Mitochondrie Peroxisómy. Rostlinná cytologie, Katedra experimentální biologie rostlin PřF UK

Rozměr: px

Začít zobrazení ze stránky:

Download "Mitochondrie Peroxisómy. Rostlinná cytologie, Katedra experimentální biologie rostlin PřF UK"

Božena Dostálová
před 7 lety
Počet zobrazení:

1 Mitochondrie Peroxisómy

2 Mitochondrie

3 Krátká historie objevu mitochondrií Jako granulární struktury pozorovány v buňkách od poloviny 19. století 1886, Richard Altmann: popsal pozorování bioblastů a navrhl hypotézu, že se jedná o místo buněčné oxidace 1888, Albert von Kölliker: první jasná izolace a popis mitochondrií z hmyzího létacího svalu, popis membránového obalu 1898, Carl Benda: jméno mitochondrion mitochondrie (do posud mitochondrie pojmenovávaly různě: sarcosomes, bioblasts, chondrioconts.) 1898, Michaelis: oxidoredukční změny v mitochondriích 1949, Eugene Kennedy a Albert Lehninger: důkaz že mitochondrie jsou místem oxidačního energetického metabolismu Rozvoj fluorescenční mikroskopie v posledních cca 30 letech: pozorování dynamiky mitochondrií v buňkách

4 Ultrastruktura mitochondrií Endosymbióza (před cca 1,5 miliardou let) Předchůdce dnešních alfaproteobakterií, snad Rickettsií

8 Mezofyl Arabidopsis tthaliana: mitochondrie, plastidy. Seminars in Cell & Developmental Biology 21 (2010) Kultivované buňky tabáku: ER, mitochondrie.

9 Tvar mitochondrií Živočišná buňka Buňka kvasinky EMBO reports (6):

10 Pohyb mitochondrií v rostlinné buňce

11 Dynamika mitochondrií Plastické organely Dochází k neustálému dělení, fúzím a větvení mitochondrií: Hypotéza nespojitého celku (Logan 2006) PNAS (20):

12 Mitochondrial fusion in onion bulb epidermal cells. Arimura S et al. PNAS 2004;101: by National Academy of Sciences

13 Plant Physiology, : ,

14 Plant Physiology, : ,

15 Funkce mitochondrií Hlavní funkce mitochondrií: Aerobní respirace Podílí se na fotorespiraci Produkce sacharidových stavebních kamenů pro další biosyntézy Mitochondriální kompartmenty: Vnější membrána Vnitřní membrána (Membrána krist) Mezimembránový prostor (Vnitřní prostor krist) Matrix

16 Journal of Experimental Botany, Vol. 57, No. 6, pp , 2006

17 Vnější membrána mitochondrií: -Propustná pro roztoky a molekuly menší než 10 kda -Poriny (propustnost pro metabolity, ne však pro proteiny) -Translokázy (transport proteinů)

18 Mezimembránový prostor: -Není v kontaktu s matrix -Propojen s vnitřním prostorem krist úzkými kanály

19 Vnitřní membrána mitochondrií: -Nepropustná -Četné přenašeče -Kardiolipin -Velmi zvrásněná tvorba krist -Molekuly elektrontransportního řetězce (oxidativní fosforylace)

20 Matrix: -DNA a ribozómy -Enzymy citrátového cyklu -Glycin dekarboxyláza

21 Aerobní respirace: hlavní funkce mitochondrií Aerobní respirace: sled metabolických reakcí, ve kterém jsou oxidovány organické látky na CO 2 a H 2 O, a uvolněná energie je uskladněna jako ATP. Hlavní produkty respirace jsou tedy: CO 2, H 2 0 a ATP. 3 fáze aerobní respirace: 1. Glykolýza 2. Citrátový (Krebsův) cyklus 3. Oxidativní fosforylace

22 1. Glykolýza - Probíhá v cytosolu - Zahrnuje enzymy, oxidující cukry na organické kyseliny, především pyruvát - Organické kyseliny jsou transportovány do matrix mitochondrií

