Mitochondrial DNA (Deutsch)

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Struktur und Eigenschaften

Die mitochondriale DNA unterscheidet sich genetisch von der im Kern. Die gesamte genetische Information in Mitochondrien wird als mitochondriales Genom oder Mitogenom bezeichnet. In den meisten vielzelligen Eukaryoten ist das Mitogenom als zirkuläre DNA organisiert, während in den meisten einzelligen Eukaryoten das Mitogenom als lineare DNA organisiert ist., Bei Säugetieren ist die mitochondriale DNA eine doppelsträngige zirkuläre DNA. Einer der beiden Stränge ist reich an Guanin und wird als der schwere Strang (oder H-Strang) bezeichnet. Der andere Strang ist reich an Cytosin und wird als Lichtstrang (oder L-Strang) bezeichnet. Es ist bekannt, dass der H-Strang 9 Gene kodiert, während der L-Strang 28 Gene kodiert, also für insgesamt 37 Gene. Das Mitogenom des Säugetiers kodiert für 13 Proteine, 22 tRNA und 2 für rRNA., Da ein Mitochondrium sein eigenes genetisches Material hat und in der Lage ist, seine eigenen RNAs und Proteine herzustellen, soll es eine halbautonome, sich selbst reproduzierende zytoplasmatische Struktur sein.

Mitochondriale DNA vs. Chloroplasten-DNA vs. Kern-DNA

Sowohl mtDNA als auch cpDNA sind extranukleäre DNA. Sie sind halbautonome, sich selbst reproduzierende zytoplasmatische Struktur mit ihrem eigenen genetischen System. Es wird angenommen, dass beide mütterlich vererbt sind und endosymbiotischen Ursprungs sind., In den meisten vielzelligen Zellen sind sowohl cpDNA als auch mtDNA als zirkuläre DNA ähnlich der prokaryotischen DNA organisiert und unterstützen somit die Theorie der Endosymbiose. cpDNA ist jedoch größer und komplexer als mtDNA.3 cpDNA hat ungefähr 120 Gene, während mtDNA ungefähr 37 Gene hat. Beide kodieren für Proteine und RNAs, die für ihre Funktionen lebenswichtig sind. Zum Beispiel kodiert mtDNA für Proteine der Elektronentransportkette, die an der aeroben Atmung (ATP-Synthese) beteiligt sind. cpDNA wiederum kodiert für Proteine, die für die Photosynthese essentiell sind.,

Im Gegensatz zur Kern-DNA treten sowohl mtDNA als auch cpDNA in mehreren Kopien auf, da in einer Zelle mehrere Chloroplasten und Mitochondrien vorkommen. Eine Zelle enthält oft Tausende von Kopien von mtDNA und cpDNA. Nukleare DNAs werden durch Histone zu Chromatinstrukturen verdichtet. Während Mitose und Meiose trennen sich Mitochondrien und Chloroplasten zufällig. So trennt sich ihr genetisches Material zufällig auch in neue Tochterzellen., 4

Mitochondrialen DNA-Vererbung

Das Mitochondrium (plural: Mitochondrien) ist eine organelle, die ist bekannt als das Kraftpaket der Zelle. Es ist, weil es die Organelle ist, die den größten Teil der Versorgung der Zelle mit Adenosintriphosphat (ATP) durch den Prozess der Zellatmung erzeugt. Das Mitochondrium hat äußere und innere Membranen., Der Raum innerhalb der inneren Membran wird als mitochondriale Matrix bezeichnet. Die Matrix enthält Enzyme, Mitoribosomen und genetisches Material, d.h. tRNA und DNA. Im Gegensatz zu nuklearer DNA, die von beiden Elternteilen vererbt wird, wird die mtDNA hauptsächlich von der Eizelle der Mutter vererbt. Dennoch gab es bestimmte Fälle von väterlicher Vererbung des mitochondrialen Genoms beim Menschen, die beschrieben wurden5. Der seltene Zustand, in dem die Mitogenome beider Elternteile vererbt werden, wird als mtDNA-Heteroplasmie bezeichnet. In den meisten Fällen ist die mtDNA eines Nachwuchses mütterlichen Ursprungs., Die Samenzelle hat Mitochondrien in ihrem Mittelstück. Diese Mitochondrien treiben das Flagellum an, während die Samenzelle in die Eizelle schwimmt. Bei der Befruchtung verlässt das Sperma jedoch sein Mittelstück und sein Flagellum, während sein Kopf, der die Kern-DNA enthält, in die Eizelle eindringt. Die Plasmamembran des Spermas verschmilzt mit der Plasmamembran der Eizelle. Dies ermöglicht es der väterlichen Kern-DNA, sich mit der Kern-DNA der Eizelle zu vereinigen. Folglich würde die mitochondriale DNA der Eizelle dann von der sich entwickelnden Zygote erworben werden.,
Mitochondriale Vererbung ist eine nicht-mendelsche, was bedeutet, es entspricht nicht den mendelschen Gesetzen der Vererbung. Im Allgemeinen hat die menschliche Eizelle durchschnittlich 200.000 mtDNA-Moleküle. Mutationen in der mitochondrialen DNA könnten zu genetischen Störungen führen, die als mitochondriale Erkrankungen bezeichnet werden.,

