Mitochondria PDF

Preview

Summary

Download Mitochondria PDF

Description

MITOCHONDRIA – STRUKTURA I FUNKCJE 1. Pochodzenie i funkcja mitochondriów pochodzenie: 

uważa się, że mitochondria (i chloroplasty) powstały w odmienny sposób niż reszta organelli, ponieważ różnią się posiadaniem własnych małych genomów DNA i zdolnością syntezy własnych białek



podobieństwo ich genomów oraz pewnych białek do genomów i białek bakteryjnych sugerują, że mitochondria powstały podczas ewolucji z bakterii, wchłoniętych przez prymitywne kom. eukariotyczne, z którymi żyły początkowo w symbiozie; to wyjaśniałoby też podwójne obłonienie

funkcje: mitochondria wytwarzają energię chemiczną dla całej komórki; czerpią tę energię z utlenienia cząsteczek pokarmu, takich jak cukry; tworzą podstawowe paliwo chemiczne – ATP – który zasila większość procesów czynnych w komórce

2. Morfologia mitochondriów – liczba, wielkośc , kształt, rozmieszczenie w komórce, charakterystyka mitochondriów steroidowych i brunatnej tkanki tłuszczowej 

mitochondria mogą zajmować od 12 – 25% objętości komórki; przeważnie są elipsoidalne, okrągłe lub niekiedy rozgałęzione, o średnicy 0,5 – 1 mikrometra (MM) i długości 1-7, a nawet 10 (włókna mięśni szkieletowych) MM  taka wielkość umożliwia ich obserwację w mikroskopie świetlnym



liczba, wielkość, kształt, rozmieszczenie, a także ultrastruktura są zależne od aktywności metabolicznej, rodzaju i funkcji kom:

plemniki – kilkadziesiąt mitochondriów; oocyty – 200 000; kom. nabłonkowe kanalików krętych nerek/ kom. endokrynowe kory nadnerczy – 1000 hepatocyty – 1000-2500 małe ilości mitochondriów: w limfocytach, kom. naskórka, słabo zróżnicowanych kom. nowotworowych i w kom. starzejących się

mitochondria steroidowe – występujące w kom. zaangażowanych w syntezę hormonów steroidowych (kom. steroidogenne), ponieważ niektóre etapy tej syntezy odbywają się w mitochondriach – mają one liczne grzebienie mitochondrialne o charakterystycznym kształcie cewek (stąd ich inna nazwa – cewkowate/tubularne); występują np. w kom. kory nadnerczy, Leydiga, pęcherzyka jajnikowego, ciałka żółtego brunatna tkanka tłuszczowa (u noworodków ssaków, także człowieka, u zwierząt hibernujących) – charakteryzuje się dużą ilością okrągłych mitochondriów z gęsto ułożonymi grzebieniami i znaczną zawartością cytochromów, natomiast z uderzająco małą ilością syntazy ATP  główną fukncją mitochondriów tej tkanki jest wytwarzanie ciepła; polega to na przekształcaniu energii uwalnianej podczas transportu elektronów przez łańcuch oddechowy w ciepło; wytworzenie ciepła umożliwia specjalne białko rozprzęgające – termogenina, znajdująca się w wewnętrznej błonie mitochondrialnej adipocytów

3. Budow a ultrastrukturalna i chemiczna błon mitochondrialnych 

   

mitochondria są otoczone dwiema błonami różniącymi się morfologicznie, molekularnie i funkcjonalnie; zewnętrzna błona o grubości 6-7 nm ma powierzchnię gładką, w przeciwieństwie do cieńszej, silnie pofałdowanej błony wewnętrznej tworzącej tzw grzebienie mitochondrialne ( w mikroskopie elektronowycm widziane jako lamelle), to silne pofałdowanie znacznie zwiększa powierzchnię błony morfologia grzebieni mitochondrialnych i w związku z tym wielkośc ich powierzchni zmienia się w zależności od rodzaju kom. (najwięcej grzebieni w mięśniu sercowym) wewnętrzna powierzchnia błony wewn. ujawnia obecnośc buławek (grzybków) o średnicy 8-10 nm, wykazujących aktywność syntazy i hydrolazy ATP obie błony moga łączyć się ze sobą, tworząc tzw. miejsca kontaktu y charakterystyczny układ przestrzenny błon mitochondrialnych powoduje powstanie funkcjonalnie zróżnicowanych przedziałów

