マインドマップギャラリー 第 6 章 ミトコンドリアと細胞間のエネルギー変換
細胞生物学「細胞のミトコンドリアとエネルギー変換」マインドマップは、ミトコンドリア、細胞呼吸とエネルギー変換、ミトコンドリアと病気などを含む非常に詳細な内容です。
2023-11-14 22:03:10 に編集されました第 6 章: ミトコンドリアと細胞間のエネルギー変換
セクション 1 ミトコンドリア
1. 形状、量および構造
1. 形状・数量
①フォーム:
異なるタイプまたは異なる生理学的状態
低張環境:泡のように膨らむ
高張環境: 線状に細長い
細胞発生のさまざまな段階
初期:短い棒状
後期:長い棒状
②量:細胞の種類による
2. ミトコンドリアの超微細構造
①外膜
②内膜
空間構造
内腔(間質腔)
外部空間(膜間空間)
紋章
頭蓋間腔
頭蓋内腔
③反転接点
物質をミトコンドリアに輸送するための一時的な構造
内膜トランスロコン
外膜トランスロコン
④マトリックス
酸化代謝の部位
⑤グラナ
化学本質はATP合成酵素です
ATP シンターゼ、または ATP と酵素の複合体としても知られています。
2. 化学組成
1.タンパク質
可溶性タンパク質
不溶性タンパク質
2. 脂質
ほとんどがリン脂質
3.その他
多くの酵素システム
マーカー酵素
内膜: シトクロムオキシダーゼ
外膜: モノアンモニウムオキシダーゼ
基質: リンゴ酸デヒドロゲナーゼ
膜間腔: アデニル酸キナーゼ
3. 遺伝システム
1. ミトコンドリア DNA
特徴
存在部分
量
エンコード製品
ゲノム構造
2. ミトコンドリア遺伝子の転写
転写する
プロモーター
ミトコンドリアゲノムの転写は、重鎖プロモーター (HSP) と軽鎖プロモーター (LSP) という 2 つの主要なプロモーターから始まります。転写因子がそれに結合し、mtRNA ポリメラーゼの作用下で転写を開始します。
転写プロセス
ミトコンドリア遺伝子の転写は原核生物の転写と似ており、mRNA や tRNA を含むポリシストロニックな配列が生成されます。
重鎖は 2 つの一次転写物を形成します
一次転写物 I - tRNAphe、tRNAval、12S rRNA、および 16S rRNA
一次転写物 II -- mRNA と tRNA
mRNA合成
イントロンを含まず、非翻訳領域もほとんど含まない
開始パスワードは AUG (または AUA) で、終了パスワードは UAA です。
3' 末端にはポリ A テールがあり、5' 末端には核 mRNA プロセシングのためのキャップ構造がありません。
タンパク質の翻訳
ミトコンドリア内およびミトコンドリア リボソーム上で翻訳される
ミトコンドリアのリボソームを構成するタンパク質は細胞質からミトコンドリアに輸送されます。
タンパク質合成に使用されるすべての tRNA は mtDNA によってコードされています
3. ミトコンドリア DNA の複製
コピー機能
DNA複製は原核細胞に似ています
レプリケーションの起点
重鎖の複製起点: 重鎖の自己複製を制御する
軽鎖の複製起点: 軽鎖の自己複製を制御する
軽鎖は重鎖よりも遅く複製します
重鎖の合成方向は時計回りです
軽鎖の合成方向は反時計回りです
複製は細胞周期の影響を受けず、細胞周期の定常期や間期を超えて、細胞周期全体に分散することさえできます。
4. コードされたタンパク質の輸送
核にコードされたタンパク質のミトコンドリアマトリックスへの輸送🌟
ミトコンドリアには約 1,000 個の遺伝子産物があり、そのうち 37 個だけがミトコンドリア ゲノムによってコードされ、残りは核によってコードされます。
特徴
前駆体タンパク質は細胞質で合成されます
