1. Według hipotezy endosymbiozy mitochondria powstały w ewolucji z bakteryjnych endosymbiontów (prawdopodobnie bakterie -purpurowe) stopniowo integrowanych w komórkę gospodarza, która dostarczyła genom jądrowy, co miało miejsce prawdopodobnie 1mld lat temu. Wskazuje na to wiele podobieństw bakterii do mitochondriów: struktura genomu, rRNA, struktura genów kodujących białka transformujące energię, złożoność funkcjonalna. Zgodnie z tą hipotezą błona zewnętrzna mitochondriów jest ewolucyjnie błoną fagosomu, czyli pochodną błony komórkowej, zaś błona wewnętrzna reprezentuje błonę bakterii. Sfagocytowane bakterie- premitochondria- utraciły w czasie ewolucji komórek eukariotycznych większość swoich genów na rzecz gospodarza, zostały one wbudowane w genom komórki eukariotycznej.

Mitochondria, podobnie jak plastydy, pozostają w komórce półautonomiczne, zachowują odrębny genom ulegający replikacji i ekspresji, ale nie są zdolne do samodzielnego funkcjonowania. W komórkach eukariotycznych mitochondria namnażają się przez podział lub rzadziej pączkowanie

2. Główną rolą mitochondriów jest uzyskiwanie energii w formie wysokoenergetycznych wiązań chemicznych wewnątrz ATP wskutek przekształcania innych związków organicznych, ale mitochondria biorą również udział w innych procesach metabolicznych takich, jak:

- Apoptoza - programowana śmierć komórki

- Regulacja stanu redoks komórki

- Synteza hemu

- Synteza sterydów

- Wytwarzanie ciepła

- Cykl mocznikowy - w mitochondriach wątroby

- Udział w niektórych etapach syntezy sterydów

- Wytwarzanie i przetwarzanie energii

3. Średnica: 2-3 nm

Długość: do 10 mikrometrów

Ilość: w wątrobie 1300

Oocyt 30 000

Zajmują ok. 12% objętości komórki

Rozmieszczenie w komórce: głównie blisko jądra kom.

4. Budowa błony zewn. (zawartość białek i lipidów)

- 50% lipidów i 50% białek

- ma 6x więcej cholesterolu niż bł. Wew. Co daje mniejszą płynność

- 3x więcej fosfatydyloinozydolu

5.

- jest naszpikowana białkami zwanymi porynami. Poryny są w istocie dużymi (około 2-3 nm średnicy) kanałami, przez które mogą się przedostawać wszystkie cząsteczki o masie nie przekraczającej 5000 daltonów. Większe cząsteczki mogą pokonać zewnętrzną błonę tylko przy pomocy transportu aktywnego

- białek ją budujących są enzymy odpowiadające za bardzo rozmaite reakcje, jak np. wydłużanie łańcuchów kwasów tłuszczowych, utlenianie adrenaliny i rozkład tryptofanu

odstawowym narzędziem wymiany metabolitów między mitochondriami i cytoplazmą jest zależny od potencjału kanał o selektywności anionowej, kanał VDAC (ang. voltage depentent anion channel), nazywany także poryną mitochondrialną. Kanał ten został odkryty w roku 1976 i przez ostatnie 30 lat był intensywnie badany. Badania te doprowadziły do ustalenia jego kluczowej roli w regulacji metabolicznych i energetycznych funkcji mitochondriów.

6. Budowa błony wewnętrznej

- 20% lipidów, 80% białka

Błona wewnętrzna jest nieprzenikliwa dla substancji osmotycznie czynnych - nawet dla małych jonów, jej przepuszczalność jest kontrolowana przez specyficzne nośniki i pompy. Przez błonę tą przenikają swobodnie jedynie tlen dwutlenek węgla, woda, amoniak, i substancje hydrofobowe. Transport substancji wytwarzanych np. w cyklu Krebsa czy też jonów sodu, wapnia, potasu i wodoru odbywa się za pośrednictwem specyficznych białkowych przenośników wbudowanych w błonę wewnętrzną, zwanych translokazami lub permeazami. Poza tymi białkami błona wewnętrzna zawiera wszystkie składniki związane z łańcuchem oddechowym oraz fosforylacja oksydacyjną. Błona wewnętrzna tworzy uwypuklenia zwane grzebieniami mitochondrialnymi. Uwypuklenia te mają zwykle kształt 1) blaszek (mitochondria lamelarne np. w komórkach wątroby i mięśni) częściowo lub całkowicie przecinających mitochondrium, 2) cewek (rurek - mitochondria tubularne np. u niektórych jednokomórkowych i tkankach steroidotwórczych u kręgowców). Grzebienie mitochondrialne są bardzo plastyczne i podatne na zmiany, ich liczba i kształt zmienia się podczas różnicowania komórki i jest proporcjonalna do intensywności oddychania (zapotrzebowania na ATP).

Na powierzchni błony wewnętrznej (od strony matriks) występują liczne cząstki uszypułkowane (buławkowate, grzybkowate), które są odpowiednikiem katalitycznej części kompleksu enzymatycznego ATPazy mitochondrialnej. Enzymem markerem tej błony jest dehydrogenaza bursztynianowa.

7. Kariolipina, fosfatydylocholina, fostatydyloetanolamina- 2:3:4 co daje mniejszą przepuszczalność wew. Błony mitochondrialnej

Kardiolipina (CL) - potoczna nazwa dwufosfatydyloglicerolu, ujemnie naładowanego glicerolofosfolipidu występującego w wewnętrznej błonie mitochondrium, a poza tym w błonach komórkowych niektórych bakterii.

Historycznie po raz pierwszy wyizolowany z homogenatów serca wołu - stąd nazwa.

Kardiolipina odgrywa ważną rolę w prawidłowym funkcjonowaniu enzymu oksydazy cytochromu C (COX).

