Struktura a původ mitochondrie EB 43

Transkript

1 Struktura a původ mitochondrie EB 43

2 Mitochondrie

3 Mitochondrie Tyčinky a zrníčka přítomná v cytoplasmě Barvení Janusova zeleň (supravitální barvení), eosin Velikost: 0.5-1μm x 3-5μm V buňce se pomalu pohybují vazba na cytoskelet Počet na buňku: Hepatocyt 800 Oocyt až Kardiomyocyt (objem %) Spermie jen několik Erytrocyt - 0

4

5 Mitochondrie Mitochondrie se vyvinuly pravděpodobně ze samostatně žijících bakterií, které vstoupily do jiných buněk, proto mají dvojitou membránu (asi před 1-2 miliardami let). Anaerobní, vodík metabolizující, autotrofní archebakterie, pohltila symbiotickou bakterii schopnou v rámci své respirace produkovat vodík. Potomci této bakterie se změnili na mitochondrie Genom přesun do jádra hostitelské buňky, čímž se na ní staly závislé a samostaného života neschopné organely mitochondriálních proteinů kódováno jadernou DNA Proteosyntetický aparát - znaky prokaryot (mtdna, 70 S ribosomy). Semiautonomní (polosamostatné) organely

6 Teorie vzniku mitochondrií Endosymbiotická teorie Lynn Margulisové: dávná fagocytující archebakterie pohltila aerobní bakterii, patrně α-proteobakterii, ale nestrávila ji, podržela si ji jako symbionta. Ten dýchal, poskytoval ATP výměnou za metabolizovatelné substráty a úkryt, jeho geny byly z valné části přeneseny do genomu archebakterie, a tak se vyvinula mitochondrie. Martin a Müller naopak předpokládají, že autotrofní metanogenní archebakterie pohltila fermentující α-proteobakterii. Vyvinul se podobný vztah vzájemné závislosti, a zároveň přeměna hostitelské archebakterie z autotrofní na heterotrofní. Posléze se symbiont přeměnil v hydrogenozom, nebo, za podmínek globálního vzestupu hladiny atmosférického kyslíku a díky své dřívější metabolické rozrůzněnosti se vyvinul v mitochondrii, anebo se z buňky hostitele ztratil.

7 Zevní mitochondriální membrána Podobná membráně ER Mnoho pórů - propustná pro většinu látek s molekulovou hmotností nepřesahující přibližně 5000 Da (někdy se uvádí i Da). Zamezuje jen vstupu bílkovin a jiných makromolekul. Vnější membrána obsahuje tzv. Tom komplex, který přenáší bílkoviny z cytoplazmy do intermembránového prostoru. Bcl proteiny. Enzymy, které jsou součástí metabolismu mastných kyselin a fosfolipidů.

8 Intermembránový prostor Složení velice podobné složení okolního cytosolu - tzn. obsahuje mnohem méně proteinů než matrix Cytochrom c, proapoptotické proteiny

9 Vnitřní mitochondriální membrána Je schopná propouštět molekuly velice selektivně, ionty přes ní téměř nedifundují Obsahuje fosfolipid kardiolipin -4AK Enzymy tzv. dýchacího řetězce, včetně ATP syntázy a enzymu ANT, který vynáší konečný produkt dýchání ATP ven do buňky. Vnitřní membrána dále obsahuje komplex, který umožňuje přenos bílkovin přes ni Tim komplex

10

11 ATP syntáza

12

13

14 Vnitřní mitochondriální membrána Kristy - záhyby hřebeny až k protilehlé membráně (u srdečního svalu, hnědý tuk) Tubuly u buněk zapojených do syntézy steroidních hormónů (buňky kůry nadledvinky, Leydigovy buňky). Sakuly - měchýřky -buňky kůry nadledvinek Prizmata s trojúhelníkovým průřezem (gliové buňky v CNS - astrocyty).

15 Mitochondriální matrix Enzymy Krebsova cyklu, beta oxidace mastných kyselin, ornithinový cyklus Dále matrix obsahuje různé nukleotidové koenzymy, anorganické ionty (vápník) Mitochondriální DNA, příslušnou trna a mrna, mitochondriální ribozomy - velice podobné ribozomům bakteriálním 70S Chaperony a chaperoniny v matrix + ATP zajišťují správné svinutí proteinů

16 Mitochondriální DNA Cirkulární Začátek, 2 rrna, 22 trna a 13 proteinů Ale proč pak některé geny vůbec v mitochondrii zůstávají? Pravděpodobně kódují proteiny, které jsou potřebné pro funkci organel, ale obtížně by procházely cytoplazmou/membránou (například protože jsou hydrofobní). Je proto výhodnější syntetizovat je přímo na místě.

