Sammanfattning av Cell Structure, Anatomic Correlates of Metabolic Function

Author and Curator: Larry H. Bernstein, MD, FCAP

Detta kapitel har handlat om organellernas subcellulära ultrastruktur och framför allt om deras funktion. Det finns inget avfall i cellstrukturen. Kärnan har de instruktioner som är nödvändiga för att utföra cellens funktioner. I den eukaryota cellen finns det en betydande differentiering så att cellerna regleras för de behov som de unikt utför. När det sker en oreglering leder det till ombyggnad eller celldöd.

Här ska jag notera några höjdpunkter i detta kapitel.

1. I varje aspekt av cellens funktion är proteiner inblandade inbäddade i strukturen, för att fungera så effektivt som möjligt.
2. Metabolisk reglering är beroende av vägar som också är kopplingar av proteiner.
3. Energianvändning är beroende av enzymatiska reaktioner, som ofta involverar essentiella metalljoner med höga valenstal, vilket underlättar kovalent och anjonbindning och har en viktig roll i allostericitet.

Mitokondrier

Mitokondrier varierar från 0,5 till 1,0 mikrometer (μm) i diameter. Dessa strukturer beskrivs ibland som ”cellulära kraftverk” eftersom de genererar det mesta av cellens förråd av adenosintrifosfat (ATP), som används som en källa till kemisk energi. Förutom att leverera cellenergi är mitokondrier involverade i andra uppgifter som signalering, celldifferentiering, celldöd samt kontroll av cellcykeln och celltillväxt. Mitokondrier har varit inblandade i flera mänskliga sjukdomar, inklusive mitokondriella störningar och hjärtdysfunktion.

Antalet mitokondrier i en cell kan variera kraftigt beroende på organism, vävnad och celltyp. Exempelvis har röda blodkroppar inga mitokondrier, medan leverceller kan ha mer än 2 000 mitokondrier. Organellen består av avdelningar som utför specialiserade funktioner. Dessa avdelningar eller regioner omfattar det yttre membranet, intermembranutrymmet, det inre membranet samt cristae och matrix. Mitokondriella proteiner varierar beroende på vävnad och art. Mitokondriernas proteom anses vara dynamiskt reglerat. Även om det mesta av en cells DNA finns i cellkärnan har mitokondrien sitt eget oberoende genom. Vidare uppvisar dess DNA stora likheter med bakteriegenom.

1913 kopplade Otto Heinrich Warburg partiklar från extrakt av levern från marsvin till andningen, som han kallade ”grana”. Warburg och Heinrich Otto Wieland, som också hade postulerat en liknande partikelmekanism, var oense om andningens kemiska natur. Det var inte förrän 1925 när David Keilin upptäckte cytokromer som andningskedjan beskrevs. År 1939 visade experiment med malda muskelceller att en syreatom kan bilda två adenosintrifosfatmolekyler, och 1941 utvecklade Fritz Albert Lipmann konceptet att fosfatbindningar är en form av energi i den cellulära ämnesomsättningen. Under de följande åren utvecklades mekanismen bakom den cellulära andningen ytterligare, även om dess koppling till mitokondrierna inte var känd. När Albert Claude införde vävnadsfraktionering kunde mitokondrier isoleras från andra cellfraktioner och biokemiska analyser utföras enbart på dem. År 1946 drog han slutsatsen att cytokromoxidas och andra enzymer som är ansvariga för andningskedjan var isolerade till mitokondrierna.

De första högupplösta mikrograferna dök upp 1952 och ersatte Janus Green-färgningarna som det föredragna sättet att visualisera mitokondrierna. Detta ledde till en mer detaljerad analys av mitokondriernas struktur, inklusive en bekräftelse på att de var omgivna av ett membran. Den visade också att det finns ett andra membran inuti mitokondrierna som viks upp i kammar som delar upp den inre kammaren och att mitokondriernas storlek och form varierar från cell till cell. År 1967 upptäckte man att mitokondrier innehöll ribosomer. År 1968 utvecklades metoder för att kartlägga mitokondriernas gener, och den genetiska och fysiska kartläggningen av jästmitokondrier slutfördes 1976.

