Energetické zajištění života buněk – mitochondrie a plastidy
doc. Mgr. Jiří Drábek, PhD. Laboratoř experimentální medicíny při Dětské klinice LF UP a FN Olomouc
1
Alberts • Johnson • Lewis • Raff • Roberts • Walter
Molecular Biology of the Cell Fifth Edition
Chapter 14 Energy Conversion: Mitochondria and Chloroplasts Copyright © Garland Science 2008
2
Dnešní program • • • • •
Mitochondrie (mt) Elektronové transportní řetězce a jejich protonové pumpy Chloroplasty a fotosyntéza Genetické systémy mt a plastidů Srovnání elektronových transportních řetězců
3
Vlastnosti buňky 1. 2. 3. 4.
Informace, dědičnost Vnitřní prostředí Aktivita, odpověď, pohyb Energie (pro předchozí)
4
Získávání energie pro život
Figure 14-1 Molecular Biology of the Cell (© Garland Science 2008)
Mb – má proteinovou pumpu, ATP syntházu, zdroj e- (chemické palivo - oxidace potravin; slunce). H+ je volně dostupný z vody 1) Přenos e- nastartuje pumpu pro vodíkové kationty – tvorba elektrochemického protonového gradientu (iontový gradient je akumulátorem E) 2) Protonový gradient je využit „turbínou“ ATP syntházou k tvorbě ATP z ADP a anorganického fosfátu (anebo u bkt k přímé rotaci flagela bez mezistupně ATP)
5
Chemiosmotické propojení
Figure 14-2 Molecular Biology of the Cell (© Garland Science 2008)
Chemi – chemická tvorba ATP Osmo – transport přes mb Mt – elektrony jsou uvolněny v průběhu degradace polysacharidů na CO2, přenášeny řetězcem elektronových přenašečů až redukují plynný kyslík na vodu. Během přenosu se E e- přenáší na tři protonové pumpy. První pumpa je NAD+ (přeměněna na NADH) Ct – mají fotosystémy, světelná E zachycena chlorofylem; e- jsou odebrány z vody (narozdíl od mt) pro tvorbu O2 a darovány (přes NADPH) CO2 k tvorbě sacharidů
6
Transport elektronů
Figure 14-3 Molecular Biology of the Cell (© Garland Science 2008)
Elektronový transportní řetězec – soubor mlk transportu Světle zeleně vstupní E, výstup modrý, červenými šipkami dráha elektronů, oranžově proteinové komplexy v mb Vstupní a výstupní mlk se liší u mt a ct
7
Mitochondrie
Tvorba ATP bez mt – E nevýhodná anaerobní glykolýza (glukóza na pyruvát) Tvorba ATP s mt – pyruvát oxidován na CO2 a O2, tvoří 15krát více ATP=30 mlk ATP/mlk glukózy (!)
8
Plasticita mt
Figure 14-4 Molecular Biology of the Cell (© Garland Science 2008)
Mt jsou „živé“, pohybují se podél mikrotubulí Studium mt – jaterní buňky, u kterých v každé 1500 mt
9
Mt se seřazují podél mikrotubulů
Mt pomocí Rhodaminu 123
Mikrotubuly pomocí Ab
Figure 14-5 Molecular Biology of the Cell (© Garland Science 2008)
Stejná buňka
10
Mt na místech vysoké spotřeby ATP
Figure 14-6 Molecular Biology of the Cell (© Garland Science 2008)
Mt v místech vysoké spotřeby se nepohybují podél mikrotubulů – zůstávají fixovány, fúze mt
11
Biochemická frakcionace mt
Figure 14-7 Molecular Biology of the Cell (© Garland Science 2008)
Při nízkém osmotickém tlaku praská vnější mb
12
Mitochondrie
Figure 14-8 (part 1 of 2) Molecular Biology of the Cell (© Garland Science 2008)
Jaterní mt Vnější mb obsahuje porin (vodní kanál prostupný pro max 5kDa) Vnitřní lipidová dvojvrstva obsahuje kardiolipin – fosfolipid se čtyřmi mastnými kyselinami namísto dvou (více nepropustné pro ionty) Proteiny v mt matrix: -Metabolizace pyruvátu -Metabolizace mastných kyselin -Produkce CoA -Oxidace CoA v cyklu kyseliny citrónové (citrátový cyklus) Elektronový transportní řetězec v mt - dýchací řetězec (oxidativní fosforylace) Vnitřní mb tvoří kristy
