DNA MITOKONDRIA: CIRI, FUNGSI, PEWARISAN, PENYAKIT - BIOLOGI - 2025

The DNA mitokondria adalah molekul DNA melingkar kecil yang terletak di dalam organel ini dalam sel eukariotik. Genom kecil ini mengkode sejumlah kecil protein dan asam amino di dalam mitokondria. Sangat umum untuk menemukan nama "DNA mitokondria" disingkat di banyak buku teks dan artikel ilmiah sebagai "mtDNA" atau dalam bahasa Inggris "mtDNA".

Mitokondria adalah organel penting untuk sel eukariotik, karena mereka bertanggung jawab untuk mengubah energi dari makanan yang dikonsumsi dalam bentuk gula menjadi bentuk energi yang dapat digunakan sel (ATP, misalnya).

DNA mitokondria (Sumber? Institut Penelitian Genom Manusia Nasional, melalui Wikimedia Commons)

Semua sel dalam organisme eukariotik memiliki setidaknya satu mitokondria di dalamnya. Namun, ada sel seperti sel otot jantung dan sel otot rangka yang dapat memiliki ratusan mitokondria di dalamnya.

Mitokondria memiliki peralatan sintesis proteinnya sendiri yang tidak bergantung pada peralatan sel, dengan ribosom, RNA transfer, dan RNA aminoasil transferase-sintetase dari bagian dalam organel; meskipun RNA ribosom lebih kecil dari pada sel yang menampungnya.

Alat tersebut menunjukkan kemiripan yang besar dengan alat sintesis protein bakteri. Selain itu, seperti pada prokariota, alat ini sangat sensitif terhadap antibiotik, tetapi sangat berbeda dari sintesis protein dalam sel eukariotik.

Istilah "mitokondria" diperkenalkan oleh Benda pada akhir abad ke-12 dan teori "endosimbiosis" adalah yang paling diterima secara luas tentang asalnya. Ini diterbitkan pada tahun 1967 oleh Lynn Margulis, dalam Journal of Theoretical Biology.

Teori "endosimbiosis" menempatkan asal mula mitokondria jutaan tahun yang lalu. Diteorikan bahwa nenek moyang seluler dari sel eukariotik "menelan" dan memasukkan organisme mirip bakteri ke dalam metabolismenya, yang kemudian menjadi apa yang sekarang kita kenal sebagai mitokondria.

karakteristik

Pada mamalia, umumnya seluruh genom yang terdiri dari DNA mitokondria diatur dalam kromosom melingkar yang terdiri dari 15.000 hingga 16.000 pasang nukleotida atau, yang sama, 15 hingga 16 Kb (kilobase).

Di dalam sebagian besar mitokondria, Anda bisa mendapatkan banyak salinan dari kromosom mitokondria. Dalam sel somatik manusia (sel non-kelamin), biasanya ditemukan setidaknya 100 salinan kromosom mitokondria.

Pada tumbuhan tingkat tinggi (angiospermae) DNA mitokondria biasanya jauh lebih besar, misalnya pada tumbuhan jagung kromosom melingkar dari DNA mitokondria dapat berukuran hingga 570 Kb.

DNA mitokondria menempati sekitar 1% dari total DNA sel somatik kebanyakan hewan vertebrata. Ini adalah DNA yang sangat terlestarikan di kerajaan hewan, bertentangan dengan apa yang diamati pada tumbuhan, di mana terdapat keragaman yang luas.

Dalam beberapa sel eukariotik "raksasa" seperti ovula (sel kelamin betina) mamalia atau dalam sel yang mengandung banyak mitokondria, DNA mitokondria dapat membuat hingga 1/3 dari total DNA seluler.

DNA mitokondria memiliki beberapa sifat yang berbeda dari DNA inti: ia memiliki kepadatan dan rasio pasangan basa guanin-sitosin (GC) dan adenin-timin (AT) yang berbeda.

Kepadatan pasangan basa GC dalam DNA mitokondria adalah 1,68 g / cm3 dan kandungannya 21%; sedangkan pada DNA inti densitasnya adalah 1,68 g / cm3 dan kandungannya sekitar 40%.

fitur

DNA mitokondria memiliki setidaknya 37 gen yang penting untuk fungsi normal mitokondria. Dari 37 tersebut, 13 memiliki informasi untuk menghasilkan enzim yang terlibat dalam fosforilasi oksidatif.

13 gen ini mengkodekan 13 komponen polipeptida dari kompleks enzim yang termasuk dalam rantai transpor elektron dan terletak di membran dalam mitokondria.

Terlepas dari 13 polipeptida yang disumbangkan oleh DNA mitokondria pada rantai transpor elektron, ia terdiri dari lebih dari 100 polipeptida yang berbeda. Namun, 13 komponen ini penting untuk fosforilasi oksidatif dan rantai transpor elektron.

