Mitokondriot Chapter 14 BIOLOGIAN LAITOS, SEPPO SAARELA, 2010.

Esitys aiheesta: "Mitokondriot Chapter 14 BIOLOGIAN LAITOS, SEPPO SAARELA, 2010."— Esityksen transkriptio:

1 Mitokondriot Chapter 14 BIOLOGIAN LAITOS, SEPPO SAARELA, 2010

2 Historiaa ensimmäiset havainnot 1800-luvun lopulla
1913 Warburg: hengitystien entsyymit sytoplasman partikkeleissa 1952 Palade: rakenne ulkokalvo sisäkalvo matrix krista BIOLOGIAN LAITOS, SEPPO SAARELA, 2010

3 of inner and outer membranes
Inner membrane Outer membrane Freeze fracture TEMs of inner and outer membranes BIOLOGIAN LAITOS, SEPPO SAARELA, 2010

4 Outer membrane Intermembrane space (pH 7) Inner membrane Matrix (pH 8)
Proton BIOLOGIAN LAITOS, SEPPO SAARELA, 2010

5 Mitokondrion sisäkalvon muodostamat fragmentit
Inside –out vesicles formed from inner membrane fragments BIOLOGIAN LAITOS, SEPPO SAARELA, 2010

6 Mitokondrioiden hajottaminen ultraäänellä
Mitochondrion disrupted by ultrasound BIOLOGIAN LAITOS, SEPPO SAARELA, 2010

7 Rakenne 1 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 kpl/mitokond., sis. ATPaasia  hapetusreaktiot, fosforylaatio BIOLOGIAN LAITOS, SEPPO SAARELA, 2010

8 Rakenne 2 Matrix (6-8 nm) mitokondrion ydin
voi sis. filamentteja ja granuloita, yl. homogeenista granuloihin sit. divalentteja kationeja (Mg2+, Ca2+) matrix geelimäistä, sis. runsaasti liuenneita proteiineja ja pieniä molekyylejä sooli-geeli –rakenne  mitonkondrion mekaaniset ominaisuudet, muodonmuutokset BIOLOGIAN LAITOS, SEPPO SAARELA, 2010

9 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  tiheässä kristat eläinsoluissa yhdensuuntaisia, kasvisoluissa ei aina; voivat muodostaa löyhiä silmukoita toisiinsa kiinnittyneinä BIOLOGIAN LAITOS, SEPPO SAARELA, 2010

10 Mitokondrio halkaistuna
BIOLOGIAN LAITOS, SEPPO SAARELA, 2010

11 Outer membrane Intermembrane space Inner membrane Matrix Cristae
BIOLOGIAN LAITOS, SEPPO SAARELA, 2010

12 Muoto ja koko tilavuus vaihtelee n. 20 % energiatilojen mukaan
riippuvainen pH:sta hormonit vaikuttavat hapenpuute  turpoaminen, hajoaminen osmoottisen paineen muutokset: paisuminen/supistuminen syanidi, dinitrofenoli (hapetusinhibiittoreita)  paisuminen ATP  supistuminen BIOLOGIAN LAITOS, SEPPO SAARELA, 2010

13 Mitokondrioiden muoto vaihtelee
BIOLOGIAN LAITOS, SEPPO SAARELA, 2010

14 Mitokondrioiden plastisuus
BIOLOGIAN LAITOS, SEPPO SAARELA, 2010 Figure Molecular Biology of the Cell (© Garland Science 2008)

15 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 BIOLOGIAN LAITOS, SEPPO SAARELA, 2010

16 Sijainti energiaa vaativissa paikoissa
BIOLOGIAN LAITOS, SEPPO SAARELA, 2010 Figure Molecular Biology of the Cell (© Garland Science 2008)

17 Mitokondriomäärä solussa
maksasolussa solun kokonaisproteiinista % on mitokondrioissa ja munuaissolussa 20 % hiiren maksa: 8,7x1010 mitonkondriota/g tuorepaino, maksasolu kpl määrä laskee regeneraatiossa ja syöpäkudoksessa  runs. anaerobista hengitystä (glykolyysiä) määrä nousee hypertyreoosissa kasvisoluissa vähemmän k. eläinsoluissa bakteereilla ei BIOLOGIAN LAITOS, SEPPO SAARELA, 2010

18 Mitokondrion proteiinit
Maksassa 67 % matrixissa 21 % sisäkalvossa 6 % ulkokalvossa 6 % sisä- ja ulkokalvon välitilassa BIOLOGIAN LAITOS, SEPPO SAARELA, 2010

