Osobom, które nie przepadały za
biologią w czasach szkoły, mitochondrium zapewne bardzo źle się kojarzy. Sama
nazwa jakaś dziwna, nie brzmiąca po polsku, skomplikowana. Pamiętam, jak na
języku angielskim w liceum nauczycielka powiedziała, że współczuje nam, że
musimy się „uczyć biologii, o jakichś
mitochondriach i nie wiadomo czym”. Przyjąłem to z rozbawieniem, ale założę
się, że podobnie na mnie mogliby zareagować na przykład pasjonaci samochodów,
które kompletnie mnie nie interesują i nigdy nie interesowały, w związku z czym
już samo wymienianie rodzajów aut, marek i innych niesamowicie mnie zanudza. W
tym tekście chciałbym napisać nieco o mitochondriach, bez męczenia czytelników ich
strukturą czy funkcjonowaniem, a z odniesieniami do bliskiego nam codziennego życia.
biologią w czasach szkoły, mitochondrium zapewne bardzo źle się kojarzy. Sama
nazwa jakaś dziwna, nie brzmiąca po polsku, skomplikowana. Pamiętam, jak na
języku angielskim w liceum nauczycielka powiedziała, że współczuje nam, że
musimy się „uczyć biologii, o jakichś
mitochondriach i nie wiadomo czym”. Przyjąłem to z rozbawieniem, ale założę
się, że podobnie na mnie mogliby zareagować na przykład pasjonaci samochodów,
które kompletnie mnie nie interesują i nigdy nie interesowały, w związku z czym
już samo wymienianie rodzajów aut, marek i innych niesamowicie mnie zanudza. W
tym tekście chciałbym napisać nieco o mitochondriach, bez męczenia czytelników ich
strukturą czy funkcjonowaniem, a z odniesieniami do bliskiego nam codziennego życia.
Teoria endosymbiozy
Przez wiele lat naukowcom wydawało się,
że wszystkie eukarionty zawierają mitochondria. Okazuje się, że istnieją
wyjątki. Na początek jednak warto zastanowić się nad tym, skąd w ogóle nasze
komórki mają mitochondria. W XX wieku zastanawiało to badaczy, którym w końcu
udało znaleźć się odpowiedź na tę zagadkę. Światowej sławy mikrobiolożka, Lynn
Margulis, znalazła dowody na postawioną wcześniej hipotezę, że nasze
energetyczne centra komórkowe to efekt pradawnego wchłonięcia jednej komórki
przez drugą. Ta zaabsorbowana produkowała energię, będąc w zamian chronioną np.
przed tlenem przez komórkę absorbującą. Ich cykl życiowy (jeśli o takim można
było wówczas mówić) zjednoczył się, DNA jednej i drugiej dziedziczyły się razem
do nowego pokolenia, choć jednocześnie niezależnie – mitochondrialne DNA
osobno, jądrowe DNA osobno.
że wszystkie eukarionty zawierają mitochondria. Okazuje się, że istnieją
wyjątki. Na początek jednak warto zastanowić się nad tym, skąd w ogóle nasze
komórki mają mitochondria. W XX wieku zastanawiało to badaczy, którym w końcu
udało znaleźć się odpowiedź na tę zagadkę. Światowej sławy mikrobiolożka, Lynn
Margulis, znalazła dowody na postawioną wcześniej hipotezę, że nasze
energetyczne centra komórkowe to efekt pradawnego wchłonięcia jednej komórki
przez drugą. Ta zaabsorbowana produkowała energię, będąc w zamian chronioną np.
przed tlenem przez komórkę absorbującą. Ich cykl życiowy (jeśli o takim można
było wówczas mówić) zjednoczył się, DNA jednej i drugiej dziedziczyły się razem
do nowego pokolenia, choć jednocześnie niezależnie – mitochondrialne DNA
osobno, jądrowe DNA osobno.
