Zadanie 15
Matura z biologii, maj 2024, poziom rozszerzony
Wymaganie: II.2 — mitochondria, mtDNA, łańcuch oddechowy.
IV.5 — dziedziczenie mitochondrialne, heteroplazmia.
Treść zadania
Zadanie 15.
Funkcjonowanie mitochondriów znajduje się pod kontrolą dwóch genomów, ale większość białek mitochondrialnych jest kodowana przez genom jądrowy. Mutacje zarówno w DNA mitochondrialnym (mtDNA), jak i w DNA jądrowym (nDNA) mogą być przyczyną chorób mitochondrialnych (czasem mutacje dotyczą obu genomów).
Komórka zawiera kilka tysięcy mitochondriów, a w każdym z nich znajduje się kilka cząsteczek mtDNA. Te cząsteczki nie zawsze są identyczne. To zjawisko nazywa się heteroplazmią. Podczas podziału komórki mitochondria są kopiowane do komórek potomnych, a więc objawy choroby zależą od stosunku ilości prawidłowego mtDNA do ilości zmutowanego mtDNA. Heteroplazmia, a w pełni przekrzeniu pewnej wartości progowej, różni dla różnych tkanek i narządów.
Choroby mitochondrialne to głównie schorzenia wynikające z nieprawidłowego funkcjonowania łańcucha oddechowego. U około 70% osób cierpiących na choroby mitochondrialne stwierdza się podwyższone stężenie kwasu mlekowego w surowicy krwi.
Nie można przewidzieć, ile zmutowanego mtDNA znajdzie się w oocytach kobiety chorującej na chorobę mitochondrialną. Z tego względu nie można m.in. także, jak mitochondria będą segregowane do różnych tkanek w czasie embriogenezy.
Na podstawie: A. Piotrowska i in., Choroby mitochondrialne, „Postępy Biochemii" 62(2), 2016.
Zadanie 15.1. (0–1)
Wykaż, że mitochondria są organellami półautonomicznymi.
Zadanie 15.2. (0–2)
Oceń, czy poniższe stwierdzenia dotyczące chorób mitochondrialnych są prawdziwe. Zaznacz P, jeśli stwierdzenie jest prawdziwe, albo F – jeśli jest fałszywe.
| 1. | Jeżeli przyczyną choroby mitochondrialnej jest mutacja autosomalna, ta choroba dziedziczy się zgodnie z prawami Mendla. | P | F |
| 2. | Dzieci mężczyzny, u którego stwierdzono mutację w genomie mitochondrialnym, odziedziczą zaburzenia metaboliczne związane z uszkodzeniami mitochondriów. | P | F |
| 3. | Zdiagnozowanie u kobiety choroby spowodowanej mutacją w genomie mitochondrialnym oznacza, że u jej dzieci wystąpią takie same objawy o takim samym nasileniu. | P | F |
Zadanie 15.3. (0–2)
Uzupełnij poniższe zdanie tak, aby w poprawny sposób opisywało konsekwencje metaboliczne choroby mitochondrialnej u ludzi. W każdym nawiasie podkreśl właściwe określenie.
Niedobór ATP wywołany chorobą mitochondrialną jest sygnałem do wzmożenia (glikolizy / glikogenogenezy), w wyniku której powstaje (pirogronian / glikogen) – związek w dużej części bezpośrednio przekształcany na szlaku przemian beztlenowych w (mleczan / etanol).
Źródło: arkusz CKE MBIP-R0-100-2405. Otwórz oryginalny PDF
Rozwiązanie
15.1. Mitochondria są półautonomiczne, ponieważ:
- Posiadają własny DNA (mtDNA) — kolisty, podobny do bakteryjnego.
- Posiadają własne rybosomy 70S (typu prokariotycznego).
- Same syntezują część swoich białek (~13 białek u człowieka — głównie podjednostki łańcucha oddechowego).
- Replikują się niezależnie od podziału komórki (replikacja mtDNA poza fazą S cyklu komórkowego).