En mitokondrie innehåller yttre och inre membran som består av fosfolipidbilager och proteiner. De två membranen har olika egenskaper. På grund av denna organisation med dubbla membran finns det fem olika delar i en mitokondrion. De är:

1. det yttre mitokondriella membranet,
2. intermembranutrymmet (utrymmet mellan det yttre och inre membranet),
3. det inre mitokondriella membranet,
4. kristautrymmet (som bildas av utvikningar av det inre membranet), och
5. matrixen (utrymmet inom det inre membranet).

Mitokondrier som är befriade från sitt yttre membran kallas mitoplaster.

Mitokondrions ultrastruktur (interaktivt diagram) En mitokondrie har ett dubbelt membran; det inre membranet innehåller dess kemosmotiska apparat och har djupa rännor som ökar dess yta. Även om mitokondrier vanligen avbildas som en ”orange korv med en klump inuti” (som här) kan de ha många olika former och deras intermembranutrymme är ganska tunt.

Intermembranutrymmet är utrymmet mellan det yttre membranet och det inre membranet. Det är också känt som perimitokondriellt utrymme. Eftersom det yttre membranet är fritt genomsläppligt för små molekyler är koncentrationerna av små molekyler som joner och sockerarter i intermembranutrymmet desamma som i cytosolen. Stora proteiner måste dock ha en specifik signalsekvens för att kunna transporteras genom det yttre membranet, så proteinsammansättningen i detta utrymme skiljer sig från proteinsammansättningen i cytosolen. Ett protein som lokaliseras till intermembranutrymmet på detta sätt är cytokrom c.

Det inre mitokondriella membranet innehåller proteiner med fem typer av funktioner:

1. De som utför redoxreaktionerna vid oxidativ fosforylering
2. ATP-syntas, som genererar ATP i matrisen
3. Specifika transportproteiner som reglerar metaboliternas passage in i och ut ur matrisen
4. Proteinimportmaskineriet.
5. Mitokondriernas fusions- och fissionsprotein.

Den innehåller mer än 151 olika polypeptider och har ett mycket högt förhållande mellan proteiner och fosfolipider (mer än 3:1 i vikt, vilket är ungefär 1 protein för 15 fosfolipider). Det inre membranet innehåller cirka 1/5 av det totala proteinet i en mitokondrion. Dessutom är det inre membranet rikt på en ovanlig fosfolipid, kardiolipin. Denna fosfolipid upptäcktes ursprungligen i kohjärtan 1942 och är vanligtvis karakteristisk för mitokondriernas och bakteriernas plasmamembran. Cardiolipin innehåller fyra fettsyror i stället för två, och kan bidra till att göra det inre membranet ogenomträngligt. Till skillnad från det yttre membranet innehåller det inre membranet inga poriner och är i hög grad ogenomträngligt för alla molekyler. Nästan alla joner och molekyler kräver speciella membrantransportörer för att komma in i eller ut ur matrisen. Proteiner transporteras in i matrisen via translocase of the inner membrane (TIM)-komplexet eller via Oxa1. Dessutom finns det en membranpotential över det inre membranet, som bildas genom verkan av enzymerna i elektrontransportkedjan.

Det inre mitokondriemembranet är uppdelat i många cristae, som utökar det inre mitokondriemembranets yta, vilket ökar dess förmåga att producera ATP. För typiska levermitokondrier är det inre membranets yta ungefär fem gånger så stor som det yttre membranet. Detta förhållande varierar och mitokondrier från celler som har ett större behov av ATP, t.ex. muskelceller, innehåller ännu fler cristae. Dessa veck är översållade med små runda kroppar som kallas F1-partiklar eller oxysomer. Dessa är inte enkla slumpmässiga veck utan snarare invaginationer av det inre membranet, vilket kan påverka den övergripande kemosmotiska funktionen. En nyligen genomförd studie med matematisk modellering har föreslagit att de optiska egenskaperna hos cristae i filamentösa mitokondrier kan påverka genereringen och spridningen av ljus i vävnaden.

