Mitochondrie. Rostlinná cytologie, Katedra experimentální biologie rostlin PřF UK

Mitochondrie

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 1898 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

E d Endosymbióza bió ((před ř d cca 1 1,5 5 miliardou ili d llet) t) Předchůdce dnešních alfaproteobakterií, snad Rickettsií





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


Tvar mitochondrií

Živočišná buňka Buňka kvasinkyy 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.

Ai Arimura S ett al. l PNAS 2004;101:7805-7808 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 P dílí se na ffotorespiraci Podílí t i i Produkce sacharidových stavebních kamenů pro další biosyntézy Mitochondriální kompartmenty: Vnější membrána Vnitřní membrána Mezimembránový prostor 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 -Translokázy Translokázy


Mezimembránový prostor: -Není v kontaktu s matrix -Propojen s vnitřním prostorem krist úzkými kanály


Vnitřní membrána mitochondrií: -Nepropustná p p -Četné přenašeče -Kardiolipin -Velmi zvrásněná – tvorba krist -Molekuly elektrontransportního řetězce (oxidativní fosforylace)


Matrix: -DNA a ribozómy -Enzymy citrátového cyklu -Glycin 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. ATP Hlavní produkty respirace jsou tedy: CO2, H20 a ATP. 3 fáze aerobní respirace: 1. Gl 1 Glykolýza k lý 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) - 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 t ů po kkoncentračním t č í spádu) ád )


3. Oxidativní fosforylace (elektrontransportní řetězec)


3. Oxidativní fosforylace (elektrontransportní řetězec) - Alternativní oxidáza


Membrána krist je místem oxidativní fosforylace

Imunolokalizace pomocí zlatých partikulí na tenkých řezech mitochondriemi buněk hovězího srdce:

P i Poriny

K Komplex l III


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 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 TOM komplex k l

Živočichové a houby

Rostliny a řasy


Transport proteinů do mitochondrií -SAM SAM k komplex l (Sorting (S ti and d Assembly A bl Machinery) M hi ) pro membránové proteiny vnější membrány

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


Transport proteinů do mitochondrií -TIM TIM komplexy: k l TIM22: transport do vnitřní membrány; funkce závislá na existenci transmembránového potenciálu. TIM23: translokace proteinů do matrix a některých proteinů do vnitřní membrány. y

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


Genom rostlinných mitochondrií Mitochondriální genom:

Velikost:

Buněk živočichů Buněk hub B ěk rostlin Buněk tli

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

Plastidový genom

120-200kb


Genom rostlinných mitochondrií Mitochondriální genom:

Velikost:

Buněk živočichů Buněk hub B ěk rostlin Buněk tli

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

Plastidový genom

120-200kb

Proteiny y kódované mitochondriálním g 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

Trends in Plant Science 1997 2(12):477 Rostlinná cytologie, Katedra experimentální biologie rostlin PřF UK

New Phytologist (2010) 186: 299–317


Invertované repetitivní sekvence

Přímé repetitivní sekvence


http://5e.plantphys.net/image.php?id=158

Dělení mitochondrií

Mitochondrie nevznikají de novo, ale pouze dělením. FtsZ (Filamentous temperature-sensitive temperature sensitive line Z) protein se podílí na dělení téměř všech prokaryot Dělení plastidů: plastidů Dělení mitochondrií:

pomocí PD prstence (obsah (obsahuje je FtsZ protein) pomocí MD prstence – složení?


Dělení mitochondrií

Mitochondrie nevznikají de novo, ale pouze dělením. FtsZ (Filamentous temperature-sensitive temperature sensitive line Z) protein se podílí na dělení téměř všech prokaryot Dělení plastidů: plastidů Dělení mitochondrií:

pomocí PD prstence (obsah (obsahuje je FtsZ protein) pomocí MD prstence

Hlavní prokaryotní komponenty dělícího aparátu 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 E l č í spojky jk -proteobakteriální FtsZ byl však nalezen u některých nižších eukaryotů jako je řasa Mallomonas splendens 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) i b di ) -Zpravidla sférické organely o průměru 0,2-1,7 m -Obalené jednou membránou -Někdy y tubulární p propojení p j -Nalezeny ve všech eukaryotických buňkách -Rostlinné Rostlinné peroxisómy obsahují specifické složení enzymů: -oxidoreduktázy -katalázy katalázy -enzymy -oxidace mastných kyselin -enzymy pro biosyntézu bi té některých ěkt ý h FH


Peroxisómy


Peroxisómy

Typy ypy rostlinných ý p peroxisómů: P Peroxisómy i ó li t ý h b listových buněk ěk ((role l ve ffotorespiraci) t i i) Glyoxysómy (semena bohatá na MK jako zásobní látky, y, mobilizoványy  -oxidací MK v p peroxisómech)) Peroxisómy P i ó ve specializovaných i li ý hb buňkách ňká h kořenů k ř ů bobovitých rostlin (role ve fixaci N2).


Role peroxisómů ve fotorespiraci

Fotorespirace je výsledkem vlastností centrálního f t fotosyntetického t ti kéh enzymu enzymu Rubisco R bi v chloroplastech: hl l t h Karboxylázová x oxygenázová aktivita enzymu Rubisco


Glykolátový cyklus - fotorespirace



Mitochondrie. Rostlinná cytologie, Katedra experimentální biologie rostlin PřF UK

Recommend Documents