Mitokondrial DNA
genellik
Mitokondriyal DNA veya mtDNA, mitokondri içinde bulunan deoksiribonükleik asittir, yani oksidatif fosforilasyonun çok önemli hücresel işlemlerinden sorumlu olan ökaryotik hücrelerin organelleridir.
Bununla birlikte, aynı zamanda kendi türünde benzersiz kılan hem yapısal hem de işlevsel olan bazı özellikler de sunmaktadır. Bu özellikler şunları içerir: çift nükleotid zincirinin daireselliği, genlerin içeriği (sadece 37 elementtir) ve kodlama yapmayan nükleotid dizilerinin neredeyse toplam yokluğu.
Mitokondriyal DNA, hücrenin hayatta kalması için temel bir işleve sahiptir: oksidatif fosforilasyonun gerçekleştirilmesi için gerekli enzimleri üretir.
Mitokondrial DNA nedir?
Mitokondriyal DNA veya mtDNA, mitokondri içinde bulunan DNA'dır.
Mitokondri, gıdalarda bulunan kimyasal enerjiyi, hücreler tarafından yararlanılabilecek bir enerji şekli olan ATP'ye dönüştüren tipik ökaryotik organizmalar olan büyük hücresel organellerdir.
MITOCONDRI'IN YAPISI VE FONKSİYONU ÜZERİNE GERİ DÖN
Borulu, filamentli veya granüler olan mitokondri, sitoplazmada bulunur ve ikincisinin hacminin neredeyse% 25'ini kaplar.
İki fosfolipit çift katmanlı zar vardır, biri harici, diğeri dahili.
Dış mitokondriyal zar olarak bilinen dış zar, her mitokondrinin çevresini temsil eder ve bunu 5.000 dalton veya daha az moleküllere geçirgen kılan taşıma proteinlerine (sadece porinler değil) sahiptir.
İç mitokondriyal membran olarak bilinen en içteki zar, ATP'nin sentezi için gerekli olan tüm enzimatik (veya enzimler) ve koenzimatik bileşenleri içerir ve matris olarak adlandırılan merkezi bir alanı sınırlar.
En dıştaki zarın aksine, iç mitokondriyal zar, toplam alanını arttıran, sırtlar olarak adlandırılan çok sayıda yayılma gösterir.
İki mitokondriyal membran arasında, neredeyse 60-80 Angstrom (A) boşluk vardır. Bu boşluk bir intermembran boşluğu adını alır. İntermembran boşluğu sitoplazmaya çok benzeyen bir bileşime sahiptir.
Mitokondri tarafından gerçekleştirilen ATP sentezi, biyologların oksidatif fosforilasyon terimiyle tanımladığı çok karmaşık bir işlemdir.
MİTOKONDRIYEL DNA VE MİKTARIN HÜKÜMLÜ OFİSİ
Şekil: bir insan mitokondri.
Mitokondriyal DNA , mitokondri matrisinde, yani iç mitokondriyal zar tarafından sınırlandırılmış alanda bulunur.
Güvenilir bilimsel çalışmalara dayanarak, her bir mitokondri 2 ila 12 kopya mitokondriyal DNA içerebilir.
İnsan vücudunda bazı hücrelerin içinde birkaç bin mitokondri içerebileceği göz önüne alındığında, tek bir insan hücresindeki mitokondriyal DNA'nın toplam kopya sayısı 20.000 üniteye bile ulaşabilir.
Not: İnsan hücrelerinde mitokondri sayısı hücre tipine bağlı olarak değişir. Örneğin, hepatositler (yani, karaciğer hücreleri) her biri 1.000 ila 2.000 mitokondri içerebilir, eritrositler (yani kırmızı kan hücreleri) bunlardan tamamen arındırılmıştır.
yapı
Bir mitokondriyal DNA molekülünün genel yapısı, nükleer DNA'nın genel yapısını, yani ökaryotik hücrelerin çekirdeğinde bulunan genetik mirası hatırlatır.