Jakie dowody przemówiły za tą
hipotezą, podnosząc ją do rangi teorii naukowej? Przede wszystkim, jak już
napisałem, DNA mitochondrialne (mtDNA) jest oddzielone od jądrowego, tworzącego
główny genom i jest koliste – tak jak u prokariontów (bezjądrowców, bakterii).
Chociaż jądrowe DNA zawiera niektóre sekwencje mitochondrialne, których
transfer w drodze ewolucji nie jest niczym niezwykłym, to geny mitochondrialne
funkcjonują niezależnie i kodują głównie białka odpowiedzialne za proces
oddychania komórkowego. Ponadto mitochondria rozmnażają się przez podział. Nie
zachodzi w nich crossing-over
(wymiany fragmentów między homologicznymi chromosomami), przez co zmienność ich
informacji genetycznej jest dużo mniejsza, niż DNA jądrowego. Niektóre białka
produkowane w mitochondriach przypominają te prokariotyczne, a błona otaczająca
mitochondrium ma budowę wskazującą na wcześniejszą niezależność, inną od błon reszty elementów w komórce. Rybosomy służące do produkcji białek
mitochondrialnych są bliższe tym prokariotycznym.
hipotezą, podnosząc ją do rangi teorii naukowej? Przede wszystkim, jak już
napisałem, DNA mitochondrialne (mtDNA) jest oddzielone od jądrowego, tworzącego
główny genom i jest koliste – tak jak u prokariontów (bezjądrowców, bakterii).
Chociaż jądrowe DNA zawiera niektóre sekwencje mitochondrialne, których
transfer w drodze ewolucji nie jest niczym niezwykłym, to geny mitochondrialne
funkcjonują niezależnie i kodują głównie białka odpowiedzialne za proces
oddychania komórkowego. Ponadto mitochondria rozmnażają się przez podział. Nie
zachodzi w nich crossing-over
(wymiany fragmentów między homologicznymi chromosomami), przez co zmienność ich
informacji genetycznej jest dużo mniejsza, niż DNA jądrowego. Niektóre białka
produkowane w mitochondriach przypominają te prokariotyczne, a błona otaczająca
mitochondrium ma budowę wskazującą na wcześniejszą niezależność, inną od błon reszty elementów w komórce. Rybosomy służące do produkcji białek
mitochondrialnych są bliższe tym prokariotycznym.
 |
| mtDNA, Knopfkind, Wikimedia |
Mitochondria i plastydy
szczegółowe informacje wykazują słuszność teorii endosymbiozy. Chociaż tekst
ten jest o mitochondriach, warto wspomnieć tutaj także o plastydach (w tym chloroplastach), czyli
niezależnych organellach u roślin i glonów, które
podobnie jak mitochondria, zostały wchłonięte, najprawdopodobniej w formie
przodków sinic, dając „w zamian” za ochronę produkty fotosyntezy, czyli
„pokarm”. Co ważne, zjawisko wchłonięcia fotosytetyzującego mikroorganizmu
przez drugi mikroorganizm zaobserwowano eksperymentalnie. Naukowcy odkryli, że
pierwotniak Hatena arenicola (bez
polskiej nazwy), który normalnie poluje na zielenice (występujące nie tylko w
formach wielokomórkowych, ale także jednokomórkowych), po wchłonięciu jest w
stanie bez ich trawienia, korzystać z powstałych produktów przeprowadzanej
dalej fotosyntezy. Mamy zatem nie tylko pośrednie dowody, ale także
bezpośrednie obserwacje, potwierdzające teorię endosymbiozy.
