Mitochondrie Peroxisómy
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 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: pozorování dynamiky mitochondrií v buňkách
Ultrastruktura mitochondrií Endosymbióza (před cca 1,5 miliardou let) Předchůdce dnešních alfaproteobakterií, snad Rickettsií
Mezofyl Arabidopsis tthaliana: mitochondrie, plastidy. Epidermis Arabidopsis Seminars in Cell & Developmental Biology 21 (2010) 550 557 Kultivované buňky tabáku: ER, mitochondrie.
Tvar mitochondrií Živočišná buňka Buňka kvasinky EMBO reports 2002 3(6):527-531
Pohyb mitochondrií v rostlinné buňce
Dynamika mitochondrií Plastické organely Dochází k neustálému dělení, fúzím a větvení mitochondrií: Hypotéza nespojitého celku (Logan 2006) PNAS 2004 101(20):7805 7808
Mitochondrial fusion in onion bulb epidermal cells. Arimura S et al. PNAS 2004;101:7805-7808 2004 by National Academy of Sciences
Plant Physiology, 2008 148: 1380 1393,
Plant Physiology, 2008 148: 1380 1393,
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
Journal of Experimental Botany, Vol. 57, No. 6, pp. 1225 1243, 2006
Vnější membrána mitochondrií: -Propustná pro roztoky a molekuly menší než 10 kda -Poriny (propustnost pro metabolity, ne však pro proteiny) -Translokázy (transport proteinů)
Mezimembránový prostor: -Není v kontaktu s matrix -Propojen s vnitřním prostorem krist úzkými kanály
Vnitřní membrána mitochondrií: -Nepropustná -Četné přenašeče -Kardiolipin -Velmi zvrásněná tvorba krist -Molekuly elektrontransportního řetězce (oxidativní fosforylace)
Matrix: -DNA a ribozómy -Enzymy citrátového cyklu -Glycin dekarboxyláza
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
1. Glykolýza - Probíhá v cytosolu - Zahrnuje enzymy, oxidující cukry na organické kyseliny, především pyruvát - Organické kyseliny jsou transportovány do matrix mitochondrií
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 (tedy vzniku NADH a FADH 2 ) a vzniku ATP
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)
3. Oxidativní fosforylace (elektrontransportní řetězec) - Hlavním cílem je vznik elektrochemického gradientu. který využívá ATP syntáza pro syntézu ATP
3. Oxidativní fosforylace (elektrontransportní řetězec) - Rostlinné alternativní NAD(P)H dehydrogenázy
3. Oxidativní fosforylace (elektrontransportní řetězec) - Alternativní oxidáza
Membrána krist je místem oxidativní fosforylace, zatímco vnitřní membrána, jež je v kontaktu s vnější membránou, obsahuje četné přenašeče. FEBS Letters 546 (2003) 355-358
Vliv metabolické aktivity na morfologii mitochondrií Ortodoxní stav (zvětšený prostor matrix a málo krist; mitochondrie respiračně málo aktivní) Kondenzovaný stav (zvětšený prostor krist; mitochondrie respiračně aktivní) Journal of Experimental Botany, Vol. 57, No. 6, pp. 1225 1243, 2006
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)
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
Transport proteinů do mitochondrií -SAM komplex (Sorting and Assembly Machinery) pro membránové proteiny vnější membrány SAM komplex TOM komplex Cell. Mol. Life Sci. 66 (2009) 1903 1923
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. TOM komplex TOM komplex TIM22 komplex TIM23 komplex Cell. Mol. Life Sci. 66 (2009) 1903 1923
Transport proteinů do mitochondrií (přehled komplexů): 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
Genom rostlinných mitochondrií Mitochondriální genom: Buněk živočichů Buněk hub Buněk rostlin Plastidový genom Velikost: 14-42kb 18-176kb 200 (Brassica) -2400kb (meloun) 120-200kb
Genom rostlinných mitochondrií Mitochondriální genom: Buněk živočichů Buněk hub Buněk rostlin Plastidový genom Velikost: 14-42kb 18-176kb 200 (Brassica) -2400kb (meloun) 120-200kb 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)
Genom rostlinných mitochondrií subgenomické útvary Trends in Plant Science 1997 2(12):477
Množství repetitivních sekvencí: hnací motor diverzity mit. genomu New Phytologist (2010) 186: 299 317
Množství repetitivních sekvencí: hnací motor diverzity mit. genomu Invertované repetitivní sekvence: Změna pořadí genů na chromozomu Přímé repetitivní Sekvence: generování subgenomických útvarů http://6e.plantphys.net/topic12.06.html
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?
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
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 WT mitochondrie Mitochondrie v buňkách vyšších eukaryot nedochovaly (Arabidopsis, pokožková Arabidopsis nesoucích (geny nenalezeny buňka) v Saccharomyces cerevisiae, mutaci Caenorhabiditis dynaminu ADL2b, elegans ani Arabidopsis). který se podílí na dělení mitochondrií. Nahrazeny byly eukaryotními proteiny dynaminy v MD prstenci Arimura and Tsutsumi 2002, PNAS 8:5729
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
Peroxisómy
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
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.
MB: peroxisóm (z názvu microbody); CY: kataláza; C: chloroplast; L: vakuola Peroxisómy Pohyb peroxizómů je zajištěn pomocí aktinového cytoskeletu (pokožkové buňky Arabidopsis)
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 ).
Role peroxisómů ve fotorespiraci Fotorespirace je výsledkem vlastností centrálního fotosyntetického enzymu enzymu Rubisco v chloroplastech: Karboxylázová x oxygenázová aktivita enzymu Rubisco
Glykolátový cyklus - fotorespirace Fotorespirace: Regenerace cca 75% uhlíku, ztraceného oxygenační aktivitou Rubisca.
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