DNA MITOKONDRIA: CIRI, FUNGSI, PEWARISAN, PENYAKIT - BIOLOGI - 2026

The DNA mitokondria adalah molekul DNA bulat kecil yang terletak di dalam organel ini dalam sel-sel eukariot. Genom kecil ini memberikan bilangan protein dan asid amino yang sangat terhad dalam mitokondria. Adalah umum untuk menemukan nama "DNA mitokondria" yang disingkat dalam banyak buku teks dan artikel ilmiah sebagai "mtDNA" atau dalam bahasa Inggeris "mtDNA".

Mitokondria adalah organel penting untuk sel eukariotik, kerana mereka bertanggungjawab mengubah tenaga dari makanan yang dimakan dalam bentuk gula menjadi bentuk tenaga yang dapat digunakan sel (ATP, misalnya).

DNA mitokondria (Sumber? Institut Penyelidikan Genom Manusia Nasional, melalui Wikimedia Commons)

Semua sel dalam organisma eukariotik mempunyai sekurang-kurangnya satu mitokondria di dalamnya. Walau bagaimanapun, terdapat sel seperti sel otot jantung dan sel otot rangka yang boleh mempunyai beratus-ratus mitokondria di dalamnya.

Mitokondria mempunyai alat sintesis protein mereka sendiri yang tidak bergantung pada radas sel, dengan ribosom, RNA pemindahan, dan transferase-sintetase RNA aminoasil dari bahagian dalam organel; walaupun RNA ribosom lebih kecil daripada sel yang menempatkannya.

Alat sedemikian menunjukkan persamaan yang sangat besar dengan alat sintesis protein bakteria. Selanjutnya, seperti pada prokariota, alat ini sangat sensitif terhadap antibiotik, tetapi sangat berbeza dengan sintesis protein dalam sel eukariotik.

Istilah "mitokondria" diperkenalkan oleh Benda pada akhir abad ke-12 dan teori "endosymbiosis" adalah yang paling banyak diterima mengenai asal usulnya. Ini diterbitkan pada tahun 1967 oleh Lynn Margulis, dalam Journal of Theoretical Biology.

Teori "endosymbiosis" meletakkan asal-usul mitokondria berjuta-juta tahun yang lalu. Ia berteori bahawa nenek moyang sel sel eukariotik "menyelimuti" dan memasukkan organisme seperti bakteria ke dalam metabolisme, yang kemudian menjadi apa yang sekarang kita kenal sebagai mitokondria.

ciri

Pada mamalia, umumnya seluruh genom yang terdiri daripada DNA mitokondria disusun dalam kromosom bulat 15,000 hingga 16,000 pasang nukleotida atau, yang sama, 15 hingga 16 Kb (kilobase).

Di dalam kebanyakan mitokondria, anda boleh mendapatkan banyak salinan kromosom mitokondria. Pada sel somatik manusia (sel bukan seks) adalah biasa untuk menemui sekurang-kurangnya 100 salinan kromosom mitokondria.

Pada tanaman yang lebih tinggi (angiosperma) DNA mitokondria biasanya jauh lebih besar, misalnya, pada tanaman jagung kromosom bulat DNA mitokondria dapat mengukur hingga 570 Kb.

DNA mitokondria menempati sekitar 1% daripada jumlah DNA sel somatik kebanyakan haiwan vertebrata. Ini adalah DNA yang sangat terpelihara di kerajaan binatang, bertentangan dengan yang diamati pada tanaman, di mana terdapat keragaman yang luas.

Dalam beberapa sel eukariotik "raksasa" seperti ovula (sel seks wanita) mamalia atau dalam sel yang mengandungi banyak mitokondria, DNA mitokondria dapat membentuk hingga 1/3 jumlah DNA selular.

DNA mitokondria mempunyai beberapa sifat yang berbeza daripada DNA nuklear: ia mempunyai ketumpatan dan nisbah pasangan guanin-sitosin (GC) dan pasangan asas adenin-timin (AT) yang berbeza.

Ketumpatan pasangan asas GC dalam DNA mitokondria adalah 1,68 g / cm3 dan kandungannya 21%; sementara dalam DNA nuklear ketumpatan ini adalah 1.68 g / cm3 dan kandungannya sekitar 40%.

ciri-ciri

DNA mitokondria mempunyai sekurang-kurangnya 37 gen yang penting untuk fungsi normal mitokondria. Dari jumlah itu, 37, 13 mempunyai maklumat untuk menghasilkan enzim yang terlibat dalam fosforilasi oksidatif.

13 gen ini mengekod 13 komponen polipeptida kompleks enzim yang tergolong dalam rantai pengangkutan elektron dan terletak di membran dalaman mitokondria.

Walaupun terdapat 13 polipeptida yang DNA mitokondria menyumbang kepada rantai pengangkutan elektron, ia terdiri daripada lebih daripada 100 polipeptida yang berbeza. Walau bagaimanapun, 13 komponen ini penting untuk fosforilasi oksidatif dan rantai pengangkutan elektron.

