Mitochondrie - kfrserver.natur.cuni.czkfrserver.natur.cuni.cz/lide/schwarze/cytologie/mitochondrie 17.pdf · Rostlinná cytologie, Katedra experimentální biologie rostlin PřF UK

Mitochondrie

Peroxisómy

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

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





Seminars in Cell & Developmental Biology 21 (2010) 550–557

Mezofyl Arabidopsis tthaliana: mitochondrie,

plastidy.

Kultivované buňky tabáku: ER, mitochondrie.

Epidermis Arabidopsis


Živočišná buňka

Buňka kvasinky

EMBO reports 2002 3(6):527-531

Tvar mitochondrií


Pohyb mitochondrií v rostlinné buňce

Plastické organely

Dochází k neustálému dělení, fúzím a větvení mitochondrií:

Hypotéza nespojitého celku (Logan 2006)


Dynamika mitochondrií

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,

Rostlinná cytologie, Katedra experimentální biologie rostlin PřF UKPlant 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

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



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)

http://upload.wikimedia.org/wikipedia/commons/c/cb/Diphosphatidyl-Glycerol.png


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 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


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)


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


3. Oxidativní fosforylace (elektrontransportní řetězec)

- Probíhá na vnitřní membráně mitochondrií

- Redukované NADH a FADH2 jsou oxidovány složkami řetězce (typicky složený

z proteinového komplexu I-IV)

- 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)- série prostorově oddělených redoxních reakcí, kde je elektron předáván z

donoru na akceptor tak, že postupně uvolňovaná energie je využita na

transport H+ iontů do mezimembránového prostoru.

- Hlavním cílem je vznik elektrochemického gradientu….

… který využívá ATP syntáza pro syntézu ATP



- Rostlinné alternativní NAD(P)H dehydrogenázy



Alternativní oxidáza:

- přenáší elektrony z ubichinolu na O2 za tvorby H2O (obchází -

cytochrom c oxidázu (komplex IV)

- neprodukuje energii využitelnou pro syntézu ATP

- funkce ve vyrovnávání uhlíkového metabolismu a elektronového

transportu; termogeneze


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

Mitochondrie embrya kukuřice:

24h po klíčení 48h po klíčení


Transport proteinů do mitochondrií

DNA rostlinných mitochondrií kóduje 3-67 proteinů

Odhadem 1000 proteinů musí být transportováno z cytoplazmy. Transport

proteinů do mitochondrie se podobá transportu proteinů do plastidů, ale využívá jiné presekvence a

jiný importní aparát!

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)



-TOM komplex

Živočichové

a houby

Rostliny

a řasy

Tom40:

transmembránový

kanál

Tom70 a Tom20

(mtOM64 a

Tom20 rostlin):

receptory pro

rozpoznání

presekvence


Cell. Mol. Life Sci. 66 (2009) 1903 – 1923


-SAM komplex (Sorting and Assembly Machinery) pro

membránové proteiny vnější membrány

TOM komplex

SAM komplex


Cell. Mol. Life Sci. 66 (2009) 1903 – 1923


-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

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: Velikost:

Buněk živočichů 14-42 kb

Buněk hub 18-176 kb

Buněk rostlin 200 (Brassica) -2400 kb (meloun)

či 10 000 kb (silenka)

Plastidový genom 120-200 kb

Proteiny kódované mitochondriálním genomem:

Živočichové cca 13 proteinů + komponenty pro translaci

genom vysoce kompaktní

Rostliny 57 známých proteinů + další předpokládané

ORF; vysoká akumulace nekódujících

sekvencí(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

Struktura genomu mitochondrií vyšších rostlin: genom existuje jako soubor menších

cirkulárních DNA o různých velikostech (subgenomické cirkulární DNA) a detekovány byly i

jiné formy (lineární či větvená molekula DNA, sigma struktury atd.).


New Phytologist (2010) 186: 299–317

Hnací motor diverzity mitochondriálního genomu rostlin je zřejmě vysoké

množství repetitivních sekvencí a intenzivní rekombinační aktivita


Invertované

repetitivní

sekvence:

Změna pořadí

genů na

chromozomu

Přímé repetitivní

Sekvence:

generování

subgenomických

útvarů

http://6e.plantphys.net/topic12.06.html

Hnací motor diverzity mitochondriálního genomu rostlin je zřejmě vysoké

množství repetitivních sekvencí a intenzivní rekombinační aktivita


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



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



- 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.

TRENDS in Plant Science Vol.8 No.9 September 2003

Dělící aparát mitochondrií řasy Cyanidioschyzon:


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.


PeroxisómyMB: peroxisóm

(z názvu

microbody);

CY: kataláza;

C: chloroplast;

L: vakuola

Pohyb peroxizómů je

zajištěn pomocí

aktinového

cytoskeletu

(pokožkové buňky

Arabidopsis)


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 N2).

Peroxisómy


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

oxygenázovou

aktivitou

Rubisca.


MB: peroxisóm

CY: kataláza

M: mitochondrie

G: granum

CR: plastidové

ribozómy

F: stromatální

thylakoidy

I: vnitřní

membrána

plastidu

Glykolátový cyklus - fotorespirace

Documents

Mitochondrie - kfrserver.natur.cuni.czkfrserver.natur.cuni.cz/lide/schwarze/cytologie/mitochondrie 17.pdf · Rostlinná cytologie, Katedra experimentální biologie rostlin PřF UK