Outer membrane Mitokondriot Intermembrane space (ph 7) Inner membrane Matrix (ph 8) Proton Historiaa Mitokondrion sisäkalvon muodostamat fragmentit ensimmäiset havainnot 1800-luvun lopulla 1913 Warburg: hengitystien entsyymit sytoplasman partikkeleissa 1952 Palade: rakenne ulkokalvo sisäkalvo Inside out vesicles formed from inner membrane fragments matrix krista Inner membrane Outer membrane Mitokondrioiden hajottaminen ultraäänellä Mitochondrion disrupted by ultrasound Freeze fracture TEMs of inner and outer membranes 1
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 Rakenne 2 Matrix (6-8 nm) mitokondrion ydin voi sis. filamentteja ja granuloita, yl. homogeenista granuloihin sit. divalentteja kationeja (Mg 2+, Ca 2+ ) matrix geelimäistä, sis. runsaasti liuenneita proteiineja ja pieniä molekyylejä sooli-geeli rakenne mitonkondrion mekaaniset ominaisuudet, muodonmuutokset Outer membrane Intermembrane space Inner membrane Matrix Cristae Rakenne 3 Muoto ja koko 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 tiheässä kristat eläinsoluissa yhdensuuntaisia, kasvisoluissa ei aina; voivat muodostaa löyhiä silmukoita toisiinsa kiinnittyneinä tilavuus vaihtelee n. 20 % energiatilojen mukaan riippuvainen ph:sta hormonit vaikuttavat hapenpuute turpoaminen, hajoaminen osmoottisen paineen muutokset: paisuminen/supistumi nen syanidi, dinitrofenoli (hapetusinhibiittoreita) paisuminen ATP supistuminen 2
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 sijainti 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 Abnormal mitochondria formed in the liver of an alcoholic Mitokondriomäärä solussa maksasolussa solun kokonaisproteiinista 30-35 % on mitokondrioissa ja munuaissolussa 20 % 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 ATPase Mitochondrial matrix Inner membrane 3
Inner membrane Stroma Thylakoid Outer membrane Mitokondrioiden synty ja geneettinen järjestelmä 2 ihmisellä mitokondrioitten genomi 1/100 000 tuman genomista sekvenssi tunnetaan: 22 trna-geeniä, 2 rrna-geeniä, 13 proteiinia koodaavaa sekvenssiä suurin osa mitokondrion proteiineista syntyy tuman DNA:n ohjauksessa Outer membrane = rrna gene (2 total) Intermembrane space (ph 7) Thylakoid lumen (ph 5) Proton = protein-coding region (13 total) = trna gene (22 total) 16 S 12 S Origin Cytochrome b NADH dehydrogenase subunits Stroma (ph 8) ATP synthase subunits Cythochrome oxidase subunits Mitokondrioiden synty ja geneettinen järjestelmä 1 Codon UGA AUA CUA AGA/ AGG 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 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 4
Mitokondrioiden alkuperä Phagosytosis of bacteria 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 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 Mitokondrioiden alkuperä 2. 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) Phagosytosis of flagellated prokaryote The organism phagocytizes a flagellated organism. This will improve the organism s ability to move cyanobacterial cells Primitive anaerobic Time Phagosytosis of cyanobacterial cells Time Free-living aerobic bacteria Then the prokaryote incorporates cyanobacterial cells. Now the prokaryote has many of the features of contemporary photosynthetic protists like Euglena. The only organelles that the organism lacked were the endoplasmic reticulum, and the nuclear membrane. 5
