keumuman
DNA mitokondria, atau mtDNA, adalah asam deoksiribonukleat yang berada di dalam mitokondria, yaitu organel sel eukariotik yang bertanggung jawab atas proses seluler fosforilasi oksidatif yang sangat penting.
Namun, ia juga memiliki beberapa kekhasan, baik struktural dan fungsional, yang membuatnya unik dalam jenisnya. Ciri-ciri ini meliputi: sirkularitas untai ganda nukleotida, isi gen (yang hanya 37 elemen) dan hampir tidak adanya urutan nukleotida non-coding.
DNA mitokondria memainkan peran mendasar dalam kelangsungan hidup sel: menghasilkan enzim yang diperlukan untuk realisasi fosforilasi oksidatif.
Apa itu DNA mitokondria?
DNA mitokondria, atau mtDNA, adalah DNA yang terletak di dalam mitokondria .
Mitokondria adalah organel seluler yang besar, tipikal organisme eukariotik, yang mengubah energi kimia yang terkandung dalam makanan menjadi ATP, yang merupakan bentuk energi yang dapat digunakan oleh sel.
MENGINGAT STRUKTUR DAN FUNGSI MITOCHONDER
Dari bentuk tubular, filamen atau granular, mitokondria berada di sitoplasma, menempati hampir 25% dari volume yang terakhir.
Mereka memiliki dua membran bilayer fosfolipid, satu lagi eksternal dan satu lagi internal.
Membran terluar, yang dikenal sebagai membran mitokondria luar, mewakili perimeter setiap mitokondria dan memiliki protein transpor (porine dan tidak hanya), yang membuatnya permeabel terhadap molekul dengan ukuran sama dengan atau kurang dari 5.000 dalton.
Membran terdalam, yang dikenal sebagai membran mitokondria bagian dalam, mengandung semua komponen enzimatik (atau enzim) dan komponen koenzim yang diperlukan untuk sintesis ATP, dan membatasi ruang pusat, yang disebut matriks .
Tidak seperti membran terluar, membran mitokondria bagian dalam memiliki banyak invaginasi - yang disebut puncak - yang meningkatkan luas totalnya.
Di antara dua membran mitokondria, ada ruang hampir 60-80 Angstrom (A). Ruang ini disebut ruang antarmembran . Ruang intermembran memiliki komposisi yang sangat mirip dengan sitoplasma.
Sintesis ATP, yang dioperasikan oleh mitokondria, adalah proses yang sangat kompleks, yang diidentifikasi oleh para ahli biologi dengan istilah fosforilasi oksidatif .
LOKASI DAN KUANTITAS DNA MITOKONDRIAL YANG AKURAT
Gambar: mitokondria manusia.
DNA mitokondria berada dalam matriks mitokondria, yaitu di ruang yang dibatasi oleh membran mitokondria bagian dalam.
Berdasarkan studi ilmiah yang dapat diandalkan, setiap mitokondria dapat mengandung 2 hingga 12 salinan DNA mitokondria.
Mempertimbangkan fakta bahwa, dalam tubuh manusia, beberapa sel dapat mengandung beberapa ribu mitokondria di dalamnya, jumlah total salinan DNA mitokondria, dalam satu sel manusia, bahkan dapat mencapai 20.000 unit.
Catatan: jumlah mitokondria dalam sel manusia bervariasi tergantung pada jenis sel. Sebagai contoh, hepatosit (yaitu sel-sel hati) masing-masing dapat mengandung antara 1.000 dan 2.000 mitokondria, sedangkan eritrosit (yaitu sel darah merah) sama sekali tidak memilikinya.
struktur
Struktur umum molekul DNA mitokondria menyerupai struktur umum DNA nuklir, yaitu warisan genetik yang ada di dalam inti sel eukariotik.
Bahkan, mirip dengan DNA nuklir:
- DNA mitokondria adalah biopolimer, yang terdiri dari dua untai panjang nukleotida . Nukleotida adalah molekul organik, yang dihasilkan dari penyatuan tiga unsur: gula dengan 5 atom karbon (dalam kasus DNA, deoksiribosa ), basa nitrogen, dan gugus fosfat .
- Setiap nukleotida DNA mitokondria berikatan dengan nukleotida berikutnya dari filamen yang sama, melalui ikatan fosfodiester antara karbon 3 dari deoksiribosa dan segera setelah gugus nukleotida fosfat.
- Dua untai DNA mitokondria memiliki orientasi yang berlawanan, dengan kepala yang satu berinteraksi dengan ujung yang lain dan sebaliknya. Pengaturan khusus ini dikenal sebagai pengaturan antiparalel (atau orientasi antiparalel ).
