Definition af peroxisom
Peroxisomer er membranbundne organeller i de fleste eukaryote celler, primært involveret i lipidmetabolisme og omdannelse af reaktive iltarter såsom hydrogenperoxid i sikrere molekyler som vand og ilt.
Fedtstoffer er bekvemme energilagringsmolekyler på grund af deres høje energitæthed. Antallet af ATP frigivet fra oxidationen af et gram fedt er meget højere end det, der stammer fra kulhydrater eller proteiner. Lipider er også yderst nyttige molekyler til dannelse af membranbundne underrum i celler eller til afgrænsning af cytoplasmaet fra det ekstracellulære rum. Deres lipofile biokemi gør dem imidlertid vanskelige at metabolisere i et vandigt cellulært miljø. Peroxisomer er strukturer, hvor metabolismen af disse hydrofobe molekyler opstår.
Peroxisomernes struktur
Peroxisomer er organeller, der kan varierer i form, størrelse og antal afhængigt af celleens energibehov. I gærceller krymper et kulhydratrig vækstmedium peroxisomer. På den anden side kan tilstedeværelsen af toksiner eller en lipidrig diæt øge deres antal og størrelse.
Disse organeller er lavet af et phospholipid dobbeltlag med mange membranbundne proteiner – især dem, der fungerer som protein transportører og translokatorer. Enzymerne, der er involveret i afgiftning og lipidmetabolisme, syntetiseres på frie ribosomer i cytoplasmaet og importeres selektivt til peroxisomer, hvilket gør dem mere lig mitokondrier og kloroplaster sammenlignet med lysosomer, der springer ud fra det endoplasmatiske retikulum (ER). Der er dog også nogle beviser, der forbinder ER-medieret proteinsyntese med de enzymer, der er til stede i peroxisomer.
Enzymer og proteiner bestemt til peroxisomet indeholder normalt en af to signalsekvenser. Det vil sige, at der er korte strækninger af et par aminosyrer, der bestemmer proteinets subcellulære placering. Den mere almindelige signalsekvens kaldes Peroxisome Targeting Sequence 1 (PTS1), som består af en aminosyretrimer. Proteiner indeholdende PTS1-signalsekvens har en serinrest efterfulgt af en lysin og derefter en leucinrest i deres carboxy-terminale ende. En stor del af peroxisomale proteiner har denne signalsekvens. For at PTS1 skal fungere optimalt, er også aminosyresekvenser opstrøms for denne trimer nødvendige. Nogle rapporter antyder, at den C-terminale sekvens ideelt set skal ses som en strækning på 20 aminosyrer, der er nødvendige for genkendelsen af proteinet af den peroxisomale transportør og translokatormolekyler.
Alternativt kan et peroxisomalt protein også have en N-terminal signalsekvens bestående af 9 aminosyrer. Denne sekvens er lavet af to dimerer adskilt af en strækning på 5 aminosyrer. Den første dimer er lavet af arginin og leucin, mens den anden dimer er lavet af histidin og leucin. Denne signalsekvens er repræsenteret ved hjælp af aminosyrekoden med enkelt bogstav som RLx5HL.
Der er noget bevis for, at der er andre interne sekvenser, der er målrettet mod proteiner til import til peroxisomet, der endnu ikke er blevet karakteriseret. Peroxisomer indeholder også nogle enzymer i meget høje koncentrationer, der undertiden ser ud til at have en krystalloid kerne.
Peroxisomets phospholipider syntetiseres for det meste i det glatte ER. Da et peroxisom vokser i størrelse på grund af indtrængen af proteiner og lipider, kan det opdeles i 2 organeller.
