Mitokondrid ja plastiidid

On kahekordse membraaniga ümbritsetud organellid. Neil on olemas oma genoom, oma ribosoomid. Nad on suuremad organellid tuuma ja vakuoolide järel. Mitokondrid on olemas kõigil eukarüootsetel rakkudel; kloroplastid esinevad taimerakkudes. Nad hõlmavad märkimisväärse osa raku mahust.
Need organellid tegelevad energia muundamisega sellisesse vormi, mida on võimalik kasutada rakus eluprotsesside läbiviimiseks. Nende eripäraks on see, et nende sisemembraani hulk on märkimisväärselt suur. Sisemembraaniga on seotud elektronide transpordiga tegelevad ensüümid, mis võimaldavad oksüdatiivsete reaktsioonide energiat muuta ATP-ks.
Mitokondrites on energia allikaks suhkrud või rasvhapped, mida O2 oksüdeerib CO2-ks ja H2O-ks; oksüdatsioonil vabanev energia muudetakse ATP-ks. Kloroplast on samuti ATP-d tootev kompartment, kuid seal on energiallikaks päikesevalgus. Vaatamata sellele erinevusele, on mitokondrite ja kloroplastide organiseeritus ning nende ATP tekitamise mehanism sarnane. See baseerub elektrokeemilisele prootoni gradiendi tekitamisele läbi membraani, mis käivitab ATP süntetaasi kompleksi.

Mitokondrite ja plastiidide päritolu

Arvatakse, et need organellid on tekkinud endosümbioosi teel ligikadu 1,5 mljrd. aastat tagasi. Eukarüootide eellane neelas enda sisse teatud bakterid; tekkis teatud sümbiootiline side, mis oli mõlemale poolele kasulik:sümbiont hakkas funktsioneerima kui ATP-d tootev kompartment, peremeesraku plasmamembraan aga polnud enam koormatud energiat tootvate ensüümide poolt ja sai arendada uusi funktsioone. Selle tõestuseks on nende organellide sõltumatu genoom ja oma translatsioonisüsteem, DNA sarnasus prokarüootidega (rôngakujuline, puuduvad histoonid); suurus; tuumast sõltumatu jagunemine.

Mitokondrid

Enamik eukarüootseid rakke sisaldab palju mitokondreid.Näit. maksarakus on keskmiselt 1000-2000 mitokondrit, mis moodustavad viiendiku raku ruumalast. Mitokondreid nägi esimesena Rudolph Kölliker 1850.a., ta kirjeldas lihasrakus "korrastatud partikleid". Termin "mitokonder" võeti kasutusele 1898.a.
Kuigi mitokondrid on piisavalt suured, et neid näha valgusmikroskoobis , on nende funktsioon rakus selgunud alles viimase paarikümne aasta jooksul. 1948. a. eraldati rakust esmakordselt intaktsed mitokondrid. Tehnilistel põhjustel on palju uuringuid tehtud maksarakkudest eraldatud mitokondritega.
 