Znaczenie w medycynie [edytuj]

- zespół Bartha - mutacja w genie tafazyny (enzymopatia mitochondrialna)

- zespół antyfosfolipidowy

- serologiczne odczyny kiłowe

8. Tlen, dwutlenek węgla, woda i amoniak

9.

enzymy markerowe, enzymy wskaźnikowe występujące tylko w jednym określonym przedziale komórki; pomiar aktywności e. m. jest dogodnym sposobem oznaczenia stopnia czystości preparatów organelli w różnych frakcjach homogenatu otrzymanego z komórek; e. m. dla mitochondriów jest dehydrogenaza bursztynianowa, a dla peroksysomów - katalaza.

Dehydrogenaza bursztynianowa (EC 1.3.99.1) katalizuje reakcje odwodornienia bursztynianu z wytworzeniem fumaranu. W grupie prostetycznej enzymu występuje FAD. Na każdą grupę flawinową przypadają 4 atomy żelaza i 4 jony siarczkowe. Dehydrogenaza bursztynianowa u eukariontów jest zlokalizowana w wewnętrznej błonie mitochondrium.

Dehydrogenazy, dla których akceptorem atomów wodoru jest FAD, jak np. dehydrogenaza bursztynianowa - znajdujšca się po wewnętrznej stronie błony mitochondrialnej - może bez przeszkód oddać atomy wodoru na ubichinon, z pominięciem kompleksu I.
Błona mitochondrialna jest nieprzepuszczalna dla zredukowanego NAD. Może on być wytwarzany podczas glikolizy zachodzšcej w cytozolu. Istnieje sposób przekazywania równoważników redukcyjnych za pomocš tzw. mostków substratowych:

Po obydwu stronach błony występuje taka sama para substratów, która może przyjšć lub oddać atomy wodom, oraz enzym dehydrogenaza. Przez błonę mitochondrialnš mogš przenikać czšsteczki zredukowanego przez NADH substratu i wewnštrz mitochondrium przekazać atomy wodoru na FAD. Powoduje to stratę jednej czšsteczki ATP, ale sš inne korzy�ci metaboliczne. Parę substratów i enzym mogš stanowić np. glicerolo-3-fosforan i dihydroksyacetonofosforan oraz enzym dehydrogenaza glicerolo-3-fosforanowa.

10. Wnętrze mitochondrium wypełnia macierz (matriks) mitochondrialna. Jest to rodzaj żelu - wodny roztwór białek i metabolitów zużywanych na potrzeby mitochondrium. Białkami wewnętrznymi mitochondrium są wszystkie enzymy β-oksydacji kwasów tłuszczowych, cyklu Krebsa, syntezy steroidów itp. Macierz zawiera również mitochodndrialny DNA (mtDNA), rybosomy mitochondrialne i tRNA mitochondrialne. Enzymem markerowym (markerem) matrix mitochondrialnej jest syntetaza cytrynianowa.

Na powierzchni błony wewnętrznej (od strony matriks) występują liczne cząstki uszypułkowane (buławkowate, grzybkowate), które są odpowiednikiem katalitycznej części kompleksu enzymatycznego ATPazy mitochondrialnej. Enzymem markerem tej błony jest dehydrogenaza bursztynianowa.

Wnętrze mitochondrium wypełnia matriks o charakterze białkowego żelu, której 50% stanowią białka głównie enzymatyczne (około 40 różnych enzymów, m.in. enzymy cyklu kwasów trójkarboksylowych, b-oksydacji kwasów tłuszczowych, syntezy DNA, RNA i białek, katabolizmu aminokwasów). Enzymem markerowym matriks jest syntetaza cytrynianowa występująca w cyklu Krebsa.

W matriks bezpośrednio jest zlokalizowany DNA mitochondrialny (=mtDNA) w formie pierścieniowej, niekiedy liniowej, w liczbie od 1 do kilku cząsteczek, przyczepionych do wewnętrznej błony mitochondralnej. mtDNA pozbawiony jest histonów, koduje rRNA, tRNA, niektóre enzymatyczne białka błon mitochondrialnych. Oprócz mtDNA, w mitochondriach niektórych grzybów i roślin wyższych występują plazmidy (w formie kolistej i liniowej), replikujące się niezależnie od mtDNA. Na terenie matriks występują również rybosomy - o stałej sedymentacji 70S i właściwościach podobnych do rybosomów prokariotycznych i plastydowych oraz ziarnistości fosforanu wapnia. Większość białek matriks jest syntetyzowana na terenie cytoplazmy na bazie genomu jądrowego. Z genomem mitochondrialnym jest związane u zwierząt dziedziczenie cytoplazmatyczne. DNA mitochondrialny charakteryzuje się małą liczbą sekwencji niekodujących.

11. Konfiguracja skondensowana- bardzo długie, duże, silne sfałdowana bł. Wewn., blaszkowate grzebienie, ciemna matriks np. w kom. Serca nabłonku jelit, kanaliki proksymalne nerek

Konfiguracja ortodoksyjna- niska gęstość matriks, mała ilość grzebieni. Występowanie: Komórki starzejące się, niezróżnicowane i niektóre nowotworowe

12. Mitochondria steroidogenne- cewkowate (tubularne), liczne grzebienie o kształce cewek. Występują w kom. Kory nadnerczy i kom. Leidyga, pęcherzykach jajnikowych, ciału żółtym

13. Funckja termogeniny: Termogenina, białko występujące w wewnętrznej błonie mitochondriów tkanki tłuszczowej brunatnej, mające postać kanału jonowego przepuszczalnego dla protonów.

Termogenina wykorzystuje ten sam przezbłonowy gradient protonów, który, według teorii chemiosomotycznej Mitchella, wykorzystuje syntaza ATP. Przejście protonów z przestrzeni międzybłonowej mitochondrium do macierzy mitochondrialnej przez ten kanał nie powoduje jednak powstania ATP, jak w procesie fosforylacji oksydacyjnej, lecz wytworzenie energii cieplnej. Podsumowując: komórki posiadające termogeninę wytwarzają więcej energii cieplnej kosztem spadku produkcji ATP.

