ADN mitochondrial

généralité

L' ADN mitochondrial, ou ADNmt, est l'acide désoxyribonucléique qui réside dans la mitochondrie, c'est-à-dire les organites des cellules eucaryotes responsables du processus cellulaire très important de la phosphorylation oxydative.

L'ADN mitochondrial présente certaines similitudes avec l'ADN nucléaire, comme le brin double nucléotide, la composition en bases azotées, la présence de gènes, etc.

Cependant, il présente également certaines particularités, à la fois structurelles et fonctionnelles, qui le rendent unique en son genre. Ces particularités incluent: la circularité du brin double nucléotide, le contenu des gènes (qui ne compte que 37 éléments) et l'absence presque totale de séquences nucléotidiques non codantes.

L’ADN mitochondrial joue un rôle fondamental dans la survie des cellules: il produit les enzymes nécessaires à la réalisation de la phosphorylation par oxydation.

Qu'est-ce que l'ADN mitochondrial?

L' ADN mitochondrial, ou ADNmt, est l'ADN situé à l'intérieur de la mitochondrie .

Les mitochondries sont ces grandes organites cellulaires, typiques des organismes eucaryotes, qui transforment l’énergie chimique contenue dans les aliments en ATP, une forme d’énergie exploitable par les cellules.

RAPPEL SUR LA STRUCTURE ET LE FONCTIONNEMENT DE MITOCONDRI

Tubulaires, filamenteuses ou granulaires, les mitochondries résident dans le cytoplasme, occupant près de 25% du volume de ce dernier.

Ils ont deux membranes phospholipidiques à double couche, une externe et une interne.

La membrane externe, appelée membrane mitochondriale externe, représente le périmètre de chaque mitochondrie et possède des protéines de transport (porines et pas uniquement) qui la rendent perméable aux molécules de 5 000 daltons ou moins.

La membrane la plus interne, appelée membrane mitochondriale interne, contient tous les composants enzymatiques (ou enzymes) et coenzymatiques nécessaires à la synthèse de l'ATP, et délimite un espace central appelé matrice .

Contrairement à la membrane la plus externe, la membrane mitochondriale interne présente de nombreuses invaginations, appelées « crêtes», qui augmentent sa surface totale.

Entre les deux membranes mitochondriales, il y a un espace de presque 60 à 80 angströms (A). Cet espace prend le nom d' espace intermembranaire . L'espace intermembranaire a une composition très similaire à celle du cytoplasme.

La synthèse de l'ATP, effectuée par les mitochondries, est un processus très complexe, que les biologistes identifient sous le terme de phosphorylation oxydative .

BUREAU PRÉCIS DE L'ADN ET DE LA QUANTITÉ MITOCHONDRIALE

Figure: une mitochondrie humaine.

L'ADN mitochondrial réside dans la matrice mitochondriale, c'est-à-dire dans l'espace délimité par la membrane mitochondriale interne.

D'après des études scientifiques fiables, chaque mitochondrie peut contenir de 2 à 12 copies d'ADN mitochondrial.

Étant donné que, dans le corps humain, certaines cellules peuvent contenir plusieurs milliers de mitochondries, le nombre total de copies d'ADN mitochondrial, dans une seule cellule humaine, peut atteindre même 20 000 unités.

Remarque: le nombre de mitochondries dans les cellules humaines varie en fonction du type de cellule. Par exemple, les hépatocytes (cellules hépatiques) peuvent contenir entre 1 000 et 2 000 mitochondries chacune, alors que les érythrocytes (globules rouges) en sont totalement exempts.

structure

La structure générale d'une molécule d'ADN mitochondrial rappelle la structure générale de l'ADN nucléaire, à savoir le patrimoine génétique présent dans le noyau des cellules eucaryotes.

