Keumuman
DNA mitokondria, atau mtDNA, adalah asam deoksiribonukleat yang berada di dalam mitokondria, yaitu organel sel eukariotik yang bertanggung jawab untuk proses seluler fosforilasi oksidatif yang sangat penting.
Namun, ia juga memiliki beberapa kekhasan, baik struktural maupun fungsional, yang membuatnya unik dalam jenisnya. Keunikan ini meliputi: sirkularitas untai ganda nukleotida, kandungan gen (yang hanya 37 elemen) dan hampir tidak adanya urutan nukleotida non-coding.
DNA mitokondria melakukan fungsi mendasar untuk kelangsungan hidup sel: ia 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 besar, khas organisme eukariotik, yang mengubah energi kimia yang terkandung dalam makanan menjadi ATP, yang merupakan bentuk energi yang dapat dimanfaatkan oleh sel.
LATAR BELAKANG STRUKTUR DAN FUNGSI MITOKONDRON
Berbentuk tubular, berserabut 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 (porin dan lebih banyak lagi), yang membuatnya permeabel terhadap molekul dengan ukuran yang sama dengan atau kurang dari 5.000 dalton.
Membran terdalam, yang dikenal sebagai membran mitokondria bagian dalam, mengandung semua komponen enzimatik (atau enzimatik) dan koenzim, yang diperlukan untuk sintesis ATP, dan mendefinisikan ruang sentral, yang disebut matriks.
Berbeda dengan membran terluar, membran mitokondria bagian dalam memiliki banyak invaginasi - yang disebut punggungan - yang meningkatkan luas totalnya.
Di antara dua membran mitokondria, ada ruang hampir 60-80 Angstrom (A).Ruang ini disebut ruang antar membran. Ruang antarmembran memiliki komposisi yang sangat mirip dengan sitoplasma.
Sintesis ATP, yang dioperasikan oleh mitokondria, adalah proses yang sangat kompleks, yang oleh para ahli biologi diidentifikasikan dengan istilah fosforilasi oksidatif.
LOKASI TEPAT DNA MITOCHONDRAL DAN KUANTITAS
Gambar: mitokondria manusia.
DNA mitokondria berada dalam matriks mitokondria, yaitu di ruang yang dibatasi oleh membran mitokondria bagian dalam.
Menurut penelitian ilmiah yang dapat diandalkan, setiap mitokondria dapat berisi 2 hingga 12 salinan DNA mitokondria.
Mengingat fakta bahwa, dalam tubuh manusia, beberapa sel dapat berisi beberapa ribu mitokondria di dalamnya, jumlah total salinan DNA mitokondria dalam satu sel manusia dapat mencapai sebanyak 20.000 unit.
Tolong dicatat: jumlah mitokondria dalam sel manusia berbeda-beda tergantung jenis selnya. Misalnya, hepatosit (yaitu sel hati) masing-masing dapat berisi 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 inti, yaitu warisan genetik yang ada di dalam inti sel eukariotik.
Memang, analog dengan DNA nuklir:
- DNA mitokondria adalah biopolimer, terdiri dari dua untai panjang nukleotida. Nukleotida adalah molekul organik, yang dihasilkan dari penyatuan tiga elemen: gula dengan 5 atom karbon (dalam kasus DNA, deoksiribosa), basa nitrogen dan gugus fosfat.
- Setiap nukleotida DNA mitokondria berikatan dengan nukleotida berikutnya dari untai yang sama melalui ikatan fosfodiester antara karbon 3 deoksiribosanya dan gugus fosfat dari nukleotida yang segera menyusul.
- Dua untai DNA mitokondria memiliki orientasi yang berlawanan, dengan ujung yang satu berinteraksi dengan ujung yang lain dan sebaliknya, susunan khusus ini dikenal sebagai susunan antiparalel (atau orientasi antiparalel).
- Kedua untai 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, yang ada pada filamen lainnya.
Jenis interaksi ini disebut "pasangan antara basa nitrogen" atau "pasangan basa nitrogen". - Basa nitrogen DNA mitokondria adalah adenin, timin, sitosin, dan guanin.
Pasangan yang menimbulkan basa nitrogen ini tidak acak, tetapi sangat spesifik: adenin hanya berinteraksi dengan timin, sedangkan sitosin hanya berinteraksi dengan guanin. - DNA mitokondria adalah rumah bagi gen (atau urutan gen). Gen adalah urutan nukleotida yang kurang lebih panjang, dengan signifikansi biologis yang terdefinisi dengan baik. Dalam kebanyakan kasus, mereka menimbulkan protein.