Sammenligning mellem peroxisomer og andre organeller
Peroxisomer har nogle strukturelle ligheder med forskellige organeller inden i cellen. Oprindeligt var det vanskeligt selv at skelne lysosomer fra peroxisomer gennem mikroskopisk undersøgelse alene. Derefter afslørede differentiel centrifugering, at disse to subcellulære strukturer havde forskellige sammensætninger. Deres protein- og lipidkomponenter er forskellige, og de indeholder meget forskellige enzymer. Specifikt indeholder peroxisomer katalase til at afgifte hydrogenperoxid genereret ved beta-oxidation af fedt. En anden væsentlig forskel er, at lysosomale proteiner syntetiseres i den grove ER, og vesikler, der indeholder passende enzymer, springer ud for at danne lysosomet.
Peroxisomer deler nogle ligheder med mitokondrier og kloroplaster. De fleste af proteinerne i disse organeller oversættes til frie ribosomer i cytoplasmaet. Men i modsætning til mitokondrier og kloroplaster indeholder peroxisomer intet genetisk materiale eller oversættelsesmaskineri, derfor kommer hele deres proteom gennem import fra cytoplasmaet. Derudover danner en enkelt lipid dobbeltlagsmembran peroxisomer i modsætning til de dobbeltmembranøse strukturer af mitokondrier og kloroplaster.
Peroxisomers funktioner
Peroxisomer stammer fra deres brug af molekylært ilt til metaboliske processer. Disse organeller er stort set forbundet med lipidmetabolisme og behandling af reaktive iltarter. Inden for lipidmetabolisme beskæftiger peroxisomer sig mest med β – oxidation af fedtsyrer, mobilisering af lipidlagre i frø, kolesterolbiosyntese og steroidhormonsyntese.
β – oxidation
Hovedårsagen for den høje energitæthed af fedtstoffer er den lave andel iltatomer i hvert fedtsyremolekyle. F.eks. Har palmitinsyre, en fedtsyre indeholdende 16 carbonatomer og med en molekylvægt på over 250 g / mol, kun to oxygenatomer. Selvom dette gør lipider til gode opbevaringsmolekyler, kan de ikke direkte brændes som brændstof eller hurtigt kataboliseres i cytoplasmaet gennem glykolyse. De skal behandles, før de kan shuntes ind i mitokondrierne for fuldstændig oxidation gennem citronsyrecyklussen og oxidativ fosforylering.
Når disse molekyler skal oxideres for at frigive ATP, skal de først nedbrydes i mindre molekyler, før de kan behandles i mitokondrier. Inden for peroxisomer nedbrydes langkædede fedtsyrer gradvist til dannelse af acetylcoenzym A (acetyl coA) i en proces kaldet β – oxidation. Acetyl coA kombineres derefter med oxaloacetat til dannelse af citrat. Mens de fleste kulhydrater går ind i citronsyrecyklussen som et tre-carbonmolekyle kaldet pyruvat, som derefter decarboxyleres til dannelse af acetylcoA, giver peroxisomal β – oxidation fedtsyrer adgang til citronsyrecyklussen direkte.
En af de de vigtigste biprodukter af β – oxidation er hydrogenperoxid, som kan være skadeligt for cellen. Dette molekyle afgiftes også omhyggeligt af enzymkatalasen inden i peroxisomer.
Peroxisomer i planter
I planter spiller peroxisomer vigtige roller i frøspiring og fotosyntese.
Under frøspiring mobiliseres fedtforretninger til anabolske reaktioner, der fører til dannelsen af kulhydrater. Dette kaldes også glyoxalatcyklussen og begynder med β – oxidation og dannelsen af acetyl coA.
I blade forhindrer peroxisomer tab af energi under fotosyntetisk kulstoffiksering ved at genbruge produkterne fra fotorespiration. Et afgørende enzym kaldet Ribulose-1,5-bisphosphat-carboxylase / oxygenase (RuBisCO) er nødvendigt til fotosyntese, der katalyserer carboxyleringen af ribulose-1,5-bisphosphat (RuBP). Dette er den centrale reaktion for fiksering af kuldioxid til dannelse af organiske molekyler. Imidlertid kan RuBisCO, som navnet antyder, også iltes RuBP ved hjælp af molekylært ilt og frigiver kuldioxid – i virkeligheden vender nettoresultatet af fotosyntese. Dette gælder især når planten udsættes for varme, tørre omgivelser og stomataen lukkes for at forhindre transpiration.
