Mitokondri Necdet KAYILLIOĞLU.

... konulu sunumlar: "Mitokondri Necdet KAYILLIOĞLU."— Sunum transkripti:

1 Mitokondri Necdet KAYILLIOĞLU

2 MİTOKONDRİ Şekilleri (küremsi veya uzun silindirik) ve büyüklükleri (çap: 02-1 μm, uzunlukları: 2-6 μm) farklılıklar gösterir. Sayıları değişkendir (1-2000).

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

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

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

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

7 MİTOKONDRİ Matriks İç membranın çevrelediği alandır.
Bol miktarda protein molekülü, çeşitli reaksiyon enzimleri , mtDNA, ribozomlar ve tRNA 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.

8 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.

9 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).

10 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.

11 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.

12 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.

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

14 MİTOKONDRİ Matrix içinde purivat, amino asit ve yağ asitlerinin metabolizasyonu sonucu oluşan Asetil koenzim A sitrik asit siklüsüne girerek okside olur. CO2 , FADH2 ve NADH oluşur. Bu reaksiyonlar sırasında oluşan yüksek enerjili elektronları taşıyan FADH2 ve NADH’ın elektronları mitokondri iç membranındaki taşıyıcı proteinler vasıtasıyla moleküler oksijene taşınır ve H2O oluşur.

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

16 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.

17 MİTOKONDRİ ATP sentetaz iki subünitten oluşur; Fo ve F1.
Fo iç membrana gömülüdür ve matriksteki F1 ile etkileşir. Fo subünitinden proton akışı sırasında F1’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.

18 MİTOKONDRİ Membranlar arası boşlukta hem pH 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.

19 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.

20 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.

21 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.

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

23 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.

24 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.

25 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 tarafından gerçekleştirilir.

26 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 mRNA’nın başına (Cap) ve sonuna (poliA) eklentiler yapılmaz 5-Bazı mitokondriyal genom kodonları nükleer genom kodonlarından farklı anlam taşır

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

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

29 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.

30 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).

31 Mitokondriyal Genom mtDNA’nın % 93’ü kodlanan dizilerden oluşmaktadır.
Genler intron içermez ve zayıf oranda paketlenmiştir. Bazı genler üst 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.

32 Mitokondriyal Genom Mitokondriyal genom 37 gen içerir;
2 rRNA (16S ve 12S rRNA) geni 22 tRNA 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.

33 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.

34 Mitokondriyal Genom Üniversal kodon sisteminde 64 kodondan 61’i 20 farklı amino asid kodlar. Amino asit kodlayan bu 61 kodon minimum 32 tRNA tarafından tanınmaktadır. Mitokondriyal genomda ise 60 kodon amino asit kodlar (4 tane de stop kodonu vardır). Bu 60 kodon sadece 22 tRNA tarafından tanınır.

35 Mitokondriyal Genom tRNA sayısına göre çok fazla miktarda kodon tanınması Wobble hipotezine göre olur. Wobble hipotezi; tRNA antikodonunun 5’ ucundaki baz ile mRNA kodonunun 3’ ucundaki baz eşleşmesi normal baz eşleşmesinden daha esnektir anticodon codon (3’) X-Y-N (5’) (5’) Y-X-N (3’)

36 Mitokondriyal Genom Böylece 60 kodon tRNA tarafından tanınır esnekliğine ulaşır. tRNA'ın tümü bazı istisnalar hariç mtDNA tarafından kodlanır.

37 Mitokondriyal Genom Mitokondriyal ribozomların rRNA’ları mtDNA 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).

38 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.

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

40 Mitokondriyal Genom mtDNA maternal olarak kalıtılır, çünkü zigottaki mtDNA’nın sadece 1/10.000’i sperm kaynaklıdır. mtDNA defetleri Mendel kalıtımına uymaz, maternal kalıtımla aktarılırlar.

41 Mitokondriyal Hastalıklar
Bazı dokular (kalp, iskelet kası, merkez sinir sistemi, böbrek) mitokondriyal enerji üretimine yüksek oranda bağlı olduğundan mtDNA 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.

42 Mitokondriyal Hastalıklar
Yaşlanma süreci içersinde mtDNA 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.

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

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

45 Mitokondriyal Hastalıklar
1. Leber’in herediter optik nöropatisi (LHON) . Optik sinirin atrofisine bağlı yetişkin körlüğüdür (merkezi görme kaybolur) . Düşük penetrans gösterir. . mtDNA 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 tRNA 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 (tRNALEU) . 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