Flagellum Eye spot Mitochondrion Energia-aineenvaihdunta Contractile vacuole Nucleus mitokondrio on oksidatiivisen ainenvaihdunnan keskus sitruunahappokierto tapahtuu matrixissa NADH:lta ja FADH 2 :lta elektronit siirtyvät hengitysketjuun sij. sisäkalvolla kristoissa elektronit siirretään proteiinilta toiselle vapautuva energia käytetään protonien pumppaamiseen ulos matrixista Choloroplast Entsyymijakauma mitokondriossa 1 Ulkokalvo MAO (monoamiinioksidaasi) 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 Mitochondrion KREBS CYCLE Electrons carried via NADH and FADH 2 Electron transport chain and oxidative phosphorylation (substrate-level (substrate-level phosphorylation) phosphorylation) (oxidative phosphorylation) Entsyymijakauma mitokondriossa 2 Sisäkalvo hengitysketjun entsyymit ATP-syntetaasi Sukkinaattidehydrogenaasi (SDH) β-hydroksibutyraatti dehydrogenaasi karnitiini-rasvahappoasyylitransferaasi glyserofosfaattidehydrog enaasi Matrix malaatti ja isositraatti dehydrogenaasi fumaraasi ja akonidaasi sitraatti syntetaasi α-ketohappo dehydrogenaasi β-oksidaation entsyymit Pyruvate (from glycolysis, 2 molecules per glucose CO NAD + 2 CoA NADH + H + Acetyl CoA CoA CoA FADH 2 FAD KREBS CYCLE ATP ADP 2 CO 2 3 NAD + 3 + 3H + 6
ATP-syntaasin katalyyttinen mekanismi Lower ph (ph 7), higher [H + ] in intermembrane space Higher ph (ph 8), lower [H + ] in matrix Entsyymin F1-osa sis. 3 katalyyttista aluetta β- alayksiköissä Kukin alue vuorollaan yhdessä kolmesta mahdollisesta tilasta Protonivirtaus saa aikaan konformaatio-muutoksia alayksiköissä Nuoli osoittaa β-alayksikköä, johon γ-alayksikkö on sitoutunut. Sitomaton tila vapauttaa ATP:n entsyymistä Mitokondrion F-partikkeli F 0F 1-ATPaasin rakenne ja pyörimisliikkeen synty F0-F1-partikkelit F0 sis. protonikana-van, F1 sis. ATPsyntaasiaktiivisuuden Ents. katalyyttinen alue aloittaa konformaatiomuutoksen ATP:n synteesin aikana Paul Boyer & John Walker (1997 Nobel) Protonivirta aiheuttaa pyörimisliikkeen C-alayksikköjen muodostamassa F0-osan sylinterissä. Liike välittyy γ-alayksikköön, joka pyörimisliikkeen takia sitoutuu vuorollaan kuhunkin β-alayksiköistä. α-alayksiköt pysyvät paikoillaan δ sitomina. F1-osan rakenne Elektroninsiirtoketju F1-osa sisältää 9 alayksikköä, viittä eri tyyppiä δ- ja ε-alayksikköjä ei ole piirretty kuvaan appelsiinilohkomainen rakenne Biologisissa hapetusreaktioissa hapetus tapahtuu pienin askelin vapautuva energia otetaan tehokkaasti talteen Glykolyysissä ja trikarboksyyliahappokierron reaktioissa hapetuksen toteuttavat dekarboksylaasientsyymit. Ne siirtävät irtoavat vetyatomit ja elektronit koentsyymeilleen näiden pelkistyessä. 7
Elektroninsiirtoketju Cytoplasm Intermembrane space Matrix Pelkistyneiden koentsyymien elektronit hapelle. 2 H + ph7 4 H + Cytc ox CytC red CytC red Complex I NADH + H + NAD + 4 H + UQH 2 UQ ph 8 III Cytc ox IV II UGH 2 FAD UQ FADH 2 ½ O 2 + 2 H + Succinate Fumarate O 2 H + H H sunlight foodstuffs high-energy electrons transmembrane electrochemical proton gradient active ATP bacteria membrane synthesis flagellar transport rotation Elektroninsiirtoketju oksidatiivinen fosforylaatio ATP/ADP-vaihtaja Fosfaatti/H + -kuljettaja Protonipumput, protonivirta (vuoto), elektronien kulkusuunta ETFP-proteiini, glyseroli-3- fosfaatti joissakin soluissa siirtää elektronin sytoplasmasta koentsyymi Q:lle korkeaenergisen ATP:n synteesin periaate sama kasvisolujen kloroplasteissa, eläinsolujen mitokondrioissa ja bakteereissa tarvitaan: ioneja läpäisemätön membraani ja spesifisiä entsyymiproteiineja fotosynteesissä aurinko elektronit korkeampaan energiatilaan Hengitysketju 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 8
protonit virtaavat takaisin kalvon sisäpuolelle ATPsyntetaasientsyymin läpi protonien sisältämä potentiaalienergia sitoutuu ADP:n korkeaenergisiin fosfaattisidoksiin ATP solu kykenee siirtämään 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) membraanipotentiaali 160 mv, protonimotorinen voima (proton-motive force) 220 mv UCP eli uncoupling protein Rasvakudos aktiivinen, UCP toimii lämpöä 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 9
UCP-perhe UCP 1, BAT:ssa, tuottaa lämpöä, luuytimen adiposyytit 32 kd kokoinen proteiini β 3 -stimulaatio UCPH, UCP-homologit, 73 % homologia toisiinsa nähden ja 56 % UCP 1 UCP 2, ihmisen WAT, luustolihakset, BATmouse UCP 3, luustolihakset, BAT (jyrsijät) UCP 4, aivokudoksessa (aivojen lämmöntuotto) UCP 5 UCP a (avian) UCP:tä löytyy kasveiltakin 10