A sejtek szerkezete, a metabolikus működés anatómiai korrelátumai

A szerző és a kurátor: Larry H. Bernstein, MD, FCAP

Ez a fejezet az organellumok szubcelluláris ultrastruktúrájával, és ami fontos, a működésükkel foglalkozik. A sejtek szerkezetében nincs hulladék. A sejtmag rendelkezik a sejtfunkciók elvégzéséhez szükséges utasításokkal. Az eukarióta sejtben jelentős differenciálódás van, így a sejtek szabályozva vannak az általuk egyedülállóan elvégzendő szükségletekhez. Ha nem szabályozódik, az átalakuláshoz vagy sejthalálhoz vezet.

Itt jegyzem meg a fejezet néhány kiemelését.

1. A sejtműködés minden aspektusában fehérjék vesznek részt a szerkezetbe ágyazva, a leghatékonyabb működés érdekében.
2. A metabolikus szabályozás olyan útvonalakon múlik, amelyek szintén fehérjék összekapcsolódásai.
3. Az energiafelhasználás enzimatikus reakcióktól függ, gyakran magas valenciaszámú esszenciális fémionok bevonásával, ami megkönnyíti a kovalens és anionkötést, és alapvető szerepe van az allosztericitásban.

Mitokondriumok

A mitokondriumok átmérője 0,5 és 1,0 mikrométer (μm) között mozog. Ezeket a struktúrákat néha “sejterőműveknek” nevezik, mivel a sejt kémiai energiaforrásként használt adenozin-trifoszfát (ATP) készletének nagy részét ők állítják elő. A sejtek energiaellátásán kívül a mitokondriumok más feladatokban is részt vesznek, például a jelátvitelben, a sejtdifferenciálódásban, a sejthalálban, valamint a sejtciklus és a sejtnövekedés szabályozásában. A mitokondriumokat számos emberi betegségben, többek között a mitokondriális rendellenességekben és a szívműködési zavarokban is szerepet játszanak.

A mitokondriumok száma egy sejtben szervezetenként, szövetenként és sejttípusonként nagymértékben változhat. Például a vörösvértestekben nincsenek mitokondriumok, míg a májsejtekben több mint 2000 is lehet. Az organellum olyan rekeszekből áll, amelyek speciális funkciókat látnak el. Ezek a rekeszek vagy régiók közé tartozik a külső membrán, a membránok közötti tér, a belső membrán, valamint a cristák és a mátrix. A mitokondriális fehérjék szövettől és fajtól függően változnak. A mitokondriális proteomról úgy gondolják, hogy dinamikusan szabályozott. Bár a sejt DNS-ének nagy része a sejtmagban található, a mitokondriumnak saját, független genomja van. DNS-e továbbá jelentős hasonlóságot mutat a bakteriális genomokkal.

1913-ban Otto Heinrich Warburg tengerimalac-máj kivonatokból származó részecskéket hozott kapcsolatba a légzéssel, amelyeket “grana”-nak nevezett el. Warburg és Heinrich Otto Wieland, aki szintén hasonló részecske-mechanizmust tételezett fel, nem értettek egyet a légzés kémiai természetét illetően. A légzési láncot csak 1925-ben írták le, amikor David Keilin felfedezte a citokrómokat. 1939-ben darált izomsejtekkel végzett kísérletek bizonyították, hogy egy oxigénatom két adenozin-trifoszfátmolekulát képes képezni, 1941-ben pedig Fritz Albert Lipmann dolgozta ki azt a koncepciót, hogy a foszfátkötés a sejtanyagcsere egyik energiaformája. A következő években tovább dolgozták ki a sejtlégzés mögött álló mechanizmust, bár a mitokondriumokkal való kapcsolatát nem ismerték. A szöveti frakcionálás bevezetése Albert Claude által lehetővé tette, hogy a mitokondriumokat más sejtfrakciókból izolálják, és kizárólag rajtuk végezzenek biokémiai elemzéseket. 1946-ban arra a következtetésre jutott, hogy a citokróm-oxidáz és más, a légzési láncért felelős enzimek a mitokondriumokban izolálódtak.

Az első nagyfelbontású mikroszkópos felvételek 1952-ben jelentek meg, felváltva a Janus-zöld festékeket, mint a mitokondriumok láthatóvá tételének kedvelt módját. Ez a mitokondriumok szerkezetének részletesebb elemzéséhez vezetett, beleértve annak megerősítését, hogy a mitokondriumokat membrán veszi körül. Azt is kimutatta, hogy a mitokondriumokon belül van egy második membrán, amely a belső kamrát felosztó gerincekbe hajlik, és hogy a mitokondriumok mérete és alakja sejtről sejtre változik. 1967-ben felfedezték, hogy a mitokondriumok riboszómákat tartalmaznak. 1968-ban módszereket dolgoztak ki a mitokondriális gének feltérképezésére, és 1976-ban elkészült az élesztő mitokondriumok genetikai és fizikai térképe.

