6.struttura funz e genet mitocondriale 2011

STRUTTURA, FUNZIONE E STRUTTURA, FUNZIONE E GENETICA MITOCONDRIALEGENETICA MITOCONDRIALE

Prof. Elisa Petrangeli

L’ARCHITETTURA DEI L’ARCHITETTURA DEI MITOCONDRI E’ MITOCONDRI E’

ESSENZIALE PER LA ESSENZIALE PER LA LORO FUNZIONELORO FUNZIONE

Compartimenti Mitocondriali

membrana esterna

Membrana interna

Creste mitocondriali

matrice

ribosomiDNA

Struttura mitocondriale MATRICE: contiene o centinaia di enzimi, per l’ossidazione del piruvato, degli

acidi grassi e del ciclo di Kreb: o parecchie copie del DNA mitocondriale,o speciali ribosomi mitocondriali,o tRNA e o vari enzimi necessari per l’epressione dei geni

mitocondriali.

MEMBRANA INTERNA: ripiegata in numerose creste. Contiene proteine per 3 funzioni:

1) reazioni di ossidazione della catena respiratoria; 2) ATPasi che produce ATP nella matrice; 3) proteine di trasporto

MEMBRANA ESTERNA: contiene una grossa proteina (porina) che forma un canale

permeabile a proteine < 5000 dalton; enzimi coinvolti nella sintesi e metabolismo di lipidi;

Struttura mitocondriale

Funzione dei mitocondri

Mitocondri organizzati per la produzione di energia

glucosio

Amino

Acidi

acidi grassi

CO2

Prodotti del cibo sono convertiti inAcetil Co-A nel citoplasma (metabolismo anaerobico ).

La conversione di glucosio a piruvato produce solo 2 molecole di ATP

Acetil Co-A è transferito alla matrice mitocondrialet ed entra nel ciclo di Kreb

Ciclo di KrebAcetil Co-A

L’ossidazione completa di una mole di glucosio (circa 180 grammi) cede 680’000 calorieLa cellula compie questa ossidazione in più tappe e riesce in questo modo a immagazzinare circa il 40% di questa energia, ottenendo un rendimento energetico superiore a qualunque motore.

Le tappe sono tre:

• Glicolisi (nel citoplasma)

• Ciclo di Krebs (nella matrice mitocondriale)

• Fosforilazione ossidativa (sulle creste mitocondriali)

Glicolisi

Ciclo di Krebs

Rendimento del glucosio• Dal ciclo di Krebs, per ogni molecola di piruvato, si

ottiene 1 ATP.• Altra energia viene immagazzinata in 4 NADH e 1

FADH2• Questi coenzimi sono in grado di ridursi e forniranno

energia nella terza tappa di demolizione del glucosio: • La fosforilazione ossidativa.

• Ogni molecola di glucosio fornisce:• 2ATP (consumati per il trasporto dei 2 NADH nel

mitocondrio: escono dal bilancio) e 2NADH (2 x 3 ATP = 6) durante la glicolisi e

• 2ATP, 8NADH (8 x 3 ATP =24) e 2 FADH2 (2 x 2 ATP = 4) durante il ciclo di Krebs

• L’energia immagazzinata in NADH e FADH2 è

• trasformata in ATP grazie alla:• fosforilazione ossidativa

membranaesterna

NADH e FADH2

Dal ciclo di Kreb

e-

H+

H+

H+Matricemembrana

interna

Creste

H+

ADP + Pi

ATP

La catena di trasporto degli Elettroni pompa H+ fuoriDalla matrice

Il gradiente protonico elettrochimicodirige l’ATP sintasi a produrre ATP

ATPsintasi

Catena di trasporto degli elettroni sulle Membrane delle creste

La catena respiratoria pompa H+ attraverso la membrana

interna4 principali complessi enzimatici

respiratori da NADH all’ossigeno:

Complesso della NADH deidrogenasi;Ubiquinone-coenzima-Q; Complesso b-c1 (citocromo C

reduttasi); Complesso della citocromo ossidasi.