Na przykład kwiatu rośliny, co zwiększa intensywność wydzielania cząstek zapachowych.

Zwierzęta zapadające w sen zimowy wykorzystują termogeninę do podtrzymywania temperatury ciała, przy zmniejszeniu przemiany materii do minimum.

U ludzi tkanka tłuszczowa brunatna zawierająca termogeninę znajduje się w wieku niemowlęcym na karku i między łopatkami.

okrągłe, gęsto ułożone grzebienie, dużo cytochromów, mało syntazy ATP

14. Różne mitochondria w tej samej komórce mogą zawierać różniące się od siebie cząsteczki mtDNA, nawet w pojedynczym mitochondrium nie wszystkie cząsteczki są jednakowe. Zjawisko to nazywa się heteroplazmią. U ssaków mitochondria wraz ze znajdującym się w nich mtDNA są przekazywane następnym pokoleniom niemal wyłącznie w linii żeńskiej. U myszy zaobserwowano, że pochodzące od ojca mitochondria (wraz z zawartym w nich DNA) są niszczone we wczesnych fazach rozwoju zygoty. U innych organizmów wygląda to inaczej, np. u ogórka mitochondria dziedziczą się w linii męskiej. Podczas podziału komórki mitochondria rozdzielane są losowo do potomnych komórek.

15. Mutacje w genach mitochondrialnych powodują choroby mitochondrialne, których objawy dotykają głównie tkanki o największym zapotrzebowaniu energetycznym - mięśniową i nerwową. Choroby te mają charakterystyczny, matczyny wzór dziedziczenia. Również mutacje kodowanych w jądrze komórkowym białek mitochondrialnych powodują choroby genetyczne (np. ataksja Fredreicha).

Mitochondrialny DNA jest narażony na uszkodzenia przez wolne rodniki z łańcucha oddechowego, a w mitochondriach nie ma sprawnych mechanizmów naprawczych dla DNA. Leży to u podłoża hipotezy tłumaczącej objawy starzenia się akumulacją mutacji somatycznych mitochondrialnego DNA i obniżaniem sprawności energetycznej komórek.

Tak zwany obszar hiperzmienny mitochondrialnego DNA to niekodujący fragment genomu mitochondrialnego, który bardzo się różni między ludźmi. Dlatego wykorzystuje się go do badań genetyki populacyjnej oraz w medycynie sądowej do ustalania tożsamości. Sekwencje niektórych genów mitochondrialnych, różniące się między gatunkami, mogą służyć jako "kod kreskowy" charakterystyczny dla poszczególnych gatunków i są w związku z tym wykorzystywane w badaniach bioróżnorodności.

Choroby mitochondrialne - choroby genetyczne wynikające z zaburzeń w funkcjonowaniu i strukturze mitochondriów. Objawy chorób mitochondrialnych związane są zwykle z tkankami o wysokim zapotrzebowaniu energetycznym np. mięśniami szkieletowymi lub układem nerwowym, i zazwyczaj obejmują miopatie, encefalopatie oraz neuropatie. Szacuje się, że na choroby mitochondrialne zapada 1 na 15000 osób.

Choroby mitochondrialne mogą być spowodowane:

mutacjami w genomie mitochondrialnym (mtDNA)

mutacjami w jądrowym DNA kodującym białka specyficzne dla mitochondriów oraz związane z regulacją ich funkcjonowania.

Ponieważ komórka zawiera tysiące kopii mitochondrialnego DNA, ma on większą szansę niż DNA jądrowy zachować się w materiale kopalnym. Do niedawna jedyne znane sekwencje kopalnego DNA to były sekwencje mitochondrialne. Porównanie sekwencji DNA mitochondrialnego ludzi współczesnych i neandertalczyków sugeruje, że się nie krzyżowaliśmy.

Mitochondria dziedziczone są niemal wyłącznie w linii matczynej, ponieważ wszystkie lub niemal wszystkie pochodzą z oocytu, a bardzo nieliczne (jeśli w ogóle) są przekazywane w plemniku, a w zygocie te pochodzące od ojca są niszczone. Zatem choroby mitochondrialne spowodowane mutacjami w genomie mitochondrialnym dziedziczą się po matce, natomiast zapada na nie potomstwo obu płci.

Komórka zawiera kilka tysięcy mitochondriów, a w każdym z nich znajduje się kilka cząsteczek mtDNA. Cząsteczki te nie zawsze są identyczne. Zjawisko to nazywa się heteroplazmia. Przy podziałach komórki mitochondria rozdzielane są do komórek potomnych losowo. Zatem objawy choroby zależą od stosunku prawidłowego mtDNA do mtDNA niosącego mutację i pojawiają się po przekroczeniu pewnej wartości progowej. Wartość progowa jest różna dla różnych tkanek (przy czym jest niższa dla tkanek o wysokim zapotrzebowaniu energetycznym, takich, jak mięśnie czy mózg) i dla różnych mutacji. Powoduje to, że objawy kliniczne chorób mitochondrialnych i ich nasilenie mogą się znacznie różnić u różnych pacjentów.

Zespół przewlekłej postępującej zewnętrznej oftalmoplegii, CPEO (ang. chronic progressive external ophtalmoplegia) - przyczyną jest delecja w mtDNA, choroba objawia się przewlekłą zewnętrzną oftalmoplegią i obustronnym opadaniem powiek, a także osłabieniem mięśni, może prowadzić do całkowitego porażenia mięśni okołoruchowych.

Zespół Kearnsa-Sayre'a (Kearns-Sayre syndrome, KSS, OMIM 530000) - przyczyną jest delecja w mtDNA, objawami choroby są postępująca oftalmoplegia zewnętrzna, zwyrodnienie barwnikowe siatkówki, ataksja, podwyższony poziom białka w płynie mózgowo-rdzeniowym, zaburzenia przewodzenia w mięśniu sercowym. Nie stwierdza się osłabienia kończyn, a objawy występują przed 20. rokiem życia. KSS nie jest dziedziczny.

