Mitokondri Necdet KAYILLIOLU MTOKONDR ekilleri kremsi veya uzun

Mitokondri Necdet KAYILLIOĞLU

MİTOKONDRİ • Şekilleri (küremsi veya uzun silindirik) ve büyüklükleri (çap: 02 -1 μm, uzunlukları: 26 μm) farklılıklar gösterir. • Sayıları değişkendir (1 -2000).

MİTOKONDRİ • Hemen hemen bütün ökaryotik hücrelerde ve ökaryotik mikroorganizmalarda bulunur. • Eritrositlerde, bakterilerde ve yeşil alglerde mitokondri yoktur.

MİTOKONDRİ • Hücre içindeki yerleşimleri farklılık gösterir. • Spermin kuyruk • Kalp kasında kasılıp hareketini sağlamak gevşemeyi sağlamak için boyun bölgesine için miyofibriller yerleşmiştir. arasında bulunur.

MİTOKONDRİ • Mitokondri çift membranla çevrili bir organeldir. • Çift membran iki mitokondriyal kompartman oluşturur; Membranlar arası alan Matriks

MİTOKONDRİ Membranlar arası alan • 40 -80 Ao genişliğindedir. • Bazı enzimler bulunur. • Sitozole eşdeğer içeriktedir.

MİTOKONDRİ Matriks • İç membranın çevrelediği alandır. • Bol miktarda protein molekülü, çeşitli reaksiyon enzimleri , mt. DNA, ribozomlar ve t. RNA bulunur. • Matrikste granül sayısı azdır. Hücre içindeki kalsiyum ve magnezyum gibi katyonların fazlası mitokondriye geçerek granüllere bağlanır. Depolanan bu katyonlar gerektiğinde tekrar sitozole geri verilir.

MİTOKONDRİ Dış membran • İç membrana (50 -60 Ao) göre daha kalın (70 Ao) olup plazma membranının yapısına benzer. • Porin adı verilen kanal proteinleri büyüklüğü 5000 dalton ve daha küçük molekülleri (su, iyonlar) içeri alır. • Ayrıca dış membranda mitokondriyal lipid sentezi ile ilişkili enzimler ve lipid substratları matrikste metabolize olabilecek formlara dönüştüren enzimler bulunur.

MİTOKONDRİ İç membran • İç membran yarı geçirgen özelliktedir. Bazı moleküller matrikse aktif transport ile geçer. • İç membran dış membrana paralel seyreder, ancak matrikse doğru Krista denen kıvrımlar yapar. • Kristaların yapısı farklılıklar gösterir (çubuk, tüp, prizma).

MİTOKONDRİ • Kristalar iç membran yüzeyini arttırmaya yönelik yapılardır. Örneğin; Karaciğer hücresinin mitokondriyal iç membran alanı hücrenin total membran alanının 1/3’ünü oluşturur. • Enerji üretimi fazla olan hücrelerde krista sayısı fazladır. Örneğin, kalp kas hücrelerinin krista sayısı karaciğer hücrelerinin krista sayısından 3 kat fazladır.

MİTOKONDRİ • Yoğun fonksiyonel özelliğin den dolayı iç membranın protein oranı diğer membranlara göre daha yüksektir. • % 70 protein, % 30 lipid ve çok az kolesterol. • İç membranın lipid içeriğinde bol miktarda bulunan Kardiolipin membranın geçirgenliğini kısıtlar.

MİTOKONDRİ • İç membranda üç tip protein bulunur: a) Elektron transport zincirinin oksidasyon reaksiyonlarını gerçekleştiren proteinler (enzimler, sitokromlar) b) Matrikste ATP yapımını gerçekleştiren ATP sentetaz c) Metabolitlerin matrikse giriş çıkışını düzenleyen Permeaz adı verilen transport proteinleri.

MİTOKONDRİ • Mitokondriler hücrenin enerji üretim merkezleridir, oksidasyon-redüksiyon reaksiyonları ile enerji üretirler. • Hücre için gerekli enerjinin % 95’i burada üretilir.

