Allgemeinheit
Mitochondriale DNA oder mtDNA ist die Desoxyribonukleinsäure, die sich in den Mitochondrien befindet, dh den Organellen eukaryotischer Zellen, die für den sehr wichtigen zellulären Prozess der oxidativen Phosphorylierung verantwortlich sind.
Es hat jedoch auch einige strukturelle und funktionelle Besonderheiten, die es in seiner Art einzigartig machen. Diese Merkmale umfassen: die Zirkularität des Doppelstrangs von Nukleotiden, den Gehalt an Genen (der nur 37 Elemente umfasst) und das fast vollständige Fehlen von nicht kodierenden Nukleotidsequenzen.
Mitochondriale DNA spielt eine grundlegende Rolle für das Überleben der Zellen: Sie produziert die für die Realisierung der oxidativen Phosphorylierung erforderlichen Enzyme.
Was ist mitochondriale DNA?
Mitochondriale DNA oder mtDNA ist die DNA, die sich in den Mitochondrien befindet .
Mitochondrien sind die für eukaryotische Organismen typischen großen Zellorganellen, die die in Lebensmitteln enthaltene chemische Energie in ATP umwandeln, eine Energieform, die von Zellen genutzt werden kann.
ERINNERT AN STRUKTUR UND FUNKTIONSWEISE VON MITOCHONDERS
Die röhrenförmigen, filamentösen oder körnigen Mitochondrien befinden sich im Zytoplasma und nehmen fast 25% des Volumens des letzteren ein.
Sie haben zwei Phospholipid-Doppelschichtmembranen, eine weitere äußere und eine weitere innere.
Die äußerste Membran, die als äußere Mitochondrienmembran bekannt ist, stellt den Umfang der einzelnen Mitochondrien dar und verfügt über Transportproteine (porin und nicht nur), die sie für Moleküle mit einer Größe von 5.000 Dalton oder weniger durchlässig machen.
Die innerste Membran, die als innere Mitochondrienmembran bekannt ist, enthält alle für die ATP-Synthese erforderlichen enzymatischen Komponenten (oder Enzyme) und Coenzymkomponenten und begrenzt einen zentralen Raum, eine sogenannte Matrix .
Im Gegensatz zur äußersten Membran weist die innere Mitochondrienmembran zahlreiche Einfälle auf, die sogenannten Kämme, die ihre Gesamtfläche vergrößern.
Zwischen den beiden Mitochondrienmembranen befindet sich ein Abstand von fast 60-80 Angström (A). Dieser Raum wird Intermembranraum genannt . Der Intermembranraum hat eine Zusammensetzung, die der des Zytoplasmas sehr ähnlich ist.
Die ATP-Synthese, die von den Mitochondrien betrieben wird, ist ein sehr komplexer Prozess, den Biologen als oxidative Phosphorylierung bezeichnen .
GENAUE MITOCHONDRIELLE DNA-LAGE UND MENGE
Abbildung: Menschliche Mitochondrien.
Mitochondriale DNA befindet sich in der Mitochondrienmatrix, dh in dem Raum, der von der inneren Mitochondrienmembran begrenzt wird.
Basierend auf zuverlässigen wissenschaftlichen Studien kann jede Mitochondrie 2 bis 12 Kopien mitochondrialer DNA enthalten.
In Anbetracht der Tatsache, dass einige Zellen im menschlichen Körper mehrere tausend Mitochondrien enthalten können, kann die Gesamtzahl der mitochondrialen DNA-Kopien in einer einzelnen menschlichen Zelle sogar 20.000 Einheiten erreichen.
Hinweis: Die Anzahl der Mitochondrien in menschlichen Zellen variiert je nach Zelltyp. Beispielsweise können Hepatozyten (dh Leberzellen) jeweils zwischen 1.000 und 2.000 Mitochondrien enthalten, während Erythrozyten (dh rote Blutkörperchen) völlig frei von diesen sind.
Struktur
Die allgemeine Struktur eines mitochondrialen DNA-Moleküls ähnelt der allgemeinen Struktur der Kern-DNA, dh dem genetischen Erbe, das im Kern eukaryotischer Zellen vorhanden ist.
