Molecular Biology of the Cell - Laboratoř experimentální medicíny

Energetické zajištění života buněk –
mitochondrie a plastidy
doc. Mgr. Jiří Drábek, PhD.
Laboratoř experimentální medicíny
při Dětské klinice LF UP a FN Olomouc
1
Alberts • Johnson • Lewis • Raff • Roberts • Walter
Molecular Biology of the Cell
Fifth Edition
Chapter 14
Energy Conversion:
Mitochondria and Chloroplasts
Copyright © Garland Science 2008
2
Dnešní program
•
•
•
•
•
Mitochondrie (mt)
Elektronové transportní řetězce a jejich
protonové pumpy
Chloroplasty a fotosyntéza
Genetické systémy mt a plastidů
Srovnání elektronových transportních řetězců
3
Vlastnosti buňky
1.
2.
3.
4.
Informace, dědičnost
Vnitřní prostředí
Aktivita, odpověď, pohyb
Energie (pro předchozí)
4
Získávání energie pro život
Figure 14-1 Molecular Biology of the Cell (© Garland Science 2008)
Mb – má proteinovou pumpu, ATP syntházu, zdroj e- (chemické palivo - oxidace
potravin; slunce). H+ je volně dostupný z vody
1) Přenos e- nastartuje pumpu pro vodíkové kationty – tvorba
elektrochemického protonového gradientu (iontový gradient je akumulátorem
E)
2) Protonový gradient je využit „turbínou“ ATP syntházou k tvorbě ATP z ADP
a anorganického fosfátu (anebo u bkt k přímé rotaci flagela bez mezistupně
ATP)
5
Chemiosmotické
propojení
Figure 14-2 Molecular Biology of the Cell (© Garland Science 2008)
Chemi – chemická tvorba ATP
Osmo – transport přes mb
Mt – elektrony jsou uvolněny v průběhu degradace polysacharidů na CO2,
přenášeny řetězcem elektronových přenašečů až redukují plynný kyslík na vodu.
Během přenosu se E e- přenáší na tři protonové pumpy. První pumpa je NAD+
(přeměněna na NADH)
Ct – mají fotosystémy, světelná E zachycena chlorofylem; e- jsou odebrány z
vody (narozdíl od mt) pro tvorbu O2 a darovány (přes NADPH) CO2 k tvorbě
sacharidů
6
Transport elektronů
Figure 14-3 Molecular Biology of the Cell (© Garland Science 2008)
Elektronový transportní řetězec – soubor mlk transportu
Světle zeleně vstupní E, výstup modrý, červenými šipkami dráha elektronů,
oranžově proteinové komplexy v mb
Vstupní a výstupní mlk se liší u mt a ct
7
Mitochondrie
Tvorba ATP bez mt – E nevýhodná anaerobní glykolýza (glukóza na pyruvát)
Tvorba ATP s mt – pyruvát oxidován na CO2 a O2, tvoří 15krát více ATP=30
mlk ATP/mlk glukózy (!)
