Generaliti
DNA mitokondria, atau mtDNA, adalah asid deoksiribonukleik yang berada di dalam mitokondria, iaitu organel sel eukariotik yang bertanggungjawab untuk proses sel fosforilasi oksidatif yang sangat penting.
Walau bagaimanapun, ia juga mempunyai beberapa keunikan, baik struktur dan fungsional, yang menjadikannya unik dalam jenisnya. Keanehan ini merangkumi: bulatan nukleotida untaian ganda, kandungan gen (yang hanya 37 elemen) dan hampir keseluruhan ketiadaan urutan nukleotida bukan pengekodan.
DNA mitokondria melakukan fungsi asas untuk kelangsungan hidup sel: ia menghasilkan enzim yang diperlukan untuk merealisasikan fosforilasi oksidatif.
Apa itu DNA mitokondria?
DNA mitokondria, atau mtDNA, adalah DNA yang terletak di dalam mitokondria.
Mitokondria adalah organel selular yang besar, khas organisma eukariotik, yang mengubah tenaga kimia yang terkandung dalam makanan menjadi ATP, yang merupakan bentuk tenaga yang dapat dieksploitasi oleh sel.
LATAR BELAKANG PADA STRUKTUR DAN FUNGSI MITOCHONDRON
Bentuk tubular, filamen atau berbutir, mitokondria berada di sitoplasma, menempati hampir 25% isipadu yang terakhir.
Mereka mempunyai dua membran fosfolipid dua lapisan, satu lagi luaran dan satu lagi dalaman.
Membran terluar, yang dikenali sebagai membran mitokondria luar, mewakili perimeter setiap mitokondria dan mempunyai protein pengangkutan (porin dan banyak lagi), yang menjadikannya meresap ke molekul dengan ukuran yang sama dengan atau kurang dari 5.000 dalton.
Membran paling dalam, yang dikenali sebagai membran mitokondria dalam, mengandungi semua komponen enzimatik (atau enzimatik) dan koenzim, yang diperlukan untuk sintesis ATP, dan menentukan ruang tengah, yang disebut matriks.
Tidak seperti membran terluar, membran mitokondria dalaman mempunyai banyak invaginasi - yang disebut rabung - yang meningkatkan luas kawasannya.
Di antara dua membran mitokondria, terdapat ruang hampir 60-80 Angstrom (A).Ruang ini dinamakan ruang antara. Ruang intermembran mempunyai komposisi yang sangat serupa dengan sitoplasma.
Sintesis ATP, yang dikendalikan oleh mitokondria, adalah proses yang sangat kompleks, yang dikenal pasti oleh ahli biologi dengan istilah fosforilasi oksidatif.
LOKASI PRESIS DNA MITOCHONDRAL DAN KUANTITI
Rajah: mitokondria manusia.
DNA mitokondria berada dalam matriks mitokondria, iaitu di ruang yang dibatasi oleh membran mitokondria dalaman.
Menurut kajian saintifik yang boleh dipercayai, setiap mitokondria boleh mengandungi 2 hingga 12 salinan DNA mitokondria.
Mengingat fakta bahawa, dalam tubuh manusia, beberapa sel dapat mengandung beberapa ribu mitokondria di dalamnya, jumlah salinan DNA mitokondria dalam satu sel manusia dapat mencapai sebanyak 20.000 unit.
Harap maklum: bilangan mitokondria dalam sel manusia berbeza bergantung pada jenis sel. Contohnya, hepatosit (iaitu sel hati) dapat mengandungi antara 1,000 dan 2,000 mitokondria masing-masing, sementara eritrosit (iaitu sel darah merah) sama sekali tidak mengandungnya.
Struktur
Struktur umum molekul DNA mitokondria menyerupai struktur umum DNA nuklear, iaitu warisan genetik yang terdapat di dalam nukleus sel eukariotik.
