МИТОХОНДРИЈСКА ДНК: КАРАКТЕРИСТИКЕ, ФУНКЦИЈЕ, НАСЛЕЂИВАЊЕ, БОЛЕСТИ - БИОЛОГИЈА - 2025

Митоцхондриал ДНА је мали кружна ДНК молекул који се налази унутар ових органела у еукариотским ћелијама. Овај мали геном кодира врло ограничен број протеина и аминокиселина унутар митохондрија. Уобичајено је да се назив „митохондријална ДНК“ скраћује у многим уџбеницима и научним чланцима као „мтДНА“ или на енглеском „мтДНА“.

Митохондрије су есенцијалне органеле за еукариотске ћелије, будући да су оне одговорне за претварање енергије из хране која се конзумира у облику шећера у облик енергије који ћелије могу да користе (на пример АТП).

Митохондријска ДНК (Извор? Национални институт за истраживање људског генома, путем Викимедиа Цоммонс)

Све ћелије у еукариотским организмима имају најмање један митохондриј у себи. Међутим, постоје ћелије попут ћелија срчаног мишића и ћелија скелетног мишића које у себи могу имати на стотине митохондрија.

Митохондрије имају сопствени апарат за синтезу протеина независно од ћелијског апарата, са рибосомима, трансферним РНК и аминоацилном РНА трансферазом-синтетазом из унутрашњости органеле; иако је рибосомална РНА мања од оне у ћелији која их смешта.

Такав апарат показује велику сличност са апаратом синтезе протеина бактерија. Даље, као и код прокариота, и овај је апарат изузетно осетљив на антибиотике, али се врло разликује од синтезе протеина у еукариотским ћелијама.

Израз "митохондрије" Бенда је увела крајем 12. века, а теорија "ендосимбиозе" најшире је прихваћена у вези са њеним пореклом. Ово је 1967. године објавила Линн Маргулис, у часопису Теоретска биологија.

Теорија о "ендосимбиози" поставља порекло митохондрија пре милионе година. Теоретизира се да је ћелијски предак еукариотских ћелија "захватио" и убацио организам сличан бактеријама у свој метаболизам, што је касније постало оно што данас знамо као митохондрије.

карактеристике

Код сисара, целокупни геном који садржи митохондријску ДНК је организован у кружном хромосому од 15.000 до 16.000 пара нуклеотида или, што је исто, од 15 до 16 Кб (килобаза).

Унутар већине митохондрија можете добити више копија митохондријског хромозома. У људским соматским ћелијама (неполне ћелије) уобичајено је пронаћи најмање 100 примерака митохондријског хромозома.

Код виших биљака (ангиоспермија) митохондријална ДНК је обично много већа, на пример, у биљци кукуруза кружни хромозом митохондријске ДНК може да мери до 570 Кб.

Митохондријска ДНК заузима око 1% укупне ДНК соматских ћелија већине кичмењака. То је веома очувана ДНК у животињском царству, супротно ономе што је запажено у биљкама, где постоји велика разноликост.

У неким "џиновским" еукариотским ћелијама, попут овула (женских полних ћелија) сисара или у ћелијама које садрже много митохондрија, митохондријска ДНК може чинити до 1/3 укупне ћелијске ДНК.

Митохондријска ДНК има другачија својства од нуклеарне ДНК: има различиту густину и омјер парова база гванин-цитозин (ГЦ) и аденин-тимин (АТ).

Густина базичне паре пара ГЦ у митохондријалној ДНК је 1,68 г / цм3 и садржај је 21%; док је у нуклеарној ДНК та густина 1,68 г / цм3, а садржај је око 40%.

Карактеристике

Митохондријска ДНК поседује најмање 37 гена који су неопходни за нормално функционисање митохондрија. Од њих 37, 13 поседују информације за производњу ензима који учествују у оксидативној фосфорилацији.

Ових 13 гена кодира за 13 полипептидних компоненти ензимских комплекса који припадају ланцу преноса електрона и налазе се у унутрашњој мембрани митохондрија.

Упркос 13 полипептида којима митохондријална ДНК доприноси ланцу преноса електрона, састоји се од више од 100 различитих полипептида. Међутим, ових 13 компоненти су неопходне за оксидативну фосфорилацију и транспортни ланац електрона.

