Число митохондрий в клетках различных тканей может составлять от сотен до нескольких тысяч, а каждая митохондрия содержит от 2 до 10 копий мтДНК. Общее же количество молекул мтДНК в клетке может достигать десятков тысяч. Например, в одном кардиомиоците может содержаться до 50 000 молекул мтДНК. Каждая молекула мтДНК реплицируется самостоятельно, деление митохондрий в цитоплазме также представляет собой автономный процесс.
В результате клеточного деления (митоз, мейоз) различные молекулы мтДНК в составе митохондрий в случайном порядке переходят в цитоплазму дочерних клеток. В обычной ситуации во всех клетках и тканях организма имеется один и тот же нормальный вид мтДНК - состояние, обозначаемое как гомоплазмия. При возникновении мутации в мтДНК и дальнейшей амлификации мутантного клона возникает гетероплазмия, т.е. состояние, при котором в клетке (ткани) существует совокупность двух различных популяций мтДНК - нормальной и мутантной.
В определенных тканях митотическая сегрегация мтДНК может приводить к полному замещению нормальных молекул мтДНК мутантными, с переходом от состояния гетероплазмии к состоянию гомоплазмии по мутантной мтДНК. Таким образом, по образному выражению A. Schon и S. DiMauro (1994), по своей сути вся митохондриальная генетика является популяционной генетикой, основанной на закономерностях динамики соотношения между нормальной и мутантной популяциями мтДНК.
Данные закономерности имеют большое значение для понимания клинических особенностей и методов молекулярной диагностики митохондриальных болезней.
Тяжесть поражения отдельных тканей и органов при митохондриальных болезнях определяются не только характером генетического дефекта мтДНК и уровнем гетероплазмии, но и их потребностью в энергии и зависимостью клеточных функций от эффективности окислительного фосфорилирования. Наиболее энергозависимыми являются ЦНС, скелетная и сердечная мускулатура, глаз, почки, эндокринные железы, поэтому именно эти ткани наиболее часто и закономерно вовлекаются в патологический процесс при митохондриальных дефектах.
Для манифестации симптоматики со стороны того или иного органа или ткани необходимо, чтобы митохондриальная дисфункция и нарушение окислительного фосфорилирования в них превысили определенный критический порог, специфический для каждой ткани. Например, для ЦНС таким пороговым значением является содержание мутантного вида мтДНК в нейронах около 60%; если у больных содержание мутантной мтДНК в ЦНС превышает эту цифру, в клинической картине развиваются неврологические симптомы. Для других тканей порог переносимости митохондриальной дисфункции выше. Тяжесть митохондриальных болезней с течением времени неуклонно нарастает, что обусловлено возрастным снижением активности процессов окислительного фосфорилирования и накоплением мутаций мтДНК в стареющих тканях.