23 2. Citrátový cyklus (CC)/cyklus kyseliny citrónové/krebsův cyklus - Probíhá v matrix mitochondrie - Do CC vstupuje pyruvát, metabolizovány mohou být ale také aminokyseliny či mastné kyseliny - Cílem CC je kompletně oxidovat pyruvát na CO 2 za redukce NAD + a FAD a vzniku ATP

24 3. Oxidativní fosforylace (elektrontransportní řetězec) - Probíhá na vnitřní membráně mitochondrií - Redukované NADH a FADH 2 jsou oxidovány složkami řetězce - Konečným akceptorem elektronů je molekula kyslíku za vzniku vody - Volná energie, uvolněná při oxidaci, je využívána na tvorbu elektrochemického gradientu na vnitřní membráně (H + ionty se hromadí v mezimembránovém prostoru). - Gradient využívá ATP syntáza na tvorbu ATP (translokace protonů po koncentračním spádu)

25 3. Oxidativní fosforylace (elektrontransportní řetězec)

26 3. Oxidativní fosforylace (elektrontransportní řetězec) - Alternativní oxidáza

27 Membrána krist je místem oxidativní fosforylace, zatímco vnitřní membrána, jež je v kontaktu s vnější membránou, obsahuje četné přenašeče. FEBS Letters 546 (2003)

28 Vliv metabolické aktivity na morfologii mitochondrií Ortodoxní stav (zvětšený prostor matrix a málo krist) Kondenzovaný stav (zvětšený prostor krist) Journal of Experimental Botany, Vol. 57, No. 6, pp , 2006

29 Transport proteinů do mitochondrií DNA rostlinných mitochondrií kóduje 3-67 proteinů Odhadem 1000 proteinů musí být transportováno z cytoplazmy. Transportované proteiny obsahují signální presekvenci. (Transport do matrix nutné dvě presekvence). Transport v nesbaleném nebo velmi volně sbaleném stavu. Translokázy: proteinové komplexy zajišťující transport skrze mitochondriální membránu: TOM komplex (Translocase of the Outer Membrane) TIM komplex (Translocase of the Inner Membrane)

30 Transport proteinů do mitochondrií -TOM komplex Tom40: transmembránový kanál Živočichové a houby Tom70 a Tom20 (mtom64 a Tom20 rostlin): receptory pro rozpoznání presekvence Rostliny a řasy

31 Transport proteinů do mitochondrií -SAM komplex (Sorting and Assembly Machinery) pro membránové proteiny vnější membrány Cell. Mol. Life Sci. 66 (2009)

32 Transport proteinů do mitochondrií -TIM komplexy: TIM22: transport do vnitřní membrány; funkce závislá na existenci transmembránového potenciálu. TIM23: translokace proteinů do matrix a některých proteinů do vnitřní membrány. Cell. Mol. Life Sci. 66 (2009)

33 Transport proteinů do mitochondrií (přehled): TOM: transport přes vnější membránu Následné transporty: SAM: transport membránových proteinů do vnější membrány TIM22: transport membránových proteinů do vnitřní membrány TIM23: transport proteinů do matrix

34 Genom rostlinných mitochondrií Mitochondriální genom: Buněk živočichů Buněk hub Buněk rostlin Plastidový genom Velikost: 14-42kb kb 200 (Brassica) -2400kb (meloun) kb

35 Genom rostlinných mitochondrií Mitochondriální genom: Buněk živočichů Buněk hub Buněk rostlin Plastidový genom Velikost: 14-42kb kb 200 (Brassica) -2400kb (meloun) kb Proteiny kódované mitochondriálním genomem: Živočichové Rostliny cca 13 proteinů + komponenty pro translaci 57 známých proteinů + další předpokládané ORF (geny pro: trna; rrna pro malou a velkou ribozomání podjednotku; proteiny energetického metabolismu; několik ribozomálních proteinů; proteiny neznámé funkce)

36 Genom rostlinných mitochondrií subgenomické útvary Trends in Plant Science (12):477

37 Množství repetitivních sekvencí: hnací motor diverzity mit. genomu New Phytologist (2010) 186:

38 Množství repetitivních sekvencí: hnací motor diverzity mit. genomu Invertované repetitivní sekvence: Změna pořadí genů na chromozomu Přímé repetitivní Sekvence: generování subgenomických útvarů

39 Dělení mitochondrií Mitochondrie nevznikají de novo, ale pouze dělením. FtsZ (Filamentous temperature-sensitive line Z) protein se podílí na dělení téměř všech prokaryot Dělení plastidů: Dělení mitochondrií: pomocí PD prstence (obsahuje FtsZ protein) pomocí MD prstence složení?