Zespół mitochondrialnej encefalomiopatii dotyczącej układu nerwowego, żołądka i jelit, MNGIE (ang. mitochondrial neurogastrointestinal encephalomyopathy syndrome, OMIM 603041) - spowodowany mutacją w znajdującym się na chromosomie 22 genie kodującym fosforylazę tymidyny, której towarzyszą delecje w mtDNA, występuje między 20. a 50. rokiem życia; do objawów zalicza się opadanie powiek, oftalmoplegia, zaburzenia motoryki przewodu pokarmowego, miopatia mięśni szkieletowych i obwodowa neuropatia.

Zespół szpikowo-trzustkowy Pearsona (ang. Pearson pancreas-marrow syndrome, OMIM 557000)- spowodowany pojedynczą delecją w mtDNA, do objawów zalicza się ciężka niedokrwistość makrocytowa w pierwszych tygodniach życia, zmienna neutropenia i trombocytopenia, podwyższony poziom hemoglobiny , zaburzenia pracy trzustki, cukrzyca, zanik kosmków jelitowych, zaburzenia funkcji wątroby, zaburzenia krzepnięcia krwi. W wieku dojrzewania mogą wystąpić objawy zespołu Kearnsa i Sayre'a (objawy neurologiczne, utrata słuchu, ataksja, neuropatia obwodowa, upośledzenie umysłowe). Opisany przez Hugh A. Pearsona i współpracowników w 1979 roku.

Padaczka miokloniczna z występowaniem "włókien szmatowatych" w mięśniach, zespół MERRF (ang. myoclonic epilepsy and ragged red fibres, OMIM 545000) - spowodowana mutacją punktową nukleotydu 8344 G-A w genie kodującym tRNA lizyny w mtDNA (80-90% przypadków), objawy choroby mogą wystąpić w wieku późnodziecięcym lub u dorosłych, zalicza się do nich padaczka, ataksja i miopatia z występowaniem włókien szmatowatych w badaniu biopsji mięśni, oraz podwyższony poziom kwasu mlekowego, może wystąpić także postępujące otępienie, utrata słuchu i zanik nerwu wzrokowego.

Zespół MELAS (miopatia mitochondrialna, encefalopatia, kwasica mleczanowa, występowanie incydentów podobnych do udarów - ang. mitochondrial myopathy, encephalopathy, lactic acidosis, stroke-like episodes, OMIM 540000) - w 80-90% przypadkach przyczyną choroby jest mutacja punktowa nukleotydu 3243 w obrębie genu tRNA leucyny w mtDNA, zazwyczaj pojawia się w dzieciństwie, objawami są miopatia z encefalopatią, kwasica mleczanowa, incydenty udaropodobne, drgawki, cofanie się umiejętności psychoruchowych, zwyrodnienie barwnikowe siatkówki, głuchota, cukrzyca i niski wzrost.

Dziedziczna neuropatia nerwu wzrokowego Lebera, LHON (ang. Leber's hereditary optic neuropathy, OMIM 535000) - objawy choroby to zanik nerwów wzrokowych, jest spowodowana spowodowana różnymi mutacjami mtDNA, chorują zwykle mężczyźni (u kobiet objawy pojawiają się później i są łagodniejsze), objawy występują u połowy mężczyzn i tylko 20% kobiet mających mutacje, choroba ujawnia się przeważnie w 10.-20. roku życia, często dotyczy obu oczu jednocześnie, a utrata wzroku następuje przeważnie w ciągu 8 tygodni, chorobie mogą towarzyszyć zmiany podobne do objawów stwardnienia rozsianego, ataksja, neuropatia obwodowa i encefalopatia.

Neurogenna miopatia z ataksją i zwyrodnieniem barwnikowym siatkówki, zespół NARP (ang. neurogenic myopathy, ataxia, retinitis pigmentosa, NARP syndrome, OMIM 551500) - powodowana punktową mutację genu kodującego syntazę ATP (zmiana T-G w nukleotydzie 8993 w mtDNA), objawami choroby są zwyrodnienie barwnikowe siatkówki, demencja, drgawki, ataksja, osłabienie mięśni proksymalnych, neuropatia czuciowa, może też wystąpić opóźnienie rozwoju lub dysfunkcja pnia mózgu, chorobie towarzyszą zaburzenia czynności wątroby i przewlekła kwasica.

Zatrucie wywołane podaniem chloramfenikolu (OMIM 515000) - u 1 na około 19.000 osób w zdrowej populacji występują objawy toksyczne po podaniu leczniczej dawki chloramfenikolu; za defekt ten odpowiedzialne są punktowe mutacje w genie kodującym podjednostkę 16S rRNA.

16. Mezosomy- organelle występujące w komórkach bakterii, powstające jako uwypuklenia plazmalemmy (pojedynczej półprzepuszczalnej błony cytoplazmatycznej) do środka komórki. Przypisuje się im funkcje związane z oddychaniem tlenowym.

Mezosomy - to wpuklenia błony cytoplazmatycznej do wnętrza komórki.

Funkcje : mezosomy ścienne - miejsce przyczepienia nukleoidu do błony cytoplazmatycznej. Znajdują się w nich enzymy potrzebne do syntezy składników ściany komórkowej. Znajdują się tu enzymy oddechowe (cytochromy), zachodzą tu procesy oksydoredukcyjne.

17. Powstaje w wniku rozkładu kwasów tłuszczowych, aminokwasów i przekształcenia pirogronianu

18. Cykl Krebsa (patrz tabelka)

19. Fosforylacja oksydacyjna (utleniająca) to cykl reakcji przyłączenia reszty kwasu ortofosforowego do związków chemicznych połączona ze zmianą stopnia utlenienia atomu, do którego ta grupa bezpośrednio się przyłącza.