19 a) A normal human liver; b) a cirrhotic liver from chronic alcoholic
Chronic alcoholism leads to cirrhosis, the heavy scarring of the liver: a) A normal human liver; b) a cirrhotic liver from chronic alcoholic BIOLOGIAN LAITOS, SEPPO SAARELA, 2010

20 Abnormal mitochondria formed in the liver of an alcoholic
BIOLOGIAN LAITOS, SEPPO SAARELA, 2010

21 ATPase Inner membrane Mitochondrial matrix
BIOLOGIAN LAITOS, SEPPO SAARELA, 2010

22 Mitokondrioiden synty ja geneettinen järjestelmä 1
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 BIOLOGIAN LAITOS, SEPPO SAARELA, 2010

23 Mitokondrioiden synty ja geneettinen järjestelmä 2
ihmisellä mitokondrioitten genomi 1/ tuman genomista sekvenssi tunnetaan: 22 tRNA-geeniä, 2 rRNA-geeniä, 13 proteiinia koodaavaa sekvenssiä suurin osa mitokondrion proteiineista syntyy tuman DNA:n ohjauksessa BIOLOGIAN LAITOS, SEPPO SAARELA, 2010

24 Mitokondrion genomin vertailua
BIOLOGIAN LAITOS, SEPPO SAARELA, 2010 Figure Molecular Biology of the Cell (© Garland Science 2008)

25 Ihmisen mitokondrion genomin organisaatio
BIOLOGIAN LAITOS, SEPPO SAARELA, 2010 Figure Molecular Biology of the Cell (© Garland Science 2008)

26 BIOLOGIAN LAITOS, SEPPO SAARELA, 2010
Table Molecular Biology of the Cell (© Garland Science 2008)

27 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 BIOLOGIAN LAITOS, SEPPO SAARELA, 2010

28 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) BIOLOGIAN LAITOS, SEPPO SAARELA, 2010

29 Primitive anaerobic Free-living aerobic bacteria
BIOLOGIAN LAITOS, SEPPO SAARELA, 2010

30 The free-living bacteria are phagocytized by the primitive
Phagosytosis of 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 inter- dependent relationship. flagellated prokaryote BIOLOGIAN LAITOS, SEPPO SAARELA, 2010

31 The organism phagocytizes a flagellated organism. This
Phagosytosis of flagellated prokaryote The organism phagocytizes a flagellated organism. This will improve the organism´s ability to move cyanobacterial cells BIOLOGIAN LAITOS, SEPPO SAARELA, 2010

32 The only organelles that the organism lacked were the
Time Phagosytosis of cyanobacterial cells Time The only organelles that the organism lacked were the endoplasmic reticulum, and the nuclear membrane. Then the prokaryote incorporates cyano- bacterial cells. Now the prokaryote has many of the features of contemporary photosynthetic protists like Euglena. BIOLOGIAN LAITOS, SEPPO SAARELA, 2010

33 Flagellum Eye spot Mitochondrion Contractile vacuole Nucleus
BIOLOGIAN LAITOS, SEPPO SAARELA, 2010 Choloroplast

34 Mitokondrion alkuperä
BIOLOGIAN LAITOS, SEPPO SAARELA, 2010 Figure Molecular Biology of the Cell (© Garland Science 2008)

35 Entsyymijakauma mitokondriossa 1
Ulkokalvo MAO (monoamiinioksidaasi) NADH-sytokromi c reduktaasi kynureniini hydroksylaasi rasvahappo CoA ligaasi fosfolipaasi Ulko- ja sisäkalvon välinen tila adenylaatti kinaasi nukleosidi-difosfokinaasi DNAaasi I 5’-endonukleaasi BIOLOGIAN LAITOS, SEPPO SAARELA, 2010

36 Entsyymijakauma mitokond-riossa 2
Sisäkalvo hengitysketjun entsyymit ATP-syntetaasi Sukkinaattidehydroge-naasi (SDH) -hydroksibutyraatti dehydrogenaasi karnitiini-rasvahappo-asyylitransferaasi glyserofosfaattidehydrogenaasi Matrix malaatti ja isositraatti dehydrogenaasi fumaraasi ja akonidaasi sitraatti syntetaasi -ketohappo dehydrogenaasi -oksidaation entsyymit BIOLOGIAN LAITOS, SEPPO SAARELA, 2010

37 Energia-aineenvaihdunta
mitokondrio on oksidatiivisen ainenvaihdunnan keskus sitruunahappokierto tapahtuu matrixissa NADH:lta ja FADH2:lta elektronit siirtyvät  hengitysketjuun sij. sisäkalvolla kristoissa elektronit siirretään proteiinilta toiselle vapautuva energia käytetään protonien pumppaamiseen ulos matrixista BIOLOGIAN LAITOS, SEPPO SAARELA, 2010

