A mitokondrium és a peroxiszóma http://www.microscopyu.com/staticgallery/fluorescence/apm10.html Láng Orsolya Semmelweis Egyetem, Genetika, Sejt- és Immunbiológiai intézet FOK 2016 gsi.semmelweis.hu

Endoszimbionta elmélet – hasonló eredet heterotróf, aerob baktérium hidrogén termelő anaerob baktérium 1.5 milliárd évvel ezelőtt Hasonlóságok: eredet biogenezis metabolikus aktivitás : béta-oxidáció heterotróf, aerob baktérium

Az Archea, Bacteria és Eukarya törzsfája az atmoszféra oxigén-tartalmának változása a fotoszintézis következtében, és azok a feltételezett időpontok, amikor a légzési lánc és a fotoszintézis fehérjéi megjelentek

Konfokális M Mitokondrium TEM SEM

Mitokondrium kutatás mérföldkövei 1894 - Richard Altmann írta le először őket, mint "bioblast„; 1898 - A "mitokondrium" fogalom bevezetése Carl Benda nevéhez fűződik; 1900 - Leonor Michaelis írta le a Janus Zöld festést, amivel a mitokondriumok vizsgálhatók; 1913 – Otto Heinrich Warburg, leírja a sejtlégzés folyamatát; 1948 - Albert Lester Lehninger leírja az oxidatív foszforilációt; 1952 – Az „első hivatalos portré ” 1957 - „sejt erőműve“ címet kapja Philip Siekevitztől

Mitokondrium Méret Szélessége 0.2-3.0 m Hosszúsága 7-10 m, de dinamikusan változhat ! Kriszta Mátrix Belső mb Külső mb

Mitokondrium belső membránja krisztás tubuláris ujjlenyomat bogyós

Szerkezeti variációk: a mitokondrium mint ozmométer normális kondenzált hypo-ozmotikus

Elhelyezkedése a sejtben diffúzan vagy … TEM

Nagy energia igényű helyeken Duktus sejtek bazális csikolata Spermium nyak

Akár a citoplazma térfogat 25% Mitokondrium száma Szám/sejt VVT, anaerob paraziták – 0 Konstans Spermium – 24 Dinamikusan változó Leukocita ~ 300 Hepatocita ~ 2000 Hipertireózis esetén növekszik a száma Chaos-Chaos amőba - 500.000 ! Akár a citoplazma térfogat 25%

Osztódásra és fúzióra képes organellum Hasadás Fúzió Drp1 (külső és belső membrán lefűződése) Fis1 (Drp1 receptora) Mitofusin protein (külső membrán fúziója) OPA1 (belső membrán fúziója), Drp1-dynamin-related protein 1, Drp1 Fis1 - Mitochondrial fission 1 protein Opa1 - Optic Atrophy 1

Dinamikus mitokondrium Fragmentálódott Mt Dinamikus mitokondrium Mt hálózat Stressz Éhezés Károsodás depolarizáció Mitofágia- degradáció Nyugalmi állapot Sérült mt degradációja Gén termékek komplementációja

Mitokondrium hálózat - 3T3 egér fibroblaszt sejt http://zeiss-campus.magnet.fsu.edu/galleries/static/cells/3t3.html

Szerkezet - kompartmentalizáció Külső membrán Kevés fehérje Jellemző fehérjéje: porin (béta-redős fehérje-trimer) Relative permeábilis < 5000 Dalton TOM (translocon of outer membrane)

Külső membrán fehérje komponensei N-terminálisan kihorgonzott C-term. rögzült 2 TMD és a funkciójuk Csatorna szerű csatorna transzlokátor apoptózis osztódás

Porin A membránon keresztül aktív molekuláris transzport zajlik Porin protein: transzmembrán protein; Baktériumok (Gram –negatívok) jellemző fehérje komponense antiparallel β-redők 3 porin formálta csatorna; <5000 Da molekulák nagyobb molekulák transzportját specifikus transzporterek végzik

Szerkezet – Belső membrán Nagyobb felszín 70% -a fehérje : e- - trasznport lánc ATP szintézis elemei transzporterek impermeábilis– 20% kardiolipin Difoszfatidil glicerin

Az oxidatív foszforilációban résztvevő fehérjék http://www.bio.davidson.edu/genomics/2004/Wilson/yeast%20protein.htm

Mitokondriális elektrontranszportlánc (növényi) http://elte.prompt.hu/sites/default/files/tananyagok/ANovenyiAnyagcsere/images/m48b94fe6.jpg

