Generalitate
ADN-ul mitocondrial, sau ADNmt, este acidul dezoxiribonucleic care se află în interiorul mitocondriilor, adică organitele celulelor eucariote responsabile de procesul celular foarte important de fosforilare oxidativă.
Cu toate acestea, are și unele particularități, atât structurale, cât și funcționale, care îl fac unic în felul său. Aceste particularități includ: circularitatea catenei duble de nucleotide, conținutul de gene (care este doar 37 de elemente) și absența aproape totală a secvențelor de nucleotide necodificatoare.
ADN-ul mitocondrial îndeplinește o funcție fundamentală pentru supraviețuirea celulelor: produce enzimele necesare realizării fosforilării oxidative.
Ce este ADN-ul mitocondrial?
ADN-ul mitocondrial, sau ADNmt, este ADN-ul situat în mitocondrie.
Mitocondriile sunt acele organite celulare mari, tipice organismelor eucariote, care transformă energia chimică conținută în alimente în ATP, care este o formă de energie care poate fi exploatată de celule.
CONTEXT PRIVIND STRUCTURA ȘI FUNCȚIONAREA MITOCHONDRONILOR
De formă tubulară, filamentoasă sau granulară, mitocondriile locuiesc în citoplasmă, ocupând aproape 25% din volumul acestuia din urmă.
Au două membrane cu două straturi fosfolipidice, una mai externă și alta internă.
Membrana exterioară, cunoscută sub numele de membrană mitocondrială exterioară, reprezintă perimetrul fiecărei mitocondrii și are proteine de transport (porine și mai mult), care o fac permeabilă la molecule cu o dimensiune egală sau mai mică de 5.000 daltoni.
Membrana cea mai interioară, cunoscută sub numele de membrană mitocondrială internă, conține toate componentele enzimatice (sau enzimatice) și coenzimale, necesare pentru sinteza ATP, și definește un spațiu central, numit matrice.
Spre deosebire de membrana exterioară, membrana mitocondrială interioară are numeroase invaginații - așa-numitele creste - care îi măresc aria totală.
Între cele două membrane mitocondriale, există un spațiu de aproape 60-80 angstromi (A). Acest spațiu se numește spațiul intermembranar. Spațiul intermembranar are o compoziție foarte asemănătoare cu cea a citoplasmei.
Sinteza ATP, operată de mitocondrii, este un proces foarte complex, pe care biologii îl identifică cu termenul de fosforilare oxidativă.
LOCALIZARE PRECISĂ A ADNULUI MITOCONDRAL ȘI A CANTITĂȚII
Figura: o mitocondrie umană.
ADN-ul mitocondrial se află în matricea mitocondrială, adică în spațiul delimitat de membrana mitocondrială internă.
Conform unor studii științifice fiabile, fiecare mitocondrie poate conține de la 2 la 12 copii de ADN mitocondrial.
Dat fiind faptul că, în corpul uman, unele celule pot conține câteva mii de mitocondrii în interiorul lor, numărul total de copii ale ADN-ului mitocondrial într-o singură celulă umană poate ajunge până la 20.000 de unități.
Vă rugăm să rețineți: numărul mitocondriilor din celulele umane variază în funcție de tipul celulei. De exemplu, hepatocitele (adică celulele hepatice) pot conține între 1.000 și 2.000 de mitocondrii fiecare, în timp ce eritrocitele (adică celulele roșii din sânge) sunt total lipsite de ele.
Structura
Structura generală a unei molecule de ADN mitocondrial seamănă cu structura generală a ADN-ului nuclear, adică moștenirea genetică prezentă în nucleul celulelor eucariote.
Intr-adevar, analog ADN-ului nuclear:
- ADN-ul mitocondrial este un biopolimer, format din două catene lungi de nucleotide. Nucleotidele sunt molecule organice, rezultate din unirea a trei elemente: un zahăr cu 5 atomi de carbon (în cazul ADN-ului, dezoxiriboză), o bază azotată și o grupare fosfat.
- Fiecare nucleotidă a ADN-ului mitocondrial se leagă de următorul nucleotid al aceleiași catene prin intermediul unei legături fosfodiesterice între carbonul 3 al deoxiribozei sale și gruparea fosfat a nucleotidei imediat următoare.
- Cele două catene ale ADN-ului mitocondrial au orientări opuse, capătul unuia interacționând cu capătul celuilalt și invers. Acest aranjament particular este cunoscut sub numele de aranjament antiparalel (sau orientare antiparalel).
- Cele două catene de ADN mitocondrial interacționează între ele prin bazele azotate.
Mai exact, fiecare bază azotată a fiecărui filament stabilește legături de hidrogen cu o singură bază azotată, prezentă pe celălalt filament.
