Souhrn buněčné struktury, anatomické koreláty metabolických funkcí

Autor a kurátor: Bernstein, MD, FCAP

Tato kapitola se zabývala subcelulární ultrastrukturou organel, a co je důležité, jejich funkcí. Ve struktuře buňky není žádný odpad. Jádro má instrukce potřebné k vykonávání funkcí buňky. V eukaryotické buňce dochází k významné diferenciaci, takže buňky jsou regulovány pro potřeby, které jedinečně vykonávají. Když dojde k nerespektování, vede to k přestavbě nebo k buněčné smrti.

Tady si všimnu některých hlavních bodů této kapitoly.

1. V každém aspektu buněčné funkce jsou zapojeny bílkoviny zakotvené ve struktuře, pro co nejefektivnější fungování.
2. Metabolická regulace je závislá na drahách, které jsou také vazbami bílkovin.
3. Využití energie závisí na enzymatických reakcích, na nichž se často podílejí základní kovové ionty s vysokým valenčním číslem, což usnadňuje kovalentní a aniontovou vazbu a má zásadní úlohu v alostericitě.

Mitochondrie

Mitochondrie mají průměr od 0,5 do 1,0 mikrometru (μm). Tyto struktury jsou někdy označovány jako „buněčné elektrárny“, protože vytvářejí většinu buněčných zásob adenosintrifosfátu (ATP), který se používá jako zdroj chemické energie. Kromě dodávání buněčné energie se mitochondrie podílejí na dalších úkolech, jako je signalizace, buněčná diferenciace, buněčná smrt a také řízení buněčného cyklu a buněčného růstu. Mitochondrie se podílejí na několika lidských onemocněních, včetně mitochondriálních poruch a srdeční dysfunkce.

Počet mitochondrií v buňce se může značně lišit podle organismu, tkáně a typu buňky. Například červené krvinky nemají žádné mitochondrie, zatímco jaterní buňky jich mohou mít více než 2000. Organely se skládají z oddílů, které plní specializované funkce. Mezi tyto oddíly nebo oblasti patří vnější membrána, mezimembránový prostor, vnitřní membrána a krystaly a matrix. Mitochondriální proteiny se liší v závislosti na tkáni a druhu. Předpokládá se, že mitochondriální proteom je dynamicky regulován. Ačkoli většina DNA buňky je obsažena v buněčném jádře, mitochondrie má svůj vlastní nezávislý genom. Dále jeho DNA vykazuje značnou podobnost s genomy bakterií.

V roce 1913 spojil Otto Heinrich Warburg částice z extraktů jater morčete s dýcháním, které nazval „grana“. Warburg a Heinrich Otto Wieland, který rovněž postuloval podobný mechanismus částic, se neshodli na chemické povaze dýchání. Dýchací řetězec byl popsán až v roce 1925, kdy David Keilin objevil cytochromy. V roce 1939 experimenty s použitím mletých svalových buněk prokázaly, že jeden atom kyslíku může tvořit dvě molekuly adenosintrifosfátu, a v roce 1941 rozvinul Fritz Albert Lipmann koncept fosfátových vazeb jako formy energie v buněčném metabolismu. V následujících letech byl mechanismus buněčného dýchání dále rozpracován, i když jeho souvislost s mitochondriemi nebyla známa. Zavedení tkáňové frakcionace Albertem Claudem umožnilo izolovat mitochondrie od ostatních buněčných frakcí a provádět biochemickou analýzu pouze na nich. V roce 1946 dospěl k závěru, že cytochromoxidáza a další enzymy odpovědné za dýchací řetězec jsou izolovány do mitochondrií.

V roce 1952 se objevily první mikrofotografie s vysokým rozlišením, které nahradily barvení Janusovou zelení jako preferovaný způsob vizualizace mitochondrií. To vedlo k podrobnější analýze struktury mitochondrií, včetně potvrzení, že jsou obklopeny membránou. Ukázalo se také, že uvnitř mitochondrie je druhá membrána, která se skládá do hřebenů rozdělujících vnitřní komoru, a že velikost a tvar mitochondrií se v jednotlivých buňkách liší. V roce 1967 bylo zjištěno, že mitochondrie obsahují ribozomy. V roce 1968 byly vyvinuty metody mapování mitochondriálních genů, přičemž genetická a fyzická mapa kvasinkových mitochondrií byla dokončena v roce 1976.

