ADN MITOCONDRIAL: CARACTERÍSTIQUES, FUNCIONS, HERÈNCIA, MALALTIES - BIOLOGIA - 2024

L' ADN mitocondrial és una molècula petita d'ADN circular que es troba a l'interior d'aquests orgànuls en les cèl·lules eucariotes. Aquest petit genoma codifica per a un nombre molt limitat de proteïnes i aminoàcids a l'interior de les mitocòndries. És comú trobar el nom de "ADN mitocondrial" abreujat en molts llibres de text i articles científics com "ADNmt" o en anglès "mtDNA".

Els mitocondris són orgànuls indispensables per a les cèl·lules eucariotes, ja que s'encarreguen de transformar l'energia dels aliments consumida en forma de sucres en una forma d'energia que les cèl·lules poden utilitzar (ATP, per exemple).

ADN mitocondrial (Font? National Human Genome Research Institute, via Wikimedia Commons)

Totes les cèl·lules en els organismes eucariotes tenen al menys un mitocondri al seu interior. No obstant això, hi ha cèl·lules com les cèl·lules musculars de el cor i les de l'múscul esquelètic que poden tenir centenars de mitocòndries al seu interior.

Els mitocondris posseeixen un aparell de síntesi de proteïnes propi i independent de l'aparell de la cèl·lula, amb ribosomes, ARNs de transferència i una aminoacil ARN transferasa-sintetasa pròpia de l'interior de l'orgànul; encara que l'ARN ribosomal és de menor grandària que el de la cèl·lula que les alberga.

Dit aparell mostra una gran similitud amb l'aparell de síntesi de proteïnes dels bacteris. És més, així com en els procariotes, aquest aparell és extremadament sensible als antibiòtics, però molt diferent a el de síntesi de proteïnes en les cèl·lules eucariotes.

El terme "mitocòndria" va ser introduït per Benda a la fi de el segle XII i la teoria de la "endosimbiosi" és la més acceptada sobre el seu origen. Aquesta va ser publicada el 1967 per Lynn Margulis, a la revista Journal of Theoretical Biology.

La teoria de la "endosimbiosi" situa l'origen del mitocondri milions d'anys enrere. Es teoritza que un avantpassat cel·lular de les cèl·lules eucariotes "engolir" i va incorporar al seu metabolisme a un organisme tipus bacteri, el que posteriorment es va convertir en el que avui coneixem com mitocòndria.

Característiques

En els mamífers, generalment tot el genoma que comprèn l'ADN mitocondrial està organitzat en un cromosoma circular de 15.000 a 16.000 parells de nucleòtids o, el que és el mateix, de 15 a 16 Kb (kilobases).

A l'interior de la majoria de les mitocòndries es poden aconseguir diverses còpies de l'cromosoma mitocondrial. En les cèl·lules somàtiques humanes (cèl·lules no sexuals) és comú trobar a el menys 100 còpies de l'cromosoma mitocondrial.

A les plantes superiors (angiospermes) l'ADN mitocondrial sol ser molt més gran, per exemple, a la planta de blat de moro el cromosoma circular de l'ADN mitocondrial pot mesurar fins a 570 Kb.

L'ADN mitocondrial ocupa prop de l'1% de l'ADN total de les cèl·lules somàtiques de la majoria dels animals vertebrats. És un ADN molt conservat en el regne animal, cas contrari a l'observat en plantes, on hi ha una àmplia diversitat.

En algunes cèl·lules eucariotes "gegants" com els òvuls (cèl·lules sexuals de les femelles) dels mamífers o en cèl·lules que contenen moltes mitocòndries, l'ADN mitocondrial pot constituir fins a 1/3 de l'ADN cel·lular total.

L'ADN mitocondrial té algunes propietats diferents a l'ADN nuclear: té una densitat i proporció de parells de bases guanina - citosina (GC) i adenina - timina (AT) diferents.

La densitat de parells de bases GC en l'ADN mitocondrial és de 1,68 g / cm3 i el contingut és de 21%; mentre que en l'ADN nuclear aquesta densitat és de 1,68 g / cm3 i el contingut és d'al voltant de l'40%.

funcions

L'ADN mitocondrial posseeix al menys 37 gens que són essencials per a la funció normal del mitocondri. D'aquests 37, 13 posseeixen la informació per a produir enzims involucrats en la fosforilació oxidativa.

Aquests 13 gens codifiquen per 13 components polipeptídics dels complexos enzimàtics que pertanyen a la cadena transportadora d'electrons i se situen a la membrana interna del mitocondri.

