Vispārība
Mitohondriju DNS jeb mtDNS ir dezoksiribonukleīnskābe, kas atrodas mitohondrijos, ti, eikariotu šūnu organoīdās, kas ir atbildīgas par ļoti svarīgo šūnu oksidatīvās fosforilēšanās procesu.
Tomēr tam ir arī dažas īpatnības - gan strukturālas, gan funkcionālas, kas padara to unikālu savā veidā. Šīs īpatnības ietver: nukleotīdu dubultās virknes cirkulārumu, gēnu saturu (kas ir tikai 37 elementi) un gandrīz pilnīgu nekodējošu nukleotīdu secību neesamību.
Mitohondriju DNS veic šūnu izdzīvošanas pamatfunkciju: tā ražo fermentus, kas nepieciešami oksidatīvās fosforilācijas realizācijai.
Kas ir mitohondriju DNS?
Mitohondriju DNS vai mtDNS ir DNS, kas atrodas mitohondrijos.
Mitohondriji ir tie lielie šūnu organoīdi, kas raksturīgi eikariotu organismiem, kuri pārtikā esošo ķīmisko enerģiju pārvērš ATP, kas ir enerģijas veids, ko šūnas var izmantot.
MITOCHONDRONS STRUKTŪRAS UN FUNKCIJU PAMATOJUMS
Cauruļveida, pavedienu vai granulu formas mitohondriji atrodas citoplazmā, aizņemot gandrīz 25% no pēdējās tilpuma.
Tiem ir divas divslāņu fosfolipīdu membrānas, vēl viena ārējā un vēl viena iekšējā.
Ārējā membrāna, kas pazīstama kā ārējā mitohondriju membrāna, attēlo katra mitohondrija perimetru, un tajā ir transporta proteīni (porīni un citi), kas padara to caurlaidīgu molekulām, kuru izmērs ir vienāds ar vai mazāks par 5000 daltoniem.
Iekšējā membrāna, kas pazīstama kā iekšējā mitohondriju membrāna, satur visus fermentatīvos (vai fermentatīvos) un koenzīma komponentus, kas nepieciešami ATP sintēzei, un nosaka centrālo telpu, ko sauc par matricu.
Atšķirībā no ārējās membrānas, iekšējai mitohondriju membrānai ir daudz ievainojumu - tā sauktās izciļņi -, kas palielina tās kopējo platību.
Starp abām mitohondriju membrānām ir telpa gandrīz 60-80 angstromu (A).Šo telpu sauc par starpmembrānu telpu. Starpmembrānu telpai ir ļoti līdzīgs citoplazmas sastāvs.
ATP sintēze, ko vada mitohondriji, ir ļoti sarežģīts process, ko biologi identificē ar terminu oksidatīvā fosforilēšana.
MITOHONDRĀLĀS DNS UN PROGRAMMĀTA PROCESA VIETA UN DAUDZUMS
Attēls: cilvēka mitohondrijs.
Mitohondriju DNS atrodas mitohondriju matricā, t.i., telpā, ko norobežo iekšējā mitohondriju membrāna.
Saskaņā ar uzticamiem zinātniskiem pētījumiem katrs mitohondrijs var saturēt no 2 līdz 12 mitohondriju DNS kopijām.
Ņemot vērā faktu, ka cilvēka organismā dažās šūnās var būt vairāki tūkstoši mitohondriju, kopējais mitohondriju DNS kopiju skaits vienā cilvēka šūnā var sasniegt pat 20 000 vienību.
Lūdzu, ņemiet vērā: mitohondriju skaits cilvēka šūnās mainās atkarībā no šūnu veida. Piemēram, hepatocītos (t.i., aknu šūnās) katrā var būt no 1000 līdz 2000 mitohondriju, savukārt eritrocītos (t.i., sarkano asins šūnu) tie pilnīgi nav.
Struktūra
Mitohondriju DNS molekulas vispārējā struktūra atgādina kodola DNS vispārējo struktūru, tas ir, ģenētisko mantojumu, kas atrodas eikariotu šūnu kodolā.
