Summary of Cell Structure, Anatomic Correlates of Metabolic Function

Autor i kurator: Larry H. Bernstein, MD, FCAP

Ten rozdział dotyczył subkomórkowej ultrastruktury organelli, a co ważne, ich funkcji. Nie ma żadnych odpadów w strukturze komórkowej. Jądro posiada instrukcje niezbędne do pełnienia funkcji komórki. W komórce eukariotycznej występuje znaczne zróżnicowanie, dzięki czemu komórki są regulowane pod kątem potrzeb, które w sposób unikalny realizują. Kiedy jest rozregulowanie, to prowadzi do przebudowy lub do śmierci komórki.

Tutaj chciałbym zauważyć kilka najważniejszych punktów tego rozdziału.

1. W każdym aspekcie funkcji komórki, białka są zaangażowane osadzone w strukturze, dla najbardziej efektywnego funkcjonowania.
2. Regulacja metaboliczna zależy od ścieżek, które są również powiązania białek.
3. Utylizacja energii jest zależna od reakcji enzymatycznych, często z udziałem niezbędnych jonów metali o wysokiej liczbie walencyjnej, co ułatwia wiązanie kowalencyjne i anionowe, i ma istotną rolę w allosteryczności.

Mitochondria

Mitochondria mają średnicę od 0,5 do 1,0 mikrometra (μm). Struktury te są czasami opisywane jako „elektrownie komórkowe”, ponieważ generują większość dostarczanego przez komórkę adenozynotrójfosforanu (ATP), wykorzystywanego jako źródło energii chemicznej. Oprócz dostarczania energii komórkowej, mitochondria są zaangażowane w inne zadania, takie jak sygnalizacja, różnicowanie komórkowe, śmierć komórkowa, jak również kontrola cyklu komórkowego i wzrostu komórek. Mitochondria zostały powiązane z kilkoma chorobami człowieka, w tym zaburzeniami mitochondrialnymi i dysfunkcją serca.

Liczba mitochondriów w komórce może się znacznie różnić w zależności od organizmu, tkanki i typu komórki. Na przykład, czerwone krwinki nie mają mitochondriów, podczas gdy komórki wątroby mogą mieć ich ponad 2000. Organelle składają się z przedziałów, które pełnią wyspecjalizowane funkcje. Przedziały te lub regiony obejmują błonę zewnętrzną, przestrzeń międzybłonową, błonę wewnętrzną oraz krysty i macierz. Białka mitochondrialne różnią się w zależności od tkanki i gatunku. Uważa się, że proteom mitochondrialny jest dynamicznie regulowany. Chociaż większość DNA komórki jest zawarta w jądrze komórkowym, mitochondrium posiada swój własny, niezależny genom. Ponadto, jego DNA wykazuje znaczne podobieństwo do genomów bakteryjnych.

W 1913 roku cząsteczki z ekstraktów z wątroby świnki morskiej zostały powiązane z oddychaniem przez Otto Heinricha Warburga, które nazwał „grana”. Warburg i Heinrich Otto Wieland, który również postulował podobny mechanizm cząsteczek, nie zgadzali się co do chemicznej natury oddychania. Dopiero w 1925 roku, kiedy David Keilin odkrył cytochromy, łańcuch oddechowy został opisany. W 1939 r. eksperymenty z użyciem rozdrobnionych komórek mięśniowych wykazały, że jeden atom tlenu może tworzyć dwie cząsteczki adenozynotrójfosforanu, a w 1941 r. Fritz Albert Lipmann opracował koncepcję wiązań fosforanowych jako formy energii w metabolizmie komórkowym. W następnych latach opracowano mechanizm oddychania komórkowego, choć nie znano jeszcze jego związku z mitochondriami. Wprowadzenie przez Alberta Claude’a frakcjonowania tkanek pozwoliło na wyizolowanie mitochondriów z innych frakcji komórkowych i prowadzenie analiz biochemicznych tylko na nich. W 1946 roku stwierdził, że oksydaza cytochromowa i inne enzymy odpowiedzialne za łańcuch oddechowy zostały wyizolowane do mitochondriów.

Pierwsze mikrografy o wysokiej rozdzielczości pojawiły się w 1952 roku, zastępując plamy Janus Green jako preferowany sposób wizualizacji mitochondriów. Doprowadziło to do bardziej szczegółowej analizy struktury mitochondriów, w tym potwierdzenia, że były one otoczone błoną. Wykazano również istnienie drugiej błony wewnątrz mitochondriów, która zwijała się w grzbiety dzielące wewnętrzną komorę oraz to, że wielkość i kształt mitochondriów różni się w zależności od komórki. W 1967 r. odkryto, że mitochondria zawierają rybosomy. W 1968 roku opracowano metody mapowania genów mitochondrialnych, a genetyczną i fizyczną mapę mitochondriów drożdży ukończono w 1976 roku.

