A mitokondrium és a peroxiszóma

Az előadások a következő témára: "A mitokondrium és a peroxiszóma"— Előadás másolata:

1 A mitokondrium és a peroxiszóma
Láng Orsolya Semmelweis Egyetem, Genetika, Sejt- és Immunbiológiai intézet FOK 2016 gsi.semmelweis.hu

2 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

3 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

4 Konfokális M Mitokondrium TEM SEM

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

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

7 Mitokondrium belső membránja
krisztás tubuláris ujjlenyomat bogyós

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

9 Elhelyezkedése a sejtben diffúzan vagy …
TEM

10 Nagy energia igényű helyeken Duktus sejtek bazális csikolata
Spermium nyak

11 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 ! Akár a citoplazma térfogat 25%

12 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

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

14 Mitokondrium hálózat - 3T3 egér fibroblaszt sejt

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

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

17 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

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

19 Az oxidatív foszforilációban résztvevő fehérjék

20 Mitokondriális elektrontranszportlánc (növényi)

21 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

22 Bakterio - rodopszin

23 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

24 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+

25 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

26 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

27 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 ATP keletkezik

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

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

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

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

32 Aminosavak és zsírok oxidációja

33 Anaerob körülmények között – NAD regeneráció fermentációval

34 Hőtermelés - termogenezis
Zsírszövet Barna Fehér

35 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

36 Az emberi mitokondriális genom
Mt-DNS gyűrű alakú, kettős szálú DNS , ami 16’569 bazispárból áll és 37 gént hordoz

37 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

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

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

40 Fehérjék szelektív transzportja a sejtorganellumokba
Fehérje szintézis szabad riboszómán

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

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

43 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)

44 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

45 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

46 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

47 Melyik útvonalon szállítódnak az IMR fehérjéi ?
Proteáz - hasítás

48 Irányító szignálok a mt -fehérjéken

49 Mikondriális fehérje transzport összefoglaló

50

51 Anyai öröklésmenet Nukleáris genom Mt genom

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

53 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

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

55 Mitokondriális betegségek - tünetek
Betegségek oka: Mutáció Szerzett diszfunkciók okai: Gyógyszer mellékhatás Fertőzés Környezeti hatás Legérzékenyebb sejtek: Neuronok Izom sejtek

56 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

57 Mitokondrium egyéb funkciói – apoptózis
2 1 3

58 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

59 Peroxiszóma Konfokális M TEM SEM

60 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

61 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

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

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

64 Funkciója Oxidatív folyamatok: H2O2 szintézise és bontása
Hosszú és nagyon hosszú láncú zsírsavak lebontása ( 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

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

66 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)

67 A peroxiszóma biogenezise
1. De novo biogenezis 2. Növekedés és osztódás

68 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

69 Receptor recirculáció
PEX molekulák Folyamat iránya Receptor recirculáció Importomer

70 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

71 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

72 Zellweger szindróma PEX1 gén KO sejtek PEX1 gén KI sejtek

73 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

74 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