Aslında, nükleer DNA'ya benzer:
- Mitokondriyal DNA, iki uzun nükleotit şeridinden oluşan bir biyopolimerdir . Nükleotidler, üç elementin birleşmesinden kaynaklanan organik moleküllerdir: 5 karbon atomlu bir şeker (DNA, deoksiriboz durumunda), azotlu bir baz ve bir fosfat grubu .
- Mitokondriyal DNA'nın her bir nükleotidi, aynı filamentin bir sonraki nükleotidine, deoksiribozunun karbon3'ü ile hemen sonraki nükleotidin fosfat grubu arasındaki bir fosfodiesterik bağ vasıtasıyla bağlanır.
- Mitokondriyal DNA'nın iki şeridi, birinin kafası diğerinin ucuyla etkileşime girerken, tersi yönde ters yöndedir. Bu özel düzenleme, antiparalel bir düzenleme (veya antiparalel yönlendirme ) olarak bilinir.
- Mitokondriyal DNA'nın iki teli , azot bazları kullanarak birbirleriyle etkileşime girer .
Spesifik olarak, her bir filamentin her bir azot bazı, diğer filament üzerinde mevcut olan bir ve sadece bir azot baz ile hidrojen bağları oluşturur.
Bu etkileşime "azotlu bazların eşleştirilmesi" veya "azotlu baz çifti" denir.
- Mitokondriyal DNA'nın azotlu bazları adenin, timin, sitozin ve guanindir .
Bu azotlu bazların yükseliş gösterdiği eşleşme rastlantısal değildir, ancak oldukça spesifiktir: adenin sadece timin ile etkileşime girerken, sitozin sadece guanin ile etkileşime girer.
- Mitokondriyal DNA, genlere (veya gen dizilerine) ev sahipliği yapar. Genler, iyi tanımlanmış bir biyolojik anlamı olan, az çok uzun nükleotidlerin sekanslarıdır. Çoğu durumda, proteinlere yol açarlar.
MİTOKONRİAL DNA'NIN YAPISAL DETAYLARI
Yukarıda belirtilen analojilerin ötesinde, insan mitokondriyal DNA'sı, onu insan nükleer DNA'sından büyük ölçüde ayıran bazı yapısal özellikler sunar.
Öncelikle, dairesel bir moleküldür, nükleer DNA ise doğrusal bir moleküldür.
Böylece, 16.569 çift azotlu baz içerir, nükleer DNA ise 3.3 milyar güzelliğe sahiptir.
Nükleer DNA'nın 20, 000 ila 25, 000 arasında olduğu görülürken, 37 gen içerir.
Kromozomlarda organize olmamakla birlikte, nükleer DNA 23 kromozoma bölünür ve bazı spesifik proteinlerle kromatin adı verilen bir madde oluşturur.
Son olarak, aynı anda iki gene katılan bir dizi nükleotit içerirken, nükleer DNA nükleotit sekansları iyi tanımlanmış ve birbirinden farklı genlere sahiptir.
köken
Mitokondriyal DNA'nın bakteriyel bir kökene sahip olması çok muhtemeldir.
Aslında, çok sayıda bağımsız çalışmaya dayanarak, moleküler biyologlar, mitokondriyal DNA'nın hücresel varlığının, mitokondriye çok benzeyen bağımsız bakteriyel organizmaların atalarının ökaryotik hücreleriyle birleşmesinin bir sonucu olduğuna inanmaktadır.
Bu meraklı keşif, bilimsel topluluğu sadece kısmen şaşırttı çünkü bakterilerde bulunan DNA, genellikle mitokondriyal DNA gibi dairesel nükleotitlerin bir filamentidir.