Skema DNA mitokondria (Sumber: Mikibc ~ commonswiki, melalui Wikimedia Commons)

Di antara 13 polipeptida yang disintesis dari DNA mitokondria, subunit I, II dan III dari kompleks oksidase sitokrom C dan subunit VI dari pompa ATPase yang tertanam di membran internal organel menonjol.

Informasi yang diperlukan untuk sintesis komponen lainnya yang membentuk mitokondria dikodekan oleh gen nuklir. Ini disintesis di sitoplasma seperti protein seluler lainnya dan kemudian diimpor ke mitokondria berkat sinyal spesifik.

Dalam fosforilasi oksidatif, oksigen dan atom gula seperti glukosa digunakan untuk sintesis atau pembentukan adenosine triphosphate (ATP), yang merupakan spesi kimiawi yang digunakan oleh semua sel sebagai sumber energi.

Gen mitokondria yang tersisa memiliki instruksi untuk mensintesis RNA transfer (tRNA), RNA ribosom, dan enzim aminoasil-RNA transferase-sintetase (tRNA), yang diperlukan untuk sintesis protein di dalam mitokondria.

Warisan

Hingga saat ini diperkirakan bahwa DNA mitokondria ditularkan secara eksklusif melalui warisan ibu, yaitu melalui keturunan langsung dari ibu.

Namun, sebuah artikel yang diterbitkan oleh Shiyu Luo dan rekannya di jurnal Proceedings of the National Academy of Sciences of the United States of America (PNAS) pada Januari 2019, menemukan bahwa dalam kasus yang jarang terjadi, DNA mitokondria dapat diwarisi dari kedua orang tua, keduanya. dari ayah sebagai ibu.

Sebelum publikasi artikel ini, adalah fakta bagi para ilmuwan bahwa kromosom Y dan DNA mitokondria diwarisi utuh dari ayah dan ibu, masing-masing, kepada keturunannya.

Warisan "utuh" dari gen kromosom Y dari gen mitokondria menyiratkan bahwa materi genetik tersebut tidak mengalami perubahan melalui rekombinasi dan, selama bertahun-tahun, hanya bervariasi karena mutasi spontan, sehingga variasinya cukup rendah .

Oleh karena itu, sebagian besar studi mobilisasi populasi dilakukan berdasarkan gen-gen ini, karena, misalnya, ahli genetika mudah membangun pohon keluarga menggunakan DNA mitokondria.

Banyak sejarah manusia telah direkonstruksi melalui sejarah genetik DNA mitokondria. Banyak bisnis house bahkan menawarkan untuk memperjelas ikatan keluarga setiap orang yang hidup dengan leluhur mereka melalui teknik yang mempelajari karakteristik ini.

Replikasi

Model pertama replikasi DNA mitokondria diusulkan pada tahun 1972 oleh Vinograd dan kolaboratornya dan model ini masih berlaku, dengan beberapa perubahan. Secara umum, model ini didasarkan pada replikasi satu arah yang dimulai dari dua asal replikasi yang berbeda.

Ilmuwan mengklasifikasikan kromosom mitokondria menjadi dua rantai yang berbeda, rantai berat, H atau OH, dari bahasa Inggris "berat" dan rantai ringan, L, atau OL dari bahasa Inggris "ringan". Ini diidentifikasi dan terletak di dua kerangka pembacaan terbuka yang tidak ditetapkan (URF) pada kromosom mitokondria.

Replikasi genom mitokondria dimulai pada rantai berat (OH) dan berlanjut dalam satu arah sampai rantai ringan (OL) diproduksi. Selanjutnya, protein yang disebut "protein pengikat DNA untai tunggal mitokondria" dilampirkan untuk melindungi rantai yang berfungsi sebagai "induk" atau "cetakan".

Enzim yang bertanggung jawab untuk pemisahan untuk replikasi terjadi (replicacosome) lolos ke pita cahaya (OL) dan struktur loop terbentuk yang menghalangi pengikatan protein pengikat DNA untai tunggal mitokondria.

Dalam lingkaran ini RNA polimerase mitokondria mengikat dan sintesis primer baru dimulai. Transisi ke sintesis rantai berat (OH) terjadi 25 nukleotida kemudian.

Tepat pada saat transisi ke rantai berat (OH), RNA polimerase mitokondria digantikan oleh DNA polimerase replikatif mitokondria di ujung 3 ', tempat replikasi awalnya dimulai.

Akhirnya, sintesis kedua rantai, baik yang berat (OH) maupun yang ringan (OL) berlangsung terus menerus sampai dua molekul sirkuler lengkap dari DNA untai ganda (untai ganda) terbentuk.