Mitochondrium zawiera zewnętrzną i wewnętrzną błonę składającą się z dwuwarstw fosfolipidowych i białek. Te dwie błony mają różne właściwości. Ze względu na tę dwumembranową organizację, istnieje pięć odrębnych części mitochondrium. Są to:

1. zewnętrzna błona mitochondrialna,
2. przestrzeń międzybłonowa (przestrzeń między błoną zewnętrzną i wewnętrzną),
3. wewnętrzna błona mitochondrialna,
4. przestrzeń krystusowa (utworzona przez zagięcia błony wewnętrznej) oraz
5. macierz (przestrzeń wewnątrz błony wewnętrznej).

Mitochondria pozbawione błony zewnętrznej nazywane są mitoplastami.

Mitochondrium ultrastruktura (schemat interaktywny) Mitochondrium ma podwójną błonę; wewnętrzna zawiera jego aparat chemiosmotyczny i ma głębokie rowki, które zwiększają jej powierzchnię. Chociaż powszechnie przedstawia się je jako „pomarańczową kiełbaskę z plamką w środku” (jak tutaj), mitochondria mogą przybierać wiele kształtów, a ich przestrzeń międzybłonowa jest dość cienka.

Przestrzeń międzybłonowa to przestrzeń pomiędzy błoną zewnętrzną a wewnętrzną. Jest ona również znana jako przestrzeń perimitochondrialna. Ponieważ błona zewnętrzna jest swobodnie przepuszczalna dla małych cząsteczek, stężenie małych cząsteczek, takich jak jony i cukry w przestrzeni międzybłonowej jest takie samo jak w cytozolu. Jednakże duże białka muszą mieć specyficzną sekwencję sygnalizacyjną, aby mogły być transportowane przez błonę zewnętrzną, więc skład białkowy tej przestrzeni różni się od składu białkowego cytozolu. Jednym z białek, które w ten sposób lokalizuje się w przestrzeni międzybłonowej, jest cytochrom c.

Wewnętrzna błona mitochondrialna zawiera białka o pięciu rodzajach funkcji:

1. Te, które przeprowadzają reakcje redoks fosforylacji oksydacyjnej
2. Syntaza ATP, która wytwarza ATP w macierzy
3. Specyficzne białka transportowe, które regulują przechodzenie metabolitów do i z macierzy
4. Maszyna importu białek.
5. Białko fuzji i rozszczepienia mitochondriów.

Zawiera ponad 151 różnych polipeptydów i ma bardzo wysoki stosunek białka do fosfolipidów (ponad 3:1 wagowo, czyli około 1 białka na 15 fosfolipidów). W błonie wewnętrznej znajduje się około 1/5 całkowitej ilości białek w mitochondrium. Ponadto, błona wewnętrzna jest bogata w niezwykły fosfolipid, kardiolipinę. Fosfolipid ten został odkryty w 1942 r. w sercach krów i jest zwykle charakterystyczny dla mitochondriów i bakteryjnych błon plazmatycznych. Kardiolipina zawiera cztery kwasy tłuszczowe, a nie dwa, i może pomóc w uczynieniu błony wewnętrznej nieprzepuszczalną. W przeciwieństwie do błony zewnętrznej, błona wewnętrzna nie zawiera porin i jest wysoce nieprzepuszczalna dla wszystkich cząsteczek. Prawie wszystkie jony i cząsteczki wymagają specjalnych transporterów błonowych, aby wejść lub wyjść z macierzy. Białka są przenoszone do macierzy przez kompleks translokacji błony wewnętrznej (TIM) lub przez Oxa1. Ponadto, w poprzek błony wewnętrznej istnieje potencjał błonowy, powstały w wyniku działania enzymów łańcucha transportu elektronów.

Wewnętrzna błona mitochondrialna jest podzielona na liczne krysty, które zwiększają powierzchnię wewnętrznej błony mitochondrialnej, zwiększając jej zdolność do produkcji ATP. Dla typowych mitochondriów wątrobowych, powierzchnia błony wewnętrznej jest około pięć razy większa niż błony zewnętrznej. Stosunek ten jest zmienny, a mitochondria z komórek, które mają większe zapotrzebowanie na ATP, takich jak komórki mięśniowe, zawierają jeszcze więcej cristae. Fałdy te są usiane małymi okrągłymi ciałkami zwanymi cząsteczkami F1 lub oksysomami. Nie są to zwykłe przypadkowe fałdy, ale raczej inwolucje błony wewnętrznej, które mogą wpływać na ogólną funkcję chemiosmotyczną. Jedno z ostatnich badań modelowania matematycznego sugeruje, że właściwości optyczne cristae w filamentowych mitochondriach mogą wpływać na generowanie i propagację światła w obrębie tkanki.

