dalyvaujantį oksidaciniame fosforilinimo procese.
Tipiškos citochromo C oksidazės trūkumo apraiškos yra: skeleto raumenų, širdies, inkstų ir kepenų funkcijos sutrikimai.
PROGRESINĖ IŠORĖS OPTALMOPLEGIJA
Progresuojanti išorinė oftalmoplegija atsiranda dėl to, kad trūksta daug mitochondrijų DNR nukleotidų (išbraukta)
Progresuojančio pobūdžio (kaip galima numanyti iš pavadinimo) ši patologija sukelia okulomotorinių raumenų paralyžių, dėl kurio atsiranda ptozė ir daug regėjimo problemų.
PEARSONO SINDROMAS
Pearsono sindromas atsiranda dėl pastebimo mitochondrijų DNR ištrynimo, labai panašiu į „progresuojančią išorinę oftalmoplegiją ir Kearns-Sayre sindromą“.
Tipiškos Pearsono sindromo apraiškos yra: sideroblastinė anemija, kasos disfunkcija (pvz., Nuo insulino priklausomas diabetas), neurologiniai trūkumai ir raumenų sutrikimai.
Pearsono sindromas paprastai sukelia nukentėjusio asmens mirtį jauname amžiuje. Tiesą sakant, šios patologijos paveikti žmonės retai pasiekia pilnametystę.
MELOS SINDROMAS
MELAS sindromas, taip pat žinomas kaip mitochondrijų encefalomiopatija su pieno rūgšties acidoze ir į insultą panašiais epizodais, atsiranda dėl mažiausiai 5 mitochondrijų DNR genų mutacijos.
Šie genai prisideda prie NADH oksido reduktazės arba I komplekso ir kai kurių tRNR sintezės.
MELAS sindromas apima neurologinius sutrikimus, raumenų sutrikimus, neįprastą pieno rūgšties susikaupimą audiniuose (su visais lydinčiais simptomais), kvėpavimo sutrikimus, žarnyno funkcijos kontrolės praradimą, pasikartojantį nuovargį, inkstų sutrikimus, širdies sutrikimus, diabetą, epilepsiją ir. koordinacijos stoka.
KITOS PATOLOGIJOS
Remiantis įvairiais moksliniais tyrimais, tokiose ligose kaip ciklinio vėmimo sindromas, pigmentinis retinitas, ataksija, Parkinsono liga ir Alzheimerio liga taip pat atsirastų mitochondrijų DNR ir kai kurios jo mutacijos.
