MITOHONDRIJSKA DNA: ZNAČILNOSTI, FUNKCIJE, DEDNOST, BOLEZNI - BIOLOGIJA - 2026

Mitohondrijska DNK je majhna krožna DNA molekula, ki se nahaja v notranjosti teh organelov v evkariontskih celicah. Ta majhen genom kodira zelo omejeno število beljakovin in aminokislin znotraj mitohondrijev. Pogosto je ime "mitohondrijske DNK" skrajšano v mnogih učbenikih in znanstvenih člankih kot "mtDNA" ali v angleščini "mtDNA".

Mitohondrije so bistvene organele za evkariontske celice, saj so odgovorne za pretvorbo energije iz zaužite hrane v obliki sladkorjev v obliko energije, ki jo celice lahko uporabljajo (na primer ATP).

Mitohondrijska DNK (vir? Nacionalni inštitut za raziskovanje človeškega genoma, Wikimedia Commons)

Vse celice v evkariontskih organizmih imajo v sebi vsaj en mitohondrij. Vendar pa obstajajo celice, kot so celice srčne mišice in skeletne mišične celice, ki imajo lahko na stotine mitohondrij.

Mitohondriji imajo svoj aparat za sintezo beljakovin, neodvisen od celičnega aparata, z ribosomi, prenosom RNA in aminoacilno RNA transferazom-sintetazo iz notranjosti organele; čeprav je ribosomalna RNA manjša od celice, ki je v njih.

Takšen aparat kaže veliko podobnost aparaturi sinteze beljakovin bakterij. Tako kot pri prokariotih je tudi ta aparat izjemno občutljiv na antibiotike, vendar zelo drugačen od sinteze beljakovin v evkariontskih celicah.

Izraz "mitohondrije" je Benda uvedla konec 12. stoletja, teorija o "endosimbiozi" pa je najbolj razširjena glede njenega nastanka. To je leta 1967 objavila Lynn Margulis, v reviji Teoretska biologija.

Teorija o "endosimbiozi" postavlja izvor mitohondrij pred milijone let. Teoretizira se, da je celični prednik evkariontskih celic "zajel" in vključil bakterijski organizem v svoj metabolizem, ki je kasneje postal tisto, kar danes poznamo kot mitohondrije.

značilnosti

Pri sesalcih je na splošno celoten genom, ki obsega mitohondrijsko DNK, organiziran v krožnem kromosomu od 15.000 do 16.000 parov nukleotidov ali, kar je enako, od 15 do 16 Kb (kilobaz).

Znotraj večine mitohondrijev lahko dobite več kopij mitohondrijskega kromosoma. V človeških somatskih celicah (nespolnih celicah) je običajno najti vsaj 100 kopij mitohondrijskega kromosoma.

V višjih rastlinah (angiospermih) je mitohondrijska DNK običajno veliko večja, na primer v koruzi koruze lahko krožni kromosom mitohondrijske DNK meri do 570 Kb.

Mitohondrijska DNK zavzema približno 1% celotne DNK somatskih celic večine vretenčarjev. Gre za zelo ohranjeno DNK v živalskem kraljestvu, v nasprotju s tistimi, ki jih opažamo pri rastlinah, kjer je velika raznolikost.

V nekaterih "orjaških" evkariontskih celicah, kot so ovule (ženske spolne celice) sesalcev ali v celicah, ki vsebujejo veliko mitohondrijev, lahko mitohondrijska DNK predstavlja do 1/3 celotne celične DNK.

Mitohondrijska DNA ima nekaj drugačnih lastnosti kot jedrska DNK: ima drugačno gostoto in razmerje parov baz gvanin-citozin (GC) in adenin-timin (AT).

Gostota osnovnega para GC v mitohondrijski DNK je 1,68 g / cm3 in vsebnost 21%; medtem ko je v jedrski DNK ta gostota 1,68 g / cm3, vsebnost pa je približno 40%.

Lastnosti

Mitohondrijska DNK ima vsaj 37 genov, ki so bistveni za normalno delovanje mitohondrijev. Od teh 37, 13 jih ima podatke za proizvodnjo encimov, ki sodelujejo v oksidativni fosforilaciji.

Teh 13 genov kodira za 13 polipeptidnih komponent encimskih kompleksov, ki spadajo v elektronsko transportno verigo in se nahajajo v notranji membrani mitohondrijev.

Kljub 13 polipeptidom, ki mitohondrijski DNK prispevajo k verigi prenosa elektronov, ga sestavlja več kot 100 različnih polipeptidov. Vendar je teh 13 komponent bistvenega pomena za oksidativno fosforilacijo in elektronsko transportno verigo.

