الحمض النووي للميتوكوندريا: الخصائص والوظائف والوراثة والأمراض - مادة الاحياء - 2026

و الحمض النووي هو جزيء DNA دائري صغير موجود داخل هذه العضيات في الخلايا حقيقية النواة. يرمز هذا الجينوم الصغير لعدد محدود جدًا من البروتينات والأحماض الأمينية داخل الميتوكوندريا. من الشائع العثور على الاسم المختصر "DNA الميتوكوندريا" في العديد من الكتب المدرسية والمقالات العلمية باسم "mtDNA" أو في اللغة الإنجليزية "mtDNA".

الميتوكوندريا هي عضيات أساسية للخلايا حقيقية النواة ، لأنها مسؤولة عن تحويل الطاقة من الطعام المستهلك في شكل سكريات إلى شكل من أشكال الطاقة التي يمكن أن تستخدمها الخلايا (ATP ، على سبيل المثال).

الحمض النووي للميتوكوندريا (المصدر؟ المعهد القومي لبحوث الجينوم البشري ، عبر ويكيميديا ​​كومنز)

تحتوي جميع الخلايا في الكائنات حقيقية النواة على ميتوكوندريا واحدة على الأقل بداخلها. ومع ذلك ، هناك خلايا مثل خلايا عضلة القلب وخلايا العضلات الهيكلية التي يمكن أن تحتوي على مئات الميتوكوندريا بداخلها.

تمتلك الميتوكوندريا جهاز تخليق البروتين الخاص بها بشكل مستقل عن جهاز الخلية ، مع الريبوسومات ، ونقل RNAs ، و aminoacyl RNA transferase-synthetase من داخل العضية ؛ على الرغم من أن RNA الريبوزومي أصغر من الخلية التي تؤويهم.

يظهر هذا الجهاز تشابهًا كبيرًا مع جهاز تخليق البروتين في البكتيريا. علاوة على ذلك ، كما هو الحال في بدائيات النوى ، فإن هذا الجهاز حساس للغاية للمضادات الحيوية ، ولكنه يختلف تمامًا عن جهاز تخليق البروتين في الخلايا حقيقية النواة.

تم تقديم مصطلح "الميتوكوندريا" من قبل بيندا في نهاية القرن الثاني عشر ، وتعتبر نظرية "التعايش الداخلي" هي النظرية الأكثر قبولًا حول أصلها. تم نشر هذا في عام 1967 من قبل لين مارغوليس ، في مجلة علم الأحياء النظري.

تضع نظرية "التعايش الداخلي" أصل الميتوكوندريا منذ ملايين السنين. من المفترض أن سلفًا خلويًا لخلايا حقيقية النواة "ابتلع" ودمج كائنًا حيويًا شبيهًا بالبكتيريا في عملية التمثيل الغذائي الخاصة به ، والتي أصبحت فيما بعد ما نعرفه الآن باسم الميتوكوندريا.

مميزات

في الثدييات ، بشكل عام ، يتم تنظيم الجينوم بأكمله الذي يتكون من الحمض النووي للميتوكوندريا في كروموسوم دائري من 15000 إلى 16000 زوج من النيوكليوتيدات ، أو ما هو نفسه ، من 15 إلى 16 كيلو بايت (كيلو قاعدة).

داخل معظم الميتوكوندريا يمكنك الحصول على نسخ متعددة من كروموسوم الميتوكوندريا. من الشائع في الخلايا الجسدية البشرية (الخلايا غير الجنسية) العثور على 100 نسخة على الأقل من كروموسوم الميتوكوندريا.

في النباتات العليا (كاسيات البذور) ، عادةً ما يكون الحمض النووي للميتوكوندريا أكبر بكثير ، على سبيل المثال ، في نبات الذرة يمكن أن يصل قياس الكروموسوم الدائري للحمض النووي للميتوكوندريا إلى 570 كيلو بايت.

يحتل الحمض النووي للميتوكوندريا حوالي 1 ٪ من إجمالي الحمض النووي للخلايا الجسدية لمعظم الحيوانات الفقارية. إنه حمض نووي محفوظ بدرجة عالية في المملكة الحيوانية ، على عكس ما يُلاحظ في النباتات ، حيث يوجد تنوع واسع.