- Dua filamen DNA mitokondria berinteraksi satu sama lain, melalui basa nitrogen .
Secara khusus, setiap basa nitrogen dari setiap filamen membentuk ikatan hidrogen dengan satu dan hanya satu basa nitrogen, hadir pada filamen lainnya.
Jenis interaksi ini disebut "pasangan antara basa nitrogen" atau "pasangan basa nitrogen".
- Basa nitrogen dari DNA mitokondria adalah adenin, timin, sitosin, dan guanin .
Pasangan yang menghasilkan basa nitrogen ini tidak acak, tetapi sangat spesifik: adenin hanya berinteraksi dengan timin, sedangkan sitosin hanya dengan guanin.
- DNA mitokondria adalah rumah bagi gen (atau urutan gen). Gen adalah sekuens nukleotida yang kurang lebih panjang, dengan makna biologis yang jelas. Dalam kebanyakan kasus, mereka menimbulkan protein.
RINCIAN STRUKTURAL DNA MITOKIMIA
Di luar analogi yang disebutkan di atas, DNA mitokondria manusia memiliki beberapa kekhasan struktural yang membedakannya dari DNA nuklir manusia.
Pertama, ini adalah molekul lingkaran, sedangkan DNA nuklir adalah molekul linier.
Dengan demikian, ia memiliki 16.569 pasang basa nitrogen, sedangkan DNA nuklir memiliki keindahan 3, 3 miliar.
Ini mengandung 37 gen, sementara DNA nuklir tampaknya mengandung antara 20.000 dan 25.000.
Ini tidak diatur dalam kromosom, sementara DNA inti dibagi menjadi sebanyak 23 kromosom dan bentuk, dengan beberapa protein spesifik, suatu zat yang disebut kromatin.
Akhirnya, itu termasuk serangkaian nukleotida yang berpartisipasi dalam dua gen secara bersamaan, sementara DNA nuklir memiliki gen yang urutan nukleotidanya terdefinisi dengan baik dan berbeda satu sama lain.
asal
DNA mitokondria sangat mungkin memiliki asal bakteri .
Memang, berdasarkan berbagai penelitian independen, ahli biologi molekuler percaya bahwa keberadaan seluler DNA mitokondria adalah hasil penggabungan, oleh sel eukariotik leluhur, dari organisme bakteri independen, sangat mirip dengan mitokondria.
Penemuan yang aneh ini hanya membuat sebagian komunitas ilmiah kagum, karena DNA yang ada pada bakteri pada umumnya adalah filamen nukleotida sirkular, seperti DNA mitokondria.
Teori bahwa mitokondria dan DNA mitokondria akan memiliki asal bakteri disebut " teori endosimbiotik ", dari kata " endosimbiosis ". Secara singkat, dalam biologi, istilah "endosimbiosis" menunjukkan kolaborasi antara dua organisme, yang melibatkan penggabungan satu di dalam yang lain, untuk mendapatkan keuntungan tertentu.
rasa ingin tahu
Menurut penelitian ilmiah yang dapat diandalkan, selama evolusi banyak gen bakteri, hadir pada DNA mitokondria di masa depan, akan mengubah lokasi, pindah ke DNA nuklir.
Dengan kata lain, pada awal endosimbiosis, beberapa gen yang ada sekarang pada DNA nukleus berada dalam DNA organisme bakteri tersebut, yang kemudian menjadi mitokondria.
Teori bahwa gen tertentu berasal dari DNA mitokondria, pada beberapa spesies, dan dari DNA nuklir, pada yang lain, menguatkan teori pergeseran gen antara DNA mitokondria dan DNA nuklir.
fungsi
DNA mitokondria menghasilkan enzim (yaitu protein), yang diperlukan untuk realisasi yang benar dari proses halus fosforilasi oksidatif.
Instruksi untuk sintesis enzim ini berada di 37 gen yang membentuk genom DNA mitokondria.
APA GEN DARI KODE DNA MITOKONDRIAL: RINCIAN
37 gen DNA mitokondria mengkodekan untuk: protein, tRNA dan rRNA.
Secara khusus:
- 13 kode untuk 13 protein yang bertanggung jawab untuk melakukan fosforilasi oksidatif
- 22 mengkodekan 22 molekul tRNA
- 2 menyandikan 2 molekul rRNA
Molekul tRNA dan rRNA adalah dasar untuk sintesis 13 protein di atas, karena mereka membentuk mesin yang mengatur produksi mereka.
