Mitochondrie Peroxisómy. 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 v posledních cca 30 letech: pozorování dynamiky mitochondrií v buňkách


Ultrastruktura mitochondrií

Endosymbióza (před cca 1,5 miliardou let) Předchůdce dnešních alfaproteobakterií, snad Rickettsií





Mezofyl Arabidopsis tthaliana: mitochondrie, plastidy. Seminars in Cell & Developmental Biology 21 (2010) 550–557

Kultivované buňky tabáku: ER, mitochondrie. Rostlinná cytologie, Katedra experimentální biologie rostlin PřF UK

Tvar mitochondrií

Živočišná buňka Buňka kvasinky Rostlinná cytologie, Katedra experimentální biologie rostlin PřF UK

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

©2004 by National Academy of Sciences

Plant Physiology, 2008 148: 1380–1393,


Plant Physiology, 2008 148: 1380–1393, 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


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 (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)


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


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 a vzniku ATP


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)


3. Oxidativní fosforylace (elektrontransportní řetězec)


3. Oxidativní fosforylace (elektrontransportní řetězec) - Alternativní oxidáza


Membrána krist je místem oxidativní fosforylace, zatímco vnitřní membrána, jež je v kontaktu s vnější membránou, obsahuje četné přenašeče. Rostlinná cytologie, Katedra experimentální biologie rostlin PřF UK

FEBS Letters 546 (2003) 355-358

Vliv metabolické aktivity na morfologii mitochondrií

Ortodoxní stav

Kondenzovaný stav

(zvětšený prostor matrix a málo krist)

(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

Tom40: transmembránový kanál

Živočichové a houby

Tom70 a Tom20 (mtOM64 a Tom20 rostlin): receptory pro rozpoznání presekvence 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


Transport proteinů do mitochondrií (přehled): 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 Buněk hub Buněk rostlin

14-42kb 18-176kb 200 (Brassica) -2400kb (meloun)

Plastidový genom

120-200kb


Genom rostlinných mitochondrií Mitochondriální genom:

Velikost:

Buněk živočichů Buněk hub Buněk rostlin

14-42kb 18-176kb 200 (Brassica) -2400kb (meloun)

Plastidový genom

120-200kb

Proteiny kódované mitochondriálním genomem:

Živočichové Rostliny

cca 13 proteinů + komponenty pro translaci 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) 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

Množství repetitivních sekvencí: hnací motor diverzity mit. genomu

New Phytologist (2010) 186: 299–317


Množství repetitivních sekvencí: hnací motor diverzity mit. genomu

Přímé repetitivní Sekvence: generování subgenomických útvarů Invertované repetitivní sekvence: Změna pořadí genů na chromozomu

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


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 (FtsZ) 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 - 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. 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 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.

Peroxisómy MB: peroxisóm (z názvu microbody); CY: kataláza; C: chloroplast; L: vakuola

Pohyb peroxizómů je zajištěn pomocí aktinového cytoskeletu (pokožkové buňky Arabidopsis)


Peroxisómy

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). Rostlinná cytologie, Katedra experimentální biologie rostlin PřF UK

Role peroxisómů ve fotorespiraci

Fotorespirace je výsledkem vlastností centrálního fotosyntetického enzymu enzymu Rubisco v chloroplastech: Karboxylázová x oxygenázová aktivita enzymu Rubisco


Glykolátový cyklus - fotorespirace


Glykolátový cyklus - fotorespirace 1 molekula 2-fosfoglykolátu → 1 molekula CO2 a 1 molekula 3-fosfoglycerátu

MB: peroxisóm CY: kataláza M: mitochondrie G: granum CR: plastidové ribozómy F: stromatální thylakoidy I: vnitřní membrána plastidu


Mitochondrie Peroxisómy. Rostlinná cytologie, Katedra experimentální biologie rostlin PřF UK

Recommend Documents