W organizmach żywych reakcja ta jest katalizowana przez enzymy zwane fosfotransferazami (kinazy), które transportują reszty kwasowe na białka, nukleotydy, cukry oraz lipidy. Związki, którym dostarczone zostają reszty fosforanowe, uzyskują wyższy poziom energetyczny.

Niezwykle istotną reakcją dla organizmów żywych jest fosforylacja kwasu ADP, dzięki której dochodzi do wytworzenia ATP, co ma wielkie znaczenie dla regulacji gospodarki energetycznej w komórkach. Proces ten może zachodzić na drodze fosforylacji fotosyntetycznej, oksydacyjnej, substratowej. Ponadto proces fosforylacji przyczynia się do normowania procesów metabolicznych.

W procesie fosforylacji oksydacyjnej, zwišzanej bezpo�rednio z łańcuchem oddechowym, zmiany entalpii swobodnej reakcji przenoszenia elektronów umożliwiajš wychwytywanie czę�ci wytwarzanej energii przez czšsteczki ADP, które sš ważnymi składnikami procesu fosforylacji. Dzięki tej energii z ADP przy udziale fosforanów nieorganicznych jest syntetyzowany ATP.
Przeniesienie 2 elektronów z atomów wodoru na tlen powoduje wydzielenie 237,6 kJ/mol energii. W warunkach �rodowiska komórki, podczas transportu elektronów z NADH na tlen wyzwolona energia jest równa 220,8 kJ/mol. Z energii tej mogš być wytwarzane wysokoenergetyczne wišzania ATP przez przyłšczanie fosforanów do czšsteczek ADP. Tego rodzaju wytwarzanie wišzań wysokoenergetycznych, sprzężone z przenoszeniem w łańcuchu oddechowym, nosi nazwę fosforylacji oksydacyjnej. Fosforylacja oksydacyjna zachodzi tylko w mitochondriach. Poza nimi w komórce nie ma układu tlenowych fosforylacji, wobec czego procesy utleniania zachodzšce z udziałem tlenu nie sš sprzężone z syntezš ATP. Nie zwišzana w ATP energia wykorzystywana jest jako energia cieplna na utrzymanie temperatury ciała zwierzšt stałocieplnych.
Do�wiadczenia przeprowadzone na oddychajšcych mitochondriach wskazujš, że podczas przenoszenia elektronów w łańcuchu oddechowym rozpoczynajšcym się od dehydrogenaz współdziałajšcych z NAD, na 1/2 mola O2 sš zużywane 3 mole fosforanów nieorganicznych. Je�li proces rozpoczyna się od dehydsogenaz flawopro-teinowych, zużycie fosforanów nieorganicznych na tę samš ilo�ć tlenu wynosi 2 mole. Wskazuje to, że gdy łańcuch oddechowy rozpoczyna się od zredukowanego NAD, przy wykorzystaniu 1/2 czšsteczki O2 sš syntetyzowane 3 czšsteczki ATP, natomiast je�li rozpoczyna się od flawoprotein, powstajš tylko 2 czšsteczki ATP.
Energia zwišzana w powstałym makroergicznym wišzaniu fosforanowym wynosi około 30,6 kJ/mol. Tego rodzaju wišzania w 3 czšsteczkach ATP magazynujš około 91,8 kJ/mol energii, co stanowi około 40% całkowitej wydajno�ci energetycznej łańcucha oddechowego.
Mechanizm wytwarzania zarówno wysokoenergetycznych wišzań ATP w procesie fosfory lacj i oksydacyjnej, jak i miejsce ich wytwarzania w łańcuchu oddechowym nie zostały dotychczas wyja�nione w sposób jednoznaczny. Istnieje wiele teorii, które usiłujš tłumaczyć te zagadnienia.
Najbardziej znane sš 3 hipotezy, których założenia zostanš w skrócie przedstawione, a mianowicie: hipoteza chemiczna, hipoteza chemiosmotyczna i hipoteza konformacyjna.
 

Hipoteza chemiczna jest znana jako teoria Slatera. Według tej teorii w procesie tworzenia wysokoenergetycznego wišzania ATP bierze udział przeno�nik X o nieznanej budowie oraz no�nik A, którym może być jeden z układów oksydacyjno-re-dukcyjnych łańcucha oddechowego. Przeno�nik reaguje najpierw ze zredukowanym no�nikiem, tworzšc makroergiczny kompleks A ~ X, a następnie z ortofosforanem, przenoszšc energię i tworzšc kompleks przeno�nika z fosforanem X ~(P). W ostatnim etapie następuje przeniesienie wysokoenergetycznego wišzania fosforanu na ADP i wytworzenie ATP:
A + X     A~X