Acest tip de interacțiune se numește „împerechere între baze azotate” sau „pereche de baze azotate”. - Bazele azotate ale ADN-ului mitocondrial sunt adenina, timina, citozina și guanina.
Împerecherea la care dau naștere aceste baze azotate nu este aleatorie, ci foarte specifică: adenina interacționează numai cu timina, în timp ce citozina interacționează numai cu guanina. - ADN-ul mitocondrial găzduiește gene (sau secvențe genetice). Genele sunt secvențe de nucleotide mai mult sau mai puțin lungi, cu o semnificație biologică bine definită. În majoritatea cazurilor, ele dau naștere proteinelor.
PARTICULARITĂȚI STRUCTURALE ALE ADNULUI MITOCONDRAL
Dincolo de analogiile menționate anterior, ADN-ul mitocondrial uman are unele particularități structurale, care îl diferențiază considerabil de ADN-ul nuclear uman.
În primul rând, este o moleculă circulară, în timp ce ADN-ul nuclear este o moleculă liniară.
Astfel, are 16 569 de perechi de baze azotate, în timp ce ADN-ul nuclear are 3,3 miliarde.
Conține 37 de gene, în timp ce ADN-ul nuclear pare să conțină între 20.000 și 25.000.
Nu este organizat în cromozomi, în timp ce ADN-ul nuclear este împărțit în 23 de cromozomi și formează, cu unele proteine specifice, o substanță numită cromatină.
În cele din urmă, include o serie de nucleotide care participă la două gene în același timp, în timp ce ADN-ul nuclear are gene ale căror secvențe de nucleotide sunt bine definite și distincte una de alta.
Origine
ADN-ul mitocondrial are cel mai probabil o origine „bacteriană”.
De fapt, pe baza numeroaselor studii independente, biologii moleculari cred că prezența celulară a ADN-ului mitocondrial este rezultatul încorporării, de către celulele eucariote ancestrale, a organismelor bacteriene independente, foarte asemănătoare cu mitocondriile.
Această descoperire curioasă a uimit doar parțial comunitatea științifică, deoarece ADN-ul prezent în bacterii este, în general, o catenă de nucleotide circulare, precum ADN-ul mitocondrial.
Teoria conform căreia mitocondriile și ADN-ul mitocondrial au o „origine bacteriană” ia numele de „teorie endosimbiotică”, din cuvântul „endosimbioză.” Pe scurt, în biologie, termenul „endosimbioză” indică o colaborare între două organisme, care implică „încorporarea uneia în cealaltă, pentru a obține un anumit avantaj.
Curiozitate
Conform unor studii științifice fiabile, în cursul evoluției, multe gene bacteriene, prezente pe viitorul ADN mitocondrial, s-ar fi schimbat de locație, mutându-se în ADN nuclear.
Cu alte cuvinte, la începutul endosimbiozei, unele gene prezente acum pe ADN-ul nuclear locuiau în ADN-ul acelor organisme bacteriene, care vor deveni ulterior mitocondrii.
Pentru a susține teoria referitoare la o schimbare a genelor între ADN mitocondrial și ADN nuclear, este observația că anumite gene derivă din ADN-ul mitocondrial, la unele specii, și de la ADN-ul nuclear, la altele.
Funcţie
ADN-ul mitocondrial produce enzime (adică proteine), necesare pentru implementarea corectă a procesului delicat de fosforilare oxidativă.
Instrucțiunile pentru sintetizarea acestor enzime se află în cele 37 de gene care alcătuiesc genomul ADN-ului mitocondrial.
CE COD GENE ADN MITOCONDRAL: DETALII
Cele 37 de gene ale codului ADN mitocondrial pentru: proteine, ARNt și ARNr.
În special:
- 13 codifică 13 proteine responsabile de efectuarea fosforilării oxidative
- Cod 22 pentru 22 molecule de ARNt
- 2 codifică 2 molecule de ARNr
Moleculele de ARNt și ARNr sunt fundamentale pentru sinteza celor 13 proteine menționate anterior, deoarece acestea alcătuiesc mecanismul care le reglementează producția.
Deci, cu alte cuvinte, ADN-ul mitocondrial posedă informații pentru a produce un anumit set de proteine și instrumentele necesare pentru sinteza lor.
Ce sunt ARN, ARNt și ARNr?
ARN-ul, sau acidul ribonucleic, este acidul nucleic care joacă un rol fundamental în generarea de proteine, pornind de la ADN.
În general monocatenar, ANN poate exista sub diferite forme (sau tipuri), în funcție de funcția specifică căreia îi este delegat.
TRNA și ARNr sunt două dintre aceste forme posibile.