Ähnlich wie bei der Kern-DNA:
- Mitochondriale DNA ist ein Biopolymer, das aus zwei langen Nukleotidsträngen besteht . Nukleotide sind organische Moleküle, die sich aus der Vereinigung von drei Elementen ergeben: einem Zucker mit 5 Kohlenstoffatomen (im Fall von DNA Desoxyribose ), einer stickstoffhaltigen Base und einer Phosphatgruppe .
- Jedes Nukleotid der mitochondrialen DNA bindet über eine Phosphodiesterbindung zwischen dem Kohlenstoff 3 seiner Desoxyribose und der unmittelbar folgenden Nukleotidphosphatgruppe an das nächste Nukleotid desselben Filaments.
- Die beiden Stränge der Mitochondrien-DNA weisen eine entgegengesetzte Ausrichtung auf, wobei der Kopf des einen mit dem Ende des anderen interagiert und umgekehrt. Diese spezielle Anordnung ist als antiparallele Anordnung (oder antiparallele Ausrichtung ) bekannt.
- Die beiden Filamente der mitochondrialen DNA wechselwirken über die stickstoffhaltigen Basen miteinander .
Insbesondere baut jede stickstoffhaltige Base jedes Filaments Wasserstoffbrückenbindungen mit einer und nur einer stickstoffhaltigen Base auf, die auf dem anderen Filament vorhanden ist.
Diese Art der Wechselwirkung wird "Paarung zwischen stickstoffhaltigen Basen" oder "Paar stickstoffhaltiger Basen" genannt.
- Die stickstoffhaltigen Basen der Mitochondrien-DNA sind Adenin, Thymin, Cytosin und Guanin .
Die Paarung, zu der diese stickstoffhaltigen Basen führen, ist nicht zufällig, sondern hochspezifisch: Adenin interagiert nur mit Thymin, Cytosin nur mit Guanin.
- Mitochondriale DNA beherbergt Gene (oder Gensequenzen). Gene sind Sequenzen von mehr oder weniger langen Nukleotiden mit einer genau definierten biologischen Bedeutung. In den meisten Fällen entstehen Proteine.
STRUKTURDETAILS MITOCHONDRIALER DNA
Abgesehen von den oben genannten Analogien weist die menschliche Mitochondrien-DNA einige strukturelle Besonderheiten auf, die sie erheblich von der menschlichen Kern-DNA unterscheiden.
Erstens ist es ein kreisförmiges Molekül, während die Kern-DNA ein lineares Molekül ist.
Somit hat es 16.569 Paare stickstoffhaltiger Basen, während die Kern-DNA die Schönheit von 3, 3 Milliarden besitzt.
Es enthält 37 Gene, während die Kern-DNA zwischen 20.000 und 25.000 zu enthalten scheint.
Es ist nicht in Chromosomen organisiert, während die Kern-DNA in bis zu 23 Chromosomen unterteilt ist und mit einigen spezifischen Proteinen eine Substanz namens Chromatin bildet.
Schließlich enthält es eine Reihe von Nukleotiden, die gleichzeitig an zwei Genen beteiligt sind, während die Kern-DNA Gene aufweist, deren Nukleotidsequenzen gut definiert und voneinander verschieden sind.
Ursprung
Mitochondriale DNA hat sehr wahrscheinlich einen bakteriellen Ursprung .
Basierend auf zahlreichen unabhängigen Studien glauben Molekularbiologen, dass das zelluläre Vorhandensein von mitochondrialer DNA das Ergebnis des Einbaus von unabhängigen bakteriellen Organismen, die den Mitochondrien sehr ähnlich sind, durch angestammte eukaryotische Zellen ist.
Diese merkwürdige Entdeckung hat die wissenschaftliche Gemeinschaft nur teilweise verblüfft, da die in Bakterien vorhandene DNA im Allgemeinen ein Filament aus kreisförmigen Nukleotiden wie Mitochondrien-DNA ist.