Patiešām, analoģiski kodola DNS:
- Mitohondriju DNS ir biopolimērs, kas sastāv no diviem gariem nukleotīdu pavedieniem. Nukleotīdi ir organiskas molekulas, kas rodas, savienojot trīs elementus: cukuru ar 5 oglekļa atomiem (DNS gadījumā - dezoksiribozi), slāpekļa bāzi un fosfātu grupu.
- Katrs mitohondriju DNS nukleotīds saistās ar nākamo tās pašas virknes nukleotīdu, izmantojot fosfodiestera saiti starp tās dezoksiribozes oglekli 3 un tūlīt pēc tam esošā nukleotīda fosfātu grupu.
- Abiem mitohondriju DNS virzieniem ir pretēja orientācija, un viena gala mijiedarbojas ar otra galu un otrādi. Šis īpašais izvietojums ir pazīstams kā pretparalēlais izvietojums (vai antiparalēlā orientācija).
- Abi mitohondriju DNS pavedieni mijiedarbojas viens ar otru, izmantojot slāpekļa bāzes.
Konkrēti, katra kvēldiega katra slāpekļa bāze izveido ūdeņraža saites ar vienu un tikai vienu slāpekļa bāzi, kas atrodas uz otra kvēldiega.
Šāda veida mijiedarbību sauc par "savienošanu pārī starp slāpekļa bāzēm" vai "slāpekļa bāzu pāri". - Mitohondriju DNS slāpekļa bāzes ir adenīns, timīns, citozīns un guanīns.
Pāris, ko rada šīs slāpekļa bāzes, nav nejaušs, bet ļoti specifisks: adenīns mijiedarbojas tikai ar timīnu, bet citozīns mijiedarbojas tikai ar guanīnu. - Mitohondriju DNS ir mājvieta gēniem (vai gēnu sekvencēm). Gēni ir vairāk vai mazāk garu nukleotīdu sekvences ar labi definētu bioloģisko nozīmi. Vairumā gadījumu tie rada olbaltumvielas.
MITOCHONDRAL DNS STRUKTŪRĀS ĪPAŠĪBAS
Papildus iepriekš minētajām analoģijām cilvēka mitohondriju DNS ir dažas strukturālas īpatnības, kas to ievērojami atšķir no cilvēka kodola DNS.
Pirmkārt, tā ir apļveida molekula, bet kodola DNS ir lineāra molekula.
Tādējādi tajā ir 16 569 slāpekļa bāzes pāri, savukārt kodolenerģijas DNS ir milzīgi 3,3 miljardi.
Tajā ir 37 gēni, bet kodola DNS, šķiet, ir no 20 000 līdz 25 000.
Tas nav sakārtots hromosomās, savukārt kodola DNS ir sadalīta 23 hromosomās un formās ar dažiem specifiskiem proteīniem - vielu, ko sauc par hromatīnu.
Visbeidzot, tajā ir iekļauta virkne nukleotīdu, kas vienlaikus piedalās divos gēnos, savukārt kodola DNS ir gēni, kuru nukleotīdu sekvences ir labi definētas un atšķirīgas viena no otras.
Izcelsme
Mitohondriju DNS, visticamāk, ir "baktēriju" izcelsme.
Faktiski, pamatojoties uz daudziem neatkarīgiem pētījumiem, molekulārie biologi uzskata, ka mitohondriju DNS šūnu klātbūtne ir rezultāts tam, ka senču eikariotu šūnas ir iekļāvušas neatkarīgus baktēriju organismus, kas ir ļoti līdzīgi mitohondrijiem.
Šis ziņkārīgais atklājums tikai daļēji pārsteidza zinātnieku aprindas, jo baktērijās esošā DNS parasti ir apļveida nukleotīdu virkne, piemēram, mitohondriju DNS.
Teorija, saskaņā ar kuru mitohondrijiem un mitohondriju DNS ir "baktēriju izcelsme", iegūst vārdu "endosimbiotiskā teorija" no vārda "endosimbioze". Īsumā, bioloģijā termins "endosimbioze" norāda uz divu organismu sadarbību, kas ietver "viena iekļaušana otrā, lai iegūtu noteiktu priekšrocību.