Mitokondri ve mitokondriyal DNA'nın bakteriyel bir kökene sahip olduğu teorisine " endosimbiyoz " kelimesinden " endosimbiyotik teori " denir. Kısaca, biyolojide "endosimbiyoz" terimi, belirli bir avantaj elde etmek için birinin diğerinin içine dahil edilmesini içeren iki organizma arasında bir işbirliğini belirtir.
merak
Güvenilir bilimsel çalışmalara göre, evrim sırasında gelecekteki mitokondriyal DNA'da bulunan birçok bakteriyel gen nükleer DNA'ya geçerek yerini değiştirmiş olacaktı.
Başka bir deyişle, endosimbiyozun başında, şu anda nükleer DNA üzerinde bulunan bazı bakteri organizmaları DNA'da bulunur ve bu daha sonra mitokondri olur.
Mitokondriyal DNA ve nükleer DNA arasındaki bir gen kayması teorisini desteklemek için, bazı genlerin mitokondriyal DNA'dan, bazı türlerde ve nükleer DNA'dan kaynaklandığı gözlemidir.
fonksiyon
Mitokondriyal DNA, oksidatif fosforilasyonun hassas işleminin doğru gerçekleştirilmesi için gerekli olan enzimleri (yani proteinleri) üretir.
Bu enzimlerin sentezi için talimatlar, mitokondriyal DNA genomunu oluşturan 37 gende bulunur.
MİTOKONDRİAL DNA GENLERİNİ NELER KODLADI: DETAYLAR
37 mitokondriyal DNA genini kodlar: proteinler, tRNA ve rRNA.
özellikle:
- 13 oksidatif fosforilasyonun gerçekleştirilmesinden sorumlu 13 protein için kodlama
- 22 tRNA molekülü için 22 kod
- 2 rRNA molekülü için 2 kod
TRNA ve rRNA molekülleri, üretimini düzenleyen makineleri oluşturan, yukarıda bahsedilen 13 proteinin sentezi için temeldir.
Yani, başka bir deyişle, mitokondriyal DNA, belirli bir protein seti üretecek bilgiye ve ikincisinin sentezi için gerekli araçlara sahiptir.
RNA, tRNA ve rRNA nedir?
RNA veya ribonükleik asit, DNA'dan başlayarak protein oluşumunda temel bir rol oynayan nükleik asittir.
Genellikle tek sarmallı RNA, devredildiği özel işleve bağlı olarak çeşitli formlarda (veya türlerde) bulunabilir.
TRNA ve rRNA bu olası formlardan ikisidir.
TRNA, protein oluşturma işlemi sırasında amino asitleri eklemek için kullanılır. Amino asitler, proteinleri oluşturan moleküler birimlerdir.
RRNA ribozomları, yani protein sentezinin bulunduğu hücresel yapıları oluşturur.
RNA ve işlevleri hakkında daha fazla bilgi edinmek için okuyucular buraya tıklayabilir.
MİTOKONRİAL DNA'NIN FONKSİYONEL DETAYLARI
İşlevsel bir bakış açısına göre, mitokondriyal DNA, onu nükleer DNA'dan açıkça ayıran bazı tuhaf özelliklere sahiptir.
İşte bu tuhaf özelliklerin içeriği:
- Mitokondriyal DNA, yarı-bağımsızdır, yani nükleer DNA'dan sentezlenen bazı proteinlerin müdahalesini gerektirir.
Öte yandan, nükleer DNA tamamen özerktir ve görevlerini doğru bir şekilde yerine getirmek için ihtiyaç duyduğu her şeyi kendisi üretir.
- Mitokondrial DNA'nın, nükleer DNA'dan biraz farklı olan genetik bir kodu vardır . Bu, protein üretiminde bir dizi farklılığa yol açar: nükleer DNA'daki belirli bir nükleotit sekansı, belirli bir proteinin oluşumuna yol açarsa, mitokondriyal DNA'daki aynı sekans, biraz farklı bir proteinin oluşumuna yol açar.