Sesungguhnya, serupa dengan DNA nuklear:
- DNA mitokondria adalah biopolimer, yang terdiri daripada dua helai nukleotida panjang. Nukleotida adalah molekul organik, yang terhasil dari penyatuan tiga unsur: gula dengan 5 atom karbon (dalam kes DNA, deoxyribose), asas nitrogen dan kumpulan fosfat.
- Setiap nukleotida DNA mitokondria mengikat ke nukleotida seterusnya dari helai yang sama dengan ikatan fosfodiester antara karbon 3 dari deoksiribosa dan kumpulan fosfat dari nukleotida yang segera diikuti.
- Dua helai DNA mitokondria mempunyai orientasi yang berlawanan, dengan ujung satu berinteraksi dengan ujung yang lain dan sebaliknya. Susunan khusus ini dikenali sebagai susunan antiparallel (atau orientasi antiparallel).
- Kedua-dua helai DNA mitokondria saling berinteraksi melalui asas nitrogen.
Secara khusus, setiap asas nitrogen setiap filamen menjalin ikatan hidrogen dengan satu dan hanya satu asas nitrogen, yang terdapat pada filamen yang lain.
Jenis interaksi ini disebut "pasangan antara asas nitrogen" atau "pasangan asas nitrogen". - Asas nitrogen DNA mitokondria adalah adenin, timin, sitosin dan guanin.
Pasangan yang menghasilkan asas nitrogen ini tidak rawak, tetapi sangat spesifik: adenin hanya berinteraksi dengan timin, sementara sitosin hanya berinteraksi dengan guanin. - DNA mitokondria adalah rumah bagi gen (atau urutan gen). Gen adalah urutan nukleotida lebih kurang panjang, dengan kepentingan biologi yang jelas. Dalam kebanyakan kes, mereka menghasilkan protein.
MAKLUMAT STRUKTURAL DNA MITOCHONDRAL
Di luar analogi yang disebutkan di atas, DNA mitokondria manusia mempunyai beberapa kekhasan struktur, yang membezakannya dengan DNA nuklear manusia.
Pertama, ia adalah molekul bulat, sementara DNA nuklear adalah molekul linear.
Oleh itu, ia mempunyai 16.569 pasangan asas nitrogen, sementara DNA nuklear mempunyai 3.3 bilion.
Ini mengandungi 37 gen, sementara DNA nuklear tampaknya mengandung antara 20.000 dan 25.000.
Ia tidak tersusun dalam kromosom, sementara DNA nuklear dibahagikan kepada 23 kromosom dan membentuk, dengan beberapa protein tertentu, suatu zat yang disebut kromatin.
Akhirnya, ia merangkumi satu siri nukleotida yang berpartisipasi dalam dua gen pada masa yang sama, sementara DNA nuklear mempunyai gen yang urutan nukleotidanya jelas dan berbeza antara satu sama lain.
Asal
DNA mitokondria kemungkinan besar mempunyai asal "bakteria".
Sebenarnya, berdasarkan banyak kajian bebas, ahli biologi molekul percaya bahawa kehadiran sel DNA mitokondria adalah hasil penggabungan, oleh sel eukariotik leluhur, organisma bakteria bebas, sangat mirip dengan mitokondria.
Penemuan ingin tahu ini hanya mengejutkan komuniti saintifik, kerana DNA yang terdapat dalam bakteria pada umumnya merupakan helai nukleotida bulat, seperti DNA mitokondria.
Teori mengikut mana mitokondria dan DNA mitokondria mempunyai "asal bakteria mengambil nama" teori endosymbiotik ", dari kata" endosymbiosis. "Secara ringkas, dalam biologi, istilah" endosymbiosis "menunjukkan kerjasama antara dua organisma, yang melibatkan "penggabungan antara satu dengan yang lain, untuk mendapatkan kelebihan tertentu.
Rasa ingin tahu
Menurut kajian saintifik yang boleh dipercayai, dalam proses evolusi banyak gen bakteria, yang terdapat pada DNA mitokondria masa depan, akan berubah lokasi, berpindah ke DNA nuklear.