في بعض الخلايا حقيقية النواة "العملاقة" مثل البويضات (الخلايا الجنسية الأنثوية) للثدييات أو في الخلايا التي تحتوي على العديد من الميتوكوندريا ، يمكن أن يشكل الحمض النووي للميتوكوندريا ما يصل إلى ثلث إجمالي الحمض النووي الخلوي.

يحتوي الحمض النووي للميتوكوندريا على بعض الخصائص المختلفة عن الحمض النووي النووي: له كثافة ونسبة مختلفة من أزواج قاعدية الجوانين والسيتوزين (GC) والأدينين الثايمين (AT).

تبلغ كثافة زوج القاعدة GC في الحمض النووي للميتوكوندريا 1.68 جم / سم 3 والمحتوى 21٪ ؛ بينما في الحمض النووي ، تبلغ هذه الكثافة 1.68 جم / سم 3 والمحتوى حوالي 40 ٪.

المميزات

يمتلك الحمض النووي للميتوكوندريا 37 جينًا على الأقل ضرورية للوظيفة الطبيعية للميتوكوندريا. من بين هؤلاء ، يمتلك 13 منهم المعلومات اللازمة لإنتاج الإنزيمات المشاركة في الفسفرة المؤكسدة.

تقوم هذه الجينات الـ 13 بتشفير 13 مكونًا متعدد الببتيد من مركبات الإنزيم التي تنتمي إلى سلسلة نقل الإلكترون وتقع في الغشاء الداخلي للميتوكوندريا.

على الرغم من عديد الببتيدات الـ 13 التي يساهم بها الحمض النووي للميتوكوندريا في سلسلة نقل الإلكترون ، فإنه يتكون من أكثر من 100 بولي ببتيد مختلف. ومع ذلك ، فإن هذه المكونات الـ 13 ضرورية للفسفرة المؤكسدة وسلسلة نقل الإلكترون.

رسم تخطيطي للحمض النووي للميتوكوندريا (المصدر: Mikibc ~ commonswiki ، عبر ويكيميديا ​​كومنز)

من بين الـ 13 عديد الببتيدات التي يتم تصنيعها من الحمض النووي للميتوكوندريا ، تبرز الوحدات الفرعية الأولى والثانية والثالثة لمركب السيتوكروم C أوكسيديز والوحدة الفرعية VI لمضخات ATPase المدمجة في الغشاء الداخلي للعضية.

يتم ترميز المعلومات اللازمة لتوليف باقي المكونات التي تتكون منها الميتوكوندريا بواسطة الجينات النووية. يتم تصنيعها في السيتوبلازم مثل بقية البروتينات الخلوية ثم يتم استيرادها إلى الميتوكوندريا بفضل إشارات محددة.

في الفسفرة المؤكسدة ، يتم استخدام الأكسجين وذرات السكر مثل الجلوكوز لتخليق أو تكوين الأدينوزين ثلاثي الفوسفات (ATP) ، وهو النوع الكيميائي الذي تستخدمه جميع الخلايا كمصدر للطاقة.

تحتوي جينات الميتوكوندريا المتبقية على تعليمات لتخليق نقل RNAs (tRNAs) ، و RNAs الريبوسوم ، وإنزيم aminoacyl-RNA transferase-synthetase (tRNA) ، وهو أمر ضروري لتخليق البروتين داخل الميتوكوندريا.

التراث

حتى وقت قريب نسبيًا ، كان يُعتقد أن الحمض النووي للميتوكوندريا ينتقل حصريًا من خلال وراثة الأم ، أي عن طريق النسب المباشر من الأم.

ومع ذلك ، فقد وجد مقال نشره Shiyu Luo وزملاؤه في مجلة Proceedings of the National Academy of Science of the United States of America (PNAS) في يناير 2019 ، أنه في حالات نادرة يمكن وراثة الحمض النووي للميتوكوندريا من كلا الوالدين ، للأب من الأم.

قبل نشر هذا المقال ، كانت حقيقة للعلماء أن كروموسوم Y والحمض النووي للميتوكوندريا ورثوا سليمين من الأب والأم ، على التوالي ، إلى النسل.

الوراثة "السليمة" لجينات الكروموسوم Y لجينات الميتوكوندريا تعني أن المادة الجينية المذكورة لا تخضع للتغييرات عن طريق إعادة التركيب ، وعلى مر السنين ، تختلف فقط بسبب الطفرات التلقائية ، وبالتالي فإن الاختلاف منخفض جدًا.

