Mitokondriot Rakenne Matrix (6-8 nm) mitokondrion ydin voi sis. filamentteja ja granuloita, yl. homogeenista granuloihin sit. divalentteja kationeja (Mg +, Ca + ) matrix geelimäistä, sis. runsaasti liuenneita proteiineja ja pieniä molekyylejä sooli-geeli rakenne mitonkondrion mekaaniset ominaisuudet, muodonmuutokset Historiaa ensimmäiset havainnot 1800- luvun lopulla 1913 Warburg: hengitystien entsyymit sytoplasman partikkeleissa matrix 195 Palade: rakenne krista ulkokalvo sisäkalvo Rakenne 3 Kristat sisäkalvosta työntyy poikittaisia poimuja eli kristoja (christae mitochondriales); 1/3 solun kalvoista kristojen määrä ja muoto riippuu oksidatiivisen aineenvaihdunnan vilkkaudesta lihas, munuainen runsaasti maksa harvassa kristat eläinsoluissa yhdensuuntaisia, kasvisoluissa ei aina; voivat muodostaa löyhiä silmukoita toisiinsa kiinnittyneinä Rakenne 1 Mitokondrio halkaistuna erottuvat juuri ja juuri valomikroskoopissa halkaisijaltaan 0,5-4 µm kaksinkertaisen kalvon ympäröimiä ulkokalvo 6 nm sisäkalvo 6 nm sisäkalvolla runsaasti n. 8 nm pituisia partikkeleita: F- partikkelit, 10 nm:n välein, varsi 5 nm 10 4-10 5 kpl/mitokond., sis. ATPaasia hapetusreaktiot, fosforylaatio 1
Outer membrane Mitokondrioiden sijainti Intermembrane space Matrix Cristae yl. tasaisesti solulimassa voivat akkumuloitua tuman ympärille tai perifeeriseen sytoplasmaan glykogeeni ja rasva voivat siirtää mitoosin aikana konsentroituvat tumasukkulan ympärille jakautumisessa tytärsoluihin yhtä paljon mitokondrioita keskittyvät paikkoihin, joissa tarvitaan energiaa liikkuvat eräissä soluissa vapaasti kuljettaen energiaa (ATP:tä) eräissä soluissa pysyvästi paikallaan energeettisesti tärkeässä kohdassa Muoto ja koko Mitokondriomäärä solussa tilavuus vaihtelee n. 0 % energiatilojen mukaan riippuvainen ph:sta hormonit vaikuttavat hapenpuute turpoaminen, hajoaminen osmoottisen paineen muutokset: paisuminen/supistu minen syanidi, dinitrofenoli (hapetusinhibiittoreit a) paisuminen ATP supistuminen maksasolussa solun kokonaisproteiinista 30-35 % on mitokondrioissa ja munuaissolussa 0 % hiiren maksa: 8,7x10 10 mitonkondriota/g tuorepaino, maksasolu 1000-1600 kpl määrä laskee regeneraatiossa ja syöpäkudoksessa runs. anaerobista hengitystä (glykolyysiä) määrä nousee hypertyreoosissa kasvisoluissa vähemmän k. eläinsoluissa bakteereilla ei Mitokondrioiden muoto vaihtelee (a) (b) Chronic alcoholism leads to cirrhosis, the heavy scarring of the liver: a) A normal human liver; b) a cirrhotic liver from chronic alcoholic
Mitokondrioiden synty ja geneettinen järjestelmä 1 Abnormal mitochondria formed in the liver of an alcoholic lisääntyvät jakautumalla rotan maksa: puoliintumisaika 5-10 vrk alkion mitokondriot periytyvät pääosin äidiltä (munasolussa paljon sytoplasmaa mitokondriot) mitokondrioissa oma geneettinen järjestelmä eläinsoluissa keskimäärin 1 % solun DNA:sta mitokondrioissa rakenne rengasmainen kaksoiskierre Mitokondrioiden synty ja geneettinen järjestelmä ATPase Mitochondrial matrix ihmisellä mitokondrioitten genomi 1/100 000 tuman genomista sekvenssi tunnetaan: trnageeniä, rrnageeniä, 13 proteiinia koodaavaa sekvenssiä suurin osa mitokondrion proteiineista syntyy tuman DNA:n ohjauksessa Outer membrane = rrna gene ( total) = protein-coding region (13 total) Intermembrane space (ph 7) = trna gene ( total) 16 S 1 S Origin Cytochrome b Thylakoid lumen (ph 5) NADH dehydrogenase subunits Proton Stroma (ph 8) ATP synthase subunits Cythochrome oxidase subunits 3