En fait, analogue à l'ADN nucléaire:

  • L'ADN mitochondrial est un biopolymère constitué de deux longs brins de nucléotides . Les nucléotides sont des molécules organiques résultant de l'union de trois éléments: un sucre à 5 atomes de carbone (dans le cas de l'ADN, le désoxyribose ), une base azotée et un groupe phosphate .
  • Chaque nucléotide de l'ADN mitochondrial se lie au nucléotide suivant du même filament, au moyen d'une liaison phosphodiestérique entre le carbone 3 de son désoxyribose et le groupe phosphate du nucléotide immédiatement suivant.
  • Les deux brins de l'ADN mitochondrial ont une orientation opposée, la tête de l'un interagissant avec l'extrémité de l'autre et vice versa. Cet agencement particulier est appelé agencement antiparallèle (ou orientation antiparallèle ).
  • Les deux brins d'ADN mitochondrial interagissent l'un avec l'autre, en utilisant les bases azotées .

    Spécifiquement, chaque base azotée de chaque filament établit des liaisons hydrogène avec une et une seule base azotée, présente sur l'autre filament.

    Ce type d'interaction s'appelle "appariement de bases azotées" ou "paire de bases azotées".

  • Les bases azotées de l'ADN mitochondrial sont l' adénine, la thymine, la cytosine et la guanine .

    Les paires auxquelles ces bases azotées donnent naissance ne sont pas aléatoires, mais très spécifiques: l'adénine n'interagit qu'avec la thymine, tandis que la cytosine n'interagit qu'avec la guanine.

  • L'ADN mitochondrial héberge des gènes (ou séquences de gènes). Les gènes sont des séquences de nucléotides plus ou moins longs, avec une signification biologique bien définie. Dans la plupart des cas, ils donnent naissance à des protéines.

DÉTAILS STRUCTURELS DE L'ADN MITOCHONDRIAL

Au-delà des analogies susmentionnées, l'ADN mitochondrial humain présente certaines particularités structurelles qui le distinguent considérablement de l'ADN nucléaire humain.

Tout d'abord, il s'agit d'une molécule circulaire, alors que l'ADN nucléaire est une molécule linéaire.

Ainsi, il possède 16 569 paires de bases azotées, alors que l’ADN nucléaire possède une beauté de 3, 3 milliards.

Il contient 37 gènes, alors que l'ADN nucléaire semble contenir entre 20 000 et 25 000.

Il n'est pas organisé en chromosomes, alors que l'ADN nucléaire est subdivisé en 23 chromosomes et forme, avec certaines protéines spécifiques, une substance appelée chromatine.

Enfin, il comprend une série de nucléotides qui participent à deux gènes simultanément, alors que l’ADN nucléaire possède des gènes dont les séquences nucléotidiques sont bien définies et distinctes l’une de l’autre.

Source

L'ADN mitochondrial est très probablement d' origine bactérienne .

En fait, sur la base de nombreuses études indépendantes, les biologistes moléculaires estiment que la présence cellulaire d’ADN mitochondrial est le résultat de l’incorporation, par des cellules eucaryotes ancestrales, d’organismes bactériens indépendants, très similaires aux mitochondries.

Cette découverte curieuse n'a surpris que partiellement la communauté scientifique, puisque l'ADN présent dans la bactérie est généralement un filament de nucléotides circulaires, tel que l'ADN mitochondrial.

La théorie selon laquelle les mitochondries et l'ADN mitochondrial ont une origine bactérienne est appelée " théorie endosymbiotique ", du mot " endosymbiosis ". En bref, en biologie, le terme "endosymbiose" désigne une collaboration entre deux organismes, ce qui implique l'incorporation de l'un au sein de l'autre, afin de gagner un certain avantage.

curiosité

Selon des études scientifiques fiables, de nombreux gènes bactériens présents sur le futur ADN mitochondrial auraient évolué au cours de l'évolution, passant à l'ADN nucléaire.

En d'autres termes, au début de l'endosymbiose, certains gènes présents sur l'ADN nucléaire résidaient dans l'ADN de ces organismes bactériens, qui deviendraient plus tard les mitochondries.

