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