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11/11/25 BIOINFORMATICA
IL MITOCONDRIO
MITOCONDRIO: organello citoplasmatico presente nelle cellule eucariotiche, che conferisce alla cellula lo stato eucariotico. La sua funzione principale è quella di fungere da centrale energetica della cellula , completando il processo ossidativo delle sostanze nutritive a partire dagli zuccheri analoghi, ottenendo anidride carbonica e acqua. Si completa il processo ossidativo perché nel mitocondrio avviene sia ciclo di krebs che fosforilazione ossidativa.
Quindi cui il surplus di energia che è presente nei mitocondri è molto più grande rispetto a quello che otterremo dalla glicolisi sia per la rivoluzione della vita sulla terra che per la rivoluzione industriale: disponendo a una grande energia disponibile che prima non era presente, ora la cellula acquisisce nuove caratteristiche tra cui quella di organizzarsi in strutture multicellulari. Nel mitocondrio abbiamo un sistema compartimentalizzato, caratterizzato da membrane interne ed esterne contenente un proprio materiale genetico.
La biologia non è una scienza descrittiva ma quantitativa. Una cellula contiene numero variabile di mitocondri che è dipendente dal fabbisogno energetico della cellula stessa. Il tipo cellulare con più mitocondri in assoluto è il muscolo cardiaco o scheletrico.
Nella cellula eucariotica ci sono 2 sistemi genetici diversi che devono interagire in modo coordinato:
- sistema genetico nucleare
- sistema genetico mitocondriale
Ricorda che la biogenesi del mitocondrio necessita più di un milione di proteine che devono riuscire ad entrare nei mitocondri.
Possono essere studiati in maniera differenziata perché i mitocondri rispondono ai tipici inibitori dei batteri, mentre gli antibiotici attaccano solo i batteri ma non il nucleo. Posso inibire in modo indipendente i batteri e studiarli indipendentemente.
L’immagine a sinistra rappresenta la catena respiratoria con i relativi complessi. Questo serve per trasportare gli elettroni all’ossigeno come accettore finale. Per sintetizzare l’acqua serve questa catena con varie subunità proteiche, in cui il complesso 5 è l’ATP sintasi. Gli elettroni fluiscono generando il gradiente proteico per sintetizzare ATP al complesso 5.
Le subunità mitocondriali sono:
- 7 subunità nel complesso 1 (NADH deidrogenasi)
- il complesso 2 trasforma succinato in fumarato (è tutto nucleare)
- 1 subunità nel complesso 3 con citocromo b
- 3 subunità nel complesso 4 della citocromo c ossidasi
- 2 subunità nel complesso 5
In totale sono 13 le proteine mitocondriali che compongono la catena respiratoria, i cui componenti vengono sintetizzati nel mitocondrio.
Oltre alla catena respiratoria, il mitocondrio è sede di tanti processi metabolici, come il ciclo di krebs e beta ossidazione. Lo stato di salute della cellula, in qualche modo, è correlato allo stato di salute del mitocondrio, quindi il segnale mitocondriale è segnale di morte cellulare programmata che determina il mantenimento dello stato di salute. Questo segnale è il citocromo c ridotto, che induce la degradazione del mitocondrio se necessario. La presenza di proteine canale mediano il flusso dei metaboliti tra l'interno e l'esterno.
Analizzando l’ipotesi della teoria endosimbiontica seriale, si notò che alcune cose non tornavano. I protisti dovevano essere visti senza mitocondrio e si vide che anche se fossero privi di mitocondri, tutti avevano componenti di origine mitocondriale come Trichomonas vaginali (parassita genito urinario femminile) non contiene i mitocondri ma contiene un solo idrogeno, quindi un organello circondato mi membrane in grado di produrre idrogeno. Questi protisti amitocondriali non contengono mitocondri ma contengono residui di mitocondri che si sono degenerati.
Anche Giardia Lamblia amitocondriale aveva anch’esso marker specifici del potenziale di membrana dei mitocondri. Pertanto possiamo supporre la presenza di mitocondri anche nelle Diplomonadi.