Matrisen är det utrymme som innesluts av det inre membranet. Den innehåller ungefär 2/3 av det totala proteinet i en mitokondrion. Matrisen är viktig för thThe MAM är berikad på enzymer som är involverade i lipidbiosyntesen, såsom fosfatidylserinsyntas på ER-ytan och fosfatidylserindekarboxylas på mitokondrieytan. Eftersom mitokondrier är dynamiska organeller som ständigt genomgår fission och fusion behöver de en konstant och välreglerad tillförsel av fosfolipider för membranintegritet. Mitokondrierna är dock inte bara en destination för de fosfolipider som de avslutar syntesen av. Denna organell spelar snarare också en roll i trafiken mellan organellerna av mellanprodukter och produkter från fosfolipidbiosyntetiska vägar, ceramid- och kolesterolmetabolism och glykosfingolipid anabolism produktion av ATP med hjälp av det ATP-syntas som finns i det inre membranet. Matrisen innehåller en högkoncentrerad blandning av hundratals enzymer, speciella mitokondriella ribosomer, tRNA och flera kopior av det mitokondriella DNA-genomet. Av enzymerna är de viktigaste funktionerna oxidation av pyruvat och fettsyror samt citronsyracykeln.

Purifierad MAM från subcellulär fraktionering har visat sig vara berikad på enzymer som är involverade i fosfolipidutbyte, förutom kanaler som är associerade med Ca2+-signalering. Det mitokondrieassocierade ER-membranet (MAM) är ett annat strukturellt element som alltmer erkänns för sin kritiska roll i cellulär fysiologi och homeostas. De påstådda ER-vesikelkontaminanter som alltid förekom i mitokondriefraktionen och som en gång ansågs vara ett tekniskt problem vid fraktionering av celler, har återigen identifierats som membranstrukturer som härrör från MAM – gränssnittet mellan mitokondrier och ER. Fysisk koppling mellan dessa två organeller har tidigare observerats i elektronmikrografer och har nyligen undersökts med fluorescensmikroskopi. Sådana studier uppskattar att vid MAM, som kan utgöra upp till 20 % av mitokondriernas yttre membran, är ER och mitokondrier åtskilda med endast 10-25 nm och hålls samman av proteinkomplex.

En sådan trafikeringskapacitet är beroende av MAM, som har visat sig underlätta överföringen av lipidintermediärer mellan organellerna. I motsats till den vanliga vesikulära mekanismen för lipidöverföring finns det belägg för att den fysiska närheten mellan ER- och mitokondrialmembranen vid MAM gör det möjligt att vända lipiderna mellan motsatta bilager. Trots denna ovanliga och till synes energimässigt ogynnsamma mekanism kräver en sådan transport inte ATP. I jäst har det i stället visats att den är beroende av en multiproteinstruktur som kallas ER-mitokondriernas mötesstruktur, ERMES, även om det fortfarande är oklart om denna struktur direkt förmedlar lipidöverföringen eller om den krävs för att hålla membranen tillräckligt nära varandra för att sänka energibarriären för lipidflippning.

En kritisk roll för ER i kalciumsignalering erkändes innan en sådan roll för mitokondrierna var allmänt accepterad, delvis på grund av att den låga affiniteten hos Ca2+-kanaler som är lokaliserade till det yttre mitokondriemembranet tycktes strida mot denna organells påstådda reaktionsförmåga på förändringar i intracellulärt Ca2+-flöde. Men närvaron av MAM löser upp denna skenbara motsägelse: den nära fysiska föreningen mellan de två organellerna resulterar i Ca2+-mikrodomäner vid kontaktpunkterna som underlättar en effektiv Ca2+-överföring från ER till mitokondrierna. Överföringen sker som svar på så kallade ”Ca2+-puffar” som genereras av spontan klustring och aktivering av IP3R, en kanonisk Ca2+-kanal i ER-membranet.

