DNA מיטוכונדריאלי

כְּלָלִיוּת

DNA מיטוכונדריאלי, או mtDNA, היא החומצה הדאוקסיריבונוקלאית השוכנת בתוך המיטוכונדריה, כלומר האברונים של תאים אוקריוטים האחראים לתהליך הסלולר החשוב ביותר של זרחון חמצוני.

ל- DNA המיטוכונדרי יש כמה קווי דמיון עם DNA גרעיני, כגון נוקלאוטידים דו-גדילים, הרכב מבחינת בסיסים חנקניים, נוכחות גנים וכו '.
עם זאת, יש לו גם כמה מוזרויות, מבניות ופונקציונליות כאחד, שהופכות אותו לייחודי במינו. תכונות אלה כוללות: המעגליות של הגדיל הכפול של הנוקלאוטידים, תוכן הגנים (שהם 37 יסודות בלבד) והעדר כמעט מוחלט של רצפי נוקלאוטיד שאינם מקודדים.
ה- DNA המיטוכונדריאלי ממלא תפקיד בסיסי להישרדות התאים: הוא מייצר את האנזימים הדרושים למימוש זרחון חמצוני.

מהו DNA מיטוכונדריאלי?

DNA מיטוכונדריאלי, או mtDNA, הוא ה- DNA הממוקם בתוך המיטוכונדריה.
המיטוכונדריה הם אותם אברונים סלולריים גדולים, האופייניים לאורגניזמים אוקריוטים, הממירים את האנרגיה הכימית הכלולה במזון ל- ATP, שהיא צורה של אנרגיה שניתן לנצל על ידי תאים.

רקע על המבנה והתפקוד של המיטוכונדרונים

בצורת צינורות, נימים או גרגירים, המיטוכונדריה שוכנות בציטופלזמה, ותופסות כמעט 25% מהנפח של האחרון.
יש להם שתי קרום פוספוליפיד דו שכבתי, אחת נוספת חיצונית ועוד אחת פנימית.
הממברנה החיצונית ביותר, המכונה הממברנה המיטוכונדרית החיצונית, מייצגת את ההיקף של כל מיטוכונדריון ויש לה חלבוני הובלה (פורנינים ועוד), מה שהופך אותה לחדירה למולקולות בגודל שווה או פחות מ -5,000 דלטון.
הקרום הפנימי ביותר, המכונה קרום המיטוכונדריה הפנימית, מכיל את כל מרכיבי האנזימים (או האנזימטיים) והקואנזים, הדרושים לסינתזת ATP, ומגדיר מרחב מרכזי, הנקרא מטריקס.
שלא כמו הממברנה החיצונית ביותר, לקרום המיטוכונדריה הפנימי יש פליטות רבות - מה שנקרא רכסים - שמגדילות את שטח השטח הכולל שלו.
בין שתי הממברנות המיטוכונדריות, ישנו שטח של כמעט 60-80 אנגסטרום (A).חלל זה נקרא מרחב בין -ממברני. לחלל הבין -ממברני יש הרכב הדומה מאוד לזה של הציטופלזמה.
הסינתזה של ATP, המופעלת על ידי המיטוכונדריה, היא תהליך מורכב מאוד, אשר ביולוגים מזהים עם המונח זרחון חמצוני.

מיקום מדויק של ה- DNA המיטוכונדרי וכמותו

איור: מיטוכונדריון אנושי.

ה- DNA המיטוכונדריאלי שוכן במטריצת המיטוכונדריה, כלומר בחלל התוחם על ידי הקרום המיטוכונדריאלי הפנימי.

על פי מחקרים מדעיים אמינים, כל מיטוכונדריון יכול להכיל 2 עד 12 עותקים של ה- DNA המיטוכונדריאלי.
בהתחשב בעובדה שבגוף האדם, חלק מהתאים יכולים להכיל בתוכם כמה אלפי מיטוכונדריה, המספר הכולל של העתקים של ה- DNA המיטוכונדריאלי בתא אנושי בודד יכול להגיע לכדי 20,000 יחידות.

שימו לב: מספר המיטוכונדריה בתאים אנושיים משתנה בהתאם לסוג התא. לדוגמה, הפטוציטים (כלומר תאי כבד) יכולים להכיל בין 1,000 ל -2,000 מיטוכונדריה כל אחד ואילו אריתרוציטים (כלומר תאי דם אדומים) נטולי אותם לחלוטין.