Tot i els 13 polipèptids que aporta l'ADN mitocondrial a la cadena transportadora d'electrons, aquesta es compon de més de 100 polipèptids diferents. No obstant això, aquests 13 components són essencials per a la fosforilació oxidativa i la cadena transportadora d'electrons.

Esquema de l'ADN mitocondrial (Font: Mikibc ~ commonswiki, via Wikimedia Commons)

Entre els 13 polipèptids que són sintetitzats a partir de l'ADN mitocondrial destaquen les subunitats I, II i III de l'complex citocrom C oxidasa i la subunitat VI de les bombes ATPases embegudes en la membrana interna de l'orgànul.

La informació necessària per a la síntesi de la resta dels components que constitueixen a les mitocòndries es troba codificat per gens nuclears. Aquests són sintetitzats en el citoplasma com la resta de les proteïnes cel·lulars i després importats a l'interior del mitocondri gràcies a senyals específics.

A la fosforilació oxidativa s'utilitzen àtoms d'oxigen i sucres com la glucosa per a la síntesi o formació de l'adenosín trifosfat (ATP), que és l'espècie química que utilitzen totes les cèl·lules com a font d'energia.

Els gens mitocondrials restants posseeixen les instruccions per sintetitzar ARNs de transferència (ARNt), ARNs ribosomals i l'enzim aminoacil-ARN transferasa-sintetasa (ARNt), necessaris per a la síntesi de proteïnes a l'interior del mitocondri.

herència

Fins fa relativament poc temps es pensava que l'ADN mitocondrial es transmetia exclusivament a través d'herència materna, és a dir, per descendència directa des de la mare.

No obstant això, un article publicat per Shiyu Luo i col·laboradors a la revista Proceedings of the National Academy of Sciences of the United States of America (PNAS) al gener de 2019, va comprovar que en rares ocasions es pot heretar ADN mitocondrial de tots dos parentals, tant d'el pare com de la mare.

Abans de la publicació d'aquest article, per als científics era un fet que el cromosoma Y i l'ADN mitocondrial s'heretaven intactes des del pare i la mare, respectivament, cap a la descendència.

L'herència "intacta" dels gens de l'cromosoma I dels gens mitocondrials implica que aquest material genètic no pateix canvis per recombinació i, amb el passar dels anys, només varien a causa de mutacions espontànies, de manera que la variació és bastant baixa.

A causa d'això, la majoria dels estudis de mobilització de poblacions es realitzen amb base a aquests gens, ja que, per exemple, resulta senzill per als genetistes construir arbres genealògics utilitzant l'ADN mitocondrial.

Gran part de la història de la humanitat s'ha reconstruït a través de la història genètica de l'ADN mitocondrial. Fins i tot, moltes cases comercials ofereixen aclarir el vincle familiar de cada persona visqui amb els seus avantpassats mitjançant tècniques que estudien aquestes característiques.

replicació

El primer model de replicació de l'ADN mitocondrial va ser proposat en 1972 per Vinograd i col·laboradors i aquest model segueix vigent, amb alguns canvis. En línies generals, el model es basa en una replicació unidireccional que comença a dos orígens de replicació diferents.

Els científics classifiquen el cromosoma mitocondrial en dues cadenes diferents, la cadena pesada, H o OH, de l'anglès "heavy" i cadena lleugera, L, o OL de l'anglès "light". Aquestes són identificades i localitzades en els dos marcs oberts de lectura no assignats (URF) en el cromosoma mitocondrial.

La replicació de l'genoma mitocondrial comença a la cadena pesada (OH) i contínua en una sola direcció fins a produir la longitud completa de la cadena lleugera (OL). Posteriorment s'uneixen unes proteïnes anomenades "proteïnes d'unió a ADN monocatenari mitocondrial" per protegir la cadena que funciona com a "parental" o "motlle".

Els enzims encarregades de la separació perquè ocorri la replicació (replicosoma) passen a la banda lleugera (OL) i es forma una estructura de bucle que bloqueja la unió de les proteïnes d'unió a DNA monocatenari mitocondrial.

En aquest bucle s'uneix l'ARN polimerasa mitocondrial i comença la síntesi de el nou encebador. La transició cap a la síntesi de la cadena pesada (OH) passa 25 nucleòtids després.

Just en el moment de la transició a la cadena pesada (OH), l'ARN polimerasa mitocondrial és reemplaçada per l'ADN polimerasa replicativa de la mitocòndries en l'extrem 3 ', on va començar la replicació inicialment.