38 KREBS CYCLE Electrons carried via NADH Electrons carried via NADH and
FADH2 Electron transport chain and oxidative phosphorylation GLYCOLYSIS KREBS CYCLE Glucose Pyruvate Cytosol Mitochondrion (substrate-level phosphorylation) (substrate-level phosphorylation) (oxidative phosphorylation) BIOLOGIAN LAITOS, SEPPO SAARELA, 2010

39 ATP CO2 NAD+ CoA NADH + H+ Acetyl CoA CoA CoA 2 KREBS CYCLE CO2 FADH2
Pyruvate (from glycolysis, 2 molecules per glucose CO2 NAD+ CoA NADH + H+ Acetyl CoA CoA CoA 2 KREBS CYCLE CO2 FADH2 3 NAD+ 3 FAD + 3H+ ADP BIOLOGIAN LAITOS, SEPPO SAARELA, 2010 ATP

40 Lower pH (pH 7), higher [H+] in intermembrane space Higher pH (pH 8),
lower [H+] in matrix BIOLOGIAN LAITOS, SEPPO SAARELA, 2010

41 Mitokondrion F-partikkeli
F0-F1-partikkelit F0 sis. protonikana-van, F1 sis. ATP-syntaasiaktiivisuuden Ents. katalyyttinen alue aloittaa konformaatio-muutoksen ATP:n synteesin aikana Paul Boyer & John Walker (1997 Nobel) BIOLOGIAN LAITOS, SEPPO SAARELA, 2010

42 ATP-syntaasi BIOLOGIAN LAITOS, SEPPO SAARELA, 2010
Figure Molecular Biology of the Cell (© Garland Science 2008)

43 F1-osan rakenne F1-osa sisältää 9 alayksikköä, viittä eri tyyppiä
- ja -alayksikköjä ei ole piirretty kuvaan appelsiinilohkomainen rakenne BIOLOGIAN LAITOS, SEPPO SAARELA, 2010

44 ATP-syntaasin katalyyttinen mekanismi
Entsyymin F1-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 BIOLOGIAN LAITOS, SEPPO SAARELA, 2010

45 F0F1-ATPaasin rakenne ja pyörimisliikkeen synty
Protonivirta aiheuttaa pyörimisliikkeen C-alayksikköjen muodostamassa F0-osan sylinterissä. Liike välittyy -alayksikköön, joka pyörimisliikkeen takia sitoutuu vuorollaan kuhunkin -alayksiköistä. -alayksiköt pysyvät paikoillaan  sitomina. BIOLOGIAN LAITOS, SEPPO SAARELA, 2010

46 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. BIOLOGIAN LAITOS, SEPPO SAARELA, 2010

47 Elektroninsiirtoketju
Cytoplasm Pelkistyneiden koentsyymien elektronit hapelle. 2 H+ Cytcox Intermembrane space pH7 4 H+ CytCred CytCred Cytcox Complex I IV II III FAD UQH2 UGH2 UQ UQ FADH2 Matrix ½ O2 + 2 H+ pH 8 Succinate Fumarate NADH NAD+ O + H+ 2 H+ H 4 H+ H BIOLOGIAN LAITOS, SEPPO SAARELA, 2010

48 Redox-potentiaalin muutokset mitokondrion elektroninsiirtoketjussa
BIOLOGIAN LAITOS, SEPPO SAARELA, 2010 Figure Molecular Biology of the Cell (© Garland Science 2008)

49 Elektroninsiirtoketju
oksidatiivinen fosforylaatio ATP/ADP-vaihtaja Fosfaatti/H+-kuljettaja Protonipumput, protonivirta (vuoto), elektronien kulku-suunta ETFP-proteiini, glyseroli-3-fosfaatti joissakin soluissa siirtää elektronin syto-plasmasta koentsyymi Q:lle BIOLOGIAN LAITOS, SEPPO SAARELA, 2010

50 Miten NADH luovuttaa elektroneja?
BIOLOGIAN LAITOS, SEPPO SAARELA, 2010 Figure Molecular Biology of the Cell (© Garland Science 2008)

51 Yhteenveto energiametaboliasta
BIOLOGIAN LAITOS, SEPPO SAARELA, 2010 Figure Molecular Biology of the Cell (© Garland Science 2008)

