generalitate
ADN-ul mitocondrial, sau mtDNA, este acidul deoxiribonucleic care se află în mitocondriile, adică organele celulelor eucariote responsabile de procesul celular important de fosforilare oxidativă.
Cu toate acestea, prezintă și unele particularități, atât structurale, cât și funcționale, care îl fac unic în acest fel. Aceste particularități includ: circularitatea nucleului dublu de nucleotide, conținutul de gene (care este doar 37 de elemente) și absența aproape totală a secvențelor de nucleotide necodificate.
ADN-ul mitocondrial joacă o funcție fundamentală pentru supraviețuirea celulelor: produce enzime necesare pentru realizarea fosforilării oxidative.
Ce este ADN mitocondrial?
ADN-ul mitocondrial, sau mtDNA, este ADN-ul situat în interiorul mitocondriilor .
Mitocondriile sunt organelele celulare mari, tipice pentru organismele eucariote, care transformă energia chimică din alimente în ATP, care este o formă de energie care poate fi exploatată de celule.
REAMINTE PRIVIND STRUCTURA ȘI FUNCȚIONAREA MITOCONDRI
Tubular, filamentos sau granular, mitocondriile locuiesc în citoplasmă, ocupând aproape 25% din volumul acestora din urmă.
Acestea au două membrane fosfolipide cu strat dublu, una mai externă și una internă.
Membrana exterioară, cunoscută sub numele de membrana mitocondrială exterioară, reprezintă perimetrul fiecărui mitocondriu și posedă proteine de transport (porini și nu numai), ceea ce îl face permeabil la molecule de 5.000 de daltoni sau mai puțin.
Membrana interioară, cunoscută sub numele de membrană internă mitocondrială, conține toate componentele enzimatice și coenzimatice necesare pentru sinteza ATP și delimitează un spațiu central numit matrice .
Spre deosebire de membrana ultraperiferică, membrana mitocondrială interioară prezintă numeroase invaginări - așa-numitele crestături - care măresc suprafața totală.
Între cele două membrane mitocondriale, există un spațiu de aproape 60-80 Angstromi (A). Acest spațiu ia numele unui spațiu intermembranar . Spațiul intermembranar are o compoziție foarte asemănătoare cu cea a citoplasmei.
Sinteza ATP, efectuată de mitocondrii, este un proces foarte complex, pe care biologii îl identifică cu termenul de fosforilare oxidativă .
OFICIUL PRECISE A ADNULUI MITOCONDRIAL ȘI A CANTITĂȚII
Figura: o mitocondrie umană.
ADN-ul mitocondrial se află în matricea mitocondrială, adică în spațiul delimitat de membrana mitocondrială interioară.
Pe baza unor studii științifice fiabile, fiecare mitocondrie poate conține 2 până la 12 copii ale ADN-ului mitocondrial.
Având în vedere faptul că, în corpul uman, unele celule pot conține câteva mii de mitocondrii în interiorul lor, numărul total de copii ale ADN-ului mitocondrial, într-o singură celulă umană, poate ajunge chiar la 20.000 de unități.
Notă: numărul de mitocondrii în celulele umane variază în funcție de tipul celulei. De exemplu, hepatocitele (de exemplu celulele hepatice) pot conține între 1.000 și 2.000 de mitocondrii fiecare, în timp ce eritrocitele (adică celulele roșii din sânge) sunt complet lipsite de ele.
structură
Structura generală a unei molecule de ADN mitocondrial reamintește structura generală a ADN-ului nuclear, adică moștenirea genetică prezentă în nucleul celulelor eucariote.
De fapt, analog cu ADN-ul nuclear:
- ADN-ul mitocondrial este un biopolimer compus din două lungimi de nucleotide . Nucleotidele sunt molecule organice, rezultând din unirea a trei elemente: un zahăr cu 5 atomi de carbon (în cazul ADN, deoxiriboză ), o bază cu azot și o grupare fosfat .
- Fiecare nucleotidă a ADN-ului mitocondrial se leagă la următoarea nucleotidă a aceluiași filament, prin intermediul unei legături fosfodiesterice între carbonul 3 al deoxiribozelor sale și grupul fosfat al nucleotidei care urmează imediat.
- Cele două componente ale ADN-ului mitocondrial au orientare opusă, capul celui care interacționează cu capătul celuilalt și invers. Acest aranjament special este cunoscut ca un aranjament antiparalel (sau orientare antiparalelă ).