SPESIFIKASI STRUKTUR DNA MITOCHONDRAL
Di luar analogi yang disebutkan di atas, DNA mitokondria manusia memiliki beberapa kekhasan struktural, yang sangat membedakannya dari DNA inti manusia.
Pertama, itu adalah molekul melingkar, sedangkan DNA nuklir adalah molekul linier.
Dengan demikian, ia memiliki 16.569 pasangan basa nitrogen, sedangkan DNA nuklir memiliki 3,3 miliar kekalahan.
Ini berisi 37 gen, sedangkan DNA nuklir tampaknya mengandung antara 20.000 dan 25.000.
Itu tidak diatur dalam kromosom, sedangkan DNA inti dibagi menjadi 23 kromosom dan bentuk, dengan beberapa protein spesifik, zat yang disebut kromatin.
Akhirnya, itu mencakup serangkaian nukleotida yang berpartisipasi dalam dua gen pada saat yang sama, sementara DNA nuklir memiliki gen yang urutan nukleotidanya terdefinisi dengan baik dan berbeda satu sama lain.
Asal
DNA mitokondria kemungkinan besar memiliki asal "bakteri".
Faktanya, berdasarkan banyak penelitian independen, ahli biologi molekuler percaya bahwa keberadaan seluler DNA mitokondria adalah hasil penggabungan, oleh sel eukariotik leluhur, organisme bakteri independen, sangat mirip dengan mitokondria.
Penemuan yang aneh ini hanya sebagian membuat kagum komunitas ilmiah, karena DNA yang ada pada bakteri umumnya berupa untaian nukleotida melingkar, seperti DNA mitokondria.
Teori yang menyatakan bahwa mitokondria dan DNA mitokondria memiliki "asal usul bakteri mengambil nama" teori endosimbiosis ", dari kata" endosimbiosis. "Secara singkat, dalam biologi, istilah" endosimbiosis "menunjukkan kolaborasi antara dua organisme, yang melibatkan "penggabungan satu ke yang lain, untuk mendapatkan keuntungan tertentu.
rasa ingin tahu
Menurut studi ilmiah yang dapat diandalkan, dalam perjalanan evolusi banyak gen bakteri, yang ada pada DNA mitokondria masa depan, akan berubah lokasi, pindah ke DNA nuklir.
Dengan kata lain, pada awal endosimbiosis, beberapa gen yang sekarang ada pada DNA inti berada di dalam DNA organisme bakteri tersebut, yang nantinya akan menjadi mitokondria.
Untuk mendukung teori yang berkaitan dengan pergeseran gen antara DNA mitokondria dan DNA nuklir, adalah pengamatan bahwa gen tertentu berasal dari DNA mitokondria, pada beberapa spesies, dan dari DNA nuklir, pada spesies lain.
Fungsi
DNA mitokondria menghasilkan enzim (yaitu protein), yang diperlukan untuk implementasi yang benar dari proses fosforilasi oksidatif yang rumit.
Instruksi untuk mensintesis enzim ini berada di 37 gen yang membentuk genom DNA mitokondria.
KODE GEN DNA MITOCHONDRAL APA: RINCIAN
37 gen kode DNA mitokondria untuk: protein, tRNA dan rRNA.
Secara khusus:
- 13 mengkodekan 13 protein yang bertanggung jawab untuk melakukan fosforilasi oksidatif
- 22 kode untuk 22 molekul tRNA
- 2 mengkodekan 2 molekul rRNA
Molekul tRNA dan rRNA sangat penting untuk sintesis 13 protein yang disebutkan di atas, karena mereka membentuk mesin yang mengatur produksinya.
Jadi, dengan kata lain, DNA mitokondria memiliki informasi untuk menghasilkan satu set protein tertentu dan alat yang diperlukan untuk sintesisnya.
Apa itu RNA, tRNA, dan rRNA?
RNA, atau asam ribonukleat, adalah asam nukleat yang memainkan peran mendasar dalam pembentukan protein, mulai dari DNA.
Umumnya beruntai tunggal, JST dapat ada dalam berbagai bentuk (atau jenis), tergantung pada fungsi spesifik yang didelegasikan.
TRNA dan rRNA adalah dua dari kemungkinan bentuk ini.
tRNA digunakan untuk menambahkan asam amino selama proses pembuatan protein.Asam amino adalah unit molekul yang membentuk protein.
rRNA membentuk ribosom, yaitu struktur seluler tempat sintesis protein berlangsung.