Pour étayer la théorie d'un transfert de gène entre l'ADN mitochondrial et l'ADN nucléaire, il convient de noter que certains gènes proviennent de l'ADN mitochondrial, chez certaines espèces, et de l'ADN nucléaire, chez d'autres.

fonction

L'ADN mitochondrial produit les enzymes (c'est-à-dire les protéines) nécessaires à la bonne réalisation du processus délicat de la phosphorylation oxydative.

Les instructions pour la synthèse de ces enzymes résident dans les 37 gènes constituant le génome de l’ADN mitochondrial.

CE QUI CODE LES GÈNES DE L’ADN MITOCHONDRIAL: LES DÉTAILS

Les 37 gènes de l'ADN mitochondrial codent pour: les protéines, les ARNt et les ARNr.

Plus précisément:

  • 13 codifient pour 13 protéines responsables de la réalisation de la phosphorylation oxydative
  • 22 code pour 22 molécules d'ARNt
  • 2 code pour 2 molécules d'ARNr

Les molécules d'ARNt et d'ARNr sont fondamentales pour la synthèse des 13 protéines susmentionnées, car elles constituent le mécanisme qui en régit la production.

Donc, en d'autres termes, l'ADN mitochondrial a les informations pour produire un certain ensemble de protéines et les outils nécessaires à la synthèse de celles-ci.

Que sont l'ARN, l'ARNt et l'ARNr?

L'ARN, ou acide ribonucléique, est l'acide nucléique qui joue un rôle fondamental dans la génération de protéines, à partir de l'ADN.

Généralement simple brin, l'ARN peut exister sous différentes formes (ou types), en fonction de la fonction spécifique à laquelle il est délégué.

L'ARNt et l'ARNr sont deux de ces formes possibles.

L'ARNt est utilisé pour ajouter des acides aminés au cours du processus de création de protéines. Les acides aminés sont les unités moléculaires qui composent les protéines.

L'ARNr forme les ribosomes, c'est-à-dire les structures cellulaires dans lesquelles se trouve la synthèse des protéines.

Pour en savoir plus sur l'ARN et ses fonctions, les lecteurs peuvent cliquer ici.

DÉTAILS FONCTIONNELS DE L'ADN MITOCHONDRIAL

D'un point de vue fonctionnel, l'ADN mitochondrial présente certaines caractéristiques particulières qui le distinguent clairement de l'ADN nucléaire.

Voici en quoi consistent ces caractéristiques particulières:

  • L'ADN mitochondrial est semi-indépendant, en ce sens qu'il nécessite l'intervention de certaines protéines synthétisées à partir d'ADN nucléaire.

    D'autre part, l'ADN nucléaire est complètement autonome et produit pour lui-même tout ce dont il a besoin pour bien s'acquitter de sa tâche.

  • L'ADN mitochondrial a un code génétique légèrement différent de celui de l'ADN nucléaire . Cela entraîne un certain nombre de différences dans la production de protéines: si une certaine séquence de nucléotides dans l'ADN nucléaire conduit à la création d'une certaine protéine, la même séquence dans l'ADN mitochondrial conduit à la formation d'une protéine légèrement différente.
  • L'ADN mitochondrial a très peu de séquences de nucléotides non codants, c'est-à-dire qu'ils ne produisent aucune protéine, ARNt ou ARNr. En termes de pourcentage, seulement 3% de l'ADN mitochondrial n'est pas codant.

    Au contraire, l'ADN nucléaire ne code que 7%, il contient donc un grand nombre de séquences nucléotidiques non codantes (jusqu'à 93%).

Tableau: résumé des différences entre l'ADN mitochondrial humain et l'ADN nucléaire humain.