Mitochondrie obsahuje vnější a vnitřní membránu složenou z fosfolipidových dvojvrstev a proteinů. Obě membrány mají odlišné vlastnosti. Vzhledem k tomuto dvoumembránovému uspořádání má mitochondrie pět různých částí. Jsou to:

1. vnější mitochondriální membrána,
2. mezimembránový prostor (prostor mezi vnější a vnitřní membránou),
3. vnitřní mitochondriální membrána,
4. prostor cristae (tvořený náběhy vnitřní membrány) a
5. matrix (prostor uvnitř vnitřní membrány).

Mitochondrie zbavené vnější membrány se nazývají mitoplasty.

Ultrastruktura mitochondrie (interaktivní schéma) Mitochondrie má dvojitou membránu; vnitřní obsahuje chemiosmotický aparát a má hluboké rýhy, které zvětšují její povrch. Ačkoli se běžně zobrazuje jako „oranžová klobása s kapkou uvnitř“ (jako je tomu zde), mitochondrie mohou mít mnoho tvarů a jejich mezimembránový prostor je poměrně tenký.

Mezimembránový prostor je prostor mezi vnější a vnitřní membránou. Je také známý jako perimitochondriální prostor. Protože vnější membrána je volně propustná pro malé molekuly, je koncentrace malých molekul, jako jsou ionty a cukry, v mezimembránovém prostoru stejná jako v cytosolu. Velké bílkoviny však musí mít specifickou signální sekvenci, aby mohly být transportovány přes vnější membránu, proto se složení bílkovin v tomto prostoru liší od složení bílkovin v cytosolu. Jedním z proteinů, který je takto lokalizován v mezimembránovém prostoru, je cytochrom c.

Vnitřní mitochondriální membrána obsahuje bílkoviny s pěti typy funkcí:

1. Ty, které provádějí redoxní reakce oxidativní fosforylace
2. ATP syntáza, která vytváří ATP v matrix
3. Specifické transportní bílkoviny, které regulují průchod metabolitů do matrix a z matrix
4. Stroj pro import bílkovin.
5. Bílkoviny pro fúzi a dělení mitochondrií

Obsahuje více než 151 různých polypeptidů a má velmi vysoký poměr bílkovin k fosfolipidům (více než 3:1 na hmotnost, což je přibližně 1 bílkovina na 15 fosfolipidů). Vnitřní membrána je domovem přibližně 1/5 všech bílkovin v mitochondrii. Kromě toho je vnitřní membrána bohatá na neobvyklý fosfolipid, kardiolipin. Tento fosfolipid byl původně objeven v roce 1942 v hovězím srdci a je obvykle charakteristický pro mitochondriální a bakteriální plazmatické membrány. Kardiolipin obsahuje čtyři mastné kyseliny místo dvou a může přispívat k nepropustnosti vnitřní membrány. Na rozdíl od vnější membrány neobsahuje vnitřní membrána poriny a je vysoce nepropustná pro všechny molekuly. Téměř všechny ionty a molekuly vyžadují speciální membránové přenašeče, aby mohly vstoupit do matrice nebo ji opustit. Proteiny jsou do matrix přenášeny prostřednictvím komplexu translokázy vnitřní membrány (TIM) nebo prostřednictvím Oxa1. Kromě toho existuje přes vnitřní membránu membránový potenciál, který vzniká působením enzymů elektronového transportního řetězce.

Vnitřní mitochondriální membrána je rozdělena do četných kryst, které zvětšují povrch vnitřní mitochondriální membrány a zvyšují její schopnost produkovat ATP. U typických jaterních mitochondrií je plocha vnitřní membrány přibližně pětkrát větší než plocha vnější membrány. Tento poměr je proměnlivý a mitochondrie z buněk, které mají větší nároky na ATP, jako jsou svalové buňky, obsahují ještě více krist. Tyto záhyby jsou posety malými kulatými tělísky známými jako částice F1 nebo oxysomy. Nejedná se o prosté náhodné záhyby, ale spíše o invaginace vnitřní membrány, které mohou ovlivnit celkovou chemiosmotickou funkci. Jedna nedávná studie matematického modelování naznačuje, že optické vlastnosti cristae ve vláknitých mitochondriích mohou ovlivňovat generování a šíření světla v tkáni.