- Cele două fire de ADN mitocondrial interacționează unul cu celălalt, folosind bazele azotate .
În mod specific, fiecare bază azotată a fiecărui filament stabilește legături de hidrogen cu una și numai o bază azotată, prezentă pe celălalt filament.
Acest tip de interacțiune se numește "pereche de baze azotate" sau "pereche de baze azotate".
- Bazele azotate ale ADN-ului mitocondrial sunt adenina, timina, citozina și guanina .
Îmbinarea la care aceste baze azotate dă naștere nu este aleatoare, ci foarte specifică: adenina interacționează numai cu timina, în timp ce citozina interacționează numai cu guanina.
- ADN-ul mitocondrial este acasa cu gene (sau secvente genetice). Genele sunt secvențe de nucleotide mai mult sau mai puțin lungi, cu un înțeles biologic bine definit. În cele mai multe cazuri, ele dau naștere la proteine.
DETALII STRUCTURALE ALE ADNULUI MITOCHONDRIAL
Dincolo de analogiile menționate mai sus, ADN-ul mitocondrial uman prezintă unele particularități structurale, care o deosebesc considerabil de ADN-ul nuclear uman.
Mai întâi, este o moleculă circulară, în timp ce ADN-ul nuclear este o moleculă liniară.
Astfel, are 16.569 de perechi de baze azotate, în timp ce ADN-ul nuclear are o frumusețe de 3, 3 miliarde.
Acesta conține 37 de gene, în timp ce ADN-ul nuclear pare să conțină între 20.000 și 25.000.
Nu este organizată în cromozomi, în timp ce ADN-ul nuclear este subdivizat în 23 de cromozomi și forme, cu unele proteine specifice, o substanță numită cromatină.
În cele din urmă, aceasta include o serie de nucleotide care participă simultan la două gene, în timp ce ADN-ul nuclear are gene ale căror secvențe de nucleotide sunt bine definite și distincte unele de altele.
origine
ADN-ul mitocondrial este foarte probabil să aibă o origine bacteriană .
De fapt, pe baza numeroaselor studii independente, biologii moleculari cred că prezența celulară a ADN-ului mitocondrial este rezultatul încorporării de către celule eucariote ancestrale a unor organisme bacteriene independente, foarte asemănătoare cu mitocondriile.
Această descoperire curioasă a uimit comunitatea științifică în parte, deoarece ADN-ul prezent în bacterii este, în general, un filament de nucleotide circulare, cum ar fi ADN-ul mitocondrial.
Teoria conform căreia mitocondriile și ADN-ul mitocondrial au o origine bacteriană se numește " teoria endosimbotică ", de la cuvântul " endosimmioză ". Pe scurt, în biologie, termenul "endosimmioză" indică o colaborare între două organisme, care implică încorporarea una în cealaltă, pentru a obține un anumit avantaj.
curiozitate
Conform unor studii științifice fiabile, în cursul evoluției, multe gene bacteriene prezente pe ADN-ul mitocondrial viitor ar fi schimbat locația, trecând în ADN nuclear.
Cu alte cuvinte, la începutul endosimbiozelor, unele gene prezente acum pe ADN-ul nuclear s-au resimțit în ADN-ul acelor organisme bacteriene, care ulterior ar deveni mitocondriile.
Pentru a susține teoria schimbării genei între ADN-ul mitocondrial și ADN-ul nuclear, se observă că anumite gene derivă din ADN-ul mitocondrial, din anumite specii și din ADN-ul nuclear, în altele.
funcție
ADN-ul mitocondrial produce enzimele (adică proteinele) necesare pentru realizarea corectă a procesului delicat de fosforilare oxidativă.
Instrucțiunile pentru sinteza acestor enzime se găsesc în cele 37 gene care alcătuiesc genomul ADN mitocondrial.
Ce codifică genele ADN-ului mitocondrial: DETALII
Cele 37 gene ADN mitocondriale codifică: proteine, tRNA și rRNA.
Mai exact:
- 13 codifică 13 proteine responsabile de realizarea fosforilării oxidative
- 22 codifică pentru 22 molecule de ARNm
- 2 pentru 2 molecule r ARN
Moleculele tARN și r ARN sunt fundamentale pentru sinteza proteinelor 13 menționate mai sus, deoarece compun mașinile care reglementează producția lor.
