Mitokondri

1. Mitokondri Doç. Dr. Mehmet GÜVEN

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 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. • Porinadı 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 • Bakterialve 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 1000-10.000 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 22 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 Heteroplazmidenir. • 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