Die Theorie, dass Mitochondrien und mitochondriale DNA bakteriellen Ursprungs sind, wird als " endosymbiotische Theorie " bezeichnet und leitet sich vom Wort " Endosymbiose " ab. Kurz gesagt, in der Biologie bezeichnet der Begriff "Endosymbiose" eine Zusammenarbeit zwischen zwei Organismen, bei der eine in die andere eingebaut wird, um einen bestimmten Vorteil zu erzielen.
Neugier
Zuverlässigen wissenschaftlichen Studien zufolge hätten sich im Laufe der Evolution viele bakterielle Gene, die auf der zukünftigen mitochondrialen DNA vorhanden sind, ortsverändert und wären in nukleare DNA übergegangen.
Mit anderen Worten, zu Beginn der Endosymbiose befanden sich einige Gene, die jetzt auf der Kern-DNA vorhanden sind, in der DNA dieser bakteriellen Organismen, die dann zu Mitochondrien werden würden.
Die Theorie, dass bestimmte Gene bei einigen Spezies von mitochondrialer DNA und bei anderen von nuklearer DNA stammen, bestätigt die Theorie einer Genverschiebung zwischen mitochondrialer DNA und nuklearer DNA.
Funktion
Mitochondriale DNA produziert Enzyme (dh Proteine), die für die korrekte Realisierung des empfindlichen Prozesses der oxidativen Phosphorylierung erforderlich sind.
Die Anweisungen für die Synthese dieser Enzyme liegen in den 37 Genen, die das Genom der mitochondrialen DNA bilden.
WAS DAS GEN DER MITOCHONDRISCHEN DNA-CODES: DIE DETAILS
Die 37 Gene der mitochondrialen DNA kodieren für: Proteine, tRNA und rRNA.
Speziell:
- 13 Code für 13 Proteine, die für die Durchführung der oxidativen Phosphorylierung verantwortlich sind
- 22 kodieren 22 Moleküle tRNA
- 2 kodieren 2 Moleküle rRNA
Die tRNA- und rRNA-Moleküle sind für die Synthese der oben genannten 13 Proteine von grundlegender Bedeutung, da sie die Maschinerie bilden, die ihre Produktion reguliert.
Mit anderen Worten, die mitochondriale DNA verfügt über die Informationen, um einen bestimmten Satz von Proteinen zu produzieren, und über die Werkzeuge, die für die Synthese der letzteren erforderlich sind.
Was sind RNA, tRNA und rRNA?
RNA oder Ribonukleinsäure ist die Nukleinsäure, die ausgehend von DNA eine grundlegende Rolle bei der Erzeugung von Proteinen spielt.
Im Allgemeinen kann einzelsträngige RNA in verschiedenen Formen (oder Typen) vorliegen, abhängig von der spezifischen Funktion, für die sie ein Stellvertreter ist.
TRNA und rRNA sind zwei dieser möglichen Formen.
TRNA wird für die Addition von Aminosäuren während des Prozesses zur Erzeugung von Proteinen verwendet. Aminosäuren sind die molekularen Einheiten, aus denen Proteine bestehen.
Die rRNA bildet die Ribosomen, also die zellulären Strukturen, auf denen die Proteinsynthese basiert.
Um mehr über RNA und ihre Funktionen zu erfahren, können die Leser hier klicken.
FUNKTIONSDETAILS MITOCHONDRIALER DNA
Aus funktionaler Sicht weist die mitochondriale DNA einige Besonderheiten auf, die sie deutlich von der nuklearen DNA unterscheiden.
Woraus bestehen diese besonderen Merkmale?
- Mitochondriale DNA ist in dem Sinne halbunabhängig, dass die Intervention einiger Proteine erforderlich ist, die aus nuklearer DNA synthetisiert werden.
Im Gegensatz dazu ist die Kern-DNA völlig autonom und produziert alles, was sie zur ordnungsgemäßen Ausführung ihrer Aufgaben benötigt.
- Mitochondriale DNA hat einen genetischen Code, der sich geringfügig von dem der Kern-DNA unterscheidet . Dies führt zu einer Reihe von Unterschieden bei der Realisierung von Proteinen: Wenn eine bestimmte Sequenz von Nukleotiden in der Kern-DNA zur Bildung eines bestimmten Proteins führt, führt dieselbe Sequenz in der mitochondrialen DNA zur Bildung eines leicht unterschiedlichen Proteins.