A mitokondrium külső és belső membránokat tartalmaz, amelyek foszfolipid kettősrétegekből és fehérjékből állnak. A két membrán különböző tulajdonságokkal rendelkezik. E kettős membrános szerveződés miatt a mitokondriumnak öt különböző része van. Ezek:

1. a külső mitokondriális membrán,
2. az intermembrán tér (a külső és a belső membrán közötti tér),
3. a belső mitokondriális membrán,
4. a cristae tér (amelyet a belső membrán behajlásai alkotnak) és
5. a mátrix (a belső membránon belüli tér).

A külső membránjától megfosztott mitokondriumokat mitoplasztiszoknak nevezzük.

Mitokondrium ultrastruktúrája (interaktív ábra) A mitokondrium kettős membránnal rendelkezik; a belső tartalmazza a kemoszmotikus apparátust és mély barázdákkal rendelkezik, amelyek növelik a felületét. Bár általában “narancssárga kolbászként ábrázolják, benne egy pacával” (mint itt), a mitokondriumok sokféle alakot ölthetnek, és a membránközi terük meglehetősen vékony.

A membránközi tér a külső és a belső membrán közötti tér. Perimitokondriális térnek is nevezik. Mivel a külső membrán szabadon átjárható a kis molekulák számára, a kis molekulák, például az ionok és a cukrok koncentrációja a membránközi térben megegyezik a citoszoléval. A nagy fehérjéknek azonban specifikus jelzőszekvenciával kell rendelkezniük ahhoz, hogy a külső membránon át tudjanak szállítani, ezért ennek a térnek a fehérjeösszetétele eltér a citoszol fehérjeösszetételétől. Az egyik ilyen módon az intermembrán térbe lokalizálódó fehérje a citokróm c.

A belső mitokondriális membrán ötféle funkciójú fehérjét tartalmaz:

1. Azokat, amelyek az oxidatív foszforiláció redoxireakcióit végzik
2. ATP-szintáz, amely ATP-t termel a mátrixban
3. Specifikus transzportfehérjék, amelyek a metabolitok be- és kijutását szabályozzák a mátrixba
4. A fehérjeimport gépezet.
5. Mitokondrium fúziós és hasadási fehérje.

Több mint 151 különböző polipeptidet tartalmaz, és nagyon magas a fehérje-foszfolipid aránya (több mint 3:1 tömegarány, ami körülbelül 1 fehérje 15 foszfolipidre). A belső membrán a mitokondriumban található összes fehérje mintegy 1/5-ének ad otthont. Ezenkívül a belső membrán gazdag egy szokatlan foszfolipidben, a kardiolipinben. Ezt a foszfolipidet eredetileg tehénszívekben fedezték fel 1942-ben, és általában a mitokondriumok és a baktériumok plazmamembránjára jellemző. A kardiolipin kettő helyett négy zsírsavat tartalmaz, és hozzájárulhat a belső membrán átjárhatatlanságához. A külső membránnal ellentétben a belső membrán nem tartalmaz póriumokat, és minden molekula számára nagymértékben átjárhatatlan. Szinte minden ionnak és molekulának speciális membrántranszporterekre van szüksége ahhoz, hogy belépjen a mátrixba vagy kilépjen onnan. A fehérjék a belső membrán transzlokáz (TIM) komplexen vagy az Oxa1-en keresztül jutnak be a mátrixba. Ezenkívül a belső membránon keresztül membránpotenciál van, amely az elektrontranszportlánc enzimeinek hatására alakul ki.

A belső mitokondriális membrán számos krisztára tagolódik, amelyek növelik a belső mitokondriális membrán felületét, fokozva annak ATP-termelő képességét. A tipikus májmitokondriumok esetében a belső membrán felülete körülbelül ötször akkora, mint a külső membráné. Ez az arány változó, és a nagyobb ATP-igényű sejtek, például az izomsejtek mitokondriumai még több krisztát tartalmaznak. Ezeket a redőket kis kerek testek, úgynevezett F1-részecskék vagy oxiszómák tarkítják. Ezek nem egyszerű véletlenszerű redők, hanem a belső membrán invaginációi, amelyek befolyásolhatják az általános kemoszómás működést. Egy nemrégiben készült matematikai modellezési tanulmány szerint a fonalas mitokondriumokban a cristae optikai tulajdonságai befolyásolhatják a fény keletkezését és terjedését a szövetben.