Når RuBisCO oxiderer RuBP, genererer det et 2-carbonmolekyle kaldet phosphoglycolat. Dette fanges af peroxisomer, hvor det oxideres til glycin. Derefter transporteres den mellem mitokondrier og peroxisomer og gennemgår en række transformationer, før den omdannes til et glyceratmolekyle, der kan importeres til kloroplaster for at deltage i Calvin-cyklussen til fotosyntese.
Lipidbiosyntese og Afgiftning
I dyreceller er peroxisomer stedet for en vis mængde lipidbiogenese, især specielle phospholipider kaldet plasmalogener, der danner myelinskeden i nervefibre. Peroxisomer er også nødvendige til syntese af galdesalte. Cirka 25% af den alkohol, vi spiser, oxideres til acetaldehyd i disse organeller. Deres rolle i afgiftning og oxidering af et antal molekyler, metaboliske biprodukter og lægemidler gør dem til en fremtrædende del af nyre- og leverceller.
Forstyrrelser i forbindelse med peroxisomfunktion
Forstyrrelser som følge af mangelfuld peroxisom funktion kunne opstå fra defekter i peroxisombiogenese, muterede peroxisomale enzymer eller ikke-funktionelle transportører, der genkender PTS1 og PTS2 i cytoplasmiske proteiner. Den mest alvorlige af disse er sjældne genetiske lidelser, der resulterer i nedsat hjerneudvikling og neuronal migration sammen med myelinmangel. Andre berørte organer inkluderer skeletsystemet, lever, nyre, øjne, hjerte og lunger.
Disse lidelser er normalt forårsaget af mutationer i PEX-gener, som er nødvendige for organelbiogenese – fra dannelsen af den subcellulære membran til genkendelse af cytoplasmatiske proteiner og deres import til organelens matrix. For eksempel er PEX16 involveret i syntesen af peroxisomale membraner, mens PEX2 danner translokationskanalen til import af matrixproteiner. PEX5 er på den anden side receptoren til genkendelse af PTS1-signalsekvensen.
Mangler i disse proteiner kan forårsage ophobning af langkædede fedtsyrer i blodplasma eller urin samt uhensigtsmæssig tilstedeværelse af phospholipider som plasmalogener i røde blodlegemer.
- Krystalloid – Svarende til en krystal i udseende eller egenskaber.
- Differentiel centrifugering – Teknik til at adskille subcellulære komponenter baseret på deres tæthed og størrelse ved hjælp af gentagne centrifugeringsrunder ved stigende hastigheder.
- Fotorespiration – Åndedrætsproces, især i højere planter, der forekommer i lys og involverer optagelse af ilt og frigivelse af kuldioxid.
- Proteom – Det komplette sæt proteiner i en struktur på et bestemt tidspunkt. Kan bruges med henvisning til en hel organisme, specifikt væv med kroppen, individuelle celler eller endog subcellulære komponenter.
Quiz
1. Hvilke af disse molekyler er sandsynligvis en fedtsyre?
A. C6H12O6
B. C18H34O2
C. C4H7NO4
D. C5H9NO4
2. Hvad er peroxisomernes rolle i fotosyntese?
A. Forøg effektiviteten af kulstoffiksering
B. Mobiliser fedtforretninger til at drive de energikrævende trin i fotosyntese
C. Afgifte hydrogenperoxid genereret under β-oxidation af fedtstoffer
D. Alt det ovenstående
3. Hvorfor resulterer mange peroxisomale lidelser i mangelfuld hjernefunktion?
A. Peroxisomer i hjernen opretholder blodhjernebarrieren, der forhindrer indtrængning af toksiner i centralnervesystemet
B. Peroxisomer genererer vigtige fosfolipider, der er nødvendige for neurale aktiviteter
C. Peroxisomforstyrrelser fører til nedsat leverfunktion, som påvirker hjernen
D. Alt det ovenstående