Mitokondrioiden alkuperä Entsyymijakauma mitokondriossa 1. Endosymbioottinen teoria mitokondrion DNA, ribosomit ja proteiinisynteesi muistuttavat enemmän bakteereiden kuin eukaryosyyttien vastaavia prosesseja Mitokondriot olisivat elämän alkuvaiheissa tumallisten solujen esimuodon fagosytoimia bakteereja, jotka ovat mukautuneet endosymbioottiseen elämään eukaryoottien kanssa Sisäkalvo hengitysketjun entsyymit ATP-syntetaasi sukkinaattidehydrogena asi (SDH) β-hydroksibutyraatti dehydrogenaasi karnitiini-rasvahappoasyylitransferaasi glyserofosfaattidehydro genaasi Matrix malaatti ja isositraatti dehydrogenaasi fumaraasi ja akonidaasi sitraatti syntetaasi α-ketohappo dehydrogenaasi β-oksidaation entsyymit Mitokondrioiden alkuperä Energia-aineenvaihdunta. Mitokondriot kehittyneet fotosynteesin purppurabakteerin kaltaisista bakteereista sytokromi c:n rakenne eräät muut biokemiall. reaktiot kyky fotosynteesiin menetetty symbioosissa hengitysketju ja sitruunahapposykli jääneet jäljelle merkittävä osa bakteerin genomista siirtynyt isäntäsolulle (vast. syanobakteeri kloroplasti) mitokondrio on oksidatiivisen ainenvaihdunnan keskus sitruunahappokierto tapahtuu matrixissa NADH:lta ja FADH :lta elektronit siirtyvät hengitysketjuun sij. sisäkalvolla kristoissa elektronit siirretään proteiinilta toiselle vapautuva energia käytetään protonien pumppaamiseen ulos matrixista Entsyymijakauma mitokondriossa 1 Ulkokalvo MAO (monoamiinioksidaa si) NADH-sytokromi c reduktaasi kynureniini hydroksylaasi rasvahappo CoA ligaasi fosfolipaasi Ulko- ja sisäkalvon välinen tila adenylaatti kinaasi nukleosididifosfokinaasi DNAaasi I 5 -endonukleaasi Electrons carried via NADH GLYCOLYSIS Glucose Pyruvate Cytosol (substrate-level phosphorylation) Mitochondrion KREBS CYCLE Electrons carried via NADH and FADH (substrate-level phosphorylation) Electron transport chain and oxidative phosphorylation (oxidative phosphorylation) 4
Pyruvate (from glycolysis, molecules per glucose CO NAD + CoA NADH + H + Acetyl CoA CoA CoA FADH FAD KREBS CYCLE ATP ADP CO 3 NAD + 3 + 3H + Lower ph (ph 7), higher [H + ] in intermembrane space Higher ph (ph 8), lower [H + ] in matrix Outer membrane Mitokondrion F-partikkeli F0-F1-partikkelit Freeze fracture TEMs of inner and outer membranes Outer membrane Cytoplasm Intermembrane space (ph 7) Intermembrane space ph7 4 H + Cytc ox CytC red CytC red H + Matrix (ph 8) Proton Matrix Complex I NADH + H + NAD + 4 H + UQH UQ ph 8 III Cytc ox IV II UGH FAD UQ FADH ½ O + H + Succinate Fumarate O H + H H 5