A~X+(P)    X~(P)+A

X~(P) + ADP     ATP + X

Zakłada się, że w tym mechanizmie bierze udział także enzym wytwarzajšcy ATP. Nie udało się jednak dotychczas wydzielić żadnych intermediantów wysokoenergetycznych tego procesu ani przeno�nika X.
Hipoteza chemiczna sprzęga fosforylację tlenowš z okre�lonymi reakcjami łańcucha oddechowego. Według tej hipotezy fosforylacja zachodzi w tych miejscach łańcucha oddechowego, gdzie występuje znaczna różnica potencjałów oksydoredu-kcyjnych między układami. Im większa jest różnica potencjałów, tym wydziela się więcej energii. Czę�ć tej energii ulega rozproszeniu i wydziela się w postaci ciepła, czę�ć za� zostaje zmagazynowana w postaci ATP. Magazynowanie energii chemicznej odbywa się w tych miejscach łańcucha oddechowego, gdzie różnica potencjałów wynosi około 160 mV.
Przypuszcza się, że je�li łańcuch oddechowy rozpoczyna się od NADH, powstajš 3 czšsteczki ATP w następujšcych miejscach:
- przy przeniesieniu elektronów z koenzymów nikotynamidowych na flawopro-teiny;
- przy przeniesieniu elektronów z ubichinonu lub z flawoprotein na cytochro-my c;
- przy przeniesieniu elektronów z oksydazy cytochromowej (cytochromu a+a3) natleń.
Na tym ostatnim etapie jest największa różnica potencjałów i wyzwala się największa ilo�ć energii.
Wiele hipotez uważa błonę mitochondrialnš za ważny czynnik sprzężenia energetycznego. Należy do nich hipoteza chemiosmotyczna Mitchella, wykluczajšca udział po�redników. Hipoteza ta jest obecnie uznawana za najbardziej zgodnš z różnymi danymi do�wiadczalnymi i najlepiej tłumaczšcš wiele zagadnień dotyczšcych fosforylacji tlenowej. Istotnš rolę według tej hipotezy spełnia rozdział ładunków elektrycznych po obydwu stronach błony mitochondrium. Szczególne znaczenie ma różnica stężeń protonów w poprzek błony oraz ich wymiana przez błonę (rys. 1). Wymiana ta odbywa się za po�rednictwem mechanizmu okre�lonego jako "pompa protonowa" (rys.2).
Według hipotezy chemiosmotycznej łańcuch oddechowy jest wewnštrz błony mitochondrium zwinięty w 3 pętle odpowiadajšce 3 miejscom syntezy ATP (które zakłada hipoteza chemiczna). 2 elektrony transportowane przez łańcuch oddechowy
 

20. Oddychanie komórkowe jest złożonym procesem pozyskiwania energii przez komórkę na drodze rozkładu złożonych związków organicznych do prostych substancji chemicznych, głównie nieorganicznych. Jest to więc proces kataboliczny. Głównym i podstawowym substratem tego procesu jest glukoza, z której atomy wodoru transportowane są poprzez szereg złożonych procesów i cykli metabolicznych (glikoliza, tworzenie acetylo-CoA, cykl Krebsa, łańcuch oddechowy) aby ostatecznie wewnątrz mitochondrium dotrzeć do atomów tlenu (tlenu wdychanego) i utlenić się do wody. Glukoza tracąc atomy wodoru utlenia się, czyli spala (stąd mowa o „spalaniu glukozy”) do dwutlenku węgla, który w znacznej mierze wydychany jest w procesie oddychania. Wobec tego wszystkie procesy chemiczne składające się na poszczególne etapy oddychania komórkowego są reakcjami oksydo-redukcyjnymi, które skrótowo można opisać sumarycznym równaniem utleniania glukozy:

Utlenianie, czyli spalanie jest procesem egzoenergetycznym, czyli w trakcie spalania wydziela się energia (znamy dobrze tę zasadę, iż ogień parzy, spala, ogrzewa, rozświetla otoczenie, czyli emanuję dużą ilość energii na wiele sposobów). Oczywiście zasadę tę można w sposób częściowo kontrolowany i oszczędny wykorzystywać (ogrzewanie pomieszczeń, gotowanie, oświetlanie żarówkami itp. ) Mimo wszystko spalanie w formie ognia jest bardzo nieoszczędne i niebezpieczne. Nie dość, że energia nie jest przeznaczana wyłącznie do tego celu jaki zamierzamy (żarówka nie tylko świeci ale i grzeje, płomień palnika ogrzewa nie tylko wodę w garnku, ale i powietrze dookoła i jeszcze dodatkowo świeci) to jeszcze może być uwalniana niebezpiecznie szybko (w ognisku drewno płonie bardzo szybko a energia prawie w 100% uwalnia się do otoczenia.

Tego typu utlenianie jest dla organizmy zbyt rozrzutne i niebezpieczne. Dlatego oddychanie komórkowe rozdzielone jest na kilka etapów, gdzie każdy etap przebiega w innym miejscu w komórce i składa się z szeregu procesów biochemicznych. Efekt energetyczny każdego jednego procesu jest wyważony i skrupulatnie magazynowany w wiązaniach chemicznych ATP.

Rysunek:

Spalanie płomieniem a oddychanie komórkowe; efekt energetyczny tych dwóch procesów może być jednakowy, przy czym pierwszy jest gwałtowny, nieekonomiczny i niebezpieczny w przeciwieństwie do pozyskiwania energii w sposób krokowy-etapowy przez komórkę.

Oddychanie komórkowe składa się z 4 etapów:

1. glikoliza,

2. powstawanie acetylo-CoA,

3. cykl Krebsa,

4. łańcuch oddechowy.

Energia w komórce pozyskiwana jest przede wszystkim z cukrów. Może jednak zdarzyć się sytuacja, kiedy brakuje węglowodanów, wtedy spalana zaczyna być tkanka tłuszczowa, czyli tłuszcze. W ostateczności i w przypadku kryzysu procesowi spalania mogą również być poddane białka. Niezależnie jednak od typu substratu wszystkie procesy od momentu powstania acetylo-CoA aż do końca przebiegają zawsze jednakowo. Jedynie pierwszy etap jest równoległy dla trzech typów związków organicznych:

glikoliza - dla cukrów

β-oksydacja - dla kwasów tłuszczowych

deaminacja - aminokwasy

Rysunek:

Schemat przedstawia trzy równoległe szlaki pierwszego etapu oddychania komórkowego - rozkładu złożonych związków organicznych do pirogronianu i acetylo-koenzymu A.

Oddychanie kojarzy się nam nierozerwalnie z tlenem - słusznie, jednak należy pamiętać, iż tlen służy jedynie jako odbiorca elektronów i redukowany jest na końcu łańcucha oddechowego do cząsteczek wody. W takim razie z chemicznego punktu widzenia tlen może być zastępowany podobnymi pierwiastkami mającymi właściwości utleniające jak np. siarka. Rzeczywiście w przyrodzie spotyka się organizmy, które nauczyły się wykorzystywać te pierwiastki zamiast tlenu (np. bakterie siarkowe). Taki proces metaboliczny nazywa się oddychaniem beztlenowym. Innymi przykładami oddychania beztlenowego jest fermentacja alkoholowa (drożdże), czy fermentacja mleczanowa (bakterie fermentacji mlekowej, mięśnie przy niedoborze tlenowym (dług tlenowy)). Jednak szlaki oddychania beztlenowego są znacznie mniej wydajne niż oddychania z udziałem tlenu.

