algemeenheid
Mitochondriaal DNA of mtDNA is het deoxyribonucleïnezuur dat zich in de mitochondria bevindt, dwz de organellen van eukaryotische cellen die verantwoordelijk zijn voor het zeer belangrijke cellulaire proces van oxidatieve fosforylering.
Het heeft echter ook enkele eigenaardigheden, zowel structureel als functioneel, waardoor het uniek is in zijn soort. Deze kenmerken omvatten: de circulariteit van de dubbele streng van nucleotiden, het gehalte aan genen (dat slechts 37 elementen is) en de bijna totale afwezigheid van niet-coderende nucleotidesequenties.
Mitochondriaal DNA speelt een fundamentele rol bij celoverleving: het produceert de enzymen die nodig zijn voor de realisatie van oxidatieve fosforylering.
Wat is mitochondriaal DNA?
Mitochondriaal DNA of mtDNA is het DNA in de mitochondriën .
Mitochondria zijn die grote cellulaire organellen, kenmerkend voor eukaryote organismen, die de chemische energie in voedsel omzetten in ATP, een vorm van energie die door cellen kan worden gebruikt.
HERINNERT AAN STRUCTUUR EN WERKING VAN MITOCHONDERS
Van tubulaire, filamenteuze of korrelige vorm verblijven de mitochondriën in het cytoplasma en nemen bijna 25% van het volume van de laatste in.
Ze hebben twee fosfolipide dubbellaagmembranen, één meer extern en één meer intern.
Het buitenste membraan, bekend als het buitenste mitochondriale membraan, vertegenwoordigt de omtrek van elke mitochondria en heeft transporteiwitten (porine en niet alleen), waardoor het permeabel is voor moleculen met een grootte gelijk aan of kleiner dan 5.000 dalton.
Het binnenste membraan, bekend als het binnenste mitochondriale membraan, bevat alle enzymatische componenten (of enzymen) en co-enzymcomponenten die nodig zijn voor ATP-synthese en begrenst een centrale ruimte, een matrix genaamd.
In tegenstelling tot de buitenste membraan heeft het binnenste mitochondriale membraan talrijke invaginaties - de zogenaamde toppen - die het totale oppervlak vergroten.
Tussen de twee mitochondriale membranen bevindt zich een ruimte van bijna 60-80 angström (A). Deze ruimte wordt intermembrane ruimte genoemd . De intermembrane ruimte heeft een samenstelling die erg lijkt op die van het cytoplasma.
De synthese van ATP, uitgevoerd door de mitochondria, is een zeer complex proces, dat biologen identificeren met de term oxidatieve fosforylatie .
ACCURATE MITOCHONDRIAL DNA LOCATIE EN HOEVEELHEID
Figuur: een menselijke mitochondriën.
Mitochondriaal DNA bevindt zich in de matrix van mitochondriën, dat wil zeggen in de ruimte begrensd door het binnenste mitochondriale membraan.
Gebaseerd op betrouwbare wetenschappelijke studies, kan elke mitochondriën van 2 tot 12 kopieën van mitochondriaal DNA bevatten.
Gezien het feit dat sommige cellen in het menselijk lichaam enkele duizenden mitochondria kunnen bevatten, kan het totale aantal mitochondriale DNA-kopieën in een enkele menselijke cel zelfs 20.000 eenheden bereiken.
Opmerking: het aantal mitochondria in menselijke cellen varieert afhankelijk van het celtype. Hepatocyten (dwz levercellen) kunnen bijvoorbeeld elk tussen de 1.000 en 2.000 mitochondriën bevatten, terwijl erytrocyten (rode bloedcellen) daar totaal geen vat op hebben.
structuur
De algemene structuur van een mitochondriaal DNA-molecuul lijkt op de algemene structuur van nucleair DNA, dat wil zeggen de genetische erfenis die aanwezig is in de kern van eukaryotische cellen.
In feite vergelijkbaar met nucleair DNA:
- Mitochondriaal DNA is een biopolymeer, bestaande uit twee lange strengen nucleotiden . Nucleotiden zijn organische moleculen, die het resultaat zijn van de vereniging van drie elementen: een suiker met 5 koolstofatomen (in het geval van DNA, deoxyribose ), een stikstofhoudende base en een fosfaatgroep .
- Elk nucleotide van het mitochondriale DNA bindt zich aan het volgende nucleotide van hetzelfde filament, door middel van een fosfodiesterbinding tussen het koolstofatoom 3 van zijn deoxyribose en de onmiddellijk daarop volgende nucleotide fosfaatgroep.
- De twee strengen mitochondriaal DNA hebben een tegenovergestelde oriëntatie, waarbij de kop van de ene in wisselwerking staat met het uiteinde van de andere en vice versa. Deze specifieke opstelling staat bekend als een antiparallelle opstelling (of antiparallelle oriëntatie ).