Deci, cu alte cuvinte, ADN-ul mitocondrial are informația de a produce un anumit set de proteine și instrumentele necesare pentru sinteza acestuia din urmă.
Ce sunt ARN-ul, tARN și rRNA?
ARN sau acid ribonucleic este acidul nucleic care joacă un rol fundamental în generarea de proteine, pornind de la ADN.
În general, monocatenare, ARN poate exista în diferite forme (sau tipuri), în funcție de funcția specifică la care este delegată.
ARN și ARN sunt două dintre aceste forme posibile.
ARNm este utilizat pentru a adăuga aminoacizi în timpul procesului de creare a proteinelor. Aminoacizii sunt unitățile moleculare care alcătuiesc proteinele.
ARNm formează ribozomii, adică structurile celulare în care este localizată sinteza proteinelor.
Pentru a afla mai multe despre ARN și funcțiile sale, cititorii pot face clic aici.
DETALII FUNCȚIONALE A ADNULUI MITOCHONDRIAL
Din punct de vedere funcțional, ADN-ul mitocondrial are anumite caracteristici deosebite care îl diferențiază în mod clar de ADN-ul nuclear.
Iată care sunt aceste caracteristici deosebite:
- ADN-ul mitocondrial este semi-independent, în sensul că necesită intervenția unor proteine sintetizate din ADN-ul nuclear.
Pe de altă parte, ADN-ul nuclear este complet autonom și produce pentru sine tot ceea ce este necesar pentru a-și îndeplini sarcinile în mod corespunzător.
- ADN-ul mitocondrial are un cod genetic ușor diferit de cel al ADN-ului nuclear . Acest lucru conduce la o serie de diferențe în producția de proteine: dacă o anumită secvență de nucleotide din ADN-ul nuclear conduce la crearea unei anumite proteine, aceeași secvență în ADN-ul mitocondrial conduce la formarea unei proteine ușor diferite.
- ADN-ul mitocondrial are foarte puține secvențe de nucleotide necodificate, adică nu produc nici o proteină, tRNA sau rRNA. În procentaj, numai 3% din ADN-ul mitocondrial nu codifică.
Dimpotrivă, ADN-ul nuclear este de numai 7% codificând, prin urmare, conține un număr mare de secvențe de nucleotide necodificatoare (până la 93%).
Tabel: rezumat al diferențelor dintre ADN-ul mitocondrial uman și ADN-ul nuclear uman. | |
ADN mitocondrial | Nucleul ADN |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
moștenire
Moștenirea ADN-ului mitocondrial este strict maternă .
Acest lucru înseamnă că, la câțiva părinți, femeia transmite ADN-ul mitocondrial către pui (adică copii).
Într-un mod complet diferit față de cele menționate mai sus, moștenirea ADN-ului nuclear este de jumătate maternă și jumătate paternă. Cu alte cuvinte, ambii părinți contribuie în mod egal la transmiterea ADN-ului nuclear în descendenți.
Notă: moștenirea maternă a ADN-ului mitocondrial implică și structura mitocondrială. Astfel, mitocondriile prezente la un individ sunt pe bază maternă.
Boli asociate
Premisa: o mutație genetică este o schimbare permanentă în secvența de nucleotide, care constituie o genă de ADN nucleară sau mitocondrială.
În general, prezența unei mutații genetice conduce la alterarea sau pierderea funcției normale a genei implicate.
Prezența mutațiilor în genele ADN mitocondrial poate determina o gamă largă de patologii, incluzând:
- Lepros neuropatia optică ereditară
- Sindromul Kearns-Sayre
- Sindromul lui Leigh
- Deficitul de oxidază a citocromului C
- Oftalmoplegia externă progresivă
- Sindromul Pearson
- Mitologia encefalomopatiei mitocondriale cu acidoză lactică și episoade asemănătoare unui accident vascular cerebral (sindromul MELAS)
- Diabet zaharat cu surditate maternală
- Epilepsia mioclonică cu fibre roșii neregulate
În ceea ce privește condițiile patologice legate de una sau mai multe mutații ADN mitocondriale, trebuie subliniate două aspecte.
În primul rând, severitatea stării morbide depinde de relația cantitativă între ADN-ul mitocondrial mutant și ADN-ul mitocondrial normal și normal. Dacă numărul ADN-urilor mitocondriale este mult mai mare decât cel al ADN-ului sănătos, condiția rezultată va fi mai severă.
