Transcript Mitokondrite pildid

MITOKONDRID
Energia tootmisega = ATP
sünteesiga seotud organellid
Kataboolsetes lagunemisreaktsioonides
vabanev energia kasutatakse sünteesis ja
transpordis
Katabolism
Adenosiintrifosfaat (ATP)
1929 K Lohmann
1941 FA Lipman
Inimese kehas ~250g ATP-d (turnover päevas = keha massiga)
Vaba energia kogus ATP hüdrolüüsil
[ ADP] *[ P]i
G  G  2,3RT log
[ ATP]
'
0
103 *103
G = - 49 kJ/mool (-32kJ/mol+(0,00831)(298)*2.3log
10 3
[ATP] ~10x suurem kui [ADP]
1-10 mM
ATP hüdrolüüsi reaktsioon kaugel
tasakaaluseisundist
Rakus in vivo G = ~ 50-60 kJ/ mool
ATP sünteesi viis tekkis varakult evolutsioonis ja
konserveerus
F-tüüpi H+-ATPaas
= ATP süntaas
Peamised pumpade tüübid membraanides
Prootonite liikumapanev jõud (pmf) –
proton motive force
Prootonite elektrokeemilise potentsiaali erinevus
membraani külgedel
H 
2.3RT
 VM 
pH  VM  0.06pH (volti)
zF
zF
Albert Koelliker
(1817 -1905)
Füsioloog
Histoloog
Rakubioloog
R. Virchow’i kaasaegne
1850
lihasrakkude
korrastatud
partiklid
Mitokondrites toimuvatest
ainevahetusreaktsioonidest on olulisemad:
Püruvaadi ja rasvhapete oksüdeerumine
süsihappegaasini, millega kaasneb NADH ja FADH2
teke. Need reaktsioonid toimuvad mitokondrite
maatriksis.
Elektronide transport NADH-lt ja FADH2-lt hapnikul
mis toimub mitokondrite sisemembraanis ja milleg
kaasneb prootonite kontsentratsiooni erinevuse
teke kahel pool mitokondri sisemembraani.
ATP süntees, mis toimub mitokondrite
sisemembraanis paikneva ATP-süntaasi kompleksi
vahendusel prootonite kontsentratsiooni erinevuse
kasutamisel.
HINGAMISE
ÜLDVÕRRAND
C6H12O6 + 6O2 + 36Pi2- +
36ADP3- + 36H+ 
6CO2 + 36ATP4- + 42H2O
Tsütosoolis
Mitokondris
Transportijad mitokondrite sisemembraanis
Mitokondri maatriks
OH
Rasvhape
või H+ import
Karnitiin
Levocarnitin; 4-Amino-3Hydroxybuttersäure;
Trimethylbetain
Transporterid mitokondrite sisemembraanis
Glükolüüsi
reaktsioonid
Substraatne
fosforüleerumine
Glükolüüs
C6H12O6 + 2NAD+ + 2Pi2- + 2ADP
2CH3COCOO- + 2ATP
4-
3-

+ 2NADH
Püruvaadi dehüdrogenaasne kompleks
mitokondrite maatriksis
CH3COCOO- + NAD+ + HSCoA  CH3COSCoA +
CO2 + NADH
Tsitraaditsükkel
CH3COSCoA + 3NAD+ + FAD+ + GDP
 2CO2 + 3NADH + FADH2 + GTP
4-
3-
+ Pi
2-
+ 2H2O
+ 2H+ + HSCoA
Hingamisel (glükolüüs+tsitraaditsükkel)
glükoosi oksüdeerumisel moodustunud
NADH ja FADH2 hulk
NADH
FADH2 ATP GTP
0
Glükoos2
püruvaati
2 püruvaati2 2
AcCoA
2AcCoA4CO2 4
2
0
2
0
2
0
0
0
6
2
0
2
 (summa)
10
2
2
2
Reaktsioon
Tekkinud
CO2
6
Tsitraaditsükli reaktsioonid
Substraatne
fosforüleerumine
Oksüdeeritud NAD(P)
Redutseeritud NAD(P)
Oksüdeeritud ja redutseeritud FAD ja FMN
Tsitraaditsüklis tekkinud redutseeritud
NAD ja FAD oksüdeerumisel mitokondrite
elektronide transpordi ahelas (mETA)
vabaneb palju energiat
NADH + H+ + 1/2O2  NAD+ + H2O
(220 kJ/mool)
FADH2 + 1/2O2  FAD+ + H2O (174
kJ/mool)
mETA komponentide redokspotentsiaalid
Mitokondriaalne elektronide transpordi
ahel (mETA)
Rasvhapete oksüdatsioon mitokondrites
Palmitiinhappe (16C) oksüdeerumine
mitokondrites
1 palmitoüül CoA  8 atsetüülCoA + 7 NADH
+ 7 FADH2
8 atsetüülCoA  24 NADH + 8 FADH2
Kokku: 1 palmitoüül CoA  31 NADH + 15
FADH2
Peter Mitchell (Nobeli preemia 1978)
ATP süntaas
EC 3.6.3.14
O – open
L – loose
T – tight
Paul D. Boyer – Nobeli preemia keemias 1997
John E Walker
