BIOCHEMIA, wykład 2. 2 III 2011 r.

Mitochondrium

U ssaków są we wszystkich komórkach oprócz erytrocytów, nazywane są siłownią komórki, bo właśnie tam zachodzi większość przemian biochemicznych, prowadzących w końcowym efekcie do syntezy energii. Energia ta magazynowana jest głównie w postaci ATP. Podstawową funkcją mitochondriów jest produkcja dwóch form energii swobodnej:

• Protonowej siły motorycznej (siły protonomotorycznej)

• ATP

Te dwie formy energii pochodzą z przetworzonego potencjału oksydoredukcyjnego. Zachodzą tu (w M [M- mitochondriom, przyp. tłum.]) procesy związane z pobieraniem tlenu i wydzielaniem energii. Procesy te zachodzą dzięki utlenianiu: węglowodanów, lipidów, białek do dwutlenku węgla i wody.

Przemiany w mitochondriach

• Cykl kwasów trikarboksylowych (Krebsa)

• Betaoksydacja kw. tłuszczowych (utlenianie)

• Dekarboksylacja oksydacyjna 2-oksokwasów

• Częściowo: biosynteza mocznika, biosynteza hemu i kwasów tłuszczowych (w M zachodzi ich wydłużanie)

Mitochondria zawierają pozajądrowy DNA zdolny do replikacji (namnażania), tj. ok. 1% całości DNA w komórce. DNA ten posiada informację genetyczną, synteza białek na podstawie tego DNA to tzw. dziedziczenie pozajądrowe/pozachromosomalne. Tym sposobem syntetyzowana jest nieliczna ilość białek (do 15% całej puli białek komórki). Syntetyzowane białka:

• Niektóre podjednostki enzymów oksydoredukcyjnych, np. F0, F1,

• syntetazy ATP - kluczowego enzymu w procesie fosforylacji oksydacyjnej, czyli w syntezie ATP.

• Pozostała część białek w mitochondrium musi być dostarczona tam z cytoplazmy z pomocą odpowiednich systemów transportujących.

Ilość mitochondriów w komórce uzależniona jest od zapotrzebowania energetycznego. M od cytoplazmy oddzielone są podwójną błoną białkowo-lipidową. M zawierają w odniesieniu do suchej masy ok. 70% białek (głównie enzymów, gdyż jest tam dużo szlaków metabolicznych). Oprócz białek jest ok. 25% lypydów, i niewielkie ilości DNA i RNA (w matrix). Obie błony zawierają w swym składzie różne ilości białek i lipidów, co determinuje ich różną przepuszczalność dla różnego rodzaju substancji.

Błona zewnętrzna - znajdują się enzymy odpowiedzialne za wydłużanie łańcucha kw. tłuszczowych a przede wszystkim tzw. receptory importu białek. Błona ta jest nieprzepuszczalna dla substancji wysokocząsteczkowych. Swobodnie mogą przez nią przechodzić substancje o masie cząsteczkowej do 10kilodaltonów. Substancje te są przenoszone przez kanał utworzony przez porynę (białko tworzące tunel w miejscu kontaktu obu błon – zewnętrznej i wewnętrznej). Miejsca kontaktowe pełnią istotną rolę w metabolizmie, szczególnie przy imporcie białek do mitochondriom oraz ich modyfikacji potranslacyjnych. Poryna zawiera na n-końcu krótką sekwencję kierującą, a w dalszej części długi fragment hydrofobowy, który stanowi sygnał STOP, co umożliwia gromadzenie tego białka w błonie.

Błona wewnętrzna – jest o wiele bardziej selektywna, przepuszcza jedynie niektóre związki drobnocząsteczkowe takie jak tlen, woda, CO₂, kwas pirogronowy, octowy, acetooctowy. Zlokalizowane są tu różnego rodzaju przenośniki, które transportują substancje do matrix mitochondrium. Takim specyficznym przenośnikiem jest karnityna, pochodna kwasu aminoizomasłowego – przenosi do matrix długołańcuchowe kw. tłuszczowe, gdzie ulegają one procesowi oksydacji.

Mitochondria odgrywają istotną rolę w inicjacji programowanej śmierci komórki (apoptozy).

Istotą życia jest powielanie (człowiek = 100 mln komórek). W ciągu godziny tracimy ok. 50 mld komórek.