8
Plasticita mt
Figure 14-4 Molecular Biology of the Cell (© Garland Science 2008)
Mt jsou „živé“, pohybují se podél mikrotubulí
Studium mt – jaterní buňky, u kterých v každé 1500 mt
9
Mt se seřazují podél mikrotubulů
Mt pomocí
Rhodaminu 123
Mikrotubuly
pomocí Ab
Figure 14-5 Molecular Biology of the Cell (© Garland Science 2008)
Stejná buňka
10
Mt na místech vysoké spotřeby ATP
Figure 14-6 Molecular Biology of the Cell (© Garland Science 2008)
Mt v místech vysoké spotřeby se nepohybují podél mikrotubulů – zůstávají
fixovány, fúze mt
11
Biochemická frakcionace mt
Figure 14-7 Molecular Biology of the Cell (© Garland Science 2008)
Při nízkém osmotickém tlaku praská vnější mb
12
Mitochondrie
Figure 14-8 (part 1 of 2) Molecular Biology of the Cell (© Garland Science 2008)
Jaterní mt
Vnější mb obsahuje porin (vodní kanál prostupný pro max 5kDa)
Vnitřní lipidová dvojvrstva obsahuje kardiolipin – fosfolipid se čtyřmi mastnými
kyselinami namísto dvou (více nepropustné pro ionty)
Proteiny v mt matrix:
-Metabolizace pyruvátu
-Metabolizace mastných kyselin
-Produkce CoA
-Oxidace CoA v cyklu kyseliny citrónové (citrátový cyklus)
Elektronový transportní řetězec v mt - dýchací řetězec (oxidativní fosforylace)
Vnitřní mb tvoří kristy
13
…mitochondrie
Figure 14-8 (part 2 of 2) Molecular Biology of the Cell (© Garland Science 2008)
Matrix – stovky enzymů, mt genom (několik kopií), tRNA, mt ribozómy
Vnitřní mb – kristy zvětšují povrch; proteiny dýchacího řetězce, ATP syntházy,
transportní proteiny pro metabolity
Vnější mb – kanálový porin, enzymy pro syntézu lipidů
Mezimb prostor- využití ATP k fosforylaci nukleotidů
Cukry nebo mastné kyseliny se přemění na acetylCoA, acetyl CoA se citrátovým
cyklem přemění na odpadní CO2 při přenosu nabitých elektronů na NADH,
FADH2 (které přeměněny na NAD+ a FAD)
14
NADH daruje elektrony
Figure 14-9 Molecular Biology of the Cell (© Garland Science 2008)
Červené tečky – nabité elektrony
Hydridový iont – vodík s elektronem navíc – je přeměněn na H+ a 2 elektrony
Obdobně FADH2
15
Výroba E v mt
Figure 14-10 Molecular Biology of the Cell (© Garland Science 2008)
1) Zespodu – pyruvát a mastné kyseliny jsou rozloženy na acetylCoA
2) acetylCoA je metabolizován citrátovým cyklem (NAD+ redukováno na
NADH a FAD na FADH2)
3) Během oxidativní fosforylace jsou elektrony z NADH a FADH2 přeneseny na
kyslík, při tom je generován protonový gradient, který je využit k tvorbě ATP
ATPsyntházou
16
Přeměna NADH (a FADH2) energie na
ATP energii
Figure 14-11 Molecular Biology of the Cell (© Garland Science 2008)
Oxidativní fosforylace – přeměna chemické E na chemickou (NADH a FADH2
na ATP)
17
Srovnání biologické oxidace a výbuchu
Figure 14-12b Molecular Biology of the Cell (© Garland Science 2008)
Figure 14-12a Molecular Biology of the Cell (© Garland Science 2008)
Výbuch – vodík spálen, uvolněno teplo
Biologická oxidace – vodík rozložen na protony a elektrony, které jsou přenášeny
z jednoho kovového iontu na druhý (3 velké enzymové dýchací komplexy),
většina E je uložena do formy s odkladem použití, část uvolněna jako teplo
Pohyb vodíkových protonů vytváří pH gradient (pH vyšší v mt matrix) a mb
potenciál (vnitřek mb negativní), delta pH a delta V (=delta Ψ), což je
dohromady zvané elektrochemický protonový gradient a měřitelné jako
protonová síla v milivoltech
18
Elektrochemický protonový gradient
Figure 14-13 Molecular Biology of the Cell (© Garland Science 2008)
Celková protonová přenášecí síla mt (nese protony do matrix) sestává z menší
části z delta pH a z větší části z delta V
19
Oxidativní fosforylace
