عمومية
الحمض النووي للميتوكوندريا ، أو mtDNA ، هو حمض الديوكسي ريبونوكلييك الموجود داخل الميتوكوندريا ، أي عضيات الخلايا حقيقية النواة المسؤولة عن العملية الخلوية المهمة جدًا للفسفرة التأكسدية.
ومع ذلك ، فإنه يحتوي أيضًا على بعض الخصائص ، الهيكلية والوظيفية ، مما يجعله فريدًا من نوعه. تشمل هذه الخصائص: دائرية الشريط المزدوج للنيوكليوتيدات ، ومحتوى الجينات (الذي يتكون من 37 عنصرًا فقط) والغياب التام تقريبًا لتسلسلات النيوكليوتيدات غير المشفرة.
يؤدي الحمض النووي للميتوكوندريا وظيفة أساسية لبقاء الخلايا: فهو ينتج الإنزيمات اللازمة لتحقيق الفسفرة المؤكسدة.
ما هو الحمض النووي للميتوكوندريا؟
الحمض النووي للميتوكوندريا ، أو mtDNA ، هو الحمض النووي الموجود داخل الميتوكوندريا.
الميتوكوندريا هي تلك العضيات الخلوية الكبيرة ، النموذجية للكائنات حقيقية النواة ، والتي تحول الطاقة الكيميائية الموجودة في الطعام إلى ATP ، وهو شكل من أشكال الطاقة التي يمكن للخلايا استغلالها.
معلومات أساسية عن هيكل وتشغيل أجهزة MITOCHONDRONS
أنبوبي ، خيطي أو حبيبي الشكل ، الميتوكوندريا تقطن في السيتوبلازم ، وتحتل ما يقرب من 25 ٪ من حجم الأخير.
لديهم غشاءان ثنائي الطبقة من الفسفوليبيد ، أحدهما خارجي والآخر داخلي.
يمثل الغشاء الخارجي ، المعروف باسم غشاء الميتوكوندريا الخارجي ، محيط كل ميتوكوندريا ويحتوي على بروتينات نقل (بورينات وأكثر) ، مما يجعله منفذاً لجزيئات بحجم يساوي أو أقل من 5000 دالتون.
يحتوي الغشاء الداخلي ، المعروف باسم غشاء الميتوكوندريا الداخلي ، على جميع المكونات الأنزيمية (أو الأنزيمية) والإنزيم ، اللازمة لتركيب ATP ، ويحدد الفضاء المركزي ، يسمى المصفوفة.
على عكس الغشاء الخارجي ، فإن الغشاء الداخلي للميتوكوندريا له العديد من الانجرافات - ما يسمى بالحواف - التي تزيد من مساحته الإجمالية.
بين أغشية الميتوكوندريا ، هناك مساحة تقارب 60-80 أنجستروم (A) ، وتسمى هذه المساحة بالفضاء بين الغشاء.
يُعد تخليق ATP ، الذي تديره الميتوكوندريا ، عملية معقدة للغاية ، يحددها علماء الأحياء بمصطلح الفسفرة المؤكسدة.
الموقع الدقيق للحمض النووي المتماثل والكمية
الشكل: ميتوكوندريا بشرية.
يوجد الحمض النووي للميتوكوندريا في مصفوفة الميتوكوندريا ، أي في الفضاء المحدد بواسطة غشاء الميتوكوندريا الداخلي.
وفقًا لدراسات علمية موثوقة ، يمكن أن تحتوي كل ميتوكوندريا من 2 إلى 12 نسخة من الحمض النووي للميتوكوندريا.
بالنظر إلى حقيقة أنه في جسم الإنسان ، يمكن أن تحتوي بعض الخلايا على عدة آلاف من الميتوكوندريا بداخلها ، فإن العدد الإجمالي لنسخ الحمض النووي للميتوكوندريا في خلية بشرية واحدة يمكن أن يصل إلى 20000 وحدة.
