Peroksysomy Peroksysomy Peroksysomy Peroksysomy

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)

Peroksysomy

Import białek

sekwencje 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 H₂O peroksydaza

R- aldehydy, fenole, alkohole...

donorem elektronów do redukcji katalaza

oksydazy flawinowe

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

Mitochondria - liczebność

odzwierciedlenie zapotrzebowania energetycznego komórki

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)

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

Mitochondria

budowa wewnętrzna 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 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

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

Mitochondria siłownie komórki

ATP + H

O ADP + Pi

DG^o

= -29,288 kJ x mol

(25

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

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

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

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

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)

12

elektrochemiczny gradient protonowy

Mitochondria

siłownie komórki

Etap 1

powstaje elektrochemiczny gradient protonowy

Etap 2 - synteza ATP

Mitochondria

siłownie 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

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

14 Mitochondria

metabolizm generujący energię - oddychanie