Mitochondrie jsou zajímavé organely eukaryotických buněk. Slouží jako energetické centrum buňky. Obsahují vlastní genetickou informaci a dokonce i vlastní proteosyntetický aparát.

Mitochondrie jsou kulovité až podlouhlé organely široké asi 1µm a dlouhé až 10µm. Jsou uzavřeny 2 membránami - vnější mitochondriální membránou a vnitřní mitochondriální membránou, která vybíhá v četné výběžky - tzv. kristy. Prostor mezi oběma membránami označujeme jako intramembranózní, prostor ohraničený vnitřní membránou označujeme jako interkristální. V prostoru mezi kristami najdeme matrix mitochondrie - amorfní hmotu, obsahující proteiny, koncentrovanou směs enzymů (včetně enzymů Krebsova cyklu a β-oxidace mastných kyselin), mitochondriální genom, speciální mitochondriální ribozomy a RNA. Většina buněk obsahuje alespoň 1000 mitochondrií.

Obrázek 1 - Schéma mitochondrie

Mitochondrie je energetické centrum buňky. Probíhá zde cyklus kyseliny citrónové (Krebsův cyklus, citrátový cyklus), kde je oxidován získaný acetylkoenzym A (acetyl-CoA). Cyklus vydává CO₂ a energii ve formě vysokoenergetických elektronů. Ty jsou z cyklu vyneseny nosiči (NADH, FADH₂), které v dýchacím řetězci (elektrontransportní řetězec) odevzdávají tyto elektrony za vzniku vody a syntézy ATP díky protonovému gradientu, získanému transportem elektronů vnitřní membránou. Bez mitochondrií by buněčné zásoby ATP byly odkázány jen na méně účinné metody získání energie, jako je např. glykolýza.

Díky částečné nezávislosti mitochondrií na zbytku buňky je označujeme jako tzv. semiautonomní organely. Z evolučního hlediska je považujeme za bakteriální buňky, které pronikly do jiné buňky a tomuto prostředí se dokázaly přizpůsobit (tzv. endosymbióza). Pro bakteriální původ hovoří např. dvojitá membrána, cirkulární molekula DNA nebo přehrádečný typ dělení, který lze pozorovat u dělících se mitochondrií.

Obrázek 2 - Schéma mitochondrie

Nyní k vlastnímu genomu mitochondrie. Bylo prokázáno, že tento je jako u bakterií tvořen kruhovou molekulou DNA (mtDNA) o velikosti (u člověka) 16569 nukleotidových párů, které představují 37 genů, z toho 24 genů kóduje různé části proteosyntetického aparátu mitochondrie (2 typy rRNA a 22 tRNA) a zbytek se podílí na malé části enzymatické výbavy mitochondrie. Naprostá většina mitochondriálních proteinů je ale kódována v jádře buňky a tyto sem musí být přeneseny z místa vzniku v cytosolu. Stejně jako u bakterií, nejsou v mitochondriálním genomu nekódující sekvence (introny).

Obrázek 3 - Mitochondriální genom

Proteosyntetický aparát mitochondrie se také výrazně liší od normálního aparátu eukaryotické buňky. Liší se např. velikostí ribozomálních podjetnotek, menším počtem typů molekul tRNA (pouhých 22!) a odlišnosti najdeme i v genetickém kódu, zejména v kódování methioninu a stop-kodonů.

Přes zdánlivou nepodstatnost mohou být mutace v mtDNA zdrojem různých závažných chorob. Vzhledem k tomu, že všechny mitochondrie v zygotě jsou z vajíčka (všechny mitochondrie ze spermie jsou odbourány), mluvíme zde o tzv. maternální dědičnosti (tedy jeden z typů neMendelovské dědičnosti). Jinými slovy, pokud je matka přenašečkou mutace v mtDNA, pak tuto předá všem svým potomkům, zatímco pokud je přenašečem otec, pak tuto mutaci žádnému potomkovi předat nemůže. Další zvláštností je, že při dělení buňky nedochází k žádné kontrolované segragaci mitochondrií do dceřiných buněk. Proto je mtDNA mezi nové buňky distribuována zcela náhodně a dceřiné buňky tak mohou získat zcela různý počet normálních a mutací zatížených mitochondrií. Stav, kdy buňka obdrží pouze normální mitochondrie, či naopak pouze mutované mitochondrie se nazývá homoplazmie. Stav, kdy obdrží směs normálních a mutovaných mitochondrií, se nazývá heteroplazmie. Případná nefunkčnost mitochondrií je neslučitelná se životem, ale vzhledem k tomu, že fenotypový projev závisí na podílu normálních a zmutovaných mitochondrií v buňce, je život takového jedince nejen možný, ale v případě malého počtu zmutovaných mitochondrií v buňce, se tato skutečnost nemusí projevit vůbec. Proto se u pacientů s těmito mutacemi mitochondrií setkáváme s variabilní expresivitou choroby a její neúplnou penetrací v rodokmenu (a aby to nebylo jednoduché, existuje mezi jadernou DNA a mtDNA poměrně těsný vztah a byly pozorovány takové interakce, které v rodokmenu následně vykazují AD či AR dědičnost).

Existují různorodá onemocnění, podmíněná mutací v mtDNA. Uvedeme zde několik příkladů:

Leberova hereditární optická neuropatie

Náhlá a rychlá nekróza optického nervu s preogresivní ztrátou zraku vedoucí k úplné slepotě. Projeví se zejména u mužů a to mezi 16 - 25 lety věku.

Hluchota

Progresivní hluchota, jen málo případů dědičné hluchoty je způsobeno mutací v mtDNA.

NARP

MELAS

Pearsonův syndrom