MİTOKONDRİ • Matrix içinde purivat, amino asit ve yağ asitlerinin metabolizasyonu sonucu oluşan Asetil koenzim A sitrik asit siklüsüne girerek okside olur. • CO 2 , FADH 2 ve NADH oluşur. • Bu reaksiyonlar sırasında oluşan yüksek enerjili elektronları taşıyan FADH 2 ve NADH’ın elektronları mitokondri iç membranındaki taşıyıcı proteinler vasıtasıyla moleküler oksijene taşınır ve H 2 O oluşur.

MİTOKONDRİ • Elektronların transferi iç membranda bulunan 4 protein kompleksi tarafından gerçekleştirilir; NADH dehidrogenaz (I) Süksinat dehidrogenaz (II) Sitokrom c redüktaz (III) Sitokrom c oksidaz (IV)

MİTOKONDRİ • Elektron transfer işlemlerinden sağlanan enerji kullanılarak matriksteki protonlar membranlar arası boşluğa yollanır. • Burada bir proton gradiyenti oluşturulur. • Membranlar arası boşlukta toplanan protonlar beşinci protein kompleksi olan ATP sentetaz tarafından matrikse yollanırken ADP’den ATP sentezlenir.

MİTOKONDRİ • ATP sentetaz iki subünitten oluşur; Fo ve F 1. • Fo iç membrana gömülüdür ve matriksteki F 1 ile etkileşir. • Fo subünitinden proton akışı sırasında F 1’de meydana gelen rotasyon hareketi, ADP’ ye yüksek enerjili fosfat (Pi) gruplarının transferini katalizleyerek ATP sentezini sağlar (oksidatif fosforilasyon). • Matrikse yollanan 4 proton başına 1 mol ATP sentezlenir.

MİTOKONDRİ • Membranlar arası boşlukta hem p. H hem de voltaj gradiyenti oluşur (Elektrokimyasal gradiyent). • Bu gradiyent ATP sentezinin dışında moleküllerin transferi için de kullanılır. • Voltaj Gradiyenti (ADP/ATP antiportu): Matrikste toplanan ATP (-4), ADP (-3)’ye göre daha negatif olduğundan membranlar arası boşluğa ve dolayısıyla sitoplazmaya geçer.

MİTOKONDRİ • Mitokondrinin bol olduğu kahverengi yağ dokusunda mitokondriyal iç membranda Termogenin adlı bir protein kanalı vardır. • Bu kanal proteini proton gradiyentinin oluşumuna olanak vermez ve oksidatif reaksiyonlardan sağlanan enerjiden ATP üretimi yerine ısı oluşumu gerçekleşir. • Termogenin miktarı çevre koşullarına bağlıdır. Soğukta yaşayan hayvanlarda termogenin miktarı fazladır. • Yeni doğanda vucut ısısının korunmasında kahverengi yağ dokusu önemlidir.

Mitokondri Biogenezi • Bu süreçte nekleer genom major rol oynar (%95). • Mitokondriler bakteriler gibi enine ve boyuna bölünerek çoğalırlar. • Replike olan DNA boğumlanma suretiyle ikiye bölünen mitokondrilere rasgele dağılır. • Mitokondriler hücrenin enerji ihtiyacına göre hücre bölünmesinden bağımsız çoğalırlar. • Mitokondriler hücre bölünmesi sırasında iki hücreye rasgele dağılırlar.

Mitokondri Biogenezi • Mitokondrinin büyümesi membrana protein ve lipidlerin girmesi ile olur. • Bu olay interfaz sırasında devamlı olarak gerçekleşir. • Mitokondriyal lipidlerin çoğu sitozolden alınır. • Fosfolipidler, sitozolden fosfolipid transfer proteinler ile matrikse transfer edilir. • Bu yolla alınan fosfotidilkolin (PC) ve fosfotidil etanolamin (PE) dışında, mitokondri içinde PE’den fosfatidil serin (PS) ve kardiolipin sentezlenir.