Figure 14-14 Molecular Biology of the Cell (© Garland Science 2008)
ATPsyntháza vytváří hydrofilní cestu přes vnitřní mt mb
20
ATP syntháza
Figure 14-15 Molecular Biology of the Cell (© Garland Science 2008)
Květ tulipánu
Stator (zelené a), rotor (červené c podjednotky), hlava (alfa beta, ATPázová fce
po uvolnění z mb, 3D obraz z krystalografie)
21
Gradienty na mt mb
Figure 14-16 Molecular Biology of the Cell (© Garland Science 2008)
22
Rotace bkt bičíku poháněná H+
Figure 14-17 Molecular Biology of the Cell (© Garland Science 2008)
Rotace je poháněná tokem vodíkových protonů přes vnější prstenec proteinů
(stator)
23
Produkty oxidace cukrů a tuků
Table 14-1 Molecular Biology of the Cell (© Garland Science 2008)
24
Hydrolýza ATP
Figure 14-18 (part 1 of 4) Molecular Biology of the Cell (© Garland Science 2008)
ATP - nabitý akumulátor, používaný pro E nevýhodné procesy
Reakční kinetika
25
Syntéza ATP
Figure 14-18 (part 2 of 4) Molecular Biology of the Cell (© Garland Science 2008)
26
Rovnováha ATP
Figure 14-18 (part 3 of 4) Molecular Biology of the Cell (© Garland Science 2008)
Rovnovážná konstanta K
27
Termodynamika hydrolýzy ATP
Figure 14-18 (part 4 of 4) Molecular Biology of the Cell (© Garland Science 2008)
Při rovnováze standardní změna volné energie na reakci (delta G0) = -RTlnK
R plynová konstanta
T absolutní teplota
Delta G = jak daleko je reakce od rovnováhy, poháněcí síla chemické reakce
28
ATP syntháza mění E v obou směrech
Figure 14-19 Molecular Biology of the Cell (© Garland Science 2008)
A) Elektrochemický protonový gradient změněn na chemickou E vazby
B) Chemický E ATP vazby změněna na elektrochemický protonový gradient
(pumpování protonů proti elektrochemickému gradientu)
Zpětnosměrný spřažný mechanismus
Směr reakce závisí na celkové změně volné E (delta G) spřaženého procesu
ATP syntháza pumpuje 60 krát silněji než dieselový motor o stejné velikosti
29
Elektronové transportní řetězce a
jejich protonové pumpy
30
Protony ve vodě
Figure 14-20a Molecular Biology of the Cell (© Garland Science 2008)
Protony se rychle pohybuje podél „řetězce“ mlk vody, vázaných vodíkovou
vazbou
Protony neexistují osamoceně, ale navázané na H2O (H3O+)
Při neutrálním pH je koncentrace H3O+ rovna 10-7 M
Modrá šipka – protonový skok
Hydroniový iont (H3O+) – zelené pozadí
31
Elektronový transfer může přenést celý
vodíkový atom
Figure 14-20b Molecular Biology of the Cell (© Garland Science 2008)
H+ na rozdíl od Na+ anebo K+:
-Časté v organických mlk
-Součást všudypřítomné vody
-Mobilní (přeskakují z jedné mlk H2O na druhou)
32
Pumpování protonů
přes mb
Figure 14-21 Molecular Biology of the Cell (© Garland Science 2008)
Elektronový transportní řetězec v lipidové dvouvrstvě přenáší elektron
B nabere proton z jedné strany mb, odevzdá na druhé straně (při přenosu e- z A
na C)
Přenosem e- se jedna mlk oxiduje, druhá redukuje – jedná se o redoxní rci
Redoxní pár NADH/NAD+: NADH ↔ NAD+ + H+ + 2eRedoxní potenciál – měřítko afinity k e-, elektrony spontánně přecházejí z
redoxních párů s nízkým redoxní potenciálem (NADH/NAD+) na redoxní páry s
vysokým redoxním potenciálem (O2/H2O), měřítkem je změna standardní volné
E (delta G0)
Reakce 2H+ + 2e- + 1/2O2 → H2O probíhá v živých systémech po malých
krocích v elektronovém transportním řetězci, aby se využila E (a nepřeměnila v
teplo)
33
Kovalentní
připojení hemu
k cytochromu c
Figure 14-22 Molecular Biology of the Cell (© Garland Science 2008)
Proteiny dýchacího řetězce – cytochromy, železosirné proteiny, chinony,
měďnaté atomy a flavin
