Mitohondrije- Metabolički procesi i bolesti izazvane poremećajima metabolizma mitohondrija

-Seminarski rad-

.

Sadržaj

Uvod................................................................................................................................................3

Struktura mitohondrija.....................................................................................................................4

Funkcija mitohondrija......................................................................................................................6

Bolesti metabolizma mitohondrija (Mitohondrijalne citopatije)...................................................10

Leberova nasledna optička neuropatija.....................................................................................12

Leight-ov sindrom.....................................................................................................................12

Neuropatija................................................................................................................................12

Parkinsonova bolest...................................................................................................................13

Mioklonalna epilepsija sa pokidanim mišićnim vlaknima........................................................13

MELAS......................................................................................................................................14

Zaključak.......................................................................................................................................15

Literatura........................................................................................................................................16

2

Uvod

Mitohondrije su membranske organele prisutne u ćelijama skoro svih eukariotskih organizama (slika 1). Nose naziv iz grčkog jezika:  μίτος ili mitos-nit i χονδρίον ili hondrion- granula, zrnce. Mitohondrije su prvi put opisane 1893. godine od strane Altmana.

Slika 1. Eukariotska ćelija

One su ćelijske organele varijabilnog oblika i dimenzije, prisutne u ćelijama skoro svim eukariotskim organizama. Izuzetno pokretne organele koje konstantno menjaju svoj oblik spajajući se međusobno i ponovo razdvajajući. Predstavljaju kratke, sferične ili štapićaste strukture, širine od 0.5 do 1 µm, a dužine nekoliko mikrometara. Mitohondrije se sastoje iz spoljašnje membrane, unutrašnje membrane, intermembranskog prostora i matriksa (slika 1). Neophodne su za disanje i funkcionisanje ćelija, predstavljaju centar metabolizma ćelija, obezbeđuju energiju koja je potreba ćeliji da se deli, kreće, proizvodi sekretorne produkte, itd. One su mesto aktivnosti ciklusa trikarboksilnih kiselina, kao i mesto sinteze ATP-a oksidativnom fosforilacijom. Imaju sopstvenu DNK-mitohondrijska DNK, koja za razliku od jedarne DNK ima oblik zatvorenog kruga (tzv. Prstenasta DNK).

3

Struktura mitohondrija

Mitohondrija sadrži spoljašnju i unutrašnju membranu koje su sastavljene iz fosfolipidnog dvosloja i proteina, intermemranski prostor sa enzimima za fosforilaciju nukleotida i matriks granule (slika 2).

Hemijski sastav mitohondrije: 60-70%proteini, RNK i DNK (0.5%), enzimi koji učestvuju u procesima ćelijskog disanja.

Spoljašnja membrana mitohondrija- Uloga joj je da odvaja mitohondrije od citosola, prekriva celu površinu organele i sastava je sličnog plazma memrane eukariota. Širine je od 6 do 7nm i relativno je propustljiva. U njen sastav ulaze transmembranski proteini, porini, koji formiraju kanale kroz koje difunduju hidrosolubilni molekuli i joni.

Unutrašnja membrana mitohondrija- Razdvaja matriks organela od intermemranskog prostora. Tanja je od spoljšnje membrane i nepropustljiva. Svoju površinu znatno uvećava naborima ili kristama orijentisanih ka centru organele. Kriste mogu varirati po broju, veličini i obliku ( Slika 2). U njenu strukturu su uključeni proteini sa nekoliko tipova funkcija kao i veliku količinu kardiolipina-fosfolipidnih molekula. Pored transportnih proteina unutrašnja membrana sadrži i proteinske komplekse koji čine lanac za transport elektrona (tj. Respiratorni lanac) kao i komlekse koji učestvuju u sintezi ATP-a, odnosno ATP-sintaze, elementarna telašca ili oksizome.

Intermembranski prostor- Predstavlja prostor između unutrašnje i spoljašnje mitohondrijske memrane. Njegov sadržaj je sličan sadržaju citosola, sem što se u njemu nalaze enzimi odgovorni za fosforilaciju nukleotida. Sadrži i citohrom kompleks proteina, koji je vezan za unutrašnju membranu mitohondije.

Matriks- ispunjava unutrašnjost mitohondrija. Sadrži enzime, mitohondrijsku DNK, RNK, ribozome i matriksne granule. Predstavlja mešavinu nekoliko stotina enzima koji konvertuju produkte metabolizma ugljenih-hidrata, lipida i proteina

4

kroz Krebsov ciklus do ugljen-dioksida i vode, uz oslobađanje energije u obliku molekula ATP-a.

Slika2. Elektronska mikroskopija mitohondrija i šematski prikaz strukture mitohondrije

5

Funkcija mitohondrija

Najvažnija funkcija mitohondrija je da stvara i skladišti energiju u obliku adenozin-trifosfata (ATP). Energija se dobija metabolisanjem glukoze i masnih kiselina kroz oksidativnu fosforilaciju i Krebsov ciklus (ciklus limunske kiseline). Pored produkcije energije mitohondrije imaju ulogu i u: sintezi stereoidnih hormona (u žlezdanim ćelijama gonada i kore nadbubrega), sintezi hemoglobina, skladištenju jona kalcijuma, apoptozi (programiranoj smrti ćelija), itd.

Najveći deo proizvodnje energije zasniva se na procesu oksidativne fosforilacije koja koristi multiproteinski transportni lanac (respiratorni lanac) elektrona da stvori H+ gradijent koji pokreće ATP-sintazu. Oksidativnom fosforilacijom se sintetiše visoko energetski molekul ATP za čiju sintezu su neophodni donori elektrona (NADH+ + H+ i FADH2), akceptor elektrona (O2), netaknuta unutrašnja membrana mitohondrija koja je nepropustljiva za protone, svi komleksi respiratornog lanca i ATP-sintaza.

U respiratornom lancu prisutni su različiti molekuli, među kojima su: flavoproteini (koji sadrže FMN, ili FAD kao prostetične grupe), koenzim Q ili ubihinon (CoQ ili UQ), različiti citohromi (koji kao prostetičnu grupu sadrže hem), Fe-S proteini, joni bakra povezani sa proteinima. Svi navedeni molekuli, izuzev citohroma-c, povezani su sa unutrašnjom membranom mitohondrija eukariota.

Respiratorni niz (slika 3) funcioniše kroz četiri asimetrično orijentisana, međusobno nezavisna, transmembranska kompleksa, koji čine sledeće funkcionalno-strukturne celine:

- Kompleks I: NADH-koenzim Q-reduktaza - Kompleks II: Sukcinat-koenzim Q-reduktaza - Kompleks III: Koenzim Q-citohrom -c-reduktaza - Kompleks IV: Citohrom-c-oksidaza

6

Slika 3. Respiratorni lanac

Kompleks I, prihvatajući elektrone od NADH, povezuje glikolizu, Krebsov ciklus, oksidaciju masti i lanac transporta elektrona. Kompleks II sadrži enzim sukcinat dehidrogenazu,pa stoga direktno povezuje ciklus limunske kiseline i transport elektrona. Kompleksi I i II vode ka redukciji koenzima Q, koji je supstrat kompleksa III. Postoje i dva druga puta za prenos elektrona na CoQ: preko flavoproteina od acil-CoA dehidrogenaza masti i glicerofosfatnih dehidrogenaza. Kompleks III oksiduje CoQH2, a istovremeno redukuje citohrom-c, koji je supstrat kompleksa IV, citohrom-c-oksidaze. Na kraju, kompleks IV transportuje elektrone na molekulski kiseonik, redukuje ga i stvara vodu. Protonski gradijent, stvoren pri transportu elektrona, predstavlja veliki izvor potencijalne energije. 1961. godine Peter Mitchell, engleski biohemičar, dao je ideju da je upravo ovaj gradijent izvor energije za sintezu ATP-a. Ovaj predlog je poznat kao hemiosmotska hipoteza.

ATP-sintetaza (slika 4) je kompleks koji omogućava sintezu ATP-a koristeći gradijent protona stvoren pri transportu elektrona. Enzim se sastoji iz dva osnovna dela: jedinice Fo i jedinice F1. Jedinica Fo je sastavljena iz tri podjedinice oznaĉene kao a, b i c . F1 se sastoji iz pet polipeptidnih lanaca: α, β, γ, δ i ε. Podjedinice α i β predstavljaju katalitičko mesto za sintezu ATP-a, podjedinice δ i ε regulišu interakciju F1 sa Fo, dok podjedinica γ ima ulogu da reguliše protok protona prema F1. Fo sačinjava transmembranski kanal, preko koga protoni struje ka F1 i na taj način obezbeđuju sintezu ATP-a.