Shema mitohondrijske DNK (Vir: Mikibc ~ commonswiki, prek Wikimedia Commons)

Med 13 polipeptidi, ki se sintetizirajo iz mitohondrijske DNK, izstopata I, II in III podenota kompleksa citokroma C oksidaze in VI podenota črpalk ATPaze, vgrajene v notranjo membrano organele.

Podatke, potrebne za sintezo preostalih komponent, ki sestavljajo mitohondrije, kodirajo jedrski geni. Ti se v citoplazmi sintetizirajo tako kot preostali celični proteini in nato zaradi posebnih signalov uvažajo v mitohondrije.

Pri oksidativni fosforilaciji se kisikovi in ​​sladkorni atomi, kot je glukoza, uporabljajo za sintezo ali tvorbo adenozin trifosfata (ATP), ki je kemična vrsta, ki jo vse celice uporabljajo kot vir energije.

Preostali mitohondrijski geni imajo navodila za sintezo prenosnih RNK ​​(tRNA), ribosomskih RNK ​​in encima aminoacil-RNA transferaza-sintetaza (tRNA), ki je potreben za sintezo beljakovin znotraj mitohondrijev.

Dediščina

Do nedavnega se je mislilo, da se mitohondrijska DNK prenaša izključno prek materinega dedovanja, torej z neposrednim sestopom od matere.

Vendar pa je v članku, ki sta ga Shiyu Luo in sodelavci objavila v reviji Proceedings of the National Academy of Sciences of the United States of America (PNAS) januarja 2019, ugotovili, da lahko mitohondrijska DNA v redkih primerih podeduje od obeh staršev, oba od očeta kot od matere.

Pred objavo tega članka je bilo za znanstvenike dejstvo, da sta Y kromosom in mitohondrijska DNK podedovala nedotaknjena od očeta oziroma matere do potomca.

"Neokrnjeno" dedovanje genov Y kromosoma mitohondrijskih genov pomeni, da omenjeni genski material ne pride do sprememb z rekombinacijo in se z leti spreminjajo le zaradi spontanih mutacij, zato je variacija dokaj majhna .

Zaradi tega se na podlagi teh genov opravi večina mobilizacijskih populacij, saj na primer genetiki enostavno konstruirajo družinska drevesa z uporabo mitohondrijske DNK.

Veliko človeške zgodovine je bilo rekonstruirano skozi genetsko zgodovino mitohondrijske DNK. Mnoge poslovne hiše celo ponujajo, da bi s tehnikami, ki proučujejo te značilnosti, razjasnile družinsko vez vsake žive osebe z njihovimi predniki.

Podvajanje

Prvi model podvajanja mitohondrijev DNK so leta 1972 predlagali Vinograd in sodelavci in ta model je še vedno veljaven, z nekaj spremembami. Na splošno model temelji na enosmerni podvajanju, ki se začne pri dveh različnih izvorih podvajanja.

Znanstveniki mitohondrijski kromosom razvrstijo v dve različni verigi, težko verigo, H ali OH, iz angleške "heavy" in light verige, L ali OL iz angleške "light". Ti so prepoznani in locirani v dveh nedodeljenih odprtih bralnih okvirih (URF) na mitohondrijskem kromosomu.

Razmnoževanje mitohondrijskega genoma se začne v težki verigi (OH) in se nadaljuje v eno smer, dokler ne nastane celotna dolžina lahke verige (OL). Nato se proteini, imenovani "mitohondrijski enoverižni proteini, ki vežejo DNA", zaščitijo verigo, ki deluje kot "matična" ali "predloga".

Encimi, ki so odgovorni za ločitev za ponovitev (replikakozom), preidejo v svetlobni pas (OL) in tvori se zančna struktura, ki blokira vezavo mitohondrijskih enoverižnih proteinov, ki vežejo DNA.

V tej zanki se veže mimehondrijska RNA polimeraza in začne se sinteza novega primerja. Prehod na sintezo težkih verig (OH) se pojavi 25 nukleotidov kasneje.

Takoj ob prehodu v težko verigo (OH) se mitohondrijska RNA polimeraza nadomesti na mitohondrijski replikativni DNA polimerazi na 3 'koncu, kjer se je sprva začelo podvajanje.

Končno sinteza obeh verig, tako težke (OH) kot tudi lahke (OL), poteka neprekinjeno, dokler se ne tvorita dve popolni krožni molekuli dvoverižne (dvoverižne) DNK.

Sorodne bolezni

Obstaja veliko bolezni, povezanih z okvaro mitohondrijske DNK. Večino povzročijo mutacije, ki poškodujejo zaporedje ali informacije, ki jih vsebuje genom.