13
…mitochondrie
Figure 14-8 (part 2 of 2) Molecular Biology of the Cell (© Garland Science 2008)
Matrix – stovky enzymů, mt genom (několik kopií), tRNA, mt ribozómy Vnitřní mb – kristy zvětšují povrch; proteiny dýchacího řetězce, ATP syntházy, transportní proteiny pro metabolity Vnější mb – kanálový porin, enzymy pro syntézu lipidů Mezimb prostor- využití ATP k fosforylaci nukleotidů Cukry nebo mastné kyseliny se přemění na acetylCoA, acetyl CoA se citrátovým cyklem přemění na odpadní CO2 při přenosu nabitých elektronů na NADH, FADH2 (které přeměněny na NAD+ a FAD)
14
NADH daruje elektrony
Figure 14-9 Molecular Biology of the Cell (© Garland Science 2008)
Červené tečky – nabité elektrony Hydridový iont – vodík s elektronem navíc – je přeměněn na H+ a 2 elektrony Obdobně FADH2
15
Výroba E v mt
Figure 14-10 Molecular Biology of the Cell (© Garland Science 2008)
1) Zespodu – pyruvát a mastné kyseliny jsou rozloženy na acetylCoA 2) acetylCoA je metabolizován citrátovým cyklem (NAD+ redukováno na NADH a FAD na FADH2) 3) Během oxidativní fosforylace jsou elektrony z NADH a FADH2 přeneseny na kyslík, při tom je generován protonový gradient, který je využit k tvorbě ATP ATPsyntházou
16
Přeměna NADH (a FADH2) energie na ATP energii
Figure 14-11 Molecular Biology of the Cell (© Garland Science 2008)
Oxidativní fosforylace – přeměna chemické E na chemickou (NADH a FADH2 na ATP)
17
Srovnání biologické oxidace a výbuchu
Figure 14-12b Molecular Biology of the Cell (© Garland Science 2008) Figure 14-12a Molecular Biology of the Cell (© Garland Science 2008)
Výbuch – vodík spálen, uvolněno teplo Biologická oxidace – vodík rozložen na protony a elektrony, které jsou přenášeny z jednoho kovového iontu na druhý (3 velké enzymové dýchací komplexy), většina E je uložena do formy s odkladem použití, část uvolněna jako teplo Pohyb vodíkových protonů vytváří pH gradient (pH vyšší v mt matrix) a mb potenciál (vnitřek mb negativní), delta pH a delta V (=delta Ψ), což je dohromady zvané elektrochemický protonový gradient a měřitelné jako protonová síla v milivoltech
18
Elektrochemický protonový gradient
Figure 14-13 Molecular Biology of the Cell (© Garland Science 2008)
Celková protonová přenášecí síla mt (nese protony do matrix) sestává z menší části z delta pH a z větší části z delta V
19
Oxidativní fosforylace
Figure 14-14 Molecular Biology of the Cell (© Garland Science 2008)
ATPsyntháza vytváří hydrofilní cestu přes vnitřní mt mb
20
ATP syntháza
Figure 14-15 Molecular Biology of the Cell (© Garland Science 2008)
Květ tulipánu Stator (zelené a), rotor (červené c podjednotky), hlava (alfa beta, ATPázová fce po uvolnění z mb, 3D obraz z krystalografie)
21
Gradienty na mt mb
Figure 14-16 Molecular Biology of the Cell (© Garland Science 2008)
22
Rotace bkt bičíku poháněná H+
Figure 14-17 Molecular Biology of the Cell (© Garland Science 2008)
Rotace je poháněná tokem vodíkových protonů přes vnější prstenec proteinů (stator)
23
Produkty oxidace cukrů a tuků
Table 14-1 Molecular Biology of the Cell (© Garland Science 2008)
24
Hydrolýza ATP
Figure 14-18 (part 1 of 4) Molecular Biology of the Cell (© Garland Science 2008)
ATP - nabitý akumulátor, používaný pro E nevýhodné procesy Reakční kinetika
25
Syntéza ATP
Figure 14-18 (part 2 of 4) Molecular Biology of the Cell (© Garland Science 2008)