Stesso concetto per i Microsporidi che codificano per la proteina mitocondriale HSP70.
Dobbiamo quindi rivedere l’ipotesi dell’endosimbiosi seriale collegando l’origine dei mitocondri alla base dell’albero di tutti gli eucarioti. QUINDI…L'origine degli eucarioti coincide con l’origine della cellula eucariotica, perché quando sulla terra compare l'atmosfera di ossigeno e si è evoluto un sistema per sfruttare il processo ossidativo portando alla sua finalizzazione completa.
In questo modo l’ipotesi degli archeozoa era completamente debellata
In questi gruppi tassonomici in mitocondrio si è perso o sono rimasti mitosomi.
CONCLUSIONI:
- L’endosimbiosi mitocondriale ha avuto origine prima della divergenza degli eucarioti
- è probabile che la presenza del mitocondrio sia una caratteristica fondamentale della cellula eucariotica (la cellula eucariotica è nata con l’endosimbiosi mitocondriale),
- le cellule eucariotiche prive di mitocondri posseggono i mitosomi, che possono essere considerati mitocondri degenerati che hanno perso il proprio genoma e non sono più coinvolti nel metabolismo energetico cellulare ma che tuttavia sono fondamentali per altre funzioni (es. per l’assemblaggio dei cluster FeS).
Ci sono genomi mitocondriali con la stessa distribuzione, quindi è evidente che non è avvenuto per caso ma che è una impronta della loro comune origine evolutiva, come ulteriore prova della discendenza batterica dei mitocondri.
Oggi, la teoria più accreditata dell’origine degli eucarioti è quella dell’endosimbiosi ad un unico passaggio: un archeobatterio metanogeno consumatore di idrogeno (aerobio) assieme all’alpha-proteobatterio produttore di idrogeno. Si forma, così, un protoeucariote dotato di mitocondri tramite endosimbiosi. Il nucleo cellulare della cellula eucariotica deriva quindi dal genoma dell’archeobatterio, che poi ha acquisito anche geni di carattere batterico. Nel mitocondrio sono rimasti pochi geni che erano tutti di origine batterica.
Questa teoria endosimbiontica più accreditata sull’origine degli eucarioti è chiamata ‘’HYDROGEN HYPOTHESIS: ONE STEP’’. È un endosimbiosi perchè uno produce l’idrogeno e l’altro lo consuma. Questa ipotesi dell’idrogeno supporta la creazione simultanea del nucleo e del mitocondrio. HYDROGEN HYPOTHESIS: ONE STEP → creazione simultanea del nucleo e del mitocondrio mediante fusione di un Archeobatterio metanogeno consumatore di idrogeno (ospite) con un alpha-proteobatterio produttore di idrogeno (simbionte). Questa teoria è basata su:
- natura chimerica del nucleo eucariotico con geni di origine archeobatterica e eubatterica
- geni simili a mitocondri nel genoma nucleare di Archeozoi con una perdita secondaria di mitocondri. Non tutti gli archeozoi sono alla base dell’albero filogenetico
- gli idrogenosomi condividono un’ascendenza comune con i mitocondri
CARATTERI PRIMITIVI DEL mtDNA:*
- utilizzo del codice genetico universale
- presenza di un elevato numero di geni e di un corredo completo, o quasi, di geni per tRNA con una normale struttura secondaria a trifoglio
- disposizione dei geni in operoni simili a quelli batterici
- struttura compatta del genoma e la presenza di pochi o nessun introne
A seguito della nascita della cellula eucariotica e dei mitocondri, anche i mitocondri evolvono. Distinguiamo i mitocondri che osserviamo ad oggi a seconda delle caratteristiche:
- primitive: (* assomigliano al batterio originario) con utilizzo del codice genetico universale. La maggior parte dei mitocondri usa codice genetico universale. Soprattutto nei protisti ( Reclinomonas americana). Il genoma primitivo è più grande con tutti i RNA necessari
- derivate* :
*GENOMA MITOCONDRIALE PRIMITIVO ( Reclinomonas americana): Genoma di circa 100.000 paia di basi. Totale di 97 geni: ● tutti i geni di codifica delle proteine ● trovato in tutti i mtDNA ● 18 geni proteici unici ● contengono basi per una RNApolimerasi simile a quella batterica ● organizzazione in operoni che somigliano a quelli batterici ● usano codice genetico universale
Le derivazione possono essere di varia natura: *CARATTERI DERIVATI DEL mtDNA
- Alterazione del codice genetico : il fatto che due sistemi genetici diversi (mitocondriale e nucleare) utilizzino due codici genetici diversi rappresenta una barriera allo spostamento di geni da un comparto all’altro. A un certo punto si è raggiunta una situazione di stabilità evolutiva tale per cui non era più conveniente lo scambio di geni tra i due comparti; - Forte squilibrio nella strategia di utilizzo dei codoni;
- Riduzione del numero di geni (sia per proteine che per tRNA); _- RNA editing;
- Alterazione della struttura di tRNA e rRNA rispetto alla controparte batterica_
mantenute caratteristiche primitive, ma al fatto che è molto duplicato e presenta forte tasso di ricombinazione;
- Non-coding DNA: frazione molto bassa negli animali e molto alta nelle piante, mentre i funghi hanno una dimensione della frazione non codificante variabile; - tasso di mutazione: molto alto negli animali e molto basso nelle piante. E’ come se il genoma possa accettare un certo numero assoluto di mutazioni, quindi più piccolo è il genoma più è alto il tasso di mutazioni che subisce. Allo stesso modo, quindi, il tasso di mutazioni a carico del mtDNA è più alto di quello del genoma nucleare, in generale. Questo fa sì che lo studio del mtDNA può essere utile per studiare le dinamiche della popolazione umana, perchè cambia nelle diverse etnie ma anche da individuo a individuo, e a volte può essere usato anche per il test del DNA, anche se quello condotto sui microsatelliti è più sensibile e specifico - introni: presenti solo nelle piante, anche se sono introni autocatalitici - codice genetico universale: non usato negli animali e usato nelle piante
Il genoma mitocondriale è circolare con dimensioni variabili. Distinguo parte codificante e non codificante. Da notare sono le eccezioni, ad esempio il Plasmodio ha un genoma mitocodnriale molto piccolo (6kb) e lineare.
Se il genoma nucleare è diploide negli eucarioti, il genoma mitocondriale è aploide e presente in più copie. Quindi, il contenuto di DNA mitocondriale è cellulo e tessuto specifico. Non solo, ma l’altra cosa importante è che nel mitocondrio ci sono più copie di genoma mitocondriale. Dipende dal tipo di mitocondrio, ma questo numero può variare da 10 a 10mila. Gli epatociti dei ratti contengono 1000 mitocondri, e ogni mitocondrio contiene 10 molecole di DNA mitocondriale con un totale di 10.000 copie di DNA mitocondriale. Non solo è piccolo, ma ha un’alta concentrazione.
COMPOSIZIONE DI BASI - GC% Il mitocondriale varia dal 25 al 50% con più ampia variabilità nel contenuto di G-C e tipicamente hanno un più basso contenuto di GC rispetto alla controparte nucleare.
CONTENUTO GENICO:
Il contenuto genico dei genomi mitocondriali è sostanzialmente conservato, comprendendo geni coinvolti nella respirazione e nella traduzione (es RNA ribosomiali piccolo e grande). Meno frequentemente vi sono geni per l ’import e la maturazione delle proteine e il processing dell’RNA. Questi geni derivano dal progenitore a-proteobatterico. Il numero di geni codificanti proteine varia da circa 100 nel protozoo Reclinomonas americana a 5 nel Plasmodium falciparum. Si osserva invariabilmente la presenza di 2 o 3 rRNA, mentre il numero di tRNA è molto variabile, da nessuno a >30. Una compilazione aggiornata delle caratteristiche dei genomi mitocondriali è disponibile nella banca dati GoBase Il numero di geni varia da circa 100 per il protozoo fino a 5 fino al plasmodi mentre il numero di RNA è molto variabile da nesso a circa una trentina (nessun: dato che il mitocondrio ha un proprio apparato di riproduzione)
In tabella vedo come il riassortimento genico non è casuale ma conservato
Vedo che gli RNA ribosomiali piccoli e grandi sono sempre presenti perché devono fare traduzione.
