Historiaa Mitokondriot Chapter 14 ensimmäiset havainnot 1800-luvun lopulla 1913 Warburg: hengitystien entsyymit sytoplasman partikkeleissa 1952 Palade: rakenne ulkokalvo sisäkalvo matrix krista Inner membrane Outer membrane Outer membrane Intermembrane space (ph 7) Inner membrane Matrix (ph 8) Freeze fracture TEMs of inner and outer membranes Proton
Mitokondrion sisäkalvon muodostamat fragmentit Mitokondrioiden hajottaminen ultraäänellä Inside out vesicles formed from inner membrane fragments Mitochondrion disrupted by ultrasound Rakenne 1 Rakenne 2 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 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
Rakenne 3 Mitokondrio halkaistuna 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 Outer membrane Muoto ja koko Intermembrane space Inner membrane Matrix 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 Cristae
Mitokondrioiden muoto vaihtelee Mitokondrioiden plastisuus Figure 14-4 Molecular Biology of the Cell ( Garland Science 2008) Mitokondrioiden sijainti Sijainti energiaa vaativissa paikoissa 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 Figure 14-6 Molecular Biology of the Cell ( Garland Science 2008)
Mitokondriomäärä solussa Mitokondrion proteiinit 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 Maksassa 67 % matrixissa 21 % sisäkalvossa 6 % ulkokalvossa 6 % sisä- ja ulkokalvon välitilassa Abnormal mitochondria formed in the liver of an alcoholic (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 ATPase Mitochondrial matrix Inner membrane 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 2 Mitokondrion genomin vertailua 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 Figure 14-59 Molecular Biology of the Cell ( Garland Science 2008)
Ihmisen mitokondrion genomin organisaatio Figure 14-60 Molecular Biology of the Cell ( Garland Science 2008) Table 14-3 Molecular Biology of the Cell ( Garland Science 2008) Mitokondrioiden alkuperä Mitokondrioiden alkuperä 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 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)
Primitive anaerobic Phagosytosis of bacteria Free-living aerobic bacteria 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 Phagosytosis of flagellated prokaryote The organism phagocytizes a flagellated organism. This will improve the organism s ability to move Time Phagosytosis of cyanobacterial cells cyanobacterial cells Time 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.
Flagellum Eye spot Mitochondrion Mitokondrion alkuperä Contractile vacuole Nucleus Choloroplast Figure 14-58 Molecular Biology of the Cell ( Garland Science 2008) Entsyymijakauma mitokondriossa 1 Entsyymijakauma mitokondriossa 2 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 Sisäkalvo hengitysketjun entsyymit ATP-syntetaasi Sukkinaattidehydrogenaasi (SDH) -hydroksibutyraatti dehydrogenaasi karnitiini-rasvahappoasyylitransferaasi glyserofosfaattidehydrog enaasi Matrix malaatti ja isositraatti dehydrogenaasi fumaraasi ja akonidaasi sitraatti syntetaasi -ketohappo dehydrogenaasi -oksidaation entsyymit
Energia-aineenvaihdunta 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 Glucose Cytosol Electrons carried via NADH GLYCOLYSIS Pyruvate Mitochondrion KREBS CYCLE Electrons carried via NADH and FADH 2 Electron transport chain and oxidative phosphorylation (substrate-level phosphorylation) (substrate-level phosphorylation) (oxidative phosphorylation) Pyruvate (from glycolysis, 2 molecules per glucose CO NAD + 2 CoA NADH + H + Acetyl CoA CoA CoA Lower ph (ph 7), higher [H + ] in intermembrane space Higher ph (ph 8), lower [H + ] in matrix KREBS CYCLE 2 CO 2 FADH 2 3 NAD + FAD ADP 3 + 3H + ATP