‘Lahutajad’ on lipiidides lahustuvad nõrgad
happed, mis on prootonite transportijad või
tekitavad prootonite liikumise võimaluse
läbi membraani ja kaotavad [H+] gradiendi
2,4 dinitrofenool
Termogeniin
Kilpnäärme hormoonide
üleproduktsioon- türeotoksikoos
‘Lahutajate’
kasutamine on võimaldanud
tutvuda hingamiskontrolliga (Mis määrab
hingamise intensiivsuse?)
►Prootonite kontsentratsiooni gradient pärsib
elektronide liikumist (liikumine võib toimuda teatud
mETA lülides isegi vastupidises suunas)
►Seega gradiendi suurus mõjutab nii e- liikumise
kiirust kui ka suunda
►Glükolüüsi, tsitraaditsükli, mETA ja rasvhapete
oksüdatsiooni kiirus sõltub ATP/ADP suhte väärtusest
►ATP tarbimise suurenemine → [ADP] ja [Pi]
suurenemine → ATP süntaasi suurem aktiivsus →
väiksem [H+] gradient → suurem hingamise
intensiivsus (kiirem e- liikumine mETA-s)
DNA sisaldus mitokondrites
Orga- Rakk/kude
nism
DNA
molekulide
hulk
organellis
Maks
5-10
vegetatiivne 2-50
munarakk 5-10
Organellide DNA %
hulk rakus kogu raku
DNA-st
Rott
Pärm
Konn
1000
1-50
107
1
15
99
Inimese mitokondri genoom
2
13
22
16,5 kbp
ND – Compl I
CYB – Compl III
CO – Compl IV
Mitokondriaalse DNA iseärasused
tRNA koodonite relakseeruv kasutus (22 tRNA-d)
Geneetiline kood erinev tuuma koodist
Geenid tihedalt pakitud (inimese mitokondris)
mRNA sisaldab polyA aga cap puudub
Taimede ja seente mitokondrite DNA-s on intronid, mis
võivad end mRNAst ise välja lõigata (RNA sõltuv
katalüüs)
Selgroogsete (ka inimese) genoomis nukleotiidide ~10
korda sagedam asendus (võrreldes tuumaga), mis teeb
mitokondriaalse genoomi sobivaks inimese
evolutsioonipuu koostamisel
Inimese mitokondriaalne genoom pärandub emasliinis
Mitokondrite teke evolutsioonis
Aeroobse eukarüoodi/arhe sümbioos aeroobse prokarüoodiga
kui O2 tekkis atmosfääri 109 a tagasi (1,5 miljardit aastat)
Geenide liikumine prokarüoodist tuuma genoomi (signaaljärjestuse
omandamine, kohanemine tuuma transkriptsiooni ja
replikatsioonimehhanismiga
Mitokondrite genoom vähe sarnane kaasaegsete bakterite
genoomiga. Mõnede taimede ja seente mitokondrite DNA sisaldab
introneid
Suurus varieerub 16 500 aluspaari (imetajad) kuni 2 500 000
aluspaari (taimedes)
Mitokondrite valkudest vähemalt 90% (~3000) on kodeeritud
tuumas (ribosoomide valgud, DNA ja RNA polümeraasid, RNA
protsessingu valgud, tsitraaditsükli ensüümid)
Mitokondrites sünteesitakse heem
Geneetilise koodi variatsioonid mitokondrites
Mitokondrid paljunevad jagunemise teel
Pole seotud rakutsükli
S faasiga, võib
toimuda ka G1 ja G2
faasides
Tsütoplasmaatiline pärilikkus
Tuuma kromosoomidevälised geenid (mitokondrites, kloroplastides)
päranduvad järglastele (tütarrakkudele) tsütosooli vahendusel :
► Tunnuste pärandumine ei vasta Mendeli seadustele
► Ristumise tagajärjel tekkinud variantide arvulised
suhted on erinevad sõltuvalt kas mutatsioon isas või
emas
► geneetiline materjal segregeerub organismi arengu
vältel mitoosi tõttu -tütarrakk võib saada suurema
hulga mutantseid mitokondreid või normaalseid (metsik
tüüp) mitokondreid
► See võimaldab öelda, kas mutatsioon/haigus on
seotud tuuma või mitokondrite geenidega
Mitokondrite genoomiga seotud haigused
Leber’i optiline neuropaatia (sensorneuronite
degeneratsioon silmas) – nägemise kadu,
hulgiskleroos, sagedus 1:50 000.