Finalment, la síntesi de les dues cadenes, tant de la pesada (OH) com de la lleugera (OL) procedeix de forma contínua fins que es formen dues molècules circulars completes d'ADN bicatenari (doble cadena).

malalties relacionades

Són molt nombroses les malalties relacionades amb un mal funcionament de l'ADN mitocondrial. La majoria es produeixen a causa de mutacions que danyen la seqüència o la informació continguda en el genoma.

Pèrdua de l'audició relativa amb l'increment de l'edat

Una de les malalties millor estudiades que s'ha relacionat directament amb canvis en el genoma d'l'ADN mitocondrial, és la pèrdua de l'audició per l'increment de l'edat.

Aquesta condició és producte de factors genètics, ambientals i de l'estil de vida. A mesura que les persones comencen a envellir, l'ADN mitocondrial acumula mutacions nocives, com eliminacions, translocacions, inversions, entre d'altres.

Els danys en l'ADN mitocondrial són causats principalment per l'acumulació d'espècies reactives d'oxigen, aquests són subproductes de la producció d'energia a les mitocòndries.

L'ADN mitocondrial és especialment vulnerable als danys, ja que no posseeix un sistema de reparació. Per tant, els canvis causats per les espècies reactives d'oxigen fan mal a l'ADN mitocondrial i fa que funcioni malament el orgànul, causant la mort cel·lular.

Les cèl·lules de l'oïda interna tenen una alta demanda d'energia. Aquesta demanda fa que siguin especialment sensibles als danys en l'ADN mitocondrial. Aquests danys poden alterar de forma irreversible la funció de l'oïda interna, conduint a una pèrdua total de l'audició.

càncers

L'ADN mitocondrial és especialment sensible a les mutacions somàtiques, mutacions que no són heretades dels pares. Aquest tipus de mutacions ocorren en l'ADN d'algunes cèl·lules al llarg de la vida de les persones.

Existeix evidència que vincula les alteracions de l'ADN mitocondrial producte de mutacions somàtiques amb certs tipus de càncer, tumors en les glàndules mamàries, en el còlon, a l'estómac, al fetge i al ronyó.

Les mutacions en l'ADN mitocondrial també s'han associat amb càncer a la sang com la leucèmia, i els limfomes (càncer de les cèl·lules de el sistema immune).

Els especialistes relacionen a les mutacions somàtiques en l'ADN mitocondrial amb un augment en la producció de les espècies reactives d'oxigen, factors que incrementen el dany en l'ADN mitocondrial i creen un descontrol en el creixement cel·lular.

Hi poc coneixement sobre com aquestes mutacions incrementen la divisió cel·lular no controlada de les cèl·lules i com acaben de desenvolupar-se com tumors cancerosos.

Síndrome de vòmits cíclics

Alguns casos en què es produeixen vòmits cíclics, típics de la infància, es creu que poden estar relacionats amb mutacions en l'ADN mitocondrial. Aquestes mutacions, causen episodis recurrents de nàusees, vòmits i cansament o letargia.

Els científics associen aquests episodis de vòmit amb que les mitocondrias amb l'ADN mitocondrial danyat poden afectar certes cèl·lules de sistema nerviós autònom, afectant funcions com la freqüència cardíaca, la pressió arterial i la digestió.

Malgrat aquestes associacions encara no se sap de forma precisa com els canvis de l'ADN mitocondrial causen els episodis recurrents de la síndrome de vòmits cíclics.

referències

1. Clayton, D. (2003). Mitochondrial DNA replication: what we know. IUBMB life, 55 (4-5), 213-217.
2. Falkenberg, M. (2018). Mitochondrial DNA replication in mammalian cells: overview of the pathway. Essays in biochemistry, 62 (3), 287-296.
3. Giles, RE, Blanc, H., Cann, HM, & Wallace, DC (1980). Maternal inheritance of human mitochondrial DNA. Proceedings of the National Academy of Sciences, 77 (11), 6715-6719
4. Luo, S., València, CA, Zhang, J., Lee, NC, Slone, J., Gui, B, & Chen, SM (2019). Reply to Lutz-Bonengel et a l'.: biparental mtDNA transmission is unlikely to be the result of nuclear mitochondrial DNA segments. Proceedings of the National Academy of Sciences, 116 (6), 1823-1824.
5. McWilliams, TG, & Suomalainen, A. (2019). Fate of a father 's mitocondri. Nature, 565 (7739), 296-297.
6. National Library of Medicine. Genetics home reference: your guide to understanding genetic conditions.
7. Shadel, GS, & Clayton, DA (1997). Mitochondrial DNA maintenance in vertebrates. Annual review of biochemistry, 66 (1), 409-435.
8. Simmons, MJ, & Snustad, DP (2006). Principles of genetics. John Wiley & Sons.