ARNt este utilizat pentru a adăuga aminoacizi în timpul procesului de fabricare a proteinelor.Aminoacizii sunt unitățile moleculare care alcătuiesc proteinele.
ARNr formează ribozomii, adică structurile celulare în care are loc sinteza proteinelor.
Pentru a cunoaște în detaliu ANN și funcțiile sale, cititorii pot face clic aici.
DETALII FUNCȚIONALE A ADN-ului MITOCONDRAL
Din punct de vedere funcțional, ADN-ul mitocondrial are câteva caracteristici deosebite care îl disting clar de ADN-ul nuclear.
Iată în ce constau aceste caracteristici specifice:
- ADN-ul mitocondrial este semi-independent, în sensul că are nevoie de intervenția unor proteine sintetizate din ADN-ul nuclear.
Pe de altă parte, ADN-ul nuclear este complet autonom și produce de la sine tot ce are nevoie pentru a-și îndeplini în mod corespunzător sarcinile. - ADN-ul mitocondrial are un cod genetic ușor diferit de ADN-ul nuclear. Acest lucru duce la o serie de diferențe în fabricarea proteinelor: dacă o anumită secvență de nucleotide din ADN-ul nuclear duce la crearea unei anumite proteine, aceeași secvență în ADN-ul mitocondrial duce la formarea unei proteine ușor diferite.
- ADN-ul mitocondrial are foarte puține secvențe de nucleotide necodificatoare, adică nu produc proteine, ARNt sau ARNr. În termeni procentuali, doar 3% din ADN-ul mitocondrial este necodificator.
Pe de altă parte, ADN-ul nuclear codifică doar 7%, deci conține o mulțime de secvențe de nucleotide necodificate (până la 93%).
Tabel: rezumatul diferențelor dintre ADN-ul mitocondrial uman și ADN-ul nuclear uman.
ADN mitocondrial
ADN nuclear
- Este circular
- Este liniar
- Are 16.569 perechi de baze azotate în total
- Are un total de 3,3 miliarde de perechi de baze azotate
- Conține 37 de gene în total
- Conține între 20.000 și 25.000 de gene
- Pentru a funcționa corect are nevoie de sprijinul unor produse genetice, derivate din ADN-ul nuclear
- Este autonomă și produce de la sine tot ce are nevoie pentru a-și îndeplini în mod corespunzător funcțiile
- Poate fi prezent în mai multe exemplare în fiecare mitocondrie individuală
- Este unic, adică este într-un singur exemplar și se află în nucleu
- 97% din secvența de nucleotide care o compune codifică
- Doar 7% din secvența de nucleotide care o compune codifică
- Nu este organizat în cromozomi
- Este împărțit în 23 de cromozomi
- Folosește un cod genetic ușor diferit de cel „tradițional”, ca să spunem așa
- Folosiți codul genetic „tradițional”
- Moștenirea sa este maternă
- Moștenirea sa este pe jumătate maternă și pe jumătate paternă
- Unele dintre nucleotidele sale participă în două gene în același timp
- Secvențele de nucleotide care alcătuiesc genele sunt bine distinse între ele
Moştenire
Moștenirea ADN mitocondrială este strict maternă.
Aceasta înseamnă că, într-o pereche de părinți, femeia este cea care transmite ADN-ul mitocondrial către descendenți (adică copiilor).
Într-un mod complet opus celor de mai sus, moștenirea ADN-ului nuclear este pe jumătate maternă și pe jumătate paternă. Cu alte cuvinte, ambii părinți contribuie în mod egal la transmiterea ADN-ului nuclear la descendenți.
Vă rugăm să rețineți: moștenirea maternă a ADN-ului mitocondrial implică și structura mitocondrială. Prin urmare, mitocondriile prezente la un individ sunt materne.
Patologii asociate
Premisă: O mutație genetică este o schimbare permanentă a secvenței de nucleotide, care alcătuiesc o genă ADN nucleară sau mitocondrială.
De obicei, prezența unei mutații genetice are ca rezultat o „alterare sau pierdere a funcției normale a genei implicate.
Prezența mutațiilor în genele ADN mitocondriale poate duce la o gamă largă de boli, inclusiv:
- Neuropatia optică ereditară a lui Leber
- Sindromul Kearns-Sayre
- Sindromul Leigh
- Deficitul de citocrom C oxidază
- Oftalmoplegia externă progresivă
- Sindromul Pearson
- Encefalomiopatie mitocondrială cu acidoză lactică și episoade asemănătoare accidentului vascular cerebral (sindrom MELAS)
- Diabet cu surditate transmisă matern
- Epilepsie mioclonică cu fibre roșii neregulate
În ceea ce privește condițiile patologice legate de una sau mai multe mutații ale ADN-ului mitocondrial, trebuie clarificate două aspecte.