Błona zewnętrzna: stosunek białek do lipidów 1:1; zawiera: 

 

specyficzne kanały o zmiennej przepuszczalności (VDAC – voltage-dependent anionic channel, dawniej zwane porynami). VDAC może mieć dwa skrajne stany czynnościowe: otwarty, o wysokiej przepuszczalności i selektywny dla anionów oraz zamknięty (niezupełnie) o niskiej przepuszczalności i selektywny dla kationów; zaobserwowano również stany pośrednie. W stanie otwartym VDAC umozliwia przechodzenie przez błonę również większych cząsteczek, o masie do 5 kDa. VDAC: - reguluje transport AMP, ADP i ATP do/z mitochondriów - reguluje transport jonów Ca2+ do/z mitochondriów, a także pomiędzy mitochondriami oraz pomiędzy mitochondriami a siateczką śródplazmatyczną (może dochodzić do kontaktu organelli) - wiąże białka proapoptotyczne i uczestniczy w zapoczątkowaniu zjawisk zwi azanych z procesem apoptozy, zachodzących na terenie mitochondriów translokony zawierające receptory dla odcinków sygnałowych białek mitochondrialnych enzymem markerowym jest oksydaza monoaminowa (MAO)

Błona wewnętrzna: > 80% białek, specyficzny lipid (kardiolipina); błona zawiera:  łańcuch oddechowy (jego składnik, oksydaza cytochromowa, jest markerem tej błony)  kompleksy syntazy ATP (F0-F1 ATPaza) w formie "grzybków"  liczne białka transportowe, dzięki czemu jej przepuszczalność jest wysoce selektywna

4. Skład i funkcja matrix mitochondrialnego 



 





matriks przypomina konsystencję żelu, woda stanowi mniej niż 50% całej obj. matriks; przedział ten pod względem enzymatycznym jest najbogatszym i najbardziej zróżnicowanym przedziałem mitochondrialnym, a zawarte w nim układy enzymatyczne zmieniają się w zależności od rodzaju kom częściowa autonomia genetyczna mitochondriów jest związana z występowaniem w matriks mitochondrialnego DNA (mtDNA), enzymów (polimeraza DNA i RNA, syntetaza aminoacylo tRNA) i czynników białkowych niezbędnych do replikacji, tranksrypcji i translacji; synteza białek odbywa się na wolnych polirybosomach matriks zawiera ponadto peptydazy odcinające sekwencje sygnałowe od białek importowanych do mitochondriów, występują w niej także białka szoku termicznego Hsp (ang heat shock protein), należące do białek opiekuńczych – chaperonów; ich obecność zapobiega tworzeniu się niepożądanych i nieprawidłowych konformacji białek obok różnych białek matriks może zawierać gęste elektronowo ziarnistości (20 -50nm), które są przede wszystkim precypitatami fosforanów wapnia, a ich obfite pojawienie się jest wyrazem kalcyfikacji mitochondriów, zwłaszcza w warunkach niedotlenienia lub działania czynników toksycznych markerem jest dehydrogenaza izocytrynianowa

*Przestrzeń międzybłonowa daje się zauważyć tylko w okresie nasilonej fosforylacji oksydatywnej. Ze względu na nieselektywną przepuszczalność błony zewnętrznej zawartość przestrzeni międzybłonowej różni się od składu cytozolu tylko brakiem dużych cząsteczek białkowych; marker to kinaza adenilanowa

