mitochondrie - kfrserver.natur.cuni.cz
TRANSCRIPT
Mitochondrie
Rostlinná cytologie, Katedra experimentální biologie rostlin PřF UK
Mitochondrie
(chondriom: soubor mitochondrií v buňce)
Rostlinná cytologie, Katedra experimentální biologie rostlin PřF UK
Rostlinná cytologie, Katedra experimentální biologie rostlin PřF UK
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
Rostlinná cytologie, Katedra experimentální biologie rostlin PřF UK
Ultrastruktura mitochondrií
Endosymbióza (před cca 1,5 miliardou let)
Předchůdce dnešních alfaproteobakterií, snad Rickettsií
(Sekundární ztráty mitochondrií u eukaryot:https://vesmir.cz/cz/casopis/archiv-casopisu/2016/cislo-6/dejiny-bunecnych-elektraren.html)
Rostlinná cytologie, Katedra experimentální biologie rostlin PřF UK
Rostlinná cytologie, Katedra experimentální biologie rostlin PřF UK
Rostlinná cytologie, Katedra experimentální biologie rostlin PřF UK
Rostlinná cytologie, Katedra experimentální biologie rostlin PřF UK
Seminars in Cell & Developmental Biology 21 (2010) 550–557
Mezofyl Arabidopsis tthaliana: mitochondrie,
plastidy.
Kultivované buňky tabáku: ER, mitochondrie.
Epidermis Arabidopsis
Rostlinná cytologie, Katedra experimentální biologie rostlin PřF UK
Živočišná buňka
Buňka kvasinky
EMBO reports 2002 3(6):527-531
Tvar mitochondrií
Rostlinná cytologie, Katedra experimentální biologie rostlin PřF UK
Pohyb mitochondrií v rostlinné buňce
Rostlinná cytologie, Katedra experimentální biologie rostlin PřF UK
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
Rostlinná cytologie, Katedra experimentální biologie rostlin PřF UK
Plant Physiology, 2008 148: 1380–1393,
Chondriom fúzuje v celek během dělení buněk meristému
Rostlinná cytologie, Katedra experimentální biologie rostlin PřF UKPlant Physiology, 2008 148: 1380–1393,
Fúze chondriomu rostlinné buňky:
- Před dělením meristematických buněk
- Před prvním dělením během dediferenciace
Role:
Vytvoření fúzního kompartmentu umožňuje:
- Volnou rekombinaci mitochondriální DNA (udržení
stability genomu, zabránění hromadění mutací
- Homogenní distribuci molekul DNA do všech
mitochondrií
Rostlinná cytologie, Katedra experimentální biologie rostlin PřF UK
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
Rostlinná cytologie, Katedra experimentální biologie rostlin PřF UK
Journal of Experimental Botany, Vol. 57, No. 6, pp. 1225–1243, 2006
Biochimica et Biophysica Acta 1864 (2017) 737–746
Cristae junctions jsou organizovány
proteinovým komplexem MICOS
MICOS (mitochondrial contact site
and cristae organizing system)
zajišťují tvorbu cristae junctions.
Jedná se o proteinový komplex
sestávající z velké části z
membránových proteinů. MICOS se
nachází v membráně cristae
junctions.
MICOS mají i další důležité funkce
(zřejmě jde o centrální strukturu
regulující funkce membrán
mitochondrie):
- Import proteinů do
mitochondrie
- Kontrola transportu lipidů do
mitochondriální membrány
- Fúze mitochondrií
- Organizace genomu mitochondrie
- Organizace respiračního řetězce
Rostlinná cytologie, Katedra experimentální biologie rostlin PřF UK
Vnější membrána mitochondrií:
-Propustná pro roztoky a molekuly menší než 10 kDa
-Poriny (propustnost pro metabolity, ne však pro proteiny)
-Translokázy (transport proteinů)
Rostlinná cytologie, Katedra experimentální biologie rostlin PřF UK
Mezimembránový prostor:
-Není v kontaktu s matrix
-Propojen s vnitřním prostorem krist úzkými kanály
Rostlinná cytologie, Katedra experimentální biologie rostlin PřF UK
Vnitřní membrána mitochondrií:
-Nepropustná
-Četné přenašeče
-Kardiolipin
-Velmi zvrásněná – tvorba krist
-Molekuly elektrontransportního řetězce (oxidativní fosforylace)
Rostlinná cytologie, Katedra experimentální biologie rostlin PřF UK
Matrix:
-DNA a ribozómy
-Enzymy citrátového cyklu
-Glycin dekarboxyláza
Rostlinná cytologie, Katedra experimentální biologie rostlin PřF UK
Aerobní respirace: hlavní funkce mitochondrií
Aerobní respirace: sled metabolických reakcí, ve kterém jsou
oxidovány organické látky na CO2 a H2O, a uvolněná energie
je uskladněna jako ATP. Hlavní produkty respirace jsou tedy:
CO2, H20 a ATP.