Mitokondrion sisäkalvon muodostamat fragmentit Codon UGA AUA CUA AGA/AG G Inside out vesicles formed from inner membrane fragments Mitochondria codes Universal code Human mitochondria Drosophila mitochondria Yeast mitochondria Plant mitochondria STOP Trp Trp Trp STOP Ile Met Met Met Ile Leu Leu Leu Thr Leu Arg STOP Ser Arg Arg Mitokondrioiden hajoittaminen ultraäänellä Primitive anaerobic Mitochondrion disrupted by ultrasound Free-living aerobic bacteria Outer membrane Phagosytosis of bacteria Stroma Thylakoid The free-living bacteria are phagocytized by the primitive anaerobe. Eventually the once free-living bacteria carry on their mitochondria-like respirations within cell. There now is an interdependent relationship. flagellated prokaryote 6
Phagosytosis of flagellated prokaryote The organism phagocytizes a flagellated organism. This will improve the organism s ability to move cyanobacterial cells Hengitysketju Time Phagosytosis of cyanobacterial cells sunlight foodstuffs high-energy electrons Then the prokaryote incorporates cyanobacterial cells. Now the prokaryote has many of the features of contemporary photosynthetic protists like Euglena. Time The only organelles that the organism lacked were the endoplasmic reticulum, and the nuclear membrane. transmembrane electrochemical proton gradient active ATP bacteria membrane synthesis flagellar transport rotation Flagellum Eye spot Mitochondrion Contractile vacuole Nucleus korkeaenergisen ATP:n synteesin periaate sama kasvisolujen kloroplasteissa, eläinsolujen mitokondrioissa ja bakteereissa tarvitaan: ioneja läpäisemätön membraani ja spesifisiä entsyymiproteiineja fotosynteesissä aurinko elektronit korkeampaan energiatilaan Choloroplast 7
UCP eli uncoupling protein mitokondrion matriksissa: org. molekyylien kemiallisten sidosten purkaminen virittyneet elektronit elektroninsiirtoketjuun entsyymijärjestelmä luovuttavat energiansa portaittain vapautuva energia siirtää protoneja (H + ) kalvon sisäpuolelta ulkopuolelle (ns. protonipumppu) elektrokemiallinen gradientti kalvon eri puolille havaittiin 1985 ruskeassa rasvakudoksessa energiatuotannossa poikkeavia soluja (UCP:tä muuallakin) irtikytkeytynyt (uncoupled) ATPsynteesistä suurin osa hapetuksessa syntyneestä energiasta hukataan lämpönä (ei siis konvergoida ATP:ksi) ruskean rasvasolun mitokondriot tavallista suurempia protonit virtaavat takaisin kalvon sisäpuolelle ATPsyntetaasientsyymin läpi protonien sisältämä potentiaalienergia sitoutuu ADP:n korkeaenergisiin fosfaattisidoksiin ATP solu kykenee siirtämää syntynyttä ATP:tä sinne missä tarvitaan energiaa mitonkondrion sisäkalvoon sitoutunut proteiini UCP (termogeniini) sallii protonien vuotamisen alas elektrokemiallisen gradientin suuntaan ATP-syntetaasi entsyymi ei aktivoidu solu hapettaa nopeasti rasvavarastonsa runsaasti HEAT, ei ATP:tä Hengitysketju ja entsyymikompleksit Rasvakudos levossa, UCP ei toimi hengitysketjun osat ja ATP-syntetaasi tarkoin järjestäytyneet kristoissa protonigradientti mitokondrion sisäkalvon sisä- ja ulkopuolen välillä ( ph=1) membraanipotentiaa li 160 mv, protonimotorinen voima (protonmotive force) 0 mv 8
Rasvakudos aktiivinen, UCP toimii lämpöä UCP-perhe UCP 1, BAT:ssa, tuottaa lämpöä, luuytimen adiposyytit 3 kd kokoinen proteiini β 3 -stimulaatio UCPH, UCP-homologit, 73 % homologia toisiinsa nähden ja 56 % UCP 1 UCP, ihmisen WAT, luustolihakset, BATmouse UCP 3, luustolihakset, BAT (jyrsijät) UCP 4, aivokudoksessa (aivojen lämmöntuotto) UCP 5 UCP a (avian) UCP:tä löytyy kasveiltakin 9