Apa itu DNA mitokondria?
DNA mitokondria adalah molekul DNA melingkar kecil yang terletak di dalam organel ini dalam sel eukariotik. Genom kecil ini mengkode sejumlah protein dan asam amino yang sangat terbatas di dalam mitokondria. Adalah 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
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 aparatus sintesis protein sendiri yang tidak bergantung pada aparatus sel, dengan ribosom , RNA transfer, dan aminoasil RNA transferase-sintetase dari bagian dalam organel; meskipun RNA ribosom lebih kecil dari sel yang menampungnya.
Peralatan seperti itu menunjukkan kemiripan yang besar dengan peralatan sintesis protein bakteri. Selanjutnya, seperti pada prokariota, alat ini sangat sensitif terhadap antibiotik, tetapi sangat berbeda dari sintesis protein pada sel eukariotik.
Istilah “mitokondria” diperkenalkan oleh Benda pada akhir abad ke-12 dan teori “endosimbiosis” adalah yang paling diterima tentang asal-usulnya. Ini diterbitkan pada tahun 1967 oleh Lynn Margulis, dalam Journal of Theoretical Biology .
Teori “endosimbiosis” menempatkan asal-usul mitokondria jutaan tahun yang lalu. Diteorikan bahwa nenek moyang seluler sel eukariotik “menelan” dan memasukkan organisme mirip bakteri ke dalam metabolismenya, yang kemudian menjadi apa yang sekarang kita kenal sebagai mitokondria.
Karakteristik DNA mitokondria
Pada mamalia, umumnya seluruh genom yang terdiri dari DNA mitokondria diatur dalam kromosom melingkar dari 15.000 hingga 16.000 pasang nukleotida atau, yang sama, 15 hingga 16 Kb (kilobasa).
Di dalam sebagian besar mitokondria Anda bisa mendapatkan banyak salinan kromosom mitokondria. Dalam sel somatik manusia (sel non-seks) adalah umum untuk menemukan setidaknya 100 salinan kromosom mitokondria.
Pada tumbuhan tingkat tinggi (angiospermae) DNA mitokondria biasanya jauh lebih besar, misalnya pada tanaman jagung, kromosom sirkular DNA mitokondria dapat berukuran hingga 570 Kb.
DNA mitokondria menempati sekitar 1% dari total DNA sel somatik sebagian besar hewan vertebrata . Ini adalah DNA yang sangat terkonservasi di kingdom 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 membentuk 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 pada 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 mitokondria normal. Dari 37 tersebut, 13 memiliki informasi untuk menghasilkan enzim yang terlibat dalam fosforilasi oksidatif.
Ke-13 gen ini mengkode 13 komponen polipeptida kompleks enzim yang termasuk dalam rantai transpor elektron dan terletak di membran dalam mitokondria.
Terlepas dari 13 polipeptida yang disumbangkan DNA mitokondria pada rantai transpor elektron, DNA mitokondria terdiri dari lebih dari 100 polipeptida yang berbeda. Namun, 13 komponen ini penting untuk fosforilasi oksidatif dan rantai transpor elektron.
Di antara 13 polipeptida yang disintesis dari DNA mitokondria, subunit I, II dan III dari kompleks sitokrom C oksidase dan subunit VI dari pompa ATPase yang tertanam di membran internal organel menonjol.
Informasi yang diperlukan untuk sintesis sisa komponen 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, atom oksigen dan gula seperti glukosa digunakan untuk sintesis atau pembentukan adenosin trifosfat (ATP), yang merupakan spesies kimia yang digunakan oleh semua sel sebagai sumber energi.
Gen mitokondria yang tersisa memiliki instruksi untuk mensintesis transfer RNA (tRNA), RNA ribosom, dan enzim aminoacyl-RNA transferase-synthetase (tRNA), yang diperlukan untuk sintesis protein di dalam mitokondria.
Warisan
Sampai baru-baru ini diperkirakan bahwa DNA mitokondria ditransmisikan secara eksklusif melalui warisan ibu, yaitu, dengan keturunan langsung dari ibu.
Namun, sebuah artikel yang diterbitkan oleh Shiyu Luo dan rekannya dalam jurnal Proceedings of the National Academy of Sciences of the United States of America (PNAS) pada Januari 2019, menemukan bahwa pada kesempatan langka DNA mitokondria dapat diwarisi dari kedua orang tua, kedua orang tua. ayah sebagai ibu.