Mitokondri Biogenezi • Mitokondriyal proteinlerin çoğu sitoplazmik ribozomlarda sentezlendikten sonra özel sinyal dizileri (presequens: bazik amino asit dizisi) sayesinde mitokondrilere yönlendirilirler.

Mitokondri Biogenezi • Mitokondriyal membranların temas yerlerinde özel transport proteinlerince mitokondrial membran ve kompartmanlara girerler. Dış (Tom kompleks) İç (Tim kompleks) • Diğer proteinler ise mitokondriyal ribozomlar tarafından sentezlenir.

Mitokondriyal Genom • Mitokondri hücre genomundan ayrı bir genetik sisteme sahiptir. • Yaygın olarak kabul edilen görüş, mitokondri ve kloroplastın atasal bir ökaryotik hücre tarafından hücre içine alınan bir bakteriden orjin aldığıdır.

Mitokondriyal Genom • Evolüsyonel süreçte bakteri genomu organel genomu haline dönüşürken orjinal bakteriyal genlerin çoğu nükleer genoma geçmiş sadece birkaç gen organel genomunda kalmıştır. • Bundan dolayı mitokondri ve kloroplastın büyüme ve proliferasyonu hem nükleer hem de organel genomu

Mitokondriyal Genom • Bakterial ve mitokondriyal genomu nükleer genomdan ayıran farklar; 1 -Her iki genomda sirkülerdir 2 -Her iki genomda katlanmış bir yapı sergilemezler 3 -Her iki genomda da intron yapısı yoktur 4 -Mitokondriyal m. RNA’nın başına (Cap) ve sonuna (poli. A) eklentiler yapılmaz 5 -Bazı mitokondriyal genom kodonları nükleer genom kodonlarından farklı anlam taşır

Mitokondriyal Genom • Mitokondriyal DNA (mt. DNA)’nın organelde birçok kopyası (2 -12) vardır. • Ortalama olarak bir hücrede bulunan mt. DNA sayısı 1000 -10. 000 arasında değişir. • İnsan ve çoğu hayvan hücrelerinde mt. DNA’nın boyu yaklaşık 16, 5 kb’dır.

Mitokondriyal Genom • Mitokondriyal genom sirküler çift zincirli DNA’dan oluşur. Ağır (H) zincir Hafif (L) zincir • mt. DNAnın ufak bir bölümü üç zincirli DNA yapısındadır • Bu üçüncü zincir (7 S DNA) H zincirin kısa bir segmentinin tekrarlayan sentezinden kaynaklanır. • Bu üç zincirden oluşan alana “D-loop” bölgesi denir.

Mitokondriyal Genom • • • D-loop bölgesi kodlanmayan bölgedir Bu bölge içinde H (PH) ve L (PL) zincirlerinin promotor bölgeleri ve H (OH) zincirinin replikasyon orjini vardır. H zincir için PH promotoru saat yönünde transkripsiyon gerçekleştirirken, L zincir için PL promotoru saat yönünün tersine transkripsiyon gerçekleştirir. Her iki durumda da uzun tek bir transkrip oluşur. Bu transkriptler farklı ürünler oluşturacak RNA parçalarına bölünür.

Mitokondriyal Genom • Mitokondriyal genomun ufak boyutu onun replikasyon oranını arttırır. • H ve L zincirlerin replikasyonu farklı orjin noktalarından başlar ve tek yönde (unidirectional) gerçekleşir. • H zincirinin replikasyonu (OH)önce başlar (saat yönünün tersine). • Yeni oluşan H-zincirinin yaklaşık 2/3’ü tamamlandığında L zincirinin replikasyon orjini (OL) açığa çıkar ve L zincirin replikasyonu başlar (saat yönünde).

