Лекция 8 Пероксисомы Митохондрии Хлоропласты Пероксисомы Имеются

Лекция 8 Пероксисомы Митохондрии Хлоропласты

Пероксисомы Имеются во всех эукариотических клетках. Диаметр 0, 3 - 1, 5 мкм, лграничены одной мембраной. Плотный кристаллический центр – уратоксидаза

Пероксисомы Впервые пероксисомы идентифицировали как органоиды, вырабатывающие перекись водорода. Пероксисомы содержат различные оксидазы, включая ацил-Ко. Аоксидазу, оксидазы гликолата, урата, алкоголя и др. Оксидазы окисляют субстрат и восстанавливают кислород до перекиси водорода. Каталаза восстанавливает перекись водорода до воды, её большое количество содержится в пероксисомах. Задача пероксисом – «убрать» перекисные соединения, которые повреждают и разрушают клеточные структуры. Пероксисомы осуществляют биологическое окисление, но без синтеза АТФ и НАДН. Все пероксисомы содержат ферменты, разрушающие жирные кислоты. Пероксисомы вовлечены в синтез желчных кислот и холестрина, в метаболизм аминокислот и пуринов. Пероксисомы – «катаболические» органоиды.

Новые пероксисомы образуются: 1. Путем деления 2. При участии цистерн ЭПР

Деление пероксисом в клетках печени крысы

Р Р Электронная томография Связь ЭПР и ламелл Электронная томография Связь пероксисомы с ламеллой

Связь пероксисом, мембранных ламелл и ЭПР Р Р P – пероксисомы (зеленый цвет) L – ламеллы (светло-голубой) ER- ЭПР (фиолетовый) Рибосомы – красный

Пероксисомы в одной клетке различаются между собой по набору и количеству ферментов, различаются они также в разных клетках. Функции пероксисом различаются у разных видов, однако общим является наличие ферментов, разрушающих жирные кислоты. Белки пероксисом – пероксины. Синтезируются на свободных полисомах и попадают в цитозоль, где после формирования третичной структуры они распознаются рецепторами цитозоля и направляются в пероксисомы. Пероксисомы не участвуют в пузырьковом транспорте. Пероксины ответственны за транспорт веществ в матрикс пероксисом. В растительных клетках пероксисомы выполняют целый ряд функций, связанных с фотодыханием и метаболизмом жирных кислот. Пероксисомы функционально тесно связаны с митохондриями в метаболизме жирных кислот.

В настоящее время появляются все новые данные о важной роли пероксисом в старении отдельной клетки. Показано, что «молодые» клетки успешно проводят детоксикацию, «правильно» окисляют жирные кислоты и справляются с окислительным стрессом, для чего необходима координированная и «правильная» работа пероксисом и митохондрий. В «старой» клетке эти механизмы нарушены, происходит её повреждение. В 2011 году было показано, что старение единичной клетки и старческие изменения целого организма связаны. Это ставит пероксисомы в разряд «критических» структур, определяющих развитие различных «возрастных» заболеваний. Задача новых исследований – понять, как пероксисомы взаимодействуют с мембранными органоидами, вовлеченными в процесс старения клетки.

Два главных механизма выработки энергии в клетке: 1. Митохондрии – обеспечивают выработку энергии за счет расщепления жиров и углеводов являются главными поставщиками энергии в клетке. 2. Хлоропласты – утилизируют энергию солнечного света, и запасают ее в виде АТФ и углеводов, синтезируемых из СО 2 и воды. Хлоропласты - гаранты всей жизни на Земле

МИТОХОНДРИИ наружная мембрана внутренняя мембрана кристы матрикс межкристное пространство межмембранное пространство

Mitochondrion -от греч. «Mitos» - нить + «Chondrion» – зернышко Размеры митохондрий - 0, 5 х 1 - 10 мкм В клетке может быть до 2 000 митохондрий В клетках печени митохондрии составляют более 20% общего объема цитоплазмы и содержат около 30— 35% общего количества белка Хондриом – совокупность всех митохондрий в клетке а - разрозненные митохондрии, б - группа митохондрий в клетках сетчатки, а б в в - митохондриальный ретикулум одноклеточной водоросли хлореллы

А Б В Митохондриальный ретикулум в поперечнополосатой скелетной мышце: А - на продольном сечении мышечного волокна видны мелкие сечения митохондрий; Б - на поперечном сечении митохондрии (М) имеют вид разветвленных сложных сетей; МФ – миофибриллы В - митохондриальная система кардиомиоцитов