Dziedziczenie mitochondrialnego DNA
Kolejną ciekawą kwestią dotyczącą
mitochondrium jest to, jak się ono dziedziczy. Być może słyszeliście o tak
zwanej Mitochondrialnej Ewie. Dlaczego nie o Adamie? Ponieważ mitochondria i
tym samym DNA mitochondrialne dziedziczymy tylko po matce (mitochondria dziedziczone po ojcu to wyjątki). Oocyt gromadzi
mitochondria w cytoplazmie. Ta sama cytoplazma, z takim właśnie składem, po
zapłodnieniu stanie się środowiskiem dla genomu nowego zarodka, zostanie po
prostu cytoplazmą zygoty. W oocycie znajduje się bardzo dużo kopii
mitochondriów i jeszcze więcej ich DNA – im więcej, tym lepiej, gdyż ze
wzrostem ich liczby, zmniejsza się prawdopodobieństwo, że populację zdominują
te niewłaściwe, wadliwe mitochondria. Plemnik również zawiera mitochondria, ale
ma ich znacznie mniej, a w drodze do oocytu większość może zostać utracona. Gdy jakieś plemnicze mitochondrium dostanie się do
ooplazmy (cytoplazmy oocytu), to i tak najczęściej jest zniszczone.
mitochondrium jest to, jak się ono dziedziczy. Być może słyszeliście o tak
zwanej Mitochondrialnej Ewie. Dlaczego nie o Adamie? Ponieważ mitochondria i
tym samym DNA mitochondrialne dziedziczymy tylko po matce (mitochondria dziedziczone po ojcu to wyjątki). Oocyt gromadzi
mitochondria w cytoplazmie. Ta sama cytoplazma, z takim właśnie składem, po
zapłodnieniu stanie się środowiskiem dla genomu nowego zarodka, zostanie po
prostu cytoplazmą zygoty. W oocycie znajduje się bardzo dużo kopii
mitochondriów i jeszcze więcej ich DNA – im więcej, tym lepiej, gdyż ze
wzrostem ich liczby, zmniejsza się prawdopodobieństwo, że populację zdominują
te niewłaściwe, wadliwe mitochondria. Plemnik również zawiera mitochondria, ale
ma ich znacznie mniej, a w drodze do oocytu większość może zostać utracona. Gdy jakieś plemnicze mitochondrium dostanie się do
ooplazmy (cytoplazmy oocytu), to i tak najczęściej jest zniszczone.
 |
| C. Rottensteiner, Wikimedia |
Dlaczego mtDNA dziedziczymy tylko po matce?
dlatego, że plemniki wykonują ruch, do czego potrzebują energii uzyskanej właśnie z mitochondriów. Podczas jego wykonywania generowane są reaktywne formy
tlenu, uszkadzające mtDNA, a zarodek musi dostać całkowicie zdrowe,
nieuszkodzone, nowiutkie mitochondrialne DNA, w związku z czym ważne jest, by dostał te
uśpione, a zatem nie mające okazji się nadszarpnąć, mitochondrialne DNA po
matce. Stąd też ewolucyjnie ukształtowane dziedziczenie mitochondriów po
płciowej komórce nieruchliwej, czyli po oocycie. Ponieważ, jak
wspomniałem, mitochondrialne DNA z pokolenia na pokolenie ulega minimalnym
zmianom, gdyż nie zachodzi w nim crossing-over,
a oocytarna cytoplazma przez bardzo długi czas pozostaje „nieaktywna”, to potencjalnie
jesteśmy w stanie dojść po mtDNA do Mitochondrialnej Ewy.
Aktywność fizyczna i mitochondria
Do mitochondriów musimy nawiązać
też, gdy mówimy o korzyściach, jakie przynoszą nam regularne ćwiczenia. Wie o
tym każdy, zewsząd jesteśmy informowani, że jedzenie owoców i warzyw oraz
aktywność fizyczna i wysypianie się to podstawy dbania o swoje zdrowie (a jeśli ktoś pali papierosy, to także rzucenie palenia). Tylko
dlaczego tak się dzieje? W zasadzie opiera się to o taki sam mechanizm, jaki
utrzymuje ewolucyjna presja na rozmnażaniu płciowym – do oocytu nie mogą
dotrzeć używane mitochondria z plemnika, a sam oocyt swoje mtDNA przechowuje
„uśpione”. Podczas ćwiczeń natomiast nasze mitochondria chętniej się dzielą, a
ponieważ z czasem ulegają uszkodzeniom, to większa ich liczba w młodym wieku,
kiedy są stosunkowo „zdrowe”, uzyskana dzięki regularnym ćwiczeniom, pozwala
nam spowolnić starzenie się naszych mitochondriów.
