Загальність
Мітохондріальна ДНК, або мтДНК, - це дезоксирибонуклеїнова кислота, яка знаходиться всередині мітохондрій, тобто органел еукаріотичних клітин, відповідальних за дуже важливий клітинний процес окисного фосфорилювання.
Однак він також має деякі особливості, як структурні, так і функціональні, що роблять його унікальним у своєму роді. Ці особливості включають: круговість подвійної нитки нуклеотидів, вміст генів (а це всього 37 елементів) та майже повну відсутність некодуючих нуклеотидних послідовностей.
Мітохондріальна ДНК виконує фундаментальну функцію для виживання клітин: виробляє ферменти, необхідні для здійснення окисного фосфорилювання.
Що таке мітохондріальна ДНК?
Мітохондріальна ДНК, або мтДНК, - це ДНК, розташована всередині мітохондрій.
Мітохондрії - це ті великі клітинні органели, характерні для еукаріотичних організмів, які перетворюють хімічну енергію, що міститься в їжі, в АТФ, який є формою енергії, яку можуть використовувати клітини.
ІСТОРІЯ СТРУКТУРИ ТА ФУНКЦІОНУВАННЯ МІТОХОНДРОНІВ
Трубчасті, ниткоподібні або зернисті за формою мітохондрії знаходяться в цитоплазмі, займаючи майже 25% об’єму останньої.
Вони мають дві фосфоліпідні двошарові мембрани, ще одну зовнішню і ще одну внутрішню.
Найбільш зовнішня мембрана, відома як зовнішня мітохондріальна мембрана, являє собою периметр кожного мітохондрію і містить транспортні білки (порини і більше), які роблять її проникною для молекул розміром, рівним або меншим 5000 дальтон.
Внутрішня мембрана, відома як внутрішня мітохондріальна мембрана, містить усі ферментативні (або ферментативні) та коферментні компоненти, необхідні для синтезу АТФ, і визначає центральний простір, який називається матриксом.
На відміну від зовнішньої мембрани, внутрішня мембрана мітохондрій має численні інвагінації - так звані хребти - які збільшують її загальну площу.
Між двома мітохондріальними мембранами є простір майже 60-80 ангстрем (А).Цей простір називають міжмембранним. Міжмембранний простір має склад, дуже подібний до складу цитоплазми.
Синтез АТФ, керований мітохондріями, є дуже складним процесом, який біологи ототожнюють з терміном окисне фосфорилювання.
ТОЧНЕ МІСЦЕ МІТОХОНДРАЛЬНОЇ ДНК І КІЛЬКІСТЬ
Малюнок: мітохондрія людини.
Мітохондріальна ДНК знаходиться в матриксі мітохондрій, тобто у просторі, обмеженому внутрішньою мембраною мітохондрій.
Згідно з достовірними науковими дослідженнями, кожен мітохондрій 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 мітохондріальної ДНК в одній клітці людини може досягати 20 000 одиниць.
Будь ласка, запиши: кількість мітохондрій у клітинах людини змінюється залежно від типу клітини. Наприклад, гепатоцити (тобто клітини печінки) можуть містити від 1000 до 2000 мітохондрій кожен, тоді як еритроцити (тобто еритроцити) повністю позбавлені їх.
Структура
Загальна структура молекули ДНК мітохондрій нагадує загальну структуру ядерної ДНК, тобто генетичну спадщину, наявну в ядрі еукаріотичних клітин.
Дійсно, аналогічно ядерній ДНК:
- Мітохондріальна ДНК - біополімер, що складається з двох довгих ниток нуклеотидів. Нуклеотиди - це органічні молекули, що утворюються в результаті об’єднання трьох елементів: цукру з 5 атомами вуглецю (у випадку ДНК, дезоксирибози), азотистої основи та фосфатної групи.
- Кожен нуклеотид мітохондріальної ДНК зв'язується з наступним нуклеотидом цієї ж нитки за допомогою фосфодіефірного зв'язку між вуглецем 3 його дезоксирибози та фосфатною групою безпосередньо наступного нуклеотиду.
- Дві нитки мітохондріальної ДНК мають протилежну орієнтацію, кінець якої взаємодіє з кінцем іншої і навпаки. Ця особлива структура відома як антипаралельна (або антипаралельна орієнтація).
- Дві нитки мітохондріальної ДНК взаємодіють між собою через азотисті основи.
Зокрема, кожна азотиста основа кожної нитки встановлює водневі зв’язки з однією і лише однією азотистою основою, наявною на іншій нитці.