Cykl komórkowy u eukariota dzielimy na fazy:

• Faza G1 – komórka sprawia wrażenie jakby nic się z nią nie działo. W tym czasie intensywnie rośnie. Gdy osiągnie odpowiednie rozmiary, przechodzi przez punkt progowy R i już nie ma odwrotu- niezależnie od warunków musi się podzielić. Po drodze czeka ją faza S (jak synteza )

• Faza S – dochodzi do podwojenia DNA.

• Faza G2 – Dochodzi do syntezy białek

• Faza M – zachodzi mitoza – komórka się dzieli na dwie komórki

Czas trwania poszczególnych faz cyklu jest różny dla różnych komórek. U ssaków od 10 do 30 godzin. Nad sprawnością cyklu komórkowego czuwają określone geny i ich produkty (białka). Zaburzenia w kontroli cyklu komórkowego mogą z jednej strony prowadzić do niekontrolowanych podziałów komórkowych i w konsekwencji powstania komórek nowotworowych, lub może prowadzić do śmierci komórki. Śmierć komórek jest procesem fizjologicznym (jak proliferacja, czy różnicowanie), zachodzi w każdym żywym organizmie. Na początku lat ’90 okazało się, że śmierć komórki jest procesem bardzo skomplikowanym. Od tego momentu wyróżniamy 2 rodzaje śmierci komórki:

• Nekroza:

  • degradacja DNA nie jest charakterystyczna,

  • odczyn zapalny,

  • brak syntezy mRNA i białek,

  • objętość komórki rośnie,

  • uszkodzenie błon cytoplazmatycznych,

  • obrzęk mitochondriów,

  • fagocytoza przez makrofagi i inne komórki odczynu zapalnego,

  • czas trwania – do kilkunastu minet :>

• Apoptoza:

  • degradacja DNA jest b. precyzyjna,

  • objętość komórki maleje,

  • struktury cytoplazmatyczne zachowują pełną integralność,

  • komórki rozpadają się na ciałka apoptotyczne fagocytowane przez sąsiednie komórki,

  • brak odczynu zapalnego,

  • kontrolowana genetycznie,

  • zachodzi synteza DNA i białek od nowa,

  • czas trwania – ok. kilku godzin do kilkunastu dni.

Procesy związane z apoptozą:

• Fizjologiczne:

  • Embrionogeneza,

  • morfogeneza,

  • wymiana komórek w tkankach proliferujących (skóra, nabłonki),

  • cykl menstruacyjny,

  • oogeneza,

  • dojrzewanie tymocytów i komórek krwiotwórczych szpiku,

  • obumieranie komórek w gruczole mlekowym po zakończonej laktacji,

  • atrezja pęcherzyków jajnikowych,

  • spermatogeneza,

• Patologiczne:

  • AIDS,

  • choroba Alzheimera,

  • zamieranie komórek nowotworowych.

3 etapy apoptozy:

1. przekazywanie sygnału do indukcji procesu samounicestwienia (komórka musi podjąć decyzję o popełnieniu samobójstwa, zapada ona na podstawie informacji o procesach wewnętrznych zachodzących w komórce oraz sygnałów docierających do niej z otoczenia[należy zaznaczyć, że odpowiedź komórki na te sygnały może być różna])

2. II – uaktywnienie genów, których produkty biorą udział w samounicestwieniu komórki (faza efektorowa)

3. III – zmiany strukturalne prowadzące do śmierci komórki.

Czynniki wywołujące apoptozę:

• Fizyczne:

  • promieniowanie,

  • szok termiczny

• Chemiczne:

  • cytostatyki,

  • jonofory,

  • wolne rodniki tlenowe,

• Biologiczne:

  • glikokortykoidy,

  • czynnik martwicy nowotwory (TNF – tumor necrosis factor),

  • niedobór czynników wzrostowych.

Apoptoza jest regulowana genetycznie. Programowana śmierć komórki to proces aktywny wymagający ekspresji wielu genów (syntezy mRNA i białek). Geny warunkujące program apoptozy nazwano genami śmierci (CED). Do dzisiaj odkryto kilkanaście różnych genów, których wzrost ekspresji obserwuje się po zadziałaniu czynnika stymulującego apoptozę. Białka biorące udział w apoptozie nie znajdują się w komórce w normalnych warunkach. Są produkowane kiedy dojdzie do stymulacji apoptozy.

• p-53 – zmutowany – blokowanie, niezmutowany – stymuluje. Strażnik genomy,

• Bcl-2 – blokowanie apoptozy.