Bilans energetyczny oddychania komórkowego przedstawia się następująco:

20 i 21. Ubichinon (zwany również koenzymem Q) to pod względem chemicznym pochodna parachinonu, występująca w komórkach roślinnych i zwierzęcych w mitochondriach. Jest odpowiedzialny za przenoszenie elektronów w łańcuchu oddechowym. Po przyłączeniu elektronów swobodnie porusza się w wewnętrznej błonie mitochondrialnej umożliwiając transport elektronów między kompleksami białek łańcucha oddechowego, które wbudowane są w wewnętrzną błonę mitochondrialną.

UBICHINON (koenzym Q).

Jest on syntetyzowany w komórkach z tyrozyny. Ubichinon stanowi ostatnie ogniwo łańcucha oddechowego, do którego dochodzš atomy wodoru. Dalej przenoszone sš już tylko elektrony. Budowa koenzymu Q jest zbliżona do witamin E i K, przez co może pełnić rolę antyoksydanta budzšcego nadzieję w leczeniu chorób wieku starczego. W łańcuchu oddechowym występuje on w ilo�ci proporcjonalnie większej od innych składników. Ubichinon jest ruchomym elementem łańcucha, zbierajšcym równoważniki redukujšce z flawoprotein i przekazujšcym je cytochromom.
CoQ jest także miejscem ich powstawania zgodnie ze schematem reakcji:

22. Cytochromy b i c

Teoria Mitchella- Pozyskana i zmagazynowana w formie siły protonomotorycznej energia jest więc przekształcana w postać chemiczną wiązań w cząsteczkach ATP. Te zaś syntetyzowane są z molekuł ADP i fosforanów (oznaczanych powszechnie symbolem Pi) przez białka - syntazy ATP zlokalizowane również w wewnętrznej błonie mitochondrialnej. „Siłą” napędową tej syntezy jest właśnie siła protonomotoryczna. W wielkim uproszczeniu dzieje się to tak. Protony płyną (teraz już samoistnie) w dół gradientu potencjału i stężenia poprzez kanały podjednostki strukturalnej syntazy ATP zwanej F₀ przenikającej na wskroś dwuwarstwę lipidową. Po drugiej stronie błony gros ich energii jest wykorzystane do zmian konformacyjnych podjednostki syntazy oznaczonej F₁. Białko F₁ wyłapuje ze środowiska cząsteczki ADP i Pi, a zmiany konformacji powodują takie ich zbliżenie, że możliwe jest utworzenie nowej cząsteczki ATP, która następnie jest uwalniana do środowiska. Mamy tu pełną analogię do obwodu elektrycznego: pompy protonowe (baterie, prądnice) przepychają ładunki w górę różnicy potencjału, a te już samoistnie płyną przez syntazy ATP (obwód zewnętrzny z opornikami i silnikami) wykonując pracę tworzenia cząsteczek ATP. Dlatego mówi się często o obwodzie protonowym i używa do opisu zjawisk przekształcania energii terminologii rodem z elektrotechniki. Cały proces utleniania substratów pokarmowych i tworzenia cząsteczek ATP zwiemy fosforylacją oksydacyjną. Jeżeli w środowisku (dla mitochondriów środowiskiem jest wnętrze komórki) nie brakuje substratów i tlenu to proces ten może zachodzić bardzo intensywnie. Określa się go jako stan 3 oddechowy. Jeżeli zabraknie substratów np. ADP to ulega on zahamowaniu - mitochondrium przechodzi w tzw. 4 stan oddechowy. Opisane w wielkim skrócie sprzężenie transportu elektronów (oddychania) i syntezy ATP nosi nazwę mechanizmu chemiosmotycznego. W tym pobieżnym opisie wygląda bardzo prosto, wręcz banalnie, ale to za opracowanie i błyskotliwe uzasadnienie eksperymentalne tej teorii przyznano Peterowi Mitchellowi nagrodę Nobla.
Już nawet z tak uproszczonego opisu można wyciągnąć kilka wniosków:

Aby to wszystko dobrze działało, w obwodzie nie może być zwarcia, czyli protony nie mogą łatwo przenikać przez wewnętrzną błonę mitochondrialną do matriks, z pominięciem ATPaz (przewodność protonowa błony musi być mała). Inaczej, wewnętrzna błona mitochondrialna musi być słabo przenikliwa dla jonów - szczególnie H⁺.

Czynniki podwyższające przewodność protonową błony będą rozdzielać procesy syntezy ATP i transportu elektronów przez łańcuch oddechowy: będzie zachodziło oddychanie bez tworzenia nowych cząsteczek ATP. Fachowo zwiemy to rozprzęganiem fosforylacji oksydacyjnej. Znamy też szereg związków chemicznych - rozsprzęgaczy, które - dodane w niewielkich ilościach do zawiesiny mitochondriów - działają w taki właśnie sposób.

Kinetykę procesów przekształcania energii można badać mierząc zużycie tlenu w zawiesinie mitochondriów (tlenu, który jest końcowym akceptorem elektronów w procesie oddychania, ubywa w próbce). Standardowo robi się to za pomocą elektrody tlenowej Clarka, ale stosuje się też metody spektroskopowe (fluorymetria - coraz częściej, NMR, ESR). Dodatkowych, cennych informacji może udzielić pomiar siły protonomotorycznej.