26
Rovnováha ATP
Figure 14-18 (part 3 of 4) Molecular Biology of the Cell (© Garland Science 2008)
Rovnovážná konstanta K
27
Termodynamika hydrolýzy ATP
Figure 14-18 (part 4 of 4) Molecular Biology of the Cell (© Garland Science 2008)
Při rovnováze standardní změna volné energie na reakci (delta G0) = -RTlnK R plynová konstanta T absolutní teplota Delta G = jak daleko je reakce od rovnováhy, poháněcí síla chemické reakce
28
ATP syntháza mění E v obou směrech
Figure 14-19 Molecular Biology of the Cell (© Garland Science 2008)
A) Elektrochemický protonový gradient změněn na chemickou E vazby B) Chemický E ATP vazby změněna na elektrochemický protonový gradient (pumpování protonů proti elektrochemickému gradientu) Zpětnosměrný spřažný mechanismus Směr reakce závisí na celkové změně volné E (delta G) spřaženého procesu ATP syntháza pumpuje 60 krát silněji než dieselový motor o stejné velikosti
29
Elektronové transportní řetězce a jejich protonové pumpy
30
Protony ve vodě
Figure 14-20a Molecular Biology of the Cell (© Garland Science 2008)
Protony se rychle pohybuje podél „řetězce“ mlk vody, vázaných vodíkovou vazbou Protony neexistují osamoceně, ale navázané na H2O (H3O+) Při neutrálním pH je koncentrace H3O+ rovna 10-7 M Modrá šipka – protonový skok Hydroniový iont (H3O+) – zelené pozadí
31
Elektronový transfer může přenést celý vodíkový atom
Figure 14-20b Molecular Biology of the Cell (© Garland Science 2008)
H+ na rozdíl od Na+ anebo K+: -Časté v organických mlk -Součást všudypřítomné vody -Mobilní (přeskakují z jedné mlk H2O na druhou)
32
Pumpování protonů přes mb
Figure 14-21 Molecular Biology of the Cell (© Garland Science 2008)
Elektronový transportní řetězec v lipidové dvouvrstvě přenáší elektron B nabere proton z jedné strany mb, odevzdá na druhé straně (při přenosu e- z A na C) Přenosem e- se jedna mlk oxiduje, druhá redukuje – jedná se o redoxní rci Redoxní pár NADH/NAD+: NADH ↔ NAD+ + H+ + 2eRedoxní potenciál – měřítko afinity k e-, elektrony spontánně přecházejí z redoxních párů s nízkým redoxní potenciálem (NADH/NAD+) na redoxní páry s vysokým redoxním potenciálem (O2/H2O), měřítkem je změna standardní volné E (delta G0) Reakce 2H+ + 2e- + 1/2O2 → H2O probíhá v živých systémech po malých krocích v elektronovém transportním řetězci, aby se využila E (a nepřeměnila v teplo)
33
Kovalentní připojení hemu k cytochromu c
Figure 14-22 Molecular Biology of the Cell (© Garland Science 2008)
Proteiny dýchacího řetězce – cytochromy, železosirné proteiny, chinony, měďnaté atomy a flavin Cytochromy: modře zobrazený porfyrinový kruh (existují rozdílné cytochromy v respiračním řetězci s různými afinitami k elektronu) Obdobně železo v hemoglobinu v krvi a hořčík v chlorofylu v listech Elektronové přenašeče v dýchacím řetězci absorbují viditelné světlo a mění barvu při oxidaci nebo redukci – spektroskopický objev cytochromů a, b, c v 1925 Železo se přijetím e- redukuje z Fe3+ na Fe2+
34
Železosirné centrum 2Fe2S a 4Fe4S
Figure 14-23 Molecular Biology of the Cell (© Garland Science 2008)
Přenášejí jen jeden e-
35
Chinonoví přenašeči elektronů
Figure 14-24 Molecular Biology of the Cell (© Garland Science 2008)
Ubichinon v mt (plastochinon v chloroplastech) = koenzym Q, malá hydrofobní mlk v lipidové dvojvrstvě, přenáší jeden nebo dva e- (a jeden nebo dva H+) Elektronové přenašeče mají zvyšující se afinity pro e- (vyšší redoxní potenciály) podél respiračního řetězce