Matrix je prostor uzavřený vnitřní membránou. Obsahuje přibližně 2/3 všech bílkovin v mitochondrii. Matrix je důležitá v thMAM je obohacena o enzymy zapojené do biosyntézy lipidů, jako je fosfatidylserin syntáza na straně ER a fosfatidylserin dekarboxyláza na straně mitochondrie. Protože mitochondrie jsou dynamické organely, které neustále procházejí fúzními procesy, vyžadují stálý a dobře regulovaný přísun fosfolipidů pro zajištění integrity membrány. Mitochondrie však nejsou pouze místem určení fosfolipidů, jejichž syntézu dokončují, ale tato organela hraje také roli v meziorgánovém přenosu meziproduktů a produktů fosfolipidových biosyntetických drah, metabolismu ceramidů a cholesterolu a glykosfingolipidové anabolizované produkci ATP pomocí ATP syntázy obsažené ve vnitřní membráně. Matrice obsahuje vysoce koncentrovanou směs stovek enzymů, speciální mitochondriální ribozomy, tRNA a několik kopií genomu mitochondriální DNA. Z enzymů patří mezi hlavní funkce oxidace pyruvátu a mastných kyselin a cyklus kyseliny citronové.

Purifikovaná MAM ze subcelulární frakcionace ukázala, že je kromě kanálů spojených se signalizací Ca2+ obohacena o enzymy zapojené do výměny fosfolipidů. Mitochondriální membrána spojená s ER (MAM) je dalším strukturním prvkem, který je stále více uznáván pro svou kritickou roli v buněčné fyziologii a homeostáze. Údajné kontaminanty vezikul ER, které se vždy objevovaly v mitochondriální frakci, byly kdysi považovány za technický zádrhel v technikách frakcionace buněk a byly znovu identifikovány jako membránové struktury pocházející z MAM – rozhraní mezi mitochondriemi a ER. Fyzikální spojení mezi těmito dvěma organelami bylo již dříve pozorováno na elektronových mikrofotografiích a nedávno bylo zkoumáno pomocí fluorescenční mikroskopie. Tyto studie odhadují, že na MAM, která může tvořit až 20 % vnější mitochondriální membrány, jsou ER a mitochondrie odděleny pouhými 10-25 nm a drží je pohromadě proteinové tetheringové komplexy.

Tato schopnost přenosu závisí na MAM, která, jak bylo prokázáno, usnadňuje přenos lipidových meziproduktů mezi organelami. Na rozdíl od standardního vezikulárního mechanismu přenosu lipidů existují důkazy, že fyzická blízkost ER a mitochondriální membrány v MAM umožňuje převracení lipidů mezi protilehlými dvojvrstvami. Navzdory tomuto neobvyklému a zdánlivě energeticky nevýhodnému mechanismu takový přenos nevyžaduje ATP. Místo toho se u kvasinek ukázalo, že je závislý na multiproteinové poutací struktuře označované jako ER-mitochondria encounter structure neboli ERMES, ačkoli zůstává nejasné, zda tato struktura přímo zprostředkovává přenos lipidů, nebo je nutná k udržení membrán v dostatečné blízkosti, aby se snížila energetická bariéra pro překlápění lipidů.

Kritická role ER v signalizaci vápníku byla uznána dříve, než byla taková role mitochondrií všeobecně přijata, částečně proto, že nízká afinita Ca2+ kanálů lokalizovaných na vnější mitochondriální membráně se zdála být v rozporu s údajnou citlivostí této organely na změny intracelulárního toku Ca2+. Přítomnost MAM však tento zdánlivý rozpor řeší: těsné fyzické spojení mezi oběma organelami vede ke vzniku Ca2+ mikrodomén v místech kontaktu, které usnadňují účinný přenos Ca2+ z ER do mitochondrií. K přenosu dochází v reakci na takzvané „Ca2+ puffy“ generované spontánním shlukováním a aktivací IP3R, kanonického Ca2+ kanálu na membráně ER.