Цей тип взаємодії називається «спарюванням між азотистими основами» або «парою азотистих основ». - Азотистими основами мітохондріальної ДНК є аденін, тимін, цитозин та гуанін.
Спарювання, до якого породжуються ці азотисті основи, не випадкове, а дуже специфічне: аденин взаємодіє тільки з тиміном, тоді як цитозин взаємодіє лише з гуаніном. - Мітохондріальна ДНК є домом для генів (або послідовностей генів). Гени-це послідовності більш-менш довгих нуклеотидів, що мають чітко визначене біологічне значення. У більшості випадків вони утворюють білки.
СТРУКТУРНІ ОСОБЛИВОСТІ МІТОХОНДРАЛЬНОЇ ДНК
Крім вищезгаданих аналогій, ДНК мітохондрій людини має деякі структурні особливості, які значно відрізняють її від ядерної ДНК людини.
По -перше, це кругова молекула, тоді як ядерна ДНК - це лінійна молекула.
Таким чином, вона має 16 569 пар азотистих основ, тоді як ядерна ДНК має колосальні 3,3 млрд.
Він містить 37 генів, тоді як ядерна ДНК містить, здається, від 20 000 до 25 000.
Вона не організована в хромосомах, тоді як ядерна ДНК поділена на 23 хромосоми і утворює з деякими специфічними білками речовину, яка називається хроматином.
Нарешті, він включає серію нуклеотидів, які беруть участь у двох генах одночасно, тоді як ядерна ДНК має гени, чиї послідовності нуклеотидів добре визначені та відрізняються один від одного.
Походження
Швидше за все, ДНК мітохондрій має «бактеріальне» походження.
Насправді, на основі численних незалежних досліджень, молекулярні біологи вважають, що клітинна присутність мітохондріальної ДНК є результатом включення клітинами предків еукаріотів незалежних бактеріальних організмів, дуже схожих на мітохондрії.
Це цікаве відкриття лише частково вразило наукове співтовариство, оскільки ДНК, присутній у бактеріях, як правило, являє собою кругову нуклеотидну нитку, подібну до мітохондріальної ДНК.
Теорія, згідно з якою мітохондрії та мітохондріальна ДНК мають "бактеріальне походження", отримала назву "ендосимбіотична теорія", від слова "ендосимбіоз". Коротко, у біології термін "ендосимбіоз" вказує на співпрацю між двома організмами, яка передбачає "включення одного в інше, щоб отримати певну перевагу.
Цікавість
Згідно з достовірними науковими дослідженнями, в ході еволюції багато бактеріальних генів, присутніх у майбутній ДНК мітохондрій, змінили б своє розташування, перейшовши в ядерну ДНК.
Іншими словами, на початку ендосимбіозу деякі гени, наявні зараз у ядерній ДНК, перебували в ДНК тих бактеріальних організмів, які згодом перетворилися на мітохондрії.
На підтримку теорії, що стосується зсуву генів між мітохондріальною ДНК та ядерною ДНК, слід зауважити, що певні гени походять від мітохондріальної ДНК у деяких видів та з ядерної ДНК у інших.
Функція
ДНК мітохондрій виробляє ферменти (тобто білки), необхідні для правильної реалізації делікатного процесу окисного фосфорилювання.
Вказівки щодо синтезу цих ферментів містяться в 37 генах, які складають геном мітохондріальної ДНК.
ЯКИЙ КОД ГЕН МІТОХОНДРАЛЬНИХ ДНК: ДЕТАЛІ
37 генів коду мітохондріальної ДНК для: білків, тРНК та рРНК.
Зокрема:
- 13 кодує 13 білків, відповідальних за здійснення окисного фосфорилювання
- 22 код для 22 молекул тРНК
- 2 кодують 2 молекули рРНК
Молекули тРНК та рРНК є основоположними для синтезу вищезгаданих 13 білків, оскільки вони складають механізм, який регулює їх виробництво.
Отже, іншими словами, мітохондріальна ДНК володіє інформацією для виробництва певного набору білків та інструментів, необхідних для їх синтезу.
Що таке РНК, тРНК та рРНК?
РНК, або рибонуклеїнова кислота, - це нуклеїнова кислота, яка відіграє фундаментальну роль у генерації білків, починаючи з ДНК.
Як правило, одноланцюгова, ANN може існувати в різних формах (або типах), залежно від конкретної функції, якій вона делегована.
ТРНК та рРНК - дві з цих можливих форм.