Mitokondriyal Genom • mt. DNA’nın % 93’ü kodlanan dizilerden oluşmaktadır. • Genler intron içermez ve zayıf oranda paketlenmiştir. • Bazı genler üste binmiştir, diğer genler ise genellikle bir iki bazlık kodlanmayan bölgelerle ayrılır veya ara vermeksizin devam eder. • Bazı genlerin stop kodonları yoktur, bu defekt transkripte post-transkripsiyonel olarak eklenen UAA stop kodonu ile giderilir.

Mitokondriyal Genom • Mitokondriyal genom 37 gen içerir; 2 r. RNA (16 S ve 12 S r. RNA) geni 22 t. RNA geni 13 elektron transportu ile oksidatif fosforilasyonla ilgili proteinlerin subünitlerini kodlayan gen. • Bu genlerden 28’i H-zincirde, 9’u L-zincirde yer alır. • Diğer proteinler nükleer genom tarafından kodlanıp mitokondriye transfer edilir.

Mitokondriyal Genom • Mitokondrinin genetik kodu prokaryotik ve ökaryotik üniversal kodtan farklıdır, hatta farklı organizmalar arasında bile farklılıklar gösterir. Bitki mitokondrisi üniversal kodu kullanır. • Universal kod ile farklılıkları; a) UGA kodonu mitokondride triptofan kodlarken, nükleer genomda “stop” kodonudur b) AUA/AUU kodonları mitokondride metionin kodlarken, nükleer genomda izolösin kodonudur c) AGA/AGG kodonları mitokondride “stop” kodonu (diğer ikisi nükleer kodondada stop kodonu olan UAA ve UAG) iken, nükleer genomda arginin kodunudur.

Mitokondriyal Genom • Üniversal kodon sisteminde 64 kodondan 61’i 20 farklı amino asid kodlar. • Amino asit kodlayan bu 61 kodon minimum 32 t. RNA tarafından tanınmaktadır. • Mitokondriyal genomda ise 60 kodon amino asit kodlar (4 tane de stop kodonu vardır). • Bu 60 kodon sadece 22 t. RNA tarafından tanınır.

Mitokondriyal Genom • t. RNA sayısına göre çok fazla miktarda kodon tanınması Wobble hipotezine göre olur. • Wobble hipotezi; t. RNA antikodonunun 5’ ucundaki baz ile m. RNA kodonunun 3’ ucundaki baz eşleşmesi normal baz eşleşmesinden daha esnektir (3’) X-Y-N (5’) Y-X-N (3’) anticodon

Mitokondriyal Genom • Böylece 60 kodon 22 t. RNA tarafından tanınır esnekliğine ulaşır. • t. RNA'ın tümü bazı istisnalar hariç mt. DNA tarafından kodlanır.

Mitokondriyal Genom • Mitokondriyal ribozomların r. RNA’ları mt. DNA tarafından kodlanırken ribozomal proteinler sitozolden transfer edilir. • Mitokondriyal ribozomlar sitoplazmik ribozomlardan ziyade bazı özellikleri ile bakteriyal ribozomlara benzer; • Kloranfenikol bakteriyal ve mitokondriyal protein sentezini inhibe ederken sitoplazmik protein sentezini inhibe etmez (siklohegzemid inhibe eder).

Mitokondriyal Genom • Mitokondriyal DNA’nın tamir mekanizması zayıftır ve bu yüzden mutasyon oranı nükleer genomdan yaklaşık 10 kat yüksektir. • Mutant ve normal mitokondriyal DNA kopyalarının bir arada bulunması durumuna Heteroplazmi denir. • Heteroplazmi doku spesifik olabilir.

Mitokondriyal Genom • Kearns-Sayne sendromunda oksidatif fosforilasyon genlerinde delesyon tipi mutasyonlar Heteroplazmik olmaya meyilli iken, • Leber sendromunda aynı genlerde görülen missense mutasyonlar sıklıkla Homoplazmiktir.

Mitokondriyal Genom • mt. DNA maternal olarak kalıtılır, çünkü zigottaki mt. DNA’nın sadece 1/10. 000’i sperm kaynaklıdır. • mt. DNA defetleri Mendel kalıtımına uymaz, maternal kalıtımla aktarılırlar.

