Mitochondrie
esenciální organely eukaryotické buňky
Mário Špírek
B07/305
Struktura: membránově obalená organela
Dedičná informace: extranuklearní genom (mtDNA), nesoucí geny pro proteiny
ale i RNA
Metabolizmus: Krebsův cyklus, dýchací řetězec, beta-oxidace mastných kyselin a
jiné
Mitochondrie
Vznik mitochondrie
Endosymbiotická hypotéza:
potomek endosymbiotické bakterie (pravdepodobne alfaproteobakterií z
příbuzenského okruhu rodu Rickettsia), která se v procesu vzniku eukaryotické buňky
určitým způsobem transformovala v semiautonomní organelu (před 2 miliardy let)
mtDNA vznikla redukcí genomu symbiotické bakterie přičemž došlo také k tzv.
horizontálnímu transferu, tedy přechodu části genů z mitochondrie do jádra.
V současnosti je 600–1000 mitochondriálních proteinů kódováno jadernou DNA a v
mitochondriích je uloženo nanejvýš několik desítek genů.
Organizmus S. cerevisiae H. sapiens
Reclinomonas
americana (bičíkatý prvok)
Velikost mtDNA (kb) 75 17 69
Počet genů 35 37 97
Protein-kódující geny 8 13 62
Ribosomální proteiny 1 – 27
tRNA 24 22 26
rRNA 2 2 4
Odhadovaná velikost proteomu
mitochondrie
1000 1500 –
• Většina mtDNA genomu jsou cirkulární a superspiralizované (někteří prvoci a houby a
tedy i kvasinky mají lineární mtDNA)
• mtDNA není vázáná histony nebo jim podobnými proteiny (podobně jako u bakterií)
• V jedné buňce je vícero kopií mtDNA v jedné mitochondrii
• Velikost mtDNA se liší mezi různými organizmy (i kvasinkami)
mtDNA
• Mutace v mtDNA genech vedou k respirační deficienci buněk – vznik petit buňek
• Některé kvasinky tolerují ztrátu celé mtDNA, rho0 mutace
• Existují též rho- mutanti, kde je zachován jen krátký úsek mtDNA (mt translace neběží)
• Mit- mutanti mají bodové mutace v genech pro oxidační fosforylaci (mt translace
funguje)
• Replikace mtDNA je
semikonzervativní (jako u jaderné
DNA replikace) a využívá specifickou
mitochondriální polymerázu γ
(MIP1) a primázu (POLRMT)
• S. cerevisiae cca 8 ori/rep (300bp,
G+C), mt teloméry
• K replikaci dochází během celého
buněčného cyklu podle potřeb buňky
(nejen během S-fázy)
• Mitochondrie (jako organela) není
syntetizována de novo, ale roste a
dělí se podobně jako buňky, mtDNA
je tak přenášena do nové buňky
Replikace mtDNA
Transkripce mtDNA genomu:
mRNA je syntetizována z mtDNA a translatována v mitochondriích
tRNA geny pro tRNA u kvasinek neoddělují další mt geny na rozdíl od H. sapiens
Mezery mezi geny jsou u kvasinek mnohem větší
Mt geny u kvasinek mají introny
Některé geny u kvasinek nemají standardní stop kodon (5´-ATATAAGTA –3´ - promotor S. cerevisiae)
Transkripce je monocistronická (u lidí je polycistronická)
Translace mtDNA genomu:
• Mitochondriální mRNA nemá 5’ čepičku, kvasinka má 5’ netranslatovanou oblast
• Existují mtDNA-specifické iniciační faktory, elongační faktory a uvolňující faktory
pro translaci, mitochondriální ribozomy
• AUG je startovací kodon (váže fMet-tRNA jako u bakterie).
