Mitokondri

1
Mitokondri

• Necdet KAYILLIOGLU

2
MITOKONDRI

• Sekilleri (küremsi veya uzun silindirik) ve
  büyüklükleri (çap 02-1 µm, uzunluklari 2-6 µm)
  farkliliklar gösterir.
• Sayilari degiskendir (1-2000).

3
MITOKONDRI

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

4
MITOKONDRI

• Hücre içindeki yerlesimleri farklilik gösterir.

• Spermin kuyruk hareketini saglamak için boyun
  bölgesine yerlesmistir.

• Kalp kasinda kasilip gevsemeyi saglamak için
  miyofibriller arasinda bulunur.

5
MITOKONDRI

• Mitokondri çift membranla çevrili bir organeldir.
• Çift membran iki mitokondriyal kompartman
  olusturur
• Membranlar arasi alan
• Matriks

6
MITOKONDRI

• Membranlar arasi alan
• 40-80 Ao genisligindedir.
• Bazi enzimler bulunur.
• Sitozole esdeger içeriktedir.

7
MITOKONDRI

• Matriks
• Iç membranin çevreledigi alandir.
• Bol miktarda protein molekülü, çesitli reaksiyon
  enzimleri , mtDNA, ribozomlar ve tRNA bulunur.

• Matrikste granül sayisi azdir. Hücre içindeki
  kalsiyum ve magnezyum gibi katyonlarin fazlasi
  mitokondriye geçerek granüllere baglanir.
  Depolanan bu katyonlar gerektiginde tekrar
  sitozole geri verilir.

8
MITOKONDRI

• Dis membran
• Iç membrana (50-60 Ao) göre daha kalin (70 Ao)
  olup plazma membraninin yapisina benzer.

• Porin adi verilen kanal proteinleri büyüklügü
  5000 dalton ve daha küçük molekülleri (su,
  iyonlar) içeri alir.

• Ayrica dis membranda mitokondriyal lipid sentezi
  ile iliskili enzimler ve lipid substratlari
  matrikste metabolize olabilecek formlara
  dönüstüren enzimler bulunur.

9
MITOKONDRI

• Iç membran
• Iç membran yari geçirgen özelliktedir. Bazi
  moleküller matrikse aktif transport ile geçer.

• Iç membran dis membrana paralel seyreder, ancak
  matrikse dogru Krista denen kivrimlar yapar.

• Kristalarin yapisi farkliliklar gösterir (çubuk,
  tüp, prizma).

10
MITOKONDRI

• Kristalar iç membran yüzeyini arttirmaya yönelik
  yapilardir. Örnegin Karaciger hücresinin
  mitokondriyal iç membran alani hücrenin total
  membran alaninin 1/3ünü olusturur.

• Enerji üretimi fazla olan hücrelerde krista
  sayisi fazladir.
• Örnegin, kalp kas hücrelerinin krista sayisi
  karaciger hücrelerinin krista sayisindan 3 kat
  fazladir.

11
MITOKONDRI

• Yogun fonksiyonel özelligin den dolayi iç
  membranin protein orani diger membranlara göre
  daha yüksektir.

• 70 protein, 30 lipid ve çok az kolesterol.

• Iç membranin lipid içeriginde bol miktarda
  bulunan Kardiolipin membranin geçirgenligini
  kisitlar.

12
MITOKONDRI

• Iç membranda üç tip protein bulunur
• a) Elektron transport zincirinin oksidasyon
  reaksiyonlarini gerçeklestiren proteinler
  (enzimler, sitokromlar)
• b) Matrikste ATP yapimini gerçeklestiren ATP
  sentetaz
• c) Metabolitlerin matrikse giris çikisini
  düzenleyen Permeaz adi verilen transport
  proteinleri.

13
MITOKONDRI

• Mitokondriler hücrenin enerji üretim
  merkezleridir, oksidasyon-redüksiyon
  reaksiyonlari ile enerji üretirler.

• Hücre için gerekli enerjinin 95i burada
  üretilir.

14
MITOKONDRI

• Matrix içinde purivat, amino asit ve yag
  asitlerinin metabolizasyonu sonucu olusan Asetil
  koenzim A sitrik asit siklüsüne girerek okside
  olur.
• CO2 , FADH2 ve NADH olusur.
• Bu reaksiyonlar sirasinda olusan yüksek enerjili
  elektronlari tasiyan FADH2 ve NADHin
  elektronlari mitokondri iç membranindaki tasiyici
  proteinler vasitasiyla moleküler oksijene tasinir
  ve H2O olusur.