- Mitochondriale DNA hat sehr wenige nicht-kodierende Nukleotidsequenzen, das heißt, sie produzieren kein Protein, keine tRNA oder keine rRNA. In Prozent ausgedrückt sind nur 3% der mitochondrialen DNA nicht codierend.
Im Gegensatz dazu kodiert die Kern-DNA nur für 7% und enthält daher eine große Anzahl nicht kodierender Nukleotidsequenzen (93%).
Tabelle: Zusammenfassung der Unterschiede zwischen menschlicher Mitochondrien-DNA und menschlicher Kern-DNA. | |
Mitochondriale DNA | Kern-DNA |
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Erbschaft
Die Vererbung der mitochondrialen DNA erfolgt ausschließlich mütterlicherseits .
Dies bedeutet, dass bei einigen Eltern die Frau die mitochondriale DNA an die Nachkommen (dh die Kinder) überträgt.
In völlig entgegengesetzter Weise ist die Vererbung der Kern-DNA halb mütterlich und halb väterlich. Mit anderen Worten, beide Eltern tragen gleichermaßen zur Übertragung von Kern-DNA bei den Nachkommen bei.
Hinweis: Die mütterliche Vererbung der mitochondrialen DNA betrifft auch die mitochondriale Struktur. Somit befinden sich die Mitochondrien eines Individuums auf einem mütterlichen Schimmelpilz.
Assoziierte Pathologien
Voraussetzung: Eine genetische Mutation ist eine permanente Veränderung der Sequenz von Nukleotiden, die ein nukleares oder mitochondriales DNA-Gen bilden.
Im Allgemeinen führt das Vorhandensein einer genetischen Mutation zu einer Veränderung oder zum Verlust der normalen Funktion des beteiligten Gens.
Das Vorhandensein von Mutationen auf der Ebene mitochondrialer DNA-Gene kann ein breites Spektrum von Krankheiten bestimmen, darunter:
- Leber-erbliche Optikusneuropathie
- Kearns-Sayre-Syndrom
- Leigh-Syndrom
- Cytochrom C-Oxidase-Mangel
- Progressive äußere Ophthalmoplegie
- Pearson-Syndrom
- Mitochondriale Enzephalomyopathie mit Laktatazidose und Schlaganfall (MELAS-Syndrom)
- Diabetes mit mütterlicher Übertragung Taubheit
- Myoklonische Epilepsie mit unregelmäßigen roten Fasern
In Bezug auf die pathologischen Zustände, die mit einer oder mehreren mitochondrialen DNA-Mutationen verbunden sind, müssen zwei Aspekte spezifiziert werden.
Erstens hängt die Schwere des Krankheitszustands von der quantitativen Beziehung zwischen mutierter mitochondrialer DNA und gesunder, normaler mitochondrialer DNA ab. Wenn die Anzahl der mutierten mitochondrialen DNAs viel höher ist als die der gesunden DNA, ist der daraus resultierende Zustand schwerwiegender.
Zweitens betreffen Mutationen in der mitochondrialen DNA nur bestimmte Gewebe im Körper, insbesondere solche, die große Mengen an ATP benötigen, die aus dem Prozess der oxidativen Phosphorylierung resultieren. Dies ist durchaus verständlich: Die Zellen, die den größten Bedarf an der Funktion haben, die die mitochondriale DNA normalerweise erfüllt, sind am stärksten von einer gestörten mitochondrialen DNA betroffen.
ERBLICHE OPTISCHE NEUROPATHIE VON LEBER
Die hereditäre Optikusneuropathie von Leber entsteht durch die Mutation von bis zu vier mitochondrialen DNA-Genen. Diese Gene enthalten die Information, die zur Synthese des sogenannten Komplexes I (oder der NADH-Oxid-Reduktase) führt, eines der verschiedenen Enzyme, die am Prozess der oxidativen Phosphorylierung beteiligt sind.
Die Manifestationen der Pathologie bestehen in einer fortschreitenden Degeneration des Sehnervs und in einem allmählichen Verlust des Sehvermögens.
