DNA mitocondrial: características, funções, herança, doenças - Ciência - 2023

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o DNA mitocondrial é uma pequena molécula de DNA circular encontrada dentro dessas organelas em células eucarióticas. Este pequeno genoma codifica um número muito limitado de proteínas e aminoácidos dentro da mitocôndria. É comum encontrar o nome "DNA mitocondrial" abreviado em muitos livros e artigos científicos como "MtDNA"ou em inglês"mtDNA”.

As mitocôndrias são organelas essenciais para as células eucarióticas, pois são responsáveis por transformar a energia dos alimentos consumidos na forma de açúcares em uma forma de energia que as células podem utilizar (ATP, por exemplo).

Todas as células em organismos eucarióticos têm pelo menos uma mitocôndria dentro delas. No entanto, existem células como as células do músculo cardíaco e as células do músculo esquelético que podem conter centenas de mitocôndrias.

As mitocôndrias têm seu próprio aparelho de síntese de proteínas independente do aparelho celular, com ribossomos, RNAs de transferência e uma aminoacil RNA transferase-sintetase do interior da organela; embora o RNA ribossômico seja menor do que o da célula que os abriga.

Tal aparelho apresenta grande semelhança com o aparelho para síntese de proteínas de bactérias. Além disso, como nos procariotos, esse aparelho é extremamente sensível aos antibióticos, mas muito diferente daquele da síntese de proteínas em células eucarióticas.

O termo "mitocôndria" foi introduzido por Benda no final do século 12 e a teoria da "endossimbiose" é a mais aceita sobre sua origem. Isso foi publicado em 1967 por Lynn Margulis, na revista Journal of Theoretical Biology.

A teoria da "endossimbiose" localiza a origem das mitocôndrias há milhões de anos. É teorizado que um ancestral celular das células eucarióticas "engolfou" e incorporou um organismo semelhante a uma bactéria em seu metabolismo, que mais tarde se tornou o que hoje conhecemos como mitocôndria.

Caracteristicas

Em mamíferos, geralmente todo o genoma que compõe o DNA mitocondrial é organizado em um cromossomo circular de 15.000 a 16.000 pares de nucleotídeos ou, o que dá no mesmo, de 15 a 16 Kb (quilobases).

Dentro da maioria das mitocôndrias, você pode obter várias cópias do cromossomo mitocondrial. Nas células somáticas humanas (células não sexuais) é comum encontrar pelo menos 100 cópias do cromossomo mitocondrial.

Em plantas superiores (angiospermas), o DNA mitocondrial é geralmente muito maior, por exemplo, na planta de milho o cromossomo circular do DNA mitocondrial pode medir até 570 Kb.

O DNA mitocondrial ocupa cerca de 1% do DNA total das células somáticas da maioria dos animais vertebrados. É um DNA altamente conservado no reino animal, ao contrário do que se observa nas plantas, onde existe uma grande diversidade.

Em algumas células eucarióticas "gigantes", como óvulos (células sexuais femininas) de mamíferos ou em células contendo muitas mitocôndrias, o DNA mitocondrial pode representar até 1/3 do DNA celular total.

O DNA mitocondrial tem algumas propriedades diferentes do DNA nuclear: ele tem uma densidade e proporção diferentes de pares de bases guanina-citosina (GC) e adenina-timina (AT).

A densidade do par de bases GC no DNA mitocondrial é 1,68 g / cm3 e o conteúdo é 21%; enquanto no DNA nuclear essa densidade é de 1,68 g / cm3 e o conteúdo gira em torno de 40%.

Características

O DNA mitocondrial possui pelo menos 37 genes que são essenciais para o funcionamento normal da mitocôndria. Destes 37, 13 possuem as informações para produzir as enzimas envolvidas na fosforilação oxidativa.

Esses 13 genes codificam para 13 componentes polipeptídicos dos complexos enzimáticos que pertencem à cadeia de transporte de elétrons e estão localizados na membrana interna da mitocôndria.

Apesar dos 13 polipeptídeos que o DNA mitocondrial contribui para a cadeia de transporte de elétrons, ele é composto de mais de 100 polipeptídeos diferentes. No entanto, esses 13 componentes são essenciais para a fosforilação oxidativa e a cadeia de transporte de elétrons.

Entre os 13 polipeptídeos sintetizados a partir do DNA mitocondrial, destacam-se as subunidades I, II e III do complexo da citocromo C oxidase e a subunidade VI das bombas ATPase embutidas na membrana interna da organela.

As informações necessárias para a síntese do restante dos componentes que compõem a mitocôndria são codificadas por genes nucleares. Estes são sintetizados no citoplasma como o resto das proteínas celulares e, em seguida, importados para a mitocôndria graças a sinais específicos.

Na fosforilação oxidativa, átomos de oxigênio e açúcar, como glicose, são usados para a síntese ou formação de trifosfato de adenosina (ATP), que é a espécie química usada por todas as células como fonte de energia.

Os genes mitocondriais restantes têm as instruções para sintetizar RNAs de transferência (tRNAs), RNAs ribossomais e a enzima aminoacil-RNA transferase-sintetase (tRNA), necessária para a síntese de proteínas dentro da mitocôndria.

Herança

Até há relativamente pouco tempo, pensava-se que o DNA mitocondrial era transmitido exclusivamente por herança materna, ou seja, por descendência direta da mãe.

No entanto, um artigo publicado por Shiyu Luo e colaboradores na revista Anais da Academia Nacional de Ciências dos Estados Unidos da América (PNAS) em janeiro de 2019, descobriu que em casos raros o DNA mitocondrial pode ser herdado de ambos os pais, tanto do pai quanto da mãe.