Ziņkārība
Saskaņā ar uzticamiem zinātniskiem pētījumiem, evolūcijas gaitā daudzi baktēriju gēni, kas atrodas uz nākotnes mitohondriju DNS, būtu mainījuši atrašanās vietu, pārceļoties uz kodola DNS.
Citiem vārdiem sakot, endosimbiozes sākumā daži gēni, kas tagad atrodas kodola DNS, atradās šo baktēriju organismu DNS, kas vēlāk kļūs par mitohondrijiem.
Lai atbalstītu teoriju, kas attiecas uz gēnu maiņu starp mitohondriju DNS un kodola DNS, ir novērojums, ka daži gēni dažās sugās ir iegūti no mitohondriju DNS un citās - no kodola DNS.
Funkcija
Mitohondriju DNS ražo fermentus (ti, proteīnus), kas nepieciešami delikāta oksidatīvā fosforilēšanās procesa pareizai īstenošanai.
Norādījumi šo fermentu sintezēšanai atrodas 37 gēnos, kas veido mitohondriju DNS genomu.
KO MITOCHONDRAL DNS GENES KODĒ: ZIŅAS
Mitohondriju DNS 37 gēni kodē: proteīnus, tRNS un rRNS.
It īpaši:
- 13 kodē 13 proteīnus, kas atbild par oksidatīvās fosforilācijas veikšanu
- 22 kods 22 tRNS molekulām
- 2 kodē 2 rRNS molekulas
TRNS un rRNS molekulas ir būtiskas iepriekšminēto 13 olbaltumvielu sintēzei, jo tās veido mašīnu, kas regulē to ražošanu.
Citiem vārdiem sakot, mitohondriju DNS ir informācija, lai iegūtu noteiktu olbaltumvielu komplektu un instrumentus, kas nepieciešami to sintēzei.
Kas ir RNS, tRNS un rRNS?
RNS vai ribonukleīnskābe ir nukleīnskābe, kurai ir būtiska loma olbaltumvielu veidošanā, sākot no DNS.
Parasti vienvirziena ANN var pastāvēt dažādās formās (vai veidos) atkarībā no konkrētās funkcijas, kurai tas ir deleģēts.
TRNA un rRNS ir divas no šīm iespējamām formām.
TRNS izmanto aminoskābju pievienošanai olbaltumvielu ražošanas procesā.Aminoskābes ir molekulārās vienības, kas veido olbaltumvielas.
RRNS veido ribosomas, tas ir, šūnu struktūras, kurās notiek olbaltumvielu sintēze.
Lai detalizēti uzzinātu ANN un tā funkcijas, lasītāji var noklikšķināt šeit.
MITOCHONDRAL DNS FUNKCIONĀLĀ INFORMĀCIJA
No funkcionālā viedokļa mitohondriju DNS ir dažas īpatnības, kas skaidri atšķir to no kodola DNS.
Lūk, ko veido šīs īpatnējās īpašības:
- Mitohondriju DNS ir daļēji neatkarīga tādā nozīmē, ka tai nepieciešama dažu proteīnu, kas sintezēti no kodola DNS, iejaukšanās.
No otras puses, kodolenerģijas DNS ir pilnīgi autonoma un pati ražo visu nepieciešamo, lai pareizi veiktu savus uzdevumus. - Mitohondriju DNS ģenētiskais kods ir nedaudz atšķirīgs no kodola DNS. Tas noved pie vairākām atšķirībām olbaltumvielu veidošanā: ja noteikta nukleotīdu secība kodola DNS noved pie noteikta proteīna veidošanās, tā pati secība mitohondriju DNS noved pie nedaudz atšķirīga proteīna veidošanās.
- Mitohondriju DNS ir ļoti maz nekodējošu nukleotīdu sekvenču, tas ir, tās neražo nekādus proteīnus, tRNS vai rRNS. Procentuālā izteiksmē tikai 3% mitohondriju DNS ir nekodēti.
No otras puses, kodola DNS kodē tikai 7%, tāpēc tajā ir daudz nekodētu nukleotīdu secību (pat 93%).
Tabula: kopsavilkums par atšķirībām starp cilvēka mitohondriju DNS un cilvēka kodola DNS.