36
Dráha elektronů v enzymových komplexech dýchacího řetězce
Figure 14-26 Molecular Biology of the Cell (© Garland Science 2008)
Většina enzymů dýchacího řetězce je seskupena do tří velkých enzymových komplexů: NADH dehydrogenáza (komplex I) směr flavin-železnosirná centra-ubichinon (pumpování protonů) Cytochrom b-c1 (dimer) směr od ubichinonu přes cytochromy a železnosirné centra do cytochromu c Cytochrom-oxidázový komplex (dimer) – z cytc přes cytochromy a měďnaté atomy přenáší na kyslík 4 e- (cytochrom-oxidáza funguje jako sběrné místo pro e-: NADH daruje dva e-, přenašeče přenášejí po jednom e-, 2 musí získat 4 e-). Důležitost sběrného místa: superoxidový radikál O2- je nebezpečně reaktivní, proto uzamknutí v bimetalickém (Fe-Cu) centru Kyanid a azid blokují elektronový transport (a tvorbu ATP) ve vnitřní mt mb svou silnou vazbou k cytochrom-oxidázovému komplexu Kyslík uvolní velké množství volné E při své redukci na vodu (evoluční energetický skok ve srovnání s anaerobním metabolismem)
37
Změny redoxního potenciálu v mt elektronovém řetězci
Figure 14-29 Molecular Biology of the Cell (© Garland Science 2008)
Redoxní potenciál E0 se zvyšuje s přechodem e- podél dýchacího řetězce Část E využita k pumpování H+ přes vnitřní mt mb
38
Obecný model vodíkové pumpy
Figure 14-31 Molecular Biology of the Cell (© Garland Science 2008)
Model společný pro cytochromoxidázu a světlem poháněnou prokaryotickou protonovou pumpu (bakterio-rhodopsin) Různá E konformací A, B, C A nabere vodík z vniřní mb (z matrix mt) C odevzdá vodík do mezimb prostoru mt Přechod B na C je u cytochrom-oxidázy z e- transportu, u bakteriorhodopsinu ze svěla (další možnost ATP) Odpřahovací činidla (uncoupling agents) – např. 2,4 dinitrofenol, oddělují elektronový transport od ATP syntézy tím, že umožňují zkrácený přenos vodíku přes vnitřní mt mb bez využití ATPsyntházy Přirozené oddělení e- transportu od ATP syntézy generuje teplo: je u „hnědého tuku“ pro probuzení hibernujících zvířat a ochranu novorozenců
39
Hlad a dostatek
Figure 14-32 Molecular Biology of the Cell (© Garland Science 2008)
Zpětnovazebná kontrola procesů glykolýzy, rozkladu mastných kyselin, citrátového cyklu a elektronového transportu dle ATP:ADP poměru umožňuje desetinásobné navýšení oxidace (při svalovém vypětí) Baktérie: stejné principy chemiosmózy, ale větší rozmanitost -Aerobní, anaerobní (fermentativní glykolýza), fakultativně aerobní -Alternativním elektronovým akceptorem může být dusíková, sirná nebo uhlíková (fumarát, karbonát) mlk místo kyslíku
40
Chloroplasty a fotosyntéza
Většina organického materiálu na Zemi je a byla (až po samé geochemické prvopočátky) tvořena fotosyntetizujícími organismy Nejpokročilejší fotosyntetizující bkt jsou cyanobkt: fixují uhlík reakcí nH2O + nCO2 + světlo → (CH2O)n + nO2 U rostlin a řas je fotosyntéza ve specializované organele, chloroplastu (pocházející z endocytované bkt stejně jako mt)
41
Plastidová diverzita
Figure 14-34 Molecular Biology of the Cell (© Garland Science 2008)
Plastidy mají genom ve více kopiích, jsou obklopeny dvěma koncentrickými mb, probíhá zde syntéza purinů, pyrimidinů, ak a mastných kyselin (u živočichů v cytosolu), vyvíjejí se z proplastidů v rostlinných meristémech (špička kořene) List ve tmě – proplastid se vyvine v etioplast, po expozici světlu chloroplast Epidermální a vntiřní pletiva – leukoplast, např. amyloplast naplněný škrobem (u bramboru velký jako průměrná živočišná buňka)