Antes da publicação deste artigo, era um fato para os cientistas que o cromossomo Y e o DNA mitocondrial eram herdados intactos do pai e da mãe, respectivamente, para os filhos.

A herança “intacta” dos genes do cromossomo Y dos genes mitocondriais implica que o referido material genético não sofre alterações por recombinação e, ao longo dos anos, apenas varia devido a mutações espontâneas, portanto a variação é bastante baixa. .

Por isso, a maioria dos estudos de mobilização populacional é feita com base nesses genes, pois, por exemplo, é fácil para os geneticistas construir árvores genealógicas a partir do DNA mitocondrial.

Muito da história humana foi reconstruída através da história genética do DNA mitocondrial. Muitas casas comerciais ainda se oferecem para esclarecer o vínculo familiar de cada pessoa viva com seus ancestrais por meio de técnicas que estudam essas características.

Replicação

O primeiro modelo de replicação do DNA mitocondrial foi proposto em 1972 por Vinograd e colaboradores e esse modelo ainda é válido, com algumas modificações. Em termos gerais, o modelo é baseado em uma replicação unilateral que começa em duas origens diferentes de replicação.

Os cientistas classificam o cromossomo mitocondrial em duas cadeias diferentes, a cadeia pesada, H ou OH, do inglês "pesado"E cadeia leve, L ou OL do inglês"Luz”. Estes são identificados e localizados nas duas estruturas de leitura aberta não atribuídas (URF) no cromossomo mitocondrial.

A replicação do genoma mitocondrial começa na cadeia pesada (OH) e continua em uma única direção até que o comprimento total da cadeia leve (OL) seja produzido. Posteriormente, proteínas chamadas "proteínas de ligação ao DNA de fita simples mitocondrial" são anexadas para proteger a cadeia que funciona como "mãe" ou "molde".

As enzimas responsáveis pela separação para que a replicação ocorra (replicossomo) passam para a banda leve (OL) e uma estrutura em alça é formada que bloqueia a ligação das proteínas mitocondriais de ligação ao DNA de fita simples.

Nesse loop, a RNA polimerase mitocondrial se liga e a síntese do novo primer começa. A transição para a síntese de cadeia pesada (OH) ocorre 25 nucleotídeos depois.

No momento da transição para a cadeia pesada (OH), a RNA polimerase mitocondrial é substituída pela DNA polimerase replicativa mitocondrial na extremidade 3 ', onde a replicação inicialmente começou.

Finalmente, a síntese de ambas as cadeias, pesada (OH) e leve (OL), prossegue continuamente até que duas moléculas circulares completas de DNA de fita dupla (fita dupla) sejam formadas.

Doenças relacionadas

Existem muitas doenças relacionadas ao mau funcionamento do DNA mitocondrial. A maioria é causada por mutações que danificam a sequência ou informações contidas no genoma.

Perda auditiva em relação ao aumento da idade

Uma das doenças mais estudadas e que está diretamente relacionada às alterações no genoma do DNA mitocondrial é a perda auditiva decorrente do aumento da idade.

Essa condição é produto de fatores genéticos, ambientais e de estilo de vida. À medida que as pessoas começam a envelhecer, o DNA mitocondrial acumula mutações prejudiciais, como deleções, translocações, inversões, entre outras.

Danos ao DNA mitocondrial são causados principalmente pelo acúmulo de espécies reativas de oxigênio, que são subprodutos da produção de energia nas mitocôndrias.

O DNA mitocondrial é especialmente vulnerável a danos, uma vez que não possui um sistema de reparo. Portanto, as mudanças causadas por espécies reativas de oxigênio danificam o DNA mitocondrial e causam o mau funcionamento da organela, causando a morte celular.

As células do ouvido interno têm alta demanda de energia. Essa demanda os torna especialmente sensíveis a danos ao DNA mitocondrial.Esses danos podem alterar irreversivelmente a função do ouvido interno, levando à perda total da audição.

Cânceres

O DNA mitocondrial é especialmente sensível a mutações somáticas, mutações que não são herdadas dos pais. Esses tipos de mutações ocorrem no DNA de algumas células ao longo da vida das pessoas.

Existem evidências que ligam as alterações do DNA mitocondrial decorrentes de mutações somáticas com certos tipos de câncer, tumores nas glândulas mamárias, no cólon, no estômago, no fígado e no rim.

Mutações no DNA mitocondrial também foram associadas a cânceres do sangue, como leucemia e linfomas (câncer das células do sistema imunológico).

Os especialistas associam as mutações somáticas no DNA mitocondrial com um aumento na produção de espécies reativas de oxigênio, fatores que aumentam os danos ao DNA mitocondrial e criam uma falta de controle no crescimento celular.

Pouco se sabe sobre como essas mutações aumentam a divisão celular descontrolada das células e como elas acabam se desenvolvendo como tumores cancerígenos.

Síndrome de vômito cíclico

Acredita-se que alguns casos de vômitos cíclicos, típicos da infância, estejam relacionados a mutações no DNA mitocondrial. Essas mutações causam episódios recorrentes de náuseas, vômitos e fadiga ou letargia.

Os cientistas associam esses episódios de vômito com o fato de que as mitocôndrias com DNA mitocondrial danificado podem afetar certas células do sistema nervoso autônomo, afetando funções como frequência cardíaca, pressão arterial e digestão.

Apesar dessas associações, ainda não está claro como as alterações no DNA mitocondrial causam episódios recorrentes de síndrome do vômito cíclico.

Referências

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