Mitokondrion F-partikkeli ATP-syntaasi F 0 -F 1 -partikkelit F 0 sis. protonikanavan, F 1 sis. ATPsyntaasiaktiivisuuden Ents. katalyyttinen alue aloittaa konformaatiomuutoksen ATP:n synteesin aikana Paul Boyer & John Walker (1997 Nobel) Figure 14-15 Molecular Biology of the Cell ( Garland Science 2008) F1-osan rakenne ATP-syntaasin katalyyttinen mekanismi F1-osa sisältää 9 alayksikköä, viittä eri tyyppiä - ja -alayksikköjä ei ole piirretty kuvaan appelsiinilohkomainen rakenne Entsyymin F 1-osa sis. 3 katalyyttista aluetta - alayksiköissä Kukin alue vuorollaan yhdessä kolmesta mahdollisesta tilasta Protonivirtaus saa aikaan konformaatiomuutoksia alayksiköissä Nuoli osoittaa - alayksikköä, johon - alayksikkö on sitoutunut. Sitomaton tila vapauttaa ATP:n entsyymistä
F 0 F 1 -ATPaasin rakenne ja pyörimisliikkeen synty Elektroninsiirtoketju Biologisissa hapetusreaktioissa hapetus tapahtuu pienin askelin vapautuva energia otetaan tehokkaasti talteen Glykolyysissä ja trikarboksyylihappokierron reaktioissa hapetuksen toteuttavat dekarboksylaasientsyymit. Ne siirtävät irtoavat vetyatomit ja elektronit koentsyymeilleen näiden pelkistyessä. Protonivirta aiheuttaa pyörimisliikkeen C-alayksikköjen muodostamassa F 0-osan sylinterissä. Liike välittyy -alayksikköön, joka pyörimisliikkeen takia sitoutuu vuorollaan kuhunkin -alayksiköistä. -alayksiköt pysyvät paikoillaan sitomina. Elektroninsiirtoketju Redox-potentiaalin muutokset mitokondrion elektroninsiirtoketjussa Cytoplasm Intermembrane space Pelkistyneiden koentsyymien elektronit hapelle. 2 H + ph7 4 H + Cytc ox CytC red CytC red Matrix Complex I NADH + H + NAD + 4 H + UQH 2 UQ ph 8 III Cytc ox UGH 2 UQ Succinate II FAD FADH 2 ½ O 2 + 2 H + Fumarate O H H IV 2 H + Figure 14-29 Molecular Biology of the Cell ( Garland Science 2008)
Elektroninsiirtoketju Miten NADH luovuttaa elektroneja? 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 Figure 14-9 Molecular Biology of the Cell ( Garland Science 2008) Yhteenveto energiametaboliasta Elektronien siirto hapelle Figure 14-10 Molecular Biology of the Cell ( Garland Science 2008) Figure 14-11 Molecular Biology of the Cell ( Garland Science 2008)
Elektronipumpun toiminta Hengitysketju Figure 14-1 Molecular Biology of the Cell ( Garland Science 2008) Kemiosmosis Palaminen Jos vety poltetaan, suurin osa energiasta vapautuu lämpönä Figure 14-2 Molecular Biology of the Cell ( Garland Science 2008) Figure 14-12a Molecular Biology of the Cell ( Garland Science 2008)
Biologinen hapetusreaktio Biologisessa hapetuksessa suurin osa vapautuneesta energiasta varastoidaan kemiallisesti niin, että solu voi käyttää sitä hyväkseen. Elektroninsiirtoketju korkeaenergisen ATP:n synteesin periaate sama kasvisolujen kloroplasteissa, eläinsolujen mitokondrioissa ja bakteereissa tarvitaan: ioneja läpäisemätön membraani ja spesifisiä entsyymiproteiineja fotosynteesissä aurinko elektronit korkeampaan energiatilaan Figure 14-12b Molecular Biology of the Cell ( Garland Science 2008) Elektrokemiallisen protonigradientin komponentit 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 Figure 14-13 Molecular Biology of the Cell ( Garland Science 2008)
Oksidatiivisen fosforylaation periaate 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 Figure 14-14 Molecular Biology of the Cell ( Garland Science 2008) Protonipumpun toimintamalli Hengitysketju ja entsyymikompleksit 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 Figure 14-31 Molecular Biology of the Cell ( Garland Science 2008)
Elektroninsiirron irtikytkentä (uncoupling) UCP eli uncoupling protein 1940-luvulta tunnettu, esim. 2,4,- dinitrofenoli, kytkee irti elektroninsiirron ATP:n synteesistä Kuluttaa kuitenkin happea Gradienttia ei synny Uncoupling yhdisteet rasvaliukoisia heikkoja happoja. Toimivat difundoituvien H + -kantajien tavoin. Protonivuoto suoraan kalvon läpi (ionoforesis). Oikosulku lopettaa ATP:n synteesin 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 Rasvakudos levossa, UCP ei toimi 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
Rasvakudos aktiivinen, UCP toimii lämpöä UCP-perhe UCP 1, BAT:ssa, tuottaa lämpöä, luuytimen adiposyytit 32 kd kokoinen proteiini 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