- De twee filamenten van het mitochondriale DNA reageren via de stikstofbasen met elkaar .
Specifiek stelt elke stikstofbasis van elk filament waterstofbindingen vast met één en slechts één stikstofhoudende base, aanwezig op het andere filament.
Dit type interactie wordt "paring tussen stikstofhoudende basen" of "paar stikstofhoudende basen" genoemd.
- De stikstofhoudende basen van mitochondriaal DNA zijn adenine, thymine, cytosine en guanine .
De paring waarmee deze stikstofhoudende basen worden opgewekt, is niet willekeurig, maar zeer specifiek: adenine interageert alleen met thymine, terwijl cytosine alleen met guanine werkt.
- Mitochondriaal DNA bevat genen (of gensequenties). Genen zijn sequenties van min of meer lange nucleotiden, met een goed gedefinieerde biologische betekenis. In de meeste gevallen veroorzaken ze eiwitten.
STRUCTURELE DETAILS VAN MITOCHONDRIAL DNA
Voorbij de bovengenoemde analogieën heeft menselijk mitochondriaal DNA een aantal structurele eigenaardigheden die het aanzienlijk onderscheiden van menselijk nucleair DNA.
Ten eerste is het een circulair molecuul, terwijl nucleair DNA een lineair molecuul is.
Het heeft dus 16.569 paren stikstofhoudende basen, terwijl het nucleaire DNA de schoonheid van 3, 3 miljard bezit.
Het bevat 37 genen, terwijl nucleair DNA tussen de 20.000 en 25.000 lijkt te bevatten.
Het is niet georganiseerd in chromosomen, terwijl nucleair DNA is verdeeld in maar liefst 23 chromosomen en vormen, met enkele specifieke eiwitten, een stof die chromatine wordt genoemd.
Ten slotte omvat het een reeks nucleotiden die tegelijkertijd aan twee genen deelnemen, terwijl nucleair DNA genen heeft waarvan de nucleotidesequenties duidelijk zijn gedefinieerd en van elkaar verschillen.
oorsprong
Het is zeer waarschijnlijk dat mitochondriaal DNA een bacteriële oorsprong heeft .
Inderdaad, op basis van talrijke onafhankelijke studies, geloven moleculair biologen dat de cellulaire aanwezigheid van mitochondriaal DNA het resultaat is van de opname, door voorouderlijke eukaryote cellen, van onafhankelijke bacteriële organismen, zeer vergelijkbaar met mitochondriën.
Deze merkwaardige ontdekking heeft de wetenschappelijke gemeenschap slechts gedeeltelijk verbaasd, aangezien het in bacteriën aanwezige DNA in het algemeen een filament van circulaire nucleotiden is, zoals mitochondriaal DNA.
De theorie dat mitochondriën en mitochondriaal DNA een bacteriële oorsprong zouden hebben, wordt " endosymbiotische theorie " genoemd, van het woord " endosymbiose ". Kort samengevat, in de biologie, duidt de term "endosymbiose" op een samenwerking tussen twee organismen, wat de incorporatie van de een in de ander inhoudt, om een bepaald voordeel te verkrijgen.
nieuwsgierigheid
Volgens betrouwbare wetenschappelijke studies zouden in de loop van de evolutie veel bacteriële genen, aanwezig op het toekomstige mitochondriale DNA, van plaats zijn veranderd en zich verplaatsen naar nucleair DNA.
Met andere woorden, aan het begin van endosymbiose verbleven sommige genen die nu aanwezig zijn op nucleair DNA in het DNA van die bacteriële organismen, die dan mitochondriën zouden worden.
De theorie dat bepaalde genen afkomstig zijn van mitochondriaal DNA, in sommige soorten en van nucleair DNA, in andere, bevestigt de theorie van een genverschuiving tussen mitochondriaal DNA en nucleair DNA.
functie
Mitochondriaal DNA produceert enzymen (dwz eiwitten), noodzakelijk voor de juiste realisatie van het delicate proces van oxidatieve fosforylatie.
De instructies voor de synthese van deze enzymen bevinden zich in de 37 genen die het genoom van mitochondriaal DNA vormen.
WAT DE GEN VAN MITOCHONDRIAL DNA-CODES: DE DETAILS
De 37 genen van mitochondriaal DNA coderen voor: eiwitten, tRNA en rRNA.
Concreet:
- 13 code voor 13 eiwitten die verantwoordelijk zijn voor het uitvoeren van oxidatieve fosforylering
- 22 coderen voor 22 moleculen van tRNA
- 2 coderen voor 2 moleculen van rRNA
De tRNA- en rRNA-moleculen zijn fundamenteel voor de synthese van de bovengenoemde 13 eiwitten, omdat ze de machine vormen die hun productie reguleert.
