ADN MITOCONDRIAL: CARACTERISTICI, FUNCȚII, MOȘTENIRE, BOLI - BIOLOGIE - 2025

ADN - ul mitocondrial este o mică moleculă de ADN circular , care este situată în interiorul acestor organite în celulele eucariote. Acest mic genom codifică pentru un număr foarte limitat de proteine ​​și aminoacizi din mitocondrie. Este comună găsirea numelui „ADN mitocondrial” prescurtat în multe manuale și articole științifice ca „mtDNA” sau în engleză „mtDNA”.

Mitocondriile sunt organele esențiale pentru celulele eucariote, deoarece sunt responsabile pentru transformarea energiei din alimentele consumate sub formă de zaharuri într-o formă de energie pe care celulele o pot utiliza (ATP, de exemplu).

ADN mitocondrial (Sursa? Institutul Național de Cercetare a Genomului Uman, prin Wikimedia Commons)

Toate celulele din organismele eucariote au cel puțin un mitocondriu în interiorul lor. Cu toate acestea, există celule precum celulele musculare cardiace și celulele musculare scheletice care pot avea sute de mitocondrii în interiorul lor.

Mitocondriile au propriul aparat de sinteză de proteine ​​independent de aparatul celular, cu ribozomi, ARN-uri de transfer și un aminoacil ARN transferaza-sintaza din interiorul organelei; deși ARN ribozomal este mai mic decât cel al celulei care le găzduiește.

Un astfel de aparat arată o mare asemănare cu aparatul de sinteză proteică a bacteriilor. Mai mult, la fel ca în procariote, acest aparat este extrem de sensibil la antibiotice, dar foarte diferit de cel al sintezei proteice din celulele eucariote.

Termenul „mitocondrie” a fost introdus de Benda la sfârșitul secolului al XII-lea, iar teoria „endosimbiozei” este cea mai larg acceptată despre originea sa. Aceasta a fost publicată în 1967 de Lynn Margulis, în Journal of Theoretical Biology.

Teoria „endosimbiozei” plasează originea mitocondriei cu milioane de ani în urmă. Se consideră că un strămoș celular al celulelor eucariote a „înghițit” și a încorporat în metabolismul său un organism asemănător bacteriilor, care ulterior a devenit ceea ce cunoaștem acum ca mitocondrie.

caracteristici

La mamifere, în general, întregul genom care cuprinde ADN mitocondrial este organizat într-un cromozom circular de 15.000 până la 16.000 de perechi de nucleotide sau, ceea ce este același, de 15 până la 16 Kb (kilobaze).

În majoritatea mitocondriilor puteți obține mai multe copii ale cromozomului mitocondrial. În celulele somatice umane (celulele non-sexuale) este frecvent să se găsească cel puțin 100 de copii ale cromozomului mitocondrial.

La plantele superioare (angiosperme) ADN-ul mitocondrial este de obicei mult mai mare, de exemplu, la planta de porumb cromozomul circular al ADN-ului mitocondrial poate măsura până la 570 Kb.

ADN-ul mitocondrial ocupă aproximativ 1% din ADN-ul total al celulelor somatice ale majorității animalelor vertebrate. Este un ADN foarte conservat în regnul animal, contrar celor observate la plante, unde există o mare diversitate.

În unele celule eucariote „uriașe”, cum ar fi ovule (celule sexuale feminine) ale mamiferelor sau în celule care conțin multe mitocondrii, ADN-ul mitocondrial poate constitui până la 1/3 din ADN-ul celular total.

ADN-ul mitocondrial are câteva proprietăți diferite decât ADN-ul nuclear: are o densitate și un raport diferit de perechi de bază guanină-citozină (GC) și adenină-timină (AT).

Densitatea perechii de bază GC în ADN-ul mitocondrial este de 1,68 g / cm3 și conținutul este de 21%; în timp ce în ADN-ul nuclear această densitate este de 1,68 g / cm3, iar conținutul este de aproximativ 40%.

Caracteristici

ADN-ul mitocondrial are cel puțin 37 de gene care sunt esențiale pentru funcția normală a mitocondriei. Dintre acei 37, 13 au informații pentru a produce enzimele implicate în fosforilarea oxidativă.

Aceste 13 gene codifică pentru 13 componente polipeptidice ale complexelor enzimatice care aparțin lanțului de transport al electronilor și sunt localizate în membrana internă a mitocondriilor.

În ciuda celor 13 polipeptide pe care ADN-ul mitocondrial contribuie la lanțul de transport al electronilor, acesta este format din mai mult de 100 de polipeptide diferite. Cu toate acestea, aceste 13 componente sunt esențiale pentru fosforilarea oxidativă și pentru lanțul de transport al electronilor.

