Общность
Митохондриальная ДНК или мтДНК - это дезоксирибонуклеиновая кислота, которая находится внутри митохондрий, то есть органелл эукариотических клеток, ответственных за очень важный клеточный процесс окислительного фосфорилирования.
Однако он также имеет некоторые особенности, как конструктивные, так и функциональные, которые делают его уникальным в своем роде. К этим особенностям можно отнести округлость двойной цепи нуклеотидов, содержание генов (а это всего 37 элементов) и практически полное отсутствие некодирующих нуклеотидных последовательностей.
Митохондриальная ДНК выполняет фундаментальную функцию для выживания клеток: она производит ферменты, необходимые для осуществления окислительного фосфорилирования.
Что такое митохондриальная ДНК?
Митохондриальная ДНК или мтДНК - это ДНК, расположенная в митохондриях.
Митохондрии - это те крупные клеточные органеллы, типичные для эукариотических организмов, которые преобразуют химическую энергию, содержащуюся в пище, в АТФ, который представляет собой форму энергии, которая может использоваться клетками.
ИСТОРИЯ СТРОЕНИЯ И ФУНКЦИОНИРОВАНИЯ МИТОХОНДРОНОВ
Митохондрии трубчатой, нитчатой или зернистой формы располагаются в цитоплазме, занимая почти 25% ее объема.
У них есть две фосфолипидные двухслойные мембраны, еще одна внешняя и еще одна внутренняя.
Самая внешняя мембрана, известная как внешняя мембрана митохондрий, представляет собой периметр каждой митохондрии и содержит транспортные белки (порины и более), которые делают ее проницаемой для молекул размером не более 5000 дальтон.
Самая внутренняя мембрана, известная как внутренняя мембрана митохондрий, содержит все ферментные (или ферментативные) и коферментные компоненты, необходимые для синтеза АТФ, и определяет центральное пространство, называемое матрицей.
В отличие от самой внешней мембраны, внутренняя митохондриальная мембрана имеет многочисленные инвагинации - так называемые гребни, - которые увеличивают ее общую площадь.
Между двумя митохондриальными мембранами есть пространство размером около 60-80 ангстрем (A). Это пространство называется межмембранным пространством. Межмембранное пространство имеет состав, очень похожий на состав цитоплазмы.
Синтез АТФ, осуществляемый митохондриями, - очень сложный процесс, который биологи называют термином окислительное фосфорилирование.
ТОЧНОЕ МЕСТОПОЛОЖЕНИЕ И КОЛИЧЕСТВО МИТОХОНДРАЛЬНОЙ ДНК
Рисунок: митохондрия человека.
Митохондриальная ДНК находится в митохондриальном матриксе, то есть в пространстве, ограниченном внутренней митохондриальной мембраной.
Согласно достоверным научным исследованиям, каждая митохондрия может содержать от 2 до 12 копий митохондриальной ДНК.
Учитывая тот факт, что в организме человека некоторые клетки могут содержать внутри себя несколько тысяч митохондрий, общее количество копий митохондриальной ДНК в одной клетке человека может достигать 20 000 единиц.
Пожалуйста, обрати внимание: количество митохондрий в клетках человека варьируется в зависимости от типа клетки. Например, гепатоциты (т.е. клетки печени) могут содержать от 1000 до 2000 митохондрий каждый, в то время как эритроциты (т.е. красные кровяные тельца) полностью их лишены.
Состав
Общая структура молекулы митохондриальной ДНК напоминает общую структуру ядерной ДНК, то есть генетическое наследие, присутствующее в ядре эукариотических клеток.
Действительно, аналогично ядерной ДНК:
- Митохондриальная ДНК - это биополимер, состоящий из двух длинных цепей нуклеотидов. Нуклеотиды - это органические молекулы, образующиеся в результате объединения трех элементов: сахара с 5 атомами углерода (в случае ДНК - дезоксирибозы), азотистого основания и фосфатной группы.
- Каждый нуклеотид митохондриальной ДНК связывается со следующим нуклеотидом той же цепи посредством фосфодиэфирной связи между углеродом 3 его дезоксирибозы и фосфатной группой следующего за ним нуклеотида.
- Две цепи митохондриальной ДНК имеют противоположную ориентацию, причем конец одной взаимодействует с концом другой, и наоборот. Это конкретное расположение известно как антипараллельное расположение (или антипараллельная ориентация).
- Две цепи митохондриальной ДНК взаимодействуют друг с другом через азотистые основания.
