The Plant Cell / Mitokondriot

1. The Plant Cell / Mitokondriot Solubiologian luennot 2003, kasvitiede

2. Kasvien mitokondriot ovat noin 1m pitkiä ja 1-3 m paksuja • Mitokondrioita on lähes jokaisessa eukaryoottisolussa. • Näissä organelleissa on hengitykseen liittyvä koneisto (energia vapautetaan pieninä annoksina, jolloin solu ei vahingoitu), jossa TCA-syklin ja elektronisiirtoketjun avulla tuotetaan ATP:tä. Mitokondrioissa on myös muita yhdisteitä, kuten orgaanisia happoja ja aminohappoja, joita tarvitaan muualla solun synteettisissä reaktioissa. • Mitokondrioiden rakenne on samanlainen sekä eläimissä että kasveissa. • Todennäköisesti liikkuvat solulimassa sytoskeletonin toimintaan liittyneenä • Määrä vaihtelee esim. maissin juuren hunnun nuorissa soluissa on 200 mitokondriota ja myöhemmin 2000-3000 (joskin mitokondrioiden määrä / soluliman tilavuus ei todennäköisesti juurikaan muutu.

3. Mitokondrio / kloroplasti Kloroplastit ovat suurempia ja sisältävät tylakoidikalvoston. Mitokondrioilla taas sisäkalvo on poimuttunut (kristat).

4. Mitokondrio Mitokondrioissa on sisäkalvo ja ulkokalvo. Sisäkalvo on poimuttunut muodostaen ns. kristoja mitokondrion sisäosaan eli matriksiin. Kalvojen väliin jää ns. kalvojen välitila (intermembrane space). Sisäkalvossa (ja kristoissa) on 80-95% kaikista kalvoproteiineista ja yli 90 % totaali lipideistä (mm. elektronin siirtoketjun ja ATP-syntaasin multiproteiini-kompleksit). Matriksissa on liukoisia entsyymejä, mtDNA ja ribosomeja.

5. Kalvokuljetus • Ulkokalvo on hyvin läpäisevä pienille molekyyleille toisin kuin sisäkalvo. Pieneten molekyylien kuljetuksessa ulkokalvon läpi auttavat mitokondriaaliset poriinit, jotka ovat proteiinikomplekseja. Jokainen näistä komplekseista muodostaa kanavan, jonka läpi ionit ja molekyylit pääsevät vapaasti liikkumaan. • Sisäkalvossa taas on useita kantajatyyppisiä proteiineja (fosfaattikantajat, ATP/ADP translokaattori, -ketoglutaraatti-translokaattori) • Proteiinit, joita kuljetetaan mitokondrion matriksiin täytyy läpäistä ulkokalvo, kalvojen välinen tila ja sisäkalvo. Kohdissa, joissa ulko- ja sisäkalvo ovat lähellä toisiaan on useita ns. adheesiokohtia (5-10% ulkokalvon pinta-alasta, näissä kohdissa kalvot eivät ole kontaktissa toisiinsa vaan noin 4-6 nm erottaa niitä), joissa proteiinikuljetus tapahtuu.

6. Mitokondriot muistuttavat prokaryootteja useissa ominaisuuksissa • Endosymbionttiteoria. • Ovat osittain itsenäisiä (DNA ja prteiinisynteesi) Evoluution kuluessa osa mitokondrioiden geeneistä on siirtynyt tumaan. • Kuten prokaryooteilla, DNA on yhteydessä kalvoihin (nucleoids), mutta ei kalvon ympäröimä • Mitokondrioiden ribosomit muistuttavat prokaryoottien ribosomeja (molemmat pienempiä kuin soluliman ribosomit, sekvenssihomologiaa). • Mitokondriot lisääntyvät jakautumalla.