A mátrix a belső membrán által körülzárt tér. A mitokondriumban lévő összes fehérje mintegy 2/3-át tartalmazza. A mátrix fontos a thA MAM a lipid bioszintézisben részt vevő enzimekben gazdag, mint például a foszfatidil-szerin szintáz az ER-oldalon és a foszfatidil-szerin dekarboxiláz a mitokondriális oldalon. Mivel a mitokondriumok dinamikus organellumok, amelyek folyamatosan hasadási és fúziós eseményeken mennek keresztül, a membrán integritásához állandó és jól szabályozott foszfolipid-ellátásra van szükségük. A mitokondriumok azonban nem csak a foszfolipidek célállomása, amelyek szintézisét befejezik, hanem ez az organellum szerepet játszik a foszfolipid bioszintetikus útvonalak, a ceramid- és koleszterin-anyagcsere, valamint a glikoszfingolipid anabolizmus intermedierjeinek és termékeinek szervezetei közötti forgalomban is, valamint az ATP előállításában a belső membránban található ATP-szintáz segítségével. A mátrix több száz enzim, speciális mitokondriális riboszómák, tRNS és a mitokondriális DNS-genom több példányának magas koncentrációjú keverékét tartalmazza. Az enzimek közül a fő funkciók közé tartozik a piruvát és a zsírsavak oxidációja, valamint a citromsavciklus.

A szubcelluláris frakcionálással tisztított MAM-ról kimutatták, hogy a Ca2+ jelátvitelhez kapcsolódó csatornák mellett a foszfolipidcserében részt vevő enzimekben is gazdagodott. A mitokondrium-asszociált ER-membrán (MAM) egy másik szerkezeti elem, amelynek egyre inkább felismerik kritikus szerepét a sejtek fiziológiájában és homeosztázisában. Az egykor a sejtfrakcionálási technikák technikai buktatójának tekintett állítólagos ER-vezikuláris szennyeződéseket, amelyek változatlanul megjelentek a mitokondriális frakcióban, újra azonosították a MAM-ból – a mitokondriumok és az ER közötti határfelületről – származó membránszerkezetekként. E két organellum közötti fizikai kapcsolódást már korábban is megfigyelték elektronmikroszkópos felvételeken, és nemrégiben fluoreszcens mikroszkópiával vizsgálták. Az ilyen vizsgálatok becslései szerint a MAM-nál, amely a mitokondriumok külső membránjának akár 20%-át is kiteheti, az ER-t és a mitokondriumokat mindössze 10-25 nm választja el egymástól, és fehérje-összekötő komplexek tartják össze őket.

Ez az átjárhatóság a MAM-tól függ, amelyről kimutatták, hogy megkönnyíti a lipid intermedierek organellumok közötti átvitelét. A lipidtranszfer standard vesikuláris mechanizmusával ellentétben a bizonyítékok arra utalnak, hogy az ER és a mitokondriális membránok fizikai közelsége a MAM-nál lehetővé teszi a lipidek átfordulását az ellentétes kétrétegek között. E szokatlan és látszólag energetikailag kedvezőtlen mechanizmus ellenére az ilyen szállítás nem igényel ATP-t. Ehelyett élesztőben kimutatták, hogy ez a folyamat egy több fehérjéből álló kötőszerkezettől, az ER-mitokondrium találkozási struktúrától (ERMES) függ, bár továbbra sem világos, hogy ez a struktúra közvetlenül közvetíti-e a lipidek átvitelét, vagy arra van szükség, hogy a membránok elég közel legyenek egymáshoz ahhoz, hogy csökkenjen a lipidek átfordulásának energiahatára.

Az ER kritikus szerepét a kalcium jelátvitelben már azelőtt elismerték, mielőtt a mitokondriumok ilyen szerepét széles körben elfogadták volna, részben azért, mert a külső mitokondriális membránra lokalizált Ca2+ csatornák alacsony affinitása ellentmondani látszott ennek a szervellának az intracelluláris Ca2+ fluxus változásaira való állítólagos érzékenységének. A MAM jelenléte azonban feloldja ezt a látszólagos ellentmondást: a két organellum közötti szoros fizikai kapcsolat Ca2+ mikrodoméneket eredményez az érintkezési pontokon, amelyek megkönnyítik a hatékony Ca2+-továbbítást az ER-ből a mitokondriumba. A transzmisszió az IP3R, egy kanonikus ER membrán Ca2+ csatorna spontán csoportosulása és aktiválása által létrehozott úgynevezett “Ca2+ puffok” hatására történik.