Skema DNA mitokondria (Sumber: Mikibc ~ commonswiki, melalui Wikimedia Commons)

Di antara 13 polipeptida yang disintesis dari DNA mitokondria, subunit I, II dan III kompleks sitokrom C oksidase dan subunit VI pam ATPase yang tertanam dalam membran dalaman organel menonjol.

Maklumat yang diperlukan untuk sintesis komponen lain yang membentuk mitokondria dikod oleh gen nuklear. Ini disintesis dalam sitoplasma seperti protein selular yang lain dan kemudian diimport ke mitokondria berkat isyarat tertentu.

Dalam fosforilasi oksidatif, atom oksigen dan gula seperti glukosa digunakan untuk sintesis atau pembentukan adenosin trifosfat (ATP), yang merupakan spesies kimia yang digunakan oleh semua sel sebagai sumber tenaga.

Gen mitokondria yang tersisa mempunyai arahan untuk mensintesis RNA pemindahan (tRNA), RNA ribosom, dan enzim aminoacyl-RNA transferase-synthetase (tRNA), yang diperlukan untuk sintesis protein dalam mitokondria.

Warisan

Sehingga relatif baru-baru ini, difikirkan bahawa DNA mitokondria ditularkan secara eksklusif melalui pewarisan ibu, iaitu dengan keturunan langsung dari ibu.

Walau bagaimanapun, sebuah artikel yang diterbitkan oleh Shiyu Luo dan rakan-rakannya dalam jurnal Prosiding Akademi Sains Nasional Amerika Syarikat (PNAS) pada Januari 2019, mendapati bahawa dalam kes yang jarang berlaku, DNA mitokondria dapat diwarisi dari kedua ibu bapa, kedua-duanya bapa seperti ibu.

Sebelum penerbitan artikel ini, adalah fakta bagi para saintis bahawa DNA kromosom dan mitokondria diwarisi secara utuh dari ayah dan ibu, masing-masing, kepada keturunan.

Pewarisan "utuh" gen kromosom Y gen mitokondria menyiratkan bahawa bahan genetik tersebut tidak mengalami perubahan dengan penggabungan semula dan, selama bertahun-tahun, hanya berbeza kerana mutasi spontan, sehingga variasinya cukup rendah .

Oleh kerana itu, kebanyakan kajian mobilisasi populasi dilakukan berdasarkan gen-gen ini, kerana, misalnya, mudah bagi ahli genetik untuk membina pohon keluarga menggunakan DNA mitokondria.

Sebilangan besar sejarah manusia telah direkonstruksi melalui sejarah genetik DNA mitokondria. Banyak rumah perniagaan bahkan menawarkan untuk menjelaskan ikatan keluarga setiap orang yang hidup dengan nenek moyang mereka melalui teknik yang mengkaji ciri-ciri ini.

Replikasi

Model pertama replikasi DNA mitokondria dicadangkan pada tahun 1972 oleh Vinograd dan kolaborator dan model ini masih berlaku, dengan beberapa perubahan. Secara amnya, model ini berdasarkan replikasi sehala yang bermula pada dua asal replikasi yang berbeza.

Para saintis mengklasifikasikan kromosom mitokondria menjadi dua rantai yang berbeza, rantai berat, H atau OH, dari bahasa Inggeris "berat" dan rantai ringan, L, atau OL dari bahasa Inggeris "cahaya." Ini dikenal pasti dan terletak di dua kerangka bacaan terbuka yang tidak ditugaskan (URF) pada kromosom mitokondria.

Replikasi genom mitokondria bermula pada rantai berat (OH) dan berterusan dalam satu arah sehingga panjang rantai cahaya (OL) dihasilkan. Selepas itu, protein yang disebut "protein mengikat DNA tunggal-mitokondria" dilekatkan untuk melindungi rantai yang berfungsi sebagai "induk" atau "templat."

Enzim yang bertanggungjawab untuk pemisahan untuk berlaku replikasi (replikakosom) melepasi jalur cahaya (OL) dan struktur gelung terbentuk yang menyekat pengikatan protein mengikat DNA helai tunggal mitokondria.

Dalam gelung ini polimerase RNA mitokondria mengikat dan sintesis primer baru bermula. Peralihan ke sintesis rantai berat (OH) berlaku 25 nukleotida kemudian.

Tepat pada masa peralihan ke rantai berat (OH), polimerase RNA mitokondria digantikan oleh polimerase DNA replikasi mitokondria pada akhir 3 ', di mana replikasi pada mulanya bermula.

Akhirnya, sintesis kedua-dua rantai, baik (OH) dan cahaya (OL) berterusan secara berterusan sehingga terbentuk dua molekul bulat lengkap DNA untai ganda (untai ganda).