Cytochromy: modře zobrazený porfyrinový kruh (existují rozdílné cytochromy v
respiračním řetězci s různými afinitami k elektronu)
Obdobně železo v hemoglobinu v krvi a hořčík v chlorofylu v listech
Elektronové přenašeče v dýchacím řetězci absorbují viditelné světlo a mění barvu
při oxidaci nebo redukci – spektroskopický objev cytochromů a, b, c v 1925
Železo se přijetím e- redukuje z Fe3+ na Fe2+
34
Železosirné centrum 2Fe2S a 4Fe4S
Figure 14-23 Molecular Biology of the Cell (© Garland Science 2008)
Přenášejí jen jeden e-
35
Chinonoví přenašeči elektronů
Figure 14-24 Molecular Biology of the Cell (© Garland Science 2008)
Ubichinon v mt (plastochinon v chloroplastech) = koenzym Q, malá hydrofobní
mlk v lipidové dvojvrstvě, přenáší jeden nebo dva e- (a jeden nebo dva H+)
Elektronové přenašeče mají zvyšující se afinity pro e- (vyšší redoxní potenciály)
podél respiračního řetězce
36
Dráha elektronů v enzymových
komplexech dýchacího řetězce
Figure 14-26 Molecular Biology of the Cell (© Garland Science 2008)
Většina enzymů dýchacího řetězce je seskupena do tří velkých enzymových
komplexů:
NADH dehydrogenáza (komplex I) směr flavin-železnosirná centra-ubichinon
(pumpování protonů)
Cytochrom b-c1 (dimer) směr od ubichinonu přes cytochromy a železnosirné
centra do cytochromu c
Cytochrom-oxidázový komplex (dimer) – z cytc přes cytochromy a měďnaté
atomy přenáší na kyslík 4 e- (cytochrom-oxidáza funguje jako sběrné místo pro
e-: NADH daruje dva e-, přenašeče přenášejí po jednom e-, 2 musí získat 4 e-).
Důležitost sběrného místa: superoxidový radikál O2- je nebezpečně reaktivní,
proto uzamknutí v bimetalickém (Fe-Cu) centru
Kyanid a azid blokují elektronový transport (a tvorbu ATP) ve vnitřní mt mb
svou silnou vazbou k cytochrom-oxidázovému komplexu
Kyslík uvolní velké množství volné E při své redukci na vodu (evoluční
energetický skok ve srovnání s anaerobním metabolismem)
37
Změny redoxního potenciálu v mt
elektronovém řetězci
Figure 14-29 Molecular Biology of the Cell (© Garland Science 2008)
Redoxní potenciál E0 se zvyšuje s přechodem e- podél dýchacího řetězce
Část E využita k pumpování H+ přes vnitřní mt mb
38
Obecný model vodíkové pumpy
Figure 14-31 Molecular Biology of the Cell (© Garland Science 2008)
Model společný pro cytochromoxidázu a světlem poháněnou prokaryotickou
protonovou pumpu (bakterio-rhodopsin)
Různá E konformací A, B, C
A nabere vodík z vniřní mb (z matrix mt)
C odevzdá vodík do mezimb prostoru mt
Přechod B na C je u cytochrom-oxidázy z e- transportu, u bakteriorhodopsinu ze
svěla (další možnost ATP)
Odpřahovací činidla (uncoupling agents) – např. 2,4 dinitrofenol, oddělují
elektronový transport od ATP syntézy tím, že umožňují zkrácený přenos vodíku
přes vnitřní mt mb bez využití ATPsyntházy
Přirozené oddělení e- transportu od ATP syntézy generuje teplo: je u „hnědého
tuku“ pro probuzení hibernujících zvířat a ochranu novorozenců
39
Hlad a dostatek
Figure 14-32 Molecular Biology of the Cell (© Garland Science 2008)
Zpětnovazebná kontrola procesů glykolýzy, rozkladu mastných kyselin,
citrátového cyklu a elektronového transportu dle ATP:ADP poměru umožňuje
desetinásobné navýšení oxidace (při svalovém vypětí)
Baktérie: stejné principy chemiosmózy, ale větší rozmanitost
-Aerobní, anaerobní (fermentativní glykolýza), fakultativně aerobní
-Alternativním elektronovým akceptorem může být dusíková, sirná nebo
uhlíková (fumarát, karbonát) mlk místo kyslíku
40
Chloroplasty a fotosyntéza
Většina organického materiálu na Zemi je a byla (až po samé geochemické
prvopočátky) tvořena fotosyntetizujícími organismy