Genskaperna hos Ca2+-pumpen SERCA och IP3R-kanalen som finns på ER-membranet underlättar återkopplingsreglering som samordnas av MAM-funktionen. I synnerhet möjliggör clearance av Ca2+ genom MAM en rums- och tidsmässig mönstring av Ca2+-signalering eftersom Ca2+ förändrar IP3R-aktiviteten på ett bifasiskt sätt. SERCA påverkas också av mitokondriell återkoppling: upptag av Ca2+ från MAM stimulerar ATP-produktionen, vilket ger energi som gör det möjligt för SERCA att ladda ER med Ca2+ för fortsatt Ca2+-utflöde vid MAM. MAM är således inte en passiv buffert för Ca2+-puffer, utan bidrar snarare till att modulera ytterligare Ca2+-signalering genom återkopplingsslingor som påverkar ER-dynamiken.

Reglering av ER-frisättning av Ca2+ vid MAM är särskilt kritisk eftersom endast ett visst fönster av Ca2+-upptag upprätthåller mitokondrierna, och följaktligen cellen, vid homeostas. Tillräcklig intraorganell Ca2+-signalering krävs för att stimulera ämnesomsättningen genom att aktivera dehydrogenasenzymer som är kritiska för flödet genom citronsyracykeln. När Ca2+-signaleringen i mitokondrierna väl passerar ett visst tröskelvärde stimuleras dock den intrinsiska apoptosvägen delvis genom att den mitokondriella membranpotential som krävs för ämnesomsättningen kollapsar. Studier där man undersöker rollen för pro- och antiapoptotiska faktorer stöder denna modell; till exempel har den antiapoptotiska faktorn Bcl-2 visat sig interagera med IP3Rs för att minska Ca2+-fyllningen av ER, vilket leder till minskat utflöde vid MAM och förhindrar kollaps av mitokondriernas membranpotential efter apoptotiska stimuli. Med tanke på behovet av en sådan finreglering av Ca2+-signalering är det kanske inte förvånande att dysreglerat mitokondrie-Ca2+ har involverats i flera neurodegenerativa sjukdomar, samtidigt som katalogen över tumörsuppressorer innehåller några som är berikade vid MAM.

…mer

Lysosom och apoptos

Autofagins roll i cancer

R Mathew, V Karantza-Wadsworth & E White

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

Autofagi är en cellulär nedbrytningsväg för att rensa bort skadade eller överflödiga proteiner och organeller. Återvinningen av dessa intracellulära beståndsdelar fungerar också som en alternativ energikälla under perioder av metabolisk stress för att upprätthålla homeostas och livskraft. I tumörceller med brister i apoptos möjliggör autofagi förlängd överlevnad. Paradoxalt nog är defekter i autofagin förknippade med ökad tumörigenesering, men mekanismen bakom detta har inte fastställts. Nya bevis tyder på att autofagi har en skyddande funktion för att begränsa tumörnekros och inflammation och för att mildra skador på arvsmassan i tumörceller som svar på metabolisk stress.

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 maj, 2013; 17(5): p731-744 http://dx.doi.org/10.1016/j.cmet.2013.03.015

• mTORC1-hämning krävs för konstitutiv och svält-inducerad autofagi
• Underhållen aktivering av mTORC1 orsakar en allvarlig myopati på grund av försämrad autofagi
• TSC1-depletion är tillräcklig för att aktivera mTORC1 oberoende av andra stimuli
• mTORC1 inaktivering är tillräcklig för att utlösa LC3-lipidering

Autofagi är en katabolisk process som säkerställer homeostatisk cellröjning och är avreglerad i ett växande antal myopatologiska tillstånd. Även om FoxO3 visades främja uttrycket av autofagirelaterade gener i skelettmuskulaturen är mekanismerna som utlöser autofagi oklara. Vi visar att TSC1-bristande möss (TSCmKO), som kännetecknas av en ihållande aktivering av mTORC1, utvecklar en sent insatt myopati relaterad till försämrad autofagi. Hos unga TSCmKO-möss

• blockeras
  • konstitutiv och svältinducerad autofagi vid induktionsstegen via
  • mTORC1-medierad hämning av Ulk1, trots FoxO3-aktivering.