7. Kasvien mitokondrioiden genomit • Mitokondriot 200kb Oenothera ja Brassica  2600 kb Cucumis • Osittain tämä vaihtelu johtuu epätavallisesta ei-koodaavan DNAn keräytymisestä geenien väliin (vrt. eläimet). • Mitokondrioiden genomit kasveilla ovat vaihtelevan kokoisia. • Subgenomic circles - in vivo. Replikoituvatko itsenäisesti? • Master circles - in vivo?? • Useat lyhyet toistojaksot osallistuvat rekombinaatio-tapahtumiin, joiden tuloksen syntyy subgenomisia DNA renkaita. Nämä suorat ja kääntyneet jaksot suojaavat todennäköisesti toiminnallisia geenejä haitallisilta uudelleenjärjestelyiltä. • Poikkeuksia: Chlamydomonaksen lineaarinen mt-genomi ja Brassica hirtan ja Marchantian rengasgenomit ovat homogeenisia, ei fragmentoituneita.

8. MtDNA:n hypoteettinen rengasmalli Mitokondrioiden geenit osallistuvat pääasiassa: - oksidatiivinen respiraatio - ATP-synteesi -mt translaatio

9. Useat lyhyet DNAn kääntöjaksot osallistuvat homologiseen rekombinaatioon, jonka seurauksensa syntyy subgenomisia renkaita

10. Riisin mtDNA / ctDNA - geenejä siirtynyt plastidien ja tuman välillä (tufA) (ns. promiscuous DNA) - riisillä mtDNA sekvenssejä ei ole löytynyt ctDNAsta - siirto yksisuuntainen ? -kloroplasteilla tehokas mekanismi estää vieraan DNAn integraatio ?

11. Sekvennoidut tRNAt - apilanlehtimalli Pavun aloitus tRNA Kasvien plastidien genomit tuottavat riittävästi tRNAta plastideissa tapahtuvaa proteiinien translaatiota varten. Mitokondrioihin sen sijaan osa tRNA molekyyleistä joudutaan tuomaan.

13. The Plant Cell / Peroksisomit ja glyoksisomit Solubiologian luennot 2002, kasvitiede

14. Peroksisomit • Peroksisomeja kutsuttiin aluksi mikrobodeiksi (microbodies), mutta • kun organellit eristettiin 1965 ja havaittiin, että niissä sekä tuotetaan • että tuhotaan vetyperoksidia H2O2 niitä alettiin kutsua peroksisomeiksi. • Rakenteellisesti yksinkertaisia, monia toimintoja. • Granulaarista matriksia ympäröi yksinkertainen kalvo. • Vaihtelevan muotoisia (usein pyöreitä) ja kokoisia (läpimitta 0.2-1.7m). • Voi sisältää kiteisiä (katalaasi) rakenteita, mutta ei sisäisiä kalvoja. • Kaikki proteiinit ovat tuman geenien koodaamia. • Peroksisomeissa on lähes 50 entsyymiä (sekä eläimillä että kasveilla). • Kasveissa toiminta riippuu solukosta: • -Itävissä rasvaa varastoivissa siemenissä peroksisomit • osallistuvat lipidien mobilisaatioon • - C3-kasvien lehdissä niillä on merkittävä rooli foto- • respiraatiossa • - joissakin hernekasvien juurinystyröissä ne osallistuvat • typen muuttamiseen orgaanisiksi yhdisteiksi

15. Peroksisomit Tuottavat ja tuhoavat H2O2, joka on myrkyllinen yhdiste. Peroksisomeissa olevien oksidaasien (ovat flavoproteiineja: RH2 +O2  R + H2O2) tuottama H2O2 tuhotaan katalaasien avulla. Koska katalaasia on aina läsnä H2O2 tuhotaan välittömästi, joten se ei koskaan pääse solulimaan. 2 H2O2  O2 + 2H2O

