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.
Mitochondrial DNA repairs double-strand breaks in yeast chromosomes
Ricchetti et al. NATURE | VOL 402 | 4 NOVEMBER 1999
Vložení do genomu kvasinky
Haploidní buňky transformované plazmidem
nesoucím LEU2 gen pro selekci transformátů,
majících endonukleázu Sce-I pod kontrolou
promotoru indukovaného galaktózou
Buňky jsou vysévané na selekční
médium bez leucinu a obsahující
galaktózu jako jediný zdroj uhlíku
1% z celkové populace tvořilo kolonie v porovnání s kontrolními buňkami (růstem na
stejném médiu ale z glukózou a tedy bez exprese Sce-I)
265 náhodně izolovaných přežívajících klonů byly analyzovány PCR, (c) 1 (0.4%) měl kratší
insert (deleci) a 5 (1.9%) mělo delší PCR produkt (mtDNA inzerce), ostatní klony měli PCR
fragmenty s předpokládanou délkou (a) anebo se neamplifikovali (b)
Kmen bez mtDNA (rho 0) neposkytl žádné inzerce mezi SceI místa
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 po mikrotubulech
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.
IMM
Inner mitochondrial
membrane
OMM
Outer mitochondrial
membrane
IMS
Inner membrane space chaperony
Mitochondrial membrane
peptidase
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
Mitochondrial protein phosphorylation in yeast revisited
(Frankovsky et al. Mitochondrion Volume 57, March 2021)
Aktivita komplexu pyruvát dehydrogenázy je regulovaná mitochondriálními PK (kinázemi) and PP (fosfatázama)
Acylation v mitochonriích? non-enzymatic proces?
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