7

Slika 4. ATP-sintetaza

Da bi energija sadržana u molekulu ATP-a bila iskorištena tamo gde je to u ćelijama potrebno, molekul ATP mora da izađe iz mitohondrija. ADP mora da bude ubačen u mitohondrije, da bi bio iskorišten za sintezu ATP-a. Niti jedan od ovih procesa nije spontan, a razlog je veliko naelektrisanje molekula ATP-a i ADP-a, koje sprečava da ovi molekuli lako prođu kroz biološku membranu. Proces se odvija sistemom transporta ADP-ATP translokaze (slika 5).

Slika 5. Sistem transporta ATP-ADP translokaze

8

Radi se o proteinu, koji efikasno izbacuje jedan molekul ATP, pri istovremenom ulasku jednog molekula ADP-a. Na taj naĉin nivo nukleotida u mitohondrijama se stalno održava manje-više konstantnim.

Krebsov ciklus (slika 6) je izvor brojnih molekula neophodnih za anaboličke procese, kojima nastaju masne kiseline, ugljeni hidrati i aminokiseline. Energetski učinak ovog ciklusa je veoma značajan, pošto se odvija u aerobnim uslovima i tako priključuje na respiratorni lanac. Svi enzimi ciklusa limunske kiseline se nalaze u matriksu mitohondrija. Ovakva lokalizacija ciklusa je veoma značajna, jer je blizu respiratornog lanca, što omogućuje lako uključivanje brojnih molekula redukovanih koenzima, koji nastaju u ciklusu limunske kiseline, u respiratorni lanac. Da bi se krajnji proizvod glikolize, piruvat, uključio u Krebsov ciklus potrebno je da se prevede u acetil-CoA, što se odvija nakon prelaska piruvata u matriks mitohondrija.

Slika 6. Ciklus trikarboksilnih kiselina

9

Bolesti metabolizma mitohondrija (Mitohondrijalne citopatije)

Mitohondrijalni genom je najčešće cirkularni molekul DNK (slika 7), kojih u svakoj mitohondriji ima 5-20 kopija, a u ćeliji ima puno mitohondrija (humane ćelije jetre imaju oko 100 mt, a zrelo jaje i 10 miliona).

Veličina mtDNK varira izmedju vrsta, ali je konstantna unutar vrste.Mitohondrijalna DNK viših eukariota je molekul od oko 13 000 -18 000

nukleotida, sa malo gena i uglavnom ne sadrži nekodirajuće regioneHumani mt genom ima samo 37 gena koji daju samo 13 od preko 80 subjedinica

ATP kompleksa.

Slika 7. Mitohondrijalna DNK

Ćelije obolelih osoba su mešavina mutantnih i normalnih mitohondrija - heteroplazmija, dok je broj mutantnih mitohondrija korelisan sa napretkom oboljenja – efekat „sa pragom” .

Usled heteroplazmije, citoplazmatske segregacije i efekta sa pragom, kod članova jedne porodice oboljenja vezana za mutacije na mtDNK mogu biti razlčito izražena, od najslabijih do najjačih simptoma.

Oštećene ili disfunkcionalne mitohondrije imaju veliki negativan uticaj na čovečiji organizam, zbog njihove uloge u metabloičkim procesima. Najčešće se ispoljavaju kao neurološke bolesti, kao i bolesti poput miopatije, dijabetesa ili neke druge sistemski manifestovane bolesti.

10

Mitohondrijska DNK (mDNK) se ne prenosi putem nukleusne DNK (nDNK). Kod ljudi, kao i kod većine višećelijskih organizama, mitohondrijska DNK se nasleđuje jedino iz majčine jajne ćelije.Mitohondrijsko nasleđivanje ne podleže Mendelovim zakonima, jer oni podrazumevaju da polovina genetičkog materijala oplođenog jajeta (zigota) potiče iz svakog roditelja.