Vlastnosti Ca2+ pumpy SERCA a kanálu IP3R přítomného na membráně ER usnadňují zpětnovazební regulaci koordinovanou funkcí MAM. Zejména clearance Ca2+ pomocí MAM umožňuje časoprostorové uspořádání signalizace Ca2+, protože Ca2+ mění aktivitu IP3R dvoufázově. SERCA je podobně ovlivněna mitochondriální zpětnou vazbou: vychytávání Ca2+ MAM stimuluje produkci ATP, čímž poskytuje energii, která umožňuje SERCA znovu nabít ER Ca2+ pro pokračující odtok Ca2+ v MAM. MAM tedy není pasivní nárazník pro výdej Ca2+; spíše pomáhá modulovat další signalizaci Ca2+ prostřednictvím zpětnovazebních smyček, které ovlivňují dynamiku ER.

Regulace uvolňování Ca2+ z ER na MAM je obzvláště důležitá, protože pouze určité okno vychytávání Ca2+ udržuje mitochondrie, a tedy i buňku, v homeostáze. Dostatečná intraorgánová signalizace Ca2+ je nutná ke stimulaci metabolismu aktivací enzymů dehydrogenázy, které jsou kritické pro tok v cyklu kyseliny citronové. Jakmile však signalizace Ca2+ v mitochondriích překročí určitý práh, stimuluje vnitřní cestu apoptózy částečně zhroucením mitochondriálního membránového potenciálu potřebného pro metabolismus. Studie zkoumající úlohu pro- a anti-apoptotických faktorů tento model podporují; například bylo prokázáno, že anti-apoptotický faktor Bcl-2 interaguje s IP3R a snižuje plnění ER Ca2+, což vede ke snížení odtoku v MAM a zabraňuje kolapsu mitochondriálního membránového potenciálu po apoptotických podnětech. Vzhledem k potřebě takto jemné regulace signalizace Ca2+ asi nepřekvapí, že dysregulace mitochondriálního Ca2+ se podílí na několika neurodegenerativních onemocněních, zatímco katalog nádorových supresorů obsahuje několik látek obohacených na MAM.

…více

Lysozom a apoptóza

Úloha autofagie v rakovině

R Mathew, V Karantza-Wadsworth & E White

Nature Reviews Cancer 7, 961-967 (prosinec 2007) | http://dx.doi.org:/10.1038/nrc2254

Autofagie je buněčná degradační cesta pro odstraňování poškozených nebo nadbytečných proteinů a organel. Recyklace těchto intracelulárních složek slouží také jako alternativní zdroj energie během období metabolického stresu k udržení homeostázy a životaschopnosti. U nádorových buněk s poruchami apoptózy umožňuje autofagie prodloužené přežití. Defekty autofagie jsou paradoxně spojeny se zvýšenou tumorigenezí, ale mechanismus, který za tím stojí, nebyl dosud stanoven. Nejnovější důkazy naznačují, že autofagie poskytuje ochrannou funkci, která omezuje nekrózu a zánět nádoru a zmírňuje poškození genomu v nádorových buňkách v reakci na metabolický stres.

Trvalá aktivace mTORC1 v kosterním svalu inhibuje konstitutivní a hladověním indukovanou autofagii a způsobuje těžkou myopatii s pozdním nástupem

P Castets, S Lin, N Rion, S Di Fulvio, et al.
cell-metabolism 7. května 2013; 17(5): p731-744 http://dx.doi.org/10.1016/j.cmet.2013.03.015

• inhibice mTORC1 je nutná pro konstitutivní a hladovění-indukované autofagie
• Trvalá aktivace mTORC1 způsobuje těžkou myopatii v důsledku poruchy autofagie
• Deplece TSC1 stačí k aktivaci mTORC1 bez ohledu na další podněty
• mTORC1. stačí k aktivaci lipidace LC3

Autofagie je katabolický proces, který zajišťuje homeostatické odstraňování buněk a je deregulován u stále většího počtu myopatologických stavů. Ačkoli bylo prokázáno, že FoxO3 podporuje expresi genů souvisejících s autofagií v kosterním svalu, mechanismy spouštějící autofagii jsou nejasné. Ukázali jsme, že u myší s deficitem TSC1 (TSCmKO), které se vyznačují trvalou aktivací mTORC1, dochází k rozvoji pozdní myopatie související s poruchou autofagie. U mladých myší TSCmKO je

• konstitutivní a hladověním indukovaná autofagie blokována v indukčních fázích prostřednictvím
• inhibice Ulk1 zprostředkované mTORC1, a to navzdory aktivaci FoxO3.

