ミトコンドリアDNA

一般性

ミトコンドリアDNA 、またはmtDNAは、ミトコンドリア、すなわち酸化的リン酸化の非常に重要な細胞プロセスを担う真核細胞の細胞小器官の内部に存在するデオキシリボ核酸である。

ミトコンドリアDNAは、二本鎖ヌクレオチド、窒素含有塩基に関する組成、遺伝子の存在など、核DNAといくつかの類似点を有する。

しかし、それはまた、その種類の中でそれがユニークになります構造的および機能的の両方、いくつかの特殊性を持っています。 これらの特徴には以下が含まれる:ヌクレオチドの二本鎖の円形度、遺伝子の含有量(これは37要素のみである)および非コードヌクレオチド配列のほぼ完全な欠如。

ミトコンドリアDNAは細胞の生存に基本的な役割を果たします:それは酸化的リン酸化の実現に必要な酵素を生産します。

ミトコンドリアDNAとは

ミトコンドリアDNA 、またはmtDNAは、 ミトコンドリアの内側に位置するDNAです。

ミトコンドリアは、真核生物に典型的な大型の細胞小器官で、食物に含まれる化学エネルギーをATPに変換します。ATPは、細胞が使用できるエネルギーの一種です。

ミトコンドリアの構造と機能に関する想起

管状、繊維状または顆粒状の形態のうち、ミトコンドリアは細胞質内に存在し、 細胞質の体積のほぼ25%を占めている。

それらは2つのリン脂質二重層膜 、もう1つは外面、もう1つは内層を有する

外側のミトコンドリア膜として知られる最も外側の膜は、各ミトコンドリアの周囲を表し、5, 000ダルトン以下のサイズの分子に対して透過性にする輸送タンパク質(ブタのみならず)を有する。

ミトコンドリア内膜として知られる最も内側の膜は、ATP合成に必要な全ての酵素成分(または酵素)および補酵素成分を含み、そしてマトリックスと呼ばれる中央空間を画定する。

最も外側の膜とは異なり、内側のミトコンドリア膜は、その総面積を増加させる多数の陥入(いわゆる頂上)を有する

2つのミトコンドリア膜の間には、ほぼ60〜80オングストロームの間隔があります(A)。 この空間を膜間空間と呼びます 。 膜間空間は、細胞質のそれと非常に類似した組成を有する。

ミトコンドリアによって操作されるATPの合成は非常に複雑なプロセスであり、生物学者はこれを酸化的リン酸化という用語で識別する。

正確なミトコンドリアDNAの位置と量

図:ヒトのミトコンドリア

ミトコンドリアDNAは、ミトコンドリアマトリックス内 、すなわち、ミトコンドリア内膜によって区切られた空間内に存在する。

信頼できる科学的研究に基づいて、各ミトコンドリアは2から12コピーのミトコンドリアDNAを含むことができます。

人体において、いくつかの細胞はそれらの中に数千のミトコンドリアを含むことができるという事実を考慮すると、単一のヒト細胞中のミトコンドリアDNAコピーの総数は20,000単位にさえ達することができる。

注:ヒト細胞のミトコンドリアの数は細胞の種類によって異なります。 例えば、肝細胞(すなわち肝細胞)はそれぞれ1,000〜2,000のミトコンドリアを含み得るが、赤血球(すなわち赤血球)はそれらを全く含まない。

構造

ミトコンドリアDNA分子の一般構造は核DNAの一般構造、すなわち真核細胞の内に存在する遺伝的遺産に似ている。

実際、核DNAと同様に、

  • ミトコンドリアDNAは、2本の長いヌクレオチドからなるバイオポリマーです。 ヌクレオチドは、5つの炭素原子を持つ糖(DNAの場合はデオキシリボース )、 窒素塩基リン酸基の3つの要素が結合した有機分子です。
  • ミトコンドリアDNAの各ヌクレオチドは、そのデオキシリボースの炭素3とその直後のヌクレオチドリン酸基との間のホスホジエステル結合によって、同じフィラメントの次のヌクレオチドに結合する。
  • 2本のミトコンドリアDNA鎖は反対方向を有し、一方の頭部が他方の末端と相互作用し、そしてその逆もある。 この特定の配置は、 逆平行配置 (または逆平行配置 )として知られている。
  • ミトコンドリアDNAの2本のフィラメントは、窒素含有塩基を介し て互いに相互作用する