ミトコンドリア輸送シグナル(MTSなど)
外膜トランスロコンと内膜トランスロコンが協力して、転座接点を通ってミトコンドリアに侵入します。
エネルギーを消費する
分子シャペロン支援
タンパク質のアンフォールディングとリフォールディングのプロセスがある
必要な条件
1. 核にコードされたタンパク質がミトコンドリアに入るにはシグナル配列が必要です。
2. 前駆体タンパク質はミトコンドリアの外側で折り畳まれていない状態で残ります。
輸送プロセス
3. 分子運動によって生成される力は、ポリペプチド鎖がミトコンドリア膜を通過するのを助けます
リフォールド
4. 活性タンパク質を形成するには、ポリペプチド鎖がミトコンドリアマトリックス内で折り畳まれる必要があります。
核にコードされたタンパク質のミトコンドリアの他の部分への輸送
要約する
核にコードされたタンパク質がミトコンドリアに入るにはシグナル配列が必要です
前駆体タンパク質がミトコンドリアの外で展開する
ポリペプチド鎖がミトコンドリア膜を通過する
ミトコンドリア内でポリペプチド鎖がリフォールディングされる
5. 起源
ミトコンドリアの遺伝システムは細菌の遺伝システムと似ています
ミトコンドリアのタンパク質合成は細菌の合成と似ています
内部共生説(非共生仮説)
6. 分割と融合
ミトコンドリア融合は、一連の関連タンパク質によって媒介されるプロセスです
ミトコンドリアは二重膜構造をしているため、ミトコンドリアの融合と分裂には内膜と外膜の共同関与が必要であり、一連のタンパク質分子による正確な仲介と制御が必要です。
FZO1/Mfnsはミトコンドリア外膜融合を媒介する
Mgm1/OPA1はミトコンドリア内膜融合を媒介する
ミトコンドリアは分裂して増殖する
現在、ミトコンドリアの生合成は元のミトコンドリアの分裂によって完了すると一般に考えられています。
ミトコンドリア分裂の 3 つの方法:
芽生えた部門
収縮分割
中隔部
ミトコンドリアは均等に分割されていません。同じミトコンドリア内に、異なるタイプの mtDNA が存在し、新しいミトコンドリアにランダムに分布することがあります。
一方、ミトコンドリア分裂も細胞分裂の影響を受けます。
ミトコンドリアの分裂プロセスも一連のタンパク質によって媒介されます
mtDNAは新しいミトコンドリアにランダムかつ不均一に分布します
√同じミトコンドリア内に、異なるタイプの mtDNA、つまり野生型 mtDNA と変異型 mtDNA が存在する可能性があります。分裂中に、野生型と変異型の mtDNA が分離し、新しいミトコンドリアにランダムに分布します。
√同じ細胞内に、異なる mtDNA を持つミトコンドリア、つまり野生型ミトコンドリアと変異ミトコンドリアが存在する可能性があります。分裂するとき、それらは新しいセルにランダムに割り当てられます。
母系遺伝
母親は自分の mtDNA を息子と娘の両方に伝えますが、自分の mtDNA を次世代に伝えることができるのは娘だけです。
7. 機能
🌟ミトコンドリアの半自律性の性質を理解する
独立した遺伝子システムを持っている
半自律性の理由
ミトコンドリアもタンパク質を合成できますが、その合成能力には限界があります。ミトコンドリア内の 1,000 以上のタンパク質のうち、単独で合成されるのはわずか 12 個だけです。ミトコンドリアのリボソームタンパク質、アミノアシル tRNA 合成酵素、および多くの構造タンパク質は、細胞質で合成された後、ミトコンドリアに送られます。そのため、ミトコンドリアは半自律性細胞小器官と呼ばれます。
セクション 2 細胞呼吸とエネルギー変換
細胞呼吸
特徴
①本質的には、ミトコンドリア内の酵素によって触媒される一連の酸化還元反応です。