Nejpokročilejší fotosyntetizující bkt jsou cyanobkt: fixují uhlík reakcí nH2O +
nCO2 + světlo → (CH2O)n + nO2
U rostlin a řas je fotosyntéza ve specializované organele, chloroplastu
(pocházející z endocytované bkt stejně jako mt)
41
Plastidová diverzita
Figure 14-34 Molecular Biology of the Cell (© Garland Science 2008)
Plastidy mají genom ve více kopiích, jsou obklopeny dvěma koncentrickými mb,
probíhá zde syntéza purinů, pyrimidinů, ak a mastných kyselin (u živočichů v
cytosolu), vyvíjejí se z proplastidů v rostlinných meristémech (špička kořene)
List ve tmě – proplastid se vyvine v etioplast, po expozici světlu chloroplast
Epidermální a vntiřní pletiva – leukoplast, např. amyloplast naplněný škrobem (u
bramboru velký jako průměrná živočišná buňka)
42
Velká vakuola, kolem malá cytoplazma s ct,
jádrem, mt
Figure 14-35a Molecular Biology of the Cell (© Garland Science 2008)
43
Chloroplast s produkty syntézy
Figure 14-35b Molecular Biology of the Cell (© Garland Science 2008)
Ct se podobá mt, ale je větší a má navíc kompartment thylakoid
Granum je štos thylakoidů
44
Dvě thylakoidová zrnka
Figure 14-35c Molecular Biology of the Cell (© Garland Science 2008)
45
Chloroplast
Figure 14-36 Molecular Biology of the Cell (© Garland Science 2008)
Mb:
-Vnější
-Vnitřní bez krist a dýchacího řetězce
-Thylakoidová mb s elektronovým transportním řetězcem, ATPsyntházou a
fotosyntetickým systémy k zachycení světla
Thylakoidy jsou navzájem propojené a vytvářejí zrna
46
Srovnání mt a ct
Figure 14-37 Molecular Biology of the Cell (© Garland Science 2008)
Stroma ct ≈ matrix mt
47
Schéma
fotosyntézy
v chloroplastu
Figure 14-38 Molecular Biology of the Cell (© Garland Science 2008)
Voda je oxidována, kyslík uvolněn a CO2 asimilován=fixován k tvorbě cukrů
Reakce
-Fotosyntetický transport e-, světelná rce, e- nabije chlorofyl, elektronový
transport, pumpování H+ přes thylakoidní mb umožňuje syntézu ATP ve
stromatu, nakonec změna NADP+ na NADPH
-Fixace uhlíku, temnostní rce, ATP a NADPH se využije k přeměně CO2 na
sacharid (sacharóza)
48
Primární reakce při fixaci uhlíku
Figure 14-39 Molecular Biology of the Cell (© Garland Science 2008)
Přeměna CO2 na organický uhlík
Ribulóza bisfosfát karboxyláza/oxygenáza (RuBisCo) ve stromatu, pomalý
enzym ve velkém množství (nejčastější enzym na Zemi)
49
Celý Calvinův
cyklus
(cyklus fixace
uhlíku)
Figure 14-40 Molecular Biology of the Cell (© Garland Science 2008)
Tři ATP a dvě NADPH se spotřebují k fixaci jediného CO2
3CO2 + 9ATP + 6NADPH + H2O → glyceraldehyd 3 fosfát + 8 Pi + 9 ADP +
6NADP+
50
Anatomie C3 a C4 listu
Figure 14-41a Molecular Biology of the Cell (© Garland Science 2008)
C3: buňky mají chloroplast fixující uhlík ve všech buňkách
U C3-rostlin reaguje CO2 s ribulosa-1,5-bisfosfátem za katalýza Rubisco a
prvním detegovatelným produktem je tříuhlíkatá (proto C3) sloučenina 3fosfoglycerát. většina rostlin mírného pásu. V důsledku nízkého parciálního tlaku
CO2 v atmosféře a vysokého parciálního tlaku O2 zde probíhá fotorespirace.
C4: tropické rostliny, kukuřice, cukrová třtina, buňky mezofylu jsou
specializované k pumpování CO2 do buněk okolo cévního svazku namísto k
fixaci uhlíku; vaskulární svazek roznáší vytvořenou sacharózu; energetická
výhoda: možnost fotosyntézy při nižší koncentraci CO2 uvnitř buněk (možnost
méně častého otevírání stomat)
U C4-rostlin je primárním akceptorem CO2 fosfoenolpyruvát a vzniká
čtyřuhlíkatý oxalacetát. Ten je následně redukován na malát, který je
transportován do jiných buněk, kde je dekarboxylován; tím je zde dosaženo vyšší
koncentrace CO2 a fotorespirace je potlačena.