Mitohondriju DNS
Kodola DNS
- Tas ir apļveida
- Tas ir lineārs
- Kopumā tajā ir 16 569 slāpekļa bāzes pāri
- Kopā tajā ir 3,3 miljardi slāpekļa bāzes pāru
- Kopumā tas satur 37 gēnus
- Tas satur no 20 000 līdz 25 000 gēnu
- Lai pareizi darbotos, tam ir jāatbalsta daži gēnu produkti, kas iegūti no kodola DNS
- Tā ir autonoma un pati ražo visu nepieciešamo, lai pareizi veiktu savas funkcijas
- Katrā atsevišķā mitohondrijā tas var būt vairākos eksemplāros
- Tas ir unikāls, tas ir, tas ir tikai vienā eksemplārā, un tas atrodas kodolā
- 97% no to veidojošās nukleotīdu secības kodē
- Kodē tikai 7% no to veidojošās nukleotīdu secības
- Tas nav sakārtots hromosomās
- Tas ir sadalīts 23 hromosomās
- Tas izmanto ģenētisko kodu, kas nedaudz atšķiras no, tā sakot, "tradicionālā"
- Izmantojiet "tradicionālo" ģenētisko kodu
- Tās mantojums ir mātes
- Tās mantojums ir puse mātes un puse tēva
- Daži no tā nukleotīdiem vienlaikus piedalās divos gēnos
- Nukleotīdu secības, kas veido gēnus, ir labi atšķirtas viena no otras
Mantojums
Mitohondriju DNS mantojums ir stingri mātes.
Tas nozīmē, ka vecāku pārī tieši sieviete pārraida mitohondriju DNS pēcnācējiem (ti, bērniem).
Pilnīgi pretējā veidā iepriekšminētajam kodolenerģijas DNS mantojums ir puse no mātes un puse no tēva. Citiem vārdiem sakot, abi vecāki vienādi veicina kodola DNS pārnešanu pēcnācējos.
Lūdzu, ņemiet vērā: mātes mitohondriju DNS mantojums ietver arī mitohondriju struktūru. Tādējādi indivīdā esošie mitohondriji ir mātes.
Saistītās patoloģijas
PriekšnoteikumsĢenētiskā mutācija ir neatgriezeniskas izmaiņas nukleotīdu secībā, kas veido kodola vai mitohondriju DNS gēnu.
Parasti ģenētiskas mutācijas klātbūtne izraisa "iesaistītā gēna normālas funkcijas izmaiņas vai zudumu.
Mutāciju klātbūtne mitohondriju DNS gēnos var izraisīt plašu slimību klāstu, tostarp:
- Lēbera iedzimta redzes neiropātija
- Kearnsa-Sayre sindroms
- Lī sindroms
- Citohroma C oksidāzes deficīts
- Progresējoša ārēja oftalmoplegija
- Pīrsona sindroms
- Mitohondriju encefalomiopātija ar laktātacidozi un insultam līdzīgām epizodēm (MELAS sindroms)
- Diabēts ar mātes pārnēsātu kurlu
- Miokloniskā epilepsija ar neregulārām sarkanām šķiedrām
Attiecībā uz patoloģiskajiem stāvokļiem, kas saistīti ar vienu vai vairākām mitohondriju DNS mutācijām, ir jāprecizē divi aspekti.
Pirmkārt, slimības smagums ir atkarīgs no kvantitatīvās attiecības starp mutācijas mitohondriju DNS un veselām, normālām mitohondriju DNS. Ja mutēto mitohondriju DNS skaits ir ievērojami lielāks nekā veselām DNS, rezultāts būs smagāks.
Otrkārt, mitohondriju DNS mutācijas ietekmē tikai dažus organisma audus, jo īpaši tos, kuriem nepieciešams liels ATP daudzums, kas rodas oksidatīvās fosforilēšanas procesā. Tas ir pilnīgi saprotami: lai cieš no vairāk nekā viena mitohondriju DNS darbības traucējuma, tās ir visvairāk vajadzīgās šūnas. funkcija, ko parasti pilda mitohondriju DNS.
Lēbera mantojamā optiskā neiropātija
Lēbera iedzimtā redzes neiropātija rodas četru mitohondriju DNS gēnu mutācijas rezultātā. Šie gēni satur informāciju, kas noved pie tā sauktā kompleksa I (vai NADH oksīda reduktāzes) sintēzes, kas ir viens no dažādiem enzīmiem, kas iesaistīti oksidatīvā fosforilēšanās procesā.