②発生したエネルギーはATPの高エネルギーリン酸結合に蓄えられる
③反応プロセス全体が分散して進行し、エネルギーも徐々に放出されます。
④反応は37℃の恒温、定圧で行われます。
⑤反応プロセスにはH₂Oの関与が必要です
細胞呼吸によって生成されたエネルギーは、細胞エネルギー変換分子ATPに蓄えられます。
1.ATPは高エネルギーのリン酸化合物です
2.細胞呼吸中に、放出されたエネルギーは、バックアップとしての ADP のリン酸化を通じて、ATP の高エネルギーリン酸結合に即座に蓄えられます。
3.細胞がさまざまな活動を行うためにエネルギーを必要とする場合、細胞は脱リン酸化されて高エネルギーのリン酸結合を切断し、体のニーズを満たすエネルギーを放出します。
ATP に含まれるエネルギーは、糖、アミノ酸、脂肪酸などの酸化によって得られます。これらの物質の酸化は、エネルギー変換の前提条件です。
解糖から ATP 生成までは、次の 3 つのステップに分かれる非常に複雑なプロセスです。
解糖系 - 細胞質
トリカルボン酸回路 (TAC) - ミトコンドリア
酸化的リン酸化 - ミトコンドリア
細胞質におけるグルコースの解糖
グルコースは細胞質内で解糖系を介してピルビン酸に分解されます
ミトコンドリアマトリックス中のピルビン酸のアセチルCoAへの酸化的脱炭酸
ミトコンドリアマトリックスのトリカルボン酸回路
ATP 形成と共役する酸化的リン酸化
(1) 呼吸鎖と ATP 合成酵素の複合体は酸化的リン酸化の構造基盤です
1.呼吸鎖
呼吸鎖は、ミトコンドリアの内膜に関与する酵素や補酵素が一定の順序で並んで水素や電子の受け渡しを行っているため、電子伝達鎖とも呼ばれます。
(2) 酸化的リン酸化カップリング
<ATP合成酵素複合体>
ミトコンドリア内膜(クリステを含む)の内面に付着した球状のグラナです。
これは、呼吸鎖内の電子伝達中に放出されるエネルギーを使用して ADP をリン酸化し、ATP を生成する重要なデバイスです。
その化学的本質は、FoF、ATP シンターゼとしても知られる ATP シンターゼ複合体です。
(3) カップリングメカニズム - 化学浸透仮説
化学浸透圧カップリング仮説では、酸化的リン酸化カップリングの基本原理は次のように考えられています。
電子輸送における自由エネルギーの差により、H + が膜を越えて輸送され、ミトコンドリア内膜を横切る電気化学的プロトン勾配に変換されます。プロトンは勾配を逆流してエネルギーを放出し、内膜に結合した ATP 合成酵素を駆動して ADP のリン酸化を触媒して ATP を合成します。
NADH または FADH2 は一対の電子を提供し、電子伝達系を通過して最終的に O2 によって受け入れられます。
電子伝達系は H + ポンプとしても機能し、電子の移動プロセスにはミトコンドリア マトリックスから膜間腔への H + の移動が伴います。
ミトコンドリア内膜はH + とOHに対して不透過性であるため、電子伝達プロセスが進行するにつれてH + が膜間腔に蓄積し、内膜の両側にプロトン濃度の差が生じ、それによって一定のポテンシャルエネルギー差が維持されます。
膜間腔内の H + は濃度勾配に沿ってマトリックスに戻る傾向があり、位置エネルギーの助けを借りて ATP 合成酵素複合体 F を通過できます。ミトコンドリア上のプロトン チャネルがミトコンドリア マトリックスに浸透し、放出された自由エネルギーによって ATP シンターゼが駆動されて ATP が合成されます。
ミトコンドリア膜構造の完全性を強調します。H は膜を自由に通過できず、プロトン動的ポテンシャルが内膜の両側に形成され、酸化がリン酸化と結合します。
指向性化学反応
電子移動方向 x