U CAM (Crassulacean Acid Metabolism) rostlin v noci fixace CO2 podobným
způsobem jako C4-rostliny, uchovávní malátu ve vakuolách. Ve dne, kdy je
dostatek světla a tedy i ATP a NADPH, Calvinův cyklus - časové oddělení fixace
CO2 od jeho využití. Tyto rostliny (Crasulacea, tučnolisté) jsou adaptovány na
horké a suché podnebí tím, že během dne mohou mít uzavřené průduchy, a brání
se tak vysychání.
51
Struktura
chlorofylu
Figure 14-42 Molecular Biology of the Cell (© Garland Science 2008)
Stru chlorofylu: hořečnatý iont v porfyrinovém kruhu, elektrony delokalizované
(modře)
Fotochemie chlorofylu: chlorofyl je exitovaný fotonem (světelným kvantem), ese posune na mlk orbital o vyšší E
Excitovaná mlk je nestabilní a stabilizuje se buď:
-Tvorbou tepla (mlk pohyb) nebo tvorbou fluorescence
-Rezonančním přenosem E bez přenosu e- na sousedící chlorofyl
-Přenosem nabitého e- na sousedící e- akceptor a náborem nízkoenergetického eod e- donora
52
Anténa a fotochemické reakční
centrum ve fotosystému
Figure 14-43 Molecular Biology of the Cell (© Garland Science 2008)
Přenos E nebo e- se využívá ve fotosyntéze. Rezonanční přenos se využívá v
anténním pigmentovém komplexu (stovky chlorofylových mlk a jejich
protioxidačních bariér = karotenoidů), přenos e- ve fotosyntetickém reakčním
centru (zvláštní pár chlorofylových mlk).
53
Přenos excitace
Figure 14-45 Molecular Biology of the Cell (© Garland Science 2008)
Postupné přesuny eU purpurové bkt obdobně, ale není zde jako slabý elektronový donor (s afinitou k
elektronům) využita voda, ale cytochrom
54
Pohyb elektronů thylakoidní mb při
fotosyntéze
Figure 14-48 Molecular Biology of the Cell (© Garland Science 2008)
Tvorba ATP a NADPH u rostlin i cyanobkt acyklickou fotofosforylací
Napřed fotosystém II (historické důvody):
-4 fotony uvolní čtyři elektrony z vody 2H2O →4H+ + 4e- + O2 a přenese je na
chinony (plastochinon podobný mt ubichinonu)
-Chinony předají elektrony vodíkové pumpě cytochrom b6-f (podobné cytochrom
b-c1 u mt)
-Cytochrom napumpuje H+ dovnitř thylakoidů
-Vzniklý elektrochemický gradient H+ umožní syntézu ATP ATPsyntázou
Následuje fotosystém I:
-Elektrony cytochrom předá do elektronové díry v plastocyaninu (vypálené
dalším fotonem), plastocyanin předá e- dál feredoxinu
-NADP+ redukováno na NADPH
55
Změny v redoxním
potenciálu při
fotosyntéze
Figure 14-49 Molecular Biology of the Cell (© Garland Science 2008)
Model necyklické fotofosforylace (fotosyntetické tvorby ATP), známý jako Z
schéma:
Potenciálové nahoru-dolů-nahoru, protože jedna fotonová dávka nestačí
Existuje také cyklické schéma fotofosforylace, využívající jen fotosystém I:
Pro fixaci uhlíku je nutná na 1 mlk NADPH 1,5 mlk ATP, proto se dá přepnout
na režim tvorby ATP namísto NADPH (elektron nepřejde na NADP+, ale na
cytochrom b6-f)
56
Srovnání
fotosyntetických
reakčních center
Figure 14-50 Molecular Biology of the Cell (© Garland Science 2008)
Zeleně anténové pigmenty
Červeně proteiny centrální fotochemické rce
A) Purpurové bkt
B) fotosystém II - manganový klastr
C) fotosystém I – plastocyanin, červené tečky Fe-S centra
57
Srovnání toku H+ a
orientace ATP syntázy
v mt a ct
Figure 14-51 Molecular Biology of the Cell (© Garland Science 2008)