Matryca jest przestrzenią zamkniętą przez błonę wewnętrzną. Zawiera ona około 2/3 całkowitej ilości białka w mitochondrium. MAM jest wzbogacona w enzymy biorące udział w biosyntezie lipidów, takie jak syntaza fosfatydyloseryny po stronie ER i dekarboksylaza fosfatydyloseryny po stronie mitochondrialnej. Ponieważ mitochondria są dynamicznymi organellami, stale podlegającymi procesom rozszczepienia i fuzji, wymagają stałej i dobrze regulowanej podaży fosfolipidów dla zachowania integralności błony. Mitochondria są jednak nie tylko miejscem przeznaczenia dla fosfolipidów, których syntezę kończą, ale organelle te odgrywają również rolę w międzyorganellowym przemieszczaniu produktów pośrednich i produktów szlaków biosyntezy fosfolipidów, metabolizmie ceramidów i cholesterolu oraz anabolizmie glikosfingolipidów, wytwarzając ATP za pomocą syntazy ATP znajdującej się w błonie wewnętrznej. Matryca zawiera silnie skoncentrowaną mieszaninę setek enzymów, specjalnych rybosomów mitochondrialnych, tRNA oraz kilku kopii genomu mitochondrialnego DNA. Spośród enzymów, główne funkcje obejmują utlenianie pirogronianu i kwasów tłuszczowych oraz cykl kwasu cytrynowego.

Wyczyszczona MAM z frakcjonowania subkomórkowego wykazała, że jest wzbogacona w enzymy zaangażowane w wymianę fosfolipidów, oprócz kanałów związanych z sygnalizacją Ca2+. Związana z mitochondriami błona ER (MAM) jest kolejnym elementem strukturalnym, którego krytyczna rola w fizjologii i homeostazie komórkowej jest coraz bardziej doceniana. Rzekome zanieczyszczenia pęcherzyków ER, które niezmiennie pojawiały się we frakcji mitochondrialnej, uważane były za techniczną przeszkodę w technikach frakcjonowania komórek i zostały ponownie zidentyfikowane jako struktury błonowe pochodzące z MAM – interfejsu między mitochondriami a ER. Fizyczne sprzężenie między tymi dwoma organellami zostało wcześniej zaobserwowane na mikrografach elektronowych, a ostatnio zostało zbadane za pomoc± mikroskopii fluorescencyjnej. Badania te szacują, że w MAM, która może obejmować do 20% zewnętrznej błony mitochondrialnej, ER i mitochondria są oddzielone zaledwie 10-25 nm i utrzymywane razem przez białkowe kompleksy wiążące.

Taka zdolność do przemieszczania się zależy od MAM, która, jak wykazano, ułatwia przenoszenie lipidowych produktów pośrednich między organellami. W przeciwieństwie do standardowego pęcherzykowego mechanizmu transferu lipidów, dowody wskazują, że fizyczna bliskość ER i błon mitochondrialnych w MAM pozwala na przerzucanie lipidów pomiędzy przeciwstawnymi dwuwarstwami. Pomimo tego niezwykłego i pozornie niekorzystnego energetycznie mechanizmu, taki transport nie wymaga ATP. Zamiast tego, u drożdży wykazano, że jest on zależny od wielobiałkowej struktury wiążącej określanej jako ER-mitochondria encounter structure, lub ERMES, chociaż pozostaje niejasne, czy struktura ta bezpośrednio pośredniczy w transferze lipidów, czy też jest wymagana do utrzymania błon w wystarczająco bliskiej odległości, aby obniżyć barierę energetyczną dla przerzucania lipidów.

Krytyczna rola dla ER w sygnalizacji wapnia została uznana, zanim taka rola dla mitochondriów została powszechnie przyjęta, w części dlatego, że niskie powinowactwo kanałów Ca2+ zlokalizowanych do zewnętrznej błony mitochondrialnej wydawało się latać w obliczu tego organelle rzekomej zdolności reagowania na zmiany w wewnątrzkomórkowym strumieniu Ca2+. Jednak obecność MAM rozwiązuje tę pozorną sprzeczność: ścisły fizyczny związek pomiędzy tymi dwoma organellami skutkuje powstaniem mikrodomen Ca2+ w punktach kontaktowych, które ułatwiają efektywną transmisję Ca2+ z ER do mitochondriów. Transmisja zachodzi w odpowiedzi na tak zwane „pufy Ca2+” generowane przez spontaniczne grupowanie i aktywację IP3R, kanonicznego kanału Ca2+ błony ER.