15
MITOKONDRI

• Elektronlarin transferi iç membranda bulunan 4
  protein kompleksi tarafindan gerçeklestirilir
• NADH dehidrogenaz (I) Sitokrom c redüktaz (III)
• Süksinat dehidrogenaz (II) Sitokrom c oksidaz
  (IV)

16
MITOKONDRI

• Elektron transfer islemlerinden saglanan enerji
  kullanilarak matriksteki protonlar membranlar
  arasi bosluga yollanir.
• Burada bir proton gradiyenti olusturulur.

• Membranlar arasi boslukta toplanan protonlar
  besinci protein kompleksi olan ATP sentetaz
  tarafindan matrikse yollanirken ADPden ATP
  sentezlenir.

17
MITOKONDRI

• ATP sentetaz iki subünitten olusur Fo ve F1.
• Fo iç membrana gömülüdür ve matriksteki F1 ile
  etkilesir.
• Fo subünitinden proton akisi sirasinda F1de
  meydana gelen rotasyon hareketi, ADP ye yüksek
  enerjili fosfat

(Pi) gruplarinin transferini katalizleyerek ATP
sentezini saglar (oksidatif fosforilasyon).

• Matrikse yollanan 4 proton basina 1 mol ATP
  sentezlenir.

18
MITOKONDRI

• Membranlar arasi boslukta hem pH hem de voltaj
  gradiyenti olusur (Elektrokimyasal gradiyent).
• Bu gradiyent ATP sentezinin disinda moleküllerin
  transferi için de kullanilir.

• Voltaj Gradiyenti (ADP/ATP antiportu) Matrikste
  toplanan ATP (-4), ADP (-3)ye göre daha negatif
  oldugundan membranlar arasi bosluga ve
  dolayisiyla sitoplazmaya geçer.

19
MITOKONDRI

• Mitokondrinin bol oldugu kahverengi yag dokusunda
  mitokondriyal iç membranda Termogenin adli bir
  protein kanali vardir.
• Bu kanal proteini proton gradiyentinin olusumuna
  olanak vermez ve oksidatif reaksiyonlardan
  saglanan enerjiden ATP üretimi yerine isi
  olusumu gerçeklesir.

• Termogenin miktari çevre kosullarina baglidir.
  Sogukta yasayan hayvanlarda termogenin miktari
  fazladir.
• Yeni doganda vucut isisinin korunmasinda
  kahverengi yag dokusu önemlidir.

20
Mitokondri Biogenezi

• Bu süreçte nekleer genom major rol oynar (95).
• Mitokondriler bakteriler gibi enine ve boyuna
  bölünerek çogalirlar.
• Replike olan DNA bogumlanma suretiyle ikiye
  bölünen mitokondrilere rasgele dagilir.

• Mitokondriler hücrenin enerji ihtiyacina göre
  hücre bölünmesinden bagimsiz çogalirlar.
• Mitokondriler hücre bölünmesi sirasinda iki
  hücreye rasgele dagilirlar.

21
Mitokondri Biogenezi

• Mitokondrinin büyümesi membrana protein ve
  lipidlerin girmesi ile olur.
• Bu olay interfaz sirasinda devamli olarak
  gerçeklesir.
• Mitokondriyal lipidlerin çogu sitozolden alinir.

• Fosfolipidler, sitozolden fosfolipid transfer
  proteinler ile matrikse transfer edilir.
• Bu yolla alinan fosfotidilkolin (PC) ve
  fosfotidil etanolamin (PE) disinda, mitokondri
  içinde PEden fosfatidil serin (PS) ve
  kardiolipin sentezlenir.

22
Mitokondri Biogenezi

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

23
Mitokondri Biogenezi

• Mitokondriyal membranlarin temas yerlerinde özel
  transport proteinlerince mitokondrial membran ve
  kompartmanlara girerler.
• Dis (Tom kompleks)
• Iç (Tim kompleks)

• Diger proteinler ise mitokondriyal ribozomlar
  tarafindan sentezlenir.

24
Mitokondriyal Genom

• Mitokondri hücre genomundan ayri bir genetik
  sisteme sahiptir.
• Yaygin olarak kabul edilen görüs, mitokondri ve
  kloroplastin atasal bir ökaryotik hücre
  tarafindan hücre içine alinan bir bakteriden
  orjin aldigidir.

25
Mitokondriyal Genom

• Evolüsyonel süreçte bakteri genomu organel
  genomu haline dönüsürken orjinal bakteriyal
  genlerin çogu nükleer genoma geçmis sadece birkaç
  gen organel genomunda kalmistir.
• Bundan dolayi mitokondri ve kloroplastin büyüme
  ve proliferasyonu hem nükleer hem de organel
  genomu tarafindan gerçeklestirilir.