3 fáze aerobní respirace:
1. Glykolýza
2. Citrátový (Krebsův) cyklus
3. Oxidativní fosforylace
Rostlinná cytologie, Katedra experimentální biologie rostlin PřF UK
1. Glykolýza
- Probíhá v cytosolu
- Zahrnuje enzymy, oxidující cukry na organické kyseliny,
především pyruvát
- Organické kyseliny jsou transportovány do matrix mitochondrií
(škrob a sacharóza jsou
primárním zdrojem u
rostlin)
Rostlinná cytologie, Katedra experimentální biologie rostlin PřF UK
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 CO2 za redukce NAD+
a FAD (tedy vzniku NADH a FADH2) a vzniku ATP
Rostlinná cytologie, Katedra experimentální biologie rostlin PřF UK
3. Oxidativní fosforylace (elektrontransportní řetězec)
- Probíhá na vnitřní membráně mitochondrií
- Redukované NADH a FADH2 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)
Rostlinná cytologie, Katedra experimentální biologie rostlin PřF UK
3. Oxidativní fosforylace (elektrontransportní řetězec)- Hlavním cílem je vznik elektrochemického gradientu….
… který využívá ATP syntáza pro syntézu ATP
Rostlinná cytologie, Katedra experimentální biologie rostlin PřF UK
3. Oxidativní fosforylace (elektrontransportní řetězec)
- Rostlinné alternativní NAD(P)H dehydrogenázy
Rostlinná cytologie, Katedra experimentální biologie rostlin PřF UK
3. Oxidativní fosforylace (elektrontransportní řetězec)
- Alternativní oxidáza
Rostlinná cytologie, Katedra experimentální biologie rostlin PřF UK
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
Rostlinná cytologie, Katedra experimentální biologie rostlin PřF UK
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
Rostlinná cytologie, Katedra experimentální biologie rostlin PřF UK
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)
Rostlinná cytologie, Katedra experimentální biologie rostlin PřF UK
Transport proteinů do mitochondrií
-TOM komplex
Živočichové
a houby
Rostliny
a řasy
Tom40:
transmembránový
kanál
Tom70 a Tom20
(mtOM64 a
Tom20 rostlin):
receptory pro
rozpoznání
presekvence
Rostlinná cytologie, Katedra experimentální biologie rostlin PřF UK
Cell. Mol. Life Sci. 66 (2009) 1903 – 1923
Transport proteinů do mitochondrií
-SAM komplex (Sorting and Assembly Machinery) pro
membránové proteiny vnější membrány
TOM komplex
SAM komplex
Rostlinná cytologie, Katedra experimentální biologie rostlin PřF UK
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
TIM23 komplexTIM22 komplex
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
Více o transportu do mitochondrií, evoluci a o dalším:
https://vesmir.cz/cz/casopis/archiv-casopisu/2010/cislo-10/mitochondrialni-evoluce.html
Transport proteinů do mitochondrií
(přehled komplexů)
Biochimica et Biophysica Acta 1864 (2017) 737–746
Transport proteinů do mitochondrií
Transportní komplexy (především TOM a SAM) interagují s
MICOS v místě kontaktu vnější a vnitřní membrány
Rostlinná cytologie, Katedra experimentální biologie rostlin PřF UK
Genom rostlinných mitochondrií
Mitochondriální genom: Velikost:
Buněk živočichů 14-42kb
Buněk hub 18-176kb
Buněk rostlin 200 (Brassica) -2400kb (meloun)
či 10000kb (silenka)
Plastidový genom 120-200kb
Rostlinná cytologie, Katedra experimentální biologie rostlin PřF UK
Genom rostlinných mitochondrií