Ale są półautonomiczne (nie w pełni autonomiczne), bo:
- Większość białek mitochondriów (~1000+) kodowanych jest w DNA jądrowym — syntezowanych w cytoplazmie i importowanych do mitochondriów.
- Lipidy błon mitochondrialnych pochodzą z retikulum endoplazmatycznego.
Połączenie własnej "mini-genetyki" + zależności od jądra = definicja półautonomiczności.
15.2.
| # | Stwierdzenie | P/F |
|---|---|---|
| 1 | Mutacja autosomalna kodująca białko mt → dziedziczenie wg Mendla | P |
| 2 | Dzieci mężczyzny z mutacją mtDNA odziedziczą zaburzenia | F |
| 3 | Ta sama mutacja → ten sam fenotyp u różnych osób | F |
Uzasadnienia:
P — geny jądrowe autosomalne dziedziczone wg Mendla (równo od obu rodziców). Białka mitochondrialne kodowane jądrowo (większość) wpadają pod prawa Mendla.
F — mtDNA dziedziczone jest matczynie (po linii żeńskiej). Mitochondria plemnika są niszczone w zygocie (przez ubikwitynacjie + autofagię). Dzieci mężczyzny z mutacją mtDNA NIE odziedziczą tej mutacji.
F — z powodu heteroplazmii. Komórki różnych osób mają różny stosunek zmutowanego do prawidłowego mtDNA. Próg ekspresji objawów = ~60-80% zmutowanego mtDNA. Jedna osoba 50% (bezobjawowa), druga 90% (ciężkie objawy) — różne nasilenie mimo tej samej mutacji.
Pułapka 15.1 — odpowiedź "mają DNA". Klucz: półautonomiczne = CZĘŚCIOWA autonomia. Trzeba: własny DNA + rybosomy + replikacja, ALE też zależność od jądra.
Pułapka 15.2.1 — mylenie autosomalnego z mitochondrialnym. Mutacja autosomalna (na chromosomie autosomalnym jądra) = klasyczny Mendel. Mutacja w mtDNA = niemendlowska, matczyna.
Pułapka 15.2.2 — "ojciec też ma mtDNA". Tak, ma — w swoich mitochondriach. Ale nie przekazuje dzieciom. mtDNA dziedziczone tylko od matki.
Pułapka 15.2.3 — "ta sama mutacja → ten sam fenotyp". To prawda dla genów jądrowych z pełną dominancją, ALE nie dla mtDNA. Heteroplazmia to klucz.
Strona arkusza CKE z trescia zadania
Klucz pojęciowy — mitochondria
| Cecha | Mitochondria | Bakteria |
|---|---|---|
| DNA | Koliste, mtDNA ~16 kb (człowiek) | Kolisty chromosom + plazmidy |
| Rybosomy | 70S (50S + 30S) | 70S |
| Błony | Podwójna, wewnętrzna z krystami | Pojedyncza/podwójna |
| Podział | Binarny (binary fission) | Binarny |
| Geneza | Endosymbioza (~2 mld lat temu) | Praprzodek mitochondrium |
Teoria endosymbiozy (Lynn Margulis) — mitochondria pochodzą z bakterii proteobakteryjnych (przodek Rickettsia) pochłoniętych przez praeukarionta. Z czasem przeniosły większość swoich genów do jądra → straciły autonomię, stały się półautonomiczne.
Mechanizm: dziedziczenie matczyne mtDNA
Komórka jajowa (oocyt) zawiera ~100 000 mitochondriów (ogromna komórka, mnóstwo cytoplazmy).
Plemnik zawiera ~50-100 mitochondriów w wstawce (środkowej części) — dostarczają ATP do ruchu witkowego.
Zapłodnienie: plemnik wnika do komórki jajowej + jego mitochondria znajdują się w zygocie.
Eliminacja: mitochondria ojcowskie zostają ubikwitynowane (oznaczone) + degradowane przez autofagię w pierwszych podziałach embrionalnych.
Skutek: zarodek + płód + dziecko ma mitochondria WYŁĄCZNIE od matki. → mtDNA dziedziczone matczynie.