5. Powstawanie acetylo-konezymuA katalizowane przez dehydrogenazę pirogronianową 1) Powstały w procesie glikolizy, a dokładnie fosforylacji substratowej pirogronian z cytoplazmy przedostaje się do mitochondrium 2) na terenie mitochondrium cząsteczki pirogronianiu (po dwie cząsteczki pirogronianiu z każdej jednej cząsteczki glukozy) ulegają dekarboksylacji (pozbawienie grupy karboksylowej – w tym przypadku z efektem wydzielania CO2) oraz utlenieniu (w tym przypadku poprzez dehydrogenację, czyli odłączenie atomów wodoru). 3) 3-węglowa cząsteczka pirogronianiu pozbawiona grupy karboksylowej, czyli jednego atomu węgla tworzy 2-węglowy związek, czyli grupę acetylową 4) Następnie grupy te łączą się z pochodną kwasu pantotenowego (czyli witaminy B5) – koenzymem A – tworząc acetylo-CoA. Bilans tego procesu to: 2 cząsteczki acetylo-CoA, 2 cząsteczki NADH dostarczające protony do łańcucha oddechowego oraz dwie cząsteczki CO2 na jedną cząsteczkę glukozy. Na tym etapie nie powstaje żadna cząsteczka ATP, jednak do łańcucha transportu elektronów dostarczana jest taka sama liczba protonów (w postaci NADH) co z glikolizy. sumarycznie:

6. Łańcuch oddechowy i rola ubichinonu, cytochromu B i C łańcuch oddechowy składa się z prawie 40 białek, z których ok. 15 bierze bezpośredni udział w transporcie elektronów; większość białek tkwi w dwuwarstwie lipidowej i funkcjonuje tylko w nieuszkodzonej błonie  utrudnienie badania; skłaniki łańcucha transportu elektronó można solubilizować (podo bnie jak inne białka błonowe) stosując niejonowe detergenty, następnie oczyszczać i rekonstytuować w małe pęcherzyki błonowe  wykryto, że większość białek łańcucha oddechowego jest zgrupowana w 3 dużych enzymatycznych kompleksach oddechowych (w ich skład wchodzą też białka transbłonowe, ktore osadzają kompleks w wewn. błonie mitochondrialnej) : 1) kompleks dehydrogenazy NADH 2) kompleks cytochromów b-c1 3) kompleks oksydazy cytochromowej



Łańcuch oddechowy tworzy szereg białek umieszczonych w i na wewnętrznej błonie mitochondrialnej). Białka te transportują elektrony wzdłuż błony komórkowej i protony (H+) w poprzek błony z wnętrza mitochondriom (matriks) do przestrzeni perymitochondrialnej. Taki transport powoduje powstanie różnicy potencjałów po obu stronach błony (z przewagą jonów dodatnich po stronie przestrzeni perymitochondrialnej)



Protony z Cyklu Kwasu Cytrynowego transportowane przez NADH+H+ przechodzą na pierwszy element łańcucha oddechowego – mononukleotyd flawinowy (FMN) utleniając się do NAD+ i uwalniając dwa protony, od których odłączone zostają elektrony. Elektrony te poprzez centrum żelazowo-siarkowe (FeS) przekazywane są na ubichinon (koenzym Q - CoQ).



Koenzym Q migrując wewnątrz błony lipidowej transportuje dalej elektrony i przekazuje kolejną porcję protonów z FADH2 z matriks na kompleks III, gdzie cytochrom b poprzez kolejne centrum żelazowo siarkowe uwalnia protony do przestrzeni perymitochondrialnej a elektrony przekazuje na cytochrom c1. Stąd niewielki i mobilny, migrujący po powierzchni wewnętrznej błony mitochondrialnej cytochrom c odbiera elektrony i przekazuje je do dużego kompleksu białkowego (kompleks IV) o nazwie oksydaza cytochromu c. Jest to ostatni element transportu elektronów wzdłuż błony mitochondrialnej i ostatni element transportujący protony do przestrzeni peryplazmatycznej. Kompleks ten składa się z 13 transbłonowych podjednostek białkowych, spośród których tylko pierwsze 3 biorą aktywny udział w transporcie elektronów i protonów, a w ich obszarze znajduje się kilka centrów aktywnych jak: cytochrom a zawierający hem a, cytochrom a3 zawierający hem a3 oraz jony metali. Hemy biorą udział w transporcie protonów i elektronów, natomiast jony metali biorą udział w utlenianiu jonów wodoru tlenem pochodzącym z wdychanego powietrza do wody W wyniku działania łańcucha oddechowego wewnątrz przestrzeni perymitochondralnej wzrasta stężenie jonów wodorowych, które pod wpływem różnicy potencjałów elektrycznych starają się wrócić do wnętrza matriks. bilans łańcucha oddechowego:





UBICHINON (koenzym Q), to mała hydrofobowa cząsteczka rozpuszczalna w dwuwarstwie lipidowej, jest jedynym przenośnikiem nie będącym częścią białka. W łańcuchu transportu elektronów ubichinon odbiera jeden H+ ze środowiska wodnego z każdym przejmowanym elektronem, a może on przenosić jeden lub dwa elektrony jako część atomu wodoru. Kiedy zredukowany ubichinon oddaje swoje elektrony do następnego przenośnika w łańcuchu, protony te zostają uwalniane. Ubichinon jest przytrzymywany w błonie przez długi hydrofobowy ogon zawierający 6-10 pięciowęglowych jednostek izoprenowych, przy czym ich liczba zależy od typu organizmu. W kategorii ubywania energii, przenoszenie elektronów przy pomocy przenośnika jakim jest ubichinon, potencjał redoks wynoszący +30 mV umiejscawia ubichinon ok. jednej czwartej drogi od NADH „ w dół” łańcucha. Wszystkie pozostałe przenośniki elektronów w łańcuchu oddechowym są małymi cząsteczkami ściśle związanymi z białkami. Pomiędzy NADH a ubichinonem, wewnątrz kompleksu dehydrogenazy NADH, elektrony przechodzą między grupą flawonową związaną z kompleksem białkowym a centrami żelazosiarkowymi, ułożonymi według wzrastającego potencjału oksydoredukcyjnego. Ostatnie centrum w dehydrogenazie oddaje elektrony do ubichinonu. Centra żelazowo-siarkowe mają względnie małe powinowactwo do elektronów, dlatego są mniej przydatne w dalszym odcinku łańcucha transportu elektronów, na drodze prowadzącej od ubichinonu do O 2.

7. Budowa i funkcja syntazy ATP 

jest to wielki kompleks białkowy wewn. błony mitochondrialnej, ktory katalizuje fosforylację ADP do ATP; jest bardzo konserwatywna;



syntazy oglądane w mikroskopie wyglądają jak grzybki wystające z błony w kierunku matriks;



a) część wystająca białka – F1 (frakcja 1 - składa się z 5 podjednostek: α, β(ułożone naprzemiennie, tworzą główkę, zawierają miejsca katalityczne), γ, δ, ε (trzon grzybka, łączą F1 z FO ), b) część zakotwiczona w błonie – FO (frakcja oligomycynowa – część hydrofobowa zakotwiczona w błonie jest zbudowana z podjednostki a, 2 podj. b i 10 podj. c; pełni fukcję kanału dla protonów) ;

 

syntezę ATP napędzają jony H+ przepływające przez syntazę ATP z powrotem do matriks, do enzymu wchodzą ponownie przez kanał FO mechanizm syntezy ATP polega na cyklu zmian powinowactwa miejsc katalitycznych w podjednostkach β do ADP i ATP

Rola fizjologiczna Wewnątrz błony mitochondrialnej następuje utlenianie NADH do NAD+. Uwolnione elektrony uczestniczą w łańcuchu oddechowym, aby napędzić przeniesienie protonów w poprzek błony przez składające się na ten łańcuch odpowiednie przenośniki (pompy). ATP wytwarzane jest z ADP i Pi (reszty ortofosforanowej) w wyniku działania syntazy ATP. Rotacja jej odpowiedniego segmentu umożliwia syntezę ATP. Energia niezbędna do syntezy dostarczana jest przez gradient elektrochemiczny....