Bcl-2

• Pierwotnie wykryty w różnych białaczkach i chłoniakach.

• Koduje on 2 białka: pBCL-2α i pBCL-2β,

• produkty genu hamują apoptozę,

• nadaje komórkom odporność na chemioterapię

P53

• Gen supresorowy nowotworów,

• podwyższona ekspresja w komórkach nowotworowych,

• aktywacja w przypadku uszkodzeń DNA, ekspresja tego genu powoduje zatrzymanie podziałów komórkowych w fazie G1,

• jeżeli uszkodzenia DNA są zbyt rozległe, produkt tego genu indukuje komórkę do „popełnienia samobójstwa” w ucieczce przed transformacją nowotworową,

• wzrost ekspresji P53 wpływa specyficznie na aktywację innych genów indukowanych w procesie apoptozy

Enzymy uczestniczące w apoptozie:

• Transglutaminazy – odpowiedzialne za syntezę sieci białkowej ciałek apoptotycznych podczas ich tworzenia. Nie dopuszczają do wycieku macierzy komórkowej

• Endonukleazy – odpowiedzialne za fragmentację DNA w komórkach apoptycznych, (pierwszy nieodwracalny etap apoptozy)

• Kaspazy – enzymy należące do grupy proteaz cysteinowych, rozszczepiających łańcuch polipeptydowy w pobliżu reszt asparaginowych (substratami kaspaz są liczne białka cytoplazmatyczne i jądrowe, które degradowane są w procesie apoptozy)

• Cytochrom C – indukuje kaskadę reakcji prowadzących do aktywacji kaspaz.

Kluczową rolę decyzyjną w apoptozie odgrywa mitochondrium. Etapy apoptozy dzielimy na:

• fazę mitochondrialną – wzmocnienie sygnału śmierci

• Faza postmitochondrialna w której uczestniczą białkowe czynniki aktywujące apoptozę takie jak cytochrom C, AIF (apoptose induction factor), kaspazy. wydostające się z przestrzeni międzybłonowej białka zapoczątkowują fazę wykonawczą apoptozy. Kaspazy występują w postaci proenzymów (prokaspaz 0 nieaktywne). W apoptozie jedna Kaspara aktywuje następną. Głównych Kaspar jest 9. Kaspazy degradują ważne dla życia komórki białka takie jak: aktyna, enzymy – polimerazy, kinazy, inne białka strukturalne. Czynnikiem warunkującym aktywację Kaspar jest cytochrom C.

RYSUNEK

W latach ’80 odkryto zjawisko gwałtownej zmiany mitochondriów pod wpływem jonów Ca, czemu towarzyszyło rozprzężenie energetyczne. W 90 wykazano istnienie złożonych kompleksów porowych zwanych mega kanałami mitochondrialnymi na styku wewnętrznej i zewnętrznej błony komórkowej. Otwarcie takich kanałów indukowane różnymi bodźcami łączy się ze spadkiem potencjału w poprzek wewnętrznej błony mitochondrialnej. Dochodzi do uwalniania białek z przestrzeni międzybłonowej. Stwierdzono, że załamanie potencjału błonowego mitochondriów jest pierwszym sygnałem rozpoczynającej się apoptozy w komórce. Wykazano, że spadek potencjału w jednym mitochondrium powoduje równoczesny spadek we wszystkich mitochondriach w komórce.

Cytochrom C oprócz udziału w inicjacji procesu apoptozy jest integralnym składnikiem mitochondrialnego łańcucha oddechowego. W odróżnieniu od wszystkich składników łańcucha oddechowego cytochrom C nie jest na stałe związany z wewnętrzną błoną mitochondrialną. Dzięki czemu może wypływać przez mega kanał i aktywuje kaspazy (tną białka).

Podsumowanie apoptozy:

Apoptoza stanowi aktywną samozagładę nadliczbowych niewłaściwych i bezużytecznych komórek, zarówno w okresie rozwoju embrionalnego oraz w życiu dorosłego organizmu. Jest przeciwieństwem mitozy związaną z proliferacją komórek, szlaki komórkowe prowadzące do apoptozy i proliferacji zawierają jednak wiele elementów wspólnych, można przypuszczać, że w świetle aktualnej wiedzy, że stanowią część tego samego mechanizmu stąd aktualnym zadaniem badawczym jest odkrycie miejsc na tym szlaku, w którym zapada decyzja o „być” , albo „nie być” .