Genetica

Nella matrice mitocondriale sono contenute molte copie identiche del genoma mitocondriale, costituito essenzialmente da DNA; sono presenti anche particolari ribosomi, molecole di tRNA ed enzimi necessari per l’espressione dei geni propri del m., rendendo così il m. in grado di duplicarsi autonomamente anche se la sua replicazione è sempre collegata e regolata dal genoma della cellula a cui appartiene.

3.1 DNA mitocondriale. - Il DNA mitocondriale (DNAmt) è una molecola di DNA circolare eccetto che in alcuni Protisti, nei quali è lineare. Le sue dimensioni variano a seconda delle specie (da circa 15.000 paia di basi nei Mammiferi a circa 2 milioni di paia di basi nelle piante) e all’interno della stessa specie. I DNAmt meglio studiati sono quelli del lievito e dell’uomo. Entrambi sono stati sequenziati: il DNAmt del lievito è costituito da circa 70.000 coppie di basi, ma solo un terzo codifica proteine, mentre quello dell’uomo ne contiene 16.569. Nel DNAmt si possono distinguere i due filamenti dalla differente composizione delle basi: un filamento pesante (H, heavy) e un filamento leggero (L, light). Il DNAmt umano codifica 22 tRNA, 2 rRNA e 13 polipeptidi.

La presenza di geni per l’RNA transfer e ribosomale dimostra che i m. possiedono un loro sistema di traduzione anche se le relative componenti proteiche sono codificate da geni nucleari. La notevole simbiosi molecolare fra DNA mitocondriale e nucleare è anche aumentata dal fatto che proteine che agiscono in concerto fra loro, quali quelle della catena respiratoria, vengono codificate in parte dal DNAmt e in parte dal DNA nucleare.

3.2 Espressione dei geni dei mitocondri - Gli schemi di trascrizione dei geni mitocondriali sono piuttosto variabili nelle diverse cellule eucariotiche studiate. Nell’uomo sono trascritti entrambi i filamenti di DNAmt. Le sequenze del genoma mitocondriale umano non contengono introni; molti geni risultano separati da geni che codificano gli RNAt e non da spaziatori non codificanti come nel lievito. Solo dopo la trascrizione gli RNAt sono separati dalle sequenze codificanti proteine. Nel DNAmt è presente l’ansa D, una regione contenente un terzo filamento costituito da un frammento di DNA di circa 700 paia di basi che si lega al filamento L e allontana da questo il tratto corrispondente del filamento H. Nell’ansa D si trovano due promotori, uno per il filamento H e l’altro per il filamento L; sono trascritte due molecole di RNA pari alla lunghezza dell’intero genoma mitocondriale. I due trascritti sono tagliati da nucleasi durante la loro sintesi: dal filamento H si formano i diversi tipi di RNA, mentre la porzione L dell’RNA viene degradata quasi completamente. Gli RNA mitocondriali presentano alcune differenze rispetto a quelli nucleari: all’estremità 5′ della molecola non hanno né il cappuccio di 7-metil guanosina né sequenze non codificanti, ma iniziano direttamente con il codone di inizio AUG.

3.3 Il codice genetico dei mitocondri. -  Le proteine codificate dal DNAmt sono state sequenziate e confrontate con le sequenze geniche: il codice genetico mitocondriale, tranne nelle piante, differisce in piccola parte da quello universale, probabilmente per fenomeni di deriva genetica casuale.

3.4 Filogenesi dei mitocondri. - È stato dimostrato che il ritmo di sostituzione di sequenze nucleotidiche nell’evoluzione dei genomi mitocondriali è 10 volte maggiore rispetto a quello dei genomi nucleari. Il ritmo relativamente alto di mutazione dei geni dei m. è pertanto utile per stimare le date di eventi evolutivi relativamente recenti. Inoltre, il genoma mitocondriale è ereditato per via materna; la maggior parte del citoplasma dello zigote è infatti derivato dalla cellula uovo. Supponendo che la velocità di variazione delle sequenze sia costante e dovuta solo a mutazioni, il numero delle differenze riscontrate fra i vari gruppi e fra gli individui dello stesso gruppo geografico può essere utilizzato per dedurre le linee evolutive e il periodo nel quale sia vissuta un’originaria ‘Eva mitocondriale’, cioè l’antenata comune dalla quale tutti gli esseri umani moderni avrebbero ereditato il loro DNAmt.