Jadi, dengan kata lain, DNA mitokondria memiliki informasi untuk menghasilkan seperangkat protein tertentu dan alat yang diperlukan untuk sintesis yang terakhir.
Apa itu RNA, tRNA dan rRNA?
RNA, atau asam ribonukleat, adalah asam nukleat yang memainkan peran mendasar dalam pembentukan protein, mulai dari DNA.
Secara umum single-stranded, RNA dapat ada dalam berbagai bentuk (atau tipe), tergantung pada fungsi spesifik yang menjadi wakilnya.
TRNA dan rRNA adalah dua bentuk yang mungkin ini.
TRNA digunakan untuk penambahan asam amino, selama proses pembuatan protein. Asam amino adalah unit molekuler yang membentuk protein.
RRNA membentuk ribosom, yaitu struktur seluler di mana sintesis protein didasarkan.
Untuk mempelajari lebih lanjut tentang RNA dan fungsinya, pembaca dapat mengklik di sini.
RINCIAN FUNGSIONAL DNA MITOKIMIA
Dari sudut pandang fungsional, DNA mitokondria memiliki beberapa karakteristik khusus yang dengan jelas membedakannya dari DNA inti.
Berikut ini fitur-fitur khusus ini terdiri dari:
- DNA mitokondria bersifat semi-independen dalam arti bahwa ia memerlukan intervensi dari beberapa protein yang disintesis dari DNA nuklir.
Sebaliknya, DNA nuklir sepenuhnya otonom dan menghasilkan segala yang dibutuhkan untuk melakukan tugasnya dengan baik.
- DNA mitokondria memiliki kode genetik yang sedikit berbeda dari DNA nuklir . Ini mengarah pada serangkaian perbedaan dalam realisasi protein: jika sekuens nukleotida tertentu dalam DNA nuklir mengarah pada penciptaan protein tertentu, sekuens yang sama dalam DNA mitokondria mengarah pada pembentukan protein yang sedikit berbeda.
- DNA mitokondria memiliki sangat sedikit sekuens nukleotida non-coding, yaitu, yang tidak menghasilkan protein, tRNA atau rRNA. Dalam istilah persentase, hanya 3% DNA mitokondria yang tidak dikode.
Sebaliknya, DNA nuklir hanya mengkode 7%, sehingga mengandung sejumlah besar urutan nukleotida non-coding (93%).
Tabel: ringkasan perbedaan antara DNA mitokondria manusia dan DNA nuklir manusia. | |
DNA mitokondria | DNA nuklir |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
warisan
Warisan DNA mitokondria sepenuhnya bersifat keibuan .
Ini berarti bahwa, pada beberapa orang tua, adalah wanita yang mentransmisikan DNA mitokondria ke keturunannya (yaitu anak-anak).
Dalam cara yang sepenuhnya berlawanan dengan yang di atas, warisan DNA nuklir adalah, setengah, ibu dan setengah ayah. Dengan kata lain, kedua orang tua berkontribusi sama dalam transmisi DNA nuklir pada keturunan.
Catatan: warisan ibu dari mitokondria DNA juga melibatkan struktur mitokondria. Dengan demikian, mitokondria yang ada pada individu berada pada cetakan ibu.
Patologi terkait
Premis: mutasi genetik adalah perubahan permanen dalam urutan nukleotida, yang merupakan gen DNA nuklir atau mitokondria.
Secara umum, kehadiran mutasi genetik menyebabkan perubahan atau hilangnya fungsi normal gen yang terlibat.
Kehadiran mutasi pada tingkat gen DNA mitokondria dapat menentukan berbagai macam penyakit, termasuk:
- Neuropati optik herediter Leber
- Sindrom Kearns-Sayre
- Sindrom Leigh
- Kekurangan sitokrom C oksidase
- Oftalmoplegia eksternal progresif
- Sindrom Pearson
- Ensefalomiopati mitokondria dengan asidosis laktat dan episode seperti stroke (sindrom MELAS)
- Diabetes dengan tuli transmisi ibu
- Epilepsi mioklonik dengan serat merah tidak beraturan
Berkenaan dengan kondisi patologis terkait dengan satu atau lebih mutasi DNA mitokondria, dua aspek harus ditentukan.
Pertama, tingkat keparahan morbiditas tergantung pada hubungan kuantitatif antara DNA mitokondria bermutasi dan DNA mitokondria normal yang sehat. Jika jumlah DNA mitokondria bermutasi jauh lebih tinggi dari DNA sehat, kondisi yang dihasilkan akan lebih parah.
