Prezentări asupra nanomondei mitocondriilor și organizării compoziției lor genetice
Centralele electrice ale celulelor noastre: mitocondriile
Celulele de mamifere au un nucleu celular în care este codificată partea principală a informațiilor genetice și alte organite celulare care preiau diverse funcții în cadrul unei celule. Una dintre cele mai importante componente celulare sunt mitocondriile (Fig. 1). Acestea sunt așa-numitele centrale electrice ale celulelor și sunt responsabile pentru alimentarea organismului cu energie. Se crede că mitocondriile au fost odată bacterii independente și că acestea au intrat într-o simbioză cu o celulă precursoră simplă originală. Oamenii de știință bazează această ipoteză pe faptul că mitocondriile au o membrană celulară dublă și propriul lor genom specializat. Acest genom mitocondrial codifică unele proteine extrem de importante, dar numai în combinație cu informațiile din nucleul celular pot fi îndeplinite pe deplin funcțiile dorite. Prin unirea celulelor precursoare și a bacteriilor și dezvoltarea ulterioară ulterioară a acestei simbioze, s-a format o unitate inseparabilă și fin reglementată, celula eucariotă.
Fig. 1: Mitocondriile sunt centralele electrice ale celulelor. Organitele celulare sunt înconjurate de o membrană dublă și au propriul lor genom (ADNmt). Componentele lanțului respirator sunt situate în membrana interioară. Transportul de electroni de-a lungul acestor componente creează un gradient de protoni care conduce enzima ATP sintază. Astfel se creează adenozin trifosfat (ATP), o „monedă energetică” universală care poate fi utilizată în toate celulele.
O sursă universală de energie furnizează toate procesele din corp
Mitocondriile sunt organite delimitate care sunt înconjurate de o membrană cu celule duble. Complexele proteice ale lanțului respirator sunt situate în membrana interioară. În timpul respirației celulare, energia sub formă de moleculă adenozin trifosfat (ATP) este generată în cursul unui proces chemiosmotic. Pentru a face acest lucru, electronii sunt trecuți de-a lungul membranei mitocondriale interioare de la un complex proteic la altul, pe un total de trei stații. În cele din urmă, electronii sunt transferați în oxigen, creând apă. În timpul transportului de electroni, protonii sunt transportați către exterior, ceea ce creează o diferență de încărcare pe ambele părți ale membranei mitocondriale interioare. Acest gradient de protoni este folosit de așa-numitele sintaze ATP. Prin trecerea lor în formă de canal, protonii pot fi ghidați înapoi în interiorul mitocondriului într-un mod controlat; energia disponibilă datorită gradientului de protoni este utilizată pentru a genera ATP. ATP este un depozit intermediar de energie și o sursă universală de energie care poate fi utilizată în toate țesuturile.
Unele gene din ADN-ul mitocondrial codifică anumite subunități ale acelor proteine care sunt implicate în lanțul respirator, în timp ce alte subunități sunt codificate în nucleul celular. Interacțiunea dintre ADN-ul mitocondrial și cel nuclear necesită, prin urmare, o coordonare precisă între cei doi genomi. Cele mai mici nereguli sau producția defectuoasă a uneia dintre aceste proteine duce la disfuncția mitocondriilor [1]. Au fost descrise ulterior o serie de patologii clinice, cum ar fi cardiomiopatia (o boală cardiacă), demența și ataxia (o boală care se manifestă prin mișcări necoordonate). După acumularea mutațiilor în ADN-ul mitocondrial și disfuncția mitocondrială rezultată, au fost descrise și fenomenele tipice ale îmbătrânirii, cum ar fi dezvoltarea osteoporozei, cenușarea și căderea părului, reducerea în greutate și pierderea țesutului adipos subcutanat, anemia, mărirea inimii, surditatea și speranța de viață redusă. De asemenea, s-a demonstrat că o disfuncție a mitocondriilor contribuie la dezvoltarea bolilor asociate vârstei, cum ar fi diabetul zaharat și Parkinson [2].
Nucleoidele, unitatea organizațională în mitocondrii
Figura prezintă o celulă a pielii umane, cu mitocondriile (centralele electrice ale celulei) prezentate în roșu, nucleul celulei în albastru și materialul genetic al mitocondriilor în verde. Mitocondriile formează o rețea care se extinde în întreaga celulă. Ele furnizează energia de care au nevoie celulele.
În mitocondriile în sine, materialul genetic și proteinele sunt organizate în complexe, așa-numiții nucleoizi mitocondriali. Aceste unități joacă un rol important în moștenire, deoarece genomul mitocondrial este transmis doar de la mamă la copil (Fig. 2).
Complexele nucleoide mitocondriale pot fi făcute vizibile ca structuri punctiforme la microscop. Limita de rezoluție a microscopiei cu lumină convențională este de aproximativ 250 nanometri, ceea ce corespunde unei milionimi de milimetru. Dar chiar și această rezoluție impresionantă este încă prea aspră și nu a permis până acum o perspectivă mai precisă asupra structurii nucleoizilor. Exact aici au început cercetătorii din Köln, Göteborg și Göttingen cu cea mai recentă microscopie STED de înaltă rezoluție, care a fost dezvoltată la Institutul Max Planck pentru Chimie Biofizică în grupul de lucru al lui Stefan Hell. Cu ajutorul acestei tehnologii, se poate obține o rezoluție de 5 ori mai mare decât înainte (Fig. 3).
Microscopia STED de înaltă rezoluție permite o perspectivă mai profundă asupra structurilor organizaționale ale genomului mitocondrial. În celula prezentată, mitocondriile (centralele electrice ale celulei) sunt colorate în roșu, nucleul celulei în albastru și materialul genetic al mitocondriilor în verde. Datorită microscopiei de înaltă rezoluție, moleculele genomului individual pot fi separate mai clar unele de altele pentru prima dată. O moleculă mare poate fi descompusă în mai multe molecule mici, independente. Un nucleoid, structura organizațională din cadrul mitocondriilor, conține doar o moleculă de material genetic, împreună cu aproximativ 1000 de molecule ale proteinei de ambalare TFAM. TFAM formează astfel componenta principală a nucleoizilor.
Aceste perspective fundamentale asupra structurii organizaționale a genomului mitocondrial sunt de o importanță deosebită pentru înțelegerea bolilor moștenite mitocondrial, adică de la mamă la copil. Acestea includ, de exemplu, oftalmoplegia externă cronică progresivă (paralizia musculară a ochilor), neuropatia ereditară motor-sensibilă (pierderea mușchilor) și boala MELAS (miopatia mitocondrială: o boală neurologică gravă care duce la mișcări necoordonate și, în cazuri rare, ceea ce este cunoscut sub numele de diabet zaharat mitocondrial merge cu).
În plus, se știe de multă vreme că există o legătură între centralele electrice ale celulei și îmbătrânire. Odată cu înaintarea în vârstă, mutațiile naturale se pot acumula în ADN-ul mitocondrial, care afectează producția de energie a celulelor și, astfel, alimentarea organelor.