Życie - wymaga nakładu energii źródłem - promienie świetlne - wykorzystywane do fotosyntezy - magazynowanie energii w wiązaniach chemicznych Wszystkie organizmy (a zwierzęce wyłącznie) pozyskują energię z utleniania substratów (węglowodanów i tłuszczów) Podstawowym produktem (nośnikiem energii) - ATP Wytwarzanie ATP procesy fosforylacji: substratowa Substrat wysokoenergetyczny (ufosforylowany) + ADP fotosyntetyczna ADP + Pi + (energia świetlna) ATP oksydacyjna ADP + Pi + (energia z utleniania zredukowanych nukleotydów ) ATP W komórkach eukariotycznych większość ATP wytwarzana jest w mitochondriach i chloroplastach 1
Mitochondria Przenośniki energii w komórkach: ATP ATP + H 2 O ADP + Pi DG o = -29,288 kj x mol -1 (25 o C; 1atm) Fosfoenolopirogronian UDP-glukoza (urydynodifosfoglukoza) Acetylo-CoA (acetylokoenzym A) Mitochondria wielkość, kształt, typy nitkowate i wydłużone ziarniste rozgałęzione 0,5-1μm 1-7μm (10μm) 2
nie są formą statyczną plastyczność Filmowanie poklatkowe (w mikroskopie fluorescencyjnym) sieci mitochondrialnej w komórkach drożdży (krok czasowy 3 min) Mitochondria - liczebność odzwierciedlenie zapotrzebowania energetycznego komórki od kilkudziesięciu do ponad 200 tyś nieliczne - plemniki, komórki tkanki tłuszczowej liczne - komórki serca, wątroby, ameby (Chaos chaos) 12% -25% objętości komórki 3
podział mitochondrium Degradacja mitochondriów (autofagia) 4
nie jest przypadkowe rozmieszczenie na całym obszarze w okolicy okołojądrowej mitochondria mikrotubule zgodne z kierunkiem transportu substancji komórki nabłonkowe kanalików nerkowych - wzdłuż osi komórki komórki nabłonkowe jelita - w części przypodstawnej w sąsiedztwie substancji zapasowych komórki kory nadnerczy obok kropel tłuszczu 5
rozmieszczenie lokalne zapotrzebowanie na energię (spirale mitochondrialne) Mitochondria budowa wewnętrzna Grzebienie: podłużnie prostopadle promieniście 6
Mitochondria budowa wewnętrzna zewnętrzna (6-7 nm) błony mitochondrialne gładka około 50% białek lipidy: dużo cholesterolu i fosfatydyloiozytolu przepuszczalność: kanały wodne (poryna); cząsteczki< 5 kd enzymy związane z syntezą lipidów mitochondrialnych białka kompleksów translokacyjnych receptory dla białek importowanych 7
błony mitochondrialne wewnętrzna (5-6nm) pofałdowana (grzebienie) 75-80% białek (wiele białek unikatowych) lipidy: kardiolipina; K:PC:PE = 2:3:4 wysoka selektywność przepuszczalności białka: kompleksów translokacyjnych łańcucha transportu elektronów syntaza ATP białka przenośnikowe (ATP, ADP, Pi, pirogronianu..) macierz mitochondrialna (matriks) konsystencja żelu (woda<50%) białka: (w hepatocytach- 67% białka) kompleks dehydrogenazy pirogronianowej enzymy cyklu kwasów trikarboksylowych enzymy utleniania kwasów tłuszczowych enzymy i czynniki do replikacji, transkrypcji i translacji białka szoku cieplnego (hsp 70) DNA (mtdna) t RNA rybosomy 8
ludzki genom mitochondrialny kolista dwuniciowa cząsteczka DNA Koduje: 2 mt rrna 22 mt trna 13 (z 67) polipeptydów łańcucha oddechowego i syntazy ATP ponad 600 białek mitochondrialnych syntetyzowanych jest w cytoplazmie Transport (import) białek do mitochondriów Sekwencja wiodąca =sygnałowa (~70 aa): - sekwencja kierująca (N-koniec hydrofilowa) - sekwencja sortująca (hydrofobowa) do błon i przestrzeni międzybłonowej - uniwersalność i konserwatyzm sekwencji mitochondrialnych Sposób pofałdowania cząsteczki (cytochrom C) 9
Transport (import) białek receptory dla sekwencji kierujących białka kanałów translokacyjnych rozfałdowanie białek (białka opiekuńcze= białka hsp) energia do transportu: z ATP z różnicy potencjału po obu stronach błony wewnętrznej 10