מִבְנֶה

המבנה הכללי של מולקולת DNA מיטוכונדריאלית דומה למבנה הכללי של ה- DNA הגרעיני, כלומר המורשת הגנטית הקיימת בתוך גרעין התאים האוקריוטיים.
אכן, באופן מקביל ל- DNA גרעיני:

• DNA מיטוכונדריאלי הוא ביופולימר, המורכב משני גדילים ארוכים של נוקלאוטידים. נוקלאוטידים הם מולקולות אורגניות, הנובעות מאיחוד של שלושה יסודות: סוכר בעל 5 אטומי פחמן (במקרה של DNA, דוקסיריבוז), בסיס חנקני וקבוצת פוספט.
• כל נוקלאוטיד של הדנ"א המיטוכונדריאלי נקשר לנוקלאוטיד הבא של אותה גדילה באמצעות קשר פוספודיאסטר בין הפחמן 3 של הדאוקסיריבוזה שלו לבין קבוצת הפוספטים של הנוקלאוטיד העוקב מיד.
• לשני הגדילים של ה- DNA המיטוכונדריאלי יש אוריינטציות הפוכות, כאשר קצהו של אחד מתקשר עם קצהו של השני ולהיפך. הסידור המסוים הזה ידוע כסידור אנטי -מקביל (או כיוון אנטי -מקביל).
• שני קווצות ה- DNA המיטוכונדריאלי מתקיימות ביניהן באמצעות הבסיסים החנקניים.
  באופן ספציפי, כל בסיס חנקני של כל נימה יוצר קשרי מימן עם בסיס חנקני אחד ויחיד, המצוי על הנימה השנייה.
  סוג זה של אינטראקציה נקרא "זיווג בין בסיסים חנקניים" או "זוג בסיסים חנקניים".
• הבסיסים החנקניים של ה- DNA המיטוכונדריאלי הם אדנין, תימין, ציטוזין וגואנין.
  הזוגיות שאליה יוצרים בסיסים חנקניים אלה אינם אקראיים, אלא ספציפיים ביותר: אדנין מתקיים רק עם תימין, בעוד שציטוזין מתקשר רק עם גואנין.
• ה- DNA המיטוכונדריאלי הוא ביתם של גנים (או רצפי גנים). גנים הם רצפים של נוקלאוטידים ארוכים פחות או יותר, בעלי משמעות ביולוגית מוגדרת היטב. ברוב המקרים הם מעוררים חלבונים.

פרטים מבניים של DNA MITOCHONDRAL

מעבר לאנלוגיות האמורות, ל- DNA המיטוכונדריאלי האנושי יש כמה מוזרויות מבניות, המבדילות אותו במידה ניכרת מה- DNA הגרעיני האנושי.
ראשית, זוהי מולקולה מעגלית, בעוד ש- DNA גרעיני הוא מולקולה לינארית.
לפיכך, יש לו 16,569 זוגות בסיס חנקניים, בעוד של- DNA גרעיני יש 3.3 מיליארד עצום.
הוא מכיל 37 גנים, בעוד שנראה כי ה- DNA הגרעיני מכיל בין 20,000 ל -25,000.
הוא אינו מאורגן בכרומוזומים, בעוד ש- DNA גרעיני מחולק ל -23 כרומוזומים ויוצר, עם כמה חלבונים ספציפיים, חומר הנקרא כרומטין.
לבסוף, הוא כולל סדרה של נוקלאוטידים המשתתפים בשני גנים בו זמנית, בעוד שב- DNA הגרעיני יש גנים שרצפי הנוקלאוטיד שלהם מוגדרים היטב ונבדלים זה מזה.

מָקוֹר

סביר להניח שמקור ה- DNA המיטוכונדריאלי הוא "חיידקי".
למעשה, על בסיס מחקרים עצמאיים רבים, ביולוגים מולקולריים מאמינים שנוכחותו התאית של ה- DNA המיטוכונדריאלי היא תוצאה של שילובם של תאים אוקריוטיים של אבות אבות, של אורגניזמים חיידקיים עצמאיים, הדומים מאוד למיטוכונדריה.
תגלית מוזרה זו הדהימה רק באופן חלקי את הקהילה המדעית, שכן הדנ"א הקיים בחיידקים הוא בדרך כלל קווצת נוקלאוטיד מעגלי, בדומה לדנ"א המיטוכונדריאלי.
התיאוריה לפיה למיטוכונדריה ול- DNA המיטוכונדריאלי יש "מקור חיידקי" לוקחת את השם "תיאוריה אנדו -סימביוטית", מהמילה "אנדו -סימביוזה". בקצרה, בביולוגיה, המונח "אנדו -סימביוזה" מצביע על שיתוף פעולה בין שני אורגניזמים, הכולל את "שילוב של אחד בשני, כדי להשיג יתרון מסוים.