В частности, каждое азотистое основание каждой нити накала устанавливает водородные связи с одним и только одним азотистым основанием, присутствующим на другой нити.
Этот тип взаимодействия называется «спариванием азотистых оснований» или «парой азотистых оснований». - Азотистые основания митохондриальной ДНК - аденин, тимин, цитозин и гуанин.
Спаривание этих азотистых оснований не является случайным, а очень специфичным: аденин взаимодействует только с тимином, а цитозин взаимодействует только с гуанином. - Митохондриальная ДНК является домом для генов (или последовательностей генов). Гены представляют собой последовательности из более или менее длинных нуклеотидов с четко определенным биологическим значением. В большинстве случаев они дают начало белкам.
СТРУКТУРНЫЕ ОСОБЕННОСТИ МИТОХОНДРАЛЬНОЙ ДНК
Помимо вышеупомянутых аналогий, митохондриальная ДНК человека имеет некоторые структурные особенности, которые значительно отличают ее от ядерной ДНК человека.
Во-первых, это круговая молекула, а ядерная ДНК - линейная молекула.
Таким образом, он имеет 16 569 пар азотистых оснований, а ядерная ДНК имеет колоссальные 3,3 миллиарда.
Он содержит 37 генов, а ядерная ДНК, по-видимому, содержит от 20 000 до 25 000.
Он не организован в хромосомы, в то время как ядерная ДНК разделена на 23 хромосомы и образует с некоторыми специфическими белками вещество, называемое хроматином.
Наконец, она включает серию нуклеотидов, которые участвуют в двух генах одновременно, тогда как ядерная ДНК имеет гены, нуклеотидные последовательности которых четко определены и отличаются друг от друга.
Источник
Митохондриальная ДНК, скорее всего, имеет «бактериальное» происхождение.
Фактически, на основе многочисленных независимых исследований молекулярные биологи полагают, что присутствие митохондриальной ДНК в клетках является результатом включения предковыми эукариотическими клетками независимых бактериальных организмов, очень похожих на митохондрии.
Это любопытное открытие лишь частично поразило научное сообщество, поскольку ДНК, присутствующая в бактериях, обычно представляет собой кольцевую нуклеотидную цепь, как митохондриальная ДНК.
Теория, согласно которой митохондрии и митохондриальная ДНК имеют «бактериальное происхождение», получила название «эндосимбиотическая теория» от слова «эндосимбиоз». Вкратце, в биологии термин «эндосимбиоз» указывает на сотрудничество между двумя организмами, которое включает: «включение одного в другое с целью получения определенного преимущества.
Любопытство
Согласно достоверным научным исследованиям, в ходе эволюции многие бактериальные гены, присутствующие в будущей митохондриальной ДНК, изменили бы местоположение, переместившись в ядерную ДНК.
Другими словами, в начале эндосимбиоза некоторые гены, присутствующие в настоящее время в ядерной ДНК, находились в ДНК этих бактериальных организмов, которые позже стали митохондриями.
Подтверждением теории, касающейся сдвига генов между митохондриальной ДНК и ядерной ДНК, является наблюдение, что определенные гены происходят из митохондриальной ДНК у одних видов и из ядерной ДНК у других.
Функция
Митохондриальная ДНК производит ферменты (то есть белки), необходимые для правильного осуществления тонкого процесса окислительного фосфорилирования.
Инструкции по синтезу этих ферментов находятся в 37 генах, составляющих геном митохондриальной ДНК.
ЧТО КОДИРУЕТ МИТОХОНДРАЛЬНЫЕ ДНК-ГЕНЫ: ДЕТАЛИ
37 генов митохондриальной ДНК кодируют: белки, тРНК и рРНК.
Особенно:
- 13 кодируют 13 белков, ответственных за окислительное фосфорилирование
- 22 кода для 22 молекул тРНК
- 2 кодируют 2 молекулы рРНК
Молекулы тРНК и рРНК являются фундаментальными для синтеза вышеупомянутых 13 белков, поскольку они составляют механизм, регулирующий их производство.
Другими словами, митохондриальная ДНК обладает информацией для производства определенного набора белков и инструментов, необходимых для их синтеза.
Что такое РНК, тРНК и рРНК?
РНК или рибонуклеиновая кислота - это нуклеиновая кислота, которая играет фундаментальную роль в генерации белков, начиная с ДНК.
Как правило, одноцепочечная ИНС может существовать в различных формах (или типах) в зависимости от конкретной функции, которой она делегирована.
TRNA и рРНК - две из этих возможных форм.
