MITOHONDRIJI, KOT JIH NE POZNAMO

1. MITOHONDRIJI, KOT JIH NE POZNAMO Mojca Bohar

2. Klasični mitohondriji potrebujejo za delovanje kisik! Uporabljajo piruvat dehidrogenazo (PDH) za oksidativno dekarboksilacijo piruvata do acetil-CoA, ki se potem dokončno oksidira do CO2 v Krebsovem ciklu. Večina energije nastane z oksidativno fosforilacijo: elektroni iz NADH se prenesejo na kisik s protonsko črpalko elektronske transportne verige, tok protonov nazaj pa se kaže v tvorbi ATP s pomočjo mitohondrijalne ATP sintaze (slika 1). * Pomanjkanje kisika v klasičnih mitohondrijih se kaže, kot ustavitev sinteze ATP in pogosto kot celična smrt.

3. Slika 1:Prikaz metabolizma aerobnih in anaeronih mitohondrijev; rdeče puščice prikazujejo aerobni metabolizem, modre anaerobni metabolizem; črtkane puščice prikazujejo transport elektronov; končni produkti so v okvirčkih

4. številni evkarionti, ki so manj občutljivi na odsotnost kisika (nekatere glive, zlate ribice) - lahko preživijo s pomočjo enostavne fermentacije, pri kateri se elektroni iz glikolize prenesejo na piruvat, kot končni produkt pa nastaneta laktat ali etanol • evkarionti, ki živijo v pogojih, ki so revni s kisikom ali celo brez kisika (celo svoje življenje ali del življenjskega cikla): npr. morski in sladkovodni sedimenti, prebavni trakt živali (nekateri od teh evkariontov so parazitski črvi) • Mitohondriji anaerobnih evkariontov sintetizirajo ATP s pomočjo protonske črpalke elektronskega transporta, za kar pa ne potrebujejo O2. Namesto kisika, uporabljajo kot terminalne elektronske akceptorje druge, tako da ni končni produkt elektronskega transporta H2O, ampak so nitrit (NO2-), dušikov oksid (NO), sukcinat in drugi.

5. Podobno ko anaerobni mitohondriji, pa obstajajo še drugi organeli za anaerobno sintezo ATP: primer so hidrogenosomi, ki so evolucijsko sorodni mitohondrijem * evkarionti z anaerobnimi mitohondriji: enocelični (protisti) in večcelični organizmi, vključno ploščati črvi, parazitski nematodi in nevretenčarji kot so školjke in polži * anaerobne mitohondrije najdemo tudi pri nekaterih algah, kot je Euglena, ne najdemo pa jih v zemeljskih rastlinah. Organizme z anaerobnimi mitohondriji delimo v dve skupini, glede na elektronski akceptor, ki ga uporabljajo: 1. snov prisotna v okolju, kot je NO3- (nitrat),npr.: nekateri protisti in nitratni respiratorji pri ciliatih. Najbolj študirani primeri te skupine so mitohondriji denitrifikacijskih gliv Fusarium oxysporum in Cylindrocarpon tonkinense, ki uporabljajo nitrat (NO3-) ali nitrit (NO2-) kot terminalni akceptor elektronov membranske elektronske transportne verige in producirajo dušikove okside kot reducirane končne produkte 2. endogeno nastali organski produkt, kot je fumarat: npr.:anaerobni mitohondriji parazitskih helmintov, med katere spadata Fasciola hepatica in Ascaris suum

6. Primer 2.skupine anaerobnih mitohondrijev (endogeno nastali organski produkt) : Prosto živeči in nekateri stadiji ličink vsebujejo mitohondrije, ki uporabljajo kisik, odrasle oblike večine parazitskih helmintov pa so sposobne preživeti pri anaerobnih pogojih. • Uporabljajo posebno elektronsko transportno verigo in reducirajo endogeno nastali fumarat. • Glikoliza se v citosolu nadaljuje v fosfoenolpiruvat → oksalacetat → malat (ki se prenese v mitohondrij za nadaljnjo razgradnjo) • Del malata se oksidira(a), del pa reducira (b): • a) oksidacijamalata → piruvat → acetil-CoA ; del CoA se prenese iz acetil-CoA do sukcinata→ acetat in sukcinil-CoA. Pri regeneraciji CoASH nastane ATP • b) redukcijamalata → fumarat → sukcinat → propionat • Anaerobna razgradnja glukoze do acetata in propionata da približno 5 molov ATP-ja na mol razgrajene glukoze.

