Peroxisomendefinition
Peroxisomen sind membrangebundene Organellen in den meisten eukaryotischen Zellen, die hauptsächlich am Lipidstoffwechsel und an der Umwandlung reaktiver Zellen beteiligt sind Sauerstoffspezies wie Wasserstoffperoxid in sicherere Moleküle wie Wasser und Sauerstoff.
Fette sind aufgrund ihrer hohen Energiedichte bequeme Energiespeichermoleküle. Die Anzahl an ATP, die bei der Oxidation von einem Gramm Fett freigesetzt wird, ist viel höher als die, die aus Kohlenhydraten oder Proteinen gewonnen wird. Lipide sind auch äußerst nützliche Moleküle zur Erzeugung membrangebundener Unterkompartimente in Zellen oder zur Abgrenzung des Zytoplasmas aus dem extrazellulären Raum. Ihre lipophile Biochemie macht es jedoch schwierig, sie in einer wässrigen zellulären Umgebung zu metabolisieren. Peroxisomen sind Strukturen, in denen der Metabolismus dieser hydrophoben Moleküle stattfindet.
Struktur von Peroxisomen
Peroxisomen sind Organellen, die dies können variieren in Form, Größe und Anzahl je nach Energiebedarf der Zelle. In Hefezellen schrumpft ein kohlenhydratreiches Wachstumsmedium die Peroxisomen. Andererseits kann das Vorhandensein von Toxinen oder einer lipidreichen Diät ihre Anzahl und Größe erhöhen.
Diese Organellen bestehen aus einer Phospholipid-Doppelschicht mit vielen membrangebundenen Proteinen – insbesondere solchen, die als Protein wirken Transporter und Translokatoren. Die an der Entgiftung und dem Lipidstoffwechsel beteiligten Enzyme werden auf freien Ribosomen im Zytoplasma synthetisiert und selektiv in Peroxisomen importiert, wodurch sie Mitochondrien und Chloroplasten im Vergleich zu Lysosomen, die vom endoplasmatischen Retikulum (ER) abknospen, ähnlicher werden. Es gibt jedoch auch Hinweise darauf, dass die ER-vermittelte Proteinsynthese mit den in Peroxisomen vorhandenen Enzymen verknüpft ist. Enzyme und Proteine, die für das Peroxisom bestimmt sind, enthalten normalerweise eine von zwei Signalsequenzen. Das heißt, es gibt kurze Abschnitte einiger Aminosäuren, die den subzellulären Ort des Proteins bestimmen. Die häufigere Signalsequenz wird als Peroxisome Targeting Sequence 1 (PTS1) bezeichnet, die aus einem Aminosäuretrimer besteht. Proteine, die eine PTS1-Signalsequenz enthalten, haben einen Serinrest, gefolgt von einem Lysin und dann einem Leucinrest in ihrem carboxyterminalen Ende. Ein großer Teil der peroxisomalen Proteine weist diese Signalsequenz auf. Damit PTS1 optimal funktioniert, sind auch Aminosäuresequenzen vor diesem Trimer erforderlich. Einige Berichte legen nahe, dass die C-terminale Sequenz idealerweise als eine Strecke von 20 Aminosäuren angesehen werden sollte, die für die Erkennung des Proteins durch die peroxisomalen Transporter- und Translokatormoleküle erforderlich sind.
Alternativ könnte ein peroxisomales Protein auch eine N-terminale Signalsequenz aufweisen, die aus 9 Aminosäuren besteht. Diese Sequenz besteht aus zwei Dimeren, die durch einen Abschnitt von 5 Aminosäuren getrennt sind. Das erste Dimer besteht aus Arginin und Leucin, während das zweite Dimer aus Histidin und Leucin besteht. Diese Signalsequenz wird unter Verwendung des Einzelbuchstaben-Aminosäurecodes als RLx5HL dargestellt.
Es gibt einige Hinweise darauf, dass es andere interne Sequenzen gibt, die auf Proteine für den Import in das Peroxisom abzielen und noch nicht charakterisiert wurden. Peroxisomen enthalten auch einige Enzyme in sehr hohen Konzentrationen, die gelegentlich einen kristalloiden Kern zu haben scheinen.
Die Phospholipide des Peroxisoms werden meist im glatten ER synthetisiert. Wenn ein Peroxisom aufgrund des Eindringens von Proteinen und Lipiden an Größe zunimmt, kann es sich in zwei Organellen teilen.