Choroby mitochondrialne
Zaburzenia w pracy mitochondriów to nie tylko ciekawostka dla genetyków – współczesna medycyna podejmuje
się tematu chorób mitochondrialnych. To, czy i kiedy oraz w jakich narządach
wystąpią zależy od ich pierwotnego i wtórnego zróżnicowania – to jest to, o
czym wspominałem wyżej. Im więcej poprawnych kopii mtDNA tym mniejsze szanse na
rozprzestrzenienie się tych wadliwych, gorzej działających, podczas podziałów. Trzeba
jednak zauważyć, że w wyniku migrowania DNA z mitochondriów do jądra w toku
ewolucji, także niektóre geny mitochondrialne, a obecne w genomie jądrowym,
mogą odpowiadać za lepsze, gorsze czy złe funkcjonowanie mitochondriów,
zależnie od sekwencji nukleotydów owego genu. Do przykładowych chorób
mitochondrialnych należą Zespół Pearsona czy miopatia mitochondrialna.
Istnienie i aktywność mitochondriów wiąże się z ewolucją eukariontów, wielokomórkowców, ewolucją fotosyntezy, ewolucją starzenia, medycyną, dietetyką, a nawet sportem. Ta niepozorna cząsteczka, mitochondrialne DNA, mająca obecnie zaledwie około 16500 nukleotydów, kodująca tylko 37 genów (22 tRNA, 13 białek, 2 rRNA), odegrała i odgrywa dużą rolę w wielu fundamentalnych biologicznie zjawiskach. Niektórzy debatują nad tym czy z funkcjonowaniem mitochondriów i powstawaniem w nich wolnych rodników, nie wiąże się nawet ewolucja płci. Mitochondriom można też przypisać współudział w tworzeniu zmian klimatu (choć to rzecz jasna udział bardzo niewielki w naszej krótkiej skali czasu, tym bardziej znikomy, jeśli porównamy go do wywołanego przez nas globalnego ocieplenia) i innym pozabiologicznym wydarzeniom. Tak dużo i o wiele więcej kryje się za tą dziwną i zniechęcającą, przynajmniej dla niektórych, nazwą.
Literatura
Hieronim Bartel. Embriologia.
Wydawnictwo Lekarskie PZWL. Warszawa 2012.
Wydawnictwo Lekarskie PZWL. Warszawa 2012.
Karnkowska, Anna, et al. „A
Eukaryote without a Mitochondrial Organelle.”Current Biology (2016).
Eukaryote without a Mitochondrial Organelle.”Current Biology (2016).
Okamoto, Noriko, and Isao Inouye.
„A secondary symbiosis in progress?”Science (2005): 287-287.
„A secondary symbiosis in progress?”Science (2005): 287-287.
Robert Murray, Daryl
Granner, Victor Rodwell. Biochemia Harpera. Wydawnictwo Lekarskie
PZWL. Warszawa 2014.
Granner, Victor Rodwell. Biochemia Harpera. Wydawnictwo Lekarskie
PZWL. Warszawa 2014.
Schwartz, Marianne, and John
Vissing. „Paternal inheritance of mitochondrial DNA.” New
England Journal of Medicine (2002): 576-580.
Vissing. „Paternal inheritance of mitochondrial DNA.” New
England Journal of Medicine (2002): 576-580.