Dengan kata lain, pada awal endosymbiosis, beberapa gen yang ada pada DNA nuklear berada di dalam DNA organisma bakteria tersebut, yang kemudiannya akan menjadi mitokondria.
Untuk menyokong teori yang berkaitan dengan pergeseran gen antara DNA mitokondria dan DNA nuklear, adalah pengamatan bahawa gen tertentu berasal dari DNA mitokondria, pada beberapa spesies, dan dari DNA nuklear, yang lain.
Fungsi
DNA mitokondria menghasilkan enzim (iaitu protein), yang diperlukan untuk pelaksanaan proses fosforilasi oksidatif yang betul.
Arahan untuk mensintesis enzim ini terdapat dalam 37 gen yang membentuk genom DNA mitokondria.
APA KOD GENES DNA MITOCHONDRAL: BUTIRAN
37 gen kod DNA mitokondria untuk: protein, tRNA dan rRNA.
Khususnya:
- 13 mengekod 13 protein yang bertanggungjawab menjalankan fosforilasi oksidatif
- 22 kod untuk 22 molekul tRNA
- 2 mengekod 2 molekul rRNA
Molekul tRNA dan rRNA adalah asas untuk sintesis 13 protein yang disebutkan di atas, kerana mereka membentuk mesin yang mengatur pengeluarannya.
Jadi, dengan kata lain, DNA mitokondria mempunyai maklumat untuk menghasilkan sekumpulan protein dan alat yang diperlukan untuk sintesisnya.
Apa itu RNA, tRNA dan rRNA?
RNA, atau asid ribonukleik, adalah asid nukleik yang memainkan peranan penting dalam penghasilan protein, bermula dari DNA.
Umumnya helai tunggal, ANN dapat wujud dalam berbagai bentuk (atau jenis), bergantung pada fungsi tertentu yang diberikannya.
TRNA dan rRNA adalah dua bentuk yang mungkin ini.
TRNA digunakan untuk menambahkan asid amino semasa proses pembuatan protein. Asid amino adalah unit molekul yang membentuk protein.
RRNA membentuk ribosom, iaitu struktur sel di mana sintesis protein berlaku.
Untuk mengetahui secara terperinci ANN dan fungsinya, para pembaca boleh mengklik di sini.
BUTIRAN FUNGSI DNA MITOCHONDRAL
Dari sudut fungsional, DNA mitokondria mempunyai beberapa ciri khas yang membezakannya dengan jelas dengan DNA nuklear.
Berikut adalah ciri khas ini:
- DNA mitokondria separa bebas, dalam arti memerlukan intervensi beberapa protein yang disintesis dari DNA nuklear.
Sebaliknya, DNA nuklear sepenuhnya autonomi dan menghasilkan sendiri semua yang diperlukan untuk melaksanakan tugasnya dengan betul. - DNA mitokondria mempunyai kod genetik yang sedikit berbeza daripada DNA nuklear. Ini membawa kepada sejumlah perbezaan dalam pembuatan protein: jika urutan nukleotida tertentu dalam DNA nuklear menyebabkan penciptaan protein tertentu, urutan yang sama dalam DNA mitokondria membawa kepada pembentukan protein yang sedikit berbeza.
- DNA mitokondria mempunyai sedikit urutan nukleotida bukan pengekodan, iaitu, mereka tidak menghasilkan protein, tRNA atau rRNA. Dari segi peratusan, hanya 3% DNA mitokondria yang tidak berkod.
Sebaliknya, DNA nuklear hanya pengekodan 7%, jadi ia mengandungi banyak urutan nukleotida bukan pengekodan (sebanyak 93%).
Jadual: ringkasan perbezaan antara DNA mitokondria manusia dan DNA nuklear manusia.