סַקרָנוּת
על פי מחקרים מדעיים אמינים, במהלך ההתפתחות גנים חיידקיים רבים, הנמצאים על ה- DNA המיטוכונדריאלי העתידי, היו משנים את המיקום, ועוברים ל- DNA גרעיני.
במילים אחרות, בתחילת האנדוזימביוזיס, כמה גנים הקיימים כעת ב- DNA גרעיני התגוררו ב- DNA של אותם אורגניזמים חיידקיים, שיהפכו מאוחר יותר למיטוכונדריה.
כדי לתמוך בתיאוריה הנוגעת לשינוי גנים בין DNA מיטוכונדריאלי ל- DNA גרעיני, היא התצפית שגנים מסוימים נובעים מ- DNA המיטוכונדריאלי, במינים מסוימים, ומ- DNA גרעיני, באחרים.

פוּנקצִיָה

הדנ"א המיטוכונדרי מייצר אנזימים (כלומר חלבונים), הנחוצים ליישום נכון של תהליך הזרחון החמצוני העדין.
ההוראות לסינתזת אנזימים אלה נמצאות ב -37 הגנים המרכיבים את הגנום של ה- DNA המיטוכונדריאלי.

איזה קוד גנים של DNA MITOCHONDRAL: הפרטים

37 הגנים של קוד ה- DNA המיטוכונדריאלי עבור: חלבונים, tRNA ו- rRNA.
באופן מיוחד:

• 13 מקודדים 13 חלבונים האחראים לביצוע זרחון חמצוני
• קוד 22 ל -22 מולקולות tRNA
• 2 מקודדים 2 מולקולות rRNA

המולקולות של tRNA ו- rRNA הן בסיסיות לסינתזה של 13 החלבונים הנ"ל, מכיוון שהם מהווים את המנגנון המסדיר את ייצורם.
אז במילים אחרות, ה- DNA המיטוכונדריאלי מחזיק במידע כדי לייצר קבוצה מסוימת של חלבונים והכלים הדרושים לסינתזה שלהם.

מה הם RNA, tRNA ו- rRNA?
RNA, או חומצה ריבונוקלאית, היא חומצת הגרעין שממלאת תפקיד בסיסי ביצירת החלבונים, החל מ- DNA.
בדרך כלל חד-גדילי, ה- ANN יכול להתקיים בצורות (או סוגים) שונים, בהתאם לפונקציה הספציפית שאליה היא מופנית.
TRNA ו- rRNA הן שתי צורות אפשריות אלה.
ה- tRNA משמש להוספת חומצות אמינו במהלך תהליך ייצור החלבונים. חומצות אמינו הן היחידות המולקולריות המרכיבות חלבונים.
ה- rRNA יוצר את הריבוזומים, כלומר המבנים הסלולריים בהם מתבצעת סינתזה של חלבונים.
כדי לדעת בפירוט את ה- ANN ותפקודיו, הקוראים יכולים ללחוץ כאן.

פרטים פונקציונאליים של ה- DNA המיטוכונדרלי

מנקודת מבט פונקציונלית, ל- DNA המיטוכונדריאלי יש כמה מאפיינים מוזרים המבדילים אותו בבירור מה- DNA הגרעיני.
הנה מה שמאפיינים מוזרים אלה מורכבים:

• ה- DNA המיטוכונדריאלי הוא עצמאי למחצה, במובן זה שהוא זקוק להתערבות של כמה חלבונים המסונתזים מ- DNA גרעיני.
  מצד שני, ה- DNA הגרעיני הוא אוטונומי לחלוטין ומייצר מעצמו את כל מה שהוא צריך כדי לבצע את משימותיו כראוי.
• ל- DNA המיטוכונדרי יש קוד גנטי מעט שונה מזה של ה- DNA הגרעיני. זה מוביל למספר הבדלים בייצור חלבונים: אם רצף מסוים של נוקלאוטידים ב- DNA גרעיני מוביל ליצירת חלבון מסוים, אותו רצף ב- DNA המיטוכונדריאלי מוביל ליצירת חלבון מעט שונה.
• ל- DNA המיטוכונדרי יש מעט מאוד רצפי נוקלאוטיד שאינם מקודדים, כלומר, הם אינם מייצרים חלבונים, tRNA או rRNA. באחוזים, רק 3% מה- DNA המיטוכונדריאלי אינו מקודד.
  מצד שני, DNA גרעיני הוא רק 7% קידוד, ולכן הוא מכיל הרבה רצפי נוקלאוטיד לא מקודדים (עד 93%).