Stejná barva odpovídá stejnému pH kompartmentu
Ct stroma pH 7,5, thylakoidní prostor pH 5, delta pH = 2,5 umožní syntézu ATP,
podobně jako mb potenciál umožní syntézu ATP u mt
Mb potenciál ct je nízký, protože thylokoidní mb je propustná pro Mg2+ a ClGlyceraldehyd 3 fosfát produkovaný fixací CO2 v stromatu ct je přenášet ven z ct
do cytosolu výměnou za anorganický fosfát
Glyceraldehyd 3 fosfát je zčásti využit ke tvorbě cukrů, zčásti je glykolyticky
přeměněn na 3 fosfoglycerát za tvorby ATP (energie) a NADH (redukční zdroj)
Další rce v ct: syntéza mastných kyselin a ak, redukce NO2- na NH3 (zdroj
dusíku pro nt a ak)
58
Genetické systémy mt a
plastidů
59
Mt DNA a jaderná DNA
Figure 14-52 Molecular Biology of the Cell (© Garland Science 2008)
Euglena gracilis
Červeně (jaderná) DNA, zeleně mt, žlutě mt DNA (superpozice červené a zelené)
60
Mt a jaderné proteiny jsou exprimované
dvěma rozdílnými genetickými systémy
Figure 14-53 Molecular Biology of the Cell (© Garland Science 2008)
Většina proteinů mt a ct je kódována jádrem - import z cytosolu
Export proteinů mezimb prostoru mt jen během apoptózy
Evoluční endosymbióza mt a ct – začátek proteosyntézy N-formylmethioninem a
ne methioninem, citlivost mt a ct DNA na ATB (chloramfenikol, tetracyklin)
61
Živočišná mtDNA v průběhu replikace
Figure 14-54 Molecular Biology of the Cell (© Garland Science 2008)
Žlutě – nově vytvořená DNA; šipkami vymezena replikovaná část
62
Relativní množství DNA v organelách
Table 14-2 Molecular Biology of the Cell (© Garland Science 2008)
63
Dynamické mt retikulum
Figure 14-55 Molecular Biology of the Cell (© Garland Science 2008)
Tvar a počet mt v buňce závisí na fyziologické potřebě
Mt v kvasinkách vytváří souvislé retikulum pod plazma mb
Rovnováha GTPázové fúze a dělení (červené šipky): 3 minutové intervaly mezi
snímky
Mutace u Drosophil, která postihuje mt fúzi blokuje vývin spermií – neplodnost
Replikace organelové DNA probíhá kontinuálně (i mimo S fázi), kopie se
klastrují do nukleoidů (bez histonů)
Dlouhodobá stimulace kosterních svalů způsobí řádové navýšení počtu mt
64
Dělení a slučování mt
Figure 14-56a Molecular Biology of the Cell (© Garland Science 2008)
Dělení podobné jako dělení bkt stěny
Zahrnuta vnější i vnitřní mb
65
Relativní velikosti mt genomů
Figure 14-57 Molecular Biology of the Cell (© Garland Science 2008)
Mt DNA prvoka Reclinomonas americana má rekordních 97 genů
66
Evoluční původ mt
Figure 14-58 Molecular Biology of the Cell (© Garland Science 2008)
Nejméně tři nezávislé endosymbiotické pohlcení ct (vysvětluje rozdíly mezi
řasami a vyššími rostlinami)
Microsporidia a Giardia – anaerobní prvoci současné doby bez mt
Ct z fotosyntetických cyanobkt, integrace ct DNA do jaderného genomu
Mt z purpurových bkt
67
Lidský mt genom
Figure 14-60 Molecular Biology of the Cell (© Garland Science 2008)
16500 nt
Andersonova Cambridgeská sekvence 1981
Výjimečné vlastnosti mt genomu (rychlejší evoluce vyplývající z):
-Nižší věrnost replikace
-Neúčinná oprava DNA
Výjimečné vlastnosti lidského mt genomu:
-Geny nahusto – transkripce v obou směrech, nejsou introny
-Relaxované použití standardních kodonů „wobbling“ (22 tRNA stačí místo
cytoplazmových 30 tRNA)
-Rozdíly v genetickém kódu (viz dále)
68