Mechanizm: heteroplazmia
W jednej komórce może być wiele kopii mtDNA (od 100 do 1000 mitochondriów, każde z 1-10 kopiami).
Heteroplazmia = mix prawidłowego + zmutowanego mtDNA w komórce.
Próg ekspresji (threshold effect):
- ~60-80% zmutowanego mtDNA → objawy kliniczne.
- Poniżej progu = bezobjawowo.
Loteria mitotyczna: podczas podziałów komórkowych mitochondria losowo rozdzielane → różne tkanki mogą mieć różny stosunek mutacji. Stąd:
- Jedna osoba: 70% mut. w mózgu, 30% w mięśniach → ataksja, padaczka.
- Inna osoba: 30% w mózgu, 70% w mięśniach → osłabienie mięśni, bez objawów neurologicznych.
To wyjaśnia fenotypową heterogeniczność chorób mitochondrialnych przy tej samej mutacji.
Choroby mitochondrialne — przykłady
| Choroba | Mutacja | Objawy |
|---|---|---|
| LHON (Lebera neuropatia nerwu wzrokowego) | mtDNA (np. ND4 G11778A) | Ostra utrata wzroku u młodych mężczyzn |
| MELAS | mt-tRNA Leu (UUR) | Encefalomiopatia, kwasica mleczanowa, udary podobne |
| MERRF | mt-tRNA Lys | Epilepsja miokloniczna, ataksja |
| Zespół Leigh’a | różne (mtDNA lub jądrowe) | Postępująca encefalopatia, śmierć w dzieciństwie |
Punktacja CKE
- 15.1. 1 pkt — wskazanie kilku cech: własny DNA + własne rybosomy + zdolność do syntezy własnych białek + replikacja.
- 15.2. 2 pkt — wszystkie 3 P/F (P, F, F). 1 pkt za 2/3.
- Suma: 3 pkt.
Po co to umieć
Choroby mitochondrialne = obszar intensywnych badań:
- Częstość: ~1 na 5 000 osób. Najczęstsza grupa wrodzonych chorób metabolicznych.
- Tkanki dotknięte: te z wysokim zapotrzebowaniem ATP — mózg, serce, mięśnie szkieletowe. Stąd kombinacja: padaczka + kardiomiopatia + miopatia.
- Leczenie: brak swoistego. Symptomatyczne + suplementy (koenzym Q10, kreatyna, ryboflawina).
Terapia trzech rodziców (mitochondrial replacement therapy):
- Dla kobiet z ciężką mutacją mtDNA — przeniesienie jądra komórki jajowej do enukleowanej komórki dawczyni (z zdrowym mtDNA).
- Dziecko ma DNA jądrowy od matki + ojca + mtDNA dawczyni.
- Legalna w UK od 2015 r., pierwsze dziecko urodzone 2016 (Meksyk, USA klinika).
mtDNA w genealogii:
- Bardzo wolne tempo rekombinacji (brak crossing-over) + matczyne dziedziczenie → idealne do śledzenia linii matczynej.
- Ewa mitochondrialna = najpóźniejsza wspólna przodkini wszystkich żywych ludzi po linii matczynej (~150 000 lat temu, Afryka).
- Test “mtDNA” u zwykłych ludzi (23andMe, MyHeritage) — odkryje twoją linię matczyną w sieci ludzkich migracji.
mtDNA w kryminalistyce: gdy próbka jest stara/zniszczona (DNA jądrowy zdegradowany), mtDNA przeżywa dłużej (więcej kopii w komórce). Identyfikacja po fragmentach kości (np. Romanowie z grobu zbiorowego po 1918 r.).
Rozumiesz, jak to rozwiązać?
Przećwicz podobne typy zadań w aplikacji
matury-online.pl ma tysiące zadań pogrupowanych po dziedzinach. Sprawdź, czy temat „mitochondria, mtDNA, heteroplazmia, dziedziczenie matczyne, choroby mitochondrialne, glikoliza, mleczan" zrobisz samodzielnie.
Otwórz matury-online.pl