טבלה: סיכום ההבדלים בין ה- DNA המיטוכונדריאלי האנושי לבין ה- DNA הגרעיני האנושי.

DNA מיטוכונדריאלי

DNA גרעיני

• זה מעגלי

• זה לינארי

• יש לו 16,569 זוגות בסיס חנקניים בסך הכל

• יש לו בסך הכל 3.3 מיליארד זוגות בסיס חנקניים

• הוא מכיל 37 גנים בסך הכל

• הוא מכיל בין 20,000 ל -25,000 גנים

• כדי לתפקד כראוי הוא זקוק לתמיכה של כמה מוצרי גנים, הנובעים מ- DNA גרעיני

• היא אוטונומית ומייצרת מעצמה את כל הדרוש לה כדי לבצע את תפקידיה כראוי

• זה יכול להיות קיים במספר עותקים בתוך כל מיטוכונדריון בודד

• הוא ייחודי, כלומר, הוא נמצא בהעתק אחד בלבד, והוא שוכן בליבה

• 97% מרצף הנוקלאוטידים המרכיבים אותו הוא קידוד

• רק 7% מרצף הנוקלאוטידים המרכיבים אותו מקודד

• הוא אינו מאורגן לכרומוזומים

• הוא מחולק ל -23 כרומוזומים

• הוא משתמש בקוד גנטי מעט שונה מזה, כביכול, "מסורתי"

• השתמש בקוד הגנטי "המסורתי"

• הירושה שלה היא אימהית

• הירושה שלה היא חצי אימאית וחצי אבהית

• חלק מהנוקלאוטידים שלו משתתפים בשני גנים בו זמנית

• רצפי הנוקלאוטידים המרכיבים את הגנים נבדלים זה מזה היטב

יְרוּשָׁה

תורשת הדנ"א המיטוכונדרית היא אימהית בלבד.
המשמעות היא שבזוג הורים האישה היא שמעבירה את הדנ"א המיטוכונדריאלי לצאצאים (כלומר לילדים).
באופן הפוך לחלוטין לאמור לעיל, תורשת הדנ"א הגרעינית היא חצי אימהית וחצי אבהית. במילים אחרות, שני ההורים תורמים באופן שווה להעברת ה- DNA הגרעיני בצאצאים.
שימו לב: ירושה אימהית של ה- DNA המיטוכונדריאלי כוללת גם את המבנה המיטוכונדריאלי. מכאן שהמיטוכונדריה שיש באדם הן אימהיות.

פתולוגיות קשורות

הַנָחַת יְסוֹד: מוטציה גנטית היא שינוי קבוע ברצף הנוקלאוטידים, המרכיבים גן DNA גרעיני או מיטוכונדריאלי.
בדרך כלל נוכחות של מוטציה גנטית גורמת לשינוי או אובדן תפקוד תקין של הגן המעורב.
הימצאות מוטציות בגנים של הדנ"א המיטוכונדריאלי יכולה להוביל למגוון רחב של מחלות, כולל:

• נוירופתיה אופטית תורשתית של לבר
• תסמונת Kearns-Sayre
• תסמונת ליי
• המחסור באוקסידאז של ציטוכרום C
• אופטלמופלגיה חיצונית מתקדמת
• תסמונת פירסון
• אנצפלומיופתיה מיטוכונדרית עם חמצת לקטית ואפיזודות דמויי שבץ (תסמונת MELAS)
• סוכרת עם חירשות המועברת באימהות
• אפילפסיה מיוקלונית עם סיבים אדומים לא סדירים

לגבי התנאים הפתולוגיים הקשורים למוטציה אחת או יותר של DNA מיטוכונדריאלי, יש להבהיר שני היבטים.
ראשית, חומרת המחלה תלויה במערכת היחסים הכמותית בין דנ"א מיטוכונדריאלי מוטציה לבין דנ"א מיטוכונדריאלי בריא ותקין. אם מספר ה- DNA המיטוכונדריאלי המוטה גדול בהרבה מזה של ה- DNA הבריא, המצב שיתקבל יהיה חמור יותר.
שנית, מוטציות בדנ"א המיטוכונדריאלי משפיעות רק על רקמות מסוימות של האורגניזם, בפרט אלו הדורשות כמויות גדולות של ATP הנובעות מתהליך הזרחון החמצוני. זה די מובן: כדי לסבול יותר מתקלה אחת של ה- DNA המיטוכונדריאלי הם התאים הדרושים ביותר. הפונקציה ש- DNA המיטוכונדריה ממלאת בדרך כלל.