Catena respiratoria di trasporto degli elettroni. 1

nH+nH+ nH+

NADH + H+

NAD

UbichinoneComplesso II

Complesso della NADHDeidrogenasi

Citochromo C

2H+ + ½ O2

H2O

e- Complesso B-C1(Citocromo C reduttasi)

Complesso dellaCitocromoOssidasi

Complesso della NADH deidrogenasi: formato da più di 20 polipeptidi.

Accetta elettroni da NADH e li trasmette attraverso 1 flavina e almeno 5 centri ferro-zolfo all’ubichinone che li trasferisce al compesso b-c1.

Catena respiratoria di trasporto degli elettroni.2 nH+

nH+ nH+

NADH + H+

NAD



Citochromo C

2H+ + ½ O2

H2O



Complesso b-c1 funziona come un dimero, di cui ogni monomero contiene 3 gruppi eme,

attaccati ai citocromi e una proteina ferro-zolfo. Accetta elettroni dall’ubichinone e li

trasmette al citocromo C, che li porta al complesso della citocromo ossidasi

Catena respiratoria di trasporto degli elettroni. 3

nH+nH+ nH+

NADH + H+

NAD



Citochromo C

2H+ + ½ O2

H2O



Complesso della citocromo ossidasi, dimero: ogni monomero è composto da almeno 9 polipeptidi, tra cui 2 citocromi. Accetta elettroni dal citocromo C e li passa all’ossigeno.

ATP sintasi• Complesso transmembrane di circa

500.000 dalton, che contiene almeno 9 catene polipeptidiche diverse.

• La porzione transmembrana agisce come trasportatore di H+

• La porzione interna (ATP sintasi F1) sintetizza ATP quando le passano attraverso protoni lungo il loro gradiente elettrochimico.

ATP sintasiH+

H+

H+H +

nH+

H+

ADP + Pi

ATP

nH+

Matrice

Membranainterna

2H+ + ½ O2

H2O

F0

F1

Il gradiente protonico creato dalla catena respiratoria fornisce un’energia potenziale che

permette ad un altro complesso di fosforilare ADP e trasformarlo in ATP

• Cedendo elettroni e protoni al meccanismo della fosforilazione ossidativa

• ogni molecola di NADH permette la fosforilazione di 3 ATP,

• ogni molecola di FADH2 permette la fosforilazione di 2 ATP.

• Totale 34 molecole ATP• + 2 ATP = 36 ATP

Elementary particles

• Quanti mitocondri per• cellula?

• 1000 - 2000 fino a 30000

Replicazione mitocondriale

Come i loro probabili precursori batterici, i mitocondri replicano il loro DNA e si dividono a formare due mitocondri.

La replicazione e divisione del DNA mitocondriale avviene durante l’interfase, prima della replicazione del DNA nucleare.

Mitochondrial replication

Organizzazione del genoma mitocondriale umano

Per cosa codifica il DNA mitocondriale?

Quello umano è di 16,569 bp; codifica per alcune proteine mitocondriali

Subunità 1, 2, e 3 della citocromo ossidasi C(Complesso IV)Subunità 6, 8 della Fo ATPasi

La subunità Apocitocromo b del CoQH2-Citocromo C reduttasi (Complesso III)Sette subunità del complesso NADH-CoQ Reduttasi (complesso I)

Quali RNA presenti nei mitocondri?

22 tRNAs rRNA’s mRNA mitocondriali (poliA)

16S12S5S (Magalhaes, PJ; Andreu, AL, Schon EA, Evidence for the presence of 5S rRNA in mammalian mitochondria Mol Biol Cell 9: 2375-2382, 1999)

Mitochondrial ribosomes

Mitochondrial DNA

Ereditarietà mitocondriale

99.99% del mtDNA è materno

100 mitocondri nello spermatozoo + 100,000 nell’uovo.

Eventuali mitocondri di origine spermatica vengono diluiti ed eliminati.

Ogni mutazione del DNA mitocondriale è ereditata dalla madre.

Può essere riparato il DNA mitocondriale?

Il DNA mitocondriale non possiede meccanismi specifici di riparazione per danni di varia natura, anche se

altri meccanismi possono intervenire, in maniera molto

limitata.