يرجى الملاحظة: يختلف عدد الميتوكوندريا في الخلايا البشرية حسب نوع الخلية. على سبيل المثال ، يمكن أن تحتوي خلايا الكبد (أي خلايا الكبد) على ما بين 1000 و 2000 ميتوكوندريا لكل منها ، في حين أن كريات الدم الحمراء (أي خلايا الدم الحمراء) خالية تمامًا منها.
بنية
يشبه الهيكل العام لجزيء الحمض النووي للميتوكوندريا التركيب العام للحمض النووي النووي ، أي التراث الجيني الموجود داخل نواة الخلايا حقيقية النواة.
في الواقع، بشكل مشابه للحمض النووي النووي:
- الحمض النووي للميتوكوندريا هو بوليمر حيوي ، يتكون من خيطين طويلين من النيوكليوتيدات. النيوكليوتيدات هي جزيئات عضوية ناتجة عن اتحاد ثلاثة عناصر: سكر مع 5 ذرات كربون (في حالة DNA ، deoxyribose) ، قاعدة نيتروجينية ومجموعة فوسفات.
- يرتبط كل نوكليوتيد من الحمض النووي للميتوكوندريا بالنيوكليوتيدات التالية لنفس الخيط عن طريق رابطة فسفودايستر بين الكربون 3 من ديوكسيريبوز ومجموعة الفوسفات للنيوكليوتيدات التالية مباشرة.
- إن شريطين من دنا الميتوكوندريا لهما اتجاهات معاكسة ، مع نهاية أحدهما يتفاعل مع نهاية الآخر والعكس صحيح.هذا الترتيب المعين يُعرف بالترتيب المضاد المتوازي (أو الاتجاه المعاكس).
- يتفاعل شريطا DNA الميتوكوندريا مع بعضهما البعض من خلال القواعد النيتروجينية.
على وجه التحديد ، كل قاعدة نيتروجينية لكل خيوط تنشئ روابط هيدروجينية بقاعدة نيتروجينية واحدة فقط ، موجودة على الفتيل الآخر.
يسمى هذا النوع من التفاعل "الاقتران بين القواعد النيتروجينية" أو "زوج من القواعد النيتروجينية". - القواعد النيتروجينية للحمض النووي للميتوكوندريا هي الأدينين والثايمين والسيتوزين والجوانين.
الاقتران الذي تسببه هذه القواعد النيتروجينية ليس عشوائيًا ، ولكنه شديد التحديد: يتفاعل الأدينين مع الثايمين فقط ، بينما يتفاعل السيتوزين مع الجوانين فقط. - الحمض النووي للميتوكوندريا هو موطن الجينات (أو التسلسلات الجينية). الجينات عبارة عن سلاسل من النيوكليوتيدات الطويلة جدًا أو الأقل ، ذات الأهمية البيولوجية المحددة جيدًا. في معظم الحالات ، تفرز البروتينات.
الخصائص الهيكلية للحمض النووي المتماثل
بالإضافة إلى التشبيهات المذكورة أعلاه ، فإن الحمض النووي البشري للميتوكوندريا لديه بعض الخصائص الهيكلية ، والتي تميزه بشكل كبير عن الحمض النووي البشري.
أولاً ، إنه جزيء دائري ، بينما الحمض النووي هو جزيء خطي.
وبالتالي ، فهو يحتوي على 16.569 زوجًا من القواعد النيتروجينية ، بينما يحتوي الحمض النووي النووي على 3.3 مليار.
يحتوي على 37 جينًا ، بينما يبدو أن الحمض النووي النووي يحتوي على ما بين 20000 و 25000.
لا يتم تنظيمه في الكروموسومات ، بينما ينقسم الحمض النووي النووي إلى 23 كروموسومًا وأشكالًا ، مع بعض البروتينات المحددة ، وهي مادة تسمى الكروماتين.