ТРНК используется для добавления аминокислот в процессе производства белков.Аминокислоты - это молекулярные единицы, из которых состоят белки.
РРНК образует рибосомы, то есть клеточные структуры, в которых происходит синтез белков.
Чтобы подробно узнать об ИНС и ее функциях, читатели могут щелкнуть здесь.
ФУНКЦИОНАЛЬНЫЕ ДЕТАЛИ МИТОХОНДРАЛЬНОЙ ДНК
С функциональной точки зрения митохондриальная ДНК обладает некоторыми особенностями, которые четко отличают ее от ядерной ДНК.
Вот из чего состоят эти своеобразные характеристики:
- Митохондриальная ДНК полунезависима в том смысле, что требует вмешательства некоторых белков, синтезируемых из ядерной ДНК.
С другой стороны, ядерная ДНК полностью автономна и сама производит все необходимое для правильного выполнения своих задач. - Митохондриальная ДНК имеет несколько иной генетический код, чем ядерная ДНК. Это приводит к ряду различий в создании белков: если определенная последовательность нуклеотидов в ядерной ДНК приводит к созданию определенного белка, та же последовательность в митохондриальной ДНК приводит к образованию немного другого белка.
- Митохондриальная ДНК имеет очень мало некодирующих нуклеотидных последовательностей, то есть они не производят никаких белков, тРНК или рРНК. В процентном отношении только 3% митохондриальной ДНК не кодирует.
С другой стороны, ядерная ДНК кодирует только 7%, поэтому она содержит много некодирующих нуклеотидных последовательностей (до 93%).
Таблица: сводка различий между митохондриальной ДНК человека и ядерной ДНК человека.
Митохондриальная ДНК
Ядерная ДНК
- Это круглая
- Это линейно
- Всего он содержит 16 569 пар азотистых оснований.
- Он имеет в общей сложности 3,3 миллиарда азотистых пар оснований.
- Всего он содержит 37 генов.
- Он содержит от 20000 до 25000 генов.
- Для правильного функционирования ему необходима поддержка некоторых генных продуктов, полученных из ядерной ДНК.
- Он автономен и сам производит все необходимое для правильного выполнения своих функций.
- Он может присутствовать в нескольких копиях в каждой отдельной митохондрии.
- Он уникален, то есть находится только в одной копии и находится в ядре
- 97% нуклеотидной последовательности, из которой он состоит, кодирует
- Кодирует только 7% нуклеотидной последовательности, из которой он состоит.
- Он не организован в хромосомы
- Он разделен на 23 хромосомы.
- В нем используется генетический код, немного отличный от, так сказать, «традиционного».
- Используйте «традиционный» генетический код
- Наследование по материнской линии
- Его наследование - наполовину материнское, наполовину отцовское.
- Некоторые из его нуклеотидов участвуют в двух генах одновременно.
- Последовательности нуклеотидов, составляющих гены, хорошо отличаются друг от друга.
Наследование
Наследование митохондриальной ДНК строго материнское.
Это означает, что в паре родителей именно женщина передает митохондриальную ДНК потомству (то есть детям).
В полной противоположности описанному выше, ядерная ДНК наследуется наполовину от матери и наполовину от отца. Другими словами, оба родителя в равной степени вносят вклад в передачу ядерной ДНК в потомстве.
Пожалуйста, обрати внимание: материнское наследование митохондриальной ДНК также связано с митохондриальной структурой. Следовательно, митохондрии, присутствующие в организме человека, являются материнскими.
Сопутствующие патологии
Посылка: Генетическая мутация - это постоянное изменение последовательности нуклеотидов, составляющих ядерный или митохондриальный ген ДНК.
Обычно наличие генетической мутации приводит к «изменению или потере нормальной функции вовлеченного гена».
Наличие мутаций в генах митохондриальной ДНК может привести к широкому спектру заболеваний, в том числе:
- Наследственная оптическая нейропатия Лебера
- Синдром Кернса-Сейра
- Синдром Ли
- Дефицит цитохрома С оксидазы
- Прогрессирующая наружная офтальмоплегия
- Синдром Пирсона
- Митохондриальная энцефаломиопатия с лактоацидозом и приступами инсульта (синдром MELAS)
- Диабет с глухотой, передающейся по материнской линии
- Миоклоническая эпилепсия с нерегулярными красными волокнами
Что касается патологических состояний, связанных с одной или несколькими мутациями митохондриальной ДНК, необходимо прояснить два аспекта.