Untuk mengetahui secara detail JST dan fungsinya, pembaca bisa klik disini.
RINCIAN FUNGSIONAL DNA MITOCHONDRAL
Dari sudut pandang fungsional, DNA mitokondria memiliki beberapa karakteristik khusus yang membedakannya dengan jelas dari DNA inti.
Inilah yang terdiri dari karakteristik aneh ini:
- DNA mitokondria bersifat semi-independen, dalam arti memerlukan intervensi beberapa protein yang disintesis dari DNA inti.
Di sisi lain, DNA nuklir sepenuhnya otonom dan dengan sendirinya menghasilkan semua yang dibutuhkannya untuk melakukan tugasnya dengan benar. - DNA mitokondria memiliki kode genetik yang sedikit berbeda dari DNA inti. Hal ini menyebabkan sejumlah perbedaan dalam pembuatan protein: jika urutan nukleotida tertentu dalam DNA nuklir mengarah pada penciptaan protein tertentu, urutan yang sama dalam DNA mitokondria mengarah pada pembentukan protein yang sedikit berbeda.
- DNA mitokondria memiliki sangat sedikit urutan nukleotida non-coding, yaitu, mereka tidak menghasilkan protein, tRNA atau rRNA. Dalam persentase, hanya 3% DNA mitokondria yang non-coding.
Di sisi lain, DNA nukleus hanya mengkode 7%, sehingga banyak mengandung sekuens nukleotida non-coding (sebanyak 93%).
Tabel: ringkasan perbedaan antara DNA mitokondria manusia dan DNA nuklir manusia.
DNA mitokondria
DNA nuklir
- Itu melingkar
- Itu linier
- Ini memiliki 16.569 pasangan basa nitrogen di semua
- Ia memiliki total 3,3 miliar pasangan basa nitrogen
- Ini berisi 37 gen di semua
- Ini berisi antara 20.000 dan 25.000 gen
- Agar berfungsi dengan baik, diperlukan dukungan dari beberapa produk gen, yang berasal dari DNA inti
- Itu otonom dan menghasilkan dengan sendirinya segala yang dibutuhkan untuk menjalankan fungsinya dengan benar
- Itu dapat hadir dalam beberapa salinan dalam setiap mitokondria individu
- Itu unik, yaitu, hanya dalam satu salinan, dan berada di inti
- 97% dari urutan nukleotida yang menyusunnya adalah pengkodean
- Hanya 7% dari urutan nukleotida yang menyusunnya yang mengkode
- Itu tidak diatur dalam kromosom
- Ini dibagi menjadi 23 kromosom
- Ia menggunakan kode genetik yang sedikit berbeda dari, sehingga bisa dikatakan, "tradisional"
- Gunakan kode genetik "tradisional"
- Warisannya adalah ibu
- Warisannya adalah setengah dari pihak ibu dan setengah dari pihak ayah
- Beberapa nukleotidanya berpartisipasi dalam dua gen secara bersamaan
- Urutan nukleotida yang membentuk gen dibedakan dengan baik satu sama lain
Warisan
Warisan DNA mitokondria benar-benar bersifat ibu.
Ini berarti bahwa, pada sepasang orang tua, wanitalah yang mentransmisikan DNA mitokondria ke keturunannya (yaitu ke anak-anak).
Dengan cara yang benar-benar berlawanan dengan di atas, pewarisan DNA inti adalah setengah dari ibu dan setengah dari pihak ayah.Dengan kata lain, kedua orang tua memberikan kontribusi yang sama terhadap transmisi DNA inti pada keturunannya.
Tolong dicatat: pewarisan ibu dari DNA mitokondria juga melibatkan struktur mitokondria. Oleh karena itu, mitokondria yang ada pada individu adalah ibu.
Patologi terkait
Premis: Mutasi genetik adalah perubahan permanen dalam urutan nukleotida, yang membentuk gen DNA nukleus atau mitokondria.
Biasanya, adanya mutasi genetik menghasilkan "perubahan atau hilangnya fungsi normal dari gen yang terlibat.
Kehadiran mutasi pada gen DNA mitokondria dapat menyebabkan berbagai penyakit, termasuk:
- Neuropati optik herediter Leber
- Sindrom Kearns-Sayre
- Sindrom Leigh
- Defisiensi sitokrom C oksidase
- Oftalmoplegia eksternal progresif
- Sindrom Pearson
- Ensefalomiopati mitokondria dengan asidosis laktat dan episode mirip stroke (sindrom MELAS)
- Diabetes dengan tuli yang ditularkan melalui ibu
- Epilepsi mioklonik dengan serat merah tidak teratur
Mengenai kondisi patologis yang terkait dengan satu atau lebih mutasi DNA mitokondria, dua aspek perlu diklarifikasi.