În al doilea rând, mutațiile ADN mitocondriale au efecte numai asupra anumitor țesuturi ale organismului, în special a celor care necesită cantități mari de ATP derivate din procesul de fosforilare oxidativă. Acest lucru este destul de ușor de înțeles: pentru a suferi mai mult decât o funcționare defectuoasă a ADN-ului mitocondrial sunt celulele care au cea mai mare nevoie de funcția la care ADN-ul mitocondrial efectuează în mod normal.
NEUROPATIA OPTICĂ HEREDITARĂ A LEBEI
Lepros neuropatia optică moștenită apare datorită mutației a cât mai mult de patru gene ADN mitocondrial. Aceste gene conțin informațiile care conduc la sinteza așa-numitei complexe I (sau oxid-reductază NADH), una dintre enzimele diferite implicate în procesul de fosforilare oxidativă.
Manifestările bolii constau în degenerarea progresivă a nervului optic și o pierdere treptată a vederii.
SINDROMUL KEARNS-SAYRE
Sindromul Kearns-Sayre apare din cauza lipsei unei părți discrete a ADN-ului mitocondrial (NB: lipsa unei anumite secvențe de nucleotide se numește ștergere ).
Cei care suferă de sindromul Kearns-Sayre dezvoltă oftalmoplegie (paralizie totală sau parțială a mușchilor oculomotori), o formă de retinopatie și anomalii ale ritmului cardiac (bloc atrioventricular).
LEAD SYNDROM
Sindromul Leigh apare în urma mutațiilor ADN mitocondriale, care pot afecta proteina ATP-sintază (numită și complexul V) și / sau unele tRNAs.
Sindromul Leigh este o boală neurologică progresivă care apare în copilărie sau copilărie și este responsabilă de: întârzierea dezvoltării, slăbiciunea musculară, neuropatia periferică, tulburările motorii, dificultățile de respirație și oftalmoplegia.
DEFICITUL CITOCROMO C OSSIDASI
Deficitul de oxidază a citocromului C apare datorită mutației a cel puțin 3 gene ADN mitocondriale. Aceste gene sunt esențiale pentru sinteza corectă a enzimei oxidază (sau a complexului IV) al citocromului C, implicată în procesul de fosforilare oxidativă.
Manifestările tipice ale deficienței de oxidază a citocromului C constau în: disfuncție musculară scheletică, disfuncție cardiacă, disfuncție renală și disfuncție hepatică.
PROGRAMAREA OFTHALMOPLEGIA EXTERNA
Oftalmoplegia externă progresivă apare din lipsa unui număr substanțial de nucleotide ADN mitocondrial (text eliminat)
Din caracterul progresiv (după cum puteți ghici din denumire), această patologie determină paralizia mușchilor oculomotori, rezultând în ptoză și probleme vizuale semnificative.
SINDROMUL PEARSON
Sindromul Pearson apare ca urmare a unei deleții evidente a ADN-ului mitocondrial, similar cu oftalmoplegia externă progresivă și sindromul Kearns-Sayre.
Manifestările tipice ale sindromului Pearson constau în: anemie sideroblastică, disfuncție pancreatică (de exemplu, diabet zaharat dependent de insulină), deficiențe neurologice și tulburări musculare.
De obicei, sindromul Pearson provoacă moartea subiectului afectat la o vârstă fragedă. Rar, cei afectați de această patologie ajung la vârsta adultă.
SINDROMUL MELAS
Sindromul MELAS, cunoscut și ca encefalomiopatie mitocondrială cu acidoză lactică și episoade asemănătoare unui accident vascular cerebral, apare datorită mutației a cel puțin 5 gene ADN mitocondrial.
Aceste gene contribuie la sinteza oxid-reductazei NADH sau a complexului I și a unor tARN-uri.
Sindromul MELAS implică tulburări neurologice, tulburări musculare, acumularea neobișnuită de acid lactic în țesuturi (cu toate simptomele care urmează), probleme respiratorii, pierderea controlului funcțiilor intestinale, oboseală recurentă, probleme renale, probleme cardiace, diabet, epilepsia și lipsa de coordonare.
ALTE PATOLOGII
Conform mai multor studii științifice, chiar bolile, cum ar fi vărsăturile ciclice, retinita pigmentară, ataxia, boala Parkinson și boala Alzheimer, ar vedea implicarea ADN-ului mitocondrial și a unor mutații ale acestuia.
