ADN mitocondrial

miniatura|Imaxe de microscopio electrónico do ADN mitocondrial. Barra de 200 nm. (A) Sección do citoplasma despois dun inmunomarcado con ouro con anti-ADN; as partículas de ouro que marcan o ADN atópanse preto da membrana mitocondrial. (B) Vista do citoplasma despois da extracción con tampón CSK e inmunomarcado con ouro con anti-ADN; o ADNmt (marcado coas partículas de ouro) resiste a extracción. De Iborra et al., 2004.

O ADN mitocondrial ou ADNmt (en inglés mtDNA) é o ADN que se encontra dentro das mitocondrias celulares, orgánulos eucariotas que fabrican a maior parte do ATP (molécula que almacena e cede enerxía na célula) a partir da enerxía obtida na oxidación dos alimentos. Porén, a maioría do ADN presente nas células eucarióticas está no núcleo celular.

O ADN mitocondrial pode considerarse como o noso "cromosoma" máis pequeno, aínda que é bastante distinto dos verdadeiros cromosomas do núcleo. Foi a primeira parte do xenoma humano que foi secuenciada. Nos humanos e na maioría das especies hérdase só da nai.

Coñécese a secuencia do ADNmt de moitos organismos e individuos (incluíndo algúns extinguidos), e a súa comparación é moi importante en filoxenia. Permite tamén un exame das relacións entre poboacións humanas, moi interesante en antropoloxía.

 Xenoma mitocondrial 
 Estrutura 
Nos humanos (e probablemente nos animais en xeral), están presentes en cada célula de 100-10.000 copias do ADNmt (o óvulo e o espermatozoide son excepcións). Nos mamíferos cada molécula de ADNmt circular de dobre cadea consta de 15.000-17.000 pares de bases. As dúas cadeas do ADNmt diferéncianse polo seu contido de nucleótidos, e unha das cadeas, chamada cadea pesada, é rica en guanina, e outra, a lixeira, é rica en citosina. A cadea pesada codifica 28 xenes, e a lixeira codifica 9, o que fai un total de 37 xenes. Deses 37 xenes, 13 codifican proteínas (polipéptidos), 22 codifican ARNt e 2 codifican o ARNr das subunidades maior e menor dos ribosomas mitocondriais. Este modelo é o que presentan tamén a maioría dos animais, aínda que nalgúns casos un ou máis dos 37 xenes pode estar ausente e o tamaño do ADNmt pode ser meirande. As variacións en tamaño e contido de xenes son aínda maiores en fungos e plantas, pero parece haber un conxunto básico de xenes que están presentes en todos os eucariotas (excepto aqueles poucos que non teñen mitocondrias en absoluto). Algunhas plantas teñen enormes ADNmt (de ata 2 500 000 pares de bases en cada molécula de ADNmt) pero, sorprendentemente, mesmo eses enormes ADNmt conteñen o mesmo número e tipo de xenes que en plantas de especies emparentadas filoxeneticamente con ADNmt moito menor.

O xenoma da mitocondria do cogombro (Cucumis sativus) consta de tres cromosomas circulares distintos totalmente ou case autónomos de lonxitudes de 1556, 84 e 45 quilobases.Alverson AJ, Rice DW, Dickinson S, Barry K, Palmer JD (2011) Origins and Recombination of the Bacterial-Sized Multichromosomal Mitochondrial Genome of Cucumber. Plant Cell

 Xenes 
O contido do ADNmt varía dunha especie a outra. Os datos que se mostran aquí refírense ao xenoma mitocondrial humano.

 Xenes da cadea de transporte electrrónico 
O xenoma mitocondrial humano contén 13 xenes que codifican proteínas, que son os da táboa. Moitos destes xenes codifican proteínas da cadea de transporte electrónico, ou codifican a ATP-sintase.

 Categoría  Xenes NADH deshidroxenase(complexo I)  MT-ND1, MT-ND2, MT-ND3, MT-ND4, MT-ND4L, MT-ND5, MT-ND6 Coencima Q-citocromo c redutase/Citocromo b(complexo III)  MT-CYB citocromo c oxidase(complexo IV)  MT-CO1, MT-CO2, MT-CO3 ATP sintase  MT-ATP6, MT-ATP8

 Xenes de ARNr 
O ARNr mitocondrial está codificado polos xenes MT-RNR1 (o de 12S) e MT-RNR2 (o de 16S).

 Xenes de ARNt 
Os seguintes xenes codifican o ARNt (indícase o aminoácido transportado polo ARNt):

 Aminoácido abrev. de 3 letras abrev. de 1 letra ADNmt Alanina Ala A MT-TA Arxinina Arg R MT-TR Asparaxina Asn N MT-TN Ácido aspártico Asp D MT-TD Cisteína Cys C MT-TC Ácido glutámico Glu E MT-TE Glutamina Gln Q MT-TQ Glicina Gly G MT-TG Histidina His H MT-TH Isoleucina Ile I MT-TI Leucina Leu L MT-TL1, MT-TL2 Lisina Lys K MT-TK Metionina Met M MT-TM Fenilalanina Phe F MT-TF Prolina Pro P MT-TP Serina Ser S MT-TS1, MT-TS2 Treonina Thr T MT-TT Triptófano Trp W MT-TW Tirosina Tyr Y MT-TY Valina Val V MT-TV

 Replicación 
A replicación do ADNmt faina o complexo γ da ADN polimerase, que está composto por unha ADN polimerase catalítica de 140 kDa codificada polo xene POLG, e unha subunidade accesoria de 55 kDa codificada polo xene POLG2. Durante a embrioxénese a replicación do ADNmt está estritamente regulada desde a fertilización do óvulo ata a preimplantación do embrión. Na fase de blastocisto, o comezo da replicación do ADNmt é específico das células do trofoblasto. Polo contrario, as células da masa celular interna restrinxen a replicación do ADNmt ata que reciben sinais para diferenciarse en tipos celulares específicos.

 Orixe 
O ADN nuclear e o mitocondrial teñen unha orixe evolutiva diferente. O ADNmt deriva dos xenomas circulares das bacterias que foron incorporadas polos devanceiros dos eucariotas e viviron en endosimbiose con eles, acabando por converterse nun orgánulo da célula hospedadora. Esta teoría denomínase teoría endosimbiótica. Cada mitocondria estímase que contén de 2-10 copias do ADNmt. Nas células dos organismos actuais, a gran maioría das proteínas presentes nas mitocondrias (ata 1500 diferentes en mamíferos) están codificadas polo ADN nuclear, pero os xenes dalgunhas delas, se non da maioría, pénsase que teñen orixe bacteriana, pero que foron despois transferidos ao núcleo eucariótico durante a evolución.

 Herdanza do ADNmt 
Na maioría dos seres pluricelulares (animais, plantas e fungos) o ADNmt hérdase só da nai. As razóns de que sexa así son: a simple dilución (porque o ovocito contén de 100.000 a 1 000 000 de moléculas de ADNmt, mentres que o espermatozoide só de 100 a 1.000), a degradación do ADNmt do espermatozoide no ovo fertilizado, e, nalgúns organismos, que o ADNmt do espermatozoide non consegue entrar no ovo.
Nos mamíferos as mitocondrias do espermatozoide non chegan a entrar no ovo ou son marcadas con ubiquitina para a súa destrución posterior na fase embrionaria, Discussed in . Algunhas técnicas de fertilización in vitro, especialmente inxectar o espermatozoide no ovocito, poden interferir con isto.

 Herdanza materna 
O feito de que o ADNmt sexa de herdanza materna permite aos investigadores trazar liñaxes matrilineais remontándose moito no tempo. (O ADN do cromosoma Y, de herdanza paterna, úsase analogamente para trazar a liñaxe por parte de pai). Isto faise nos humanos secuenciando unha ou máis das rexións control hipervariables (HVR1 ou HVR2) do ADNmt. A rexión HVR1 consta duns 440 pares de bases. Estes 440 pb son entón comparados coas rexións control doutros individuos (poden ser suxeitos específicos ou datos de suxeitos almacenados nunha base de datos) para determinar a liñaxe materna. O máis frecuente é comparar a chamada Secuencia Referencia de Cambridge revisada. Vilà et al. publicaron estudos nos que se trazaba a descencdencia matrilineal desde os cans aos lobos.
O concepto de Eva mitocondrial baséase no mesmo tipo de análises, cos que se trata de descubrir a orixe da humanidade rastreando a súa liñaxe no tempo.

Como a secuencia do ADNmt non está moi conservada e ten unha frecuencia rápida de mutación, é útil para estudar as relacións evolutivas (filoxenia) entre as distintas especies. Os biólogos poden determinar e despois comparar as secuencias do ADNmt entre diferentes especies e facer despois unha árbore evolutiva.

Como o ADNmt se transmite de nai a fillo/a, é útil tamén en estudos xenealóxicos para situar a unha persoa nunha liña materna determinada.

 Herdanza paterna 
Hai informes de que as mitocondrias poden ter ocasionalmente herdanza paterna nunhas poucas especies, como os mexillóns.
Tamén se herdan por liña paterna nalgúns insectos como as moscas da froita, abellas, e carricantas.

Tamén hai probas de raros casos de herdanza paterna en mamíferos, como o rato, no que estas mitocondrias de liña paterna son despois eliminadas, e tamén en ovellas, e en vacas clonadas. Mesmo se atopou un único caso en humanos.

Aínda que moitos deses casos referíanse a embrións clonados que despois eliminaban as mitocondrias paternas, hai outros casos nos que se documentou a súa herdanza in vivo e a persistencia posterior desas mitocondrias nas condicións de laboratorio.

 Mutacións 
miniatura|Implicación do ADNmt en varias doenzas humanas.
 Susceptibilidade 
O ADNmt é especialmente susceptible ás especies reactivas do osíxeno xeradas pola cadea respiratoria debido á súa proximidade. Aínda que o ADNmt está empaquetado con proteínas e ten unha capacidade significativa de reparación, estas funcións protectoras son menos potentes que as que operan no ADN nuclear e, xa que logo, pénsase que isto contribúe a aumentar a susceptiobilidade ao dano oxidativo no ADNmt. Os resultados das mutacións no ADNmt poden ser a alteración na información codificada para a síntese dalgunhas proteínas,C.Michael Hogan. 2010. Mutation. ed. E.Monosson and C.J.Cleveland. Encyclopedia of Earth. National Council for Science and the Environment. Washington DC que poden ter un efecto no metabolismo do organismo ou na súa capacidade de supervivencia.

 Enfermidades xenéticas 
As mutacións no ADNmt poden orixinar varias doenzas como a intolerancia ao exercicio e a síndrome Kearns-Sayre, que causa que unha persoa perda completamente a función cardíaca, a do ollo, e os movementos musculares. Algunhas evidencias suxiren que estas mutacións poden ser unha importante contribución ao envellecemento e ás patoloxías asociadas coa idade.

 Uso no diagnóstico de enfermidades 
Recentemente utilizouse unha mutación no ADNmt para axudar no diagnóstico do cáncer de próstata en pacientes con biopsias prostáticas negativas.

 Uso na identificación de persoas e estudo de relacións filoxenéticas 
No ser humano o ADNmt ten 16.569 pares de bases, que representan só unha pequena fracción do ADN total da célula. A diferenza do ADN nuclear, que se herda dos dous proxenitores e que sofre o proceso da recombinación xenética, no ADNmt non hai normalmente cambios de pais (nais, en realidade) a fillos. O ADNmt tamén se recombina, pero só con copias de si mesmo dentro da mesma mitocondria. Por causa disto e de que a frecuencia de mutación do ADNmt animal é maior que a do nuclear, o ADNmt é unha poderosa ferramenta para trazar liñaxes matrilineais, e foi usado para rastrear os antepasados de moitas especies desde centos de xeracións.