Vergleich zwischen Peroxisomen und anderen Organellen
Peroxisomen weisen einige strukturelle Ähnlichkeiten mit verschiedenen Organellen auf innerhalb der Zelle. Anfänglich war es schwierig, Lysosomen von Peroxisomen allein durch mikroskopische Untersuchung zu unterscheiden. Danach ergab die Differentialzentrifugation, dass diese beiden subzellulären Strukturen unterschiedliche Zusammensetzungen hatten. Ihre Protein- und Lipidkomponenten sind unterschiedlich und sie enthalten sehr unterschiedliche Enzyme. Insbesondere enthalten Peroxisomen Katalase zur Entgiftung des Wasserstoffperoxids, das bei der Beta-Oxidation von Fetten entsteht. Ein weiterer wesentlicher Unterschied besteht darin, dass lysosomale Proteine im rauen ER synthetisiert werden und Vesikel, die geeignete Enzyme enthalten, abknospen, um das Lysosom zu bilden.
Peroxisomen teilen einige Ähnlichkeiten mit Mitochondrien und Chloroplasten. Die meisten Proteine dieser Organellen werden auf freien Ribosomen im Zytoplasma translatiert. Im Gegensatz zu Mitochondrien und Chloroplasten enthalten Peroxisomen jedoch kein genetisches Material oder keine Translationsmaschinerie, weshalb ihr gesamtes Proteom durch den Import aus dem Zytoplasma entsteht. Zusätzlich bildet eine einzelne Lipiddoppelschichtmembran Peroxisomen im Gegensatz zu den doppelten Membranstrukturen von Mitochondrien und Chloroplasten.
Funktionen von Peroxisomen
Peroxisomen haben ihren Namen von der Verwendung von molekularem Sauerstoff für Stoffwechselprozesse. Diese Organellen sind weitgehend mit dem Lipidstoffwechsel und der Verarbeitung reaktiver Sauerstoffspezies verbunden. Innerhalb des Lipidstoffwechsels befassen sich Peroxisomen hauptsächlich mit der β-Oxidation von Fettsäuren, der Mobilisierung von Lipidspeichern in Samen, der Cholesterinbiosynthese und der Steroidhormonsynthese.
β-Oxidation
Der Hauptgrund denn die hohe Energiedichte von Fetten ist der geringe Anteil an Sauerstoffatomen in jedem Fettsäuremolekül. Beispielsweise hat Palmitinsäure, eine Fettsäure mit 16 Kohlenstoffatomen und einer Molmasse von über 250 g / Mol, nur zwei Sauerstoffatome. Während dies Lipide zu guten Speichermolekülen macht, können sie nicht direkt als Brennstoff verbrannt oder durch Glykolyse schnell im Zytoplasma abgebaut werden. Sie müssen verarbeitet werden, bevor sie für eine vollständige Oxidation durch den Zitronensäurezyklus und eine oxidative Phosphorylierung in die Mitochondrien geleitet werden können.
Wenn diese Moleküle oxidiert werden müssen, um ATP freizusetzen, müssen sie zuerst abgebaut werden in kleinere Moleküle, bevor sie in den Mitochondrien verarbeitet werden können. Innerhalb von Peroxisomen werden langkettige Fettsäuren nach und nach abgebaut, um in einem als β-Oxidation bezeichneten Prozess Acetyl-Coenzym A (Acetyl-CoA) zu erzeugen. Acetyl-coA verbindet sich dann mit Oxalacetat, um Citrat zu bilden. Während die meisten Kohlenhydrate als Drei-Kohlenstoff-Molekül namens Pyruvat in den Zitronensäurezyklus eintreten, das dann zu Acetyl-CoA decarboxyliert wird, ermöglicht die peroxisomale β-Oxidation den direkten Zugang von Fettsäuren zum Zitronensäurezyklus.
Einer der Hauptnebenprodukte der β-Oxidation ist Wasserstoffperoxid, das für die Zelle schädlich sein kann. Dieses Molekül wird auch sorgfältig durch das Enzym Katalase in Peroxisomen entgiftet.
Peroxisomen in Pflanzen
In Pflanzen spielen Peroxisomen eine wichtige Rolle bei der Samenkeimung und Photosynthese.
Während der Samenkeimung werden Fettspeicher für anabole Reaktionen mobilisiert, die zur Bildung von Kohlenhydraten führen. Dies wird als Glyoxalat-Zyklus bezeichnet und beginnt mit der β-Oxidation und der Bildung von Acetyl-CoA.
In Blättern verhindern Peroxisomen den Energieverlust während der photosynthetischen Kohlenstofffixierung, indem sie die Produkte der Photorespiration recyceln. Für die Photosynthese ist ein entscheidendes Enzym namens Ribulose-1,5-Bisphosphatcarboxylase / Oxygenase (RuBisCO) erforderlich, das die Carboxylierung von Ribulose-1,5-Bisphosphat (RuBP) katalysiert. Dies ist die zentrale Reaktion zur Fixierung von Kohlendioxid unter Bildung organischer Moleküle. RuBisCO kann jedoch, wie der Name schon sagt, auch RuBP unter Verwendung von molekularem Sauerstoff mit Sauerstoff versorgen und dabei Kohlendioxid freisetzen – was das Nettoergebnis der Photosynthese umkehrt. Dies gilt insbesondere dann, wenn die Pflanze heißen, trockenen Umgebungen ausgesetzt ist und die Stomata geschlossen sind, um eine Transpiration zu verhindern.