Met andere woorden, het mitochondriale DNA heeft de informatie om een bepaald aantal eiwitten te produceren en de instrumenten die nodig zijn voor de synthese van het laatste.
Wat zijn RNA, tRNA en rRNA?
RNA, of ribonucleïnezuur, is het nucleïnezuur dat een fundamentele rol speelt bij het genereren van eiwitten, uitgaande van DNA.
In het algemeen kan enkelstrengig RNA bestaan in verschillende vormen (of typen), afhankelijk van de specifieke functie waarvoor het een plaatsvervanger is.
TRNA en rRNA zijn twee van deze mogelijke vormen.
TRNA wordt gebruikt voor de toevoeging van aminozuren, tijdens het proces van het maken van eiwitten. Aminozuren zijn de moleculaire eenheden waaruit eiwitten bestaan.
Het rRNA vormt de ribosomen, dat wil zeggen de cellulaire structuren waarin de eiwitsynthese is gebaseerd.
Voor meer informatie over RNA en zijn functies kunnen lezers hier klikken.
FUNCTIONELE DETAILS VAN MITOCHONDRIAL DNA
Vanuit functioneel oogpunt heeft mitochondriaal DNA een aantal bijzondere kenmerken die het duidelijk onderscheiden van nucleair DNA.
Dit zijn de kenmerken van deze specifieke functies:
- Mitochondriaal DNA is semi-onafhankelijk in de zin dat het de interventie nodig heeft van enkele eiwitten die zijn gesynthetiseerd uit nucleair DNA.
Daarentegen is nucleair DNA volledig autonoom en produceert het alles wat het nodig heeft om zijn taken naar behoren uit te voeren.
- Mitochondriaal DNA heeft een genetische code die enigszins verschilt van die van nucleair DNA . Dit leidt tot een aantal verschillen in de realisatie van eiwitten: als een bepaalde sequentie van nucleotiden in het nucleaire DNA leidt tot de aanmaak van een bepaald eiwit, leidt dezelfde sequentie in het mitochondriale DNA tot de vorming van een enigszins ander eiwit.
- Mitochondriaal DNA heeft zeer weinig niet-coderende nucleotidensequenties, dat wil zeggen, die geen enkel eiwit, tRNA of rRNA produceren. In procentuele termen is slechts 3% van het mitochondriale DNA niet-coderend.
Daarentegen codeert nucleair DNA slechts voor 7%, dus het bevat een groot aantal niet-coderende nucleotidesequenties (93%).
Tabel: samenvatting van de verschillen tussen menselijk mitochondriaal DNA en menselijk nucleair DNA. | |
Mitochondriaal DNA | Nucleair DNA |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
erfenis
De overerving van mitochondriaal DNA is strikt maternaal .
Dit betekent dat het bij een paar ouders de vrouw is die mitochondriaal DNA naar het nageslacht (de kinderen) stuurt.
In tegenstelling tot het bovenstaande is de overerving van nucleair DNA, half, moederlijk en half vaderlijk. Met andere woorden, beide ouders dragen op dezelfde manier bij tot de overdracht van nucleair DNA in het nageslacht.
Opmerking: de maternale overerving van mitochondriaal DNA omvat ook de mitochondriale structuur. De mitochondria die in een individu aanwezig zijn, bevinden zich dus in de vorm van een moeder.
Geassocieerde pathologieën
Uitgangspunt: een genetische mutatie is een permanente verandering in de sequentie van nucleotiden, die een nucleair of mitochondriaal DNA-gen vormen.
Over het algemeen leidt de aanwezigheid van een genetische mutatie tot een wijziging of verlies van de normale functie van het betrokken gen.
De aanwezigheid van mutaties op het niveau van mitochondriale DNA-genen kan een breed scala aan ziekten bepalen, waaronder:
- Leber's erfelijke optische neuropathie
- Kearns-Sayre-syndroom
- Leigh-syndroom
- Cytochroom C-oxidasedeficiëntie
- Progressieve externe oftalmoplegie
- Pearson-syndroom
- Mitochondriale encefalomyopathie met lactaatacidose en beroerte-achtige episodes (MELAS-syndroom)
- Diabetes met doofheid bij moederlijke overdracht
- Myoclonische epilepsie met onregelmatige rode vezels
Met betrekking tot de pathologische aandoeningen die zijn gekoppeld aan een of meer mitochondriale DNA-mutaties, moeten twee aspecten worden gespecificeerd.
Ten eerste hangt de ernst van de morbide toestand af van de kwantitatieve relatie tussen gemuteerd mitochondriaal DNA en gezond, normaal mitochondriaal DNA. Als het aantal gemuteerde mitochondriale DNA veel hoger is dan dat van gezond DNA, zal de resulterende aandoening ernstiger zijn.