Właściwości pompy Ca2+ SERCA i kanału IP3R obecnego na błonie ER ułatwiają regulację zwrotną koordynowaną przez funkcję MAM. W szczególności, usuwanie Ca2+ przez MAM pozwala na przestrzenno-czasowe kształtowanie sygnalizacji Ca2+, ponieważ Ca2+ zmienia aktywność IP3R w sposób dwufazowy. Na SERCA wpływa również mitochondrialne sprzężenie zwrotne: wychwyt Ca2+ przez MAM stymuluje produkcję ATP, dostarczając w ten sposób energii, która umożliwia SERCA przeładowanie ER Ca2+ w celu kontynuacji odpływu Ca2+ przez MAM. Tak więc MAM nie jest pasywnym buforem dla puffów Ca2+; raczej pomaga modulować dalszą sygnalizację Ca2+ poprzez pętle sprzężenia zwrotnego, które wpływają na dynamikę ER.

Regulacja uwalniania Ca2+ przez ER w MAM jest szczególnie krytyczna, ponieważ tylko pewne okno wychwytu Ca2+ podtrzymuje mitochondria, a w konsekwencji komórkę, w homeostazie. Wystarczająca ilość wewnątrzorganellowej sygnalizacji Ca2+ jest wymagana do stymulacji metabolizmu poprzez aktywację enzymów dehydrogenaz krytycznych dla przepływu przez cykl kwasu cytrynowego. Jednakże, gdy sygnalizacja Ca2+ w mitochondriach przekroczy pewien próg, stymuluje wewnętrzn± ¶cieżkę apoptozy, czę¶ciowo poprzez obniżenie potencjału błony mitochondrialnej wymaganego do metabolizmu. Badania badające rolę czynników pro- i antyapoptotycznych wspierają ten model; na przykład wykazano, że antyapoptotyczny czynnik Bcl-2 oddziałuje z IP3R w celu zmniejszenia napełniania ER przez Ca2+, co prowadzi do zmniejszonego odpływu w MAM i zapobiega załamaniu potencjału błony mitochondrialnej po bodźcach apoptotycznych. Biorąc pod uwagę potrzebę takiej precyzyjnej regulacji sygnalizacji Ca2+, być może nie jest zaskoczeniem, że dysregulacja mitochondrialnego Ca2+ została implikowana w kilku chorobach neurodegeneracyjnych, podczas gdy katalog supresorów nowotworów zawiera kilka, które są wzbogacone w MAM.

…more

Lysosome and Apoptosis

Role of autophagy in cancer

R Mathew, V Karantza-Wadsworth & E White

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

Autofagia jest komórkową ścieżką degradacji służącą do usuwania uszkodzonych lub zbędnych białek i organelli. Recykling tych składników wewnątrzkomórkowych służy również jako alternatywne źródło energii w okresach stresu metabolicznego w celu utrzymania homeostazy i żywotności. W komórkach nowotworowych z defektami apoptozy, autofagia pozwala na przedłużenie przeżycia. Paradoksalnie, defekty autofagii wiążą się z nasileniem procesu nowotworzenia, ale mechanizm tego zjawiska nie został poznany. Ostatnie dowody sugerują, że autofagia pełni funkcję ochronną, ograniczając martwicę guza i stan zapalny oraz łagodząc uszkodzenia genomu w komórkach nowotworowych w odpowiedzi na stres metaboliczny.

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

• hamowanie mTORC1 jest wymagane dla konstytutywnej i indukowanej głodemindukowanej autofagii
• Podtrzymana aktywacja mTORC1 powoduje ciężką miopatię spowodowaną upośledzeniem autofagii
• Upośledzenie TSC1 jest wystarczające do aktywacji mTORC1 niezależnie od innych bodźców
• inaktywacja mTORC1 jest wystarczająca do uruchomienia mTORC1 niezależnie od innych bodźców
• . jest wystarczająca do uruchomienia lipidacji LC3

Autofagia jest procesem katabolicznym, który zapewnia homeostatyczne usuwanie komórek i jest deregulowany w rosnącej liczbie stanów miopatologicznych. Chociaż wykazano, że FoxO3 promuje ekspresję genów związanych z autofagią w mięśniach szkieletowych, mechanizmy wyzwalające autofagię są niejasne. Wykazaliśmy, że myszy pozbawione TSC1 (TSCmKO), charakteryzujące się trwałą aktywacją mTORC1, rozwijają miopatię o późnym początku związaną z upośledzoną autofagią. U młodych myszy TSCmKO,

• konstytutywna i indukowana głodzeniem autofagia jest blokowana na etapie indukcji poprzez
• mTORC1-mediowane hamowanie Ulk1, pomimo aktywacji FoxO3.

