MİTOKONDRİ

endosimbiosis teorisine göre mitokondri 1 endosimbiosis teorisine göre mitokondri 1.5 milyar yıl önce bakteriden gelmektedir. Mitokondri maternal geçişli aerobik bir organeldır. 0,5-3 µm uzunluğunda, 0,1-1 µm çapında iç ve dış membrandan oluşmaktadır. Bir hücrede bulunan mitokondri sayısı hücreden hücreye değişebilir. Bazı algler bir mitokondri içerirken protozoonlar yarım milyon mitokondri içerir. Mitokondrinin yapısı stabil değildir. Farklı metabolik koşullarda değişik şekillerde bulunur.

Mitokondrinin fonksiyonlarının korunabilmesi için füzyon ve fizyon olayları gerçekleşmektedir. Füzyon ve fizyon mekanizmaları birbirinden farklıdır. Füzyon mühtemelen mitokondrileri içeriklerinin birleşmesini yapmak suretiyle mitokondriye fonksiyonunu koruma şansı vermektedir. Füzyon protein tamamlama (protein complementation), mtDNA onarımı ve metabolitlerin eşit dağılımına olanak sağlamaktadır.

Fizyon hücre bölünmesi sırasında oluşacak yeni döle mitokondrilerin eşit segregasyonu kolaylaştırmak için yapılan bir olaydır. Böylece hücre sitozol iskeleti boyunca mitokondrilerin dağılımını artırmaktadır. Eğer bu mekanizmalar işlemezse, mitokondrial fizyon apoptosizi yapabilir. Ayrıca fizyon mitokondrinin hasarlı bölümlerinin izole edilmesine yardım ederek mitokondri kendi otofajisini yapabilir.

Otofaji hücresel komponentlerin otofagozom oluşturarak parçalanma prosesidir. Mitofaji otofajiyle mitokondrilerin parçalanması olarak tanımlanabilir. Otofaji gelişigüzel veya seçici olarak mitokondrileri hedeflendiği henüz kesin olarak bilinmemektedir.

Mitokondride gerçekleşen olaylar Sitrik asit siklusu β-oksidasyon NADH oksidasyonu ve ATP oluşumu Ca+2 gibi divalent iyonların birikimi

Mitokondri birbirinden yapısal ve biyolojik özellikleri farklı iki membranla çevrilidir. Dış membran: Lipidlerden zengin ve önemli miktarda kolesterol içermektedir. Porin adı verilen proteinleri yapısında bulundurmaktadır. Bu proteinler molekül ağırlığı <10 000 den küçük moleküllerin geçişine izin veren kanallar oluştururlar. Diğer proteinler bazı oksidasyon ve fosfolipidlerin sentezinde görev alırlar.

Membranlararası boşluk Dış ve iç membran arasındaki yere membranlararası boşluk denir. Dış membran küçük moleküllerin geçişine izin verdiği için iyon kompozisyonu sitozolle hemen hemen aynıdır. Adenilat kinaz, difosfat kinaz, nükleozid monofosfat kinaz ve kreatin kinaz gibi enzimler membranlararası boşlukta bulunmaktadır.

İç membran Oldukça seçici, polar ve iyonik moleküllerin geçişine izin vermez. Bu maddeler ancak spesifik transport proteinlerinin aracılığıyla geçebilirler. Protein:lipid =1.0/0.27 İç membran kıvrılarak kristaları oluşturur.

Matriks İç membranın çevrelediği bölgeye matriks denir. Sitrik asit siklusu, β-oksidasyonda görevli enzimler Birçok DNA kopyaları, ribozomlar ve mitokondriyal genom tarafından kodlanan protein sentezinde görev yapan enzimler bulunur.

OKSİDATİF FOSFORİLASYON NADH ve FADH2’nin KAYNAKLARI Malat Dehidrogenaz α-ketoglutarat dehidrogenaz İzositrat dehidrogenaz 3-hidroksil CoA dehidrogenaz Piruvat dehidrogenaz Gliseraldehid 3-fosfat FADH2 Yağ asidi asil CoA dehidrogenaz Süksinat dehidrogenaz

ELEKTRON TRANSPORT ZİNCİRİNDE GÖREV ALAN ENZİMLER NADH dehidrogenaz (NADH-Koenzim Q Oksidoredüktaz)(kompleks I) Süksinat dehidrogenaz (Süksinat-NADH-Koenzim Q Oksidoredüktaz) (kompleks II) Ubikinon-Sitokrom c redüktaz (Koenzim Q sitokrom c Oksidoredüktaz) (kompleks III) Sitokrom oksidaz (Sitokrom oksidoredüktaz) (kompleks IV) ATP Sentaz (kompleks V)

Glikoliz, sitrik asit siklusu ve yağ asidi oksidasyonu sonucu oluşan NADH ve FADH2 ETZ’de oksitlenir. Elektronlar NADH ve FADH2’den moleküler oksijene geçer. ETZ sistemi ökaryotlarda mitokondri iç membranına, prokaryotlarda plazma membranına yerleşmiştir.