ADN mitochondrial

ADN nucléaire

  • C'est circulaire
  • C'est linéaire
  • Il a un total de 16 569 paires de bases azotées
  • Au total, 3, 3 milliards de paires de bases azotées
  • Il contient un total de 37 gènes
  • Il contient entre 20 000 et 25 000 gènes
  • Pour fonctionner correctement, il a besoin de l’appui de certains produits géniques, dérivés de l’ADN nucléaire.
  • Il est autonome et produit pour lui-même tout ce dont il a besoin pour bien remplir ses fonctions
  • Il peut être présent en plusieurs copies dans chaque mitochondrie.
  • Il est unique, c’est-à-dire qu’il est en un seul exemplaire et qu’il réside dans le noyau.
  • 97% de la séquence de nucléotides qui le compose est codante
  • Seulement 7% de la séquence de nucléotides qui le compose est codante
  • Il n'est pas organisé en chromosomes
  • Il est divisé en 23 chromosomes
  • Utiliser un code génétique légèrement différent de celui, pour ainsi dire, "traditionnel"
  • Utiliser le code génétique "traditionnel"
  • Son héritage est maternel
  • Son héritage est à moitié maternel et à moitié paternel
  • Certains de ses nucléotides participent à deux gènes en même temps
  • Les séquences nucléotidiques qui composent les gènes sont bien distinctes les unes des autres

héritage

L'héritage de l'ADN mitochondrial est strictement maternel .

Cela signifie que, dans un couple de parents, c'est la femme qui transmet l'ADN mitochondrial à la progéniture (c'est-à-dire aux enfants).

De manière tout à fait opposée à ce qui précède, l'héritage de l'ADN nucléaire est à moitié maternel et à moitié paternel. En d'autres termes, les deux parents contribuent de manière égale à la transmission de l'ADN nucléaire dans la progéniture.

Remarque: l'héritage maternel de l'ADN mitochondrial implique également la structure mitochondriale. Ainsi, les mitochondries présentes chez un individu sont sur une base maternelle.

Maladies associées

Prémisse: Une mutation génétique est un changement permanent dans la séquence des nucléotides, qui constituent un gène de l’ADN nucléaire ou mitochondrial.

Généralement, la présence d’une mutation génétique entraîne une altération ou une perte de la fonction normale du gène impliqué.

La présence de mutations dans les gènes de l'ADN mitochondrial peut déterminer un large éventail de pathologies, notamment:

  • Neuropathie optique héréditaire de Leber
  • Syndrome de Kearns-Sayre
  • Syndrome de Leigh
  • Déficit en cytochrome C oxydase
  • Ophtalmoplégie externe progressive
  • Syndrome de Pearson
  • Encéphalomyopathie mitochondriale avec acidose lactique et épisodes similaires à un AVC (syndrome MELAS)
  • Diabète avec surdité de transmission maternelle
  • Épilepsie myoclonique à fibres rouges irrégulières

En ce qui concerne les conditions pathologiques liées à une ou plusieurs mutations de l'ADN mitochondrial, deux aspects doivent être soulignés.

Tout d'abord, la gravité de l'état morbide dépend de la relation quantitative entre l'ADN mitochondrial muté et l'ADN mitochondrial normal et sain. Si le nombre d'ADN mitochondriaux mutés est de loin supérieur à celui d'un ADN sain, l'état qui en résultera sera plus grave.

Deuxièmement, les mutations de l'ADN mitochondrial n'ont des effets que sur certains tissus de l'organisme, en particulier ceux qui nécessitent de grandes quantités d'ATP provenant du processus de phosphorylation oxydative. Cela est tout à fait compréhensible: souffrir davantage d’un dysfonctionnement de l’ADN mitochondrial sont les cellules qui ont le plus besoin de la fonction à laquelle l’ADN mitochondrial s’acquitte normalement.

NEUROPATHIE OPTIQUE HEREDITAIRE DE LEBER

La neuropathie optique héréditaire de Leber est due à la mutation de quatre gènes d'ADN mitochondrial. Ces gènes contiennent les informations qui conduisent à la synthèse du soi-disant complexe I (ou NADH oxyde réductase), l'une des différentes enzymes impliquées dans le processus de phosphorylation oxydative.