• Není potřeba tolik tRNA genů jako u jaderního párovaní bází mezi tRNA a mRNA
• Mutace v genech potřebných pro translaci vedou k tvorbě respiračně deficientních
buněk (petit, syn-)
mitochondria targeted ERFP
červený signál
Abf2-GFP zelený signál
Kvasinkové mitochondrie – organelová síť
Ne-Mendelovská dědičnost
1) Udržování transportovatelných
mitochondriálních jednotek
2) Transport mitochondrie do
pupenu
3) Zachycení mitochondrie v špičce
pupenu
Fúze mitochondrií (fusion)
IM vnitřní mt membrána, IMS mezimembránový prostor, OM vnější mt membrána
Rozdělení mitochondrií (fission)
Ugo1 interaguje s Fzo1 a Mgm1 proteinem
Štepení Mgm1 pomocí Pcp1 vede k fúzi
a je regulováno hladinou ATP
Mdv1 (anebo Caf4) slouží jako adaptor
spojující Dnm1 a Fis1, Dnm1 tvoří dynamické
oligomery obepínající mitochondrii což vede
k rozdělení, funkce Mdm33 není známa
Mitochondriální importní mašinerie
(A) Cesta využívající odštěpitelnou presekvenci pro import prekurzorového proteinu do vnitřní membrány a
matrixu (B) Importní cesta pro hydrofobní přenašeče metabolitů (C) Import prekurzoru bohatých na cystein
do mezimembránového prostoru pomocí MIA mašinerie (D) Proteiny obsahující β-barely jsou
translokovány přes TOM komplex a pak vázané na TIM šaperony a vložené do vnější mt membrány pomocí
SAM komplexu (E) Několik dalších cest existuje pro import α-helikálních proteinu do vnější membrány,
např. přes MIM komplex. MPP, mitochondriální membránová peptidáza
Oxidační fosforylace OXPHOS
Komplexy I-IV spolu s ubichinonem (Q) and cytochromem c (cyt c) přenášejí elektrony na kyslík pocházející
z NADH a sukcinátu produkovaného v Krebsově cyklu, tento přenos je spřažen s translokací protonů přes
mt matrix do mezimembránového prostoru, protonový gradient přes vnitřní membránu je pak dále využit
komplexem V na produkci ATP z ADP a anorganického fosfátu. U kvasinek je komplex I zastoupen NADH
dehydrogenázou (Ndi1p)
Kvasinkový mitochondriální metabolizmus aminokyselin
(a) Syntéza leucinu,
izoleucinu a valinu
(b) Syntéza ornitinu,
meziproduktu při biosyntéze
argininu
Biogeneze Fe/S železo-sulfidových klastrů u kvasinek
Fe2+ jonty jsou importované přes
membránu skrze Mrs3/4, syntéza Fe/S
klastrů na Isu1 proteine, použitím síry
z cysteinu desulfurázového komplexu
Nfs1-Isd11-Acp1 a elektronů z řetězce
sestávajícího z NAD(P)H, feredoxin
reduktázy a feredoxinu.
Klastry jsou pak přenášeny dále
pomocí dalších faktorů na cílové
proteiny
Biosyntéza hemu v kvasinkách
Metabolizmus lipidů v kvasinkové mitochondrii
a) Biosyntéza
fosfatidyletanolaminu (PE) a
cardiolipinu (CL)
ERM- membrána
endoplazmatického retikulu
PA: phosphatidic acid; CDP-DAG: CDP-diacylglycerol;
PGP: phosphatidylglycerolphosphate;
PG: phosphatidylglycerol; MLCL: monolysocardiolipin;
PS: phosphatidylserine; PI: phosphatidylinositol
(b) Syntéza mastných kyselin
v mitochondriích
Základní molekulární mašinerie kvasinkové apoptózy
Kritické proteiny spouštějící buňkovou smrt jsou konzervované i u kvasinek, kaspáza YCA1,
mitochondriálně lokalizované proteiny: apoptosis-inducing factor 1 (AIF1), HtrA2/Omi
(NMA111), a AMID (NDI1), a antiapoptotické proteiny CDC48 a BIR1. Kvasinková
programovaná smrt je též spojená s fragmentací mitochondrií, uvolněním cytochromu c,
cytoskeletálními turbulencemi, a fosforylací histonů H2B.
Spouštění apoptózy při
neúspěšném páření, stárnutí
buňky, napadení killer toxiny
Retrográdní signalizace v kvasinkách
Respirující mitochondrie v nedělící se buňce aktivuje retrográdní odpovědí specifické geny
a geny pro mitofagii, buňka se adaptuje na stacionární fázi. Aup1, protein fosfatáza
mezimembránového prostoru je esenciální pro tuto dráhu. RTG1-Rtg3 jsou retrográdní
transkripční faktory.
Dysfunkční mitochondrie v rostoucích mitochondriích spouštějí klasickou RTG dráhu, kde
RTG2 hraje esenciální úlohu.
Mitochondriální introny
Prázdné pole-exon
šrafované pole - Intron I skupiny,
plné pole Intron II skupiny
Šipky představují ORF
Produkty stimulují splicing
- maturázy
Hvězdička – introny
přeskakující do bezintronové
mtDNA „Homing“
Mechanizmus vystřihnutí intronu
RNA funguje jako ribozym, má 3D
specifickou strukturu
Skupina I introny Skupina II introny
Homing
Splicing
Nukleární faktory potřebné pro splicing mtDNA
intronu
Např. Mss116, the DEAD-box RNA šaperon
Oxa1, inzertáza