A SERCA Ca2+ pumpa és az ER membránon jelen lévő IP3R csatorna tulajdonságai megkönnyítik a MAM működése által koordinált visszacsatolásos szabályozást. Különösen a Ca2+ MAM általi kiürítése teszi lehetővé a Ca2+ jelátvitel tér-időbeli mintázását, mivel a Ca2+ kétfázisú módon módosítja az IP3R aktivitását. A SERCA-t hasonlóképpen befolyásolja a mitokondriális visszacsatolás: a Ca2+ felvétel a MAM által serkenti az ATP-termelést, így energiát biztosít, amely lehetővé teszi a SERCA számára az ER Ca2+-val való újratöltését a MAM-nál történő folyamatos Ca2+-kiáramláshoz. A MAM tehát nem passzív puffer a Ca2+ -pufogások számára, hanem az ER dinamikáját befolyásoló visszacsatolási hurkokon keresztül segít modulálni a további Ca2+ jelátvitelt.

A Ca2+ ER kiáramlásának szabályozása a MAM-nál különösen kritikus, mivel a Ca2+ felvételnek csak egy bizonyos ablaka tartja fenn a mitokondriumokat és következésképpen a sejtet a homeosztázisban. Elegendő szerven belüli Ca2+ jelátvitelre van szükség az anyagcsere serkentéséhez a citromsavcikluson keresztül történő áramlás szempontjából kritikus dehidrogenáz enzimek aktiválásával. Amint azonban a mitokondriumokban a Ca2+ jelátvitel átlép egy bizonyos küszöbértéket, részben az anyagcseréhez szükséges mitokondriális membránpotenciál összeomlásával serkenti az apoptózis intrinzikus útját. A pro- és anti-apoptotikus faktorok szerepét vizsgáló tanulmányok alátámasztják ezt a modellt; például kimutatták, hogy az anti-apoptotikus faktor Bcl-2 kölcsönhatásba lép az IP3R-ekkel, hogy csökkentse az ER Ca2+ töltését, ami a MAM-nál csökkent effluxhoz vezet, és megakadályozza a mitokondriális membránpotenciál összeomlását az apoptotikus ingerek után. Tekintettel a Ca2+ jelátvitel ilyen finom szabályozásának szükségességére, talán nem meglepő, hogy a mitokondriális Ca2+ szabályozatlansága számos neurodegeneratív betegségben szerepet játszik, míg a tumorszupresszorok katalógusában néhány olyan szerepel, amelyek a MAM-ban gazdagodnak.

…tovább

Lizoszóma és apoptózis

Az autofágia szerepe a rákban

R Mathew, V Karantza-Wadsworth & E White

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

Az autofágia a sérült vagy felesleges fehérjék és organellumok eltávolítására szolgáló sejtes lebontási útvonal. Ezeknek az intracelluláris összetevőknek az újrahasznosítása alternatív energiaforrásként is szolgál a homeosztázis és az életképesség fenntartásához a metabolikus stressz időszakaiban. Az apoptózisban hibás daganatsejtekben az autofágia lehetővé teszi a hosszan tartó túlélést. Paradox módon az autofágia hibái fokozott tumorigenezissel járnak, de az ennek hátterében álló mechanizmust nem sikerült meghatározni. A legújabb bizonyítékok arra utalnak, hogy az autofágia védőfunkciót lát el a tumor nekrózis és a gyulladás korlátozására, valamint a tumorsejtek genomkárosodásának mérséklésére a metabolikus stressz hatására.

Sustained Activation of mTORC1 in Skeletal Muscle Inhibits Constitutive and Starvation-Induced Autophagy and Causes a Severe, Late-Onset Myopathy

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

• Az mTORC1 gátlása szükséges a konstitutív és az éhezés okozta-indukált autofágiához
• Az mTORC1 tartós aktiválása súlyos myopathiát okoz az autofágia károsodása miatt
• ATSC1 kimerítése elegendő az mTORC1 aktiválásához, függetlenül más ingerektől
• mTORC1 inaktiválása elegendő az LC3 lipidáció beindításához

Az autofágia egy katabolikus folyamat, amely biztosítja a homeosztatikus sejttisztulást, és egyre több myopatológiai állapotban deregulált. Bár a FoxO3-ról kimutatták, hogy elősegíti az autofágiával kapcsolatos gének expresszióját a vázizomzatban, az autofágiát kiváltó mechanizmusok tisztázatlanok. Bemutatjuk, hogy a TSC1-hiányos egerekben (TSCmKO), amelyeket az mTORC1 tartós aktiválása jellemez, későn jelentkező, károsodott autofágiával összefüggő myopathia alakul ki. Fiatal TSCmKO egerekben a

• konstitutív és éhezés által indukált autofágia az indukciós lépéseknél blokkolódik az Ulk1
• mTORC1 által közvetített gátlásán keresztül, a FoxO3 aktiváció ellenére.