Wenn RuBisCO RuBP oxidiert, erzeugt es ein 2-Kohlenstoff-Molekül namens Phosphoglykolat. Dies wird von Peroxisomen eingefangen, wo es zu Glycin oxidiert wird. Danach wird es zwischen den Mitochondrien und den Peroxisomen transportiert und einer Reihe von Transformationen unterzogen, bevor es in ein Glyceratmolekül umgewandelt wird, das in Chloroplasten importiert werden kann, um am Calvin-Zyklus für die Photosynthese teilzunehmen.
Lipidbiosynthese und Entgiftung
In tierischen Zellen sind Peroxisomen die Orte für eine gewisse Lipidbiogenese, insbesondere für spezielle Phospholipide, sogenannte Plasmalogene, die die Myelinscheide in Nervenfasern bilden. Peroxisomen sind auch für die Synthese von Gallensalzen notwendig. Etwa 25% des von uns konsumierten Alkohols wird in diesen Organellen zu Acetaldehyd oxidiert. Ihre Rolle bei der Entgiftung und Oxidation einer Reihe von Molekülen, metabolischen Nebenprodukten und Arzneimitteln macht sie zu einem wichtigen Bestandteil von Nieren- und Leberzellen.
Störungen im Zusammenhang mit der Peroxisomenfunktion
Störungen aufgrund von Peroxisommangel Die Funktion kann durch Defekte in der Peroxisomen-Biogenese, mutierte peroxisomale Enzyme oder nicht funktionelle Transporter entstehen, die PTS1 und PTS2 in cytoplasmatischen Proteinen erkennen. Die schwerwiegendsten davon sind seltene genetische Störungen, die zu einer beeinträchtigten Gehirnentwicklung und neuronalen Migration sowie zu einem Myelinmangel führen. Andere betroffene Organe sind das Skelettsystem, Leber, Niere, Augen, Herz und Lunge.
Diese Störungen werden normalerweise durch Mutationen in PEX-Genen verursacht, die für die Organellenbiogenese notwendig sind – aus der Bildung der subzellulären Membran zur Erkennung von cytoplasmatischen Proteinen und deren Import in die Matrix der Organelle. Beispielsweise ist PEX16 an der Synthese peroxisomaler Membranen beteiligt, während PEX2 den Translokationskanal für den Import von Matrixproteinen bildet. PEX5 ist andererseits der Rezeptor zum Erkennen der PTS1-Signalsequenz.
Defekte in diesen Proteinen können die Anreicherung langkettiger Fettsäuren im Blutplasma oder Urin sowie das unangemessene Vorhandensein von Phospholipiden wie Plasmalogenen in roten Blutkörperchen verursachen.
- Kristalloid – In Aussehen oder Eigenschaften einem Kristall ähnlich.
- Differenzielle Zentrifugation – Technik zum Trennen subzellulärer Komponenten basierend auf ihrer Dichte und Größe unter Verwendung wiederholter Zentrifugationsrunden mit zunehmender Geschwindigkeit.
- Photorespiration – Atmungsprozess, insbesondere bei höheren Pflanzen, der bei Licht stattfindet und die Aufnahme von Sauerstoff und die Freisetzung von Kohlendioxid beinhaltet.
- Proteom – Der vollständige Satz von Proteinen innerhalb einer Struktur zu einem bestimmten Zeitpunkt. Kann in Bezug auf einen gesamten Organismus, bestimmte Gewebe mit dem Körper, einzelne Zellen oder sogar subzelluläre Komponenten verwendet werden.
Quiz
1. Welches dieser Moleküle ist wahrscheinlich eine Fettsäure?
A. C6H12O6
B. C18H34O2
C. C4H7NO4
D. C5H9NO4
2. Welche Rolle spielen Peroxisomen bei der Photosynthese?
A. Erhöhen Sie die Effizienz der Kohlenstofffixierung
B. Mobilisieren Sie Fettreserven, um die energiebedürftigen Schritte der Photosynthese zu betreiben.
C. Entgiften Sie das Wasserstoffperoxid, das bei der β-Oxidation von Fetten entsteht.
D. Alle oben genannten
3. Warum führen viele peroxisomale Störungen zu einer mangelhaften Gehirnfunktion?
A. Peroxisomen im Gehirn erhalten die Blut-Hirn-Schranke aufrecht, die das Eindringen von Toxinen in das Zentralnervensystem verhindert.
B. Peroxisomen erzeugen wichtige Phospholipide, die für die neuronale Aktivität benötigt werden. Peroxisomenstörungen führen zu einer verminderten Leberfunktion, die das Gehirn beeinflusst.
D. Alle oben genannten