Biologie moleculară Particularitățile expresiei genelor mitocondriale S.Capcelea F. Sanduța

1

Particularitățile expresiei genelor mitocondriale

Mitocondriile sunt structuri celulare ce dețin un rol central în metabolismul energetic al

celulei. Acestea convertesc substanțele chimice în energie absolut necesară activității oricărei

celule.

ADN-ul mitocondrial uman este o moleculă de formă circulară din 16 569 p.b., ce conține

37 de gene: 13 gene pentru polipeptide, 2 gene pentru ARNr (12S și 16S) și 22 gene pentru

ARNt. Molecula are două catene: (L) ușoară și (H) grea. Pe catena grea sunt două gene pentru

ARNr, 14 gene pentru ARNt și 12 gene pentru polipeptide. Pe catena ușoară sunt 8 gene pentru

ARNt și doar una structurală.

Polipeptidele codificate de ADNmt reprezintă subunități ale complexelor de enzime ce

participă în fosforilarea oxidativă. De menționat că genomul mitocondrial nu conține introni.

Expresia genelor mitocondriale nu prezintă diferențe majore de la etapele generale ale

expresiei genelor nucleare.

Figura 1. ADN mitocondrial inelar, cu catena H – grea și catena L - ușoară

Figura 2. Etapele expresiei genelor mitocondriale

Biologie moleculară Particularitățile expresiei genelor mitocondriale S.Capcelea F. Sanduța

2

În cadrul expresiei genelor mitocondriale se disting următoarele etape:

Transcripția genelor cu sinteza a două molecule de preARN policistronic;

Processingul ARNului cu obținerea a două molecule de ARNr, 13 molecule de ARNm

și 22 molecule de ARNt;

Translația celor 13 molecule de ARNr pe ribozomii 55S cu ajutorul celor 22 molecule

de ARNt;

Conformarea polipeptidelor și asocierea lor cu polipeptide importate din citozol pentru

formarea complexelor enzimatice mitocondriale funcționale.

1. Particularitățile aparatului de transcripție mitocondrial

Transcripția ADN-ului mitocondrial începe din regiunea reglatoare, numită și bucla D.

Transcripția catenei grele H este controlată de 2 promotori HSP1 și HSP2,

ultimul avînd rolul de a asigura mersul corect al transcripției.

Concomitent transcripția începe și pe catena ușoară L, în direcție inversă de la

promotorul LSP.

Menționăm că promotorii indică capătul 5’ al catenei transcrise. Transcripția catenei este

realizată de ARNpolimeraza mitocondrială. O data ce transcripția a fost inițiată, are loc

transcrierea întregii catene.

Savantul Attardi a marcat faptul că în cadrul transcripției mitocondriale cantitatea de

ARNr și ARNm poate varia, în funcție de necesitățile mitocondriei, dar și ale celulei în

ansamblu, acest lucru fiind modelat de cantitatea de ATP prezent la momentul dat.

Transcriptul final conține foarte puține secvențe intergenetice, de aceea processing-ul este

foarte simplu și rapid, în cadrul lui participînd doar cîteva enzime de clivaj.

Figura 3. Particularitățile organizării unităților de transcripție în ADNul mitocondrial

Biologie moleculară Particularitățile expresiei genelor mitocondriale S.Capcelea F. Sanduța

3

2. Particularitățile processing-lui ARNm mitocondrial

Produșii transcripției ADNului mitocontrial sunt molecule de ARN policistronice care

sunt supuse processing-ului prin clivare și modificări ale precursorilor. În rezultat se formează 2

molecule de ARNr, 22 de ARNt și 13 molecule de ARNm, care vor forma aparatul de translație

mitocondrial.

Moleculele de ARNr 12S și 16S asociază cu circa 80 proteine mitoribozomale importate

din citozol și formează mitoribozomii 55S.

Moleculele de ARNt sunt modificate, inclusiv, adiționează secvența CCA3'. 22 molecule

de ARNt interacționează cu aminoacizii corespunzători ajutați de cele 20 Aminoacil-ARNt

sintetaze.

ARNm este poliadenilat și, ajutat de factorii de translație mitocondrieni, interacționează

cu ribozomii, servind matriță pentru sinteza a unuia din cele 13 polipeptide codificate în ADNmt.

3. Particularitățile aparatului de translație mitocondrial

Aparatul de translație mitocondrial este asigurat de ribozomi 55S alcătuiți din două

subunități: 28S și 39S. Aceștia asigură sinteza enzimelor pentru sistemul fosforilării oxidative

(OXPHOS). Aceste sisteme formează 5 complexe dintre care codificate în ADNul mitocondrial

sunt:

NADH dehidrogenaze – ND, din complexul I;

Ubiquinotcytochrome c oxidoreductaze – CYTB, din complexul III;

Cytochrome c oxidaze – COX, din complexul IV;

ATP sintetaze, din complexul V.

Figura 4. Processing-ul ARNlui mitocondrial

Biologie moleculară Particularitățile expresiei genelor mitocondriale S.Capcelea F. Sanduța

4

ARNr 12S și ARNr 16S, împreună cu proteinele mitoribozomale, formeaza ribozomii

mitocondrieni, care asigura translarea codului genetic și formarea polipeptidelor. Aminoacizii

necesari sunt aduși de către cei 22 ARNt. Procesul schematic al translației este reprezentat în

figura de mai jos:

4. Codul genetic mitocondrial

Codul genetic mitocondrial se descifrează asemeni codului genetic nuclear, fiind alcătuit

din aceleași baze azotate (A, C, G , T în ADN sau U în ARN), dar cu unele diferențe față de

codul genetic nuclear (urmariți atent fig.6). Citirea se efectuează de la capătul 5’ al catenei.

Descifrarea lui are loc conform tabelului de mai jos:

Figura 6. Tabelul codului genetic nuclear vs mitocondrial cu unele particularități

Figura 5. Aparatul de translație mitocondrial: ARNr, ARNt și ARNm sunt de origine mitocondrială; factorii proteici reglatori ai translației sunt importați din citozol.

Biologie moleculară Particularitățile expresiei genelor mitocondriale S.Capcelea F. Sanduța

5

5. Importul proteinelor mitocondriale

Mitocondriile nu își pot asigura necesarul de proteine singure, de aceea le importă din

citoplasmă. Totodată mitocondriile participă în procesul de apoptoză, de aceea proteinele

semnalizatori din citoplasmă sunt obligate să pătrundă în mitocondrii pentru ca procesul

apoptozei să fie unilateral. În acest context la importul proteinelor din citoplasmă participă niște

complexe membranare, care selectează, sortează și permit trecerea proteinelor în mitocondrie.

Dintre acestea prmiul vizat este complexul TOM care permite trecerea proteinelor în spațiul

intermembranar al mitocondriei.

Ulterior complexele SAM și TIM23 asigură sortarea proteinelor conform secvențelor

semnal, pentru utilizarea lor rațională și corectă în cadrul mitocondriei.

Astfel dubla membrană a mitocondriei, împreună cu proteinele de transport asigură

importul rapid și calitativ al proteinelor citoplasmatice, făcînd posibilă buna funcționare a celulei

și desfășurarea normală a proceselor ce au loc în cadrul ei, cît și în cadrul întregului organism.

Figura 7. Importul proteinelor din citozol în mitocondrie. Responsabili majori: TOM – translocaza membranei externe; TIM – translocaza membranei interne; SAM – mașina de sortare și asamblare; PAM – motorul asociat la translocase.