ТРНК використовується для додавання амінокислот під час процесу утворення білків.Амінокислоти - це молекулярні одиниці, з яких складаються білки.
РРНК утворює рибосоми, тобто клітинні структури, в яких відбувається синтез білків.
Щоб детально ознайомитися з ANN та її функціями, читачі можуть натиснути тут.
ФУНКЦІОНАЛЬНІ ДЕТАЛІ МІТОХОНДРАЛЬНОЇ ДНК
З функціональної точки зору, ДНК мітохондрій має деякі особливі характеристики, які чітко відрізняють її від ядерної ДНК.
Ось з чого складаються ці особливі характеристики:
- Мітохондріальна ДНК є напівнезалежною в тому сенсі, що вона потребує втручання деяких білків, синтезованих з ядерної ДНК.
З іншого боку, ядерна ДНК повністю автономна і сама виробляє все необхідне для належного виконання своїх завдань. - ДНК мітохондрій має дещо інший генетичний код, ніж ядерна ДНК. Це призводить до ряду відмінностей у утворенні білків: якщо певна послідовність нуклеотидів у ядерній ДНК призводить до створення певного білка, така ж послідовність у ДНК мітохондрій призводить до утворення дещо іншого білка.
- Мітохондріальна ДНК має дуже мало некодуючих нуклеотидних послідовностей, тобто вони не продукують жодних білків, тРНК або рРНК. У процентному співвідношенні лише 3% мітохондріальної ДНК некодується.
З іншого боку, ядерна ДНК кодує лише 7%, тому вона містить багато некодуючих нуклеотидних послідовностей (аж 93%).
Таблиця: резюме відмінностей між ДНК мітохондрій людини та ядерною ДНК людини.
Мітохондріальна ДНК
Ядерна ДНК
- Він круговий
- Він лінійний
- У ньому всього 16 569 азотистих пар основ
- Він має загалом 3,3 мільярда азотистих пар основ
- Він містить 37 генів
- Він містить від 20 000 до 25 000 генів
- Щоб нормально функціонувати, йому потрібна підтримка деяких генних продуктів, що походять від ядерної ДНК
- Він автономний і сам виробляє все необхідне для належного виконання своїх функцій
- Він може бути присутнім у кількох копіях у кожному окремому мітохондрії
- Він унікальний, тобто є лише в одному примірнику і знаходиться в ядрі
- 97% нуклеотидної послідовності, що входить до її складу, кодується
- Лише 7% нуклеотидної послідовності, що її складає, кодує
- Він не організований у хромосоми
- Він поділений на 23 хромосоми
- Він використовує генетичний код, трохи відрізняється від, так би мовити, "традиційного"
- Використовуйте «традиційний» генетичний код
- Його спадок - материнський
- Його спадок наполовину материнський і наполовину батьківський
- Деякі його нуклеотиди беруть участь у двох генах одночасно
- Послідовності нуклеотидів, що входять до складу генів, добре відрізняються один від одного
Спадковість
Успадкування ДНК мітохондрій суворо материнське.
Це означає, що в парі батьків саме жінка передає мітохондріальну ДНК нащадкам (тобто дітям).
Абсолютно протилежно до вищезазначеного, успадкування ядерної ДНК наполовину материнське і наполовину батьківське. Іншими словами, обидва батьки однаково сприяють передачі ядерної ДНК у нащадках.
Будь ласка, запиши: материнське успадкування мітохондріальної ДНК також включає структуру мітохондрій. Отже, мітохондрії, наявні у особини, є материнськими.
Супутні патології
Приміщення: Генетична мутація - це постійна зміна послідовності нуклеотидів, які складають ядерний або мітохондріальний ген ДНК.
Як правило, наявність генетичної мутації призводить до «зміни або втрати нормальної функції залученого гена.
Наявність мутацій в генах мітохондріальної ДНК може призвести до широкого спектру захворювань, включаючи:
- Спадкова оптична нейропатія Лебера
- Синдром Кернса-Сейра
- Синдром Лі
- Дефіцит цитохром С оксидази
- Прогресуюча зовнішня офтальмоплегія
- Синдром Пірсона
- Мітохондріальна енцефаломіопатія з молочнокислим ацидозом та епізодами, подібними до інсульту (синдром MELAS)
- Діабет з глухотою, що передається від матері
- Міоклонічна епілепсія з неправильними червоними волокнами
Щодо патологічних станів, пов'язаних з однією або декількома мітохондріальними мутаціями ДНК, необхідно уточнити два аспекти.
