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 v posledních cca 30 letech: pozorování dynamiky mitochondrií v buňkách
Ultrastruktura mitochondrií Endosymbióza (před ř cca 1,5 miliardou let) Předchůdce dnešních alfaproteobakterií, snad Rickettsií
Seminars in Cell & Developmental Biology 21 (2010) 550 557
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 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 i Produkce sacharidových stavebních kamenů pro další biosyntézy Mitochondriální kompartmenty: Vnější membrána Vnitřní membrána Mezimembránový prostor 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 -Translokázy
Mezimembránový prostor: -Není v kontaktu s matrix -Propojen s vnitřním prostorem krist úzkými kanály
Vnitřní membrána mitochondrií: -Nepropustná p -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 lý 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) - 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
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 ů po koncentračním č spádu)
3. Oxidativní fosforylace (elektrontransportní řetězec)
3. Oxidativní fosforylace (elektrontransportní řetězec) - Alternativní oxidáza
Membrána krist je místem oxidativní fosforylace Imunolokalizace pomocí zlatých partikulí na tenkých řezech mitochondriemi buněk hovězího srdce: Poriny Komplex III FEBS Letters 546 (2003) 355-358
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. 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 Živočichové a houby Rostliny a řasy
Transport proteinů do mitochondrií -SAM komplex (Sorting and Assembly Machinery) ) pro membránové proteiny vnější membrány 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. Cell. Mol. Life Sci. 66 (2009) 1903 1923
Genom rostlinných mitochondrií Mitochondriální genom: Velikost: Buněk živočichů 14-42kb Buněk hub 18-176kb Buněk rostlin 200 (Brassica) i -2400kb (meloun) Plastidový genom 120-200kb
Genom rostlinných mitochondrií Mitochondriální genom: Velikost: Buněk živočichů 14-42kb Buněk hub 18-176kb Buněk rostlin 200 (Brassica) i -2400kb (meloun) Plastidový genom 120-200kb Proteiny kódované mitochondriálním genomem: Živočichové cca 13 proteinů + komponenty pro translaci Rostliny 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 Trends in Plant Science 1997 2(12):477
New Phytologist (2010) 186: 299 317
Invertované repetitivní sekvence Přímé repetitivní sekvence
http://5e.plantphys.net/image.php?id=158
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 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 E l č í jk - Evoluční spojky -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 m -Obalené jednou membránou -Někdy tubulární propojeníp -Nalezeny ve všech eukaryotických buňkách -Rostlinné peroxisómy obsahují specifické složení enzymů: -oxidoreduktázy -katalázy -enzymy -oxidace mastných kyselin -enzymy pro biosyntézu některých FH
Peroxisómy
Peroxisómy Typy rostlinných peroxisómů: Peroxisómy listových buněk (role ve fotorespiraci) i) Glyoxysómy (semena bohatá na MK jako zásobní látky, mobilizovány -oxidací MK v peroxisómech) Peroxisómy ve specializovaných buňkách kořenů ř ů bobovitých rostlin (role ve fixaci N 2 ).
Role peroxisómů ve fotorespiraci Fotorespirace je výsledkem vlastností centrálního fotosyntetického t ti enzymu enzymu Rubisco v chloroplastech: l h Karboxylázová x oxygenázová aktivita enzymu Rubisco
Glykolátový cyklus - fotorespirace