Cosa succede ai mitocondri invecchiati

o danneggiati? RER avvolge i mitocondri

Vescicole dal network di Golgi trasportano le idrolasi acide all’autosoma

L’autosomadiventa lisosoma.

Genetica mitocondriale.1

• Ereditarietà materna: Durante il processo di fertilizazione, il mtDNA viene fornito quasi esclusivamente dall’ovocita materno.

• La madre può trasmettere le mutazioni del mtDNA sia a figli che a figlie, ma solo queste ultime potranno a loro volta trasmetterle.

Genetica mitocondriale. 2

• Poliplasmia. Le cellule contengono diversi mitocondri e ciascun mitocondrio contiene diverse copie di mtDNA.

• Durante la divisione cellulare, i mitocondri non si distribuiscono alle cellule figlie in maniera omogenea e il rapporto tra mtDNA mutato e normale può variare considerevolmente tra le cellule figlie.

• Il meccanismo di distribuzione dei mitocondri alle cellule figlie sembra essere regolato da un meccanismo complesso che coinvolge la struttura e processi del citoscheletro.


• Omoplasmia Tutto il mtDNA in una cellula è dello stesso tipo (normale o mutato).

• Eteroplasmia Situazione in cui coesistono nella stessa cellula copie di mtDNA normale e mutato


• Accumulo di mutazioni di mtDNA Nei mitocondri non c’è un meccanismo di riparazione del DNA ben sviluppato, nè fenomeni di ricombinazione.

Questo porta ad accumulo delle mutazioni sia nei successivi passaggi del mtDNA materno di generazione in generazione, che nella vita del singolo individuo.

Così, una cellula eteroplasmica può diventare omoplasmica nel corso di molte generazioni.


• Segregazione MitoticaCome una cellula eteroplasmica si divide, la

proporzione di mtDNA normale e mutato cambia nelle due cellule figlie.

Se e quando si supera la soglia patologica per un determinato tessuto, il fenotipo cambia.

Può esserci anche un miglioramento: per esempio, in pazienti con severa anemia sideroblastica, possono migliorare perchè si ha una selezione di cellule ematiche senza mutazioni, per la divisione cellulare.

Genetica mitocondriale. 6Effetto soglia:

Un numero critico di mtDNA mutato deve essere presente in cellule di un tessuto perchè si abbia una disfunzione ed i segni clinici diventino apparenti.

La proporzione di mtDNA mutato necessaria per la manifestazione di un fenotipo patologico varia tra gli individui, organi, sistemi e tessuti.

Tessuti con elevata richiesta di metabolismo energetico ossidativo, come il muscolo ed il cervello, hanno una soglia relativamente bassa e sono particolarmente suscettibile alle mutazioni del mtDNA.

Molti disordini del mtDNA consistono in encefalomiopatie, che colpiscono muscoli e tessuto nervoso.

L’encefalomiopatia mitocondriale si presenta con una varietà di sintomi e con specifiche caratteristiche di ereditarietà.

Quadri clinici variabili• La disfunzione mitocondriale può colpire un tessuto, o

vari tessuti ed organi, in combinazione.• differenti mutazioni del mtDNA possono produrre

presentazioni cliniche dissimili che si possono sovrapporre.

• Per accumulo di mutazioni e per segregazione mitotica, un fenotipo individuale può cambiare nel tempo, con peggioramenti drammatici o attenuazione o cambiamento della patologia stessa.

• Ad es.: bambini con sindrome di Pearson (delezione nel mtDNA nelle cellule del sangue) sono affetti da anemia sideroblastica ed alterazione della funzione esocrina pancreatica; se sopravvivono alla seconda decade di vita, spesso sviluppano la Kearns-Sayre Syndrome (con accumulo di delezioni del mtDNA nel muscolo ed altri tessuti).

Sintomi delle patologie mitocondriali

• I disordini mitocondriali possono presentarsi con una varietà di segni e sintomi clinici a carico di organi e tessuti multipli.

• La caratteristica classica di questi disordini consiste in patologie ad ereditarietà materna, in cui predominano sintomi a carico del sistema nervoso e muscolare.

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