42
Velká vakuola, kolem malá cytoplazma s ct, jádrem, mt
Figure 14-35a Molecular Biology of the Cell (© Garland Science 2008)
43
Chloroplast s produkty syntézy
Figure 14-35b Molecular Biology of the Cell (© Garland Science 2008)
Ct se podobá mt, ale je větší a má navíc kompartment thylakoid Granum je štos thylakoidů
44
Dvě thylakoidová zrnka
Figure 14-35c Molecular Biology of the Cell (© Garland Science 2008)
45
Chloroplast
Figure 14-36 Molecular Biology of the Cell (© Garland Science 2008)
Mb: -Vnější -Vnitřní bez krist a dýchacího řetězce -Thylakoidová mb s elektronovým transportním řetězcem, ATPsyntházou a fotosyntetickým systémy k zachycení světla Thylakoidy jsou navzájem propojené a vytvářejí zrna
46
Srovnání mt a ct
Figure 14-37 Molecular Biology of the Cell (© Garland Science 2008)
Stroma ct ≈ matrix mt
47
Schéma fotosyntézy v chloroplastu
Figure 14-38 Molecular Biology of the Cell (© Garland Science 2008)
Voda je oxidována, kyslík uvolněn a CO2 asimilován=fixován k tvorbě cukrů Reakce -Fotosyntetický transport e-, světelná rce, e- nabije chlorofyl, elektronový transport, pumpování H+ přes thylakoidní mb umožňuje syntézu ATP ve stromatu, nakonec změna NADP+ na NADPH -Fixace uhlíku, temnostní rce, ATP a NADPH se využije k přeměně CO2 na sacharid (sacharóza)
48
Primární reakce při fixaci uhlíku
Figure 14-39 Molecular Biology of the Cell (© Garland Science 2008)
Přeměna CO2 na organický uhlík Ribulóza bisfosfát karboxyláza/oxygenáza (RuBisCo) ve stromatu, pomalý enzym ve velkém množství (nejčastější enzym na Zemi)
49
Celý Calvinův cyklus (cyklus fixace uhlíku)
Figure 14-40 Molecular Biology of the Cell (© Garland Science 2008)
Tři ATP a dvě NADPH se spotřebují k fixaci jediného CO2 3CO2 + 9ATP + 6NADPH + H2O → glyceraldehyd 3 fosfát + 8 Pi + 9 ADP + 6NADP+
50
Anatomie C3 a C4 listu
Figure 14-41a Molecular Biology of the Cell (© Garland Science 2008)
C3: buňky mají chloroplast fixující uhlík ve všech buňkách U C3-rostlin reaguje CO2 s ribulosa-1,5-bisfosfátem za katalýza Rubisco a prvním detegovatelným produktem je tříuhlíkatá (proto C3) sloučenina 3fosfoglycerát. většina rostlin mírného pásu. V důsledku nízkého parciálního tlaku CO2 v atmosféře a vysokého parciálního tlaku O2 zde probíhá fotorespirace. C4: tropické rostliny, kukuřice, cukrová třtina, buňky mezofylu jsou specializované k pumpování CO2 do buněk okolo cévního svazku namísto k fixaci uhlíku; vaskulární svazek roznáší vytvořenou sacharózu; energetická výhoda: možnost fotosyntézy při nižší koncentraci CO2 uvnitř buněk (možnost méně častého otevírání stomat) U C4-rostlin je primárním akceptorem CO2 fosfoenolpyruvát a vzniká čtyřuhlíkatý oxalacetát. Ten je následně redukován na malát, který je transportován do jiných buněk, kde je dekarboxylován; tím je zde dosaženo vyšší koncentrace CO2 a fotorespirace je potlačena. U CAM (Crassulacean Acid Metabolism) rostlin v noci fixace CO2 podobným způsobem jako C4-rostliny, uchovávní malátu ve vakuolách. Ve dne, kdy je dostatek světla a tedy i ATP a NADPH, Calvinův cyklus - časové oddělení fixace CO2 od jeho využití. Tyto rostliny (Crasulacea, tučnolisté) jsou adaptovány na horké a suché podnebí tím, že během dne mohou mít uzavřené průduchy, a brání se tak vysychání.
