DNA mitocondrial

generalidade

O DNA mitocondrial, ou mtDNA, é o ácido desoxirribonucleico que reside dentro da mitocôndria, isto é, as organelas das células eucarióticas, responsáveis ​​pelo importantíssimo processo celular da fosforilação oxidativa.

O DNA mitocondrial tem algumas semelhanças com o DNA nuclear, como a dupla cadeia nucleotídica, a composição em termos de bases nitrogenadas, a presença de genes, etc.

No entanto, também apresenta algumas peculiaridades, tanto estruturais quanto funcionais, que o tornam único em seu gênero. Essas peculiaridades incluem: a circularidade da dupla cadeia nucleotídica, o conteúdo dos genes (que são apenas 37 elementos) e a quase total ausência de sequências nucleotídicas não codificantes.

O DNA mitocondrial desempenha uma função fundamental para a sobrevivência celular: produz as enzimas necessárias para a realização da fosforilação oxidativa.

O que é DNA mitocondrial?

O DNA mitocondrial, ou mtDNA, é o DNA localizado dentro da mitocôndria .

As mitocôndrias são aquelas grandes organelas celulares, típicas de organismos eucarióticos, que convertem a energia química contida nos alimentos em ATP, que é uma forma de energia que pode ser explorada pelas células.

RECORDA SOBRE A ESTRUTURA E FUNCIONAMENTO DO MITOCONDRI

Tubular, filamentosa ou granular, as mitocôndrias residem no citoplasma, ocupando quase 25% do volume destas últimas.

Eles têm duas membranas de camada dupla fosfolipídicas, uma mais externa e outra interna.

A membrana externa, conhecida como membrana mitocondrial externa, representa o perímetro de cada mitocôndria e possui proteínas de transporte (porinas e não apenas), que a tornam permeável a moléculas de 5.000 daltons ou menos.

A membrana mais interna, conhecida como membrana mitocondrial interna, contém todos os componentes enzimáticos (enzimas) e coenzimáticos necessários para a síntese do ATP e delimita um espaço central, chamado de matriz .

Ao contrário da membrana mais externa, a membrana mitocondrial interna apresenta numerosas invaginações - as chamadas cristas - que aumentam sua área total.

Entre as duas membranas mitocondriais, existe um espaço de quase 60-80 Angstroms (A). Este espaço leva o nome de um espaço intermembranoso . O espaço intermembranar tem uma composição muito semelhante à do citoplasma.

A síntese de ATP, realizada pelas mitocôndrias, é um processo muito complexo, que os biólogos identificam com o termo fosforilação oxidativa .

ESCRITÓRIO PRECISO DE DNA MITOCONDRIAL E QUANTIDADE

Figura: uma mitocôndria humana.

O DNA mitocondrial reside na matriz mitocondrial, ou seja, no espaço delimitado pela membrana mitocondrial interna.

Com base em estudos científicos confiáveis, cada mitocôndria pode conter de 2 a 12 cópias do DNA mitocondrial.

Dado o fato de que, no corpo humano, algumas células podem conter milhares de mitocôndrias dentro delas, o número total de cópias de DNA mitocondrial, em uma única célula humana, pode chegar a 20.000 unidades.

Nota: o número de mitocôndrias nas células humanas varia dependendo do tipo de célula. Por exemplo, os hepatócitos (ou seja, células do fígado) podem conter entre 1.000 e 2.000 mitocôndrias cada, enquanto os eritrócitos (ou seja, os glóbulos vermelhos) estão totalmente livres deles.

estrutura

A estrutura geral de uma molécula de DNA mitocondrial lembra a estrutura geral do DNA nuclear, ou seja, a herança genética presente no núcleo das células eucarióticas.

De fato, análogo ao DNA nuclear:

  • O DNA mitocondrial é um biopolímero que consiste em duas longas cadeias de nucleotídeos . Os nucleotídeos são moléculas orgânicas, resultantes da união de três elementos: um açúcar com 5 átomos de carbono (no caso do DNA, desoxirribose ), uma base nitrogenada e um grupo fosfato .
  • Cada nucleotídeo do DNA mitocondrial liga-se ao próximo nucleotídeo do mesmo filamento, por meio de uma ligação fosfodiéster entre o carbono 3 de sua desoxirribose e o grupo fosfato do nucleotídeo imediatamente a seguir.
  • Os dois filamentos de DNA mitocondrial têm orientação oposta, com a cabeça de um interagindo com o final do outro e vice-versa. Este arranjo particular é conhecido como um arranjo antiparalelo (ou orientação antiparalela ).
  • Os dois filamentos do DNA mitocondrial interagem entre si, usando as bases nitrogenadas .

    Especificamente, cada base nitrogenada de cada filamento estabelece ligações de hidrogênio com uma e apenas uma base nitrogenada, presente no outro filamento.

    Esse tipo de interação é chamado de "emparelhamento de bases nitrogenadas" ou "par de bases nitrogenadas".

  • As bases nitrogenadas do DNA mitocondrial são adenina, timina, citosina e guanina .

    O emparelhamento em que essas bases nitrogenadas dão origem não é aleatório, mas altamente específico: a adenina interage apenas com a timina, enquanto a citosina interage apenas com a guanina.

  • O DNA mitocondrial é o lar de genes (ou sequências genéticas). Os genes são seqüências de nucleotídeos mais ou menos longos, com um significado biológico bem definido. Na maioria dos casos, eles dão origem a proteínas.

DETALHES ESTRUTURAIS DO DNA MITOCONDRIAL

Além das analogias supracitadas, o DNA mitocondrial humano apresenta algumas peculiaridades estruturais, que o distinguem consideravelmente do DNA nuclear humano.

Primeiro de tudo, é uma molécula circular, enquanto o DNA nuclear é uma molécula linear.

Assim, possui 16.569 pares de bases nitrogenadas, enquanto o DNA nuclear possui a beleza de 3, 3 bilhões.

Ele contém 37 genes, enquanto o DNA nuclear parece conter entre 20.000 e 25.000.

Não está organizado nos cromossomos, enquanto o DNA nuclear é subdividido em 23 cromossomos e forma, com algumas proteínas específicas, uma substância chamada cromatina.

Finalmente, inclui uma série de nucleotídeos que participam de dois genes simultaneamente, enquanto o DNA nuclear possui genes cujas seqüências de nucleotídeos são bem definidas e distintas entre si.

origem

É muito provável que o DNA mitocondrial tenha uma origem bacteriana .

De fato, com base em inúmeros estudos independentes, os biólogos moleculares acreditam que a presença celular do DNA mitocondrial é o resultado da incorporação, por células eucarióticas ancestrais, de organismos bacterianos independentes, muito semelhantes às mitocôndrias.

Essa descoberta curiosa só surpreendeu a comunidade científica, já que o DNA presente nas bactérias é geralmente um filamento de nucleotídeos circulares, como o DNA mitocondrial.

A teoria de que as mitocôndrias e o DNA mitocondrial têm origem bacteriana é chamada de " teoria endossimbiótica ", da palavra " endossimbiose ". Resumidamente, na biologia, o termo "endossimbiose" indica uma colaboração entre dois organismos, que envolve a incorporação de um dentro do outro, a fim de obter uma certa vantagem.

curiosidade

De acordo com estudos científicos confiáveis, no decorrer da evolução, muitos genes bacterianos, presentes no futuro DNA mitocondrial, teriam mudado de localização, entrando no DNA nuclear.

Em outras palavras, no início da endossimbiose, alguns genes agora presentes no DNA nuclear residiam no DNA desses organismos bacterianos, que mais tarde se tornaria a mitocôndria.

Para apoiar a teoria de uma mudança de gene entre o DNA mitocondrial e o DNA nuclear, está a observação de que certos genes derivam do DNA mitocondrial, em algumas espécies, e do DNA nuclear, em outros.

função

O DNA mitocondrial produz as enzimas (ou seja, proteínas), necessárias para a correta realização do delicado processo de fosforilação oxidativa.

As instruções para a síntese dessas enzimas residem nos 37 genes que compõem o genoma do DNA mitocondrial.

O QUE CODIFICAM OS GENES DO DNA MITOCONDRIAL: OS DETALHES

Os 37 genes do DNA mitocondrial codificam para: proteínas, tRNA e rRNA.

Especificamente:

  • 13 codificam 13 proteínas responsáveis ​​pela realização da fosforilação oxidativa
  • 22 código para 22 moléculas de RNAt
  • 2 código para 2 moléculas de rRNA

As moléculas de RNAt e RNAr são fundamentais para a síntese das 13 proteínas supracitadas, pois compõem o maquinário que regula sua produção.

Então, em outras palavras, o DNA mitocondrial tem a informação para produzir um certo conjunto de proteínas e as ferramentas necessárias para a síntese das últimas.

O que são RNA, tRNA e rRNA?

O RNA, ou ácido ribonucleico, é o ácido nucléico que desempenha um papel fundamental na geração de proteínas, a partir do DNA.

Geralmente de cadeia simples, o RNA pode existir em várias formas (ou tipos), dependendo da função específica à qual é delegado.

O tRNA e rRNA são duas dessas formas possíveis.

O tRNA é usado para adicionar aminoácidos durante o processo de criação de proteínas. Os aminoácidos são as unidades moleculares que compõem as proteínas.

O rRNA forma os ribossomos, ou seja, as estruturas celulares nas quais a síntese proteica está localizada.

Para saber mais sobre o RNA e suas funções, os leitores podem clicar aqui.

DETALHES FUNCIONAIS DO DNA MITOCONDRIAL

Do ponto de vista funcional, o DNA mitocondrial tem algumas características peculiares que o distinguem claramente do DNA nuclear.

Aqui está o que essas características peculiares consistem em:

  • O DNA mitocondrial é semi-independente, no sentido de que requer a intervenção de algumas proteínas sintetizadas a partir do DNA nuclear.

    Por outro lado, o DNA nuclear é completamente autônomo e produz para si tudo o que precisa para desempenhar suas tarefas adequadamente.

  • O DNA mitocondrial tem um código genético ligeiramente diferente do DNA nuclear . Isso leva a um número de diferenças na produção de proteínas: se uma certa seqüência de nucleotídeos no DNA nuclear leva à criação de uma certa proteína, a mesma seqüência no DNA mitocondrial leva à formação de uma proteína ligeiramente diferente.
  • O DNA mitocondrial possui pouquíssimas seqüências de nucleotídeos não codificantes, ou seja, não produzem nenhuma proteína, tRNA ou rRNA. Em termos percentuais, apenas 3% do DNA mitocondrial é não-codificante.

    Pelo contrário, o DNA nuclear é apenas 7% de codificação, por isso contém um grande número de sequências nucleotídicas não codificantes (até 93%).

Tabela: resumo das diferenças entre o DNA mitocondrial humano e o DNA nuclear humano.

DNA mitocondrial

DNA nuclear

  • É circular
  • É linear
  • Tem um total de 16.569 pares de bases nitrogenadas
  • Tem um total de 3, 3 bilhões de pares de bases nitrogenadas
  • Contém um total de 37 genes
  • Contém entre 20.000 e 25.000 genes
  • Para funcionar adequadamente, precisa do apoio de alguns produtos gênicos, derivados do DNA nuclear
  • É autônomo e produz para si tudo o que precisa para cumprir adequadamente suas funções.
  • Pode estar presente em várias cópias dentro de cada mitocôndria
  • É único, isto é, está em uma única cópia e reside no núcleo
  • 97% da sequência de nucleotídeos que a compõem é codificação
  • Apenas 7% da sequência de nucleotídeos que a compõem é a codificação
  • Não está organizado em cromossomos
  • Está dividido em 23 cromossomas
  • Use um código genético ligeiramente diferente do que, por assim dizer, "tradicional"
  • Use o código genético "tradicional"
  • Sua herança é materna
  • Sua herança é metade materna e meio paterna
  • Alguns de seus nucleotídeos participam de dois genes ao mesmo tempo
  • As seqüências de nucleotídeos que compõem os genes são bem distintas umas das outras

herança

A herança do DNA mitocondrial é estritamente materna .

Isso significa que, em alguns pais, é a mulher que transmite o DNA mitocondrial aos filhos (ou seja, os filhos).

De um modo completamente oposto ao acima mencionado, a herança do DNA nuclear é metade materna e meio paterna. Em outras palavras, ambos os pais contribuem igualmente para a transmissão do DNA nuclear na prole.

Nota: a herança materna do DNA mitocondrial envolve também a estrutura mitocondrial. Assim, as mitocôndrias presentes em um indivíduo estão em uma base materna.

Doenças associadas

Premissa: Uma mutação genética é uma mudança permanente na sequência de nucleotídeos, que constituem um gene de DNA nuclear ou mitocondrial.

Geralmente, a presença de uma mutação genética leva a uma alteração ou perda da função normal do gene envolvido.

A presença de mutações nos genes do DNA mitocondrial pode determinar uma ampla gama de patologias, incluindo:

  • Neuropatia óptica hereditária de Leber
  • Síndrome de Kearns-Sayre
  • Síndrome de Leigh
  • Deficiência de citocromo C oxidase
  • Oftalmoplegia externa progressiva
  • Síndrome de Pearson
  • Encefalomiopatia mitocondrial com acidose láctica e episódios de acidente vascular cerebral (síndrome de MELAS)
  • Diabetes com surdez de transmissão materna
  • Epilepsia mioclônica com fibras vermelhas irregulares

Em relação às condições patológicas relacionadas a uma ou mais mutações no DNA mitocondrial, dois aspectos precisam ser apontados.

Primeiro, a gravidade do estado mórbido depende da relação quantitativa entre o DNA mitocondrial mutado e o DNA mitocondrial normal e saudável. Se o número de DNAs mitocondriais mutados for muito maior que o do DNA saudável, a condição resultante será mais grave.

Em segundo lugar, as mutações do DNA mitocondrial têm efeitos apenas em alguns tecidos do organismo, em particular aqueles que requerem grandes quantidades de ATP decorrentes do processo de fosforilação oxidativa. Isso é perfeitamente compreensível: sofrer mais do que um mau funcionamento do DNA mitocondrial são as células que mais necessitam da função para a qual o DNA mitocondrial se comporta normalmente.

NEUROPATIA ÓPTICA HEREDITÁRIA DE LEBER

A neuropatia óptica hereditária de Leber surge devido à mutação de até quatro genes de DNA mitocondrial. Esses genes contêm as informações que levam à síntese do chamado complexo I (ou NADH óxido-redutase), uma das várias enzimas envolvidas no processo de fosforilação oxidativa.

As manifestações da doença consistem em degeneração progressiva do nervo óptico e perda gradual da visão.

SÍNDROME DE KEARNS-SAYRE

A síndrome de Kearns-Sayre aparece devido à falta de uma parte discreta do DNA mitocondrial (NB: a falta de uma certa seqüência de nucleotídeos é chamada de deleção ).

Aqueles que sofrem da síndrome de Kearns-Sayre desenvolvem oftalmoplegia (isto é, paralisia total ou parcial dos músculos oculomotores), uma forma de retinopatia e anormalidades do ritmo cardíaco (bloqueio atrioventricular).

SÍNDROME DE LEIGH

A síndrome de Leigh ocorre após mutações do DNA mitocondrial, que podem afetar a proteína ATP-sintase (também chamada de complexo V) e / ou alguns tRNAs.

A síndrome de Leigh é uma doença neurológica progressiva que ocorre durante a infância ou a infância e é responsável por: atraso no desenvolvimento, fraqueza muscular, neuropatia periférica, distúrbios motores, dificuldades respiratórias e oftalmoplegia.

Défice de CITOCROMO C OSSIDASI

A deficiência de citocromo C oxidase aparece devido à mutação de pelo menos 3 genes de DNA mitocondrial. Esses genes são essenciais para a síntese correta da enzima citocromo C oxidase (ou complexo IV), envolvida no processo de fosforilação oxidativa.

Manifestações típicas da deficiência da citocromo C oxidase consistem em: disfunção do músculo esquelético, disfunção cardíaca, disfunção renal e disfunção hepática.

OFALMOPLEGIA EXTERNA PROGRESSIVA

Oftalmoplegia externa progressiva surge da falta de um número substancial de nucleotídeos do DNA mitocondrial (deleção)

A partir do caráter progressivo (como você pode imaginar a partir do nome), esta patologia provoca paralisia dos músculos oculomotores, resultando em ptose e problemas visuais significativos.

SÍNDROME DE PEARSON

A síndrome de Pearson aparece após uma deleção conspícua do DNA mitocondrial, semelhante à oftalmoplegia externa progressiva e à síndrome de Kearns-Sayre.

As manifestações típicas da síndrome de Pearson consistem em: anemia sideroblástica, disfunção pancreática (por exemplo, diabetes insulino-dependente), déficits neurológicos e distúrbios musculares.

Normalmente, a síndrome de Pearson causa a morte do indivíduo afetado em uma idade jovem. Não raro, os afetados por essa patologia atingem a idade adulta.

SÍNDROME DE MELAS

A síndrome de MELAS, também conhecida como encefalomiopatia mitocondrial com acidose láctica e episódios de acidente vascular cerebral, ocorre devido à mutação de pelo menos 5 genes de DNA mitocondrial.

Esses genes contribuem para a síntese da NADH óxido-redutase, ou complexo I, e alguns tRNAs.

A síndrome MELAS envolve a presença de distúrbios neurológicos, distúrbios musculares, acúmulo incomum de ácido láctico nos tecidos (com todos os sintomas que se seguem), problemas respiratórios, perda do controle das funções intestinais, fadiga recorrente, problemas renais, problemas cardíacos, diabetes., epilepsia e falta de coordenação.

OUTRAS PATOLOGIAS

De acordo com vários estudos científicos, mesmo doenças como vômito cíclico, retinite pigmentosa, ataxia, doença de Parkinson e doença de Alzheimer, veriam o envolvimento do DNA mitocondrial e algumas de suas mutações.

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