    具体的には、各フィラメントの各窒素含有塩基は、他方のフィラメント上に存在する唯一無二の窒素含有塩基と水素結合を確立する。

    この種の相互作用は、「窒素含有塩基間の対合」または「窒素含有塩基対」と呼ばれる。

  • ミトコンドリアDNAの窒素含有塩基はアデニンチミンシトシンおよびグアニンである

    これらの含窒素塩基が生じる対合はランダムではなく、非常に特異的である:アデニンはチミンとのみ相互作用し、一方シトシンはグアニンとのみ相互作用する。

  • ミトコンドリアDNAは遺伝子 (または遺伝子配列)の本拠地です。 遺伝子は、明確な生物学的意味を有する、多かれ少なかれ長いヌクレオチドの配列である。 ほとんどの場合、それらはタンパク質を生じさせる。

ミトコンドリアDNAの構造詳細

前述の類推を超えて、ヒトミトコンドリアDNAはそれをヒト核DNAとかなり区別するいくつかの構造上の特異性を有する。

第一に、それは環状分子であり 、一方核DNAは線状分子である。

このように、それは16, 569対の窒素含有塩基を持っています、一方核DNAは33億の美しさを持っています。

それは37個の遺伝子を含み、一方核DNAは20,000から25,000の間を含むように見える。

それは染色体構成されていませんが、核DNAは23の染色体に分割され、いくつかの特定のタンパク質と共にクロマチンと呼ばれる物質を形成します。

最後に、それは2つの遺伝子に同時に関与する一連のヌクレオチドを含み、一方核DNAはそのヌクレオチド配列が明確に定義されそして互いに異なる遺伝子を有する。

起源

ミトコンドリアDNAは細菌由来の可能性が非常に高いです。

実際、多数の独立した研究に基づいて、分子生物学者は、ミトコンドリアDNAの細胞内存在が、ミトコンドリアと非常によく似た、祖先の真核細胞による独立した細菌性生物の取り込みの結果であると信じている。

細菌中に存在するDNAは一般にミトコンドリアDNAのような環状ヌクレオチドのフィラメントであるので、この興味深い発見は科学界を部分的に驚かせただけである。

ミトコンドリアおよびミトコンドリアDNAが細菌起源を有するという理論は、用語「 内部共生 」から「 内部共生理論 」と呼ばれる。 手短に言えば、生物学において、用語「共生共生」は、ある利点を得るために、一方を他方の内側に取​​り込むことを含む、2つの生物間の共同作業を示す。

好奇心

信頼できる科学的研究によると、進化の過程で将来のミトコンドリアDNA上に存在する多くのバクテリア遺伝子は核DNAに移動して位置を変えたでしょう。

言い換えれば、内部共生の開始時に、核DNA上に現在存在するいくつかの遺伝子はそれらの細菌性生物のDNAに存在し、それは次にミトコンドリアになるであろう。

ある種の遺伝子はある種ではミトコンドリアDNAから、そして他の種では核DNAから由来するという理論は、ミトコンドリアDNAと核DNAの間の遺伝子シフトの理論を裏付けるものである。

機能

ミトコンドリアDNAは、酸化的リン酸化の繊細な過程を正しく実現するために必要な酵素(タンパク質)を生成します。

これらの酵素の合成のための指示は、ミトコンドリアDNAのゲノムを構成する37の遺伝子にあります。

ミトコンドリアDNAコードの遺伝子とは:詳細

ミトコンドリアDNAの37個の遺伝子は、タンパク質、tRNAおよびrRNAをコードする。

具体的には:

  • 酸化的リン酸化を実行するために責任がある13のタンパク質のための13のコード
  • 22は22分子のtRNAをコードする
  • 2 2分子のrRNAをコードする

tRNAおよびrRNA分子は、それらがそれらの産生を調節する機構を構成するので、上記13個のタンパク質の合成にとって基本的なものである。

したがって、言い換えれば、ミトコンドリアDNAは、特定のタンパク質セットを生成するための情報と後者の合成に必要なツールを持っています。

RNA、tRNA、rRNAとは何ですか?