ATP szintáz – molekuláris motor Mátrix/IC Stator: a,b,d kihorgonzása F1 ATP-szintáz Katalitikus egység Rotor: Ɛ Óramutató járásának irányában elfordul ha H+ IMR / EC F0: Transzmembrán proton carrier egység https://www.youtube.com/watch?v=GM9buhWJjlA

Bakterio - rodopszin

Kemiozmotikus teória megvalósulásának feltételei Peter Dennis Mitchell Mt. légzési lánc - elektronokat mozgat - H+-t pumpál az intermembrán térbe Mt. ATP szintáz szintén proton pumpaként működik. reverzibilis mechanizmus: A Mt. belső membránban számos carrier molekula található metabolitok, inorg. Ionok számára A Mt. belső membránja egyéb helyeken impermeábilis H+ és OH- ra. H+ be ATP szintézis ATP bontás H+ ki

Szerkezet - Mátrix Piroszőlősav-dekarboxiláz enzimkomplex A trikarboxilsav (citromsav vagy Szentgyörgyi-Krebs) ciklus enzimjei a zsírsav oxidáció enzimjei aminosav (Thr, Ile, Met, Val) oxidáció enzimjei 5-10 db mtDNS (gyűrű) RNS-ek mtDNS replikációjához, transzkripciójáhz szükséges enzimek Riboszómák (70S) ATP, ADP, Pi Mg2+, Ca2+, K+

A mitokondrium funkciója ATP szintézis Ca2+ -szint szabályozás (kation granulumok) Lipid anyagcsere (zsírsav oxidáció, szteroid szintézis) Nukleotid anyagcsere Aminosav anyagcsere FE-S szintézis (Hem) Ubiquinon szintézis Kofaktor szintézis Programozott sejthalál (apoptózis) Öregedés Hőtermelés

A mitokondrium fő biokémiai folyamatai VDAC-ANT = ATP szintetáz VDAC = voltage dependent anion channel; adenine nucleotide translocase R.Hyde: Introduction to genetic principles , 2009 nyomán

A légzés alap reakcióegyenlete : A folyamat során 36-38 ATP keletkezik Sejtlégzés Glikolízis Acetil-CoA Citromsav- ciklus Terminális oxidáció A légzés alap reakcióegyenlete : C6H12O6 (glükóz) + 6 O2 → 6 CO2 + 6 H2O A folyamat során 36-38 ATP keletkezik

Glikolízis Energia befektetés Energia termelő Nettó: 2 ATP és 2 NADH

Szent-Györgyi – Krebs ciklus (TCA) glikolízis Nettó: 2 GTP 8 NADH 2 FADH2

Oxidatív foszforiláció Nettó: 10 NADH ~ 28 ATP 2 FADH2 = 4 ATP

Egy mol glükózból, 36 mol ATP szintetizálódik ATP szintézis Egy mol glükózból, 36 mol ATP szintetizálódik citoszól mitokondrium

Aminosavak és zsírok oxidációja

Anaerob körülmények között – NAD regeneráció fermentációval

Hőtermelés - termogenezis Zsírszövet Barna Fehér

Thermogenin = uncoupling protein 1 (UCP1) Termogenin Thermogenin = uncoupling protein 1 (UCP1) 100 H+/s Aktivációja több féle módon lehetséges: láz – hipothalamus által kontrollált táplálék – alacsony fehérje tartalmú diéta , leptin-függő módon hypothalamus által szabályozott

Az emberi mitokondriális genom Mt-DNS gyűrű alakú, kettős szálú DNS , ami 16’569 bazispárból áll és 37 gént hordoz http://www.mun.ca/biology/desmid/brian/BIOL2060/BIOL2060-18/18_25.jpg

mt-DNS gyűrű alakú, 5 –10 kópia/mt. 13 Mt gén kódol fehérjét nincs intron kevés regulatórikus gén nincs hiszton – illetve nukleoszóma replikáció, transzkripció, transzláció 22 tRNA, 2 rRNA Transzlációs különbségek: 70S riboszóma Formil-Met kezdődik Antibiotikum érzékeny

A genetikai kód univerzalitása ellenére a mitokondrium néhány speciális kód változattal rendelkezik

Szemi- autonóm organellum Növekedése a mitokondriális és a nukleáris genom által együtt kontrollált 98 % Több mint 1000 fehérje található a mitokondriumban Lipidek SER-ből származnak, de módosulhatnak

Fehérjék szelektív transzportja a sejtorganellumokba Fehérje szintézis szabad riboszómán http://csls-text.c.u-tokyo.ac.jp/active/05_04.html

