تحقیق بررسی ميتوكندري (ساختار سلولي)

تحقيق بررسي ميتوكندري (ساختار سلولي) در 21 صفحه ورد قابل ويرايش

مقدمه:

اولين گزارشات در ارتباط با ساختارهاي درون سلولي شبه ميتوكندري به 150 سال پيش برمي‌گردد. واژه ميتوكندري كه از دو كلمه يوناني mitos بمعني نخ يا رشته و chondros به معني گرانول منشا گرفته است؛ براي اولين بار صد سال پيش مورد استفاده قرار گرفت. عملكرد اصلي اين ارگانل كروي يا ميله‌اي شكل كه صدها عدد از آن در يك سلول وجود دارد، فسفريلاسيون اكسيداتيو است؛ بعبارت ديگر اكسيداسيون سوبستراها به Co2 و آب و فراهم كردن تركيب پرانرژي ATP براي سلولها؛ و به همين دليل است كه ميتوكندري را نيروگاه يا موتورخانه سلول نيز مي‌نامند. بيماريهاي دژنراتيو بسيار زيادي تا به امروز با نارسايي‌ها و اختلالات ميتوكندري مرتبط شده‌اند. اين بيماريها مي‌توانند در اثر موتاسيون در DNA ميتوكندري و يا DNA هسته ايجاد شوند. اولين بيماريهاي ميتوكندريايي كه در سطح ملكولي درك شدند؛ در يك بيمار CPEO (فلج مزمن پيشرونده عضلات چشمي خارجي) و KSS (سندرمkearns-sayre) گزارش شدند. در همان زمان wallace موتاسيوني نقطه‌اي را در ژن ND6 گزارش كرد كه با LHON (نوروپاتي چشمي ارثي لبر) مرتبط است. در سال 1990، دوموتاسيون جديد، يكي در ژن لايزيل- tRNA در سندرم MERRF و ديگري در ژن لوسيل - tRNA در سندرم MELAS گزارش شدند. طيف فتوتيپي بيماريهاي ميتوكندريايي از ميوپاتي‌هاي نادر تا بيماريهاي متعدد را شامل مي‌شود. برخي موتاسيونهاي mtDNA، علائم و نشانه‌هاي منحصر و ويژه‌اي دارند؛ مثل جهش‌هاي اشتباهي كه موجب نوروپاتي چشمي ارثي لبر مي‌شوند در حاليكه بقيه تظاهرات مولتي سيستم متنوعي را شامل مي‌شوند مثل جهش‌هاي حذفي كه موجب CPEO مي‌شوند. بيماريهاي ميتوكندريايي بواسطه وراثت مادري، وراثت منرلي و نيز نوتركيبي‌هاي دوتايي نو، قادر به انتقال مي‌باشند. اين پيچيدگي ژنتيكي از اين حقيقت ناشي مي‌شود كه ميتوكندري از حدود 1000 ژن كه در بين ژنوم ميتوكندري و هسته پخش شده‌اند، تشكيل شده است. علاوه بر اين بيماريهاي ميتوكندريايي غالباً شروع تاخيري و يك دوره پيش رونده دارند كه احتمالاً از تجمع جهش‌هاي سوماتيك mtDNA در بافت‌هاي post-mitotic حاصل شده‌اند. اين موتاسيونهاي سوماتيك mtDNA همچنين در سرطان و پيري نيز نقش دارند. اگرچه بيماريهاي ميتوكندريايي هر ارگاني را ممكن است درگير كنند اما اين بيماريها غالباً CNS، عضلات اسكلتي، قلب، كليه و سيستم‌هاي اندوكرين را تحت تاثير قرار مي‌دهند. علت اين پيچيدگي‌هاي فتوتيپي، نقش مهم ميتوكندري در انواع پروسه‌هاي سلولي شامل توليد انرژي سلولي بوسيله فسفريلاسيون اكيداتيو، توليد گونه‌هاي سمي فعال اكسيژن (ROS) بعنوان يك محصول جانبي در فسفريلاسيون اكسيداتيو و تنظيم شروع آپوپتوزاز طريق فعال شدن نفوذپذيري پورهاي انتقالي ميتوكندري (mtPTP) است. (19، 20 و 24)

ساختار ميتوكندري :

