Mitochondrie Struktura: membránově obalená organela, viz obrázek Dědičná informace: extranuklearní genom (mtDNA), nesoucí geny pro proteiny ale i RNA Metabolizmus: Krebsův cyklus, dýchací řetězec, beta-oxidace mastných kyselin a jme Vznik mitochondrie Endosymbiotická hypotéza: potomek endosymbiotické bakterie (pravdepodobne aIfaproteobakterií z příbuzenského okruhu rodu Rickettsia), která se v procesu vzniku eukaryotické buňky určitým způsobem transformovala v semiautonomní organelu (před 2 miliardy let) Nuclear envelope Endoplasmic reticulum Nucleus Infolding of plasma membrane Mitochondrion Cell with nucleus and endomembrane system Ancestral p hot o synthetic eukaryote Piastid Engulfing of photosynthetic prokaryote Cytoplasm Ancestral prokaryote Engulfing -of aerobic heterotrophic prokaryote Plasma membrane Mitochondrion Ancestral heterotrophic eukaryote Copyrightů Pearson Educallon, Inc.. publlshlng a* Bwfamin Cui^miritji. 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. mtDNA 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 proteinami (podobně jako u bakterií) V jedné buňce je vícero kopií mtDNA v jedné mitochondrii Velikost mtDNA se liší mezi různými organizmi (i kvasinkami) Organizmus S. cerevisiae H. sapiens R. americana (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 — Mutace v mtDNA genech vedou k respirační deficienci buněk - vznik petit buňek Některé kvasinky tolerují ztrátu celé mtDNA, rhoO 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 • Replikace mtDNA je semikonzervativní (jako u jaderné DNA replikace) a využívá specifickou mitochondriální polymerázu y (MIP1) a primázu (POLRMT) • 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 Recombination Driven (RDR) (a) Human mtDNA (b) Yeast mtDNA A8 w COXII tRNA (H, L strand) Protein coding rRNA Noncoding (D-loop) 12^1 Replication origin ~Ir Promoter H Transcriptional terminator oris COX1 ATP8 VAR1 ATP9 SUCN TT ~ P ori6 tRNA Protein coding rRNA and 9S RNA COB — Noncoding — Intron f^n Replication origin TRENDS in Genetics 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 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. • AUG je startovací kodon (váže fMet-tRNA jako u bakterie). • Není potřeba tolik tRNA genů jako u jaderního párovaní bazí mezi tRNA a mRNA • Mutace v genech potřebných pro translaci vedou k tvorbě respiračné deficientních buněk (petit, syn-) Table 21.2 Nonuniversal codons found in mtDNA mtDNA Codon Universal Code Vertebrate Drosophila Yeast UGA Stop Tryptophan Tryptophan Tryptophan AUA Isoleucine Methionine Methionine Methionine AGA Arginine Stop Serine Arginine DIC Kvasinkové mitochondrie - organelová síť mitochondria mtDNA nucleoids merge mitochondria targeted ERFP červený signál Abf2-GFP zelený signál Mitochondrial Inheritance in Yeast mi mi|«hondrlcn Haploid parantt with wild-typa nuchir ganaa "Patita- mitochondrion 3ip o.ri lYŮCtt I Maloe«: random diwributkon of mitochondria to daughter cell s All haploid callt rnplralory praficwnl (61 Mitosis: random distribution of mitochondria to daughter «I; Riipir«tory profkiant Ne-Mendelovská dědičnost 1) Udržování transportovatelných mitochondriálních jednotek 2) Transport mitochondrie do pupenu 3) Zachycení mitochondrie v špičce pupenu Fúze mitochondrií (fusion) Rozdělení mitochondrií (fission) IM vnitřní mt membrána, IMS mezimembránový prostor, OM vnější mt membrána IM IMS OM Cytosol OM IMS IM Ugol interaguje s Fzol a Mgml proteinem Štěpení Mgml pomocí Pepi vede k fúzi a je regulováno hladinou ATP IMS IM Mdv1/Caf4 tflTľfinltyi jnrlii i Fis1 /——O Mdm33 N Mdvl (anebo Caf4) slouží jako adaptor spojující Dnml a Fisl, Dnml tvoří dynamické oligomery obepínající mitochondrií což vede k rozdělení, funkce Mdm33 není známa Mitochondriální importní mašinérie C . B IpricursorJ ■ ■ Í6í«iA ^ (precursorj I -: s. ■ - r mcmbfane (A) Cesta využívající odštěpitelnou presekvenci pro import p re kurzorové h o proteinu do vnitřní membrány a matrixu (B) Importní cesta pro hydrofobní přenašeče metabolitů (C) Import prekurzoru bohatých na cystein do mezimembránového prostoru pomocí MIA mašinérie (D) Proteiny obsahující (3-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 a-helikálních proteinu do vnější membrány, např. přes MIM komplex. MPP, mitochondriální membránová peptidáza Oxidační fosforylace OXPHOS Komplexy l-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 (Ndilp) Kvasinkový mitochondriální metabolizmus aminokyselin ťa) (b) Mitochondrion í i 3nhyífO!íy-JfliaHiyi-2