În primul rând, severitatea bolii depinde de relația cantitativă dintre ADN-urile mitocondriale mutante și ADN-urile mitocondriale sănătoase și normale. Dacă numărul ADN-urilor mitocondriale mutate este mult mai mare decât cel al ADN-urilor sănătoase, starea rezultată va fi mai severă.
În al doilea rând, mutațiile ADN-ului mitocondrial afectează doar unele țesuturi ale organismului, în special cele care necesită cantități mari de ATP rezultate din procesul de fosforilare oxidativă. funcția pe care o îndeplinește în mod normal ADN-ul mitocondrial.
NEUROPATIA OPTICĂ ereditară a lui LEBER
Neuropatia optică ereditară a lui Leber apare ca urmare a mutației a până la patru gene ADN mitocondriale. Aceste gene conțin informații care conduc la sinteza așa-numitului complex I (sau oxid-reductază NADH), una dintre diferitele enzime implicate în procesul de fosforilare oxidativă.
Manifestările patologiei constau într-o degenerare progresivă a nervului optic și o pierdere treptată a vederii.
SINDROMUL KEARNS-SAYRE
Sindromul Kearns-Sayre apare din cauza lipsei unei cantități echitabile de ADN mitocondrial (N.B: lipsa unei anumite secvențe de nucleotide se numește deleție).
Persoanele cu sindrom Kearns-Sayre dezvoltă oftalmoplegie (paralizie totală sau parțială a mușchilor oculomotori), o formă de retinopatie și anomalii ale ritmului cardiac (bloc atrioventricular).
SINDROMUL LEIGH
Sindromul Leigh apare ca urmare a mutațiilor ADN-ului mitocondrial, care pot afecta proteina ATP-sintază (numită și complex V) și / sau unele ARNt.
Sindromul Leigh este o boală neurologică progresivă, care apare în copilărie sau în copilărie și este responsabilă de: întârziere în dezvoltare, slăbiciune musculară, neuropatie periferică, tulburări motorii, dificultăți de respirație și oftalmoplegie.
DEFICITATEA OXIDAZEI CITOCHROME C
Deficitul de citocrom C oxidază apare din cauza mutației a cel puțin 3 gene ADN mitocondriale. Aceste gene sunt esențiale pentru sinteza corectă a enzimei citocromului C oxidază (sau complexului IV), implicată în procesul de fosforilare oxidativă.
Manifestările tipice ale deficitului de citocrom C oxidază constau în: disfuncție musculară scheletică, disfuncție cardiacă, disfuncție renală și disfuncție hepatică.
OFTALMOPLEGIA EXTERNĂ PROGRESIVĂ
Oftalmoplegia externă progresivă apare din lipsa unui număr substanțial de nucleotide ADN mitocondriale (ștergere)
Cu un caracter progresiv (așa cum se poate ghici din nume), această patologie provoacă o paralizie a mușchilor oculomotori, cu ptoză consecventă și probleme vizuale considerabile.
SINDROMUL PEARSON
Sindromul Pearson apare în urma unei ștergeri evidente a ADN-ului mitocondrial, într-un mod similar cu oftalmoplegia externă progresivă și sindromul Kearns-Sayre.
Manifestările tipice ale sindromului Pearson constau în: anemie sideroblastică, disfuncție pancreatică (de exemplu, diabet insulino-dependent), deficite neurologice și tulburări musculare.
Sindromul Pearson determină de obicei moartea persoanei afectate la o vârstă fragedă. De fapt, cei afectați de această patologie ajung rar la maturitate.
SINDROMUL MELAS
Sindromul MELAS, cunoscut și sub denumirea de encefalomiopatie mitocondrială cu acidoză lactică și episoade asemănătoare accidentului vascular cerebral, apare din mutația a cel puțin 5 gene ADN mitocondriale.
Aceste gene contribuie la sinteza oxidului-reductazei NADH sau complexului I și a unor ARNt.
Sindromul MELAS implică prezența unor tulburări neurologice, tulburări musculare, acumulare neobișnuită de acid lactic în țesuturi (cu toate simptomele însoțitoare), probleme de respirație, pierderea controlului funcției intestinului, oboseală recurentă, probleme renale, probleme cardiace, diabet, epilepsie și lipsa coordonării.
ALTE PATOLOGII
Conform diferitelor studii științifice, boli precum sindromul vărsăturilor ciclice, retinita pigmentară, ataxia, boala Parkinson și boala Alzheimer, ar vedea, de asemenea, implicarea ADN-ului mitocondrial și a unor mutații ale acestuia.