- Mitokondriyal DNA, kodlamayan nükleotitlerin çok az sekansına sahiptir, yani herhangi bir protein, tRNA veya rRNA üretmezler. Yüzde olarak, mitokondriyal DNA'nın sadece% 3'ü kodlama yapmaz.
Aksine, nükleer DNA sadece% 7 kodlamadır, bu nedenle çok sayıda kodlamayan nükleotit sekansı içerir (% 93 kadar).
Tablo: insan mitokondriyal DNA ve insan nükleer DNA arasındaki farkların özeti.
Mitokondrial DNA
Nükleer DNA
miras
Mitokondriyal DNA'nın mirası kesinlikle maternaldir .
Bu, bir kaç ebeveynde mitokondriyal DNA'yı çocuklara (yani çocuklar) aktaran kadın olduğu anlamına gelir.
Yukarıda belirtilenlere tamamen zıt bir şekilde, nükleer DNA'nın kalıtımı yarı anne yarı babadır. Başka bir deyişle, her iki ebeveyn de çocuklarda nükleer DNA aktarımına eşit katkıda bulunur.
Lütfen dikkat: mitokondriyal DNA'nın maternal kalıtımı da mitokondriyal yapıyı içerir. Dolayısıyla, bir bireyde mevcut olan mitokondri maternal bazdadır.
İlişkili hastalıklar
Öncül: Genetik bir mutasyon, bir nükleer veya mitokondriyal DNA genini oluşturan nükleotitlerin sırasındaki kalıcı bir değişikliktir.
Genel olarak, genetik bir mutasyonun varlığı, ilgili genin normal fonksiyonunun değişmesine veya kaybolmasına yol açar.
Mitokondriyal DNA genlerinde mutasyonların varlığı, aşağıdakileri içeren çok çeşitli patolojileri belirleyebilir:
- Leber'in kalıtsal optik nöropatisi
- Kearns-Sayre sendromu
- Leigh sendromu
- Sitokrom C oksidaz eksikliği
- Progresif dış oftalmopleji
- Pearson sendromu
- Laktik asidozlu ve inme benzeri epizodlu mitokondriyal ensefalomiyopati (MELAS sendromu)
- Anne transmisyon sağlığına sahip diyabet
- Düzensiz kırmızı liflerle miyoklonik epilepsi
Bir veya daha fazla mitokondriyal DNA mutasyonuyla ilgili patolojik durumlarla ilgili olarak, iki yönün belirtilmesi gerekir.
İlk olarak, morbid durumun ciddiyeti mutasyona uğramış mitokondriyal DNA ile normal, sağlıklı mitokondriyal DNA arasındaki nicel ilişkiye bağlıdır. Mutasyona uğramış mitokondriyal DNA'ların sayısı, sağlıklı DNA'dan çok daha fazla ise, ortaya çıkan durum daha şiddetli olacaktır.
İkincisi, mitokondriyal DNA mutasyonları sadece organizmanın bazı dokuları, özellikle oksidatif fosforilasyon işleminden türetilen çok miktarda ATP gerektiren etkiler üzerinde etkilidir. Bu oldukça anlaşılabilir bir durumdur: mitokondriyal DNA'da bir arızadan daha fazla acı çekmek, mitokondriyal DNA'nın normal olarak gerçekleştirdiği fonksiyona en çok ihtiyaç duyan hücrelerdir.
LEED'İN MİRASAL OPTİK NÖROPATİSİ
Leber'in kalıtsal optik nöropatisi, dört mitokondriyal DNA geninin mutasyonundan kaynaklanmaktadır. Bu genler, oksidatif fosforilasyon işleminde yer alan çeşitli enzimlerden biri olan sözde kompleks I'in (veya NADH oksit-redüktaz) sentezine yol açan bilgileri içerir.
Hastalığın belirtileri, optik sinirin ilerleyici dejenerasyonundan ve kademeli görme kaybından oluşur.