Во-первых, тяжесть заболевания зависит от количественного отношения между мутировавшими митохондриальными ДНК и здоровыми нормальными митохондриальными ДНК. Если количество мутировавших митохондриальных ДНК намного больше, чем количество здоровых ДНК, результирующее состояние будет более тяжелым.
Во-вторых, мутации в митохондриальной ДНК влияют только на некоторые ткани организма, в частности на те, которые требуют большого количества АТФ в результате процесса окислительного фосфорилирования. Это вполне понятно: при более чем одной неисправности митохондриальной ДНК больше всего нуждаются клетки. функция, которую обычно выполняет митохондриальная ДНК.
НАСЛЕДСТВЕННАЯ ОПТИЧЕСКАЯ НЕВРОПАТИЯ ЛЕБЕРА
Наследственная оптическая нейропатия Лебера возникает в результате мутации целых четырех генов митохондриальной ДНК. Эти гены содержат информацию, которая приводит к синтезу так называемого комплекса I (или НАДН-оксидредуктазы), одного из различных ферментов, участвующих в процессе окислительного фосфорилирования.
Проявления патологии заключаются в прогрессирующем перерождении зрительного нерва и постепенной потере зрения.
СИНДРОМ КЕРНС-САЙРА
Синдром Кирнса-Сейра возникает из-за отсутствия достаточного количества митохондриальной ДНК (примечание: отсутствие определенной нуклеотидной последовательности называется делецией).
У людей с синдромом Кернса-Сейра развивается офтальмоплегия (полный или частичный паралич глазодвигательных мышц), форма ретинопатии и нарушений сердечного ритма (атриовентрикулярная блокада).
СИНДРОМ ЛИ
Синдром Ли возникает в результате мутаций митохондриальной ДНК, которые могут влиять на белок АТФ-синтазы (также называемый V-комплексом) и / или некоторые тРНК.
Синдром Ли - прогрессирующее неврологическое заболевание, которое проявляется в младенчестве или детстве и вызывает: задержку развития, мышечную слабость, периферическую невропатию, двигательные расстройства, затрудненное дыхание и офтальмоплегию.
ДЕФИЧНОСТЬ ОКСИДАЗЫ ЦИТОХРОМА С
Дефицит цитохром С-оксидазы возникает из-за мутации по крайней мере 3 генов митохондриальной ДНК. Эти гены необходимы для правильного синтеза фермента цитохром С-оксидазы (или комплекса IV), участвующего в процессе окислительного фосфорилирования.
Типичные проявления дефицита цитохром С-оксидазы включают: дисфункцию скелетных мышц, сердечную дисфункцию, почечную дисфункцию и дисфункцию печени.
ПРОГРЕССИВНАЯ ВНЕШНЯЯ ОФТАЛЬМОПЛЕГИЯ
Прогрессирующая внешняя офтальмоплегия возникает из-за отсутствия значительного количества нуклеотидов митохондриальной ДНК (делеция).
Эта патология прогрессирующего характера (как можно догадаться по названию) вызывает паралич глазодвигательных мышц с последующим птозом и значительными проблемами зрения.
СИНДРОМ ПИРСОНА
Синдром Пирсона возникает после заметной делеции митохондриальной ДНК аналогично прогрессирующей внешней офтальмоплегии и синдрому Кернса-Сейра.
Типичные проявления синдрома Пирсона включают сидеробластную анемию, дисфункцию поджелудочной железы (например, инсулинозависимый диабет), неврологический дефицит и мышечные расстройства.
Синдром Пирсона обычно приводит к смерти больного в молодом возрасте. На самом деле, страдающие этой патологией редко достигают совершеннолетия.
СИНДРОМ МЕЛАСА
Синдром MELAS, также известный как митохондриальная энцефаломиопатия с лактоацидозом и инсультом, возникает в результате мутации по крайней мере 5 генов митохондриальной ДНК.
Эти гены способствуют синтезу НАДН-оксидредуктазы или комплекса I и некоторых тРНК.
Синдром MELAS включает в себя неврологические расстройства, мышечные расстройства, необычное накопление молочной кислоты в тканях (со всеми сопутствующими симптомами), проблемы с дыханием, потерю контроля над функцией кишечника, периодическую усталость, проблемы с почками, проблемы с сердцем, диабет, эпилепсию и др. отсутствие координации.
ДРУГИЕ ПАТОЛОГИИ
Согласно различным научным исследованиям, такие заболевания, как синдром циклической рвоты, пигментный ретинит, атаксия, болезнь Паркинсона и болезнь Альцгеймера, также будут сопровождаться вовлечением митохондриальной ДНК и некоторых ее мутаций.