Rapamycyna jest wystarczająca do przywrócenia autofagii u myszy TSCmKO i

• poprawia fenotyp mięśni starych myszy mutantów.

Odwrotnie, abrogacja sygnalizacji mTORC1 przez

• deplecja raptora indukuje autofagię niezależnie od inhibicji FoxO.

Więc, mTORC1 jest dominującym regulatorem indukcji autofagii w mięśniach szkieletowych i

• zapewnia ścisłą koordynację szlaków metabolicznych.

Wyniki te mogą otworzyć interesujące drogi dla strategii terapeutycznych skierowanych na choroby mięśni związane z autofagią.

Histone deacetylases 1 and 2 regulate autophagy flux and skeletal muscle homeostasis in mice

HDAC1 activates FoxO and is both sufficient and required for skeletal muscle atrophy

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

Faktory transkrypcyjne Forkhead box O (FoxO) są aktywowane, i niezbędne dla atrofii mięśni, w kilku stanach patofizjologicznych, w tym w nieużywaniu mięśni i wyniszczeniu nowotworowym. Jednak mechanizmy, które prowadzą do aktywacji FoxO nie są dobrze zdefiniowane. Ostatnie dane z naszego laboratorium i innych wskazują, że

• aktywność FoxO jest tłumiona w warunkach podstawowych poprzez odwracalną acetylację lizyny,
• która staje się zagrożona podczas warunków katabolicznych.

Dlatego też, naszym celem było określenie, w jaki sposób białka deacetylazy histonowej (HDAC) przyczyniają się do

• aktywacji FoxO i indukcji programu atrofii mięśni.

Poprzez zastosowanie różnych inhibitorów farmakologicznych do blokowania aktywności HDAC, wykazujemy, że

• klasa I HDAC są kluczowymi regulatorami FoxO i programu atrofii mięśni
• podczas zarówno deprywacji składników odżywczych, jak i nieużywania mięśni szkieletowych.

Więcej, wykazujemy, poprzez użycie plazmidów ekspresji HDAC1 typu dzikiego i dominująco-ujemnego,

• że HDAC1 jest wystarczający do aktywacji FoxO i indukowania atrofii włókien mięśniowych in vivo i
• jest niezbędny do atrofii włókien mięśniowych, która jest związana z nieużywaniem mięśni.

Zdolność HDAC1 do wywoływania atrofii mięśni wymagała jego aktywności deacetylazowej i

• była związana z indukcją kilku genów atrofii przez HDAC1,
• w tym atrogin-1, która wymagała deacetylacji FoxO3a.

Co więcej, farmakologiczne hamowanie klasy I HDACs podczas nieużywania mięśni, przy użyciu MS-275,

• znacząco osłabiło zarówno atrofię włókien mięśniowych, jak i zaburzenia kurczliwości.

Łącznie, dane te ugruntowują znaczenie HDAC klasy I w programie atrofii mięśni i

• wskazują, że inhibitory HDAC klasy I są realnymi środkami zaradczymi w celu zahamowania atrofii i osłabienia mięśni.

Autofagia jest procesem pęcherzykowym dla lizosomalnej degradacji agregatów białkowych i

• uszkodzonych lub zbędnych organelli.

Autofagia odgrywa ważną rolę w homeostazie komórkowej i istnieją dowody, że

• proces ten jest dysregulowany w komórkach nowotworowych.

Ostatnie badania przedkliniczne in vitro wskazują, że autofagia jest

• zaangażowana w odpowiedź cytotoksyczną na chemioterapeutyki w komórkach raka tarczycy.
  • odgrywa również rolę w regulacji autofagii.

  Co więcej, niektóre modulatory epigenetyczne zaangażowane w raka tarczycy również wpływają na autofagię. W tym przeglądzie podkreślamy genetyczne i epigenetyczne czynniki, które

  • mechanicznie łączą karcynogenezę tarczycy i autofagię, uzasadniając w ten sposób przesłanki dla
  • terapii ukierunkowanej na autofagię agresywnych i radio-chemoopornych raków tarczycy.
  Reklamy