KEARNS-SAYRE SENDROMU
Kearns-Sayre sendromu, mitokondriyal DNA'nın ayrık bir kısmının olmamasından dolayı ortaya çıkar (NB: Belli bir nükleotit sekansının bulunmaması, silme olarak adlandırılır).
Kearns-Sayre sendromundan muzdarip olanlar oftalmopleji (yani, okülomotor kasların toplam veya kısmi felci), bir retinopati ve kalp ritminin anormallikleri (atriyoventriküler blok) geliştirir.
LEIGH SENDROM
Leigh sendromu, ATP-sentaz proteinini (ayrıca V kompleksi olarak da adlandırılır) ve / veya bazı tRNA'ları etkileyebilen mitokondriyal DNA mutasyonlarını takiben meydana gelir.
Leigh sendromu çocuklukta veya çocuklukta ortaya çıkan ilerleyici bir nörolojik hastalıktır ve bunlardan sorumludur: gelişimsel gecikme, kas zayıflığı, periferik nöropati, motor bozukluklar, solunum güçlüğü ve oftalmopleji.
CITOCROMO C OSSIDASI'NİN TANIMI
Sitokrom C oksidaz eksikliği, en az 3 mitokondriyal DNA geninin mutasyonundan kaynaklanmaktadır. Bu genler, oksidatif fosforilasyon işlemine dahil olan sitokrom C oksidaz enziminin (veya kompleks IV) doğru sentezi için gereklidir.
Sitokrom C oksidaz eksikliğinin tipik belirtileri, iskelet kası fonksiyon bozukluğu, kalp fonksiyon bozukluğu, böbrek fonksiyon bozukluğu ve karaciğer fonksiyon bozukluğundan oluşur.
İLERCİLİK DIŞ OFTALMOPLEGİ
Progresif dış oftalmopleji, önemli sayıda mitokondriyal DNA nükleotidinin (silme) olmamasından kaynaklanır.
İlerici karakterden (adından da anlaşılacağı gibi), bu patoloji okülomotor kasların felç edilmesine neden olarak ptozis ve önemli görsel problemlerle sonuçlanır.
PEARSON SENDROMU
Pearson sendromu, ilerleyici dış oftalmopleji ve Kearns-Sayre sendromuna benzer şekilde belirgin bir mitokondriyal DNA silinmesini takiben ortaya çıkmaktadır.
Pearson sendromunun tipik tezahürleri şunlardan oluşur: sideroblastik anemi, pankreas fonksiyon bozukluğu (örneğin insüline bağlı diyabet), nörolojik bozukluklar ve kas bozuklukları.
Tipik olarak, Pearson sendromu, etkilenen deneğin genç yaşta ölümüne neden olur. Nadiren, bu patolojiden etkilenenler yetişkinliğe ulaşmaktadır.
MELAS SENDROMU
Ayrıca laktik asidoz ve inme benzeri bölümlerle mitokondriyal ensefalomiyopati olarak da bilinen MELAS sendromu, en az 5 mitokondriyal DNA geninin mutasyonundan kaynaklanmaktadır.
Bu genler, NADH oksit-redüktaz veya kompleks I'in ve bazı tRNA'ların sentezine katkıda bulunur.
MELAS sendromu nörolojik bozukluklar, kas bozuklukları, dokularda olağandışı laktik asit birikimi (izleyen tüm semptomlarla), solunum problemleri, bağırsak fonksiyonlarının kontrolünün kaybı, tekrarlayan yorgunluk, böbrek problemleri, kalp problemleri, diyabetin varlığını içerir, epilepsi ve koordinasyon eksikliği.
DİĞER PATOLOJİLER
Çeşitli bilimsel çalışmalara göre, siklik kusma, retinit pigmentosa, ataksi, Parkinson hastalığı ve Alzheimer hastalığı gibi hastalıklar, mitokondriyal DNA'nın ve bazı mutasyonlarının tutulumunu görecektir.