Rapamycin postačuje k obnovení autofagie u myší TSCmKO a

• zlepšuje svalový fenotyp starých mutantních myší.

Naopak zrušení signalizace mTORC1 pomocí

• deplece raptoru indukuje autofagii bez ohledu na inhibici FoxO.

Takto je mTORC1 dominantním regulátorem indukce autofagie v kosterním svalu a

• zajišťuje těsnou koordinaci metabolických drah.

Tato zjištění mohou otevřít zajímavé možnosti pro terapeutické strategie zaměřené na svalová onemocnění související s autofagií.

Histonové deacetylázy 1 a 2 regulují tok autofagie a homeostázu kosterního svalstva u myší

HDAC1 aktivuje FoxO a je dostatečný i nezbytný pro atrofii kosterního svalstva

Beharry, PB. Sandesara, BM. Roberts, et al.
J. Cell Sci. dub 2014 127 (7) 1441-1453 http://dx.doi.org:/10.1242/jcs.136390

Transkripční faktory Forkhead box O (FoxO) jsou aktivovány a nezbytné pro svalovou atrofii u několika patofyziologických stavů, včetně svalové disuse a nádorové kachexie. Mechanismy, které vedou k aktivaci FoxO, však nejsou dobře definovány. Nedávné údaje z naší laboratoře a dalších laboratoří naznačují, že

• aktivita FoxO je za základních podmínek potlačena prostřednictvím reverzibilní acetylace lysinu,
• která se během katabolických podmínek zhoršuje.

Zaměřili jsme se proto na zjištění, jak proteiny histonové deacetylázy (HDAC) přispívají k

• aktivaci FoxO a indukci programu svalové atrofie.

Pomocí různých farmakologických inhibitorů, které blokují aktivitu HDAC, jsme prokázali, že

• HDAC I. třídy jsou klíčovými regulátory FoxO a programu svalové atrofie
• jak při nedostatku živin, tak při nečinnosti kosterního svalu.

Dále jsme pomocí divokého typu a dominantně negativních expresních plazmidů HDAC1 prokázali,

• že HDAC1 stačí k aktivaci FoxO a vyvolání atrofie svalových vláken in vivo a
• je nezbytná pro atrofii svalových vláken, která je spojena se svalovou nečinností.

Schopnost HDAC1 vyvolat svalovou atrofii vyžadovala jeho deacetylázovou aktivitu a

• byla spojena s indukcí několika genů atrofie HDAC1,
• včetně atrogin-1, který vyžadoval deacetylaci FoxO3a.

Kromě toho farmakologická inhibice HDAC I. třídy během svalové disuse pomocí MS-275,

• významně oslabila atrofii svalových vláken při disuse i kontraktilní dysfunkci.

Tato data společně upevňují význam HDAC třídy I v programu svalové atrofie a

• ukazují, že inhibitory HDAC třídy I jsou proveditelným protiopatřením, které brání svalové atrofii a slabosti.

Autofagie je vezikulární proces lysozomální degradace proteinových agregátů a

• poškozených nebo nadbytečných organel.

Autofagie hraje důležitou roli v buněčné homeostáze a existují důkazy, že

• je tento proces u nádorových buněk dysregulován.

Nedávné preklinické studie in vitro naznačily, že autofagie se

• podílí na cytotoxické odpovědi na chemoterapeutika u buněk rakoviny štítné žlázy.

Několik onkogenů a onkosupresorových genů, které se podílejí na karcinogenezi štítné žlázy

• , hraje rovněž roli v regulaci autofagie.

Na autofagii mají navíc vliv i některé epigenetické modulátory podílející se na karcinogenezi štítné žlázy. V tomto přehledu upozorňujeme na genetické a epigenetické faktory, které

• mechanicky propojují karcinogenezi štítné žlázy a autofagii, čímž zdůvodňujeme důvody pro
• terapii agresivních a radiochemorezistentních karcinomů štítné žlázy zaměřenou na autofagii.

.