ETZ’de kompleks I, III ve IV iç mitokondriyal membrana karşı proton gradienti oluşturan oksidoredüktaz proton pompalayan komplekslerdir. Bu proton gradienti serbest enerji kaynağıdır. Protonlar ATP sentaz (kompleks V) aracılığıyla geri iç mitokondriyal membrana döner. Böylece, ADP+P→ATP oluşur.

NADH-Koenzim Q Oksidoredüktaz NADH’daki 2 elektronu küçük yağda çözülebilir koenzim Q(ubikinon) molekülüne geçirir. Bu enzim aynı zamanda protonları matriksden membranlararası boşluğa pompalar. NADH+H ++ UQ→NAD+ + UQH2

Süksinat-Ubikinon Redüktaz Süksinattan elektronları Ubikinona transfer eder. Enzim elektronları transfer ederken çok az enerji açığa çıkar, bu durumda protonları matriksden membranlararası boşluğa fırlatamaz.

Ubikinon-sitokrom c redüktaz Elektronları Ubikinondan sitokrom c’ye taşır. UQH2 + sitokrom c (Fe+3) → UQ + sitokrom c (Fe+2) Salınan enerji proton gradient formu şeklinde korunur ve 4 tane proton membranlararası boşluğa fırlatılır.

Sitokrom c Oksidaz 4 tane elektronları sitokrom c’den moleküler O2’e transfer ederek HO oluşturur. 4 tane protonu membranlararası boşluğa fırlatır. Yaklaşık olarak O2’nin %90’ı sitokrom c oksidaz tarafından harcanır.

Kemiosmotik Teori ETZ tarafından membranlararası boşluğa atılan protonlar ATP sentazın oluşturduğu membran kanalları aracılığıyla matrikse dönerler. ADP + Pi → ATP İç membran H ve OH iyonlarına geçirgen değildir. Eğer membran haraplanırsa proton motive gücü kurulamaz ve ATP sentezi oluşmaz. 1 ATP sentezi 3-4 protona denk gelmektedir. Yiyeceklerde salınan enerjinin %65’i ATP olarak saklanır.

ATP Sentaz F0 ve F1 olmak üzere 2 komponenti vardır. F0 altbiriminin katalitik aktivitesi olup yüksek derecede ATPaz aktivitesine de sahiptir. F1 altbirimi ise proton kanalı olarak görev yapar.

Oksidatif Fosforilasyonu Bozan Ajanlar Dikumorol: ETZ devam eder fakat ATP sentezi durur. 2,4 dinitrofenol: Protonları membranlararası boşlukta bağlar ve mitokondri içine getirir, gradienti bozar. ATP sentezi durur. Enerji ısı olarak açığa çıkar.

ETZ’nin Düzenlenmesi NADH / NAD oranı O2 pH gradienti ADP ve Pi konsantrasyonlarının artması

Mitokondriyal DNA (mtDNA) Çift sarmal ve daireseldir. 16569 baz çifti içerir. 37 gen kodlanmaktadır. -13 adet protein -22 adet tRNA -2 adet 12s ve 16s rRNA mtDNA’da intron ve histon bulunmamaktadır. mtDNA nükleer DNA’nın %1’ini oluşturur. Universal kodu kullanmamaktadır.

7 gen NADH dehidrogenaz (kompleks I) 1 gen Ubikinon-sitokrom c redüktaz (kompleks III) 3 gen sitokrom c oksidaz (kompleks IV) 2 gen ATP sentetaz (kompleks V) Süksinat ubikinon redüktazın bütün polipeptidleri genomik DNA tarafından kodlanmaktadır.

mtDNA’nın nükleer DNA’dan farkı-1 mtDNA maternal kaynaklıdır. Fertilizasyon sırasında sperm mitokondrisi yumurtaya geçememektedir. Küçük bir miktar paternal DNA’nın zigotta bulunduğu söylenmektedir. Fakat bu durum hastalıkların patolojisinde herhangi bir rol oynamamaktadır.

mtDNA’nın nükleer DNA’dan farkı-2 Heteroplazmi Nükleer DNA bir alleli anneden bir alleli babadan alır. Herbir hücrede yüzlerce veya binlerce mtDNA bulunmaktadır. Eğer bir mutant bir de normal mtDNA varsa buna heteroplazmi denir. Normal bir insanda homoplazmi bulunmaktadır. Mitotik Segregasyon Heteroplazmik hücre replike olurken mutant ve normal moleküller gelişigüzel olarak yavru hücreye dağıtır. Mutant mtDNA’nın dağılma oranı segregasyon olarak adlandırılır. Farklı doku veya organlarda hatta belirli bir dokunun farklı hücrelerinde bile heteroplazmik değişimler gözlenebilir. Heteroplazmik oranlar zamanla değişebilir.

Mitokondriyal Bozukluklar-1 1- Nükleer DNA’nın kodladığı mitokondriyal bozukluklar -Mitokondriyal solunum zinciri bozuklukları Nükleer DNA tarafından kodlanan polipeptidlerdeki mutasyonlar ETZ’de kompleks I ve II’de görülmektedir. Bunlar otozomal resesif geçişlidir (Leigh Sendromu). Fakat ataxia ile optik atrofi otozomal dominantdır. Bugüne kadar kompleks III ve IV ile ilgili mutasyonlar bilinmemektedir.