أخيرًا ، يتضمن سلسلة من النيوكليوتيدات التي تشارك في جينين في نفس الوقت ، بينما يحتوي الحمض النووي النووي على جينات يتم تحديد تسلسل النيوكليوتيدات بها جيدًا وتمييزها عن بعضها البعض.
أصل
على الأرجح أن الحمض النووي للميتوكوندريا له أصل "بكتيري".
في الواقع ، استنادًا إلى العديد من الدراسات المستقلة ، يعتقد علماء الأحياء الجزيئية أن الوجود الخلوي للحمض النووي للميتوكوندريا هو نتيجة دمج ، بواسطة خلايا حقيقية النواة ، لكائنات بكتيرية مستقلة ، تشبه إلى حد بعيد الميتوكوندريا.
لقد أدهش هذا الاكتشاف الغريب المجتمع العلمي جزئيًا ، حيث أن الحمض النووي الموجود في البكتيريا هو بشكل عام خيط نيوكليوتيد دائري ، مثل الحمض النووي للميتوكوندريا.
وفقًا للنظرية القائلة بأن للميتوكوندريا والحمض النووي للميتوكوندريا "أصل جرثومي يأخذ اسم" نظرية التعايش الداخلي "، من كلمة" التعايش الداخلي ". باختصار ، في علم الأحياء ، يشير مصطلح" التعايش الداخلي "إلى التعاون بين كائنين ، والذي يتضمن "دمج أحدهما في الآخر من أجل الحصول على ميزة معينة.
فضول
وفقًا لدراسات علمية موثوقة ، في سياق التطور ، كان من الممكن أن تغير العديد من الجينات البكتيرية ، الموجودة على الحمض النووي للميتوكوندريا في المستقبل ، موقعها ، وانتقلت إلى الحمض النووي النووي.
بعبارة أخرى ، في بداية التعايش الداخلي ، استقرت بعض الجينات الموجودة الآن على الحمض النووي النووي في الحمض النووي لتلك الكائنات البكتيرية ، والتي أصبحت فيما بعد ميتوكوندريا.
لدعم النظرية المتعلقة بتحويل الجينات بين الحمض النووي للميتوكوندريا والحمض النووي النووي ، هناك ملاحظة أن بعض الجينات مشتقة من الحمض النووي للميتوكوندريا ، في بعض الأنواع ، ومن الحمض النووي في أنواع أخرى.
وظيفة
ينتج الحمض النووي للميتوكوندريا إنزيمات (أي بروتينات) ضرورية للتنفيذ الصحيح لعملية الفسفرة التأكسدية الدقيقة.
توجد تعليمات تصنيع هذه الإنزيمات في الـ 37 جينًا التي تشكل جينوم الحمض النووي للميتوكوندريا.
ما رمز جينات MITOCHONDRAL DNA: التفاصيل
الجينات الـ 37 لرمز الحمض النووي للميتوكوندريا هي: البروتينات ، الحمض الريبي النووي النقال ، الرنا الريباسي.
خاصه:
- 13 ترميز 13 بروتينًا مسؤولاً عن إجراء الفسفرة المؤكسدة
- 22 كود لـ 22 جزيء tRNA
- 2 يشفر 2 جزيئات الرنا الريباسي
تعتبر جزيئات الرنا الريباسي و الرنا الريباسي أساسية لتركيب البروتينات الثلاثة عشر المذكورة أعلاه ، لأنها تشكل الآلية التي تنظم إنتاجها.
بعبارة أخرى ، يمتلك الحمض النووي للميتوكوندريا المعلومات اللازمة لإنتاج مجموعة معينة من البروتينات والأدوات اللازمة لتكوينها.
ما هي RNA و tRNA و rRNA?
الحمض النووي الريبي ، أو الحمض النووي الريبي ، هو الحمض النووي الذي يلعب دورًا أساسيًا في توليد البروتينات ، بدءًا من الحمض النووي.
بشكل عام ، يمكن أن توجد ANN أحادية الجديلة في أشكال (أو أنواع) مختلفة ، اعتمادًا على الوظيفة المحددة التي تم تفويضها إليها.
