Pohľady do nanosveta mitochondrií a organizácie ich genetického zloženia
Elektrárne našich buniek: mitochondrie
Cicavčie bunky majú jadro, v ktorom je zakódovaná hlavná časť genetickej informácie, a ďalšie bunkové organely, ktoré v bunke preberajú rôzne funkcie. Jednou z najdôležitejších zložiek bunky sú mitochondrie (Obr). Sú to takzvané elektrárne buniek a sú zodpovedné za zásobovanie organizmu energiou. Predpokladá sa, že mitochondrie boli kedysi nezávislé baktérie a že tieto vstúpili do symbiózy s pôvodnou jednoduchou prekurzorovou bunkou. Vedci zakladajú túto hypotézu na skutočnosti, že mitochondrie majú dvojitú bunkovú membránu a vlastný špecializovaný genóm. Tento mitochondriálny genóm kóduje niektoré mimoriadne dôležité proteíny, ale iba v kombinácii s informáciami z bunkového jadra môžu byť zamýšľané funkcie plne splnené. Spojením prekurzorových buniek a baktérií a následným ďalším vývojom tejto symbiózy sa vytvorila neoddeliteľná a jemne regulovaná jednotka, eukaryotická bunka.
Obr. 1: Mitochondrie sú elektrárne buniek. Bunkové organely sú obklopené dvojitou membránou a majú svoj vlastný genóm (mtDNA). Zložky dýchacieho reťazca sú umiestnené vo vnútornej membráne. Transport elektrónov pozdĺž týchto zložiek vytvára protónový gradient, ktorý poháňa enzým ATP syntázu. Tak vzniká adenozíntrifosfát (ATP), univerzálna „energetická minca“, ktorú je možné použiť vo všetkých bunkách.
Univerzálny zdroj energie dodáva všetky procesy v tele
Mitochondrie sú ohraničené organely, ktoré sú obklopené dvojitou bunkovou membránou. Komplexy bielkovín dýchacieho reťazca sa nachádzajú vo vnútornej membráne. Počas bunkového dýchania sa energia generuje vo forme molekuly adenozíntrifosfátu (ATP) v priebehu chemiosmotického procesu. Za týmto účelom sú elektróny vedené pozdĺž vnútornej mitochondriálnej membrány z jedného proteínového komplexu do druhého, celkovo na troch staniciach. Nakoniec sa elektróny prenesú na kyslík a vytvorí sa voda. V priebehu transportu elektrónov sú protóny transportované smerom von, čo vytvára nábojový rozdiel na oboch stranách vnútornej mitochondriálnej membrány. Tento protónový gradient používajú takzvané ATP syntázy. Prostredníctvom ich priechodu podobného kanálu môžu byť protóny riadeným spôsobom vedené späť do vnútra mitochondrie; energia dostupná v dôsledku protónového gradientu sa použije na generovanie ATP. ATP je medzisklad energie a univerzálny zdroj energie, ktorý sa dá využiť vo všetkých tkanivách.
Niektoré gény v mitochondriálnej DNA kódujú určité podjednotky tých proteínov, ktoré sú zapojené do dýchacieho reťazca, zatiaľ čo iné podjednotky sú kódované v bunkovom jadre. Interakcia medzi mitochondriálnou a jadrovou DNA preto vyžaduje presnú koordináciu medzi týmito dvoma genómami. Najmenšie nepravidelnosti alebo nesprávna tvorba jedného z týchto proteínov vedú k dysfunkcii mitochondrií [1]. Ďalej bolo opísaných niekoľko klinických patológií, ako je kardiomyopatia (ochorenie srdca), demencia a ataxia (ochorenie prejavujúce sa nekoordinovanými pohybmi). Po akumulácii mutácií v mitochondriálnej DNA a výslednej mitochondriálnej dysfunkcii boli popísané typické javy starnutia, ako je rozvoj osteoporózy, šedivenie a vypadávanie vlasov, redukcia hmotnosti a úbytok podkožného tukového tkaniva, anémia, zväčšenie srdca, hluchota a znížená dĺžka života. Okrem toho sa ukázalo, že dysfunkcia mitochondrií prispieva k rozvoju chorôb súvisiacich s vekom, ako je diabetes mellitus a Parkinsonova choroba [2].
Nukleoidy, organizačná jednotka v mitochondriách
Obrázok zobrazuje bunku ľudskej pokožky, pričom mitochondrie (elektrárne bunky) sú zobrazené červenou farbou, jadro bunky modrou farbou a genetický materiál mitochondrií zelenou farbou. Mitochondrie tvoria sieť, ktorá sa tiahne celou bunkou. Poskytujú energiu, ktorú bunky potrebujú.
V samotných mitochondriách sú genetický materiál a proteíny organizované v komplexoch, takzvaných mitochondriálnych nukleoidoch. Tieto jednotky hrajú dôležitú úlohu v dedičnosti, pretože mitochondriálny genóm sa prenáša iba z matky na dieťa (Obr).
Komplexy mitochondriálnych nukleoidov môžu byť v mikroskope viditeľné ako bodové štruktúry. Limit rozlíšenia konvenčnej svetelnej mikroskopie je okolo 250 nanometrov, čo zodpovedá milióntine milimetra. Ale aj toto pôsobivé rozlíšenie je stále príliš hrubé a doteraz neumožňovalo presnejší pohľad na štruktúru nukleoidov. Presne na tomto mieste začali vedci z Kolína nad Rýnom, Göteborgu a Göttingenu s najmodernejšou mikroskopiou STED s vysokým rozlíšením, ktorá bola vyvinutá na Inštitúte Maxa Plancka pre biofyzikálnu chémiu v pracovnej skupine Stefana Hella. Pomocou tejto technológie je možné dosiahnuť 5-krát vyššie rozlíšenie ako doteraz (Obr).
Mikroskopia STED s veľmi vysokým rozlíšením umožňuje hlbší vhľad do organizačných štruktúr mitochondriálneho genómu. V znázornenej bunke sú mitochondrie (elektrárne bunky) zafarbené červenou farbou, jadro bunky modrou farbou a genetický materiál mitochondrií zelenou farbou. Prvýkrát umožňuje mikroskopia s veľmi vysokým rozlíšením jasnejšie od seba oddeliť jednotlivé molekuly genómu. Veľkú molekulu je možné rozdeliť na niekoľko malých, nezávislých molekúl. Nukleoid, organizačná štruktúra v mitochondriách, obsahuje iba jednu molekulu genetického materiálu spolu s približne 1 000 molekulami obalového proteínu TFAM. TFAM teda tvorí hlavnú zložku nukleoidov.
Tieto základné poznatky o organizačnej štruktúre mitochondriálneho genómu majú osobitný význam pre pochopenie chorôb, ktoré sú mitochondriálne dedičné, t. J. Od matky po dieťa. Patria sem napríklad chronicky progresívna vonkajšia oftalmoplegia (ochrnutie očného svalu), dedičná motoricky citlivá neuropatia (úbytok svalov) a choroba MELAS (mitochondriálna myopatia: závažné neurologické ochorenie, ktoré vedie k nekoordinovaným pohybom a v zriedkavých prípadoch aj k tomu, čo je známe ako mitochondriálny diabetes mellitus. ide ďalej).
Okrem toho je už dlho známe, že existuje spojenie medzi elektrárňami bunky a starnutím. S vekom sa v mitochondriálnej DNA môžu hromadiť prirodzene sa vyskytujúce mutácie, ktoré ovplyvňujú produkciu energie buniek a tým aj zásobu orgánov.