Penyakit terkait

Ada banyak penyakit yang berhubungan dengan kerusakan DNA mitokondria. Sebagian besar disebabkan oleh mutasi yang merusak urutan atau informasi yang terdapat di dalam genom.

Gangguan pendengaran relatif terhadap bertambahnya usia

Salah satu penyakit yang diteliti terbaik yang terkait langsung dengan perubahan genom DNA mitokondria adalah gangguan pendengaran karena bertambahnya usia.

Kondisi ini merupakan produk dari faktor genetik, lingkungan, dan gaya hidup. Seiring bertambahnya usia, DNA mitokondria mengakumulasi mutasi berbahaya, seperti penghapusan, translokasi, inversi, dan banyak lagi.

Kerusakan DNA mitokondria terutama disebabkan oleh akumulasi spesies oksigen reaktif, ini adalah produk sampingan dari produksi energi di mitokondria.

DNA mitokondria sangat rentan terhadap kerusakan, karena tidak memiliki sistem perbaikan. Oleh karena itu, perubahan yang disebabkan oleh spesies oksigen reaktif merusak DNA mitokondria dan menyebabkan kegagalan fungsi organel, yang menyebabkan kematian sel.

Sel-sel telinga bagian dalam memiliki kebutuhan energi yang tinggi. Tuntutan ini membuat mereka sangat sensitif terhadap kerusakan DNA mitokondria. Kerusakan ini dapat mengubah fungsi telinga bagian dalam secara permanen, yang menyebabkan hilangnya pendengaran total.

Kanker

DNA mitokondria sangat sensitif terhadap mutasi somatik, mutasi yang tidak diturunkan dari orang tua. Jenis mutasi ini terjadi pada DNA beberapa sel sepanjang hidup seseorang.

Ada bukti yang mengaitkan perubahan DNA mitokondria akibat mutasi somatik dengan jenis kanker tertentu, tumor di kelenjar susu, di usus besar, di perut, di hati, dan di ginjal.

Mutasi pada DNA mitokondria juga dikaitkan dengan kanker darah seperti leukemia, dan limfoma (kanker sel sistem kekebalan).

Para ahli menghubungkan mutasi somatik dalam DNA mitokondria dengan peningkatan produksi spesies oksigen reaktif, faktor-faktor yang meningkatkan kerusakan DNA mitokondria dan menyebabkan kurangnya kendali dalam pertumbuhan sel.

Sedikit yang diketahui tentang bagaimana mutasi ini meningkatkan pembelahan sel yang tidak terkendali dan bagaimana mereka akhirnya berkembang menjadi tumor kanker.

Sindrom muntah siklik

Beberapa kasus muntah siklis, yang khas pada masa kanak-kanak, diyakini terkait dengan mutasi pada DNA mitokondria. Mutasi ini menyebabkan episode mual, muntah, dan kelelahan atau kelesuan yang berulang.

Para ilmuwan mengaitkan episode muntah ini dengan fakta bahwa mitokondria dengan DNA mitokondria yang rusak dapat memengaruhi sel-sel tertentu dari sistem saraf otonom, memengaruhi fungsi-fungsi seperti detak jantung, tekanan darah, dan pencernaan.

Terlepas dari hubungan ini, belum jelas bagaimana perubahan dalam DNA mitokondria menyebabkan episode berulang dari sindrom muntah siklik.

Referensi

1. Clayton, D. (2003). Replikasi DNA mitokondria: apa yang kita ketahui. Kehidupan IUBMB, 55 (4-5), 213-217.
2. Falkenberg, M. (2018). Replikasi DNA mitokondria dalam sel mamalia: gambaran jalur. Esai dalam biokimia, 62 (3), 287-296.
3. Giles, RE, Blanc, H., Cann, HM, & Wallace, DC (1980). Warisan DNA mitokondria manusia pada ibu. Prosiding National Academy of Sciences, 77 (11), 6715-6719
4. Luo, S., Valencia, CA, Zhang, J., Lee, NC, Slone, J., Gui, B, & Chen, SM (2019). Balasan untuk Lutz-Bonengel et al.: Transmisi mtDNA biparental tidak mungkin disebabkan oleh segmen DNA mitokondria nuklir. Prosiding National Academy of Sciences, 116 (6), 1823-1824.
5. McWilliams, TG, & Suomalainen, A. (2019). Nasib mitokondria ayah. Alam, 565 (7739), 296-297.
6. Perpustakaan Kedokteran Nasional. Referensi rumah genetik: panduan Anda untuk memahami kondisi genetik.
7. Shadel, GS, & Clayton, DA (1997). Pemeliharaan DNA mitokondria pada vertebrata. Ulasan tahunan biokimia, 66 (1), 409-435.
8. Simmons, MJ, & Snustad, DP (2006). Prinsip genetika. John Wiley & Sons.