Sebelum publikasi artikel ini, adalah fakta bagi para ilmuwan bahwa kromosom Y dan DNA mitokondria diwarisi secara 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, mereka hanya bervariasi karena mutasi spontan, sehingga variasinya cukup rendah .
Karena itu, sebagian besar studi mobilisasi populasi dilakukan berdasarkan gen-gen ini, karena, misalnya, mudah bagi ahli genetika untuk membangun pohon keluarga menggunakan DNA mitokondria.
Sebagian besar sejarah manusia telah direkonstruksi melalui sejarah genetik DNA mitokondria. Banyak rumah bisnis 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 caral ini masih valid, dengan beberapa perubahan. Secara umum, caral ini didasarkan pada replikasi satu arah yang dimulai pada dua asal replikasi yang berbeda.
Para 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 baca terbuka ( URF ) yang tidak ditetapkan pada kromosom mitokondria.
Replikasi genom mitokondria dimulai di rantai berat (OH) dan berlanjut dalam satu arah sampai panjang penuh rantai ringan (OL) diproduksi. Protein yang disebut “protein pengikat DNA untai tunggal mitokondria” kemudian dilekatkan untuk melindungi rantai yang berfungsi sebagai “induk” atau “templat”.
Enzim yang bertanggung jawab untuk pemisahan agar replikasi terjadi (replicosome) masuk ke pita cahaya (OL) dan struktur loop terbentuk yang menghalangi pengikatan protein pengikat DNA untai tunggal mitokondria.
Dalam loop 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 ‘, di mana replikasi awalnya dimulai.
Akhirnya, sintesis kedua rantai, baik berat (OH) dan ringan (OL) berlangsung terus menerus sampai dua molekul melingkar lengkap DNA untai ganda (untai ganda) terbentuk.
Penyakit terkait
Ada banyak sekali penyakit yang berhubungan dengan malfungsi DNA mitokondria. Sebagian besar disebabkan oleh mutasi yang merusak urutan atau informasi yang terkandung dalam genom.
Kehilangan pendengaran relatif terhadap bertambahnya usia
Salah satu penyakit yang paling banyak dipelajari dan berhubungan 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 organel tidak berfungsi, menyebabkan kematian sel.
Sel-sel telinga bagian dalam memiliki kebutuhan energi yang tinggi. Permintaan ini membuat mereka sangat sensitif terhadap kerusakan DNA mitokondria. Kerusakan ini dapat mengubah fungsi telinga bagian dalam secara permanen, yang menyebabkan gangguan 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 manusia.
Ada bukti yang menghubungkan perubahan DNA mitokondria yang dihasilkan dari 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 telah dikaitkan dengan kanker darah seperti leukemia, dan limfoma (kanker sel-sel sistem kekebalan).
Spesialis menghubungkan mutasi somatik dalam DNA mitokondria dengan peningkatan produksi spesies oksigen reaktif, faktor yang meningkatkan kerusakan DNA mitokondria dan menciptakan kurangnya kontrol dalam pertumbuhan sel.
Sedikit yang diketahui tentang bagaimana mutasi ini meningkatkan pembelahan sel yang tidak terkendali dan bagaimana mereka akhirnya berkembang sebagai 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 , yang memengaruhi fungsi seperti detak jantung, tekanan darah, dan pencernaan.
Terlepas dari hubungan ini, masih belum jelas bagaimana perubahan DNA mitokondria menyebabkan episode berulang dari sindrom muntah siklik.
Referensi
- Clayton, D. (2003). Replikasi DNA mitokondria: apa yang kita ketahui. Kehidupan IUBMB, 55 (4-5), 213-217.
- McWilliams, TG, & Suomalainen, A. (2019). Nasib mitokondria seorang ayah. Alam, 565 (7739), 296-297.
- Perpustakaan Nasional Kedokteran. Referensi rumah genetika: panduan Anda untuk memahami kondisi genetik.
- Shadel, GS, & Clayton, DA (1997). Pemeliharaan DNA mitokondria pada vertebrata. Tinjauan tahunan biokimia, 66 (1), 409-435.
- Simmons, MJ, & Snustad, DP (2006). Prinsip genetika . John Wiley & Sons.