ميتوكندري واجد يك غشاي بيروني و يك غشاي داخلي است كه دو فضاي داخلي را ايجاد مي‌كنند: ماتريكس داخلي و فضاي بين دو غشا كه بسيار باريك است. غشاي داخلي چين‌خورده و تعداد زيادي كريستا ايجاد مي‌كند كه كل سطح آنرا بمقدار زيادي افزايش مي‌دهد. سطح وسيع غشاي داخلي، آنزيم‌هاي دستگاه مولد انرژي ميتوكندريايي (زنجيره تنفسي) را در خود جاي داده است. ماتريكس ميتوكندري واجد نسخه‌هاي يكسان متعددي از ژنوم ميتوكندري، ريبوزوم‌هاي ويژه ميتوكندري (ميتوريبوزوم)، tRNAها و آنزيم‌هاي متنوعي است كه براي بيان ژنهاي ميتوكندري مورد نيازند. (20)

ژنوم ميتوكندري انسان:

حضور DNA در ميتوكندري در سال 1963 و با استفاده از ميكروسكوپ الكتروني مشخص شده است. DNA ميتوكندريايي انسان يك ملكول مدور بسته دو رشته‌اي با 16569 جفت نوكلئوتيد است. دو رشته mtDNA كه به رشته‌هاي H (سنگين) و L (سبك) معروفند، يك عدم تقارن غير معمول در تركيب بازهايشان دارند. زنجيره H غني از پورين است در حاليكه زنجيره L غني از پيريميدين مي‌باشد. سبك و سنگين به تحرك متفاوت رشته‌ها در گراديانهاي سزيم كلرايد قليايي اطلاق مي‌شود. mtDNA انسان يكي از متراكم‌ترين و فشرده‌ترين بخش‌هاي اطلاعات ژنتيكي است. در mtDNA، اينترون وجود ندارد و حتي بعضي از ژنهاي آن هم‌پوشاني دارند. DNA ميتوكندريايي انسان واجد ژنهايي براي سيزده پروتئين (كه همگي زير واحدهاي كمپلكس‌هاي آنزيمي زنجيره تنفسي هستند)، 22 tRNA و دو rRNA است. پلي‌پپتيدهايي كه توسط mtDNA كد مي‌شوند عبارتند از: هفت زير واحد از 42 زير واحد تشكيل‌دهنده كمپلكس I كه عبارتند از: ND5, ND4 , ND3, ND­2, ND1 وND6 يك زيرواحد از يازده زير واحد تشكيل دهنده كمپلكس III كه همان cyt b است؛ سه زير واحد از 13 زير واحد كمپلكس IV كه عبارتند از: COI (سيتوكروم c اكسيداز)، و COII ؛ دو زير واحد از 16 زيرواحد كمپلكس V كه عبارتند از: ATPase6 و ATPase8. ساير زيرواحدهاي پروتئيني كمپلكس‌هاي زنجيره تنفسي و نيز ديگر پروتئين‌هاي ميتوكندري، توسط ژنوم هسته كد شده و سپس به ميتوكندري منتقل مي‌شوند (حدود 1000 پلي‌پپتيد). هر ميتوكندري واجد 10-2 كپي از DNA ميتوكندري است. ميتوكندريها از اين نظر كه تحت كنترل دو سيستم ژنتيكي DNA هسته و DNA ميتوكندري هستند، در بين ارگانل‌هاي سلولي منحصر بفردند. توالي نوكلئوتيدي mtDNA ، 6 تا 17 برابر سريعتر از توالي‌هاي ژني DNA هسته‌اي باز مي‌شوند؛ دلايل متعددي در اين مورد ارائه شده است: ميتوكندريها فاقد سيستم‌هاي ترميمي DNA موجود در هسته هستند كه اين امر موجب كارآيي كم ميتوكندريها در ترميم آسيب DNA مي‌شود؛ هيستونها در ميتوكندري وجود ندارند؛ ميتوكندريها بيش از 90% اكسيژني را كه به سلول وارد مي‌شود، مصرف مي‌كنند و بنابراين راديكالهاي آزاد اكسيژن ترجيحاً موجب آسيب DNA ميتوكندري مي‌شوند. ميزان بالاي جهش در mtDNA، موجب ايجاد RFLPهاي متعدد، واريانت‌هاي نوكلئوتيدي ناحيه كد كننده و ناحيه كنترل كننده، واريانت‌هاي كنفورماسيوني و واريانت‌هاي طولي مي‌شود. واريانت‌هاي پلي‌مورفيك با ريشه قوميتي و جغرافيايي نمونه‌ها مرتبطند. اين مساله احتمالاً به اين دليل است كه جهش‌هاي mtDNA در جريان پراكنده شدن اجداد مادري، هنگامي كه زنان به بيرون از آفريقا و به اقليم‌ها و قاره‌هاي مختلف مهاجرت كردند، انباشته شده‌اند. (16، 20 و 34)


ميتوكندريها نيمه خودمختار هستند:

از آنجائيكه ميتوكندريها قادر به همانندسازي ژنوم خود بوده و سيستم‌هاي همانندسازي، رونويسي و ترجمه مربوط به خود را دارا هستند؛ لذا آنها در داخل سيتوپلاسم سلول انسان مثل ارگانيسم‌هاي نيمه مستقل عمل مي‌كنند. (20 و 34)

نوتركيبي mtDNA :

از سالها قبل شواهدي مبني بر اينكه مخلوط شدن mtDNA در داخل سلولهاي سوماتيك ممكن است نوتركيبي ايجاد كند، وجود داشته است. هر چند تعداد دفعات نوتركيبي در سلولهاي كشت شده پستانداران كم است، اما نوتركيبي‌هاي درون ملكولي ممكن است مكرراً رخ دهند . اگر يك mtDNA واجد حذف به سلول زاياي موش ماده وارد شود، منجر به ايجاد استريني از موش مي‌شود كه در آن فرزندان واجد mtDNA‌هاي نرمال و واجد حذف هستند. ملكولهاي دوپليكيت نيز افزايش مي‌يابند كه به نظر مي‌رسد از تركيب ملكولهاي نرمال و واجد حذف بوجود آمده باشند. با اين حال هيچ مشاهده‌اي مبني بر وجود نوتركيبي در بين رده‌هاي مختلف mtDNA انساني وجود ندارد. بنابراين احتمالاً در بين رده‌هاي mtDNA انساني، نوتركيبي رخ نمي‌دهد. شايد علت اين مساله حذف ميتوكندريها و mtDNAهاي اسپرم توسط اووسيت از طريق تجزيه با واسطه يوبيكوئيتين باشد. در نتيجه رده‌هاي مختلف mtDNA انساني، از نظر فيزيكي جدانگه داشته مي‌شوند و هرگز از نظر فيزيكي آنقدر با هم تماس ندارند كه منجر به نو تركيبي شود. (20-24)

كامل شدن (complementation) mtDNA :

به نظر مي‌رسد كه ميتوكندريها و mtDNA‌هاي داخل يك سلول در هم ادغام مي‌شوند و اين ادغام موجب مي‌شود تا ژنوم‌هاي mtDNA همديگر را به صورت ترانس تكميل كنند. اين پديده اولين بار با ادغام دو سلول انساني با همديگر و تشكيل هيبريد، نشان داده شده است. هر چند مشاهدات متعددي ادغام داخل سلولي ميتوكندريها و تكميل شدن mtDNA را تاييد مي‌كنند، اما تحقيقات بيشتري جهت توصيف اين پديده نياز است.(20)

شكل 2


شكل2؛ نقشه mtDNA انسان: mtDNA واجد16569 جفت نوكلئوتيد است
(nPS 16569) كه شماره‌گذاري تقريبا از محلOH شروع و در جهت عكس حركت عقربه‌هاي ساعت در حول نقشه كروي پيش مي‌رود. عمل هر ژن با توجه با سايه‌هايي كه وجود دارند برحسب نشانهاي داخل دايره، مشخص است. اولين وآخرين نوكلئوتيد ژنهاي 7 rRNA و mRNA در قسمت خارج آمده است. ژنهايtRNA با حرف آمينو اسيد مربوطه نشان داده شده‌اند.

رونويسي MtDNA : تمامي 37 ژني كه توسط mtDNA انسان كد مي شود، در ابتدا به صورت دو رونوشت پيش ساز چند ژني بسيار بزرگ ساخته مي‌شوند كه يكي از اين پيش سازها توسط زنجيره سبك و ديگري توسط زنجيره‌ سنگين كد مي‌شود.