Шема митохондријалне ДНК (Извор: Микибц ~ цоммонсвики, виа Викимедиа Цоммонс)

Међу 13 полипептида који се синтетишу из митохондријалне ДНК издвајају се И, ИИ и ИИИ подјединице комплекса цитокром Ц оксидазе и ВИ подјединица пумпи АТПазе уграђене у унутрашњу мембрану органеле.

Информације потребне за синтезу осталих компоненти које чине митохондрије су кодиране нуклеарним генима. Они се у цитоплазми синтетишу као и остали ћелијски протеини и затим увозе у митохондрије захваљујући специфичним сигналима.

У оксидативној фосфорилацији, атоми кисеоника и шећера, попут глукозе, користе се за синтезу или стварање аденосин трифосфата (АТП), који је хемијска врста коју све ћелије користе као извор енергије.

Преостали митохондријски гени имају упутства за синтезу трансферних РНА (тРНА), рибосомалне РНА и ензима аминоацил-РНА трансфераза-синтетаза (тРНА), неопходног за синтезу протеина унутар митохондрија.

Наслеђе

Донедавно се сматрало да се ДНК митохондрија преноси искључиво материнским наслеђем, то јест директним пореклом од мајке.

Међутим, у чланку који су објавили Схииу Луо и његове колеге у часопису Процеедингс оф тхе Натионал Ацадеми оф Сциенцес оф тхе Унитед Статес оф Америца (ПНАС) за јануар 2019, утврђено је да у ретким случајевима ДНА митохондрија може бити наслијеђена од оба родитеља, оба оца као мајке.

Пре објављивања овог чланка, за научнике је чињеница да је И хромозом и митохондријални ДНК наслеђен нетакнут од оца, односно мајке, од потомка.

„Нетакнуто“ наслеђивање гена И хромозома митохондријских гена подразумева да наведени генетски материјал не подлеже променама рекомбинацијом и током година се мењају само због спонтаних мутација, тако да је варијација прилично мала .

Због тога се већина студија мобилизације популације врши на основу ових гена, јер је, на пример, генетичарима лако конструисати породична стабла користећи митохондријску ДНК.

Велики део људске историје реконструисан је кроз генетску историју митохондријске ДНК. Многе пословне куће чак нуде да разјасне породичну везу сваке живе особе са њиховим прецима помоћу техника које проучавају ове карактеристике.

Репликација

Први модел репликације митохондријске ДНК предложили су 1972. године Виноград и сарадници и овај модел је и даље валидан, са одређеним изменама. Опћенито, модел се заснива на једносмјерној репликацији која почиње од два различита поријекла репликације.

Научници класификују митохондријски хромозом у два различита ланца, тешки ланац, Х или ОХ, из енглеског "тешки" и лаки ланац, Л или ОЛ из енглеског "светла". Они су идентификовани и лоцирани у два непријављена отворена оквира за читање (УРФ) на митохондријском хромосому.

Репликација митохондријског генома започиње у тешком ланцу (ОХ) и наставља се у једном правцу све док се не створи пуна дужина лаког ланца (ОЛ). Након тога, протеини који се називају "једноструки ланци протеина који се вежу за митохондрије" вежу се да би заштитили ланац који функционише као "матични" или "шаблон".

Ензими одговорни за одвајање да би се репликација догодила (репликакозом) прелазе у светлосни појас (ОЛ) и формира се петљаста структура која блокира везивање митохондријских једноланчаних протеина који се вежу за ДНК.

У овој петљи веже се митохондријална РНА полимераза и почиње синтеза новог прајмера. Прелазак на синтезу тешког ланца (ОХ) се јавља 25 нуклеотида касније.

Управо у тренутку преласка на тешки ланац (ОХ), митохондријална РНА полимераза је замењена митохондријском репликативном ДНК полимеразом на крају 3 ', где је почетно почела репликација.

Коначно, синтеза оба ланца, и тешког (ОХ) и лаког (ОЛ), траје континуирано док се не формирају две комплетне кружне молекуле дволанчане (дволанчане) ДНК.