Penyakit yang berkaitan

Terdapat banyak penyakit yang berkaitan dengan kerosakan DNA mitokondria. Sebilangan besar disebabkan oleh mutasi yang merosakkan urutan atau maklumat yang terdapat dalam genom.

Kehilangan pendengaran berbanding dengan peningkatan usia

Salah satu penyakit yang paling baik dikaji yang berkaitan secara langsung dengan perubahan dalam genom DNA mitokondria adalah kehilangan pendengaran kerana meningkatnya usia.

Keadaan ini adalah hasil dari faktor genetik, persekitaran, dan gaya hidup. Seiring bertambahnya usia, DNA mitokondria mengumpulkan mutasi berbahaya, seperti penghapusan, translokasi, inversi, dan banyak lagi.

Kerosakan DNA mitokondria disebabkan terutamanya oleh pengumpulan spesies oksigen reaktif, ini adalah hasil sampingan pengeluaran tenaga di mitokondria.

DNA mitokondria sangat rentan terhadap kerusakan, kerana tidak memiliki sistem pembaikan. Oleh itu, perubahan yang disebabkan oleh spesies oksigen reaktif merosakkan DNA mitokondria dan menyebabkan organel tidak berfungsi, menyebabkan kematian sel.

Sel-sel telinga dalam mempunyai permintaan tenaga yang tinggi. Permintaan ini menjadikan mereka sangat sensitif terhadap kerosakan DNA mitokondria. Kerosakan ini dapat mengubah fungsi telinga dalam secara tidak dapat dipulihkan, menyebabkan kehilangan pendengaran total.

Kanser

DNA mitokondria sangat sensitif terhadap mutasi somatik, mutasi yang tidak diwarisi daripada ibu bapa. Jenis mutasi ini berlaku dalam DNA beberapa sel sepanjang hidup seseorang.

Terdapat bukti yang mengaitkan perubahan DNA mitokondria yang disebabkan oleh mutasi somatik dengan jenis kanser tertentu, tumor pada kelenjar susu, di usus besar, di perut, di hati dan di buah pinggang.

Mutasi pada DNA mitokondria juga dikaitkan dengan barah darah seperti leukemia, dan limfoma (barah sel-sel sistem kekebalan tubuh).

Pakar mengaitkan mutasi somatik dalam DNA mitokondria dengan peningkatan pengeluaran spesies oksigen reaktif, faktor yang meningkatkan kerosakan DNA mitokondria dan mewujudkan kekurangan kawalan dalam pertumbuhan sel.

Tidak banyak yang diketahui mengenai bagaimana mutasi ini meningkatkan pembahagian sel yang tidak terkawal dan bagaimana mereka akhirnya berkembang sebagai tumor barah.

Sindrom muntah siklik

Beberapa kes muntah kitaran, khas pada masa kanak-kanak, dipercayai berkaitan dengan mutasi pada DNA mitokondria. Mutasi ini menyebabkan episod berulang mual, muntah, dan keletihan atau kelesuan.

Para saintis mengaitkan episod muntah ini dengan fakta bahawa mitokondria dengan DNA mitokondria yang rosak dapat mempengaruhi sel-sel tertentu sistem saraf autonomi, yang mempengaruhi fungsi seperti degup jantung, tekanan darah dan pencernaan.

Walaupun terdapat perkaitan ini, belum jelas bagaimana perubahan DNA mitokondria menyebabkan episod berulang sindrom muntah siklik.

Rujukan

1. Clayton, D. (2003). Replikasi DNA mitokondria: apa yang kita tahu. Kehidupan IUBMB, 55 (4-5), 213-217.
2. Falkenberg, M. (2018). Replikasi DNA mitokondria pada sel mamalia: gambaran keseluruhan jalan. Esei dalam biokimia, 62 (3), 287-296.
3. Giles, RE, Blanc, H., Cann, HM, & Wallace, DC (1980). Pewarisan ibu dari DNA mitokondria manusia. Prosiding Akademi Sains Nasional, 77 (11), 6715-6719
4. Luo, S., Valencia, CA, Zhang, J., Lee, NC, Slone, J., Gui, B, & Chen, SM (2019). Balas kepada Lutz-Bonengel et al.: Transmisi mtDNA biparental tidak mungkin hasil dari segmen DNA mitokondria nuklear. Prosiding Akademi Sains Nasional, 116 (6), 1823-1824.
5. McWilliams, TG, & Suomalainen, A. (2019). Nasib mitokondria ayah. Alam, 565 (7739), 296-297.
6. Perpustakaan Perubatan Nasional. Rujukan rumah genetik: panduan anda untuk memahami keadaan genetik.
7. Shadel, GS, & Clayton, DA (1997). Penyelenggaraan DNA mitokondria pada vertebrata. Kajian tahunan biokimia, 66 (1), 409-435.
8. Simmons, MJ, & Snustad, DP (2006). Prinsip genetik. John Wiley & Anak.