52 Elektronien siirto hapelle
BIOLOGIAN LAITOS, SEPPO SAARELA, 2010 Figure Molecular Biology of the Cell (© Garland Science 2008)

53 Hengitysketju BIOLOGIAN LAITOS, SEPPO SAARELA, 2010

54 Elektronipumpun toiminta
BIOLOGIAN LAITOS, SEPPO SAARELA, 2010 Figure Molecular Biology of the Cell (© Garland Science 2008)

55 Kemiosmosis BIOLOGIAN LAITOS, SEPPO SAARELA, 2010
Figure Molecular Biology of the Cell (© Garland Science 2008)

56 Palaminen Jos vety poltetaan, suurin osa energiasta vapautuu lämpönä
BIOLOGIAN LAITOS, SEPPO SAARELA, 2010 Figure 14-12a Molecular Biology of the Cell (© Garland Science 2008)

57 Biologinen hapetusreaktio
Biologisessa hapetuksessa suurin osa vapautuneesta energiasta varastoidaan kemiallisesti niin, että solu voi käyttää sitä hyväkseen. Elektroninsiirtoketju BIOLOGIAN LAITOS, SEPPO SAARELA, 2010 Figure 14-12b Molecular Biology of the Cell (© Garland Science 2008)

58 fotosynteesissä aurinko  elektronit korkeampaan energiatilaan
korkeaenergisen ATP:n synteesin periaate sama kasvisolujen kloroplasteissa, eläinsolujen mitokondrioissa ja bakteereissa tarvitaan: ioneja läpäisemätön membraani ja spesifisiä entsyymiproteiineja fotosynteesissä aurinko  elektronit korkeampaan energiatilaan BIOLOGIAN LAITOS, SEPPO SAARELA, 2010

59 mitokondrion matriksissa: org
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 BIOLOGIAN LAITOS, SEPPO SAARELA, 2010

60 Elektrokemiallisen protonigradientin komponentit
BIOLOGIAN LAITOS, SEPPO SAARELA, 2010 Figure Molecular Biology of the Cell (© Garland Science 2008)

61 Oksidatiivisen fosforylaation periaate
BIOLOGIAN LAITOS, SEPPO SAARELA, 2010 Figure Molecular Biology of the Cell (© Garland Science 2008)

62 protonit virtaavat takaisin kalvon sisäpuolelle ATP-syntetaasientsyymin läpi  protonien sisältämä potentiaalienergia sitoutuu ADP:n korkeaenergisiin fosfaattisidoksiin  ATP solu kykenee siirtämään syntynyttä ATP:tä sinne missä tarvitaan energiaa BIOLOGIAN LAITOS, SEPPO SAARELA, 2010

63 Protonipumpun toimintamalli
BIOLOGIAN LAITOS, SEPPO SAARELA, 2010 Figure Molecular Biology of the Cell (© Garland Science 2008)

64 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 BIOLOGIAN LAITOS, SEPPO SAARELA, 2010

65 Elektroninsiirron irtikytkentä (uncoupling)
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 BIOLOGIAN LAITOS, SEPPO SAARELA, 2010

66 UCP eli uncoupling protein
havaittiin 1985 ruskeassa rasvakudoksessa energiatuotannossa poikkeavia soluja (UCP:tä muuallakin) irtikytkeytynyt (uncoupled) ATP-synteesistä suurin osa hapetuksessa syntyneestä energiasta ”hukataan” lämpönä (ei siis konvergoida ATP:ksi) ruskean rasvasolun mitokondriot tavallista suurempia BIOLOGIAN LAITOS, SEPPO SAARELA, 2010

67  runsaasti HEAT, ei ATP:tä
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 BIOLOGIAN LAITOS, SEPPO SAARELA, 2010

68 Rasvakudos ”levossa”, UCP ei toimi
BIOLOGIAN LAITOS, SEPPO SAARELA, 2010

69 Rasvakudos aktiivinen, UCP toimii  lämpöä
BIOLOGIAN LAITOS, SEPPO SAARELA, 2010

70 UCP-perhe UCP1, BAT:ssa, tuottaa lämpöä, luuytimen adiposyytit 32 kD kokoinen proteiini 3-stimulaatio UCPH, UCP-homologit, 73 % homologia toisiinsa nähden ja 56 % UCP1 UCP2, ihmisen WAT, luustolihakset, BATmouse UCP3, luustolihakset, BAT (jyrsijät) UCP4, aivokudoksessa (aivojen lämmöntuotto) UCP5 UCPa (avian) UCP:tä löytyy kasveiltakin BIOLOGIAN LAITOS, SEPPO SAARELA, 2010