2018-06-14

1

Peroksysomy

Peroksysomy - pierwotne utleniacze (mikrociała)

• w komórkach zwierzęcych i roślinnych

• „biochemiczna zmienność” (procesy metaboliczne: kataboliczne i

anaboliczne)

•

• 0,2 – 1,8 µm

• pojedyncza błona

kanały białkowe (1 kDa)

• ziarnista macierz (matriks)

• brak DNA, rybosomów

• inkluzje: tzw. rdzeń (nukleoid)

Odkryte 1954 -„mikrociała”

Nazwa -Ch. de Duve'a w 1965

Peroksysomy

Mikrografia elektronowa peroksysomów z hepatocytów szczura

Nukleoid –

krystaliczna postać

oksydazy moczanowej(rozkład kwasu moczowego

do alantoiny)

PeroksysomyImport białeksekwencje sygnałowe: Ser-Lys-Leu –C-koniec (zazwyczaj)

peroksyny; białka receptorowe i kanałowe (?)

• podział• z ER

Powstawanie

Peroksysomy• zróżnicowane funkcjonalnie

(50 rodzajów enzymów)

• utleniają różne substraty (zużycie tlenu do 20%)

bez syntezy ATP (dyssypacja energii w formie ciepła)

(1) utlenianie: RH2 + O2 R + H2O2

(2) rozkład H2O2

2 H2O2 2 H2O + O2

lub H2O2 + RH2 = R + 2 H2Operoksydaza

R- aldehydy, fenole, alkohole...donorem elektronów do redukcji

katalaza

oksydazy flawinowe

2018-06-14

2

Peroksysomy

w komórkach zwierzęcych

funkcje utleniające

metabolizm lipidów

utlenianie różnych substratów (alkoholu etylowego –serce, wątroba)

β-oksydacja kwasów tłuszczowych długołańcuchowych (do-8C)

(peroksysomowa oksydaza acetylo–Co A)

degradacja puryn (enzymy cyklu purynowego)

metabolizm aminokwasów (aminotransferazy)

synteza cholesterolu i dolicholi (enzymy w hepatocytach)

synteza plazmalogenów (glicerofosfolipidy- eterolipidy)

Peroksysomy

w komórkach roślinnych – funkcje różnorodne

peroksysomy liściowe

(funkcje utleniające)

peroksysomy brodawek korzeniowych

(uczestniczące w przyswajaniu azotu)

glioksysomy (nasiona roślin oleistych)

(katabolizm kwasów tłuszczowych

i synteza z nich cukrów)

(β-oksydacja, cykl glioksalanowy, cykl Krebsa, glukoneogeneza )

2 acetylo-CoA bursztynian (cykl Krebsa) szczawiooctan

(szlak glukoneogenezy) fosforany fruktozy, glukoza, sacharoza

Peroksysomy

Mikrografia elektronowa peroksysomów z komórek mezofilu liścia

tytoniu (A) oraz glioksysomów z komórek nasienia pomidora (B)

Mitochondria

wielkość, kształt, typy

• nitkowate i wydłużone

• ziarniste

• rozgałęzione

1-7μm (10μm)

0,5-1μm

siłownie komórki

2018-06-14

3

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

podział mitochondrium

Degradacja mitochondriów

(autofagia)nie są formą statyczną

plastyczność

Filmowanie poklatkowe (w mikroskopie fluorescencyjnym)

sieci mitochondrialnej w komórkach drożdży (krok

czasowy 3 min)

2018-06-14

4

rozmieszczenie

mitochondria mikrotubule

• na całym obszarze

• w okolicy okołojądrowej

nie jest przypadkowe

w sąsiedztwie substancji zapasowych

komórki kory nadnerczy –obok kropel tłuszczu

zgodne z kierunkiem transportu substancji

komórki nabłonkowe kanalików nerkowych - wzdłuż osi komórki

komórki nabłonkowe jelita - w części przypodstawnej

rozmieszczenie

(spirale mitochondrialne)

lokalne zapotrzebowanie na energię

Mitochondria

budowa wewnętrzna

Grzebienie:

podłużnie

prostopadle

promieniście

2018-06-14

5

Mitochondria

budowa wewnętrznabłony 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

zewnętrzna (6-7 nm)

błony mitochondrialne

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..)

wewnętrzna (5-6nm)

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

• wolne polirybosomy

2018-06-14

6

ludzki genom mitochondrialny

Koduje: 2 mt rRNA

22 mt tRNA

13 (z 67) polipeptydów łańcucha

oddechowego i syntazy ATP

ponad 600 białek mitochondrialnych

syntetyzowanych jest w cytoplazmie

kolista dwuniciowa cząsteczka DNA

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)