Les manifestations de la maladie consistent en une dégénérescence progressive du nerf optique et une perte de vision progressive.

SYNDROME DE KEARNS-SAYRE

Le syndrome de Kearns-Sayre apparaît en raison de l'absence d'une partie distincte de l'ADN mitochondrial (NB: l'absence d'une certaine séquence de nucléotides est appelée délétion ).

Les personnes atteintes du syndrome de Kearns-Sayre développent une ophtalmoplégie (paralysie totale ou partielle des muscles oculomoteurs), une forme de rétinopathie et des anomalies du rythme cardiaque (bloc auriculo-ventriculaire).

SYNDROME DE LEIGH

Le syndrome de Leigh survient à la suite de mutations de l'ADN mitochondrial pouvant affecter la protéine ATP-synthase (également appelée complexe V) et / ou certains ARNt.

Le syndrome de Leigh est une maladie neurologique progressive qui survient dans l'enfance ou l'enfance et est responsable de: retard de développement, faiblesse musculaire, neuropathie périphérique, troubles moteurs, difficultés respiratoires et ophtalmoplégie.

DÉFICIT DE CITOCROMO C OSSIDASI

Une déficience en cytochrome C oxydase apparaît en raison de la mutation d'au moins 3 gènes d'ADN mitochondrial. Ces gènes sont essentiels à la synthèse correcte de l'enzyme cytochrome C oxydase (ou complexe IV), impliquée dans le processus de phosphorylation oxydative.

Les manifestations typiques du déficit en cytochrome C oxydase comprennent: un dysfonctionnement du muscle squelettique, un dysfonctionnement cardiaque, un dysfonctionnement rénal et un dysfonctionnement du foie.

PROGRESSIVE EXTERNE DE THALMOPLEGIA

L'ophtalmoplégie externe progressive résulte de l'absence d'un nombre important de nucléotides d'ADN mitochondrial (délétion).

Du caractère progressif (comme vous pouvez le deviner du nom), cette pathologie provoque une paralysie des muscles oculomoteurs, entraînant un ptosis et des problèmes visuels importants.

SYNDROME DE PEARSON

Le syndrome de Pearson apparaît après une suppression évidente de l'ADN mitochondrial, semblable à une ophtalmoplégie externe progressive et au syndrome de Kearns-Sayre.

Les manifestations typiques du syndrome de Pearson sont les suivantes: anémie sidéroblastique, dysfonctionnement du pancréas (par exemple, diabète insulino-dépendant), déficits neurologiques et troubles musculaires.

Généralement, le syndrome de Pearson provoque la mort du sujet affecté à un jeune âge. Rarement, les personnes touchées par cette pathologie atteignent l’âge adulte.

SYNDROME DE MELAS

Le syndrome MELAS, également appelé encéphalomyopathie mitochondriale avec acidose lactique et épisodes similaires à un AVC, est dû à la mutation d'au moins 5 gènes de l'ADN mitochondrial.

Ces gènes contribuent à la synthèse de la NADH oxyde réductase, ou complexe I, et de certains ARNt.

Le syndrome MELAS implique la présence de troubles neurologiques, de troubles musculaires, d'une accumulation inhabituelle d'acide lactique dans les tissus (avec tous les symptômes qui suivent), de problèmes respiratoires, d'une perte de contrôle des fonctions intestinales, d'une fatigue récurrente, de problèmes rénaux, de problèmes cardiaques, de diabète, épilepsie et manque de coordination.

AUTRES PATHOLOGIES

Selon plusieurs études scientifiques, même des maladies telles que les vomissements cycliques, la rétinite pigmentaire, l’ataxie, la maladie de Parkinson et la maladie d’Alzheimer seraient associées à l’ADN mitochondrial et à certaines de ses mutations.

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