  Rapamycin är tillräckligt för att återställa autofagi hos TSCmKO-möss och

  • förbättrar muskelfenotypen hos gamla muterade möss.

  Omvänt inducerar abrogation av mTORC1-signalering genom

  • depletion av raptor autofagi oberoende av FoxO-hämning.

  Därmed är mTORC1 den dominerande regulatorn för induktion av autofagi i skelettmuskulaturen och

  • säkerställer en nära samordning av metaboliska vägar.

  Dessa fynd kan öppna intressanta vägar för terapeutiska strategier som är riktade mot autofagirelaterade muskelsjukdomar.

  Histondeacetylaser 1 och 2 reglerar autofagiflödet och skelettmuskelhomeostasen hos möss

  HDAC1 aktiverar FoxO och är både tillräcklig och nödvändig för skelettmuskelatrofi

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

  Transkriptionsfaktorerna Forkhead box O (FoxO) aktiveras, och är nödvändiga för muskelatrofi, i flera patofysiologiska tillstånd, inklusive muskelavslappning och cancerkachexi. De mekanismer som leder till FoxO-aktivering är dock inte väldefinierade. Nya data från vårt laboratorium och andra tyder på att

  • aktiviteten hos FoxO undertrycks under basala förhållanden via reversibel lysinacetylering,
  • vilket äventyras under katabola förhållanden.

  Därför syftade vi till att fastställa hur histondeacetylas (HDAC)-proteiner bidrar till

  • aktivering av FoxO och induktion av muskelatrofi-programmet.

  Med hjälp av olika farmakologiska hämmare för att blockera HDAC-aktivitet visar vi att

  • klass I HDACs är nyckelreglerare av FoxO och muskelatrofi programmet
  • under både näringsdeprivation och skelettmuskulatur som inte används.

  För övrigt visar vi, genom användning av vildtyp och dominant-negativa HDAC1-uttrycksplasmider,

  • att HDAC1 är tillräcklig för att aktivera FoxO och inducera muskelfiberatrofi in vivo och
  • är nödvändig för den atrofi av muskelfibrer som är förknippad med muskelavvänjning.

  Förmågan hos HDAC1 att orsaka muskelatrofi krävde dess deacetylasaktivitet och

  • var kopplad till induktionen av flera atrofigener av HDAC1,
  • inklusive atrogin-1, som krävde deacetylering av FoxO3a.

  Farmakologisk hämning av klass I HDACs under muskelavbrott, med hjälp av MS-275,

  • mildrade dessutom signifikant både muskelfiberatrofi och kontraktila dysfunktioner vid muskelavbrott.

  Tillsammantaget befäster dessa data betydelsen av klass I HDACs i muskelatrofi programmet och

  • indikerar att klass I HDAC-hämmare är genomförbara motåtgärder för att hindra muskelatrofi och muskelsvaghet.

  Autofagi är en vesikulär process för lysosomal nedbrytning av proteinaggregat och

  • av skadade eller redundanta organeller.

  Autofagi spelar en viktig roll i cellhomeostasen, och det finns bevis för att

  • denna process är dysreglerad i cancerceller.

  Nyligen genomförda prekliniska in vitro-studier har indikerat att autofagi är

  • involverat i den cytotoxiska responsen på kemoterapeutika i sköldkörtelcancerceller.

  Förvisso spelar flera onkogener och onkosuppressorgener som är inblandade i sköldkörtelcancerogenes

  • också en roll i regleringen av autofagi.

  Det är dessutom så att vissa epigenetiska modulatorer som är inblandade i sköldkörtelcancerogenes också påverkar autofagi. I denna översikt lyfter vi fram de genetiska och epigenetiska faktorer som

  • mekanistiskt kopplar samman sköldkörtelcancerogenes och autofagi, vilket underbygger resonemanget om
  • en autofagi-målinriktad terapi av aggressiva och radiokemoresistenta sköldkörtelcancrar.
  Annonser

  .