Legfontosabb membrán komponensek TOM komplex SAM komplex TIM 23 komplex TIM 22 komplex OXA komplex

Direkt fehérje import a mátrixba 2 Inzerció a TOM komplexen keresztül 4 Szignál peptid lehasítása Kötődés a receptorhoz 1 Transzlokáció a mátrixba 3

További követelmények A mitokondrium mátrixába történő szállítás mechanizmusa. TIM23(1): a PAM motorkomplexszel együttműködve juttatja a fehérjét a mátrixba. 13. (B) ábra.A mitokondrium belső membránjába történő szállítás mechanizmusa a TIM23 csatornán keresztül. TIM23(2): a légzési lánccal együttműködve juttatja a fehérjét a belső membránba. Ha a fehérje hordozza a megfelelő jelet, egy specifikus proteáz hasítása révén végül az intermembrán térbe jut (szaggatott nyíl). Chaperonok – HSP70 (citoszólban és a mitokondriumban is) BM - membrán potenciál Energia - ATP hidrolízis (PAM)

Fehérje integrációja a külső membránba Beta-barrel proteins, porins Beta – szignál a C terminális régióban Chaperon megköti a fehérjét IMR SAM komplex a külső membránba hajtogatja Pl: porin

A belső membránba történő integráció I. Belső membrán fehérjéje N-terminális szignál szekvencia Hidrofób szekvencia TIM23 leállítja a transzlokációt IMR Stop szignál Belső membrán fehérjéje N-terminális szignál szekvencia Hidrofób szekvencia – 2. szignál OXA komplex hajtogatja Mitochondriális fehérjéket is Pl: ATP-szintáz IMR MT fehérje szintézis

A belső membránba történő integráció II. Belső membrán fehérjéje Chaperonok az IMR TIM22 Belső membrán fehérjéje Belső membrán szignál szekvencia – loop a TOM-ban Chaperonok az IMR TIM22 specializálódott a multipass belső membrán proteinek inzerciójára

Melyik útvonalon szállítódnak az IMR fehérjéi ? Proteáz - hasítás

Irányító szignálok a mt -fehérjéken http://www.tankonyvtar.hu/en/tartalom/tamop412A/2011_0025_bio_5/ch07s03.html

Mikondriális fehérje transzport összefoglaló http://www.biochemie.uni-freiburg.de/ag/pfanner/research

https://www.qiagen.com/geneglobe/static/images/pathways/mitochondrial%20protein%20import%20pathways.jpg

Anyai öröklésmenet Nukleáris genom Mt genom

Terápia Pronukleusz transzfer humán embrióban U. K. 2015. Február Páciensek Nukleusz Donorok Egészséges embrió U. K. 2015. Február A parlament elfogadta a 3 szülős génterápiát

Mitokondriális családfa alacsony repair - nagy mutációs ráta, nukleáris genom 10x 1980-as évek Allan Wilson 137 ember mt-genomját vizsgálta Minden élő ember egy afrikai nő leszármazottja aki kb 200,000 éve élt: Mitkondriális Éva https://abagond.wordpress.com/2010/01/08/mitochondrial-dna/

Mitokondriális betegségek és diszfunkciók ! Másodlagos: károsodás ! ! Elsődleges: genomot érintő !

Mitokondriális betegségek - tünetek Betegségek oka: Mutáció Szerzett diszfunkciók okai: Gyógyszer mellékhatás Fertőzés Környezeti hatás Legérzékenyebb sejtek: Neuronok Izom sejtek http://www.jci.org/articles/view/17741/pdf http://www.icmr.nic.in/ijmr/2015/janaury/0103.pdf

nukleáris DNS – mt-fehérje Örökletes betegségek Mt-DNS Leber féle optikus neuropátia nukleáris DNS – mt-fehérje Veleszületett izomdisztrófia Mindkét szem érintett Ok: nervus opticus és retina sejtjei sérülnek Mechanizmus: emelkedett reaktív oxigéngyök termelés Mitokondriumok parakristályyal

Mitokondrium egyéb funkciói – apoptózis 2 1 3

A bakteriális eredet bizonyítékai Cirkuláris mt-DNS A mitoriboszómák mérete (70 S) Formilmetionin lánckezdő aminosav Antibiotikum érzékenység A porin jelenléte a Gram negatív baktériumokban Hasonlóságok az elektrontranszport láncban és az ATP szintáz enzimben Az osztódás módja

Peroxiszóma Konfokális M TEM SEM

Szerkezet 0,3-1,5 µm Egyrétegű membránnal határolt Oxidatív folyamatokat katalizáló enzimek : Peroxidáz: R-H2 + O2 → H2O2 Kataláz: R-H2 + H2O2→ R + 2H2O Urát oxidáz (krisztalloid) Nincs saját genomja - Nincs transzkripció és transzláció Szelektív import