DNA mitokondria
DNA nuklear
- Ia berbentuk bulat
- Ia adalah linear
- Ia mempunyai 16,569 pasangan asas nitrogen
- Ia mempunyai sejumlah 3.3 bilion pasangan asas nitrogen
- Ia mengandungi 37 gen
- Ia mengandungi antara 20,000 dan 25,000 gen
- Untuk berfungsi dengan baik ia memerlukan sokongan beberapa produk gen, yang berasal dari DNA nuklear
- Ia adalah autonomi dan menghasilkan sendiri semua yang diperlukan untuk menjalankan fungsinya dengan betul
- Ia boleh terdapat dalam beberapa salinan dalam setiap mitokondria individu
- Ia unik, iaitu hanya dalam satu salinan, dan terdapat dalam intinya
- 97% urutan nukleotida yang menyusunnya adalah pengekodan
- Hanya 7% urutan nukleotida yang menyusunnya adalah pengekodan
- Ia tidak disusun menjadi kromosom
- Ia terbahagi kepada 23 kromosom
- Ia menggunakan kod genetik yang sedikit berbeza dengan yang "tradisional"
- Gunakan kod genetik "tradisional"
- Pewarisannya adalah ibu
- Pewarisannya adalah separuh ibu dan separuh bapa
- Sebilangan nukleotidanya mengambil bahagian dalam dua gen pada masa yang sama
- Urutan nukleotida yang membentuk gen dibezakan dengan baik antara satu sama lain
Warisan
Pewarisan DNA mitokondria adalah ibu yang ketat.
Ini bermakna bahawa, dalam sepasang ibu bapa, wanita inilah yang menyebarkan DNA mitokondria ke keturunan (iaitu kepada anak-anak).
Dengan cara yang sama sekali bertentangan dengan perkara di atas, pewarisan DNA nuklear adalah separuh ibu dan separuh bapa. Dengan kata lain, kedua ibu bapa menyumbang sama dalam penyebaran DNA nuklear pada keturunan.
Harap maklum: pewarisan ibu dari DNA mitokondria juga melibatkan struktur mitokondria. Oleh itu, mitokondria yang terdapat pada seseorang individu adalah ibu.
Patologi yang berkaitan
Premis: Mutasi genetik adalah perubahan kekal dalam urutan nukleotida, yang membentuk gen DNA nuklear atau mitokondria.
Biasanya, kehadiran mutasi genetik mengakibatkan "perubahan atau kehilangan fungsi normal gen yang terlibat.
Kehadiran mutasi pada gen DNA mitokondria dapat menyebabkan pelbagai penyakit, termasuk:
- Neuropati optik keturunan Leber
- Sindrom Kearns-Sayre
- Sindrom Leigh
- Kekurangan oksidase sitokrom C
- Oftalmoplegia luaran yang progresif
- Sindrom Pearson
- Ensefalomiopati mitokondria dengan asidosis laktik dan episod seperti strok (sindrom MELAS)
- Diabetes dengan pekak yang disebarkan oleh ibu
- Epilepsi mioklonik dengan serat merah tidak teratur
Mengenai keadaan patologi yang berkaitan dengan satu atau lebih mutasi DNA mitokondria, dua aspek perlu diperjelaskan.
Pertama, keparahan penyakit bergantung pada hubungan kuantitatif antara DNA mitokondria bermutasi dan DNA mitokondria yang sihat dan normal. Sekiranya jumlah DNA mitokondria bermutasi jauh lebih besar daripada DNA DNA yang sihat, keadaan yang dihasilkan akan lebih parah.
Kedua, mutasi dalam DNA mitokondria hanya mempengaruhi beberapa tisu organisma, khususnya yang memerlukan ATP dalam jumlah yang banyak yang disebabkan oleh proses fosforilasi oksidatif. Ini cukup difahami: menderita lebih dari satu kerosakan DNA mitokondria adalah sel yang paling memerlukan fungsi yang biasanya dipenuhi oleh DNA mitokondria.