По -перше, тяжкість захворювання залежить від кількісної залежності між мутованими мітохондріальними ДНК та здоровими нормальними мітохондріальними ДНК. Якщо кількість мутованих ДНК мітохондрій значно більша, ніж у здорових ДНК, то результат буде більш важким.
По -друге, мутації в мітохондріальній ДНК впливають лише на деякі тканини організму, зокрема на ті, які потребують великої кількості АТФ, що виникає в результаті процесу окисного фосфорилювання. Це цілком зрозуміло: страждати більш ніж одна збій мітохондріальної ДНК - це клітини, які найбільше потребують функція, яку нормально виконує ДНК мітохондрій.
СПАДОВА ОПТИЧНА НЕЙРОПАТІЯ ЛЕБЕРА
Спадкова оптична нейропатія Лебера виникає в результаті мутації чотирьох генів мітохондріальної ДНК. Ці гени містять інформацію, яка веде до синтезу так званого комплексу I (або НАДН-оксид-редуктази), одного з різних ферментів, що беруть участь у процесі окисного фосфорилювання.
Прояви патології полягають у прогресуючій дегенерації зорового нерва і поступовій втраті зору.
Синдром KEARNS-SAYRE
Синдром Кернса-Сейра з'являється через відсутність достатньої кількості мітохондріальної ДНК (NB: відсутність певної нуклеотидної послідовності називається делецією).
У людей з синдромом Кернса-Сейра розвивається офтальмоплегія (повний або частковий параліч окорухових м’язів), форма ретинопатії та порушення серцевого ритму (атріовентрикулярна блокада).
СИНДРОМ ЛІ
Синдром Лі виникає в результаті мутацій ДНК мітохондрій, які можуть впливати на білок АТФ-синтази (також званий V-комплексом) та / або на деякі тРНК.
Синдром Лі - це прогресуюче неврологічне захворювання, яке з’являється в дитинстві або дитинстві і відповідає за: затримку розвитку, м’язову слабкість, периферичну нейропатію, рухові порушення, утруднення дихання та офтальмоплегію.
Дефіцит оксидази цитохрому С.
Дефіцит цитохром С оксидази виникає внаслідок мутації щонайменше 3 генів мітохондріальної ДНК. Ці гени необхідні для правильного синтезу ферменту цитохром С оксидази (або комплексу IV), який бере участь у процесі окисного фосфорилювання.
Типові прояви дефіциту цитохром С оксидази складаються з: порушення функцій скелетних м’язів, серцевої недостатності, ниркової та печінкової дисфункції.
ПРОГРЕСНА ЗОВНІШНЯ ОФТАЛЬМОПЛЕГІЯ
Прогресуюча зовнішня офтальмоплегія виникає через відсутність значної кількості нуклеотидів ДНК мітохондрій (делеція)
Маючи прогресуючий характер (як можна здогадатися з назви), ця патологія викликає параліч окорухових м’язів з подальшим птозом і значними проблемами зору.
СИНДРОМ ПЕРСОНА
Синдром Пірсона з'являється після помітного видалення ДНК мітохондрій, подібно до прогресуючої зовнішньої офтальмоплегії та синдрому Кернса-Сейра.
Типовими проявами синдрому Пірсона є: сидеробластна анемія, дисфункція підшлункової залози (наприклад, інсулінозалежний діабет), неврологічні дефіцити та м’язові розлади.
Синдром Пірсона зазвичай викликає смерть хворої людини в молодому віці. Насправді хворі на цю патологію рідко досягають повноліття.
СИНДРОМ МЕЛАС
Синдром MELAS, також відомий як мітохондріальна енцефаломіопатія з молочнокислим ацидозом та епізодами, подібними до інсульту, виникає внаслідок мутації щонайменше 5 генів мітохондріальної ДНК.
Ці гени сприяють синтезу оксид-редуктази НАДН або комплексу I та деяких тРНК.
Синдром MELAS передбачає наявність неврологічних розладів, м’язових розладів, незвичайне накопичення молочної кислоти в тканинах (з усіма супутніми симптомами), проблеми з диханням, втрату контролю функції кишечника, періодичну втому, проблеми з нирками, проблеми з серцем, діабет, епілепсію та відсутність координації.
ІНШІ ПАТОЛОГІЇ
Згідно з різними науковими дослідженнями, такі захворювання, як синдром циклічної блювоти, пігментний ретиніт, атаксія, хвороба Паркінсона та хвороба Альцгеймера, також спричинять залучення ДНК мітохондрій та деякі її мутації.