40 Dělení mitochondrií Mitochondrie nevznikají de novo, ale pouze dělením. FtsZ (Filamentous temperature-sensitive line Z) protein se podílí na dělení téměř všech prokaryot Dělení plastidů: Dělení mitochondrií: pomocí PD prstence (obsahuje FtsZ protein) pomocí MD prstence Hlavní prokaryotní komponenty dělícího aparátu (FtsZ) se v mitochondriích vyšších eukaryot nedochovaly (geny nenalezeny v Saccharomyces cerevisiae, Caenorhabiditis elegans ani Arabidopsis). Nahrazeny byly eukaryotními proteiny dynaminy v MD prstenci

41 Dělení mitochondrií - Evoluční spojky a-proteobakteriální FtsZ byl však nalezen u některých nižších eukaryotů jako je řasa Mallomonas splendens, primitivní červená řasa Cyanidioschyzon merolae, nebo u Dictyostelium discoideum Geny pro FtsZ přesídlily do eukaryotického jádra. Dělící aparát mitochondrií řasy Cyanidioschyzon: TRENDS in Plant Science Vol.8 No.9 September 2003

42 Peroxisómy

43 Peroxisómy (též microbodies) -Zpravidla sférické organely o průměru 0,2-1,7 mm -Obalené jednou membránou -Někdy tubulární propojení -Nalezeny ve všech eukaryotických buňkách -Rostlinné peroxisómy obsahují specifické složení enzymů: -oxidoreduktázy -katalázy -enzymy b-oxidace mastných kyselin (u rostlin výhradně v peroxisómech!) -enzymy pro biosyntézu některých fytohormonů a metabolismus dusíku

44 Peroxisómy (též microbodies) Vznik peroxizómů: - de novo z ER -replikací díky růstu a dělení jednotlivých organel Zánik peroxizómů: autofágií (vakuola; též nazýváno pexofágie) Peroxisomální proteiny jsou kódovány jádrem a do peroxisómu jsou transportovány specifickým transportním systémem za využití signální sekvence proteinu.

45 MB: peroxisóm (z názvu microbody); CY: kataláza; C: chloroplast; L: vakuola Peroxisómy Pohyb peroxizómů je zajištěn pomocí aktinového cytoskeletu (pokožkové buňky Arabidopsis)

46 Peroxisómy Typy rostlinných peroxisómů: Peroxisómy listových buněk (role ve fotorespiraci) Glyoxysómy (semena bohatá na MK jako zásobní látky, mobilizovány b-oxidací MK v peroxisómech); typ peroxisómů Peroxisómy ve specializovaných buňkách kořenů bobovitých rostlin (role ve fixaci N 2 ).

47 Role peroxisómů ve fotorespiraci Fotorespirace je výsledkem vlastností centrálního fotosyntetického enzymu enzymu Rubisco v chloroplastech: Karboxylázová x oxygenázová aktivita enzymu Rubisco

48 Glykolátový cyklus - fotorespirace

49 Glykolátový cyklus - fotorespirace 1 molekula 2-fosfoglykolátu 1 molekula CO 2 a 1 molekula 3-fosfoglycerátu MB: peroxisóm CY: kataláza M: mitochondrie G: granum CR: plastidové ribozómy F: stromatální thylakoidy I: vnitřní membrána plastidu

Podobné dokumenty

Mitochondrie. Rostlinná cytologie, Katedra experimentální biologie rostlin PřF UK

Mitochondrie. Rostlinná cytologie, Katedra experimentální biologie rostlin PřF UK Mitochondrie Krátká historie objevu mitochondrií Jako granulární struktury pozorovány v buňkách od poloviny 19. století 1886, Richard Altmann: popsal pozorování bioblastů a navrhl hypotézu, že se jedná