H ⁺方向を移動
ATP合成の反応にも方向性がある
セクション 3 ミトコンドリアと病気
病気中のミトコンドリアの変化
mtDNA の変異と病気
ミトコンドリアの構造的および機能的欠陥を主な原因とする疾患は、多くの場合、ミトコンドリア障害と呼ばれます。
ミトコンドリア病は多系統疾患のグループであり、中枢神経系と骨格筋はエネルギーに最も依存しているため、臨床症状は中枢神経系と骨格筋の病変によって特徴付けられます。
ミトコンドリア脳筋症 (ME) は、ミトコンドリアの構造および/または機能の異常によって引き起こされる、主に脳と筋肉に関わる一連の稀な多系統疾患です。
筋肉損傷の主な症状としては、骨格筋の疲労に対する極度の不耐症が挙げられ、神経系の主な症状としては、外眼筋麻痺、脳卒中、反復性てんかん、ミオクローヌス、片頭痛、運動失調、知的障害、視神経障害などが挙げられます。その他の系の症状としては、極度の疲労が挙げられます。骨格筋の不耐性 症状には、心臓ブロック、心筋症、糖尿病、腎不全、腸の偽閉塞、低身長が含まれる場合があります。
病因: mtDNA8344G 変異 → 全体的なミトコンドリアタンパク質合成レベル ↓ → 複合体 II 以外の酸化的リン酸化成分の含有量の減少 (特に呼吸鎖酵素複合体 I および IV の含有量の減少)。
ミトコンドリア脳筋症は、さまざまな臨床症候群に応じていくつかのカテゴリーに分類できます。
MELAS症候群(乳酸血症を伴うミトコンドリア脳筋症および脳卒中様エピソード症候群)の症状には、さまざまな程度の認知障害およびアルツハイマー病、乳酸アシドーシス、脳卒中、一過性脳虚血発作、難聴、運動障害、体重減少が含まれます。
MERRF 症候群 (ぼろぼろの赤い線維を伴うミオクロニー発作) の症状には、進行性ミオクロニーてんかん、低身長、筋線維の筋鞘における疾患のあるミトコンドリア凝集塊の蓄積が含まれます。
KSS 症候群 (進行性外眼筋麻痺症候群) は、ミトコンドリア脳筋症のサブタイプであることもあり、網膜色素変性症、心臓ブロック、外眼筋麻痺が含まれます。
レバー遺伝性視神経症(LHON)
母性遺伝性の視神経変性疾患です。患者の大多数は男性で、この病気は通常 15 歳から 35 歳の間で発症します。主な臨床症状は、両眼の急性または亜急性の痛みを伴わない同時または連続的な視力喪失であり、中心視野および色の喪失を伴うこともあります。視覚障害。視覚障害の重症度は、完全に正常、軽度、中等度、重度までさまざまです。
LHON の主な生化学的欠陥は複合体 I 欠損であり、遺伝子異常は mtDNA の 11778 位の転座変異です。さらに、14484 個と 3460 個の点変異が報告されています。
慢性進行性外眼筋麻痺 (CPEO)
これは、眼瞼下垂から始まり、徐々に眼球運動障害が進行し、最終的には眼球が動かなくなる、まれな眼球運動障害の慢性疾患です。原因には、外傷、毒素、変性、遺伝性疾患、腫瘍などが含まれます。
リー症候群
亜急性壊死性脳脊髄症としても知られる、呼吸鎖サブユニットの喪失によって引き起こされる先天性代謝障害です。ミトコンドリア脳筋症です。通常、2月から6歳までの間に発症し、数週間または数か月以内に死亡します。大多数の子供は2歳になる前に死亡します。
乳児期に発症した人のより特徴的な臨床症状には、断続的な呼吸リズムの異常、外眼筋麻痺、眼振、運動失調、視聴覚障害が含まれますが、幼児期に発症した人のより顕著な症状は筋無力症です。ほとんどの子供は重度の乳酸アシドーシスを患います。
ミトコンドリアの融合および分裂の異常に関連する疾患
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