لهذا السبب ، تُجرى معظم دراسات تعبئة السكان على أساس هذه الجينات ، لأنه ، على سبيل المثال ، من السهل على علماء الوراثة بناء أشجار العائلة باستخدام الحمض النووي للميتوكوندريا.

تمت إعادة بناء جزء كبير من التاريخ البشري من خلال التاريخ الجيني للحمض النووي للميتوكوندريا. حتى أن العديد من بيوت الأعمال تقدم توضيح الرابطة الأسرية لكل شخص على قيد الحياة مع أسلافهم من خلال تقنيات تدرس هذه الخصائص.

تكرار

تم اقتراح النموذج الأول لتكرار الحمض النووي للميتوكوندريا في عام 1972 من قبل فينوغراد والمتعاونين معه ولا يزال هذا النموذج صالحًا ، مع بعض التغييرات. بشكل عام ، يعتمد النموذج على النسخ المتماثل أحادي الاتجاه الذي يبدأ من أصلين مختلفين للنسخ المتماثل.

يصنف العلماء كروموسوم الميتوكوندريا إلى سلسلتين مختلفتين ، السلسلة الثقيلة ، H أو OH ، من الإنجليزية "الثقيلة" والسلسلة الخفيفة ، L ، أو OL من الإنجليزية "light". يتم تحديدها وتوضع في إطاري قراءة مفتوحين غير مخصصين (URF) على كروموسوم الميتوكوندريا.

يبدأ تكرار جينوم الميتوكوندريا في السلسلة الثقيلة (OH) ويستمر في اتجاه واحد حتى يتم إنتاج الطول الكامل للسلسلة الخفيفة (OL). في وقت لاحق ، يتم ربط بروتينات تسمى "بروتينات ربط الحمض النووي أحادية الجديلة بالميتوكوندريا" لحماية السلسلة التي تعمل "كأصل" أو "قالب".

تمر الإنزيمات المسؤولة عن الفصل لحدوث التضاعف (الجسيم المتماثل) إلى النطاق الخفيف (OL) ويتم تكوين بنية حلقة تمنع ارتباط بروتينات ربط الحمض النووي أحادية السلسلة بالميتوكوندريا.

في هذه الحلقة ، يرتبط بوليميراز الحمض النووي الريبي الميتوكوندري ويبدأ تركيب البرايمر الجديد. يحدث الانتقال إلى تخليق السلسلة الثقيلة (OH) بعد 25 نيوكليوتيد.

في وقت الانتقال إلى السلسلة الثقيلة (OH) ، تم استبدال بوليميراز الحمض النووي الريبي الميتوكوندري ببوليميراز الحمض النووي المتكاثر للميتوكوندريا في نهاية 3 ، حيث بدأ النسخ المتماثل في البداية.

أخيرًا ، يتواصل تركيب كل من السلاسل ، الثقيل (OH) والضوء (OL) بشكل مستمر حتى يتم تكوين جزيئين دائريين كاملين من الحمض النووي المزدوج (مزدوج السلسلة).

الأمراض ذات الصلة

هناك العديد من الأمراض المتعلقة بخلل في الحمض النووي للميتوكوندريا. تحدث معظمها بسبب الطفرات التي تلحق الضرر بالتسلسل أو المعلومات الموجودة في الجينوم.

ضعف السمع بالنسبة لتقدم العمر

يعد فقدان السمع بسبب تقدم العمر أحد أفضل الأمراض التي تمت دراستها والتي ارتبطت ارتباطًا مباشرًا بالتغيرات في جينوم الحمض النووي للميتوكوندريا.

هذه الحالة ناتجة عن عوامل وراثية وبيئية ونمطية. مع تقدم الناس في العمر ، يتراكم الحمض النووي للميتوكوندريا الطفرات الضارة ، مثل الحذف ، والانتقالات ، والانعكاسات ، والمزيد.

ينتج الضرر الذي يلحق بالحمض النووي للميتوكوندريا أساسًا عن تراكم أنواع الأكسجين التفاعلية ، وهي منتجات ثانوية لإنتاج الطاقة في الميتوكوندريا.

الحمض النووي للميتوكوندريا معرض بشكل خاص للتلف ، حيث لا يحتوي على نظام إصلاح. لذلك ، فإن التغييرات التي تسببها أنواع الأكسجين التفاعلية تلحق الضرر بالحمض النووي للميتوكوندريا وتتسبب في حدوث خلل في وظيفة العضية ، مما يتسبب في موت الخلايا.