Schema ADN-ului mitocondrial (Sursa: Mikibc ~ commonswiki, prin Wikimedia Commons)

Printre cele 13 polipeptide care sunt sintetizate din ADN-ul mitocondrial, se evidențiază subunitățile I, II și III ale complexului citocromului C oxidaza și subunitatea VI a pompelor ATPase încorporate în membrana internă a organelei.

Informațiile necesare pentru sinteza restului componentelor care alcătuiesc mitocondria sunt codificate de gene nucleare. Acestea sunt sintetizate în citoplasmă ca restul proteinelor celulare și apoi importate în mitocondrie, datorită semnalelor specifice.

În fosforilarea oxidativă, atomii de oxigen și zahăr, cum ar fi glucoza, sunt utilizați pentru sinteza sau formarea adenosinei trifosfat (ATP), care este specia chimică folosită de toate celulele ca sursă de energie.

Restul genelor mitocondriale au instrucțiuni pentru sintetizarea ARN-urilor de transfer (ARNt-uri), ARN-urilor ribozomale și enzimei aminoacil-ARN-transferaza-sintaza (ARNt), necesare pentru sinteza proteinelor în mitocondrii.

moștenire

Până relativ recent se credea că ADN-ul mitocondrial a fost transmis exclusiv prin moștenire maternă, adică prin descendență directă de la mamă.

Cu toate acestea, un articol publicat de Shiyu Luo și colegii săi în revista Proceedings of the National Academy of Sciences of the United States of America (PNAS) în ianuarie 2019, a descoperit că în cazuri rare ADN-ul mitocondrial poate fi moștenit de la ambii părinți, ambii al tatălui ca al mamei.

Înainte de publicarea acestui articol, pentru oamenii de știință a fost un fapt faptul că cromozomul Y și ADN-ul mitocondrial au fost moștenite intacte de la tată și mamă, respectiv, la urmași.

Moștenirea „intactă” a genelor cromozomului Y al genelor mitocondriale implică faptul că materialul genetic respectiv nu suferă modificări prin recombinare și, de-a lungul anilor, variază doar din cauza mutațiilor spontane, deci variația este destul de mică .

Din această cauză, majoritatea studiilor de mobilizare a populației sunt realizate pe baza acestor gene, deoarece, de exemplu, este ușor pentru genetici să construiască arbori genealogici folosind ADN mitocondrial.

O mare parte din istoria umană a fost reconstruită prin istoria genetică a ADN-ului mitocondrial. Multe case de afaceri oferă chiar clarificarea legăturii familiale a fiecărei persoane în parte cu strămoșii lor prin tehnici care studiază aceste caracteristici.

replică

Primul model de replicare a ADN-ului mitocondrial a fost propus în 1972 de Vinograd și colaboratori, iar acest model este încă valabil, cu unele modificări. În linii mari, modelul se bazează pe o replicare unidirecțională care începe la două origini diferite ale replicării.

Oamenii de știință clasifică cromozomul mitocondrial în două lanțuri diferite, lanțul greu, H sau OH, din engleza „grea” și lanțul ușor, L sau OL din engleza „light”. Acestea sunt identificate și localizate în cele două cadre de citire deschise neasignate (URF) pe cromozomul mitocondrial.

Replicarea genomului mitocondrial începe în lanțul greu (OH) și continuă într-o direcție până când se produce întreaga lungime a lanțului ușor (OL). Ulterior, proteinele numite „proteine ​​de legare ADN mitocondriale monocondriale” sunt atașate pentru a proteja lanțul care funcționează ca „părinte” sau „șablon”.

Enzimele responsabile de separarea pentru replicare să se producă (replicacozom) trec la banda ușoară (OL) și se formează o structură buclă care blochează legarea proteinelor de legătură ADN monocatenare mitocondriale.

În această buclă ARN-ul polimerazei mitocondriale se leagă și începe sinteza noului primer. Trecerea la sinteza lanțului greu (OH) are loc 25 de nucleotide mai târziu.

Tocmai în momentul trecerii la lanțul greu (OH), ARN polimeraza mitocondrială este înlocuită cu ADN polimeraza replicativă mitocondrială la capătul 3 ', unde inițial a început replicarea.

În cele din urmă, sinteza ambelor lanțuri, atât grele (OH), cât și ușoare (OL) se desfășoară continuu până când se formează două molecule circulare complete de ADN cu două catenele (dublu catenar).

