Definisjon av peroksisom
Peroksisomer er membranbundne organeller i de fleste eukaryote celler, primært involvert i lipidmetabolisme og konvertering av reaktive oksygenarter som hydrogenperoksid i tryggere molekyler som vann og oksygen.
Fett er praktiske energilagringsmolekyler på grunn av deres høye energitetthet. Antallet ATP frigjort fra oksidasjonen av ett gram fett er mye høyere enn det som kommer fra karbohydrater eller proteiner. Lipider er også ekstremt nyttige molekyler for dannelse av membranbundne underrom i celler eller for avgrensning av cytoplasma fra det ekstracellulære rommet. Deres lipofile biokjemi gjør dem imidlertid vanskelige å metabolisere i et vandig cellulært miljø. Peroksisomer er strukturer der metabolismen til disse hydrofobe molekylene forekommer.
Peroksisomers struktur
Peroksisomer er organeller som kan varierer i form, størrelse og antall avhengig av celleens energibehov. I gjærceller krymper et karbohydratrikt vekstmedium peroksisomene. På den annen side kan tilstedeværelsen av giftstoffer eller et lipiderikt kosthold øke antallet og størrelsen.
Disse organellene er laget av et fosfolipid dobbeltlag med mange membranbundne proteiner – spesielt de som fungerer som protein transportører og translokatorer. Enzymene som er involvert i avgiftning og lipidmetabolisme syntetiseres på frie ribosomer i cytoplasmaet og selektivt importeres til peroksisomer, noe som gjør dem mer lik mitokondrier og kloroplaster sammenlignet med lysosomer som bryter ut fra endoplasmatisk retikulum (ER). Imidlertid er det også noen bevis som knytter ER-formidlet proteinsyntese til enzymene som er tilstede i peroksisomer.
Enzymer og proteiner bestemt for peroksisomet inneholder vanligvis en av to signalsekvenser. Det vil si at det er korte strekninger av noen få aminosyrer som bestemmer den subcellulære plasseringen av proteinet. Den mer vanlige signalsekvensen kalles Peroxisome Targeting Sequence 1 (PTS1), som består av en aminosyretrimer. Proteiner som inneholder PTS1-signalsekvens har en serinrest etterfulgt av et lysin og deretter en leucinrest i deres karboksyterminale ende. En stor andel peroksisomale proteiner har denne signalsekvensen. For at PTS1 skal fungere optimalt, er det også nødvendig med aminosyresekvenser oppstrøms for denne trimeren. Noen rapporter antyder at den C-terminale sekvensen ideelt sett bør sees på som en strekning på 20 aminosyrer som er nødvendige for gjenkjenning av proteinet av den peroksisomale transportøren og translokatormolekylene.
Alternativt kan et peroksisomalt protein også ha en N-terminal signalsekvens bestående av 9 aminosyrer. Denne sekvensen er laget av to dimerer atskilt med en strekning på 5 aminosyrer. Den første dimeren er laget av arginin og leucin, mens den andre dimeren er laget av histidin og leucin. Denne signalsekvensen er representert ved hjelp av aminosyrekoden med en bokstav som RLx5HL.
Det er noen bevis for at det er andre interne sekvenser som målretter proteiner for import til peroksisomet som ennå ikke er blitt karakterisert. Peroksisomer inneholder også noen enzymer i svært høye konsentrasjoner, som noen ganger ser ut til å ha en krystalloid kjerne.
Fosfolipidene i peroksisomet syntetiseres for det meste i det glatte ER. Når et peroksisom vokser i størrelse på grunn av inntrengning av proteiner og lipider, kan det dele seg i 2 organeller.
Sammenligning mellom peroksisomer og andre organeller
Peroksisomer har noen strukturelle likheter med forskjellige organeller inne i cellen. Opprinnelig var det vanskelig å til og med skille lysosomer fra peroksisomer gjennom mikroskopisk undersøkelse alene. Deretter avslørte differensial sentrifugering at disse to subcellulære strukturer hadde forskjellige sammensetninger. Protein- og lipidkomponentene deres er forskjellige, og de inneholder veldig forskjellige enzymer. Spesielt inneholder peroksisomer katalase for å avgifte hydrogenperoksyd generert fra beta-oksidasjon av fett. En annen viktig forskjell er at lysosomale proteiner syntetiseres i grov ER og vesikler som inneholder passende enzymer spretter ut for å danne lysosomet.
Peroksisomer dele noen likheter med mitokondrier og kloroplaster. De fleste proteinene i disse organellene blir oversatt på frie ribosomer i cytoplasmaet. Imidlertid, i motsetning til mitokondrier og kloroplaster, inneholder peroksisomer ikke noe genetisk materiale eller translasjonsmaskineri, derfor kommer hele proteomet gjennom import fra cytoplasmaet. I tillegg danner en enkelt lipid dobbeltlagsmembran peroksisomer, i motsetning til de dobbeltmembranøse strukturer av mitokondrier og kloroplaster.