Ten tweede beïnvloeden mutaties in mitochondriaal DNA alleen bepaalde weefsels in het lichaam, in het bijzonder die welke grote hoeveelheden ATP nodig hebben als gevolg van het proces van oxidatieve fosforylering. Dit is heel begrijpelijk: de cellen die de grootste behoefte hebben aan de functie waaraan het mitochondriale DNA normaal werkt, worden het meest beïnvloed door een slecht functionerend mitochondriaal DNA.
HERITITARY OPTICAL NEUROPATHY OF LEBER
Leber's erfelijke optische neuropathie ontstaat als gevolg van de mutatie van maar liefst vier mitochondriale DNA-genen. Deze genen bevatten de informatie die leidt tot de synthese van het zogenaamde complex I (of NADH-oxidereductase), een van de verschillende enzymen die betrokken zijn bij het proces van oxidatieve fosforylering.
De manifestaties van de pathologie bestaan uit een voortschrijdende degeneratie van de oogzenuw en een geleidelijk verlies van gezichtsvermogen.
KEARNS-SAYRE SYNDROME
Kearns-Sayre-syndroom lijkt te wijten aan het ontbreken van een afzonderlijk deel van mitochondriaal DNA (NB: het ontbreken van een bepaalde nucleotidesequentie wordt deletie genoemd ).
Patiënten met het syndroom van Kearns-Sayre ontwikkelen oftalmoplegie (dat wil zeggen totale of gedeeltelijke verlamming van de oculomotorische spieren), een vorm van retinopathie en een abnormaal hartritme (atrioventriculair blok).
LEIGH SYNDROME
Leigh-syndroom ontstaat als gevolg van mitochondriale DNA-mutaties, waarbij het ATP-synthase-eiwit (ook wel het V-complex) en / of sommige tRNA's kan worden betrokken.
Leigh-syndroom is een progressieve neurologische ziekte die optreedt tijdens de kindertijd of de kindertijd en die verantwoordelijk is voor: ontwikkelingsachterstand, spierzwakte, perifere neuropathie, motorische stoornissen, ademhalingsmoeilijkheden en oftalmoplegie.
TEKORT VAN CYTOKROME C OXIDASE
Cytochroom C-oxidasedeficiëntie lijkt het gevolg van de mutatie van ten minste 3 mitochondriale DNA-genen. Deze genen zijn fundamenteel voor de correcte synthese van het cytochrome C oxidase (of complex IV) enzym dat betrokken is bij het proces van oxidatieve fosforylering.
De typische manifestaties van cytochroom C-oxidasedeficiëntie bestaan uit: skeletspierstoornissen, hartstoornissen, nierdisfunctie en leverdisfunctie.
PROGRESSIEVE EXTERNE OPHTHALMIE
Progressieve externe oftalmoplegie treedt op vanwege het ontbreken van een aanzienlijk aantal mitochondriale DNA-nucleotiden (schrapping)
Met een progressief karakter (zoals je uit de naam kunt raden) veroorzaakt deze pathologie een verlamming van de oculomotorische spieren, met als gevolg ptosis en aanzienlijke visuele problemen.
PEARSON SYNDROME
Pearson-syndroom verschijnt na een grote deletie van mitochondriaal DNA, vergelijkbaar met progressieve externe oftalmoplegie en het Kearns-Sayre-syndroom.
De typische manifestaties van het Pearson-syndroom bestaan uit: sideroblastische anemie, pancreasdisfuncties (bijv. Insulineafhankelijke diabetes), neurologische gebreken en spieraandoeningen.
In het algemeen veroorzaakt Pearson-syndroom de dood van het individu op jonge leeftijd. In feite bereiken degenen die door deze pathologie worden getroffen, zelden de volwassenheid.
MELAS SYNDROME
Het MELAS-syndroom, ook bekend als mitochondriale encefalomyopathie met lactaatacidose en beroerte-achtige episodes, treedt op als een resultaat van de mutatie van ten minste 5 mitochondriale DNA-genen.
Deze genen dragen bij aan de synthese van NADH-oxide-reductase, of complex I, en van sommige tRNA's.
Het MELAS-syndroom omvat de aanwezigheid van neurologische aandoeningen, spieraandoeningen, ongebruikelijke ophoping van melkzuur in de weefsels (met alle daaruit voortvloeiende symptomen), ademhalingsproblemen, verlies van controle over de darmfuncties, terugkerende vermoeidheid, nierproblemen, hartproblemen, diabetes, epilepsie en gebrek aan coördinatie.
ANDERE PATHOLOGIEËN
Volgens verschillende wetenschappelijke studies zouden zelfs ziekten zoals het cyclische braaksel syndroom, retinitis pigmentosa, ataxie, de ziekte van Parkinson en de ziekte van Alzheimer mitochondriaal DNA en een aantal mutaties bevatten.