TRNA و rRNA هما نوعان من هذه الأشكال المحتملة.
يستخدم الحمض الريبي النووي النقال (tRNA) لإضافة الأحماض الأمينية أثناء عملية صنع البروتينات ، والأحماض الأمينية هي الوحدات الجزيئية التي تتكون منها البروتينات.
يشكل الرنا الريباسي الريبوسومات ، أي الهياكل الخلوية التي يحدث فيها تخليق البروتينات.
لمعرفة تفاصيل ANN ووظائفها ، يمكن للقراء النقر هنا.
التفاصيل الوظيفية للحمض النووي المتماثل
من وجهة نظر وظيفية ، يمتلك الحمض النووي للميتوكوندريا بعض الخصائص المميزة التي تميزه بوضوح عن الحمض النووي النووي.
إليك ما تتكون منه هذه الخصائص المميزة:
- الحمض النووي للميتوكوندريا شبه مستقل ، بمعنى أنه يحتاج إلى تدخل بعض البروتينات التي يتم تصنيعها من الحمض النووي النووي.
من ناحية أخرى ، فإن الحمض النووي النووي مستقل تمامًا وينتج من تلقاء نفسه كل ما يحتاجه لأداء مهامه بشكل صحيح. - يحتوي الحمض النووي للميتوكوندريا على شفرة جينية مختلفة قليلاً عن الحمض النووي.يؤدي هذا إلى عدد من الاختلافات في تكوين البروتينات: إذا أدى تسلسل معين من النيوكليوتيدات في الحمض النووي النووي إلى تكوين بروتين معين ، فإن نفس التسلسل في الحمض النووي للميتوكوندريا يؤدي إلى تكوين بروتين مختلف قليلاً.
- يحتوي الحمض النووي للميتوكوندريا على عدد قليل جدًا من متواليات النوكليوتيدات غير المشفرة ، أي أنها لا تنتج أي بروتينات أو tRNAs أو rRNAs. من حيث النسبة المئوية ، 3٪ فقط من الحمض النووي للميتوكوندريا غير مشفر.
من ناحية أخرى ، فإن الحمض النووي النووي عبارة عن ترميز بنسبة 7 ٪ فقط ، لذلك فهو يحتوي على الكثير من متواليات النوكليوتيدات غير المشفرة (تصل إلى 93 ٪).
الجدول: ملخص الفروق بين الحمض النووي البشري للميتوكوندريا والحمض النووي البشري.
الحمض النووي للميتوكوندريا
الحمض النووي النووي
- إنه دائري
- إنه خطي
- يحتوي على 16.569 زوجًا نيتروجينيًا في المجموع
- يحتوي على إجمالي 3.3 مليار زوج قاعدة نيتروجينية
- يحتوي على 37 جينًا في المجموع
- يحتوي على ما بين 20000 و 25000 جين
- لكي تعمل بشكل صحيح تحتاج إلى دعم بعض منتجات الجينات المشتقة من الحمض النووي النووي
- إنها مستقلة وتنتج بنفسها كل ما تحتاجه لأداء وظائفها بشكل صحيح
- يمكن أن يكون موجودًا في عدة نسخ داخل كل ميتوكوندريون فردي
- إنه فريد من نوعه ، أي أنه في نسخة واحدة فقط ، وهو موجود في القلب
- 97٪ من تسلسل النوكليوتيدات الذي يتألف منه يتم ترميزه
- 7٪ فقط من تسلسل النوكليوتيدات الذي يتألف منه يتم ترميزه
- لا يتم تنظيمه في الكروموسومات
- وهي مقسمة إلى 23 كروموسوم
- يستخدم رمزًا جينيًا يختلف قليلاً عن الرمز "التقليدي" ، إذا جاز التعبير
- استخدم الكود الجيني "التقليدي"
- ميراثها أمومي
- نصيبها من نصيب الأم والنصف لأب
- تشارك بعض النيوكليوتيدات في جينين في نفس الوقت
- تتميز تسلسلات النيوكليوتيدات التي تتكون منها الجينات بشكل جيد عن بعضها البعض
ميراث
وراثة الحمض النووي للميتوكوندريا هي أمومية بشكل صارم.