Peroxiszóma eredete A korai evolúció során O2 termelő baktériumok jelentek meg. Az O2 mérgező hatású volt a többi sejtre / élőlényre Ennek az O2-nek intracelluláris semlegesítését végezte el a peroxiszóma Maradvány szerv – sok funkcióját a mitokondrium vette át

Összetétel I. Peroxiszómális membrán proteinek (PMP): - peroxinok (gének: PEX) más PMP pl. ABC transzporter szerű molekulák

Összetétel II. Peroxisoma mátrixa: Oxidatív folyamatok enzimei: szuperoxid dizmutáz (SOD), kataláz, peroxidáz(PRDX), Metabolikus enzimek: zsírsav oxidáció, epesav szintézis, purin metabolizmus

Funkciója Oxidatív folyamatok: H2O2 szintézise és bontása Hosszú és nagyon hosszú láncú zsírsavak lebontása (24 - 26 C) Zsírsav oxidáció (-oxidáció) Purin metabolizmus (AMP és GMP bontás) D-aminosavak oxidációja Detoxifikálás: Kataláz – alkohol bontás (máj) Szintézis: A koleszterin és epesavak szintézisének egyes lépései (máj) A mielin egyes lipid komponenseinek(pl. plasmalogen) szintézise

Növényekben levelek: fotorespiráció - O2 felhasználás; CO2 csírázó magvak: glioxilát ciklus zsírsavak lebontása (glioxiszóma)

Lipid anyagcsere a peroxiszómában Nagyon hosszú láncú zsírsav – CoA (VLCFA-CoA) De novo lipidszintézis hosszú láncú zsírsavak – CoA Elágazó láncú zsírsavak – CoA (BCFA-CoA) Epesav szintézis intermedierek (BASI)

A peroxiszóma biogenezise 1. De novo biogenezis http://labs.biology.ucsd.edu/subramani/research.htm 2. Növekedés és osztódás

A protein import folyamata Feltételek : PTS szignál szekvencia a C-terminálison: Ser-Lys-Leu(SKL) mind a 24 pex gén terméke Kötődés Recirkuláció Fehérje (piros ) kötődik az importot végző receptorhoz (PEX5); A komplex a peroxiszóma felszínéhez szállítódik; Dokkolódik a membránhoz, (PEX14 ,PEX13); levállik receptor recirculál Transzport Transzlokálódik Dokkolás http://www.nature.com/nrm/journal/v3/n5/fig_tab/nrm807_F1.html

Receptor recirculáció PEX molekulák Folyamat iránya Receptor recirculáció Importomer http://www.nature.com/nrm/journal/v3/n5/fig_tab/nrm807_T1.html#figure-title

Kataláz tetramert alkotva szállítódik és nem natív fehérjeként Mátrix fehérje importja: kataláz enzim PTS1R = Pex5 PTS1 szignál Kataláz tetramert alkotva szállítódik és nem natív fehérjeként

X kromoszómához kötött Adrenoleukodisztrófia Peroxiszómális betegségek legfőbb formái peroxiszóma biogenezis betegségek peroxisomális enzimek betegsége PEX gének mutációja Az import folyamat sérül Üres peroxiszómák Hypomielinizáció Tünetek: Hipotónias izomzat Hepatomegália Egyéb transzporterek, enzimek X kromoszómához kötött Adrenoleukodisztrófia Legsúlyosabb állapot Zellweger szindróma

Zellweger szindróma PEX1 gén KO sejtek PEX1 gén KI sejtek

X -hez kötött adrenoleukodisztrófia az ABCD1 transzporter mutációja Nagyon hosszú lláncú zsírsavak felhalmozódása, sok fenotípus legjobban érintett szervek: KIR (myelin), Mellékvese kéreg, Leydig sejtek Terápia: Diéta – nagyon hosszú zsírsavlác (VLCFA) Lorenzó olaja - egy különleges oliva- és repceolajkeverék Jövő - génterápia

Mitokondrium Peroxiszóma Endoszimbionta Endoszimbionta DNS és fehérje szintézis (korlátozott) Nincs DNS és fehérje szintézis Részleges lipid és fehérje import Részleges lipid és teljes fehérje import Oxidációs folyamatok ATP termelés Nincs H2O2 termelés Oxidációs folyamatok Nincs ATP termelés H2O2 termelés A mtDNS anyai öröklődése Mendeli öröklődés