Boli conexe

Există multe boli legate de o defecțiune a ADN-ului mitocondrial. Majoritatea sunt cauzate de mutații care afectează secvența sau informațiile conținute în genom.

Pierderea auzului în raport cu vârsta în creștere

Una dintre cele mai bine studiate boli care a fost direct legată de modificările aduse de genomul ADN mitocondrial este pierderea auzului datorită creșterii vârstei.

Această afecțiune este produsul factorilor genetici, de mediu și de stil de viață. Pe măsură ce oamenii îmbătrânesc, ADN-ul mitocondrial acumulează mutații nocive, precum ștergeri, translocări, inversiuni și multe altele.

Deteriorarea ADN-ului mitocondrial este cauzată în principal de acumularea speciilor reactive de oxigen, acestea sunt produse secundare ale producției de energie în mitocondrii.

ADN-ul mitocondrial este deosebit de vulnerabil la daune, deoarece nu are un sistem de reparație. Prin urmare, modificările cauzate de speciile de oxigen reactiv afectează ADN-ul mitocondrial și determină disfuncționalitatea organelei, provocând moartea celulelor.

Celulele urechii interne au o cerere mare de energie. Această cerere le face deosebit de sensibile la deteriorarea ADN-ului mitocondrial. Aceste pagube pot modifica ireversibil funcția urechii interne, ceea ce duce la o pierdere totală a auzului.

cancerele

ADN-ul mitocondrial este deosebit de sensibil la mutațiile somatice, mutații care nu sunt moștenite de la părinți. Aceste tipuri de mutații apar în ADN-ul unor celule de-a lungul vieții unei persoane.

Există dovezi care leagă modificările ADN mitocondriale rezultate din mutații somatice cu anumite tipuri de cancer, tumori în glandele mamare, în colon, în stomac, în ficat și în rinichi.

Mutațiile ADN-ului mitocondrial au fost, de asemenea, asociate cu cancerele de sânge precum leucemia și limfoamele (cancerul celulelor sistemului imunitar).

Specialiștii leagă mutațiile somatice în ADN-ul mitocondrial cu o creștere a producției de specii reactive de oxigen, factori care cresc deteriorarea ADN-ului mitocondrial și creează o lipsă de control în creșterea celulelor.

Se știe puțin despre modul în care aceste mutații cresc diviziunea celulară necontrolată a celulelor și cum se sfârșesc dezvoltând ca tumori canceroase.

Sindromul de vărsături ciclice

Se consideră că unele cazuri de vărsături ciclice, tipice copilăriei, sunt legate de mutații ale ADN-ului mitocondrial. Aceste mutații provoacă episoade recurente de greață, vărsături și oboseală sau letargie.

Oamenii de știință asociază aceste episoade de vărsături cu faptul că mitocondriile cu ADN mitocondrial deteriorat pot afecta anumite celule ale sistemului nervos autonom, afectând funcții precum ritmul cardiac, tensiunea arterială și digestia.

În ciuda acestor asocieri, nu este încă clar cum modificările ADN-ului mitocondrial provoacă episoade recurente de sindrom de vărsături ciclice.

Referințe

1. Clayton, D. (2003). Replicarea ADN-ului mitocondrial: ceea ce știm. Viața IUBMB, 55 (4-5), 213-217.
2. Falkenberg, M. (2018). Replicarea ADN-ului mitocondrial în celulele de mamifer: vedere de ansamblu a căii. Eseuri în biochimie, 62 (3), 287-296.
3. Giles, RE, Blanc, H., Cann, HM și Wallace, DC (1980). Moștenirea maternă a ADN-ului mitocondrial uman. Proceedings of the National Academy of Sciences, 77 (11), 6715-6719
4. Luo, S., Valencia, CA, Zhang, J., Lee, NC, Slone, J., Gui, B, & Chen, SM (2019). Răspuns la Lutz-Bonengel și colab .: Transmisia biparentală a mtDNA este puțin probabil să fie rezultatul segmentelor nucleare de ADN mitocondrial. Proceedings of the National Academy of Sciences, 116 (6), 1823-1824.
5. McWilliams, TG și Suomalainen, A. (2019). Soarta mitocondriei tatălui. Nature, 565 (7739), 296-297.
6. Biblioteca Națională de Medicină. Referința de origine genetică: ghidul dvs. pentru înțelegerea condițiilor genetice.
7. Shadel, GS, & Clayton, DA (1997). Întreținerea ADN-ului mitocondrial la vertebrate. Analiza anuală de biochimie, 66 (1), 409-435.
8. Simmons, MJ și Snustad, DP (2006). Principiile geneticii. John Wiley & Sons.