خلايا الأذن الداخلية لديها طلب كبير على الطاقة. هذا الطلب يجعلها حساسة بشكل خاص لتلف الحمض النووي في الميتوكوندريا. يمكن أن تؤدي هذه الأضرار إلى تغيير وظيفة الأذن الداخلية بشكل لا رجعة فيه ، مما يؤدي إلى فقدان السمع تمامًا.

السرطانات

الحمض النووي للميتوكوندريا حساس بشكل خاص للطفرات الجسدية ، الطفرات غير الموروثة من الوالدين. تحدث هذه الأنواع من الطفرات في الحمض النووي لبعض الخلايا طوال حياة الشخص.

هناك أدلة تربط بين تغيرات الحمض النووي للميتوكوندريا الناتجة عن الطفرات الجسدية وأنواع معينة من السرطان ، والأورام في الغدد الثديية ، والقولون ، والمعدة ، والكبد ، والكلى.

كما ارتبطت الطفرات في الحمض النووي للميتوكوندريا بسرطانات الدم مثل اللوكيميا والأورام اللمفاوية (سرطان خلايا الجهاز المناعي).

يربط المتخصصون الطفرات الجسدية في الحمض النووي للميتوكوندريا بزيادة في إنتاج أنواع الأكسجين التفاعلية ، وهي عوامل تزيد من تلف الحمض النووي في الميتوكوندريا وتؤدي إلى نقص في التحكم في نمو الخلايا.

لا يُعرف الكثير عن كيفية زيادة هذه الطفرات في انقسام الخلايا غير المنضبط للخلايا وكيف ينتهي بها الأمر إلى التطور كأورام سرطانية.

متلازمة التقيؤ الدوري

يُعتقد أن بعض حالات القيء الدوري ، النموذجية في الطفولة ، مرتبطة بطفرات في الحمض النووي للميتوكوندريا. تسبب هذه الطفرات نوبات متكررة من الغثيان والقيء والتعب أو الخمول.

يربط العلماء نوبات القيء هذه بحقيقة أن الميتوكوندريا مع تلف الحمض النووي للميتوكوندريا يمكن أن يؤثر على خلايا معينة في الجهاز العصبي اللاإرادي ، مما يؤثر على وظائف مثل معدل ضربات القلب وضغط الدم والهضم.

على الرغم من هذه الارتباطات ، لم يتضح بعد كيف تسبب التغيرات في الحمض النووي للميتوكوندريا نوبات متكررة من متلازمة القيء الدوري.

المراجع

1. كلايتون ، د. (2003). تكاثر الحمض النووي للميتوكوندريا: ما نعرفه. حياة IUBMB، 55 (4-5) ، 213-217.
2. فالكنبرج ، م. (2018). تكرار الحمض النووي للميتوكوندريا في خلايا الثدييات: نظرة عامة على المسار. مقالات في الكيمياء الحيوية ، 62 (3) ، 287-296.
3. جايلز ، ري ، بلانك ، إتش ، كان ، إتش إم ، والاس ، دي سي (1980). وراثة الأم من الحمض النووي البشري الميتوكوندريا. وقائع الأكاديمية الوطنية للعلوم، 77 (11) ، 6715-6719
4. Luo، S.، Valencia، CA، Zhang، J.، Lee، NC، Slone، J.، Gui، B، & Chen، SM (2019). الرد على Lutz-Bonengel et al.: من غير المحتمل أن يكون انتقال mtDNA بين الوالدين نتيجة مقاطع الحمض النووي للميتوكوندريا النووية. وقائع الأكاديمية الوطنية للعلوم ، 116 (6) ، 1823-1824.
5. McWilliams، TG، & Suomalainen، A. (2019). مصير الأب الميتوكوندريا. طبيعة 565 (7739) ، 296-297.
6. المكتبة الوطنية للطب. المرجع الرئيسي لعلم الوراثة: دليلك لفهم الحالات الوراثية.
7. شادل ، جي إس ، وكلايتون ، دا (1997). صيانة الحمض النووي للميتوكوندريا في الفقاريات. المراجعة السنوية للكيمياء الحيوية، 66 (1) ، 409-435.
8. Simmons ، MJ ، & Snustad ، DP (2006). مبادئ علم الوراثة. جون وايلي وأولاده.