Tavaliselt kujutatakse mitokondreid jäikade piklike bakteritaoliste moodustistena. Tegelikult on mitokonder väga plastiline organell; tema kuju võib väga kiiresti muutuda; nad on mobiilsed,s.t. liiguvad rakus ringi; nende liikumine toimub mikrotuubulite kaasabil, mis määravad nende rakutüübile iseloomuliku paiknemise rakus. Osades rakkudes on mitokondrid fikseeritud teatud kindlas kohas, kus nad toodavad ATP-d just selles kohas, kus rakk seda intensiivselt tarbib (näit. südamelihase rakus on mitokondrid tihedalt pakitud müofibrillide vahele, spermis aga ümbritsevad nad viburi basaalset osa.
Mitokondreid ümbritseb 2 membraani.Sellest tulenevalt on mitokondril 2 subkompartmenti: Välis- ja sisemembraani vaheline intermembraanne ruum ja mitokondri siseosa e. maatriks. Välimine membraan sisaldab palju transportvalku - poriini; see moodustab kanaleid, mis lasevad läbi valke molekulmassiga kuni 10 kD ja muid madalmolekulaarseid molekule. Need molekulid sisenevad intermembraansesse ruumi, kuid enamik neist ei läbi sisemist membraani. Seega intermembraanne ruum on väikeste molekulide suhtes ekvivalentne tsütoplasmaga, maatriks sisaldab aga selekteeritud molekulide komplekti.
Sisemine membraan on selektiivselt läbilaskev; tal on palju sissesopistusi, mida nimetatakse kristadeks. Sisemembraan ja maatriks ongi need kohad, kus asuvad vastavad ensüümid ning toimub ATP genereerimine oksüdatiivse fosforüülimise abil. Mitokondri maatriksis paiknevate ensüümide abil muudetakse püruvaat ja rasvahapped atsetüül- CoA-ks. See omakorda oksüdeeritakse tsitraaditsüklis, mille ensüümid asuvad ka maatriksis. Tsitraaditsükli põhimõttelised lõpp-produktid on CO2 ja NADH. CO2 väljub rakust kui jääkaine, NADH aga on peamine elektronide allikas elektroni transpordi ahelale. Elektroni transpordi ahela ensüümid paiknevad mitokondri sisemembraanis. ATP süntees toimub nn. kemoosmootse protsessi abil: kõrge energiaga elektronid, mis on saadud NADH ja FADH2 vesiniku aatomitelt, transporditakse piki hingamisahela ensüüme, elektronide ülekandega ühelt valgult teisele vabanevat energiat kasutatakse vesiniku aatomite pumpamiseks mitokondri maatriksist intermembraansesse ruumi. Selle tulemusel tekib elektrokeemiline prootonite gradient läbi sisemembraani, prootonite (H+) tagasiliikumine piki gradienti omakorda käivitab ATP-süntetaasi kompleksi.
Ilma mitokondriteta peaksid praegused loomsed rakud sõltuma anaeroobsest glükolüüsist. See on aga palju väheefektiivsem võrreldes mitokondris toimuva oksüdatiivse fosforüülimisega. Kui glükoos konverteeritakse püruvaadiks glükolüüsi käigus, siis saadakse iga glükoosi molekuli kohta ainult 2 ATP molekuli. Kui püruvaat aga lagundatakse mitokondris edasi süsihappegaasiks ja veeks, siis saadakse 30 molekuli ATP-d ühe glükoosi molekuli kohta.
 
Kas mitokondrites alati toodetakse ATP-d? Teatud erijuhtudel tegelevad mitokondrid ka soojuse tootmisega. Nimelt pruunis rasvkoes, mille värvus on tingitud hulgalistest mitokondritest, esineb mitokondrite sisemembraanis valk, mida nimetatakse termogeniiniks. See valk töötab justkui prootoni transporter, ainult et tema töö kiirus on miljon korda aeglasem kui teistel ioonkanalitel. Ning selle asemel et tekitada prootoni gradient läbi mitokondri sisemembraani, konverteeritakse NADH oksüdatsioonil vabanev energia hoopis soojuseks. Termogeniini hulk mitokondri sisemembraanides võib varieeruda vastavalt keskkonnatingimustele. Näiteks kui katseloomi (rott) kohandada külma temperatuuriga, siis nende mitokondrites suureneb termogeniini süntees.
Pruuni rasvkude on palju talveund magavatel imetajatel. Täiskasvanud inimesel on pruuni rasvkude vähe, vastsündinutel on seda suhteliselt rohkem.
 
Uued mitokondrid tekivad jagunemise teel, kusjuures nende jagunemine ja kasv ei ole seotud tuuma jagunemisega.
 