RNA 、またはリボ核酸は、DNAから出発して、タンパク質の生成において基本的な役割を果たす核酸である。

一般的に一本鎖のRNAは、それが代理である特定の機能に応じて、様々な形態(または種類)で存在することができる。

TRNAおよびrRNAはこれらの可能な形態のうちの2つである。

TRNAは、タンパク質を製造する過程でアミノ酸を付加するために使用される。 アミノ酸タンパク質を構成する分子単位です。

rRNAはリボソーム 、すなわちタンパク質合成の基礎となる細胞構造を形成する。

RNAとその機能についてもっと知りたい方は、ここをクリックしてください。

ミトコンドリアDNAの機能詳細

機能的な観点から、ミトコンドリアDNAは核DNAと明確に区​​別されるいくつかの独特の特徴を持っています。

これらの特定の機能は次のとおりです。

  • ミトコンドリアDNAは、核DNAから合成されたいくつかのタンパク質の介入を必要とするという意味で半独立している。

    これとは対照的に、核DNAは完全に自律的であり、タスクを適切に実行するために必要なものすべてを生成します。

  • ミトコンドリアDNAは、 核DNAとはわずかに異なる遺伝暗号を持っています 。 これはタンパク質の実現において一連の相違をもたらす:核DNA中のヌクレオチドの特定の配列が特定のタンパク質の生成をもたらす場合、ミトコンドリアDNA中の同じ配列はわずかに異なるタンパク質の形成をもたらす。
  • ミトコンドリアDNAは、 非常に少数の非コードヌクレオチド配列 、すなわちタンパク質、tRNAまたはrRNAを産生しないものを有する。 百分率で言えば、ミトコンドリアDNAのわずか3%がコードしていない。

    対照的に、核DNAは7%しかコードしていないので、それは多数の非コードヌクレオチド配列(93%)を含む。

表:ヒトミトコンドリアDNAとヒト核DNAとの間の相違の要約。

ミトコンドリアDNA

核DNA

  • 円形です
  • それは線形です
  • それは合計16, 569対の窒素塩基を有する。
  • それは窒素含有塩基の合計33億ペアを持っています
  • それは全部で37の遺伝子を含みます
  • 20, 000から25, 000の遺伝子が含まれています
  • 適切に機能するためには、核DNAに由来するいくつかの遺伝子産物の支持が必要です。
  • それは自律的であり、その機能を適切に実行するために必要なすべてを生み出します
  • それは各個々のミトコンドリア内にいくつかのコピーで存在するかもしれない
  • それはユニークです、すなわちそれは1つのコピーだけにあり、そして核に存在します
  • それを構成するヌクレオチド配列の97%がコーディングされている。
  • それを構成するヌクレオチド配列のわずか7%がコードされている
  • 染色体で構成されていません
  • 23染色体に分かれています
  • 「伝統的な」ものとは少し異なる遺伝暗号を使う
  • 「伝統的な」遺伝暗号を使う
  • その相続は母方です
  • その相続は半母親と半父方です
  • そのヌクレオチドのいくつかは同時に2つの遺伝子に参加します
  • 遺伝子を構成するヌクレオチド配列は互いによく区別されています

継承

ミトコンドリアDNAの遺伝は厳密には母性です。

これは、カップルの両親の中で、ミトコンドリアDNAを子孫に伝達するのは女性であることを意味します。

上記とは全く反対に、核DNAの遺伝は、半分、母方、そして半父方である。 言い換えれば、両親は子孫における核DNAの伝達に等しく寄与している。

注:ミトコンドリアDNAの母性遺伝はミトコンドリア構造も含みます。 したがって、個体に存在するミトコンドリアは母体のかびの上にあります。

関連する病理

前提:遺伝子突然変異は、核またはミトコンドリアDNA遺伝子を構成するヌクレオチドの配列の恒久的な変化です。

一般に、遺伝的突然変異の存在は、関与する遺伝子の正常機能の変化または喪失をもたらす。

ミトコンドリアDNA遺伝子のレベルでの突然変異の存在は、以下を含む広範囲の病気を決定することができます:

  • レバーの遺伝性視神経症
  • カーンズ - セイヤー症候群
  • リー症候群
  • チトクロームCオキシダーゼ欠損症
  • 進行性外眼筋麻痺
  • ピアソン症候群
  • 乳酸アシドーシスと脳卒中様発作を伴うミトコンドリア脳筋症(MELAS症候群)
  • 母親の伝染性難聴を伴う糖尿病
  • 不規則な赤色線維を伴うミオクローヌスてんかん