Сродне болести

Постоје многе болести повезане са неисправношћу митохондријске ДНК. Већина их узрокује мутацијама које оштећују низ или информације садржане у геному.

Губитак слуха у односу на пораст старости

Једна од најбоље проучаваних болести која је директно повезана са променама митохондријалног ДНК генома је губитак слуха због повећања старости.

Ово стање је производ генетских, животних и животних чинилаца. Како људи старе, митохондријална ДНК акумулира штетне мутације, попут брисања, транслокација, инверзије и још много тога.

Оштећења митохондријске ДНК настају углавном накупљањем реактивних врста кисеоника, то су нуспроизводи производње енергије у митохондријама.

Митохондријска ДНК је посебно рањива на оштећења, јер нема систем поправке. Стога промене настале реактивним кисиковим врстама оштећују ДНК митохондрија и узрокују квар органеле, узрокујући станичну смрт.

Ћелије унутрашњег уха имају велику потражњу енергије. Овај захтев их чини посебно осетљивим на оштећење ДНК митохондријама. Ова оштећења могу неповратно изменити функцију унутрашњег уха, што доводи до тоталног губитка слуха.

Рак

Митохондријска ДНК је посебно осетљива на соматске мутације, мутације које нису наслеђене од родитеља. Ове врсте мутација догађају се у ДНК неких ћелија током целог живота.

Постоје докази који повезују измене митохондрија ДНА као резултат соматских мутација са одређеним врстама рака, туморима у млечним жлездама, у дебелом цреву, у желуцу, у јетри и у бубрезима.

Мутације у митохондријалној ДНК такође су повезане са карциномом крви попут леукемије и лимфома (карцином ћелија имунолошког система).

Стручњаци повезују соматске мутације у митохондријалној ДНК са повећањем производње реактивних врста кисеоника, фактора који повећавају оштећење митохондријске ДНК и стварају недостатак контроле у ​​расту ћелија.

Мало се зна о томе како ове мутације повећавају неконтролисану поделу ћелија и како се на крају развијају као канцерозни тумори.

Синдром цикличног повраћања

Сматра се да су неки случајеви цикличког повраћања, типични за детињство, повезани са мутацијама у митохондријалној ДНК. Ове мутације узрокују понављајуће се епизоде ​​мучнине, повраћања и умора или летаргије.

Научници повезују те епизоде ​​повраћања са чињеницом да митохондрије са оштећеном ДНК митохондрија могу да утичу на одређене ћелије аутономног нервног система, утичући на функције попут откуцаја срца, крвног притиска и пробаве.

Упркос тим асоцијацијама, још увек није јасно како промене у митохондријској ДНК изазивају понављајуће епизоде ​​синдрома цикличног повраћања.

Референце

1. Цлаитон, Д. (2003). Репликација митохондрија ДНК: шта знамо. ИУБМБ живот, 55 (4-5), 213-217.
2. Фалкенберг, М. (2018). Репликација митохондрија ДНА у ћелијама сисара: преглед пута. Есеји из биохемије, 62 (3), 287-296.
3. Гилес, РЕ, Бланц, Х., Цанн, ХМ, и Валлаце, ДЦ (1980). Наслеђивање мајке ДНК митохондрија из човека. Зборник радова Националне академије наука, 77 (11), 6715-6719
4. Луо, С., Валенсија, Калифорнија, Зханг, Ј., Лее, НЦ, Слоне, Ј., Гуи, Б, & Цхен, СМ (2019). Одговор Лутз-Боненгел ет ал .: Бипарентални мтДНА пренос није вероватно резултат нуклеарних митохондријских сегмената ДНК. Зборник радова Националне академије наука, 116 (6), 1823-1824.
5. МцВиллиамс, ТГ и Суомалаинен, А. (2019). Судбина митохондрије оца. Природа, 565 (7739), 296-297.
6. Национална медицинска библиотека. Генетска кућна референца: ваш водич за разумевање генетских стања.
7. Схадел, ГС, и Цлаитон, ДА (1997). Одржавање митохондријске ДНК код кичмењака. Годишњи преглед биохемије, 66 (1), 409-435.
8. Симмонс, МЈ, и Снустад, ДП (2006). Принципи генетике. Јохн Вилеи & Сонс.