Pertama, tingkat keparahan penyakit tergantung pada hubungan kuantitatif antara DNA mitokondria yang bermutasi dan DNA mitokondria normal yang sehat. Jika jumlah DNA mitokondria yang bermutasi jauh lebih banyak daripada DNA sehat, kondisi yang dihasilkan akan lebih parah.
Kedua, mutasi pada DNA mitokondria hanya mempengaruhi beberapa jaringan organisme, khususnya yang membutuhkan ATP dalam jumlah besar yang dihasilkan dari proses fosforilasi oksidatif.Hal ini dapat dimengerti: mengalami lebih dari satu kerusakan DNA mitokondria adalah sel-sel yang paling membutuhkan. fungsi yang biasanya dipenuhi oleh DNA mitokondria.
NEUROPATI OPTIK Herediter LEBER
Neuropati optik herediter Leber muncul sebagai akibat dari mutasi sebanyak empat gen DNA mitokondria. Gen-gen ini mengandung informasi yang mengarah pada sintesis yang disebut kompleks I (atau NADH oksida-reduktase), salah satu dari berbagai enzim yang terlibat dalam proses fosforilasi oksidatif.
Manifestasi patologi terdiri dari degenerasi progresif saraf optik dan kehilangan penglihatan secara bertahap.
SINDROM KEARNS-SAYRE
Sindrom Kearns-Sayre muncul karena kurangnya cukup jumlah DNA mitokondria (NB: kurangnya urutan nukleotida tertentu disebut penghapusan).
Orang dengan sindrom Kearns-Sayre mengembangkan oftalmoplegia (kelumpuhan total atau sebagian otot okulomotor), suatu bentuk retinopati dan kelainan irama jantung (blok atrioventrikular).
SINDROM LEIGH
Sindrom Leigh muncul sebagai akibat dari mutasi DNA mitokondria, yang dapat mempengaruhi protein ATP-sintase (juga disebut V-kompleks) dan / atau beberapa tRNA.
Sindrom Leigh adalah penyakit neurologis progresif, yang muncul pada masa bayi atau masa kanak-kanak dan bertanggung jawab untuk: keterlambatan perkembangan, kelemahan otot, neuropati perifer, gangguan motorik, kesulitan bernapas dan oftalmoplegia.
Defisiensi sitokrom C oksidase
Defisiensi sitokrom C oksidase terjadi karena mutasi setidaknya 3 gen DNA mitokondria. Gen-gen ini penting untuk sintesis enzim sitokrom C oksidase (atau kompleks IV) yang benar, yang terlibat dalam proses fosforilasi oksidatif.
Manifestasi khas dari defisiensi sitokrom C oksidase terdiri dari: disfungsi otot rangka, disfungsi jantung, disfungsi ginjal, dan disfungsi hati.
OPHTHALMOPLEGY EKSTERNAL PROGRESIF
Oftalmoplegia eksternal progresif muncul dari kurangnya sejumlah besar nukleotida DNA mitokondria (penghapusan)
Dengan karakter progresif (seperti yang bisa ditebak dari namanya), patologi ini menyebabkan kelumpuhan otot okulomotor, dengan konsekuensi ptosis dan masalah visual yang cukup besar.
SINDROM PEARSON
Sindrom Pearson muncul setelah penghapusan DNA mitokondria yang mencolok, dengan cara yang mirip dengan oftalmoplegia eksternal progresif dan sindrom Kearns-Sayre.
Manifestasi khas dari sindrom Pearson terdiri dari: anemia sideroblastik, disfungsi pankreas (misalnya diabetes yang bergantung pada insulin), defisit neurologis dan gangguan otot.
Sindrom Pearson biasanya menyebabkan orang yang terkena meninggal 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, muncul 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 di jaringan (dengan semua gejala yang menyertainya), masalah pernapasan, kehilangan kontrol fungsi usus, kelelahan berulang, masalah ginjal, masalah jantung, diabetes, epilepsi dan Kurang koordinasi.
PATOLOGI LAINNYA
Menurut berbagai penelitian ilmiah, penyakit seperti sindrom muntah siklik, retinitis pigmentosa, ataksia, penyakit Parkinson dan penyakit Alzheimer, juga akan melibatkan DNA mitokondria dan beberapa mutasinya.