1つ以上のミトコンドリアDNA変異に関連する病理学的状態に関して、2つの側面が特定されなければならない。

第一に、病的状態の重症度は、変異したミトコンドリアDNAと健康な正常なミトコンドリアDNAとの間の量的関係に依存する。 変異したミトコンドリアDNAの数が健康なDNAの数よりはるかに多い場合、結果として生じる状態はより深刻になります。

第二に、ミトコンドリアDNAの変異は、体内の特定の組織、特に酸化的リン酸化のプロセスから生じる大量のATPを必要とする組織にのみ影響を与えます。 これは非常に理解できます:ミトコンドリアDNAが通常果たす機能の最大の必要性を持っている細胞は、機能不全のミトコンドリアDNAによって最も影響を受けます。

Leberの多発性視神経症

Leberの遺伝性視神経症は、最大4つのミトコンドリアDNA遺伝子の突然変異によって起こります。 これらの遺伝子は、酸化的リン酸化の過程に関与する様々な酵素の一つである、いわゆる複合体I(またはNADHオキシドレダクターゼ)の合成を導く情報を含む。

病状の発現は、視神経の進行性の変性および漸進的な視力喪失にある。

KEARNS-SAYRE症候群

Kearns-Sayre症候群は、ミトコンドリアDNAの不連続部分の欠如のために現れる(注意:特定のヌクレオチド配列の欠如は欠失と呼ばれる)。

Kearns-Sayre症候群の患者は、 筋麻痺(すなわち、眼球運動筋の全体的または部分的麻痺)、網膜症の形態および異常な心調律(房室ブロック)を発症する。

リー症候群

リー症候群はミトコンドリアDNAの突然変異の結果として起こり、それはATPシンターゼタンパク質(V複合体とも呼ばれる)および/またはいくつかのtRNAを含み得る。

リー症候群は、乳児期または小児期に発症する進行性の神経疾患で、発達遅滞、筋力低下、末梢神経障害、運動障害、呼吸困難および眼筋麻痺などの原因となります。

チトクロムコオキシダーゼの欠損

チトクロームCオキシダーゼ欠損症は、少なくとも3つのミトコンドリアDNA遺伝子の突然変異に起因しているようです。 これらの遺伝子は、酸化的リン酸化の過程に関与するシトクロムCオキシダーゼ(または複合体IV)酵素の正しい合成のための基本である。

シトクロムCオキシダーゼ欠損症の典型的な症状は、骨格筋機能障害、心臓機能障害、腎機能障害および肝機能障害からなる。

プログレッシブ外部眼科

進行性外眼筋麻痺は、相当数のミトコンドリアDNAヌクレオチドが欠如しているために起こる(欠失)。

(あなたが名前から推測することができるように)進歩的な性格で、この病理は眼球運動筋の麻痺を引き起こし、その結果、眼瞼下垂とかなりの視覚的な問題を伴います。

ピアソン症候群

ピアソン症候群は、進行性外眼筋麻痺およびKearns-Sayre症候群と同様に、ミトコンドリアDNAの大きな欠失の後に現れる。

ピアソン症候群の典型的な症状は、鉄芽球性貧血、膵臓機能障害(例、インスリン依存性糖尿病)、神経学的障害および筋肉障害からなる。

一般に、ピアソン症候群は、若い年齢で罹患した対象の死亡を引き起こす。 実際には、この病理学の影響を受ける人々が成人期に達することはめったにありません。

メラス症候群

乳酸アシドーシスおよび脳卒中様発作を伴うミトコンドリア脳筋症としても知られるMELAS症候群は、少なくとも5つのミトコンドリアDNA遺伝子の突然変異の結果として起こる。

これらの遺伝子は、NADHオキシドレダクターゼ、または複合体I、およびいくつかのtRNAの合成に寄与する。

MELAS症候群は、神経学的障害、筋肉障害、組織中の乳酸の異常な蓄積(全ての結果として生じる症状を伴う)、呼吸器系の問題、腸機能の制御の喪失、再発性疲労、腎臓の問題、心臓の問題、糖尿病を含む。てんかんと協調の欠如。

他の病態

いくつかの科学的研究によれば、周期性嘔吐症候群、網膜色素変性症、運動失調症、パーキンソン病およびアルツハイマー病などの疾患でさえ、ミトコンドリアDNAおよびいくつかの変異が関与していると思われる。

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