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

2018-06-14

7

Mitochondria

siłownie komórki

ATP + H2O ADP + Pi

DGo = -29,288 kJ x mol-1 (25o C; 1atm)

substratowa

Substrat wysokoenergetyczny (ufosforylowany) + ADP

→ ATP

oksydacyjna

ADP + Pi + (energia z utleniania zredukowanych

nukleotydów ) → ATP

Wytwarzanie ATP – procesy fosforylacji:

fotosyntetyczna

ADP + Pi + (energia świetlna) → ATP

Mitochondria

metabolizm generujący energię - oddychanie

Komórka zwierzęca

cząsteczki pokarmu

lipidy węglowodany białka

I etap

cukry proste

glikoliza

pirogronian

kwasy tłuszczowe

i glicerol

enzymy

aminokwasy

trawienie:

- poza komórką

- lizosomy

w cytozolu

Mitochondria

metabolizm generujący energię - oddychanie

pirogronian kwasy tłuszczowe

II etap

utlenianie

β-oksydacja

acetylo CoA

cykl Krebsa

warunki beztlenowe

pirogronian:

kwasu mlekowego

(mięśnie)

alkoholu etylowego

(drożdże)

w matriks

2018-06-14

8

pirogronian kwasy tłuszczowe

II etap - w matriks mitochondrium

cykl utleniania

(β-oksydacja)

4 enzymy

NADH i FADH2

acetylo CoA

NADH

acetylo CoA

dekarboksylacja

kompleks dehydrogenazy

pirogronianowej

3 enzymy

utlenianie acetylo CoA

redukcja NAD+

redukcja FAD

- cykl kwasów trikarboksylowych

(cykl kwasu cytrynowego; cykl Krebsa)

cykl kwasów trikarboksylowych (kwasu cytrynowego)

1 obrót cyklu:

3 NADH

1 FADH2

1 GTP

2 CO2

oddawanie elektronów

Zaktywowane cząsteczki nośnikowe:

NAD+ NADH

dinukleotyd flawinooadeninowy

dinukleotyd nikotynoamidoadeninowy

III etap – łańcuch przenośników elektronów i synteza ATP

– wewnętrzna błona mitochondrialna

FADH2

NADH

NADH i FADH2 - źródło elektronów dla

fosforylacji oksydacyjnej

2018-06-14

9

Etap 1

• transport elektronów wzdłuż przenośników (uwolnienie energii)[błona wewnętrzna ]

• pompowanie protonów (wykorzystanie energii)[w poprzek błony wewnętrznej]

powstaje elektrochemiczny gradient protonowy

Łańcuch przenośników elektronów i synteza ATP

Etap 2

• przepływ protonów (zgodnie z gradientem elektrochemicznym)

[błona wewnętrzna -kompleks syntazy ATP]

• synteza ATP (wykorzystanie energii)

(hipoteza) sprzężenie chemiosmotyczne

sprzężenie chemiosmotyczne

Fosforylacja oksydacyjna

procesy przekształcania

energii w błonie

Energia uwalniana przez utlenianie NADH jest wykorzystywana

w fosforylacji oksydacyjnej

2e

Równanie netto tego procesu:

transport elektronów

oddawanie elektronów przez NADH

film

2018-06-14

10

Mitochondria

transport elektronów wzdłuż przenośników łańcucha oddechowego

jony metali / grupy chemiczne FMN i FAD – droga elektronów

FMN (mononukleotyd flawinowy); FAD (dinukleotyd flawinowy)

40/15

transport elektronów

centra żelazo-siarkowe w dehydrogenazie NADH

i dehydrogenazie bursztynianowej

transport elektronów - cytochromy

Przenośniki elektronów: atomy Fe (FeII/FeIII) w grupach hemowych

transport elektronów - przenośnik chinonowy

2018-06-14

11

transport elektronów - cytochrom c

Przenośnik elektronów: atom Fe (FeII/FeIII) w hemie

transport elektronów - kompleks oksydazy cytochromowej

transport elektronów – reakcje utleniania/redukcji

potencjał redoks

-320 mV

+30 mV

+230 mV

+820 mV

DE =1140 mV

-109,6 kJ/mol

ogólny model pompowania protonów

Cykliczne allosteryczne zmiany konformacji

białka (o różnej energii)

2018-06-14

12

elektrochemiczny gradient protonowy

Mitochondriasiłownie komórki

Etap 1

powstaje elektrochemiczny gradient protonowy

Etap 2 - synteza ATP

Mitochondriasiłownie komórki

• 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

Etap 2: fosforylacja oksydacyjna

2018-06-14

13

fosforylacja oksydacyjna

Mikrofotografia elektronowa wewnętrznej powierzchni

wewnętrznej błony mitochondrialnej (cząstki z

fragmentami syntazy ATP i kompleksów łańcucha

oddechowego)

syntaza ATP

syntaza ATP aktywny transport poprzez błonę wewnętrzną napędzany

przez elektrochemiczny gradient protonowy

2018-06-14

14

Mitochondria

metabolizm generujący energię - oddychanie