KEARNS-SAYRE-SYNDROM
Das Kearns-Sayre-Syndrom tritt auf, weil ein diskreter Teil der mitochondrialen DNA fehlt (Anmerkung: Das Fehlen einer bestimmten Nukleotidsequenz wird als Deletion bezeichnet ).
Betroffene des Kearns-Sayre-Syndroms entwickeln eine Ophthalmoplegie (dh vollständige oder teilweise Lähmung der Augenmuskulatur), eine Form von Retinopathie und Herzrhythmusstörungen (atrioventrikuläre Blockade).
LEIGH-SYNDROM
Das Leigh-Syndrom entsteht durch mitochondriale DNA-Mutationen, an denen das ATP-Synthase-Protein (auch als V-Komplex bezeichnet) und / oder einige tRNAs beteiligt sein können.
Das Leigh-Syndrom ist eine fortschreitende neurologische Erkrankung, die im Säuglings- oder Kindesalter auftritt und für folgende Ursachen verantwortlich ist: Entwicklungsverzögerung, Muskelschwäche, periphere Neuropathie, motorische Störungen, Atembeschwerden und Ophthalmoplegie.
DEFIZIT DER CYTOKROM-C-OXIDASE
Ein Cytochrom C-Oxidasemangel tritt aufgrund der Mutation von mindestens 3 mitochondrialen DNA-Genen auf. Diese Gene sind für die korrekte Synthese des Cytochrom-C-Oxidase-Enzyms (oder des Komplex-IV-Enzyms), das am Prozess der oxidativen Phosphorylierung beteiligt ist, von grundlegender Bedeutung.
Die typischen Manifestationen eines Cytochrom-C-Oxidase-Mangels bestehen aus: Skelettmuskel-Dysfunktion, Herz-Dysfunktion, Nieren-Dysfunktion und Leber-Dysfunktion.
PROGRESSIVE EXTERNE OPHTHALMOPHIE
Eine fortschreitende externe Ophthalmoplegie tritt auf, weil eine erhebliche Anzahl von mitochondrialen DNA-Nukleotiden fehlt (Deletion)
Diese Pathologie mit progressivem Charakter (wie Sie aus dem Namen ersehen können) führt zu einer Lähmung der Augenmuskulatur mit anschließender Ptosis und erheblichen Sehstörungen.
PEARSON-SYNDROM
Das Pearson-Syndrom tritt nach einer großen Deletion der mitochondrialen DNA auf, ähnlich wie die progressive externe Ophthalmoplegie und das Kearns-Sayre-Syndrom.
Die typischen Manifestationen des Pearson-Syndroms sind: sideroblastische Anämie, Pankreasfunktionsstörungen (zB insulinabhängiger Diabetes), neurologische Defizite und Muskelstörungen.
Im Allgemeinen führt das Pearson-Syndrom in jungen Jahren zum Tod des Betroffenen. Tatsächlich erreichen die von dieser Pathologie Betroffenen selten das Erwachsenenalter.
MELAS-SYNDROM
Das MELAS-Syndrom, auch bekannt als mitochondriale Enzephalomyopathie mit Laktatazidose und Schlaganfall-ähnlichen Episoden, tritt als Folge der Mutation von mindestens 5 mitochondrialen DNA-Genen auf.
Diese Gene tragen zur Synthese der NADH-Oxidreduktase oder des Komplexes I und einiger tRNAs bei.
Das MELAS-Syndrom beinhaltet neurologische Störungen, Muskelstörungen, ungewöhnliche Ansammlung von Milchsäure im Gewebe (mit allen daraus resultierenden Symptomen), Atemprobleme, Kontrollverlust der Darmfunktionen, wiederkehrende Müdigkeit, Nierenprobleme, Herzprobleme, Diabetes, Epilepsie und mangelnde Koordination.
ANDERE PATHOLOGIEN
Nach mehreren wissenschaftlichen Studien würden sogar Krankheiten wie zyklisches Erbrechen, Retinitis pigmentosa, Ataxie, Parkinson-Krankheit und Alzheimer-Krankheit mitochondriale DNA und einige damit verbundene Mutationen erkennen.