هذا يعني أنه في الزوجين ، فإن المرأة هي التي تنقل الحمض النووي للميتوكوندريا إلى النسل (أي إلى الأطفال).
وبطريقة معاكسة تمامًا لما سبق ، فإن وراثة الحمض النووي هي نصف أمومية ونصف أبوية ، وبعبارة أخرى ، يساهم كلا الوالدين بالتساوي في نقل الحمض النووي في النسل.
يرجى الملاحظة: وراثة الأم من الحمض النووي للميتوكوندريا تتضمن أيضًا بنية الميتوكوندريا. وبالتالي ، فإن الميتوكوندريا الموجودة في الفرد هي أمومية.
الأمراض المرتبطة
فرضية: الطفرة الجينية هي تغيير دائم في تسلسل النيوكليوتيدات ، التي تشكل الجين النووي أو جين الحمض النووي للميتوكوندريا.
عادةً ما يؤدي وجود طفرة جينية إلى "تغيير أو فقدان الوظيفة الطبيعية للجين المعني.
يمكن أن يؤدي وجود الطفرات في جينات الحمض النووي للميتوكوندريا إلى مجموعة واسعة من الأمراض ، بما في ذلك:
- اعتلال العصب البصري الوراثي ليبر
- متلازمة كيرنز ساير
- متلازمة لي
- نقص أوكسيديز السيتوكروم سي
- شلل العين الخارجي التدريجي
- متلازمة بيرسون
- اعتلال الدماغ بالميتوكوندريا المصحوب بحماض لبني ونوبات تشبه السكتة الدماغية (متلازمة ميلاس)
- داء السكري مع الصمم الذي ينتقل عن طريق الأم
- صرع رمع عضلي مع ألياف حمراء غير منتظمة
فيما يتعلق بالحالات المرضية المرتبطة بواحدة أو أكثر من طفرات الحمض النووي للميتوكوندريا ، هناك جانبان بحاجة إلى توضيح.
أولاً ، تعتمد شدة المرض على العلاقة الكمية بين DNA الميتوكوندريا الطافرة والحمض النووي الصحي الطبيعي للميتوكوندريا. إذا كان عدد DNA الميتوكوندريا الطافرة أكبر بكثير من عدد الحمض النووي السليم ، فإن الحالة الناتجة ستكون أكثر شدة.
ثانيًا ، الطفرات في الحمض النووي للميتوكوندريا تؤثر فقط على بعض أنسجة الكائن الحي ، لا سيما تلك التي تتطلب كميات كبيرة من ATP الناتجة عن عملية الفسفرة المؤكسدة.هذا مفهوم تمامًا: أن تعاني من أكثر من خلل في دنا الميتوكوندريا هي الخلايا الأكثر احتياجًا الوظيفة التي يؤديها الحمض النووي للميتوكوندريا بشكل طبيعي.
علم الأعصاب البصري التراثي ليبر
ينشأ اعتلال الأعصاب البصري الوراثي لدى ليبر نتيجة تحور ما يصل إلى أربعة جينات دنا ميتوكوندريا. تحتوي هذه الجينات على المعلومات التي تؤدي إلى تخليق ما يسمى المركب I (أو NADH oxide-reductase) ، وهو أحد الإنزيمات المختلفة المشاركة في عملية الفسفرة المؤكسدة.
تتمثل مظاهر علم الأمراض في تدهور تدريجي للعصب البصري وفقدان تدريجي للرؤية.
متلازمة كيرنز ساير
تظهر متلازمة كيرنز ساير بسبب نقص كمية لا بأس بها من الحمض النووي للميتوكوندريا (ملاحظة: يُسمى عدم وجود تسلسل نوكليوتيد معين حذفًا).