7. Anaerobni mitohondriji se razlikujejo od tipičnih aerobnih mitohondrijev v 3 razlikah: 1. encimi katalizirajo pretvorbo fumarata v sukcinat, 2. kinon, ki poveže elektronski prenos na encimski kompleks v elektronski transportni verigi in 3. prisotnost ASCT encima, ki je drugače tipičen v hidrogenosomu (pretvori acetil-CoA v acetat).

8. Slika 2: Dihalna veriga: pink škatle predstavljajo komplekse vstopa elektronov iz organskih substratov, rumena iz anorganskih substratov; rdeče škatle predstavljajo komplekse, katerih končni elektronski akceptor je kisik, modre škatle pa predstavljajo anaerobne elektronske transporte; elipse predstavlja elektronske transporterje

9. Pri aerobnih pogojih je reducirajoči ekvivalent obeh mitohondrialnega kompleksa I (NADH dehidrogenaze) in kompleksa II (sukcinat dehidrogenazni kompleks) prenesen na ubikinon. Redoks potencial ubikinona je previsok za učinkovit prenos elektronov na fumarat (slika 2). • Pri prokariontih je ta problem rešen z uporabo različnih kinonov z nižjimi redoks potenciali, namreč z menakinonom in demetilmenakinonom, ki pa ju ni pri evkariontih. • Rhodokinon(RQ), podobno kot menakinon, ima nižji redoks potencial kot pa ubikinon in zato lahko deluje kot donor elektronov fumaratu (slika 2). RQ je nujen za elektronsko transportno verigo, ki je povezana z fumaratno redukcijo pri evkariontih (morska školjka Mytilus edulis, ostriga Crassostrea angulata, morski črv Arenicola marina in sladkovodni polž Lymnea stagnalis, tudi enocelični evkariont (Euglena gracilis)

10. V aerobnem energijskem metabolizmu elektroni prihajajo iz sukcinata v Krebsovem ciklu in se prenesejo na ubikinon skozi kompleks II (sukcinat dehidrogenazo) respiratorne verige (slika 1). Pri anaerobnih energijskih metabolizmih pa fumarat služi kot terminalni elektronski akceptor in se elektroni prenesejo v obratni smeri, od kinona do fumarata (slika 1). • Sukcinatna oksidacija in fumaratna redukcija potekata z različnimi encimi v in vivo pogojih. Pri Escherichia coli prehod med aerobnim in anaerobnim metabolizmom spremljajo različna izražanja dveh različnih encimov za te reakcije. Sukcinatna dehidrogenaza (SDH, kompleks II) se izrazi za sukcinatno oksidacijo pri aerobnih pogojih, medtem ko se FRD izrazi za fumaratno redukcijo pri anaerobnih pogojih. Različno izražanje dveh različnih stanje-specifičnih oblik SDH/FDR med razvojem se pojavi tud pri parazitskih helmintih Heamonchus contortus in A.Suum. • Oksidacija in redukcija potekata učinkovito le ko se elektroni prenesejo na akceptor z višjim standardnim redoks potencialom. FRD kompleks reagira s kinoni, ki imajo nižji redoks potencial, SDH kompleks pa v glavnem reagira s kinoni, ki imajo višji redoks potencial (slika 2). FRD in SDH kompleksa sta si strukturno zelo podobna.

11. Nenavadni mitohondriji: • fakultativno anaerobni mitohondriji Euglena gracilis • mitohondrij pri Trypanosoma brucei, ko je v insektu • vodni nevretenčarji (školjke Geukensia demissa in morski črv A.marina) , ki živijo v okoljih z malo kisika, v sedimentih bogatih s sulfidi (donor elektronov so anorganske snovi)

12. EVOLUCIJSKI IZVOR ANAEROBNIH MITOHONDRIJEV • Dve razlagi sta na voljo glede izvora anaerobnih mitohondrijev in hidrogenosomov: 1.) dedovanje (geni za encime, specifične za anaerobne mitohondrije (in hidrogenosome) izhajajo iz enakih endosimbiontov kot naj bi izhajali mitohondriji) 2.) lateralna pridobitev (geni za anaerobno sintezo ATP pri evkariontih so rezultat lateralnih prenosov genov iz prokariontskih donorjev) Oba pogleda vključujeta možnost evolucijske modifikacije dednih ali pridobljenih genov.