A rapamycin elegendő az autofágia helyreállításához a TSCmKO egerekben, és

• javítja az öreg mutáns egerek izomfenotípusát.

Az mTORC1 jelátvitel megszüntetése a raptor

• megvonásával viszont a FoxO gátlásától függetlenül autofágiát indukál.

Az mTORC1 tehát a vázizomzatban az autofágia indukciójának domináns szabályozója, és

• biztosítja az anyagcsere útvonalak szoros koordinációját.

Az eredmények érdekes utakat nyithatnak az autofágiával kapcsolatos izombetegségekre irányuló terápiás stratégiák számára.

A hiszton-deacetilázok 1 és 2 szabályozzák az autofágia fluxust és a vázizom homeosztázisát egerekben

AHDAC1 aktiválja a FoxO-t és elegendő és szükséges is a vázizom atrófiához

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

A Forkhead box O (FoxO) transzkripciós faktorok számos patofiziológiai állapotban aktiválódnak, és szükségesek az izomsorvadáshoz, beleértve az izommegvonást és a rákos kachexiát. A FoxO aktiválódásához vezető mechanizmusok azonban nem jól meghatározottak. A laboratóriumunkból és másoktól származó legújabb adatok arra utalnak, hogy

• a FoxO aktivitása represszálódik bazális körülmények között reverzibilis lizin acetiláción keresztül,
• amely katabolikus körülmények között veszélyeztetetté válik.

Ezért azt kívántuk meghatározni, hogy a hiszton-deacetiláz (HDAC) fehérjék hogyan járulnak hozzá

• a FoxO aktiválásához és az izomsorvadási program indukálásához.

A HDAC-aktivitást blokkoló különböző farmakológiai inhibitorok alkalmazásával kimutattuk, hogy

• az I. osztályú HDAC-ok kulcsfontosságú szabályozói a FoxO-nak és az izom-atrófia programnak
• mind a tápanyagmegvonás, mind a vázizomzat használaton kívüli állapotában.

Megmutattuk továbbá vad típusú és domináns-negatív HDAC1 expressziós plazmidok használatával,

• hogy a HDAC1 elegendő a FoxO aktiválásához és az izomrostok atrófiájának in vivo indukálásához, és
• szükséges az izomrostok atrófiájához, amely az izomhasználat megszűnésével jár.

A HDAC1 izomsorvadást előidéző képessége megkövetelte a deacetiláz aktivitását, és

• összekapcsolódott több sorvadásos gén HDAC1 általi indukciójával,
• beleértve az atrogin-1-et is, amelyhez a FoxO3a deacetilációja szükséges.

Másrészt az I. osztályú HDAC-ok farmakológiai gátlása az izmok használaton kívülisége alatt, MS-275 használatával,

• szignifikánsan mérsékelte mind a használaton kívüli izomrost-atrófiát, mind a kontraktilis diszfunkciót.

Ezek az adatok összességében megszilárdítják az I. osztályú HDAC-ok fontosságát az izomsorvadás programjában, és

• mutatnak arra, hogy az I. osztályú HDAC-gátlók megvalósítható ellenintézkedések az izomsorvadás és -gyengeség megakadályozására.

Az autofágia a fehérjeaggregátumok és

• a sérült vagy redundáns organellumok lizoszomális lebontására szolgáló vezikuláris folyamat.

Az autofágia fontos szerepet játszik a sejtek homeosztázisában, és vannak bizonyítékok arra, hogy

• ez a folyamat rákos sejtekben diszregulált.

A legújabb in vitro preklinikai vizsgálatok azt jelezték, hogy az autofágia

• részt vesz a kemoterápiás szerekre adott citotoxikus válaszban a pajzsmirigyrákos sejtekben.

A pajzsmirigy karcinogenezisben

• érintett számos onkogén és onkoszuppresszor gén is szerepet játszik az autofágia szabályozásában.

Mellett néhány, a pajzsmirigy karcinogenezisben szerepet játszó epigenetikai modulátor is befolyásolja az autofágiát. Ebben az áttekintésben kiemeljük azokat a genetikai és epigenetikai tényezőket, amelyek

• mechanisztikailag összekapcsolják a pajzsmirigy karcinogenezist és az autofágiát, ezzel alátámasztva az agresszív és a radiokémia-rezisztens pajzsmirigyrákok

autofágia célzott terápiájának indokoltságát.