NEUROPATIK OPTIK WARISAN LEBER
Neuropati optik keturunan Leber timbul akibat mutasi sebanyak empat gen DNA mitokondria. Gen ini mengandungi maklumat yang membawa kepada sintesis kompleks yang disebut I (atau NADH oksida-reduktase), salah satu daripada pelbagai enzim yang terlibat dalam proses fosforilasi oksidatif.
Manifestasi patologi terdiri dari degenerasi saraf optik yang progresif dan kehilangan penglihatan secara beransur-ansur.
SYARIKAT KEARNS-SAYRE
Sindrom Kearns-Sayre muncul kerana kurangnya jumlah DNA mitokondria (N.B: kekurangan urutan nukleotida tertentu disebut penghapusan).
Orang dengan sindrom Kearns-Sayre mengalami ophthalmoplegia (kelumpuhan total atau separa otot oculomotor), bentuk retinopati dan kelainan irama jantung (blok atrioventricular).
SYNDROME LEIGH
Sindrom Leigh timbul akibat mutasi DNA mitokondria, yang boleh mempengaruhi protein ATP-synthase (juga disebut kompleks V) dan / atau beberapa tRNA.
Sindrom Leigh adalah penyakit neurologi progresif, yang muncul pada bayi atau kanak-kanak dan bertanggungjawab untuk: kelewatan perkembangan, kelemahan otot, neuropati periferal, gangguan motorik, kesukaran bernafas dan oftalmoplegia.
KEKURANGAN OXIDASE CYTOCHROME C
Kekurangan oksidase sitokrom C berlaku kerana mutasi sekurang-kurangnya 3 gen DNA mitokondria. Gen ini penting untuk sintesis enzim sitokrom C oksidase (atau kompleks IV) yang betul, yang terlibat dalam proses fosforilasi oksidatif.
Manifestasi khas kekurangan oksidase sitokrom C terdiri daripada: disfungsi otot rangka, disfungsi jantung, disfungsi ginjal dan disfungsi hati.
OPHTHALMOPLEGI LUAR PROGRESIF
Oftalmoplegia luaran progresif timbul daripada kekurangan sejumlah besar nukleotida DNA mitokondria (penghapusan)
Dengan watak progresif (seperti yang dapat ditebak dari namanya), patologi ini menyebabkan kelumpuhan otot oculomotor, dengan ptosis akibat dan masalah penglihatan yang cukup besar.
Sindrom PEARSON
Sindrom Pearson muncul berikutan penghapusan DNA mitokondria yang jelas, dengan cara yang serupa dengan ophthalmoplegia luaran progresif dan sindrom Kearns-Sayre.
Manifestasi khas sindrom Pearson terdiri daripada: anemia sideroblastik, disfungsi pankreas (misalnya diabetes yang bergantung kepada insulin), kekurangan neurologi dan gangguan otot.
Sindrom Pearson biasanya menyebabkan orang yang terkena mati pada usia muda. Sebenarnya, mereka yang terkena patologi ini jarang mencapai usia dewasa.
Sindrom MELAS
Sindrom MELAS, juga dikenali sebagai encephalomyopathy mitokondria dengan asidosis laktik dan episod seperti strok, timbul akibat mutasi sekurang-kurangnya 5 gen DNA mitokondria.
Gen ini menyumbang kepada sintesis NADH oksida-reduktase, atau kompleks I, dan beberapa tRNA.
Sindrom MELAS melibatkan kehadiran gangguan neurologi, gangguan otot, pengumpulan asid laktik yang tidak biasa dalam tisu (dengan semua gejala yang menyertainya), masalah pernafasan, kehilangan kawalan fungsi usus, keletihan berulang, masalah buah pinggang, masalah jantung, diabetes, epilepsi dan kekurangan koordinasi.
PATOLOGI LAIN
Menurut pelbagai kajian saintifik, penyakit seperti sindrom muntah siklik, retinitis pigmentosa, ataxia, penyakit Parkinson dan penyakit Alzheimer, juga akan melihat penglibatan DNA mitokondria dan beberapa mutasinya.