رونويسي mtDNA از دوراه انداز‍PL و PH (يكي براي هر زنجيره) واقع در ناحيه كنترل آغاز مي‌شود. PH (راه انداز زنجيره سنگين) مسؤل رونويسي27 ژن است كه عبارتند از: دوژن rRNA ، 13 ژن tRNA و 12ژن كد كنندة‌ پروتئين. PL مسئول رونويسي ژن پروتئين ND6، 27 ژن توسط زنجيره‌سنگين و تنها 10 ژن توسط زنجيره سبك كد مي‌شود. هر دوراه از طريق يك جايگاه اتصال ، با يك فاكتور رونويسي ميتوكندريايي يا Tfam (Transcripion factor associated mitochondra ) كه توسط هسته كد مي‌شود مرتبطند.Tfam يك پروتئين متصل شونده به DNA با دو دومين اتصال يابنده بهDNA است كه دم C - ترمينال آن جهت رونويسي ضروري است. Tfam با افنيته بالايي به PL (در مقايسه با PH) متصل مي‌شود كه اين مسأله با فراواني نسبي رونويسي آنها، سازگار است. رونويسي از هردوراه انداز در حول mtDNA كروي پيش مي‌رود و يكRNA پلي سيسترونيك را بوجود مي‌آورد. سپس ژنهايtRNA كه بين تواليهايrRNA و mRNA قرار گرفته‌اند، در داخل رونوشت fold شده و با فعاليت يك RNas خارج مي‌شوند. mRNA ها و rRNA هاي آزاد پس از رونويسي پلي‌آدنيله مي‌شوند (polyadenylation post – transcription) و tRNA ها تغيير يافته و CCA انتهاي 3 به آنها اضافه مي‌شود. همچنين علاوه بر رونوشت چندژني طويل 6/16 كيلوبازي كه راه‌انداز زنجيره H ايجاد و تمامي ژنهاي زنجيره سنگين را شامل مي‌شود ، يك رونوشت كوتاه 3 كيلوبازي نيز از اين راه انداز ساخته مي‌شود. اين رونوشت كه تنها دوژن rRNA و tRNAهاي كنار آنرا شامل مي‌شود، تقريباً 25 برابر بيشتر ازرونوشت طويل ساخته مي‌‌شود و بنابراين ساخته شدن مقادير كافيsrRNA12 و srRNA 16 را براي تمامي ريبوزوم‌ها كه به منظور ترجمه به آن نيازمندند، ممكن مي‌سازد.

ترجمهmtDNA:

mRNAهاي DNA ميتوكندري برروي ريبوزوم‌هاي ميتوكندريايي (ميتوريبوزوم‌ها)
S 55 كه از زيرواحد بزرگ S39 و يك زير واحد كوچكS 28 تشكيل شده‌اند، ترجمه مي‌شوند. اين ريبوزوم‌ها برخلاف ريبوزو‌م‌هاي باكتريايي و يوكاريوتي، rRNA كم و پروتئين‌هاي ريبوزومي زيادي دارند.mRNAهاي tDNA، فاقد توالي شاين‌دالگارنو براي اتصال ريبوزوم بوده و عموما ترجمه در كدون آغازين در انتهاي َ5 شورع مي‌شود. تصور مي شود كه ترجمه با اتصال زير واحد كوچك ريبوزوم به يك ناحية 40 بازي ازmRNA آغاز مي‌‌شود. سپس ريبوزوم به انتهاي 5 حركت مي‌كند تا ترجمه را آغاز كند. نشان داده شده است كه پيچش mRNA به دور ريبوزوم، تشكيل پلي‌زوم را محدود مي‌كند. ميتوريبوزوم‌ها نسبت به كلرا مفنيكل (CAP) كه مهاركنندة ريبوزوم باكتري است، حساسند درحاليكه نسبت به سيلكوهزاميد و امتين (emetine) كه مهاركنندة‌ ريبوزوم S80 سيتوزولي (يوكاريوتي) است؛ مقاومند. آنها همچنين به آمينو گليكوزيد آنتي‌بيوتيك‌ها مثل استرپتومايسين و جنتامايسين نيز تا حدودي غيرحساسند. علاوه بر اين كد ژنتيكي ترجمة mtDNA نيز متفاوت از كد ژنتيكي عمومي است. در mtDNA پستانداران، UGA بجاي اينكه كدون خاتمه باشد، Trp را كد مي‌كند.AuA بجاي Ile ، Met را كد مي‌كند وAGA و AGG، بجاي اينكه Arg را كد كنند، كدونهاي خاتمه هستند. تنها 22 tRNA براي ترجمة تواليهاي كدكنندة پروتئين‌ ژنوم ميتوكندري انسان كافي است. علت اين امر سادگي جفت‌شدن كدون – آنتي‌كدون در ميتوكندري نسبت به كدژنتيكي عمومي است. يك متيونيلtRNA در mtDNA انسان وجود دارد كه هم براي Met و هم براي –n فورميل متيونين اختصاصي است. مثل پروكاريوتها، n – فورميلMet بعنوان آمينواسيد آغازگر جايگزينMet مي‌شود. علاوه براين گاهي كدونهايAuA يا Auu بجايAuG، بعنوان كدونهاي شروع استفاده مي‌شوند. هرچند اجزايRNA يي دستگاه ترجمه، توسط mtDNA كد مي‌شوند، ژنهاي كد كنندة‌فاكتورهاي پروتئيني دخيل در ترجمه درهسته كد مي‌شوند. اين پروتئين‌ها عبارتند از: آمينواسيل tRNA سنتتاز، پروتئين‌هاي ريبوزومي، فاكتورهاي طويل كننده و خاتمه دهنده و …