Разные формы митохондрий. Высоковольтная электронная микроскопия целой клетки (не срез!) L – линейная форма; Br – разветвленная, C – циркулярная, B – шарообразная

Схема строения митохондрии рибосомы

Трехмерная модель митохондрии гепатоцита крысы Криоэлектронная томография Диаметр митохондрии – около 700 нм

Белки митохондрий в основном синтезируются на свободных рибосомах и для их доставки не используется пузырьковый транспорт. Белки митохондрий не проходят обработку в аппарате Гольджи Липидный состав наружной мембраны аналогичен другим мембранам клетки. Липидный состав внутренней мембраны отличается и схож с бактериальным. Внутренняя мембрана митохондрий имеет высокое содержание белков (75%)

Порины внешней мембраны митохондрий обеспечивают перенос веществ с молекулярной массой до 10 к. Да. Внутренняя мембрана митохондрий проницаема лишь для О 2, СО 2, Н 20. Внутренняя мембрана удерживает не только продукты промежуточного метаболизма (например, пируват и ацетил-Ко. А), но и неорганические ионы (Н+ и Na+). Поэтому в цитоплазме и митохондриях существуют независимые пулы ионов и метаболитов.

цитозоль наружная мембрана внутренняя мембрана Транспорт белков в митохондрии. матрикс Фосфолипиды митохондрий также доставляются из цитозоля.

Митохондрии имеют собственный геном, который транскрибируется и транслируется внутри органоидов. Белки, обеспечивающие синтез митохондриальной ДНК, кодируются ядерной ДНК. Митохондрии имеют автономную систему белкового синтеза, молекулы ДНК, не связаны с гистонами. На ДНК митохондрий происходит синтез молекул РНК разных типов: информационных, транспортных и рибосомальных. Рибосомы митохондрий локализованы в матриксе и отличаются от рибосом цитоплазмы. Рибосомы митохондрий обеспечивают синтез ряда митохондриальных белков, не кодируемых ядром. Собственная система синтеза обеспечивает синтез не более 5% от всех белков митохондрий. Основная часть белков, составляющих структурные и функциональные компоненты митохондрий, кодируется геномом ядра и синтезируется на рибосомах цитоплазмы.

Митохондрии млекопитающих тесно связаны с пероксисомами в катаболизме жирных кислот. Многие длинноцепочечные жирные кислоты не могут быть разрушены в митохондриях, и транспортируются в пероксисомы. И наоборот, жирные кислоты с прямой цепью не разрушаются в пероксисомах, и направляются в митохондрии. В пузырьках? ? Существует поток жирных кислот между митохондриями и пероксисомами. Есть регулируемое взаимодействие митохондрий и эндосом, обеспечивающее прямую передачу ионов железа Есть прямое взаимодействие митохондрий и ЭПР посредством трансмембранных белков. Митохондрии и везикулярный транспорт? ?

Почкование везикул на поверхности бактерий и митохондрий. Негативное контрастирование целых бактериальных клеток. Разные везикулы на поверхности бактерий (A) Burkholderia cepacia C 5424 и (B) Serratia marcescens ATCC 13880. (C) Пузырек на поверхности митохондрии клетки He. La, экспрессирующей белок MAPL+желтый Флуоресцентный белок. (D) – флуоресцентная микроскопия клетки He. La, красным показан пузырек с MAPL-YFP. (E) – две митохондрии на поперечном срезе папиллярной мышцы сердца кошки. Пузырьки имеют диаметр 70 -100 нм

Бактериальные везикулы выполняют множество функций, передавая сигналы внутри колонии. Обсуждается возможная передача информации между бактериями и растениями, бактериями и животными. Везикулы митохондрий обнаружены недавно. Показано, что везикулы, содержащие белок MAPL (митохондриальная лигаза), адресованы в пероксисомы и внутри переносят материал из митохондрий. Другие везикулы не содержат MAPL, их функции не установлены.