26
Mitokondriyal Genom

• Bakterial ve mitokondriyal genomu nükleer
  genomdan ayiran farklar

1-Her iki genomda sirkülerdir 2-Her iki genomda
katlanmis bir yapi sergilemezler 3-Her iki
genomda da intron yapisi yoktur 4-Mitokondriyal
mRNAnin basina (Cap) ve sonuna (poliA)
eklentiler yapilmaz 5-Bazi mitokondriyal genom
kodonlari nükleer genom kodonlarindan farkli
anlam tasir
27
Mitokondriyal Genom

• Mitokondriyal DNA (mtDNA)nin organelde birçok
  kopyasi (2-12) vardir.
• Ortalama olarak bir hücrede bulunan mtDNA sayisi
  1000-10.000 arasinda degisir.
• Insan ve çogu hayvan hücrelerinde mtDNAnin boyu
  yaklasik 16,5 kbdir.

28
Mitokondriyal Genom

• Mitokondriyal genom sirküler çift zincirli
  DNAdan olusur.
• Agir (H) zincir
• Hafif (L) zincir

• mtDNAnin ufak bir bölümü üç zincirli DNA
  yapisindadir.
• Bu üçüncü zincir (7S DNA) H zincirin kisa bir
  segmentinin tekrarlayan sentezinden kaynaklanir.
• Bu üç zincirden olusan 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 vardir.
• H zincir için PH promotoru saat yönünde
  transkripsiyon gerçeklestirirken,

• L zincir için PL promotoru saat yönünün tersine
  transkripsiyon gerçeklestirir.
• Her iki durumda da uzun tek bir transkrip olusur.
  
• Bu transkriptler farkli ürünler olusturacak RNA
  parçalarina bölünür.

30
Mitokondriyal Genom

• Mitokondriyal genomun ufak boyutu onun
  replikasyon oranini arttirir.
• H ve L zincirlerin replikasyonu farkli orjin
  noktalarindan baslar ve tek yönde
  (unidirectional) gerçeklesir.

• H zincirinin replikasyonu (OH)önce baslar (saat
  yönünün tersine).
• Yeni olusan H-zincirinin yaklasik 2/3ü
  tamamlandiginda L zincirinin replikasyon orjini
  (OL) açiga çikar ve L zincirin replikasyonu
  baslar (saat yönünde).

31
Mitokondriyal Genom

• mtDNAnin 93ü kodlanan dizilerden
  olusmaktadir.
• Genler intron içermez ve zayif oranda
  paketlenmistir.
• Bazi genler üst üste binmistir, diger genler ise
  genellikle bir iki bazlik kodlanmayan bölgelerle
  ayrilir veya ara vermeksizin devam eder.

• Bazi genlerin stop kodonlari 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 28i H-zincirde, 9u L-zincirde yer
  alir.
• Diger proteinler nükleer genom tarafindan
  kodlanip mitokondriye transfer edilir.

33
Mitokondriyal Genom

• Mitokondrinin genetik kodu prokaryotik ve
  ökaryotik üniversal kodtan farklidir, hatta
  farkli organizmalar arasinda bile farkliliklar
  gösterir. Bitki mitokondrisi üniversal kodu
  kullanir.
• Universal kod ile farkliliklari

a) UGA kodonu mitokondride triptofan kodlarken,
nükleer genomda stop kodonudur b) AUA/AUU
kodonlari mitokondride metionin kodlarken,
nükleer genomda izolösin kodonudur c) AGA/AGG
kodonlari mitokondride stop kodonu (diger
ikisi nükleer kodondada stop kodonu olan UAA ve
UAG) iken, nükleer genomda arginin kodunudur.
34
Mitokondriyal Genom

• Üniversal kodon sisteminde 64 kodondan 61i 20
  farkli amino asid kodlar.
• Amino asit kodlayan bu 61 kodon minimum 32 tRNA
  tarafindan taninmaktadir.
• Mitokondriyal genomda ise 60 kodon amino asit
  kodlar (4 tane de stop kodonu vardir).
• Bu 60 kodon sadece 22 tRNA tarafindan taninir.

35
Mitokondriyal Genom

• tRNA sayisina göre çok fazla miktarda kodon
  taninmasi Wobble hipotezine göre olur.
• Wobble hipotezi tRNA antikodonunun 5 ucundaki
  baz ile mRNA kodonunun 3 ucundaki baz eslesmesi
  normal baz eslesmesinden daha esnektir

anticodon codon
(3) X-Y-N (5) (5) Y-X-N (3)
36
Mitokondriyal Genom

• Böylece 60 kodon 22 tRNA tarafindan
  taninir esnekligine ulasir.
• tRNA'in tümü bazi istisnalar hariç mtDNA
  tarafindan kodlanir.