O ADNmt pode usarse tamén para identificar individuos. Os laboratorios forenses usan ocasionalmente comparacións de ADNmt para identificar restos humanos, e especialmente para identificar restos esqueléticos antigos. Porén, a diferenza do ADN nuclear, o ADNmt non é específico dun individuo, pero pode usarse en combinación con outras evidencias (probas antropolóxicas, evidencias circunstanciais etc.) para establecer a identificación. O ADNmt tamén se usa para excluír posibles coincidencias entre persoas desaparecidas e restos identificados. Moitos investigadores cren que o ADNmt é mellor para identificar esqueletos antigos que o ADN nuclear porque o gran número de copias existentes por cada célula incrementa a posibilidade de obter mostras útiles, e porque unha coincidencia cun parente vivo é posible mesmo se están ambos separados por numerosas xeracións maternas. Os restos do bandido norteamericano Jesse James foron identificados por medio dunha comparación entre o ADNmt extraído dos seus restos e o ADNmt dos fillos por liña materna da bisneta da súa irmá. De xeito similar, puideron identificarse os restos da última emperatriz de Rusia, Alexandra Fiodorovna, e os seus fillos por comparación do seu ADNmt co do Príncipe Filipe, duque de Edimburgo, cuxa avoa materna foi a irmá de Alexandra, Vitoria de Hesse. Tamén se identificaron os restos do último tsar de Rusia Nicolao II ao compararse o seu ADNmt co de James Carnegie, terceiro duque de Fife, cuxa bisavoa materna, a raíña Alexandra de Dinamarca, era irmá da nai de Nicolao II, Dagmar de Dinamarca (emperatriz María Fiodorovna).Os detalles das probas publicáronse en Gil et al., Identification of the Remains. O duque de Fife foi oficialmente nomeado como a fonte da mostra de comparación do ADNmt en Ivanov, Mitochondrial DNA, p. 419.
miniatura|dereita|350px|Modelo da orixe africana e as posteriores migracións do ser humano, baseado en estudos do ADNmt.

Os tamaños efectivos de poboación baixos e as rápidas frecuencias de mutación (en animais) fan ao ADNmt útil tamén para avaliar as relacións xenéticas de individuos ou grupos dunha mesma especie e tamén para identificar e cuantificar a filoxenia (relacións evolutivas) de diferentes especies, con tal de que non estean demasiado separadas no tempo. Para facelo, os biólogos determinan e despois comparan as secuencias de ADNmt de diferentes individuos ou especies. Os datos das comparacións úsanse para construír unha rede de relacións entre as secuencias, o cal proporciona unha estimación das relacións entre os individuos e as especies examinadas. Esta estratexia ten límites impostos pola frecuencia de cambio das secuencias. Por exemplo, en animais as altas taxas de mutación fan ao ADNmt máis útil para comparar individuos dunha especie e para comparar especies que teñen un parentesco próximo ou relativamene próximo, entre as cales o número de secuencias diferentes pode ser contado doadamente. Pero a medida que as especies teñen un parentesco máis afastado no tempo, o número de diferenzas nas secuencias faise máis grande, e os cambios empezan a acumularse ata que se fai imposible un reconto preciso.

 Historia 
O ADN mitocondrial foi descuberto na década de 1960 por Margit M. K. Nass e Sylvan Nass usando microscopio electrónico como unha fibra de ADN sensible ás ADNases situada no interior da mitocondria, e por Ellen Haslbrunner, Hans Tuppy e Gottfried Schatz por medio de ensaios bioquímicos en fraccións mitocondriais moi purificadas.Ellen Haslbrunner, Hans Tuppy and Gottfried Schatz (1964 no Instituto de Bioquímic na facultade de Medicina da Universidade de Viena en Viena, Austria): "Deoxyribonucleic Acid Associated with Yeast Mitochondria" (PDF) Biochem. Biophys. Res. Commun. 15, 127 - 132.

 Notas 

 Véxase tamén 

 Outros artigos 
 Eva mitocondrial
 Migracións humanas prehistóricas
 Evidencias xenéticas da orixe asiática dos xitanos
 Xuetas
 Análises moleculares de ADN
 Historia xenética da Península Ibérica
 Historia xenética de África
 Historia xenética de Europa
 Historia xenética dos pobos indíxenas de América
 Cinetoplasto
 ADN cloroplástico

Categoría:ADN
Categoría:Orgánulos