Mitokondrite genoom

Genoomi suurus ja geenide organiseeritus on eri organismidel väga erinev. Inimese mitokondriaalne DNA (mtDNA) on täielikult sekveneeritud, koosnedes 16 569 bp. (on üks väiksemaid mitokondrite genoome). See kodeerib 2 rRNA-d, 22 tRNA-d, tsütokroom c subühikuid , ATPaasi subühikuid. mtDNA poolt kodeeritud valgud lokaliseeruvad põhiliselt mitokondri sisemembraanis.Vastavaid valke sünteesivad mitokondri enda ribosoomid. Need on seotud mitokondri sisemembraani sisemise poolega tõenäoliselt samamoodi, kui ribosoomid ER-i membraaniga, s.t. kotranslatsiooniliselt.Enamik ensüüme, mida vajatakse oksüdatiivse fosforüleerimise juures, on kodeeritud tuumas olevate geenide poolt. Isegi mtDNA ja RNA polümeraasid on tuuma poolt kodeeritud. Mitokondri sisemembraanil töötavates multiensüümkompleksides on osa subühikuid kodeeritud tuuma poolt, osa aga mtDNA poolt. See tähendab, et komponente tuleb sünteesida õigetes vahekordades. Kuidas see reguleeritud on, pole teada.

Pärmi mtDNA on ca 5 korda suurem - 78 000 bp. Taimede mtDNA aga on veelgi suurem - 200 000 - 2 500 000 bp.

Valkude import mitokondrisse

Evolutsiooni käigus on suur osa mitokondri geene kas läinud kaduma või kandunud üle tuuma. Seega suur osa mitokondris vajaminevaid valke süntesitakse tsütoplasmas ja imporditakse seejärel mitokondrisse. Impordiks on vajalik valgu N-terminuses kindel nn. transiit-järjestus (20-60 am.hapet), mida tunnevad ära membraanis olevad retseptorid. Molekulaargeneetiliste eksperimentide abil on näidatud, et kui vastav signaalpeptiid panna külge mõnele tsütoplasmaatilisele valgule, läheb ta mitokondrisse. Transiitjärjestus võib olla ka palju lühem. Eksperimentaalselt on võimalik seda järjestust lühendada 12 aminohappeni.
Keerulisem on lugu valkudega, mis peavad sattuma sisemembraani, või intermembraansesse ruumi. Näit. intermembraansesse ruumi määratud valkudel on N-terminuses signaaljärjestus, mis suunab valgu kõigepealt maatriksisse. Seal lõigatakse signaaljärjestus maha ja selle taga eksponeerub teine signaaljärjestus, mis koosneb hüdrofoobsetest aminohapetest. See viib valgu maatriksist läbi sisemembraani intermembraansesse ruumi.
Valgu import mitokondrisse vajab ATP energiat, oluline on ka prootoni gradiendi olemasolu. Enne sisenemist mitokondrisse peab imporditav valk tsütoplasmas seonduma spetsiaalse saatevalguga, nn. chaperoniga, mis kuulub hsp70 (heat-shock protein) perekonda. Impoditava valgu võtab seestpoolt vastu mitokondriaalne hsp70 valk. Nende chaperon valkude puudumisel häirub valgu import mitokondrisse.

RNA import mitokondrisse

Viimasel ajal on selgunud, et ka osa tuuma poolt kodeeritud tRNA-sid imporditakse mitokondrisse. Osa tRNA-sid on sellised, mida leidub nii tsütoplasmas kui mitokondris ja mis on ka võimelied funktsioneerima mõlemas kompartmendis. Osa tRNA-sid aga on kodeeritud tuumas, kuid töötavad eranditult mitokondris. Need andmed on saadud praegu Trypanosoma'lt ja Leishmania'lt. Imetajate puhul on postuleeritud ka muude RNA-de importi mitokondrisse. RNA importi mitokondrisse on suhteliselt vähe uuritud, kuid see võib osutuda sama universaalseks protsessiks kui valgu import. Senised tõendid selle kohta on valdavalt kaudsed: teatud mtRNA-d hübridiseeruvad tuuma DNA-ga aga mitte mtDNA-ga, mtDNA järjestuses pole kodeeritud kõiki tRNA geene.