51
Struktura chlorofylu
Figure 14-42 Molecular Biology of the Cell (© Garland Science 2008)
Stru chlorofylu: hořečnatý iont v porfyrinovém kruhu, elektrony delokalizované (modře) Fotochemie chlorofylu: chlorofyl je exitovaný fotonem (světelným kvantem), ese posune na mlk orbital o vyšší E Excitovaná mlk je nestabilní a stabilizuje se buď: -Tvorbou tepla (mlk pohyb) nebo tvorbou fluorescence -Rezonančním přenosem E bez přenosu e- na sousedící chlorofyl -Přenosem nabitého e- na sousedící e- akceptor a náborem nízkoenergetického eod e- donora
52
Anténa a fotochemické reakční centrum ve fotosystému
Figure 14-43 Molecular Biology of the Cell (© Garland Science 2008)
Přenos E nebo e- se využívá ve fotosyntéze. Rezonanční přenos se využívá v anténním pigmentovém komplexu (stovky chlorofylových mlk a jejich protioxidačních bariér = karotenoidů), přenos e- ve fotosyntetickém reakčním centru (zvláštní pár chlorofylových mlk).
53
Přenos excitace
Figure 14-45 Molecular Biology of the Cell (© Garland Science 2008)
Postupné přesuny eU purpurové bkt obdobně, ale není zde jako slabý elektronový donor (s afinitou k elektronům) využita voda, ale cytochrom
54
Pohyb elektronů thylakoidní mb při fotosyntéze
Figure 14-48 Molecular Biology of the Cell (© Garland Science 2008)
Tvorba ATP a NADPH u rostlin i cyanobkt acyklickou fotofosforylací Napřed fotosystém II (historické důvody): -4 fotony uvolní čtyři elektrony z vody 2H2O →4H+ + 4e- + O2 a přenese je na chinony (plastochinon podobný mt ubichinonu) -Chinony předají elektrony vodíkové pumpě cytochrom b6-f (podobné cytochrom b-c1 u mt) -Cytochrom napumpuje H+ dovnitř thylakoidů -Vzniklý elektrochemický gradient H+ umožní syntézu ATP ATPsyntázou Následuje fotosystém I: -Elektrony cytochrom předá do elektronové díry v plastocyaninu (vypálené dalším fotonem), plastocyanin předá e- dál feredoxinu -NADP+ redukováno na NADPH
55
Změny v redoxním potenciálu při fotosyntéze
Figure 14-49 Molecular Biology of the Cell (© Garland Science 2008)
Model necyklické fotofosforylace (fotosyntetické tvorby ATP), známý jako Z schéma: Potenciálové nahoru-dolů-nahoru, protože jedna fotonová dávka nestačí Existuje také cyklické schéma fotofosforylace, využívající jen fotosystém I: Pro fixaci uhlíku je nutná na 1 mlk NADPH 1,5 mlk ATP, proto se dá přepnout na režim tvorby ATP namísto NADPH (elektron nepřejde na NADP+, ale na cytochrom b6-f)
56
Srovnání fotosyntetických reakčních center
Figure 14-50 Molecular Biology of the Cell (© Garland Science 2008)
Zeleně anténové pigmenty Červeně proteiny centrální fotochemické rce A) Purpurové bkt B) fotosystém II - manganový klastr C) fotosystém I – plastocyanin, červené tečky Fe-S centra
57
Srovnání toku H+ a orientace ATP syntázy v mt a ct
Figure 14-51 Molecular Biology of the Cell (© Garland Science 2008)