הנוירולוגיה האופטית התורשתית של לבר

נוירופתיה אופטית תורשתית של לבר מתעוררת כתוצאה ממוטציה של עד ארבעה גנים של DNA מיטוכונדריאלי. גנים אלה מכילים את המידע המוביל לסינתזה של מה שמכונה מורכב I (או NADH תחמוצת-רדוקטאז), אחד האנזימים השונים המעורבים בתהליך הזרחון החמצוני.
ביטויי הפתולוגיה מורכבים בניוון פרוגרסיבי של עצב הראיה ואובדן הדרגתי של הראייה.

סינדרום KEARNS-SAYRE

תסמונת Kearns-Sayre מופיעה בשל היעדר כמות לא מבוטלת של ה- DNA המיטוכונדריאלי (N.B: היעדר רצף נוקלאוטיד מסוים נקרא מחיקה).
אנשים הסובלים מתסמונת Kearns-Sayre מפתחים אופטלמופלגיה (שיתוק מוחלט או חלקי של השרירים האוקולומוטוריים), צורה של רטינופתיה וחריגות בקצב הלב (בלוק אטריובנטריקולרי).

התסריט של לייג

תסמונת ליי מתעוררת כתוצאה ממוטציות DNA מיטוכונדריאליות, שיכולות להשפיע על חלבון ה- ATP-synthase (נקרא גם קומפלקס V) ו / או כמה tRNA.
תסמונת ליי היא מחלה נוירולוגית מתקדמת, המופיעה בינקות או בילדות ואחראית על: עיכוב התפתחותי, חולשת שרירים, נוירופתיה היקפית, הפרעות מוטוריות, קשיי נשימה ועיניים.

מחסור ב- CYTOCHROME C OXIDASE

מחסור בציטוכרום C אוקסידאז מתרחש עקב מוטציה של לפחות 3 גנים של DNA מיטוכונדריאלי. גנים אלה חיוניים לסינתזה הנכונה של האנזים ציטוכרום C אוקסידאז (או מורכב IV), המעורב בתהליך הזרחון החמצוני.
ביטויים אופייניים לחוסר באוקסידאז של ציטוכרום C מורכבים מ: תפקוד לקוי של שרירי השלד, תפקוד לקוי של הלב, תפקוד כלייתי ותפקוד לקוי של הכבד.

אופתלמופיה חיצונית פרוגרסיבית

אופטלמופלגיה חיצונית מתקדמת נובעת מהיעדר מספר ניכר של נוקלאוטידים DNA מיטוכונדריאליים (מחיקה)
עם אופי מתקדם (כפי שניתן לנחש מהשם), פתולוגיה זו גורמת לשיתוק של השרירים האוקולומוטוריים, עם כתוצאה מכך פטוזיס ובעיות ראייה ניכרות.

התסריט של פרסון

תסמונת פירסון מופיעה בעקבות מחיקה בולטת של ה- DNA המיטוכונדריאלי, בדומה לאופטלמופלגיה חיצונית מתקדמת ולתסמונת Kearns-Sayre.
ביטויים אופייניים לתסמונת פירסון מורכבים מ: אנמיה סידרובלסטית, תפקוד לקוי של הלבלב (למשל סוכרת תלויית אינסולין), חסרים נוירולוגיים והפרעות שרירים.
תסמונת פירסון גורמת בדרך כלל לאדם המושפע למות בגיל צעיר. למעשה, אלה שנפגעים מהפתולוגיה הזו מגיעים לעיתים רחוקות לבגרות.

סינדרום MELAS

תסמונת MELAS, הידועה גם בשם אנצפלומיופתיה מיטוכונדרית עם חמצת לקטית ואפיזודות דמויי שבץ, נובעת ממוטציה של לפחות 5 גנים של DNA מיטוכונדריאלי.
גנים אלה תורמים לסינתזה של NADH תחמוצת-רדוקטאז, או מורכב I, ושל כמה tRNA.
תסמונת MELAS כרוכה בנוכחות הפרעות נוירולוגיות, הפרעות שרירים, הצטברות יוצאת דופן של חומצת חלב ברקמות (עם כל הסימפטומים הנלווים), בעיות נשימה, אובדן שליטה בתפקוד המעיים, עייפות חוזרת, בעיות בכליות, בעיות לב, סוכרת, אפילפסיה ו חוסר תיאום.

פתולוגיות אחרות

על פי מחקרים מדעיים שונים, מחלות כגון תסמונת הקאה מחזורית, רטיניטיס פיגמנטוזה, אטקסיה, מחלת פרקינסון ומחלת אלצהיימר, יראו גם מעורבות של ה- DNA המיטוכונדריאלי וחלק מהמוטציות שלו.