Mitokondriyal Bozukluklar-2 -Solunum zincirini oluşturan elemanların birbirleriyle ilişkilerini etkileyen bozukluklar Çocukluk çağında görülür.Sitokrom c oksidazın altbirimleri arasında iletişimin sağlanmasında görevli polipeptidleri kodlayan 4 gende mutasyon saptanmıştır (Leukoensefalopati). -mtDNA’nın sürdürülmesiyle ilgili bozukluklar Genellikle erişkinlik çağında ortaya çıkar. Otozomal resesif veya dominant geçişli olabilirler. Mitokondriyal nörogastrointestinal ensefalomiyopati timidin fosforilazda meydana gelen mutasyon sonucu oluşan bozukluklardandır. Timidin kinazdaki mutasyon sonucu mtDNA’da uzama meydana gelir.Sonuçta karaciğer yetmezliğiyle birlikte miyopati veya ensefalopati oluşur.

Mitokondriyal Bozukluklar-3 2- mtDNA’nın kodladığı mitokondriyal bozukluklar a)-Sporadik Yetişkinlerdeki mtDNA hastalıklarının 1/3’ünün oluşturur. Hastaların çoğunda tek mtDNA delesyonları vardır.Bazıları ise seyrek olarak patojenik mtDNA nokta mutasyonlarına sahiptir. Örnek: Sayre, Pearson, Kearns, Progresiv external b)-Maternal kalıtımlı bozukluklar Nokta mutasyonları görülür. Leber herediter optik nöropati (homoplazmik mutant). Bunların bir kısmında (heteroplazmi) mutant ve wild tip mtDNA içermektedir.

Mitokondriyal hastalıklarda... Körlük, sağırlık, demans, hareket bozukluğu, güçsüzlük, kardiak yetersizlik, diyabet, renal ve karaciğer hastalıkları görülür. Mitokondriyal nokta mutasyonlarının %80’itransizyonları, %6’ı küçük delesyon ve insersiyonları oluşturmaktadır. mtDNA nDNA’a göre 6 ila 17 kez daha fazla mutasyona uğramaktadır. mtDNA her 1 milyon yılda 0.02 baz çifti değişime uğramıştır. Oysaki nDNA 5x10-7 baz çifti değişime uğramıştır.

DNA Mutasyonlarının Sebepleri-1 1- DNA Replikasyonu DNA polimeraz γ’da meydana gelen hatalardan kaynaklanabilir. 2- Endojen ve ekzojen kaynaklar -Ekzojen kaynaklar Alkilleyiciler ve polisiklik aromatik bileşikler gibi kimyasallar nDNA’dan çok mtDNA’ya bağlanmaktadır. Bu tür maddelerden sis platinum mtDNA’ya nDNA’dan 6 kez daha fazla bağlanmaktadır. Aflatoksin ise mtDNA’ya 4 kez daha fazla bağlanmaktadır. Kimyasal maddelerin mtDNA’ya daha fazla bağlanması mutasyon riskinin artışıyla ilişkili bulunmamıştır. Sigara kullanımıyla mtDNA’da mutasyon arasında anlamlı bir ilişki bulunamazken 4977 mtDNA’da oluşan delesyon sigara içenlerin saç foliküllerinde içmeyenlere göre daha yüksek bulunmuştur.

DNA Mutasyonlarının Sebepleri-2 Endojen kaynaklar Oksijen radikalleri, deaminasyon, hidroliz ve DNA metilasyonu gibi endojen DNA hasarları ya bazları değiştirir ya da apurinik/apirimidinik bölgeler oluşturur. Reaktif oksijen türleri tek ve çift zincirli DNA kırıkları, abazik bölgeler ve oksitlenmiş purin ve pirimidinleri oluşturmaktadır.

mtDNA bozukluklarının klinik tanısı Laktat artışı Alanin artışı Magnetik rezonans spektroskopisi Elektron mikroskopisi Doku kesiti boyamaları

Tedavi Tedavi hala çok yatersizdir, ancak semptomlar azaltılabilir. -toksik ürünleri azaltmak. Örnek: Laktik asit Elektron alıcıları verilerek. K3 ve C vitamini gibi L-karnitin ve koenzim Q gibi kofaktör ve metabolitleri verilerek Oksijen radikal tutucuları verilerek -Gen tedavisi Komplement mutant DNA replikasyonunu inhibe etmek için nükleik asit peptidlerinin kullanılması veya çok hasarlı DNA’ların ilaçla yokedilmesi -Prenatal diagnoz Aminoasit ve koryonik vilideki mutasyon fetal dokulardaki hasara karşılık gelmemektedir. Mitotik segregasyondan dolayı doğum sonrası veya anne karnındayken mutasyon değişebilir.

Mitokondrial DNA’nın lineer dizilişi Siyah renkli barlar tRNA genlerinin yerini göstermektedir. ND: NADH dehidrogenaz, COX: sitokrom c oksidaz.