Mitochondria główne procesy metaboliczne Mitochondria metabolizm generujący energię - oddychanie Komórka zwierzęca cząsteczki pokarmu lipidy węglowodany białka enzymy kwasy tłuszczowe i glicerol cukry proste glikoliza aminokwasy trawienie: - poza komórką - lizosomy pirogronian I etap w cytozolu 11
Mitochondria metabolizm generujący energię - oddychanie pirogronian acetylo CoA cykl Krebsa kwasy tłuszczowe utlenianie β-oksydacja warunki beztlenowe pirogronian: kwasu mlekowego (mięśnie) alkoholu etylowego (drożdże) II etap w matriks II etap - w matriks mitochondrium pirogronian dekarboksylacja kompleks dehydrogenazy pirogronianowej 3 enzymy acetylo CoA kwasy tłuszczowe cykl utleniania (β-oksydacja) 4 enzymy acetylo CoA - cykl kwasów trikarboksylowych (cykl kwasu cytrynowego; cykl Krebsa) utlenianie acetylo CoA redukcja NAD + redukcja FAD 12
cykl kwasów trikarboksylowych (kwasu cytrynowego) 1 obrót cyklu: 3 NADH 1 FADH 2 1 GTP 2 CO 2 oddawanie elektronów Zaktywowane cząsteczki nośnikowe: dinukleotyd nikotynoamidoadeninowy dinukleotyd flawinooadeninowy NAD + NADH 13
III etap łańcuch przenośników elektronów i synteza ATP wewnętrzna błona mitochondrialna NADH i FADH 2 - źródło elektronów dla fosforylacji oksydacyjnej NADH FADH 2 Łańcuch przenośników elektronów i synteza ATP Etap 1 transport elektronów wzdłuż przenośników (uwolnienie energii) [błona wewnętrzna ] pompowanie protonów (wykorzystanie energii) [w poprzek błony wewnętrznej] Etap 2 powstaje elektrochemiczny gradient protonowy przepływ protonów (zgodnie z gradientem elektrochemicznym) [błona wewnętrzna -kompleks syntazy ATP] synteza ATP (wykorzystanie energii) sprzężenie chemiosmotyczne 14
sprzężenie chemiosmotyczne Fosforylacja oksydacyjna procesy przekształcania energii w błonie 15
Mitochondria transport elektronów 40/15 jony metali / grupy chemiczne FMN i FAD droga elektonów FMN (mononukleotyd flawinowy); FAD (dinukleotyd flawinowy) transport elektronów reakcje utleniania/redukcji potencjał redoks -320 mv +30 mv +230 mv +820 mv DE =1140 mv 16
film transport elektronów oddawanie elektronów przez NADH transport elektronów centra żelazo-siarkowe w dehydrogenazie NADH i dehydrogenazie bursztynianowej 17
transport elektronów - cytochromy Przenośniki elektronów: atomy Fe (FeIII/FeII) w grupach hemowych transport elektronów - przenośnik chinonowy 18
transport elektronów - cytochrom c Przenośnik elektronów: atom Fe (FeII/FeIII) w hemie transport elektronów - kompleks oksydazy cytochromowej 19
przemieszczanie protonów dzięki transportowi elektronów ogólny model pompowania protonów Cykliczne allosteryczne zmiany konformacji białka (o różnej energii) 20
elektrochemiczny gradient protonowy Mitochondria siłownie komórki Etap 1 powstaje elektrochemiczny gradient protonowy Etap 2 - synteza ATP 21
Mitochondria siłownie komórki Etap 2: fosforylacja oksydacyjna przepływ protonów zgodnie z gradientem elektrochemicznym poprzez błonę wewnętrzną do matriks (przez kompleks syntazy ATP) synteza ATP z ADP i Pi wykorzystanie energii (syntaza ATP) Etap 2: fosforylacja oksydacyjna 22
fosforylacja oksydacyjna Mikrofotografia elektronowa wewnętrznej powierzchni wewnętrznej błony mitochondrialnej (cząstki z fragmentami syntazy ATP i kompleksów łańcucha oddechowego) syntaza ATP film 23
syntaza ATP Dinitrofenol (DNP)- przepuszczalność H + Nigerycyna - )- przepuszczalność K + aktywny transport poprzez błonę wewnętrzną napędzany przez elektrochemiczny gradient protonowy 24
Mitochondria metabolizm generujący energię - oddychanie 25