Izguba sluha glede na naraščajočo starost

Ena najbolje raziskanih bolezni, ki je bila neposredno povezana s spremembami mitohondrijskega DNA genoma, je izguba sluha zaradi naraščanja starosti.

Ta pogoj je posledica genetskih, okoljskih in življenjskih dejavnikov. Z starostjo ljudi mitohondrijska DNK kopiči škodljive mutacije, kot so brisanja, premestitve, inverzije in drugo.

Poškodbe mitohondrijske DNK povzročajo predvsem kopičenje reaktivnih kisikovih vrst, to so stranski produkti proizvodnje energije v mitohondrijih.

Mitohondrijska DNK je še posebej ranljiva za poškodbe, saj nima sistema za popravilo. Zato spremembe, ki jih povzročajo reaktivne kisikove vrste, poškodujejo mitohondrijsko DNK in povzročijo, da organela ne deluje, kar povzroči smrt celic.

Celice notranjega ušesa imajo veliko povpraševanje po energiji. Zaradi te zahteve so še posebej občutljivi na poškodbe DNK mitohondrijev. Te poškodbe lahko nepovratno spremenijo delovanje notranjega ušesa, kar vodi do popolne izgube sluha.

Rak

Mitohondrijska DNA je še posebej občutljiva na somatske mutacije, mutacije, ki niso podedovane od staršev. Te vrste mutacij se pojavljajo v DNK nekaterih celic skozi življenje človeka.

Obstajajo dokazi, ki povezujejo spremembe mitohondrijske DNK, ki so posledica somatskih mutacij, z nekaterimi vrstami raka, tumorji v mlečnih žlezah, debelem črevesu, želodcu, jetrih in ledvicah.

Mutacije v mitohondrijski DNK so bile povezane tudi s krvnimi raki, kot so levkemija in limfomi (rak celic imunskega sistema).

Strokovnjaki povezujejo somatske mutacije v mitohondrijski DNK s povečanjem proizvodnje reaktivnih kisikovih vrst, dejavnikov, ki povečajo poškodbe mitohondrijske DNK in ustvarijo pomanjkanje nadzora v rasti celic.

O tem, kako te mutacije povečujejo nenadzorovano delitev celic in kako se končajo kot rakavi tumorji, je malo znanega.

Sindrom cikličnega bruhanja

Verjame se, da so nekateri primeri cikličnega bruhanja, značilni za otroštvo, povezani z mutacijami v mitohondrijski DNK. Te mutacije povzročajo ponavljajoče se epizode slabosti, bruhanja in utrujenosti ali letargije.

Znanstveniki povezujejo te epizode bruhanja z dejstvom, da lahko mitohondriji s poškodovano mitohondrijsko DNK vplivajo na določene celice avtonomnega živčnega sistema, ki vplivajo na funkcije, kot so srčni utrip, krvni tlak in prebava.

Kljub tem združenjem še ni jasno, kako spremembe v mitohondrijski DNK povzročajo ponavljajoče se epizode sindroma cikličnega bruhanja.

Reference

1. Clayton, D. (2003). Podvajanje mitohondrijske DNK: kar vemo. IUBMB življenje, 55 (4-5), 213-217.
2. Falkenberg, M. (2018). Podvajanje mitohondrijske DNA v celicah sesalcev: pregled poti. Eseji iz biokemije, 62 (3), 287-296.
3. Giles, RE, Blanc, H., Cann, HM, in Wallace, DC (1980). Matično dedovanje človeške mitohondrijske DNK. Zbornik Nacionalne akademije znanosti, 77 (11), 6715–6719
4. Luo, S., Valencia, CA, Zhang, J., Lee, NC, Slone, J., Gui, B, & Chen, SM (2019). Odgovor Lutz-Bonengel et al.: Biparentalni mtDNA prenos verjetno ne bo posledica jedrskih mitohondrijskih segmentov DNK. Zbornik Nacionalne akademije znanosti, 116 (6), 1823–1824.
5. McWilliams, TG in Suomalainen, A. (2019). Usoda očetove mitohondrije. Narava, 565 (7739), 296-297.
6. Nacionalna medicinska knjižnica. Domača referenca genetike: vaš vodič po razumevanju genetskih stanj.
7. Shadel, GS, & Clayton, DA (1997). Vzdrževanje mitohondrijske DNK pri vretenčarjih. Letni pregled biokemije, 66 (1), 409–435.
8. Simmons, MJ, in Snustad, DP (2006). Načela genetike. John Wiley & Sons.