Mitochondriální genom: Velikost:
Buněk živočichů 14-42kb
Buněk hub 18-176kb
Buněk rostlin 200 (Brassica) -2400kb (meloun)
Plastidový genom 120-200kb
Proteiny kódované mitochondriálním genomem:
Živočichové cca 13 proteinů + komponenty pro translaci
Rostliny 57 známých proteinů + další předpokládané ORF
(akumulace nekódujících sekvencí, genom málo informačně
kompaktní)
(geny pro: tRNA; rRNA pro malou a velkou ribozomání podjednotku; proteiny
energetického metabolismu; několik ribozomálních proteinů; proteiny neznámé
funkce)
Rostlinná cytologie, Katedra experimentální biologie rostlin PřF UK
Genom rostlinných mitochondrií – subgenomické útvary
Trends in Plant Science 1997 2(12):477
Rostlinná cytologie, Katedra experimentální biologie rostlin PřF UK
New Phytologist (2010) 186: 299–317
Množství repetitivních sekvencí: hnací motor diverzity mit. genomu
Rostlinná cytologie, Katedra experimentální biologie rostlin PřF UK
Invertované
repetitivní
sekvence:
Změna pořadí
genů na
chromozomu
během
homologní
rekombinace
Přímé repetitivní
Sekvence:
generování
subgenomických
útvarů během
homologní
rekombinace
http://6e.plantphys.net/topic12.06.html
Množství repetitivních sekvencí: hnací motor diverzity mit. genomu
Mitochondriální genom - nukleoid
Nukleoid – prokaryotický chromozom, též chromozom plastidů a
mitochondrií
Nukleoid obsahuje DNA a proteiny:
- Kvasinky a živočichové: většina proteinů mitochondriálního
nukleoidu váže DNA za účelem zabalení DNA (mají též další
funkce např. v replikaci, rozpoznání promotorů atp.)
- Rostliny: rostlinně-specifické proteiny; proteiny
mitochondriálního nukleoidu mají většinou funkci v homologní
rekombinaci, udržování genomu a transkripci
Rostlinná cytologie, Katedra experimentální biologie rostlin PřF UK
Dělení mitochondrií
Mitochondrie nevznikají de novo, ale pouze dělením.
FtsZ (Filamentous temperature-sensitive line Z) protein se podílí na
dělení téměř všech prokaryot (GTPáza, příbuzná tubulinu)
Dělení plastidů: pomocí PD prstence (obsahuje FtsZ protein)
Dělení mitochondrií: pomocí MD prstence – složení?
Rostlinná cytologie, Katedra experimentální biologie rostlin PřF UK
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: pomocí PD prstence (obsahuje FtsZ protein)
Dělení mitochondrií: 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
Rostlinná cytologie, Katedra experimentální biologie rostlin PřF UK
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: pomocí PD prstence (obsahuje FtsZ protein)
Dělení mitochondrií: 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
WT mitochondrie
(Arabidopsis, pokožková
buňka)
Mitochondrie v buňkách
Arabidopsis nesoucích
mutaci dynaminu ADL2b,
který se podílí na dělení
mitochondrií.
Arimura and Tsutsumi 2002, PNAS 8:5729
Rostlinná cytologie, Katedra experimentální biologie rostlin PřF UK
Dělení mitochondrií
- Evoluční spojky
a-proteobakteriální FtsZ byl však nalezen u některých nižších eukaryot
jako je řasa Mallomonas splendens, primitivní červená řasa
Cyanidioschyzon merolae, nebo u Dictyostelium discoideum
Geny pro FtsZ přesídlily do eukaryotického jádra.
TRENDS in Plant Science Vol.8 No.9 September 2003
Dělící aparát mitochondrií řasy Cyanidioschyzon: