ΚΕΦΑΛΑΙΟ 12 Μιτοχόνδρια, Χλωροπλάστες & Υπεροξειδιοσώματα

Transcript

1 7 η Έκδοση ΚΕΦΑΛΑΙΟ 12 Μιτοχόνδρια, Χλωροπλάστες & Υπεροξειδιοσώματα Μέρος Γ

2 Τα ΜΙΤΟΧΟΝΔΡΙΑ: Βασικά χαρακτηριστικά 1. Παίζουν καθοριστικό ρόλο στην παραγωγή ενέργειας 2. Παράγουν ενέργεια από τον μεταβολισμό υδατανθράκων & λιπών 3. Η ενέργεια παράγεται μέσω οξειδωτικής φωσφορυλίωσης που αποθηκεύεται ως ΑΤΡ 4. Οι περισσότερες πρωτεϊνες τους μεταφράζονται σε κυτταροπλασματικά ριβοσώματα 5. Σε αντίθεση με άλλα κυτταροπλασματικά οργανίδια, διαθέτουν δικό τους DNA 6. Το DNA τους κωδικοποιεί: για μεταφορικό trna και ριβοσωματικό rrna 7. Δομικά συγκροτούνται: από πυρηνικές αλλά και μιτοχονδριακές πρωτεϊνες 8. Επειδή διαθέτουν δικό τους DNA και μπορούν να αναπαράγονται ανεξάρτητα από τη διαίρεση του κυττάρου είναι ΗΜΙ-ΑΥΤΟΝΟΜΑ οργανίδια

3 ΟΡΓΑΝΩΣΗ & ΛΕΙΤΟΥΡΓΙΑ ΤΩΝ ΜΙΤΟΧΟΝΔΡΙΩΝ Ι. Σχηματική αναπαράσταση ΙΙ. Φωτογραφία μικροσκοπίου Δομικά αποτελούνται από ένα σύστημα 2 μεμβρανών: μία εξωτερική και μία εσωτερική, που σχηματίζει πολλές αναδιπλώσεις (cristae) και τον εσωτερικό χώρο το στρώμα

4 Ο ΟΞΕΙΔΩΤΙΚΟΣ ΜΕΤΑΒΟΛΙΣΜΟΣ ΣΤΑ ΜΙΤΟΧΟΝΔΡΙΑ επιτελείται με: -Εισαγωγή Πυροσταφυλικού & Λιπαρών οξέων, από το κυτταροδιάλυμα, στο στρώμα -Μετατροπή τους σε ακετυλο-coa, οξείδωση προς CO 2 (κύκλος κιτρικού οξέος) και αναγωγή: NAD + σε NADH ή FAD σε FADH -Τα e- υψηλής ενέργειας των NADH και FADH, μέσω οξειδοαναγωγικών φορέων της εσωτερικής μεμβράνης, οδηγούνται στο μοριακό οξυγόνο -Η λειτουργία της αλυσίδας μεταφοράς e- είναι συζευγμένη με τη παραγωγή μιας διαβάθμισης πρωτονίων (Η+) μεταξύ των δύο πλευρών της μεμβράνης -Η ενέργεια της διαβάθμισης πρωτονίων προωθεί τη σύνθεση του ATP

5 Η σημαντικότητα των μιτοχονδρίων: η θέση & ο αριθμός τους - Ι - Αποτελούν τη κύρια πηγή ενέργειας για τη λειτουργία & βιωσιμότητα των κυττάρων - Μπορεί να βρίσκονται και σε συγκεκριμμένες θέσεις ιδιαίτερης ανάγκης σε ενέργεια - Ο αριθμός τους μπορεί να αυξάνεται ανάλογα με τις ανάγκες του οργανισμού π.χ: α. στα σκελετικά μυϊκά κύτταρα, 5-10 φορές (Πύρρος Δήμας, Ολυμπιονίκης) β. σε συνάψεις νευρικών κυττάρων γ. με ασκήσεις στα Γυμναστήρια ή τρέξιμο

6 - Βρίσκονται στο κυτταρόπλασμα Η θέση και ο αριθμός των μιτοχονδρίων-ιι - Ευθυγραμμίζονται με το κυτταροσκελετό των μικροσωληνίσκων χρώση ροδαμίνης-123 (μιτοχόνδρια) Χρώση/αντίσωμα α-τουμπουλίνης (κυτταροσκελετός) - Ο αριθμός τους ποικίλει ανάλογα με το κυτταρικό τύπο π.χ: ωοκύτταρο αμφιβίων =10x10 6 αμοιβάδα Chaos = ηπατοκύτταρο ανθρώπου = (1/5 του όγκου του)

7 Τα μιτοχόνδρια συγκροτούν δίκτυα - Τα μιτοχόνδρια δεν είναι στατικά οργανίδια, συνεχώς συνενώνονται & διαιρούνται - Στα περισσότερα κύτταρα: συνδέονται και δημιουργούν μιτοχονδριακά Δίκτυα Φωτογραφία μικροσκoπίας φθορισμού: -Δείχνει ένα κύτταρο που εκφράζει μια μιτοχονδριακή πρωτεΐνη συντηγμένη γενετικά με κόκκινη φθορίζουσα πρωτεΐνη (RFP) -Τα μιτοχόνδρια συνδέονται μεταξύ τους σχηματίζοντας δίκτυα

8 Τα μιτοχόνδρια πολλαπλασιάζονται - I Το Πείραμα του David Luck Neurospora crassa (κόκκινη ζύμη) α. παροδική στέρηση χολίνης (δομικό συστατικό μεμβρανών) β. προσθήκη Ν 15 -χολίνης για 24h (ΣΗΜΑΝΣΗ ΜΕΜΒΡΑΝΩΝ) Απομόνωση μιτοχονδρίων 1ης γενεάς & έστω: Α cpm/100 μιτοχόνδρια *cpm= counts per minute (μονάδα μέτρησης ραδιενέργειας) Απομόνωση μιτοχονδρίων 2ης γενεάς. Βρήκε Α/2 cpm/100 μιτοχόνδρια Απομόνωση μιτοχονδρίων 3ης γενεάς. Βρήκε Α/4 cpm/100 μιτοχόνδρια ΣΥΜΠΕΡΑΣΜΑ: τα μιτοχόνδρια δεν συντίθενται de novo αλλά πολλαπλασιάζονται από προϋπάρχοντα

9 Τα μιτοχόνδρια πολλαπλασιάζονται - ΙΙ Τα χαρακτηριστικά του πολλαπλασιασμού των μιτοχονδρίων Α. Διαιρούνται κατά την κυτταρική διαίρεση αλλά και στη μεσόφαση (μεταξύ 2 διαιρέσεων) * Άρα: οι διαιρέσεις κυττάρου και μιτοχονδρίου: είναι ανεξάρτητες Β. Επιλέγονται προς διαίρεση, τυχαία μιτοχόνδρια * Άρα: άλλα δεν πολλαπλασιάζονται ενώ άλλα πολλαπλασιάζονται περισσότερο

10 ΠΟΙΑ ΕΙΝΑΙ Η ΠΡΟΕΛΕΥΣΗ ΤΩΝ ΜΙΤΟΧΟΝΔΡΙΩΝ? πρώϊμο αναερόβιο ΠΡΟΚΑΡΥΩΤΙΚΟ ΚΥΤΤΑΡΟ ΑΕΡΟΒΙΟ ΠΡΟΚΑΡΥΩΤΙΚΟ αναερόβιο ΕΥΚΑΡΥΩΤΙΚΟ χωρίς ΜΙΤΟΧΟΝΔΡΙΑ 1ο γεγονός ΣΥΜΒΙΩΣΗ των 2Χ ΚΥΤΤΑΡΩΝ 2ο γεγονός ΜΕΤΑΦΟΡΑ ΓΟΝΙΔΙΩΝ Εως ΣΗΜΕΡΑ ΣΗΜΕΡΙΝΟ ΕΥΚΑΡΥΩΤΙΚΟ ΚΥΤΤΑΡΟ *Γεγονότα που συνέβησαν πρίν ~1Χ10 9 χρόνια

11 ΣΥΝΟΛΙΚΑ: Ποιά είναι η ΠΡΟΕΛΕΥΣΗ ΤΩΝ ΜΙΤΟΧΟΝΔΡΙΩΝ? - Πιστεύεται ότι η εξέλιξη των Ευκαρυωτών βασίσθηκε στα ΥΠΟΚΥΤΤΑΡΙΚΑ ΟΡΓΑΝΙΔΙΑ - ΤΑ ΜΙΤΟΧΟΝΔΡΙΑ προέκυψαν µε ΕΝΔΟΣΥΜΒΙΩΣΗ: ενός κυττάρου µέσα στο άλλο αποτελώντας εξέλιξη προκαρυωτικών στο εσωτερικό πρόγονων ευκαρυωτών -Τα µιτοχόνδρια & χλωροπλάστες: προήλθαν από βακτήρια, µέσα σε µεγαλύτερα κύτταρα OI ΙΣΧΥΡΕΣ ΕΝΔΕΙΞΕΙΣ είναι: 1. έχουν παρόµοιο µέγεθος µε τα βακτήρια 2. αναπαράγονται µε διαίρεση όπως τα βακτήρια 3. έχουν δικό τους DNA, όπως τα βακτήρια 4. το DNA τους αναδιπλασιάζεται όταν διαιρείται το οργανίδιο 5. τα γονίδιά τους µεταγράφονται & µεταφράζονται στα δικά τους ριβοσώµατα δηλ. έχουν γενετικά συστήµατα διαφορετικά/ανεξάρτητα του πυρηνικού γονιδιώµατος 6. Τα Ριβοσώµατα & το Ριβοσωµικό RNA τους µοιάζουν µε εκείνο των βακτηριακών και όχι µε τα πυρηνικά του ευκαρυωτικού κυττάρου

12 ΤΟ ΓΕΝΕΤΙΚΟ ΣΥΣΤΗΜΑ ΤΩΝ ΜΙΤΟΧΟΝΔΡΙΩΝ - I - Tα μιτοχονδριακά γονιδιώματα: α. είναι ΚΥΚΛΙΚΑ μόρια DNA σε πολλά αντίγραφα και μοιάζουν με το βακτηριακό DNA β. είναι μικρά: άνθρωπος & ζωϊκοί οργανισμοί έχουν ~16Kb & ζυμομύκητες ~80 Kb Οργανισμός Μέγεθος Αριθμός πρωτεϊνών Πρωτόζωο Reclinomonas americana 69 Kb 67 Φυτό Arabidopsis thaliana 367 Kb 31 Πρώτιστο Plasmodium falsiparum 6 Kb 3 Άνθρωπος (Homo sapiens) 16 Kb 13 γ. γενικά, τα μεγάλα μιτοχονδριακά γονιδιώματα έχουν μή-κωδικές αλληλουχίες δ. οι κωδικοποιούμενες πρωτεϊνες είναι παράγοντες της οξειδωτικής φωσφορυλίωσης ε. οι υπόλοιπες μιτοχονδριακές πρωτεϊνες κωδικοποιούνται από πυρηνικά γονίδια που μεταφέρθηκαν στο ΠΥΡΗΝΑ από το αρχέγονο μιτοχονδριακό DNA

13 ΤΟ ΓΕΝΕΤΙΚΟ ΣΥΣΤΗΜΑ ΤΩΝ ΑΝΘΡΩΠΙΝΟΥ ΜΙΤΟΧΟΝΔΡΙΟΥ - ΙΙ Tο μιτοχονδριακό γονιδίωμα του ανθρώπου κωδικοποιεί για: Α. 13 πρωτείνες που συμμετέχουν: α. στην αλυσίδα μεταφοράς e- & β. οξειδωτική φωσφορυλίωση : στα σύμπλοκα Ι ΙΙΙ ΙV V Β. 2 μόρια rrna: 16S και 12S Leu Phe Val Γ. 22 μόρια trna μετάφρασης μιτοχονδριακών πρωτεϊνών ( *= trna/μεταφερόμενο αμινοξύ ) Βρόγχος D Θέσεις: έναρξης αντιγραφής DNA & μεταγραφικών υποκινητών * Στις κωδικοποιούμενες μιτοχονδριακές πρωτεϊνες ΔΕΝ χρησιμοποιούνται πυρηνικά trna

14 ΤΟ ΓΕΝΕΤΙΚΟ ΣΥΣΤΗΜΑ ΤΩΝ ΑΝΘΡΩΠΙΝΟΥ ΜΙΤΟΧΟΝΔΡΙΟΥ - ΙII Tο μιτοχονδριακό γονιδίωμα έχει ιδιαίτερο γενετικό κώδικα ως προς τον Παγκόσμιο Κωδικόνιο αμινοξέος Τρυπτοφάνη στάση μετάφρασης διαφορετικά αμινοξέα α. η μετάφραση του Παγκόσμιου Κώδικα απαιτεί τουλάχιστον 30 trna για 20 αμινοξέα β. το μιτοχονδριακό γονιδίωμα κωδικοποιεί 22 trna: τα μόνα που χρησιμοποιούνται γ. ακραία φαινόμενα ταλάντευσης επιτρέπουν μετάφραση των μιτοχονδριακών mrna: *δηλ. η βάση U του αντικωδικονίου του trna: σχηματίζει ζεύγος με οποιαδήποτε από τις 4 βάσεις στη τρίτη θέση του κωδικονίου του mrna και αναγνωρίζει 4 κωδικόνια από ένα μόνο trna Έτσι, τα 22 trna μεταφέρουν περισσότερα αμινοξέα

15 ΓΕΝΙΚΑ ΧΑΡΑΚΤΗΡΙΣΤΙΚΑ των ΜΙΤΟΧΟΝΔΡΙΑΚΩΝ ΠΡΩΤΕΪΝΩΝ: -Τα μιτοχόνδρια των θηλαστικών περιέχουν μόνο πρωτεϊνες ή ~5% των πρωτεϊνών που κωδικοποιούνται, συνολικά, από το πυρήνα -Το 50% των μιτοχονδριακών πρωτεϊνών δεν είναι ταυτοποιημένες -Μιτοχόνδρια διαφορετικών ιστών έχουν διαφορετικές πρωτεϊνες, αλλά ποσοστό <50% είναι κοινές σε όλους τους ιστούς -Οι πρωτεϊνικές αυτές διαφορές ίσως οφείλονται σε ιστοειδικές λειτουργίες των μιτοχονδρίων Π.χ. σύνθεση στεροειδών στα επινεφρίδια, βιοσύνθεση της αίμης του μυελού οστών, συμβολή στο Σχήμα, Αριθμό των/κύτταρο & στη μιτοχονδριακή Κληρονομικότητα

16 ΤΑ ΜΙΤΟΧΟΝΔΡΙΑ ΕΧΟΥΝ ΜΗΤΡΙΚΗ ΠΡΟΕΛΕΥΣΗ ΣΤΗΝ ΖΥΜΗ (Ευκαρυώτης) Σεξουαλικός πολλαπλασιαμός- ΣΥΖΕΥΞΗ Ζυγωτό Απόγονοι με συνδυασμό μιτοχονδρίων ΣΤΟΝ ΑΝΘΡΩΠΟ Ζυγωτό Γονιμοποίηση αποκοπή μαστιγίου Απόγονα κύτταρα ΜΟΝΟ με μητρικά μιτοχόνδρια * Η φυλογενετική ανάλυση θηλυκών ατόμων μπορεί να ανιχνεύσει την «ανθρώπινη μιτοχονδριακή Εύα»

17 Μέρος Δ

18 Μοριακή Ιατρική: ΜΙΤΟΧΟΝΔΡΙΑ & ΑΝΘΡΩΠΙΝΕΣ ΑΣΘΕΝΕΙΕΣ - Ι - Οι μεταλλάξεις μιτοχονδριακού DNA μπορεί να είναι δυσλειτουργικές για το οργανίδιο αλλά και για το κύτταρο, αφού συνδέεται άμεσα με ενέργεια - Τέτοιες μεταλλάξεις σε ωοκύτταρα συνδέονται με Γενετικές Ασθένειες σε απογόνους ΠΑΡΑΔΕΙΓΜΑΤΑ - Μεταλλάξεις σε γονίδιο trna, συνδέονται με Παχυσαρκία ή Σακχαρώδη διαβήτη - Η Μυοκλωνική επιληψία με Κόκκινες Μυϊκές ίνες (MERRF) ΣΥΜΠΤΩΜΑΤΑ: τύφλωση, επιληψία ή/& άνοια & μυϊκή αδυναμία, καρδιακά προβλήματα Αιτία: μετάλλαξη trna σύνθεσης πρωτεινών απαραίτητων για μεταφορά e- Πρωτείνες με αδυναμία μεταφοράς e- Άρα Αδυναμία σύνθεσης ATP σε: νευρικά κύτταρα καρδιακά κύτταρα υψηλές απαιτήσεις ATP

19 Μοριακή Ιατρική: ΜΙΤΟΧΟΝΔΡΙΑ & ΑΝΘΡΩΠΙΝΗ ΑΣΘΕΝΕΙΑ - MERRF Άλλα συμπτώματα MERRF: ασυναίσθητοι μυϊκοί σπασμοί, εγκεφαλική αταξία, μυοπάθεια & ακανόνιστες κόκκινες ίνες Οφείλεται σε συσσώρευση ανώμαλων μιτοχονδρίων κάτω από τη κυτταροπλασματική μεμβράνη της μυϊκής ίνας Το περίγραμμα της μυϊκής ίνας φαίνεται κουρελιασμένο

20 Μοριακή Ιατρική: ΜΙΤΟΧΟΝΔΡΙΑ & ΑΝΘΡΩΠΙΝΕΣ ΑΣΘΕΝΕΙΕΣ - ΙI - Η γήρανση ίσως είναι αποτέλεσμα συσσώρευσης μιτοχονδριακών μεταλλάξεων - Η κληρονομική οπτική νευροπάθεια LHON: Leber s Hereditary OpŸc Neuropathy 1. είναι καθαρά μιτοχονδριακή ασθένεια 3. εκφυλίζει το οπτικό νεύρο & προκαλεί τύφλωση 4. ηλικία εμφάνισης: έτη 5. τα αρσενικά άτομα προσβάλλονται συχνότερα!!!! 6. δεν είναι φυλοσύνδετη ασθένεια αφού τα αρσενικά δεν μεταδίδουν την ασθένεια στους απογόνους 7. κληρονομείται πάντα από την μητέρα Τα χαρακτηριστικά της LHON 2. συνδέεται με μεταλλάξεις των μιτοχονδριακών πρωτεϊνών της αλυσίδας μεταφοράς e- 8. η κληρονομικότητά της είναι κυτταροπλασματική (μιτοχόνδρια) και όχι πυρηνική

21 Η Μοριακή / Μιτοχονδριακή Βάση της LHON - I - Για την ασθένεια ΕΥΘΥΝΟΝΤΑΙ / ΣΥΣΧΕΤΙΖΟΝΤΑΙ: 5 μεταλλάξεις που μειώνουν την ικανότητα των μιτοχονδρίων για οξειδωτική φωσφορυλίωση & παραγωγή ΑΤΡ - 1 μετάλλαξη στο σύμπλοκο ΙΙΙ (Cyt b) - 4 μεταλλάξεις στο σύμπλοκο Ι (αφυδρογονάση του NADPH) Μετάλλαξη που πρωτο-ανιχνεύθηκε

22 Η Μοριακή / Μιτοχονδριακή Κυτταρική Βάση της LHON - II -Οι 5 μεταλλάξεις μειώνουν την μιτοχονδριακή ικανότητα παραγωγής ATP -Οι μεγαλύτερες επιπτώσεις αφορούν ιστούς με μεγαλύτερη ανάγκη για ATP όπως το οπτικό νεύρο και ο εγκέφαλος. Επομένως, η ασθένεια δεν είναι συστημική αφού αφορά συγκεκριμμένα όργανα -Οι μεταλλαγές LHON δεν οδηγούν πάντοτε σε εκδήλωση της ασθένειας. Αυτό οφείλεται στο λόγο: μεταλλαγμένα / φυσιολογικά μιτοχόνδρια, σε ένα κύτταρο. Π.χ. μόνο 50% ατόμων με μεταλλάξεις εκδηλώνουν την ασθένεια - Η ανεύρεση αριθμού 1-5 μεταλλάξεων πιστοποιεί στην διάγνωση της νόσου - Μία προσέγγιση στη αντιμετώπιση της νόσου είναι η Γονιδιακή Θεραπεία στοχεύοντας: α. την ενσωμάτωση ενός φυσιολογικού αλληλόμορφου στο πυρηνικό γονιδίωμα, & β. με προσθήκη σήματος που θα οδηγεί το προϊόν στο μιτοχόνδριο αντικαθιστώντας τη μεταλλαγμένη πρωτεϊνη - Μία εναλλακτική προσέγγιση θα ήταν: η χορήγηση ηλεκτρικού οξέος για ενίσχυση της οξειδωτικής φωσφορυλίωσης μέσω FADH2/συμπλόκου ΙΙ που παρακάμπτει τα σύμπλοκα Ι & ΙΙΙ

23 Εισαγωγή των μιτοχονδριακών πρωτεϊνών στο μιτοχόνδριο - I Τα χαρακτηριστικά του μιτοχονδριακού κωδικοποιού δυναμικού είναι: Α. Κωδικοποιούν τα rrna & trna του μεταφραστικού μηχανισμού, αλλά Β. Όχι όμως τα ένζυμα/πρωτεϊνες: α. της αντιγραφής (DNA πολυμεράση), β. μεταγραφής (RNA πολυμεράση) και γ. μετάφρασης (ριβοσωματικές πρωτεϊνες) Γ. Οι μιτοχονδριακές πρωτεϊνες/ένζυμα κωδικοποιούνται από γονίδια του ΠΥΡΗΝΑ, όπως: 1. πρωτεϊνες της οξειδωτικής φωσφορυλίωσης 2. ένζυμα μεταβολισμού των μιτοχονδρίων / ένζυμα κύκλου του κιτρικού οξέος * Η κωδικοποίηση των πρωτεϊνών αυτών από πυρηνικά γονίδια: υποδηλώνει ότι μεταφέρθηκαν με οριζόντια μεταφορά από το αρχικό προκαρυωτικό κύτταρο στο ΠΥΡΗΝΑ του ευκαρυωτικού κυττάρου

24 Εισαγωγή των μιτοχονδριακών πρωτεϊνών στο μιτοχόνδριο - IΙ Τα χαρακτηριστικά των μιτοχονδριακών πρωτεϊνών: Α. ~ μιτοχονδριακές πρωτεϊνες (>95% του συνόλου) είναι ΠΥΡΗΝΙΚΗΣ προέλευσης & συντίθενται σε ελεύθερα ριβοσώματα του κυτταροπλάσματος Β. ΕΙΣΑΓΟΝΤΑΙ / ΜΕΤΑΦΕΡΟΝΤΑΙ στα μιτοχόνδρια ως πλήρεις πολυπεπτιδικές αλυσίδες Γ. Η ύπαρξη 2 μιτοχονδριακών μεμβρανών απαιτεί ειδικούς μηχανισμούς μεταφοράς: γ1. η μεταφορά στο στρώμα απαιτεί διέλευση 2 μεμβρανών γ2. η πρωτεϊνική μεταφορά πρέπει να συνδέεται και με διαλογή: είτε για το διαμεμβρανικό χώρο ή για κάθε μία από τις μεμβράνες Για την μιτοχονδριακή πρωτεϊνική μεταφορά: 1. υπάρχουν κατηγορίες ειδικών σημάτων στόχευσης, ενώ 2. οι μιτοχονδριακές μεμβράνες φέρουν Σύμπλοκα μεταφοράς ή Τρανσλοκόνια για τη διέλευση των πρωτεϊνών στα διαμερίσματα του μιτοχονδρίου

25 Η εισαγωγή των πρωτεϊνών στο Στρώμα - Ι - Αποτελεί τον καλύτερα κατανοητό μηχανισμό μεταφοράς πρωτεϊνών ΧΑΡΑΚΤΗΡΙΣΤΙΚΑ & ΠΡΟΫΠΟΘΕΣΕΙΣ - Οι πρωτεϊνες πρέπει να είναι σε μερικώς ξεδιπλωμένη μορφή. Αυτό διευκολύνεται από πρωτεϊνες του Θερμικού Σοκ (Hsp: Heat shock proteins, π.χ. Hsp70 & Hsp90) - Οι πρωτεϊνες στοχεύονται από αλληλουχίες-οδηγούς, που είναι αμινοτελικές αλληλουχίες θετικά φορτισμένων αμινοξέων - Οι αλληλουχίες-οδηγοί φέρουν πολλαπλά θετικά φορτισμένα αμινοξέα σε δομή αμφιπαθούς α-έλικας (σπειροειδής δομή με θετικά φορτισμένα αμινοξέα) - Οι αλληλουχίες-οδηγοί απομακρύνονται με πρωτεόλυση μετά την εισαγωγή τους στο Στρώμα - Η εισαγωγή γίνεται μετά από πρόσδεση τους σε Σύμπλοκα Υποδοχέων 2 πρωτεϊνικών Τρανσλοκασών ή Συμπλόκων Μεταφοράς, στην μιτοχονδριακή επιφάνεια: 1. Tom (Translocase of outer mitochondrial membrane complex) και 2. Tim (Translocase of inner mitochondrial membrane complex)

26 Η εισαγωγή των πρωτεϊνών στο Στρώμα - ΙΙ Ο ΜΗΧΑΝΙΣΜΟΣ 1. Στόχευση με αλληλουχίες-οδηγούς, σύνδεση με πρωτείνες Hsp70 στο κυτταρόπλασμα -Κατανάλωση ATP & μετατόπιση μέσα στην μεμβράνη -Διέλευση από το σύμπλοκο Tom 2. Διέλευση του διαμεμβρανικού χώρου 3. Πρόσδεση στο σύμπλοκο Tim23 α. πρωτεϊνες με διαμεμβρανικές περιοχές εξέρχονται & ενσωματώνονται στην εσωτερική μεμβράνη +++ β. το ηλεκτροχημικό δυναμικό προωθεί την μετατόπιση στο αρνητικά φορτισμένο στρώμα γ. οι αλληλουχίες-οδηγοί αφαιρούνται από την πεπτιδάση σήματος του μιτοχονδρίου (MPP) Άρα, για την εισαγωγή απαιτούνται: α. παρουσία μοριακών συνοδών Hsp70 β. κατανάλωση ATP (κυτταρόπλασμα) γ. αρνητικό ηλεκτρικό δυναμικό

27 Ο κύκλος λειτουργίας ενός μοριακού συνοδού Hsp70 στο Στρώμα -Το μερικό ξεδίπλωμα είναι απαραίτητη προϋπόθεση μεταφοράς μιας πρωτεϊνης -Το ξεδίπλωμα αυτό πραγματοποιείται από πρωτεϊνες της οικογένειας Hsp70 στο κυτταρόπλασμα -Στο Στρώμα: Ένα κινητήριο σύμπλοκο εισαγωγής που περιέχει έναν μοριακό συνοδό Hsp70, δρά ως μία οδοντωτή τροχαλία για τη προώθηση της πρωτεΐνης με κινητήρια δύναμη την υδρόλυση του ATP Ο ΜΗΧΑΝΙΣΜΟΣ Πρίν Μετατόπιση ADP από ATP Μετά 1. Οταν οι Hsp70 συνδέονται με ADP ο θύλακας πρόσδεσης της πρωτείνης είναι κλειστός & η πρωτεϊνη είναι σταθερά προσδεδεμένη 2. Η εκτόπιση του ADP από ATP: ανοίγει τον θύλακα και επιτρέπει στη Hsp70 να αποδεσμεύσει τη πρωτεϊνη. Η επανάληψη μεταφέρει την πρωτεϊνη στο Στρώμα

28 Η εισαγωγή των πρωτεϊνών στην Eσωτερική μεμβράνη * Πολλές πρωτεϊνες της ΕΣΩΤΕΡΙΚΗΣ ΜΕΜΒΡΑΝΗΣ είναι πολυτοπικές και μεταφέρουν ή ανταλλάσουν: μεταβολίτες, νουκλεοτίδια & ιόντα μεταξύ Μιτοχονδρίων και Κυτταροπλάσματος -ΔΕΝ ΔΙΑΘΕΤΟΥΝ αλληλουχίες-οδηγούς αλλά εσωτερικές (διαμεμβρανικές) αλληλουχίες σήματος μη-αναγνωρίσιμες από το σύμπλοκο Tom -Διέρχονται από την Εξωτερική μεμβράνη, με κατανάλωση ΑΤΡ, προς το διαμεμβρανικό χώρο -Στο Διαμεμβρανικό χώρο: παραλαμβάνονται από τους κινητούς μοριακούς συνοδούς Tim9-Tim10, πού τις μεταφέρουν στο σύμπλοκο Tim22 της εσωτερικής μεμβράνης -Η μετατόπιση μέσω του συμπλόκου Tim22 διακό- πτεται από εσωτερικές διαμεμβρανικές αλληλουχίες. Η πρωτεΐνη εξέρχεται πλευρικά και ενσωματώνεται στην εσωτερική μεμβράνη. - Μερικές πρωτεΐνες της εσωτερικής μεμβράνης, που κωδικοποιούνται από το μιτοχονδριακό γονιδίωμα, μεταφράζονται σε μιτοχονδριακά ριβοσώματα στο στρώμα & στοχεύονται στην εσωτερική μεμβράνη μέσω της Τρανσλοκάσης Oxa1

29 Η διαλογή πρωτεϊνών για εισαγωγή: στην εξωτερική μιτοχονδριακή μεμβράνη ή στον διαμεμβρανικό χώρο (δομή πορίνης) Οι πρωτεΐνες της εξωτερικής μεμβράνης: μέσω του διαμεμβρανικού τμήματος Mim1 εισάγονται στην εξωτερική μεμβράνη 2. Οι πρωτεΐνες με δομικά μοτίβα β-βαρελιού: μεταφέρονται στον διαμεβρανικό χώρο μέσω του συμπλόκου Tom και προσδένονται στους μοριακούς συνοδούς Tim9-Tim10. Μετά, προωθούνται σε ένα δεύτερο τρανσλοκόνιο SAM (SorŸng and Assembly Machinery) και μέσω αυτού εισάγονται στην εξωτερική μεμβράνη 3. Οι πρωτεΐνες για το διαμεμβρανικό χώρο: μεταφέρονται μέσω του συμπλόκου Tom, αλλά αναγνωρίζονται από διαφορετικούς μοριακούς συνοδούς που είναι ειδικοί για πρωτεΐνες του διαμεμβρανικού χώρου

30 Η μεταφορά λιπιδίων στις μιτοχονδριακές μεμβράνες - Ι -Τα φωσφολιπίδια αποτελούν ΣΗΜΑΝΤΙΚΑ ΣΥΣΤΑΤΙΚΑ των μιτοχονδριακών μεμβρανών - Τα: σφιγγολιπίδια, χοληστερόλη, φωσφατιδυλο-χολίνη, φωσφατιδυλοϊνοσιτόλη και φωσφατιδυλο-σερίνη είναι βασικά φωσφολιπίδια -Συντίθενται στο Ε.Δ & ΜΕΤΑΦΕΡΟΝΤΑΙ στα μιτοχόνδρια από ΠΡΩΤΕΪΝΕΣ ΜΕΤΑΦΟΡΑΣ ΦΩΣΦΟΛΙΠΙΔΙΩΝ που εξάγουν μονά μόρια από την μεμβράνη του Ε.Δ. 1. Στο κυτταρόπλασμα: το φωσφολιπίδιο είναι «κρυμένο» σε υδρόφοβο κέντρο δέσμευσης λιποπρωτεϊνικού συμπλόκου και ελευθερώνεται μέσα σε μιτοχονδριακή μεμβράνη 2. Στη συνέχεια, μιτοχονδριακά ένζυμα συνθέτουν: α. φωσφατιδυλ-αιθανολαμίνη από φωσφοτιδυλ-σερίνη & β. καρδιολιπίνη: ένα διπλό φωσφολιπίδιο με 4 αλυσίδες λιπαρών οξέων Κέντρο Η Δομή της Καρδιολιπίνης R1, R2, R3 & R4: οι αλυσίδες της Καρδιολιπίνης - Η καρδιολιπίνη εντοπίζεται στην εσωτερική μεμβράνη και βελτιώνει την απόδοση της οξειδωτικής φωσφορυλίωσης -Επίσης εμπλέκεται στη γενετική νόσο Barth, που είναι καρδιομυο-πάθεια με γενική αδυναμία (λόγω έλλειψης επαρκούς παραγωγής ATP)

31 Η μεταφορά λιπιδίων στις μιτοχονδριακές μεμβράνες - ΙΙ Ο ΜΗΧΑΝΙΣΜΟΣ -Η μεταφορά λιπιδίων από το ER στα μιτοχόνδρια γίνεται σε θέσεις στενής επαφής μιτοχονδριακών μεμβρανών/er -Η μεταφορά γίνεται από πρωτεϊνες μεταφοράς που αποσπούν μονά μόρια φωσφολιπιδίων από μεμβράνες του ER -Το λιπίδιο διασχίζει το κυτταροδιάλυμα «κρυμμένο» σε υδρόφοβο κέντρο δέσμευσης ενός λιποπρωτεϊνικού συμπλόκου -Το λιπίδιο απελευθερώνεται όταν το σύμπλοκο φθάσει στη μιτοχονδριακή μεμβράνη

32 Η μεταφορά μεταβολιτών μέσω της εσωτερικής μεμβράνης -Η μεταφορά μικρών μορίων μέσω της εσωτερικής μιτοχονδριακής μεμβράνης επιτελείται: 1. με διαμεμβρανικούς μεταφορείς & 2. ωθείται από τη διαβάθμιση ιόντων (Η+) Οι μηχανισμοί Θετικό φορτίο ( Η+) -Το ATP εξάγεται με διαμεμβρανικό μεταφορέα νουκλεοτιδίων ATP/ADP Το ΑΤΡ με: μεγαλύτερο αρνητικό φορτίο ( 4) από το ADP ( 3), εξάγεται από το στρώμα και εισάγεται το ADP Αρνητικό φορτίο (ΟΗ-) Αντίθετα, η μεταφορά φωσφορικού (P i ) και πυροσταφυλικού: συζεύγνυνται με ανταλλαγή ιόντων OH-. Το ph της ηλεκτροχημικής διαβάθμισης ωθεί την εξαγωγή ιόντων ΟΗ- από το στρώμα, επιτρέποντας συγχρόνως την εισαγωγή ιόντων P i και πυροσταφυλικού

33 Ύλη για τις εξετάσεις: Κεφάλαιο 12 σελ & η παρούσα παρουσίαση