Il ribosoma è fatto da RNA ribosomiale e proteine.
Se prendo un ribosoma in termine di massa, qual è il rapporto tra massa proteica e massa nucleotidica? → prevale la massa nucleotidica perchè l’80% di proteine è fatto di RNA con carica negativa. L’RNA per potersi ripiegare per formare ribosoma, se non ci fossero le proteine basiche ribosomiali non si potrebbe ripiegare per formare il ribosoma. Quindi le proteine servono a schermare l’RNA ma il cuore del ribosoma è l'RNA ribosomiale. Il 5s non è quasi mai presente; il tRNA nell’uomo ne abbiamo 22, nelle piante un certo numero nelle alghe numero variabile…le proteine ribosomiali certe volte sono presenti altre volte no. Vediamo i geni dei vari complessi:
- complesso 1: molto variabile
- complesso 2: quasi mai variabile
- Nel complesso 3 il citocromo b è sempre presente
- complesso 4 situazione variabile
- complesso 5 le proteine ribosomiali di solito non sono presenti
In tutti i genomi mitocondriali sono presenti sempre 4 geni sempre in comune: a) i 2 RNA ribosomiali b) citocromo b (subunità complesso 3 della catena respiratoria) c) una subunità 1 del citocromo c ossidasi.
STRUTTURA INSOLITA DEI tRNA I tRNA mitocondriali sono più piccoli dei tRNA nucleari e possono avere strutture insolite, come la completa assenza del braccio D. Nei vertebrati i tRNA hanno anche il ruolo di elementi “punteggiatura” per guidare il processing dell’RNA precursore (fiancheggiano i geni). Hanno un vacillamento più ampio dato che l’interazione codone-anticodone è sostanzialmente basata su due soli nucleotidi (la U nella prima posizione dell’anticodone riconosce tutti e 4 i nucleotidi nella terza posizione del codone). La U riconosce tutte e 4 le basi della 3 posizione del codone. Questi in foto sono tRNA evidenziati nel coniglio.
DIVERSE FORME DI mRNA EDITING NEI MITOCONDRI (caratteristica derivata)
anche editing di mRNA. Ci sono vari tipi:
- Per inserzione/delezione: l’editing inserzionale è un meccanismo molto importante per la regolazione dell’espressione genica di alcuni genomi mitocondriali di protisti e avviene, ad esempio, nei cinetoplastidi, dove vengono inserite o cancellate le U. in questo organismo sono presenti molti mRNA, e c’è quindi bisogno di alcuni fattori che guidano l’editing, le anchoring sequence, e di un corredo enzimatico appropriato.
- Per conversione/sostituzione: tipico nelle piante, dove avviene editing C U, ma il numero di basi resta lo stesso.
IL MITOCONDRIO DEI CINETOPLASTIDI ( Trypanosoma) : I cinetoplastidi (includono il Trypanosoma) hanno i mitocondri più insoliti in natura. Per cellula hanno un mitocondrio che si estende per l’intera lunghezza della cellula. Il genoma mitocondriale è compartimentalizzato nel cinetoplasto da cui il nome cinetoplastidi. Consiste in una grande rete di molecole di DNA circolari a catena. La massa molecolare del DNA mitocondriale è di circa 10^10 Dalton o circa 15 Mb di DNA. E’ formato da due serie di sequenze con maxicircoli tra 15 kpb e 80 kpb; e minicircoli tra 0,9 kpb e 2,
kpb (a seconda della specie). In media ci sono 50 maxicircoli e 10.000 minicircoli per cellula.