يعاني الأشخاص المصابون بمتلازمة كيرنز ساير من شلل في العين (شلل كلي أو جزئي للعضلات الحركية للعين) ، وهو شكل من أشكال اعتلال الشبكية واضطرابات ضربات القلب (إحصار أذيني بطيني).
تناذر ليغ
تنشأ متلازمة لي نتيجة لطفرات الحمض النووي للميتوكوندريا ، والتي يمكن أن تؤثر على بروتين ATP-synthase (المعروف أيضًا باسم V-complex) و / أو بعض الحمض النووي الريبي (tRNAs).
متلازمة لي هي مرض عصبي تدريجي يظهر في الطفولة أو الطفولة وهو مسؤول عن: تأخر النمو وضعف العضلات واعتلال الأعصاب المحيطية واضطرابات الحركة وصعوبة التنفس وشلل العين.
عجز سيتوكروم سي أوكسيداز
يحدث نقص أوكسيديز السيتوكروم سي نتيجة تحور 3 جينات دنا ميتوكوندريا على الأقل. هذه الجينات ضرورية للتوليف الصحيح لأنزيم السيتوكروم سي أوكسيديز (أو المركب الرابع) ، المتورط في عملية الفسفرة المؤكسدة.
المظاهر النموذجية لنقص أوكسيديز السيتوكروم سي تتكون من: ضعف العضلات الهيكلية ، ضعف القلب ، الخلل الكلوي والخلل الكبدي.
جراحة العيون الخارجية التقدمية
ينشأ شلل العين الخارجي التدريجي من عدم وجود عدد كبير من نيوكليوتيدات الحمض النووي للميتوكوندريا (الحذف)
مع الطابع التدريجي (كما يمكن تخمينه من الاسم) ، يتسبب هذا المرض في حدوث شلل في العضلات الحركية للعين ، مع ما يترتب على ذلك من تدلي الجفون ومشاكل بصرية كبيرة.
تناذر بيرسون
تظهر متلازمة بيرسون بعد حذف واضح للحمض النووي للميتوكوندريا ، بطريقة مشابهة لشلل العين الخارجي التدريجي ومتلازمة كيرنز ساير.
المظاهر النموذجية لمتلازمة بيرسون تتكون من: فقر الدم الأرومي الحديدي ، خلل في وظيفة البنكرياس (مثل السكري المعتمد على الأنسولين) ، عجز عصبي واضطرابات عضلية.
عادة ما تتسبب متلازمة بيرسون في وفاة الشخص المصاب في سن مبكرة. في الواقع ، نادرًا ما يصل المصابون بهذا المرض إلى سن الرشد.
متلازمة ميلاس
تنشأ متلازمة ميلاس ، المعروفة أيضًا باسم اعتلال عضلة الدماغ بالميتوكوندريا مع الحماض اللبني والحلقات الشبيهة بالسكتة الدماغية ، من طفرة 5 جينات دنا ميتوكوندريا على الأقل.
تساهم هذه الجينات في تخليق اختزال أكسيد NADH ، أو المركب I ، وبعض الحمض النووي الريبي.
تتضمن متلازمة ميلاس وجود اضطرابات عصبية ، واضطرابات عضلية ، وتراكم غير عادي لحمض اللاكتيك في الأنسجة (مع جميع الأعراض المصاحبة) ، ومشاكل في التنفس ، وفقدان السيطرة على وظائف الأمعاء ، والتعب المتكرر ، ومشاكل الكلى ، ومشاكل القلب ، والسكري ، والصرع ، نقص التنسيق.
أمراض أخرى
وفقًا لدراسات علمية مختلفة ، فإن الأمراض مثل متلازمة التقيؤ الدوري والتهاب الشبكية الصباغي والرنح ومرض باركنسون ومرض الزهايمر ستشهد أيضًا تورط الحمض النووي للميتوكوندريا وبعض طفراته.