23. a huj Ci wie- Homer spisz z książki ładnie (to Twoje zadanko domowe)

24. Choroby mitochondrialne

Choroby mitochondrialne dzielimy na: - wywołane defektami w jadrowym DNA, kodujacym białka strukturalne

mitochondriów lub białka zwiazane z regulacja ich funkcji

- wywołane defektami w mt DNA

- wywołane defektami w komunikowaniu sie obu genomów

1.Pojedyncze delecje mtDNA:

Zespół Kearnsa-Sayre'a (KSS)

Objawy choroby:

-postepujaca oftalmoplegia zewnetrzna

-zwyrodnienie barwnikowe siatkówki

-poczatek choroby przed 20 rokiem _ycia

-czesto blok serca

-objawy mó_d_kowe

-podwy_szenie poziomu białka w płynie mózgowo-rdzeniowym

-nie stwierdza sie osłabienia konczyn

-choroba wystepuje sporadycznie

Przewlekła postepujaca oftalmoplegia zewnetrzna - mo_e wystepowac jako

samodzielny zespół chorobowy, mo_e jej towarzyszyc:

-osłabienie miesni konczyn

-zaburzenia połykania

-zaburzenia mowy

Zespół Pearson (szpikowo-trzustkowy)

Obraz kliniczny:

-cie_ka niedokrwistosc makrocytowa w pierwszych tygodniach _ycia(% retikulocytów

niski)

-podwy_szony poziom hemoglobiny F

-neurotropenia i trombocytopenia (zmienne)

-obni_enie odpornosci-czeste infekcje np. E.coli

-ró_ny stopien dysfunkcji trzustki (stolce tłuszczowe i zespół złego wchłanianiabiegunki)

-cukrzyca

-kwasica cewkowa (wielomocz, białkomocz, cukromocz, fosfaturia, aminoaciduria)

hypokaliemia i hypofosfatemia

-obni_enie napiecia miesniowego-KT-zanik mózgu

-dysfunkcja watroby-podwy_szony poziom transaminaz i dehydrogenazy

mleczanowej, hypoprotrombinemia oporna na witamine K

-niskorosłosc

2.Mutacje punktowe

MERRF padaczka miokloniczna z włóknami „poszarpanymi” („szmatowatymi”)

(myoclonic epilepsy and ragged-red fiber disease)

Mutacja mitochondrialna genów tRNA dla lizyny. Punktowa mutacja nukleotydu 8344

G-A w 80-90% MERRF

Deficyt aktywnosci oksydazy cytochromu. W MERRF reguła jest

heteroplazmatycznosc co tłumaczy olbrzymie ró_nice w ilosci zmutowanego DNA u

krewnych i ró_nice w cie_kosci objawów (przebieg choroby zale_ny od %

zmutowanego DNA oraz od wieku osób chorych).Opublikowana po raz pierwszy w

1973 roku.Dowody o matczynym dziedziczeniu w 1998 roku.

Pierwsze objawy w wieku pózno dzieciecym lub u osób dorosłych

MERRF objawy kliniczne:

-padaczka miokloniczna współistniejaca od poczatku z ataksja (moga wystapic

drgawki akinetyczne lub du_e napady)

-miopatia mitochondrialna z obecnoscia tzw. „włókien poszarpanych”

(„szmatowatych”) w bioptatach miesni

-wolno postepujace otepienie

Ze wzgledu na znaczna zmiennosc fenotypowa mo_e wystapic tak_e:

-Niskorosłosc

-Mowa skandowana

-Pora_enie spastyczne

-Zanik nerwu wzrokowego

-Utrata słuchu

-Mnogie tłuszczaki na szyi i tułowiu

-Podwy_szony poziom kwasu mlekowego

MELAS

-Mutacje punktowe w mitochondrialnym DNA dotyczace genów tRNA-zmiana

adeniny w guanine w 3243 pozycji (w 80% przypadków)

-moga te_ byc inne mutacjeBiopsja miesni wskazuje na obecnosc włókien czerwonych „poszarpanych”, ze

skupieniami błoniastej substancji pod błona komórkowa

Zespół MELAS (miopatia mitochondrialna, encefalopatia, kwasica mleczanowa,

wystepowanie incydentów podobnych do udarów)

Pierwsze objawy wystepuja w wieku dzieciecym lub wczesno młodzienczym

Objawy kliniczne:

-zahamowanie wzrostu

-nagłe wymioty

-napady drgawkowe

-incydenty mózgowe (zaburzenia funkcji miesni gładkich naczyn) powodujace:

niedowłady połowicze, niedowidzenie połowicze a nawet objawy slepoty korowej,

otepienie, ubytki słuchu

-cukrzyca

-kardiomiopatia

LHON (Leber's Hereditary Optic Neuropathy). U 50-74% rodzin z LHON stwierdzono

mutacje punktowa mtDNA dotyczaca nukleotydu 11778, zmiana G-A w efekcie

zmiana argininy na histydyne w podjednostce ND4 dehydrogenazy NADH.

Znaczna przewaga chorych me_czyzn, u 50% me_czyzn z mutacja mtDNA i tylko u

20% kobiet z mutacja, wystepuja objawy chorobowe (obni_ona penetracja i

opózniona manifestacja objawów u kobiet).

Podatnosc na rozwój zaniku nerwów wzrokowych uwarunkowana interakcja

mitochondrialno-jadrowa.

NARP

(neurodegeneration, ataxia and retinitis pigmentowa) najczestsza mutacja w

nukleotydzie 8993 genomu mitochondrialnego lub zmiana T-G w 8993, co prowadzi

do zmiany leucyny na arginine w podjednostce 6 mitochondrialnej ATP-azy a w

konsekwencji do zaburzen syntezy ATP (tzw. mutacja NARP).

Cechy kliniczne NARP:

-ró_norodna kombinacja objawów

-retinitis pigmentosa

-wiotkosc miesni proksymalnych neurogenna

-ataksja

-opóznienie rozwoju-drgawki

-otepienie

-ostre zagra_ajace _yciu epizody zwiazane z kwasica mleczanowa

-Analiza rodowodu

-Biopsja miesnia i analiza bioptatu pod katem zawartosci enzymów

mitochondrialnych (odpowiednie techniki barwienia) i obecnosci czerwonych

poszarpanych włókien (metoda histochemiczna)

10

---