Výjimky z univerzálního genetického kódu
Table 14-3 Molecular Biology of the Cell (© Garland Science 2008)
69
Ct genom
mechorostu
Figure 14-61 Molecular Biology of the Cell (© Garland Science 2008)
120 genů pro trkci, trlaci, biosyntézu malých mlk (ak, mastné kyseliny,
pigmenty) a fotosyntézu
70
Rozdíl v dědičnosti mt a
jaderných genů
v kvasinkách
Figure 14-62 Molecular Biology of the Cell (© Garland Science 2008)
Jaderné - mendelistická dědičnost; 90 proteinů mt a ct kódovaných v jádře
Mt – nemendelistická (cytoplazmická), po přeslici
Př.: rezistence ke chloramfenikolu
Mitotická segregace – stochastický proces, kdy dceřinná buňka může nést více
nebo méně mutantních mt než buňka mateřská
Homoplazmie - je přítomna jen jedna homogenní populace mtDNA (odpovídá
stavu u drtivé většiny "normálních" jedinců). Frekvence mutací je u mitochondrií
10-20x vyšší než u jaderné DNA, což vede k heteroplazmii.
Mt dědičnost v kvasinkách je biparentální, u vyšších organismů mateřská
71
Skvrnitý list: v bílých místech jsou
defektní ct
Figure Q14-2 Molecular Biology of the Cell (© Garland Science 2008)
Figure 14-63 Molecular Biology of the Cell (© Garland Science 2008)
Ct dědičnost biparentální nebo mateřská
Variegation - skvrnitost, pestrost způsobená defektními ct u biparentálního
dědění ct rostlin
Mozaikovitost u mt: MERRF myogenic epilepsy and ragged red fiber disease –
mutace v mt tRNA genu, mitotická segregace a prahová hodnota u tkáně
Měření stáří dle mutací v mt DNA
72
Kvasinky
standard
petit mutant
(chybí „jaderné“ části mt)
Figure 14-64 Molecular Biology of the Cell (© Garland Science 2008)
Důležitost jaderného genomu pro mt
73
Kardiolipin
Figure 14-65 Molecular Biology of the Cell (© Garland Science 2008)
Ct si vyrábějí většinu lipidů
Mt importují většinu lipidů:
-z ER přijde fosfatidylserin a fosfatidylcholin
-Fosfatidylserin je v mt dekarboxylován na fosfatidyletanolamin
-Importované lipidy jsou v mt přeměněny na kardiolipin (bisfosfatidylglycerol,
čtyři ocásky mastných kyselin místo obvyklých fosfolipidových dvou), který
zůstává ve vnitřní mt mb
74
Srovnání elektronových
transportních řetězců
75
Hlavní události evoluce života na Zemi
Figure 14-71 Molecular Biology of the Cell (© Garland Science 2008)
Fermentace → okyselení → vznik protonových pump
Akumulace kyslíku v atmosféře začala, až se nasytilo železo Fe2+ na Fe3+ (po
miliardě let)
Více kyslíku – vznikají nefotosyntetické organismy využívající kyslík, nakonec
rovnováha O2
Nutnost protektivních mechanismů vůči O2, oxidace DNA je znakem stárnutí
76
Srovnání elektronových transportních
řetězců: purpurové nesirné bkt
Figure 14-73 (part 1 of 3) Molecular Biology of the Cell (© Garland Science 2008)
Evoluce je konzervativní: staré + něco nového dá nové; homologie mezi
transportními řetězci purpurových bkt, ct a mt
Mb komplexy přijímají e- z chinonu a pumpují vodíkový proton přes mb
Cytochromový komplex bf odpovídá bc1
77
Srovnání elektronových transportních
řetězců: ct a cyanobkt
Figure 14-73 (part 2 of 3) Molecular Biology of the Cell (© Garland Science 2008)
78
Srovnání elektronových transportních
řetězců: mt
Figure 14-73 (part 3 of 3) Molecular Biology of the Cell (© Garland Science 2008)
79
Děkuji vám za pozornost!
80