17 Mitochondriální proteiny V cytosolu se mitochondriální bílkoviny obvykle navážou na chaperony typu Hsp70. Díky nim zůstávají v nesbaleném stavu v tomto stavu je transport bílkovin skrz kanály jednodušší. Vnější membrána- Tom kanály (Tom40). Některé mitochondriální bílkoviny se začlení do vnější membrány, jiné zůstávají v mezimembránovém prostoru a další pokračují skrz vnitřní membránu. Proteiny vstupující do matrix využívají komplex Tim23, zatímco proteiny, jež se mají začlenit do vnitřní membrány a zůstat tam jako transmembránové, využívají komplex Tim22

18 Mitochondrie V živé buňce nejsou izolované, ale tvoří dynamickou síť - rovnováha mezi dělením ( fission ) a spojováním ( fusion ) Fuse smíchání obsahu doplňování obsahu proteinů, mtdna repair, distribuce metabolických meziproduktů Dělení zvýšení počtu a kapacity, oddělení pro autofagii pomocí lysosomů ("mitophagie").

19

20

21

22 Funkce Hlavní funkce - produkce ATP pomocí enzymů citrátového cyklu a OXPHOS. Mitochondriální OXPHOS spotřebovává více než 80 % O2 a dodává kolem 92 % celkové buněčné energie. Dalšími důležitými funkcemi mitochondrií jsou produkce ROS, regulace nitrobuněčného kalcia, spuštění apoptózy, synaptická plasticita a termogeneze.

23 Přenos vody a iontů Na/K ATPasa Invaginace bazální membrány

24 Příklady: Buňka proximálního a distálního kanálku ledvin, enterocyt a colonocy, epitel žlučníku, epitel žíhaných vývodů slinných žlaz

25 Srdeční sval Mitochondrie objem až 40% Vysoká energetická náročnost

26 Steroidní buňky Mito s tubulárními či vesikulárními kristami Cytochrom P450 metabolismus cholesterolu Kapénky lipidů Hladké endoplasmatické retikulum

27 Buňka hnědého tuku Uncoupling protein thermogenin Nesyntetizuje se ATP ale nevyužitá energie se uvolní jako teplo

28 Mitochondriální dědičnost V každé buňce najdeme spoustu mitochondrií. Množí se výhradně nepohlavně a vůbec jim to nevadí. Jejich dědičná informace je přitom k mutačním haváriím náchylnější než DNA v jádru buňky. Jak to, že mitochondrie nezdegenerují? Podezření, že se skrytě věnují sexu, se nepotvrdilo.

29 Mitochondriální dědičnost Vajíčko umí oddělit zdravé mitochondrie od mutovaných. Jednou z možností je buněčná sebevražda vajíček, která nabrala velkou porci mitochondrií s havarovanou DNA. Jako mnohem pravděpodobnější se zdá, že vajíčko mezi mitochondriemi důkladně uklidí. Rozbitých se zbaví, zachovalé si ponechá. Poškozené mitochondrie může vajíčko pohltit v procesu zvaném autofagie, jež slouží k ničení součástí vlastní buňky a jejich recyklaci pro další potřeb Ve hře je i možnost, že vajíčko třídí mitochondriální odpad. Vajíčko savců připravené k oplození má zhruba mitochondrií, z nichž každá obsahuje jeden, nejvýše dva výtisky mitochondriální DNA. Po oplození se buňky embrya rychle dělí, ale jejich mitochondrie se nemnoží. To znamená, že v každé nově vzniklé buňce zárodku je mitochondrií stále méně a méně. Nakonec obsahuje jedna buňka zárodku asi stovku mitochondrií a v nich nejvýše dvě stovky výtisků mitochondriální DNA. Platí to i o buňkách, ze kterých vzniknou pohlavní buňky vyvíjejícího se jedince. Co do kvality mitochondrií představují budoucí pohlavní buňky velmi různorodou společnost.

30 Mitochondriální dědičnost Mitochondriální DNA se dědí maternálně, jelikož veškerá mitochondriální genetická informace zárodku pochází z vajíčka a nikoli ze spermie. Geny matky a otce se tedy nerekombinují. mtdna mutuje rychleji než jaderný genom, čímž umožňuje zkoumat změny v mnohem kratším časovém měřítku. Tyto a další vlastnosti mtdna umožňují zkoumat například migrace lidských populací (viz termín mitochondriální Eva).

31 Mitochondriální dědičnost Kdyby se množily, nedal by se jejich počet srazit tak nízko, aby v některých buňkách převládly poškozené mitochondrie a organizmus se jich zbavil. Účinnost selekce poškozených organel by výrazně klesla i v případě, že by obsahovaly obvyklý počet až deseti výtisků DNA na jednu mitochondrii. Víme, že organizmus je proti dědění mitochondriálního šrotu dobře pojištěn. Stále však netušíme, kdy, kde a jak tyto pojistky selžou při narození člověka se závažným dědičným onemocněním vyvolaným mutací mitochondriální DNA.