Stejná barva odpovídá stejnému pH kompartmentu Ct stroma pH 7,5, thylakoidní prostor pH 5, delta pH = 2,5 umožní syntézu ATP, podobně jako mb potenciál umožní syntézu ATP u mt Mb potenciál ct je nízký, protože thylokoidní mb je propustná pro Mg2+ a ClGlyceraldehyd 3 fosfát produkovaný fixací CO2 v stromatu ct je přenášet ven z ct do cytosolu výměnou za anorganický fosfát Glyceraldehyd 3 fosfát je zčásti využit ke tvorbě cukrů, zčásti je glykolyticky přeměněn na 3 fosfoglycerát za tvorby ATP (energie) a NADH (redukční zdroj) Další rce v ct: syntéza mastných kyselin a ak, redukce NO2- na NH3 (zdroj dusíku pro nt a ak)
58
Genetické systémy mt a plastidů
59
Mt DNA a jaderná DNA
Figure 14-52 Molecular Biology of the Cell (© Garland Science 2008)
Euglena gracilis Červeně (jaderná) DNA, zeleně mt, žlutě mt DNA (superpozice červené a zelené)
60
Mt a jaderné proteiny jsou exprimované dvěma rozdílnými genetickými systémy
Figure 14-53 Molecular Biology of the Cell (© Garland Science 2008)
Většina proteinů mt a ct je kódována jádrem - import z cytosolu Export proteinů mezimb prostoru mt jen během apoptózy Evoluční endosymbióza mt a ct – začátek proteosyntézy N-formylmethioninem a ne methioninem, citlivost mt a ct DNA na ATB (chloramfenikol, tetracyklin)
61
Živočišná mtDNA v průběhu replikace
Figure 14-54 Molecular Biology of the Cell (© Garland Science 2008)
Žlutě – nově vytvořená DNA; šipkami vymezena replikovaná část
62
Relativní množství DNA v organelách
Table 14-2 Molecular Biology of the Cell (© Garland Science 2008)
63
Dynamické mt retikulum
Figure 14-55 Molecular Biology of the Cell (© Garland Science 2008)
Tvar a počet mt v buňce závisí na fyziologické potřebě Mt v kvasinkách vytváří souvislé retikulum pod plazma mb Rovnováha GTPázové fúze a dělení (červené šipky): 3 minutové intervaly mezi snímky Mutace u Drosophil, která postihuje mt fúzi blokuje vývin spermií – neplodnost Replikace organelové DNA probíhá kontinuálně (i mimo S fázi), kopie se klastrují do nukleoidů (bez histonů) Dlouhodobá stimulace kosterních svalů způsobí řádové navýšení počtu mt
64
Dělení a slučování mt
Figure 14-56a Molecular Biology of the Cell (© Garland Science 2008)
Dělení podobné jako dělení bkt stěny Zahrnuta vnější i vnitřní mb
65
Relativní velikosti mt genomů
Figure 14-57 Molecular Biology of the Cell (© Garland Science 2008)
Mt DNA prvoka Reclinomonas americana má rekordních 97 genů
66
Evoluční původ mt
Figure 14-58 Molecular Biology of the Cell (© Garland Science 2008)
Nejméně tři nezávislé endosymbiotické pohlcení ct (vysvětluje rozdíly mezi řasami a vyššími rostlinami) Microsporidia a Giardia – anaerobní prvoci současné doby bez mt Ct z fotosyntetických cyanobkt, integrace ct DNA do jaderného genomu Mt z purpurových bkt
67
Lidský mt genom
Figure 14-60 Molecular Biology of the Cell (© Garland Science 2008)
16500 nt Andersonova Cambridgeská sekvence 1981 Výjimečné vlastnosti mt genomu (rychlejší evoluce vyplývající z): -Nižší věrnost replikace -Neúčinná oprava DNA Výjimečné vlastnosti lidského mt genomu: -Geny nahusto – transkripce v obou směrech, nejsou introny -Relaxované použití standardních kodonů „wobbling“ (22 tRNA stačí místo cytoplazmových 30 tRNA) -Rozdíly v genetickém kódu (viz dále)
68
Výjimky z univerzálního genetického kódu
Table 14-3 Molecular Biology of the Cell (© Garland Science 2008)
69
Ct genom mechorostu