I maxicircoli contengono criptogeni, perché se vengono trascritti in RNA non funzionano. Si chiamano così perché devono essere maturati (letti) per essere maturati attraverso l’editing per poter codificare la proteina corretta. L’editing consiste nell’inserimento o delezione di uridine (U). I minicircoli contengono l’RNA guida per guidare il processo di maturazione dei trascritti.
RNA Editing: MECCANISMO MOLECOLARE DI INSERZIONE/DELEZIONE DI U
C’è una regione di non appaiamento che dice di non inserire la U. Endonucleasi taglia e poi salda. Anche per la cancellazione si taglia si digerisce e si salda.
Si forma il DNA maturo con inserimento della U nel dna di inizio.
Il trascritto del criptogenica è stato scoperto (prima forma di editing ad essere stato scoperto) perché sequenziando il genoma e i trascritti non trovava corrispondenza, ma se inseriva delle U nel trascritto si ritrova con le sequenze del genoma.
(Caratteristica primitiva ) e non contiene tRNA: fa sintesi proteica mitocondriale ma i tRNA importati da fuori. Le piante hanno secondo organello (cloroplasto) con il suo sistema genetico autonomo; quindi le piante possono usare tRNA citoplasmatici che plasmidici. Le piante hanno elevato tasso di ricombinazione: possono ottenere genomi di dimensioni diverse perché possono duplicarsi e dare forme del genoma che contengono più copie diverse del genoma.
CARATTERISTICHE DEL GENOMA MITOCONDRIALE DELLE PIANTE :
- presenza di grandi quantità di DNA non codificante
- i geni contengono introni (sono introni autocatalitici)
- struttura genomica a mosaico: presenza di un numero variabile di sequenze codificanti e non codificanti di origine nucleare (tRNA e retrotrasposoni) e di cloroplasti (tRNA). Hanno plasticità genomica molto grande.
- RNA editing della maggior parte degli mRNA (C®U) (coding regions, ma anche introni e UTR) e dei tRNA (per la maturazione e processamento dei precursori dei tRNA)
- Passaggio di sequenze codificanti e non dal genoma mitocondriale al genoma nucleare (l’editing di fatto ne impedisce la corretta espressione)
- presenza di numerose unità trascrizionali
Anche i geni trascritti di piante non sono funzionali se non c’è editing. L’editing serve a cambiare l’amminoacido codificato (Serina contiene gruppo OH polare) con leucina (apolare) cambiando la proprietà della proteina. L’editing aumenta la conservazione perché cambia l’arginina (basico) in cisteina.
L’editing per sostituzione di basi delle piante,
confeziona l’RNA maturo ripristinando la conservazione degli aminoacidi chiave affinché le proteine possano funzionare.
CIS E TRANS SPLICING DEGLI INTRONI NEL mtDNA DI PIANTE
Il gene nad2, dove vengono trascritti 2 precursori, per ottenere trascritti maturi. L’espressione genica del mtDNA di piante prevede simultaneamente lo splicing (sia in cis che in trans), l’editing e il taglio con endonucleasi, e questo fa sì che questo processo possa avvenire solo nel mitocondrio. Gli esoni a e b del gene nad2 di arabidopsis thaliana sono co-trascritti con un gene per la proteina ribosomiale rps4. Avviene poi il taglio tramite endonucleasi a valle del gene rps4, l’editing, lo splicing in cis e lo splicing in trans con un secondo trascritto che contiene gli altri esoni del gene nad 2. Tutti questi passaggi portano alla formazione di un trascritto maturo del gene nad 2, che verrà tradotto in gene funzionale.
Lo spicing puo avvenire sia in cis che in trans tra unità trascrizionali diverse. Per creare nad 2 prendo esoni da due unità diverse, maturate, concatenate e modificate dall’editing.
Questa è una caratteristica derivata (non primitiva) e specifica delle piante, perchè i genomi batterici non hanno splicing ed editing.
IL GENOMA MITOCONDRIALE DEI METAZOI (VERTEBRATI)
I geni si dispongono lungo il genoma in modo dinamico e variabile. Questo vale per il genoma mitocondriale. Nei vertebrati c’è un ordine genetico che rimane conservato.