Pytanie "dlaczego mitochondria dziedziczymy tylko po matce pozostaje jednak bez ostatecznej odpowiedzi. Argument o wyeksploatowaniu plemnikowych mitochondriów wydaje się ciut naciągany, bo przecież w całym życiu osobniczym pracują one ciężko i zwyczajnie muszą dawać radę. Sporadyczne przecieki ojcowskiego mtDNA wskazują wszakże, że mitochondria mogą wnikać do komórki jajowej; zidentyfikowano także biochemiczny mechanizm ich eliminacji – znakowanie ubikwityną. Czyżby klonalne dziedziczenie było pamiątką po endosymbiozie i towarzyszącej jej konkurencyjności na zasadzie "wara, to mój symbiont"?
BTW: zidentyfikowano nie tylko przypadki przecieków ojcowskich mitochondriów, czyli heteroplazmię, ale także rekombinację między mitochondrialnymi genomami u takich osób:
http://www.nature.com/hdy/journal/v93/n4/full/6800572a.html
Jeszcze ciekawsze wydaje się zjawisko konsekwentnej heteropalazmii u samców niektórych małży, wraz z jej złożonymi regułami:
https://books.google.pl/books?id=C-aSjMj8FK8C&pg=PA157&lpg=PA157&dq=skibi%C5%84ski+DUI&source=bl&ots=gLYLu3Ka-3&sig=jqgIxCjLNxVZTHp6v9RI2D2AOZM&hl=pl&sa=X&ved=0ahUKEwjz0Ym6vfvMAhUkQZoKHVJyD1wQ6AEIbzAJ#v=onepage&q=skibi%C5%84ski%20DUI&f=false
Pracują one ciężko, ale jest ich mnóstwo, tutaj mamy te pionierskie, zakładające cały organizm, będące wyjściowymi dla reszty ;-). Ale oczywiście sprawa nie jest ostatecznie wyjaśniona. Co do dostawania się męskiego mtDNA do oocytu, to dzisiaj wydaje się być to normą, po prostu – jak napisałeś – jest ono eliminowane. Informacja o c/o mtDNA bardzo ciekawa.
ja też jakoś szczególnie nie interesuje sie autami:)
Zupełnie sobie tego z biologii nie przypominam, ale w liceum to nie był raczej przedmiot dla mnie. Zawsze do niego podchodziłam jak do jeża :).
Jest taki film na yt o działaniu komórki. Fascynująca sprawa.
Może się przyda: Glutation i mitochondrium – http://www.stachurska.eu/?p=19050 .
"(badanie z przełomu wieku, skrzętnie ukryte, ale do znalezienia na pubmed)." – PŁACZĘ :'D
Dziedziczne choroby mitochondrialne to nie tylko ciekawostka dla genetyków. Jest tak teoria zwana „mitochondrialną teorią starzenia” która twierdzi, że z wiekiem, głównie w wyniku działania wolnych rodników (o które w mitochondriach nie trudno) następuje kumulowanie się mutacji mtDNA co doprowadza do zwiększonej produkcji wolnych rodników oraz postępujących uszkodzeniach kolejnych mitochondriów w komórce a następnie ich dysfunkcja.
Moim zdaniem jest to tylko część przyczyn powodujących starzenie.
Do ciekawych wniosków z kolei doszedł Dr David Sinclair, który pracuje nad „Informacyjną Teorią Starzenia” wg. której komórki starzeją się z powodu zanikania z czasem informacji epigenetycznej. Epigenom to informacja analogowa która jest parametryzacją naszego DNA (czyli informacji cyfrowej). Odpowiada ona za zróżnicowanie komórek w naszym organizmie, dzięki czemu komórki o takim samym DNA „wiedzą” jakie mają pełnić funkcję. Z wiekiem informacja epigenetyczna ulega zaburzeniu więc komórki zaczynają zachowywać się w sposób nieprawidłowy. Co ciekawe w eksperymentach udaje się „resetować” komórki do stanu z prawidłowym epigenomem.
Wydaje mi się, ze obydwie powyższe teorie to główne elementy procesu starzenia.