37
Mitokondriyal Genom

• Mitokondriyal ribozomlarin rRNAlari mtDNA
  tarafindan kodlanirken ribozomal proteinler
  sitozolden transfer edilir.
• Mitokondriyal ribozomlar sitoplazmik
  ribozomlardan ziyade bazi 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 DNAnin tamir mekanizmasi zayiftir
  ve bu yüzden mutasyon orani nükleer genomdan
  yaklasik 10 kat yüksektir.
• Mutant ve normal mitokondriyal DNA kopyalarinin
  bir arada bulunmasi 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 ayni genlerde görülen missense
  mutasyonlar siklikla Homoplazmiktir.

40
Mitokondriyal Genom

• mtDNA maternal olarak kalitilir, çünkü zigottaki
  mtDNAnin sadece 1/10.000i sperm kaynaklidir.

• mtDNA defetleri Mendel kalitimina uymaz, maternal
  kalitimla aktarilirlar.

41
Mitokondriyal Hastaliklar

• Bazi dokular (kalp, iskelet kasi, merkez sinir
  sistemi, böbrek) mitokondriyal enerji üretimine
  yüksek oranda bagli oldugundan mtDNA
  mutasyonlarindan (nokta mutasyonlari,
  delesyonlar, dublikasyonlar) daha fazla
  etkilenirler.
• Bundan dolayi hastaliklar metabolizma ile
  iliskilidir.

• Baslica klinik bulgular hipotoni, gelisme
  geriligi, mental gerilik, konvülsiyon nöbetleri
  ve ataksidir.
• Vucut sivilarinda laktik asit düzeyinin artmasi
  en önemli laboratuar bulgusudur.

42
Mitokondriyal Hastaliklar

• Yaslanma süreci içersinde mtDNA mutasyonlarinin
  birikmesine bagli olarak oksidatif fosforilasyon
  sisteminin verimliligi düser.
• Geç baslangiçli nörodejeneratif hastaliklar olan
  Parkinson, Alzheimer ve Huntingtonda
  mitokondriyal solunum zincir disfonksiyonu
  patogenezlerden biri olarak kabul edilir.

• Bu hastaliklarda, yaslanma ile birlikte dokuda
  mitokondriyal mutasyonlar gösterilmistir.

43
Mitokondriyal Hastaliklar

• Mitokondriyal hastaliklarin nedeni mtDNAnin
  primer mutasyonlarindan kaynaklanmayabilir.
• Örnegin antikanser ilaci olan doxorubicin serbest
  radikaller üzerinden mtDNAyi hasarlayabilir.
• Ayrica mitokondriyal fonksiyonlarin çogu nükleer
  genom tarafindan saglandigindan nükleer
  mutasyonlar da mitokondriyal fenotipi
  degistirebilir.
• Örnegin mtDNA replikasyon enzimleri ile ilgili
  nükleer mutasyonlar mtDNA miktarinin azalmasina
  yol açmaktadir.

44
Mitokondriyal Hastaliklar

• Çesitli hastaliklarda görülen mtDNA mutasyonlari
  4 gruba ayrilabilir
• 1. Missense mutasyonlari
• (Örn LHON, Leigh sendromu)
• 2. Protein sentezi (tRNA mutasyonlari)
  mutasyonlari (Örn MELAS, MERRF)
• 3. Insersiyon/Delesyon mutasyonlari
• (Örn Pearson, Kearns-Sayre)
• 4. Kopya sayisi mutasyonlari

45
Mitokondriyal Hastaliklar

• 1. Leberin herediter optik nöropatisi (LHON)
• . Optik sinirin atrofisine bagli yetiskin
  körlügüdür (merkezi görme kaybolur)
• . Düsük penetrans gösterir.
• . mtDNA tarafindan kodlanan retinal elektron
  transport zincirindeki NADH dehidrogenaz veya
  sitokromlardaki missens mutasyon
• 2. Leigh sendromu
• . Periferik nöropati, hipotoni, epilepsi, demans
  ve gelisimsel gerilik
• . ATPaz 6 veya nükleer kompleks II mutasyonlari
• 3. Mitokondriyal tRNA mutasyonlari (translasyon
  asamasinda yetersizlik)
• . MERRF (Miyoklonik epilepsi ve Ragged-red
  fiber hastaligi)
• . MELAS (Mitokondriyal ensefalomiyopati, laktik
  asidoz, stroke ve hemiparezi)
• . Diabetes mellitusun nadir bir tipi (tRNALEU)
• . MMC (Maternal geçisli mitokondriyal miyopati
  ve hipertrofik kardiyomiyopati)
• 4. Kearns-Sayre sendromu
• . Progresif eksternal oftalmopleji, retinopati,
  ataksi, ve kalp iletim defektleri
• 5. Pearsonin kemik iligi pankreas sendromu