Figure 14-61 Molecular Biology of the Cell (© Garland Science 2008)
120 genů pro trkci, trlaci, biosyntézu malých mlk (ak, mastné kyseliny, pigmenty) a fotosyntézu
70
Rozdíl v dědičnosti mt a jaderných genů v kvasinkách
Figure 14-62 Molecular Biology of the Cell (© Garland Science 2008)
Jaderné - mendelistická dědičnost; 90 proteinů mt a ct kódovaných v jádře Mt – nemendelistická (cytoplazmická), po přeslici Př.: rezistence ke chloramfenikolu Mitotická segregace – stochastický proces, kdy dceřinná buňka může nést více nebo méně mutantních mt než buňka mateřská Homoplazmie - je přítomna jen jedna homogenní populace mtDNA (odpovídá stavu u drtivé většiny "normálních" jedinců). Frekvence mutací je u mitochondrií 10-20x vyšší než u jaderné DNA, což vede k heteroplazmii. Mt dědičnost v kvasinkách je biparentální, u vyšších organismů mateřská
71
Skvrnitý list: v bílých místech jsou defektní ct
Figure Q14-2 Molecular Biology of the Cell (© Garland Science 2008) Figure 14-63 Molecular Biology of the Cell (© Garland Science 2008)
Ct dědičnost biparentální nebo mateřská Variegation - skvrnitost, pestrost způsobená defektními ct u biparentálního dědění ct rostlin Mozaikovitost u mt: MERRF myogenic epilepsy and ragged red fiber disease – mutace v mt tRNA genu, mitotická segregace a prahová hodnota u tkáně Měření stáří dle mutací v mt DNA
72
Kvasinky standard
petit mutant (chybí „jaderné“ části mt)
Figure 14-64 Molecular Biology of the Cell (© Garland Science 2008)
Důležitost jaderného genomu pro mt
73
Kardiolipin
Figure 14-65 Molecular Biology of the Cell (© Garland Science 2008)
Ct si vyrábějí většinu lipidů Mt importují většinu lipidů: -z ER přijde fosfatidylserin a fosfatidylcholin -Fosfatidylserin je v mt dekarboxylován na fosfatidyletanolamin -Importované lipidy jsou v mt přeměněny na kardiolipin (bisfosfatidylglycerol, čtyři ocásky mastných kyselin místo obvyklých fosfolipidových dvou), který zůstává ve vnitřní mt mb
74
Srovnání elektronových transportních řetězců
75
Hlavní události evoluce života na Zemi
Figure 14-71 Molecular Biology of the Cell (© Garland Science 2008)
Fermentace → okyselení → vznik protonových pump Akumulace kyslíku v atmosféře začala, až se nasytilo železo Fe2+ na Fe3+ (po miliardě let) Více kyslíku – vznikají nefotosyntetické organismy využívající kyslík, nakonec rovnováha O2 Nutnost protektivních mechanismů vůči O2, oxidace DNA je znakem stárnutí
76
Srovnání elektronových transportních řetězců: purpurové nesirné bkt
Figure 14-73 (part 1 of 3) Molecular Biology of the Cell (© Garland Science 2008)
Evoluce je konzervativní: staré + něco nového dá nové; homologie mezi transportními řetězci purpurových bkt, ct a mt Mb komplexy přijímají e- z chinonu a pumpují vodíkový proton přes mb Cytochromový komplex bf odpovídá bc1
77
Srovnání elektronových transportních řetězců: ct a cyanobkt
Figure 14-73 (part 2 of 3) Molecular Biology of the Cell (© Garland Science 2008)
78
Srovnání elektronových transportních řetězců: mt
Figure 14-73 (part 3 of 3) Molecular Biology of the Cell (© Garland Science 2008)
79
Děkuji vám za pozornost!
80
