Genom mitohondrija
Sve eukariotske stanice sadrže mitohondrije (slika 17.5.). To su organeli koji su centri aerobne respiracije (disanja) gdje procesom oksidacijske fosforilacije nastaje ATP (izvor energije). Imaju svoju vlastitu DNA.
Slika 17.5. Građa mitohondrija (https://openstax.org/books/biology-2e/pages/4-3-eukaryotic-cells).
Mitohondrijska DNA (mtDNA) je gola kružna dvolančana DNA koja se replicira neovisno o jezgrinom genomu. Mitohondrijska DNA čovjeka sadrži 16.569 pb, dok je mtDNA kvasca pet puta veća. Kod biljaka je mtDNA puno veća i pokazuje veću varijabilnost (250.000 – 2×106 pb).
Stanica kvasca ima oko 20 kopija mtDNA po mitohondriju, stanica čovjeka 4-10 (što čini < 1 % genoma), a biljna stanica 20-40 (što čini 15 % od jezgrine DNA). Broj mitohondrija po stanici kreće se od 10-10.000 ovisno o organizmu i tipu stanice.
Mitohondrijska DNA razlikuje se od jezgrine jer:
- je prstenasta
- se sastoji od jedinstvene sekvencije DNA
- nema repetitivnih sekvencija
- se prenosi preko ženske gamete (99,99 % u čovjeka; 100 % u biljaka)
Najčešće se mitohondriji nasljeđuju citoplazmom jajne stanice što nazivamo majčinsko nasljeđivanje. Iznimku u majčinskom nasljeđivanju mitohondrija predstavljaju kvasci i neki mekušci (dagnje) gdje je nasljeđivanje biparentalno, zatim miš kod kojega je 1/1000 mitohondrija očevog porijekla i neke golosjemenjače (sekvoja) u kojih se mitohondriji nasljeđuju putem očeve gamete.
Ljudska mtDNA ima 37 gena od kojih je 13 za proteine, 22 za tRNA i 2 za rRNA molekule koje grade ribosome mitohondrija (slika 17.6.). Proces oksidacijske fosforilacije zahtijeva najmanje 69 polipeptida. Mitohondrijska DNA ima gene za njih 13. Ostali proteini dolaze iz citoplazme gdje se sintetiziraju na temelju informacije u jezgri. Ljudska mtDNA ima gene za citokrom b, 3 podjedinice citokrom-oksidaze, neke podjedinice ATPaze i 7 podjedinica NADH-dehidrogenaze.
Slika 17.6. Mitohondrijska DNA čovjeka (vlastiti rad Shanel prema: Mitochondrial DNA de.svg; https://commons.wikimedia.org/wiki/File:Mitochondrial_DNA_en.svg).
Mitohondrijska DNA kvasca je 5X veća od mtDNA čovjeka (78.000 pb), a ima gene za 2 rRNA, oko 30 tRNA i nekoliko membranskih proteina. Ti su geni raštrkani i odvojeni nekodirajućim regijama (introni). Veliki dio mtDNA kvasca je nekodirajući za razliku od jezgrine DNA. Pretpostavlja se da su se tijekom evolucije introni iz jezgre rekombinacijom ugradili u mitohondrijski genom.
Mutacije mtDNA uzrokuju različite bolesti u čovjeka, a prenose se isključivo jajnom stanicom na svu djecu bez obzira na spol (majčinsko nasljeđivanje) (Slika 17.7.).
Slika 17.7. Mutacije mt DNA izazivaju različite bolesti u ljudi, a prenose se isključivo jajnom stanicom na svu djecu bez obzira na spol (crtež Renata Horvat).
Zbog heteroplazmije koja je moguća i kod mitohondrija postoji varijabilnost u jačini simptoma bolesti mitohondrijske patologije (slika 17.8.).
Slika 17.8. Djeca majke sa slabim simptomima ili bez simptoma mitohondrijske bolesti zbog heteroplazmije (crtež Renata Horvat).
Različita tkiva u organizmu različito su bogata mitohondrijima. Najviše mitohondrija imaju poprečno-prugasti mišići i srčani mišić, bubrezi i središnji živčani sustav. Stoga su najčešće mitohondrijske bolesti miopatije, neurološki sindromi i kardiopatije.
Primjeri nekih bolesti ljudske mitohondrijske patologije:
Leberova optička neuropatija – optička atrofija koja uzrokuje sljepoću. Radi se o mutaciji jednog od gena (gen za podjedinicu 4 NADH-dehidrogenaze) koji kodira podjedinice kompleksa u transportnom lancu elektrona.
Mitohondrijska miopatija – mutacija u genu za tRNA za leucin.
Mitohondrijska encefalomiopatija – mutacija gena za tRNA za lizin i leucin.