Mitokondriyal Hastalıklar • Bazı dokular (kalp, iskelet kası, merkez sinir sistemi, böbrek) mitokondriyal enerji üretimine yüksek oranda bağlı olduğundan mt. DNA mutasyonlarından (nokta mutasyonları, delesyonlar, dublikasyonlar) daha fazla etkilenirler. • Bundan dolayı hastalıklar metabolizma ile ilişkilidir. • Başlıca klinik bulgular; hipotoni, gelişme geriliği, mental gerilik, konvülsiyon nöbetleri ve ataksidir. • Vucut sıvılarında laktik asit düzeyinin artması en önemli laboratuar bulgusudur.

Mitokondriyal Hastalıklar • Yaşlanma süreci içersinde mt. DNA mutasyonlarının birikmesine bağlı olarak oksidatif fosforilasyon sisteminin verimliliği düşer. • Geç başlangıçlı nörodejeneratif hastalıklar olan Parkinson, Alzheimer ve Huntington’da mitokondriyal solunum zincir disfonksiyonu patogenezlerden biri olarak kabul edilir. • Bu hastalıklarda, yaşlanma ile birlikte dokuda mitokondriyal mutasyonlar gösterilmiştir.

Mitokondriyal Hastalıklar • Mitokondriyal hastalıkların nedeni mt. DNA’nın primer mutasyonlarından kaynaklanmayabilir. • Örneğin antikanser ilacı olan doxorubicin serbest radikaller üzerinden mt. DNA’yı hasarlayabilir. • Ayrıca mitokondriyal fonksiyonların çoğu nükleer genom tarafından sağlandığından nükleer mutasyonlar da mitokondriyal fenotipi değiştirebilir. • Örneğin mt. DNA replikasyon enzimleri ile ilgili nükleer mutasyonlar mt. DNA miktarının azalmasına yol açmaktadır.

Mitokondriyal Hastalıklar • Çeşitli hastalıklarda görülen mt. DNA mutasyonları 4 gruba ayrılabilir; 1. Missense mutasyonları (Örn; LHON, Leigh sendromu) 2. Protein sentezi (t. RNA mutasyonları) mutasyonları (Örn; MELAS, MERRF) 3. İnsersiyon/Delesyon mutasyonları (Örn; Pearson, Kearns-Sayre) 4. Kopya sayısı mutasyonları

Mitokondriyal Hastalıklar 1. Leber’in herediter optik nöropatisi (LHON). Optik sinirin atrofisine bağlı yetişkin körlüğüdür (merkezi görme kaybolur). Düşük penetrans gösterir. . mt. DNA tarafından kodlanan retinal elektron transport zincirindeki NADH dehidrogenaz veya sitokromlardaki missens mutasyon 2. Leigh sendromu. Periferik nöropati, hipotoni, epilepsi, demans ve gelişimsel gerilik. ATPaz 6 veya nükleer kompleks II mutasyonları 3. Mitokondriyal t. RNA mutasyonları (translasyon aşamasında yetersizlik). MERRF (Miyoklonik epilepsi ve Ragged-red fiber hastalığı). MELAS (Mitokondriyal ensefalomiyopati, laktik asidoz, stroke ve hemiparezi). Diabetes mellitusun nadir bir tipi (t. RNALEU). MMC (Maternal geçişli mitokondriyal miyopati ve hipertrofik kardiyomiyopati) 4. Kearns-Sayre sendromu. Progresif eksternal oftalmopleji, retinopati, ataksi, ve kalp iletim defektleri 5. Pearson’ın kemik iliği pankreas sendromu. Genellikle fetal olan bir çocukluk hastalığıdır, pansitopeni, pankreatik/hepatik atrofi 6. Siklik kusma. Solunum yetmezliği, tekrarlayan laktik asidoz, migren ve ani ölüm