Patoloģijas izpausmes ietver progresējošu redzes nerva deģenerāciju un pakāpenisku redzes zudumu.
KEARNS-SAYRE SINDROMS
Kearnsa-Sayre sindroms parādās tāpēc, ka trūkst pietiekami daudz mitohondriju DNS (N.B.: noteiktas nukleotīdu secības trūkumu sauc par dzēšanu).
Cilvēkiem ar Kearnsa-Sayre sindromu attīstās oftalmopleģija (pilnīga vai daļēja okulomotora muskuļu paralīze), retinopātijas forma un sirds ritma traucējumi (atrioventrikulāra blokāde).
LEIGHS SINDROMS
Lī sindroms rodas mitohondriju DNS mutāciju rezultātā, kas var ietekmēt ATP-sintāzes proteīnu (sauktu arī par V-kompleksu) un / vai dažas tRNS.
Lī sindroms ir progresējoša neiroloģiska slimība, kas parādās zīdaiņa vecumā vai bērnībā un ir atbildīga par: attīstības aizkavēšanos, muskuļu vājumu, perifēro neiropātiju, kustību traucējumiem, elpošanas grūtībām un oftalmopleģiju.
CITOHROMA C OXIDĀZES DEFICITĀTE
Citohroma C oksidāzes deficīts rodas vismaz 3 mitohondriju DNS gēnu mutācijas dēļ. Šie gēni ir būtiski pareizai citohroma C oksidāzes (vai IV kompleksa) enzīma sintēzei, kas iesaistīts oksidatīvā fosforilēšanās procesā.
Tipiskas citohroma C oksidāzes deficīta izpausmes ir: skeleta muskuļu disfunkcija, sirds disfunkcija, nieru darbības traucējumi un aknu darbības traucējumi.
PROGRESĪVĀ ĀRĒJĀ OFTALMOPLĒĢIJA
Progresējoša ārējā oftalmoplegija rodas tāpēc, ka nav daudz mitohondriju DNS nukleotīdu (svītrojums)
Ar progresējošu raksturu (kā to var nojaust pēc nosaukuma) šī patoloģija izraisa okulomotora muskuļu paralīzi, kam seko ptoze un ievērojamas redzes problēmas.
PĒRSONA SINDROMS
Pīrsona sindroms parādās pēc pamanāmas mitohondriju DNS dzēšanas, līdzīgi progresējošai ārējai oftalmopleģijai un Kearnsa-Sayre sindromam.
Tipiskas Pīrsona sindroma izpausmes ir: sideroblastiska anēmija, aizkuņģa dziedzera disfunkcija (piemēram, no insulīna atkarīgs diabēts), neiroloģiski deficīti un muskuļu traucējumi.
Pīrsona sindroms parasti izraisa skartās personas nāvi jaunā vecumā. Patiesībā šīs patoloģijas skartie reti sasniedz pilngadību.
MELAS SINDROMS
MELAS sindroms, pazīstams arī kā mitohondriju encefalomiopātija ar laktātacidozi un insultam līdzīgām epizodēm, rodas no vismaz 5 mitohondriju DNS gēnu mutācijas.
Šie gēni veicina NADH oksīda reduktāzes jeb I kompleksa un dažu tRNS sintēzi.
MELAS sindroms ietver neiroloģiskus traucējumus, muskuļu darbības traucējumus, neparastu pienskābes uzkrāšanos audos (ar visiem pavadošajiem simptomiem), elpošanas traucējumus, zarnu darbības kontroles zudumu, atkārtotu nogurumu, nieru darbības traucējumus, sirdsdarbības traucējumus, diabētu, epilepsiju un. koordinācijas trūkums.
CITAS PATOLOĢIJAS
Saskaņā ar dažādiem zinātniskiem pētījumiem, tādas slimības kā cikliska vemšanas sindroms, retinīts pigmentosa, ataksija, Parkinsona slimība un Alcheimera slimība varētu ietekmēt arī mitohondriju DNS un dažas tās mutācijas.