16. Lehden peroksisomit osallistuvat yhdessä kloroplastien ja mitokondrioiden kanssa glykolaatti-reittiin (fotorespiraatio) • Rubiscon toimiessa oksygenaasina ribuloosi-1,5-bisfosfaatti pilkkoutuu 3-hiiliseksi 3-fosfoglyseraatiksi ja 2-hiiliatomiseksi 2-fosfoglykolaatiksi. Koska jälkimmäistä ei voida hyödyntää Calvinin syklissä ( = pelkistyneen hiilen menetys) niin yhdiste ohjataan ns. ”pelastusreitille” eli glykolaatti-reittiin.Reittiä kutsutaan fotorespiraatioksi, koska Rubiscon toimiminen oksygeenasina on valossa tapahtuvasta hapen sidonnasta ja hiilidioksidin vapautumisesta riippuvaista. • Glykolaatti-reittillä yhteistyö kloroplastien, lehden peroksisomien ja mitokondrioiden kanssa palauttaa 75% fosfoglykolaatiksi pelkistyneestä hiilestä takaisin Calvinin sykliin. • Lyhyesti: Kloroplasteista glykolaatti kuljetetaan kolmen kalvon läpi peroksisomiin, jossa se hapetetaan glyoksylaatiksi (+ 2 H2O2) > glysiini (mitokondrioon) > seriini (takaisin peroksisomiin) > hydroksipalorypälehappo >glyseraatti (kloroplastiin) ja edelleen • Calvinin sykliin.

17. Fotorespiraatio eli glykolaattireitti

18. Fotorespiraatio • RuBP(5C) + O2 > PGA (3C)+ fosfoglykolaatti(2C) • Jokaisesta glykolaattisyklin läpikäyneestä neljästä hiiliatomista kolme palautuu takaisin Calvinin sykliin = 75 % hiilestä. • Reitti auttaa kasveja myös välttämään foto-oksidatiivista stressiä tilanteissa, joissa valoa on paljon saatavilla, mutta veden saanti on rajoittunut.

19. Glyoksisomit ovat erikoistuneita peroksisomeja, jotka auttavat rasvahappojen hajotuksessa rasvaa-varastoivien siementen itäessä • Öljyä sisältävissä siemenissä (esim. auringonkukka) öljyt muutetaan rasvahapoiksi ja glyseroliksi itämisen aikana. Glyoksisomeissa rasvahapot pilkotaan -oksidaation avulla ja muutetaan edelleen meripihkahapoksi (succinate) reaktiosarjassa, jota kutsutaan glyoksylaatti reitiksi. Viimeiset vaiheet tapahtuvat solulimassa, jossa meripihkahappo muutetaan hiilihydraateiksi > kasvin kasvaviin osiin. • Joissakin siemenissä (esim. risiini) öljy varastoidaan endospermissä, joka ”menee kasaan” kun rasva on metaboloitu ja hiilihydraatit kuljetettu alkioon. Joillakin kasveilla (auringonkukka, vesimeloni) taas öljy varastoidaan sirkkalehdissä.

20. Glyoksylaattireitti Glyoksisomeissa rasvahapot pilkotaan -oksidaation avulla ja muutetaan edelleen meripihkahapoksi Itävä tomaatin siemen, sirkkalehti

21. Peroksisomit osallistuvat joissakin hernekasvien juurinystyröissä typen muuttamiseen (ureideiksi) orgaanisiksi yhdisteiksi • Ureidit ovat N-rikkaita yhdiseteitä, jotka ovat typen kuljetusmuotoja kasvien kasvaviin -/ varastosolukoihin. Sekä typen fiksaatio (otto) ja ureidien muodostuminen tapahtuvat juurinystyröissä. Typen fiksaatio tapahtuu vain alun perin Rhizobium-bakteerin infektoimissa soluissa. Loppuvaiheet / ureidien muodostuminentapahtuu infektoitumattomissa soluissa peroksisomeissa.

22. Peroksisomit syntyvät jakautumalla olemassa olevista peroksisomeista • Uusien vasta-muodostuneiden peroksisomien koko kasvaa kun niihin kuljetetaan lipidejä, kalvoproteiineja ja matriksiproteiineja solulimasta. Etenkin spesialisoituneet peroksisomit (C3 lehdissä ja ölyä varastoivissa siemenissä) kasvavat nopeasti (lukumäärä, tilavuus ja metabolinen aktiivisuus) = valtava metaboliittien liikenne peroksisomin kalvon läpi. Peroksisomeilla on aukkoja-muodostavia proteiineja kalvoissaan (metaboliitit > 800Da). Proteiinimolekyylit voidaan inkorporoida joko solukalvoon tai jos matriksiin niin silloin niiden rakenteessa täytyy olla kohdentava signaali (targeting signal).