Митохондрии происходят из эндосимбиотических бактерий (Р. Альтман, 1890 г. ) Доказательства эндосимбиотического происхождения митохондрий: - совпадение размеров и формы; - кольцевая форма молекул ДНК, нет гистонов; - нуклеотидные последовательности р- и т-РНК митохондрий отличаются от ядерных, и схожи с аналогичными РНК некоторых аэробных ГР- бактерий; - белковый синтез в митохондриях и бактериях подавляется одними и теми же антибиотиками, не влияющими на синтез белка у эукариот; - липидный состав внутренней мембраны митохондрий и бактериальной плазмалеммы сходен, и существенно отличается от такового наружной мембраны митохондрий, гомологичной другим мембранам эукариотических клеток

Доказательства эндосимбиотического происхождения митохондрий: - кристы, образуемые внутренней митохондриальной мембраной, являются эволюционными аналогами мезосомных мембран многих прокариот; - до сих пор сохранились организмы, имитирующие промежуточные формы на пути к образованию митохондрий из бактерий (примитивная амеба Pelomyxa не имеет митохондрий, но всегда содержит эндосимбиотические бактерии)

Окисление глюкозы и жирных кислот – главный источник энергии в клетке глюкоза пируват пир. Жирные кислоты Ац. Ко. А ж. к. ЦТК цитоплазма При расщеплении глюкозы путем гликолиза: на одну молекулу глюкозы продуцируется 4 молекулы АТФ. В цикле Кребса в митохондриях на одну молекулу глюкозы продуцируется 24 -28 молекул АТФ.

Процесс окислительного фосфорилирования локализован на внутренней мембране митохондрий, и поставляет основную часть энергии в клетке. «Окислительное фосфорилирование» отъем электрона от одной молекулы, и присоединение фосфатной группы к другой, с формированием макроэргической связи. При этом происходит перенос электронов с высокой энергией на молекулярный кислород посредством молекул-переносчиков электронов. Энергия, выделяющаяся в реакциях переноса электронов, превращается в потенциальную энергию, которая запасается в виде градиента протонов в пространстве между внутренней и наружной мембранами митохондрий и затем используется для синтеза АТФ.

На каждую переносимую пару электронов выделяется 52, 5 ккал/моль Цепь последовательного переноса электронов нужна для постепенной утилизации этой энергии Кофермент Q Н+ Синтез АТФ и перенос эл-нов в матрикс Цитохром С IV V межмебранное пространство III I НАДН Н+ Молек. О 2 матрикс При переносе электронов по комплексам I-IV протоны Н+ попадают в межмембранное пространство. Генерируется эл/х потенциал. Комплекс V возвращает протоны в матрикс, а энергия потенциала используется для синтеза АТФ

II IV V III сукцинат Роль комплекса II - «сбор» электронов с сукцината (ЦТК)

цитозоль + р. Н 7 Концентр. градиент р. Н 8 матрикс Электр. Потенциал ~14 в - Теория хемиосмотического сопряжения 1961 г. , П. Митчел

Н+ Матрикс АДФ Комплекс V АТФ-синтаза АТФ Н+ АТФ-синтаза формирует протонный канал

Транспорт электронов и окислительное фосфорилирование – главные функции белковых комплексов внутренней мембраны митохондрий, обеспечивающие клетку энергией. Большая часть АТФ, продуцируемого митохондриями, доставляется в цитоплазму с помощью АДФ/АТФ – транслоказы в обмен на АДФ Фосфат поступает в митохондрии вместе с протонами, независимо от транспорта АДФ/АТФ.

«Конденсированная» «Ортодоксальная» Изменения топологии внутренней мембраны митохондрии в зависимости от содержания в ней АДФ Конденсированная и ортодоксальная конфигурации

Полученные в последние десятилетия сведения о свободных радикалах внесли существенный вклад в понимание физиологических процессов в норме и патологии. Установлено, что реактивные соединения кислорода и азота являются важными медиаторами клеточных реакций в ответ на стресс, а их действие опосредовано различными механизмами, включая аутофагию, митохондриальные реакции, передачу сигналов и апоптоз. Изменения структуры митохондрий при воздействии Н 2 О 2. А – интактные митохондрии. B, C, D – воздействие Н 2 О 2. Нарушение организации крист, изменение формы митохондрий, появление электронно-плотного вещества в матриксе.

Хлоропласты

Хлоропласты

Схема строения хлоропласта

Граны в хлоропласте листа пшеницы

Различные формы пластид способны к взаимопревращениям. Самые мелкие пластиды – пропластиды Пропластиды лейкопласты хлоропласты запасающие пластиды амилопласты липидопласты протеинопласты Хромопласты

Недифференцированный лейкопласт запасающий лейкопласт хлоропласт хромопласт

АМИЛОПЛАСТ ХРОМОПЛАСТ Амилопласты риса

Хромопласты лепестков орхидей