Mitohondrijske bolesti mogu biti:

1.Uzrokovane mutacijom mitohondrijske DNA:- Neurološke b., miopatije, endokrinopatije (diabetes)

2. Uzrokovane mutacijom nuklearne DNA:-Friedrichs ataksija, hereditarna spastična paraplegija, Wilsonova bolest, Bartov sindrom, Parkinsonova bolest, Huntingtonova bolest,…

3. Poremećena funkcija oksidativne fosforilacije neobjašnjene etiologije :-Shizofrenija, bipolarni poremećaj, demencija, CVI, dijabetes, retinitis pigmentoza, kardiovaskularne bolesti, Alzheimerova bolest,….

11

Neke od mitohondrijskih bolesti:

Leberova nasledna optička neuropatija- Javlja se u srednjim godinama života kao potpuno ili delimično slepilo usled degeneracije optičkog nerva. Uzrok je 18 tačkastih mutacija genima u mtDNK koji kodiraju za proteine uključene u transportu elektrona. Defekti u ovom transportu rezultuju u inhibiciji oksidativne fosforilacije ATP (slika 8).

Slika 8. Laberova nasledna optička neuropatija

Leight-ov sindrom- Javlja se u prvoj godini života, ubrzo sledi smrt deteta. Mada, moguće je da se javi i kasnije tokom života. Diareja, povraćanje, teškoća gutanja, gubitak kilograma su neki od simptoma koji se javljaju.

Neuropatija (Neuropathy, ataxia, and retinitis pigmentosa)- Neurološki poremećaji simptoma kao neosetljivost udova, bolovi u rukama i nogama, u nekim slučajevima i slabljenje vida.

12

Parkinsonova bolest- Tremor, ukočenost lica, slaba ravnoteža, akineza, hronična iscrpljenost često praćena psihičkim poremećajima, depresijom i hipohondrijom. Ova bolest je posledica smanjenog lučenja dopamina, koji igra važnu ulogu u izvršavanju voljnih pokreta (slika 9).

Slika 9. Prikaz obolelog od Parkinsonove bolesti

13

Mioklonalna epilepsija sa pokidanim mišićnim vlaknima- Mutacija u tRNK u kodu za lizin. Simptomi: mioklonus, epilepsija, miopatija, ataksija, demencija, neurodegeneracija, dijabetes, slabljenje vida (noćno slepilo), nizak rast, gubitak sluha, progresivna epilepsija (slika 10).

Slika 10. Mioklonalna epilepsija sa pokidanim mišićnim vlaknima

14

MELAS (mitohondrijska miopatija, encefalomiopatija, laktat acidoza)- Javlja se pre četrdesete godine. Neki od simptoma su- Mišićna bol, glavobolja, gubitak apetita, ponavljajuće epizode CVI, laktat acidoza, netolerancija napora. To je progresivni poremećaj s visokom stopom smrtnosti. Osobe su niskog rasta, dolazi do gubitaka sluha, diabetesa, endokrinopatije (slika 11).

Slika 11. MELAS

15

Zaključak

Dijagnostikovanje mitohondrijalnih bolesti je izuzetno teško zbog širokog spektra javljanja simptoma, bolesti se javljaju skoro kod svih organa, kao i javljanje u ražličitim životnim dobima i posebno je teško dijagnostikovati kod dece.

16

Literatura

Naučni časopis:

Salvatore diMauro and Darryl C De Vivo, Correspondence to Salvatore diMauro, Department of Neurology, College of Physicians and Surgeons, Columbia University, New York, New York 10032.

Knjiga: Dukić M.Neda: Biohemija II: intermedijerni metabolizam (skripta), Univerzitet

u Novom Sadu, Prirodno-matematičku fakultet, Novi Sad, str. 86-99. Kovačević Z.L:Biohemija i Molekularna biologija, Univerzitet u Novom Sadu,

Medicinski fakultet, Novi Sad, 1999. Matavulj, Milica: Ćelija i tkava (skripta), Novi Sad, 2005. Šerban, M, Nada: Ćelija- struktura i oblici, ZUNS, Beograd, 2001.

Internet site: http://www.umdf.org/site/c.jtJWJaMMIsE/b.4090617/ , United Mitochondrial Disease

foundation. http://sr.wikipedia.org/sr/%D0%9C%D0%B8%D1%82%D0%BE%D1%85%D0%BE

%D0%BD%D0%B4%D1%80%D0%B8%D1%98%D0%B0 ,

17