Kedua, mutasi pada DNA mitokondria hanya memengaruhi jaringan-jaringan tertentu dalam tubuh, terutama yang membutuhkan ATP dalam jumlah besar yang dihasilkan dari proses fosforilasi oksidatif. Ini cukup dapat dimengerti: sel-sel yang memiliki kebutuhan terbesar untuk fungsi yang biasanya dilakukan oleh DNA mitokondria paling dipengaruhi oleh DNA mitokondria yang tidak berfungsi dengan baik.
NEUROPATI OPTIK HERITITARY LEBER
Neuropati optik herediter Leber timbul karena mutasi sebanyak empat gen DNA mitokondria. Gen-gen ini mengandung informasi yang mengarah pada sintesis kompleks I (atau NADH oxide-reductase), salah satu dari berbagai enzim yang terlibat dalam proses fosforilasi oksidatif.
Manifestasi patologi terdiri dari degenerasi progresif saraf optik dan hilangnya penglihatan secara bertahap.
SINDROM KEARNS-SAYRE
Sindrom Kearns-Sayre muncul karena kurangnya bagian diskrit dari DNA mitokondria (NB: kurangnya urutan nukleotida tertentu disebut penghapusan ).
Penderita sindrom Kearns-Sayre mengembangkan ophthalmoplegia (yaitu kelumpuhan total atau parsial otot oculomotor), suatu bentuk retinopati dan irama jantung yang abnormal (blok atrioventrikular).
SINGKAT SINGKAT
Sindrom Leigh muncul sebagai akibat mutasi DNA mitokondria, yang mungkin melibatkan protein ATP-sintase (juga disebut kompleks V) dan / atau beberapa tRNA.
Leigh syndrome adalah penyakit neurologis progresif yang muncul selama masa bayi atau masa kanak-kanak dan bertanggung jawab untuk: keterlambatan perkembangan, kelemahan otot, neuropati perifer, gangguan motorik, kesulitan bernapas dan ophthalmoplegia.
DEFICIT CYTOKROME C OXIDASE
Kekurangan sitokrom C oksidase muncul karena mutasi setidaknya 3 gen DNA mitokondria. Gen-gen ini mendasar untuk sintesis enzim sitokrom C oksidase (atau kompleks IV) yang tepat yang terlibat dalam proses fosforilasi oksidatif.
Manifestasi khas defisiensi sitokrom C oksidase terdiri dari: disfungsi otot rangka, disfungsi jantung, disfungsi ginjal, dan disfungsi hati.
PROGRESIF OPHTHALMOPHY EKSTERNAL
Oftalmoplegia eksternal progresif terjadi karena kurangnya sejumlah besar nukleotida DNA mitokondria (penghapusan)
Dengan karakter progresif (seperti yang dapat Anda tebak dari namanya), patologi ini menyebabkan kelumpuhan otot oculomotor, dengan ptosis yang berakibat dan masalah visual yang cukup besar.
SINDROM PEARSON
Sindrom Pearson muncul setelah penghapusan besar DNA mitokondria, mirip dengan ophthalmoplegia eksternal progresif dan sindrom Kearns-Sayre.
Manifestasi khas dari sindrom Pearson terdiri dari: anemia sideroblastik, disfungsi pankreas (misalnya diabetes tergantung insulin), defisit neurologis, dan gangguan otot.
Secara umum, sindrom Pearson menyebabkan kematian subjek yang terkena pada usia muda. Faktanya, mereka yang terkena patologi ini jarang mencapai usia dewasa.
SINDROM MELAS
Sindrom MELAS, juga dikenal sebagai ensefalomiopati mitokondria dengan asidosis laktat dan episode mirip stroke, terjadi sebagai akibat dari mutasi setidaknya 5 gen DNA mitokondria.
Gen-gen ini berkontribusi pada sintesis NADH oksida-reduktase, atau kompleks I, dan beberapa tRNA.
Sindrom MELAS melibatkan adanya gangguan neurologis, gangguan otot, akumulasi asam laktat yang tidak biasa dalam jaringan (dengan semua gejala yang dihasilkan), masalah pernapasan, hilangnya kontrol fungsi usus, kelelahan berulang, masalah ginjal, masalah jantung, diabetes, epilepsi dan kurangnya koordinasi.
PATOLOGI LAINNYA
Menurut beberapa penelitian ilmiah, bahkan penyakit seperti sindrom muntah siklik, retinitis pigmentosa, ataksia, penyakit Parkinson dan penyakit Alzheimer akan melihat DNA mitokondria dan beberapa mutasi terlibat.