Common Biological Reactions

DNA Replication

DNA replication is a process whereby the original (parent) strands of DNA in the double helix are separated and each one is copied to produce a new (daughter) strand., Ähnlich wie bei der nuklearen DNA-Replikation ist der Prozess halbkonservativ, da einer jedes Elternstrangs konserviert ist und nach der Replikation intakt bleibt. DNA-Polymerasen sind ebenfalls beteiligt. Andere Proteine, die an der Replikation von mitochondrialer DNA beteiligt sind, sind Twinkle (eine Helicase, die vom TWNK-Gen codiert wird) und mitochondriale SSB-Proteine. Diese Proteine werden jedoch von den Kerngenen kodiert. Somit wird die mitochondriale Replikation durch Kerngene gesteuert.

Transkription

DNA trägt die genetische Information, die für ein bestimmtes Protein kodiert., Somit wird während der Proteinübersetzung zuerst der genetische Code für ein Protein in die RNA (insbesondere mRNA) kopiert. Dieser Prozess der Erzeugung einer Kopie von DNA in mRNA mit Hilfe des Enzyms RNA-Polymerase wird als Transkription bezeichnet. In der mitochondrialen Transkription beim Menschen wird es von den drei Promotoren initiiert: Schwerer Strang 1-Promotor, schwerer Strang 2-Promotor und leichter Strang-Promotor. Die Transkription auf dem schweren Strang erzeugt eine polyzistronische mRNA, eine Art mRNA, die für mehr als ein Polypeptid im selben RNA-Molekül kodiert., Die Arten von Proteinen, die die mitochondriale Transkription initiieren, sind: mitochondriale RNA-Polymerase (POLRMT), mitochondrialer Transkriptionsfaktor A (TFAM), mitochondriale Transkriptionsfaktoren B1 (TFB1M) und mitochondriale Transkriptionsfaktoren B2 (TFB2M). POLRMT, TFAM und TFB1M (oder TFB2M) beginnen die Transkription an den mitochondrialen Promotoren.

mtDNA-Reparatur

Änderungen der Nukleotidsequenz in der Kern-DNA werden durch zwei Hauptmodi repariert: (1) durch die direkte Umkehrung des chemischen Prozesses, der den Schaden verursacht hat, und (2) durch den Ersatz beschädigter stickstoffhaltiger Basen., Bei der mitochondrialen DNA-Reparatur wird ein einzigartiger Mechanismus vorgeschlagen. Die mtDNA-Integrität wird durch den Abbau übermäßig geschädigter Genome aufrechterhalten, gefolgt von der Replikation einer intakten mtDNA.6

Mitochondriale Erkrankungen und Störungen

Deletionen und Mutationen in der mtDNA sind weitgehend auf die Anfälligkeit der Nukleinsäure für freie Radikale zurückzuführen. Die resultierenden Proteine führen zu einer weiteren Radikal-Bildung. Zu gegebener Zeit könnte dies zu altersbedingten degenerativen Erkrankungen wie koronarer Herzkrankheit, Parkinson-Krankheit, Alzheimer-Krankheit usw. führen., Es gibt auch Fälle, in denen dysfunktionelle mtDNA vererbt wird und mitochondriale Erkrankungen verursacht.,hondrial myopathy

diabetes mellitus and deafness (DAD)

Leber hereditary optic neuropathy (LHON)

Leigh syndrome

Neuropathy, ataxia, retinitis pigmentosa, and ptosis (NARP)

Myoneurogenic gastrointestinal encephalopathy (MNGIE)

Myoclonic Epilepsy with Ragged Red Fibers (MERRF)

Mitochondrial myopathy, encephalomyopathy, lactic acidosis, stroke-like symptoms (MELAS)

Mitochondrial neurogastrointestinal encephalomyopathy (MNGIE)

Biological Function

MtDNA encodes for proteins essential to proper metabolism., Zum Beispiel kodiert es für die Proteine in der Elektronentransportkette, wie NADH-Dehydrogenase, Cytochrom b, Cytochrom c-Oxidase und ATP-Synthase). Die humane mtDNA kodiert für ein Mikropeptid Humanin, das, wenn es innerhalb des Mitochondriums synthetisiert wird, durch das MT-RNR2-Gen und 21 Aminosäuren lang kodiert wird. Das Mitogenom kodiert auch für 12S rRNA und 16S rRNA, speziell durch das MT-RNR1-Gen und das MT-RNR2-Gen im L-Strang. Mitogenom kodiert auch für tRNAs.,