Kloroplast

Kloroplastid sarnanevad mitmeti mitokondritega. Neil on hästi läbilaskev välismembraan, palju vähem permeaabel sisemembraan ning kitsas intermembraanne ruum. Sisemembraan ümbritseb ruumi, mida nimetatakse stroomaks. Seal asub DNA, RNA, ribosoomid jne. Erinevalt mitokondritest on kloroplastidel üks lisakompartment - tülakoidid. Ka on kloroplastid suuremad kui mitokondrid. Eri tülakoidide valendikud on ühendatud omavahel. Seal paiknevad fotosünteetiline valguse absorbeerimise süsteem, elektrontranspotahel ja ATP süntetaasi kompleks.Tülakoidides toimuvaid reaktsioone nimetatakse ka valgusreaktsioonideks, sest valgus on seal otseseks energiaallikaks (elektroni võtmine vee molekulilt ja hapniku teke). Kloroplasti stroomas toimub süsiniku fikseerimise reaktsioon e. pimeduse reaktsioon (sest seal pole otsest valgusenergiat vaja, seal kasutatakse ATP energiat, mis on saadud valgusreaktsioonist. See reaktsioon jätkub tsütoplasmas. Seega valgus- ja pimedusreaktsioon on ruumiliselt eraldatud.
Kloroplastid on organellide perekonna - plastiidide - üks liige. Plastiidid on olemas kõikidel taimerakkudel, igal taimerakutüübil on oma iseloomulik plastiidide komplekt. Kõik plastiidid tekivad proplastiidist, väikesest organellist, mis leidub meristeemirakkudes. Proplastiidid arenevad vastavalt konkreetse taimeraku vajadusele. Kui näiteks traime leht jätta pimedasse, siis areneb proplastiid etioplastiks, mis sisaldab protoklorofülli (kollast värvi klorofülli eellane).Kui tuleb valgus, siis etioplast areneb kloroplastiks, konverteerides protoklorofülli klorofülliks ja sünteesides terve rea valke. Kromoplastid akumuleerivad karotinoid-pigmente, millest sõltub paljude taimede õite kollane, oranz` või punane värvus. Leukoplastid esinevad taime epidermises ja sisemistes kudedes, mis ei muutu roheliseks ja fotosünteesivaks. Leukoplastide tuntumad vormid on amüloplast, mis kogub tärklist, ning elaioplast, mis sisaldab ôli ja lipiidide tilgakesi.
Nagu mitokondergi, sisaldab ka kloroplast oma genoomi ja valgusünteesi masinavärgi. Kloroplasti enda genoom kodeerib ca 10% temas vajaminevatest valkudest. Ülejäänud kodeeritakse tuuma DNA poolt, sünteesitakse tsütoplasmaatilistel ribosoomidel ning imporditakse organelli.
Tuuma poolt kodeeritud ja kloroplasti määratud valkude N- terminuses on 30-100 aminohappest koosnev järjestus, nn. transiit-peptiid, mis on hädavajalik ja küllaldane valgu organelli sisenemiseks ja ka tema õigeks sisemiseks lokaliseerumiseks. Näit. tülakoidi sisemusse määratud valgu transiitpeptiid koosnab kahest osast: selle N-terminuse poolne osa on oluline välismembraanide läbimisel ja see lõigatakse stroomas ära kindla ensüümi poolt. Järelejäänud osa sarnaneb ER- ga seostumist määravale liiderjärjestusele ja see võimaldab tülakoidi membraani läbimist.
Kloroplasti stroomas paiknevad ribosoomid moodustavad üle 25% kogu taimelehe ekstrakti ribosoomidest ja nad sünteesivad kindlasti üle poole valguhulgast, mis on rohelises lehes. Seega kloroplasti ribosoomid mängivad suhteliselt suuremat rolli valgu ainevahetuses kui mitokondri ribosoomid. Maismaataimede kloroplastide genoom kodeerib ca 30 energiaülekandes osalevat valku, 20 ribosoomi valku, rRNA-d, tRNA-d, samuti ka ensüüm ribuloos 1,5-difosfaadi karboksülaasi suure subühiku komponente. Kloroplastides leiduv ensüüm ribuloos-difosfaadi karboksülaas moodustab üle poole kloroplasti kogu valgust ja arvatakse, et seda valku leidub biosfääris kõige rohkem.