NADH-CoQ reduktaas mutantne
Kearns-Sayre sündroom – mitokondri DNA
deletsioonid – silma- ja silmalau lihaste kontrollimatu
tõmblemine, südame rütmihäired, lihasnõrkus
Leigh sündroom – progresseeruv entsefalopaatia,
dementsus, hingamisraskused
Mitokondriaalne DNA muteerub kiiremini kui tuuma
DNA ja sobib seetõttu inimese evolutsioonipuu
konstrueerimiseks (mitokondriaalne Eva)
Mutatsioonid toimuvad ühtlase kiirusega ja sobivad
geneetiliste sündmuste/rändeteede dateerimiseks
Kasutatud
Venemaa viimase
tsaariperekonna
säilmete
tuvastamiseks
Mõningaid signaaljärjestuste tüüpe
Funktsioon
Aminohappeline järjestus
Import tuuma (NLS)
-Pro-Pro-Lys-Lys-Arg-Lys-Val-
Eksport tuumast
(NES)
-Leu-Ala-Leu-Lys-Leu-Ala-Gly-Leu-Asp-Ile
Import
mitokondritesse
(maatriksisse)
+H3N-Met-Leu-Ser-Leu-Arg-Gln-Ser-Ile-Arg-Phe-LysPro-Ala-Thr-Arg-Thr-Leu-Cys-Ser-Ser-Arg-Tyr-LeuLeu (Arg/Lys ühel pool ja Leu teisel pool 20-50
aminohapet)
Import plastiididesse
+H3N-Met-Val-Ala-Met-Ala-Met-Ala-Ser-Leu-Gln-SerSer-Met-Ser-Ser-Leu-Ser-Leu-Ser-Ser-Asn-Ser-Phe-LeuGln-Pro-Leu-Ser Pro-Ile (palju Ser, Thr vähe Asp, Glu)
Import
peroksüsoomidesse
-Ser-Lys-Leu-COO- (PTS signaal)
Import ER-i
+H3N-Met-Met-Ser-Phe-Val-Ser-Leu-Leu-Leu-Val-GlyIle-Leu-Phe-Trp-Ala-Thr-Glu-Ala-Glu-Gln-Leu-ThrLys-Cys Glu-
Golgi’st tagasi (ER-s
hoidmine)
-Lys-Asp-Glu-Leu-COO- (KDEL)
Välismembraani translokaator TOM:
1) Retseptorid
TOM 20 –seob signaaljärjestuse
TOM 22 – seob signaaljärjestuse ja sisemised
topogeensed järjestused
TOM 70 - seob sisemised topogeensed järjestused
ja tsütosooli chaperon’id
2) Peamine impordipoorikompleks (GIP TOM40)
Sisemembraani translokaator TIM
1) Retseptorid
TIM 22 seob valgu
TIM 23 (tekitab poori) ja seob läbiva valgu
TIM 50 seostub TIM23-ga maatriksi poolt
TIM 44 seob maatriksi mtHsp70
Cyt c oksüdaas
(subunit COX-VA)
Sisemembraani
transportvalgud
(ADP/ATP antiport)
M-s sünteesitud
valgud membraani
ATP süntaas