32 Mitochondriální dědičnost Mitochondrie dědíme prakticky výlučně od matek Mitosa: distribuce mito náhodná Možnost heteroplasmie (různé mtdna) v tkáni v buňce v jedné mitochondrii Mitochondrie v buňce si mohou vyměňovat mtdna mtdna ale nerekombinují

33 Mitochondrie jsou odpovědné za život i smrt buněk

34 Význam pro sexuální rozmnožování Hypotéza: Spolu s tím, jak aerobní bakterie, pozdější mitochondrie, pronikly do jiné bakteriální buňky, došlo k rozvalení hostitelského genomu (možná jaderného, pokud už v tu chvíli existovalo něco na způsob jádra). Možná v tu chvíli došlo k problému, že jednotlivé geny se projevovaly příliš svázaně s druhými, selekce by pak neprobíhala na úrovni jednotlivých genů, ale genomů jako celek. Prospěšné mutace by se pak nemohly šířit. Buď by zase zmizely, protože jejich efekt by byl potlačen dalšími spojenými geny, nebo by převládly, ale i s další genetickou výbavou, která by už tak výhodný být nemusela. Každopádně, první scénář znamená nulovou evoluční změnu, druhý zase likvidaci genetické rozmanitosti.

35 Význam pro sexuální rozmnožování V tuto chvíli začal být výhodný sex, protože umožňoval s geny opět míchat a selektovat na úrovni jednotlivých genů, nikoliv genomu jako celku. Zdá se, že ve chvíli průniku mitochondrií došlo ke genetickým zmatkům, které se projevily větším tempem genetických změn/rychlostí vzniku mutací. A na ty jsou klonálně se rozmnožující organismy citlivé.

36 Jak mitochondrie zabíjí buňku Uvolnění proapoptotických faktorů z intermembránového prostoru: cytochrom c, AIF (apoptosis inducing factor), endonukleasa G, Smac/Diablo (inhibitor IAPs), Htra2/Omi (serinová proteasa, štěpí IAPs), prokaspázy Narušení buněčné energetiky a produkce ATP (uvolnění cytochromu c, depolarizace) Nadprodukce kyslíkových radikálů

37 Defekty v membránové permeabilitě Jedním z počátečních fází poškození buňky je ztráta selektivní membránové permeability, která v konečném důsledku vede k jejímu narušení, což je společný rys všech forem poškození buňky. Úbytek ATP a snížení až nemožnost jeho obnovy jsou společným důsledkem ischemie nebo účinku některých škodlivin. ATP je nutné pro řadu syntetických i degradačních buněčných procesů jako je lipogeneze, proteosyntéza, membránový transport, deacylace a reacylace membránových fosfolipidů. To vše výrazně ovlivňuje integritu plasmatické membrány, jejíž porucha je jednou z hlavních příčin zániku buňky.

38 Mitochondrie Deplece ATP je též odpovědna za akutní buněčný edém, což je časný morfologický projev poškození buňky. To je způsobeno poruchou regulace buněčného objemu plasmatickou membránou. Pro udržení rovnováhy je intracelulární Na+ na nízké hodnotě působením sodíkové pumpy (Na+/K+-ATPasa), která pro svoji aktivitu potřebuje energii. Současně je udržována vyšší intracelulární koncentrace K+ ve srovnání s koncentrací v ECT. Porucha tohoto transportního mechanismu pro sníženou dodávku ATP má za následek volnou difuzi Na+ podle koncentračního spádu do buňky a K+ z buňky. To je doprovázeno isoosmotickým nárůstem vody v buňce buněčným edémem dilatací endoplasmatického retikula

39 Mitochondrie a apoptosa Nezbytná součást života Regulace druhu a počtu buněk během vývoje Eliminace lymfocytů reagujících proti vlastní tkáni, infikovaných buněk, nádorových buněk, atd. Program vyžadující genovou expresi, proteosyntézu a ATP. Apoptotický signál, stress, poškození buňky atd.

40 Apoptosa Zvýšení propustnosti zevní mitochondriální membrány Uvolnění cytochromu c, Diablo proteinu, a apoptózu indukující proteinu (AIP) a dalších proteinů Cytochrom c se naváže na molekulu Apaf1 a vzniká komplex apoptosom ten aktivuje hydrolytické enzymy -prokaspázu 9 ta aktivuje prokaspázu 3...

41 Mitochondriální teorie stárnutí Tvorba kyslíkových radikálů v mitochondriích Nahromadění mutací v mtdna s věkem Porucha funkce respiračních komplexů Poškození mitochondriální funkce postihuje nejvíce dlouhožijící buňky neurony, kardiomyocyty, bb. kosterního svalu Důsledek : Srdeční selhání, svalová slabost, diabetes mellitus, demence, neurodegenerace...