Funksjoner av peroksisomer
Peroksisomer stammer fra deres bruk av molekylært oksygen til metabolske prosesser. Disse organellene er i stor grad assosiert med lipidmetabolisme og prosessering av reaktive oksygenarter. Innen lipidmetabolisme håndterer peroksisomer hovedsakelig β – oksidasjon av fettsyrer, mobilisering av lipidlagre i frø, kolesterolbiosyntese og steroidhormonsyntese.
β – oksidasjon
Hovedårsaken for den høye energitettheten av fett er den lave andelen oksygenatomer i hvert fettsyremolekyl. For eksempel har palmitinsyre, en fettsyre som inneholder 16 karbonatomer og har en molekylvekt på over 250 g / mol, bare to oksygenatomer. Selv om dette gjør lipider til gode lagringsmolekyler, kan de ikke brennes direkte som drivstoff eller raskt kataboliseres i cytoplasmaet gjennom glykolyse. De må behandles før de kan shuntes inn i mitokondriene for fullstendig oksidasjon gjennom sitronsyresyklusen og oksidativ fosforylering.
Når disse molekylene trenger å oksideres for å frigjøre ATP, må de først brytes ned i mindre molekyler før de kan behandles i mitokondriene. Innen peroksisomer brytes langkjedede fettsyrer gradvis ned for å generere acetylkoenzym A (acetylcoA) i en prosess som kalles β – oksidasjon. Acetyl coA kombineres deretter med oksaloacetat for å danne sitrat. Mens de fleste karbohydrater kommer inn i sitronsyresyklusen som et tre-karbonmolekyl som kalles pyruvat, som deretter dekarboksyleres for å danne acetylcoA, gir peroksisomal β – oksidasjon fettsyrer tilgang til sitronsyresyklusen direkte.
En av de viktigste biproduktene av β – oksidasjon er hydrogenperoksid som kan være skadelig for cellen. Dette molekylet avgiftes også nøye av enzymet katalase i peroksisomer.
Peroksisomer i planter
I planter spiller peroksisomer viktige roller i frøspiring og fotosyntese.
Under frøspiring mobiliseres fettlagre for anabole reaksjoner som fører til dannelse av karbohydrater. Dette kalles glyoksalatsyklusen og begynner med β – oksidasjon og generering av acetylcoA også.
I blader forhindrer peroksisomer tap av energi under fotosyntetisk karbonfiksering gjennom resirkulering av produkter fra fotorespirasjon. Et avgjørende enzym kalt Ribulose-1,5-bisfosfatkarboksylase / oksygenase (RuBisCO) er nødvendig for fotosyntese, som katalyserer karboksylering av ribulose-1,5-bisfosfat (RuBP). Dette er den sentrale reaksjonen for fiksering av karbondioksid for å danne organiske molekyler. Imidlertid kan RuBisCO, som navnet antyder, også oksygenere RuBP, ved å bruke molekylært oksygen, og frigjøre karbondioksid – faktisk reverserer nettoresultatet av fotosyntese. Dette gjelder spesielt når planten utsettes for varme, tørre omgivelser og stomataene lukkes for å forhindre transpirasjon.
Når RuBisCO oksyderer RuBP, genererer det et 2-karbonmolekyl som kalles fosfoglykolat. Dette fanges opp av peroksisomer der det oksyderes til glysin. Deretter skysses den mellom mitokondriene og peroksisomene, og gjennomgår en serie transformasjoner før den omdannes til et molekyl av glyserat som kan importeres til kloroplaster for å delta i Calvin-syklusen for fotosyntese.
Lipidbiosyntese og Avgiftning
I dyreceller er peroksisomer stedene for en viss mengde lipidbiogenese, spesielt av spesielle fosfolipider kalt plasmalogener som danner myelinskeden i nervefibre. Peroksisomer er også nødvendige for syntesen av gallsalt. Cirka 25% av alkoholen vi spiser oksyderes til acetaldehyd i disse organellene. Deres rolle i avgiftning og oksidering av en rekke molekyler, metabolske biprodukter og medikamenter gjør dem til en fremtredende del av nyre- og leverceller.
Forstyrrelser relatert til peroksisomfunksjon
Forstyrrelser som skyldes mangelfull peroksisom funksjon kan oppstå fra defekter i peroksisombiogenese, muterte peroksisomale enzymer eller ikke-funksjonelle transportører som gjenkjenner PTS1 og PTS2 i cytoplasmatiske proteiner. De alvorligste av disse er sjeldne genetiske lidelser som resulterer i svekket hjerneutvikling og nevronmigrasjon, sammen med myelinmangel. Andre organer som er berørt inkluderer skjelett, lever, nyre, øyne, hjerte og lunger.
Disse lidelsene er vanligvis forårsaket av mutasjoner i PEX-gener, som er nødvendige for organellbiogenese – fra dannelsen av den subcellulære membranen , til anerkjennelse av cytoplasmatiske proteiner og deres import til organellens matrise. For eksempel er PEX16 involvert i syntesen av peroksisomale membraner, mens PEX2 danner translokasjonskanalen for import av matriseproteiner. PEX5 er derimot reseptoren for å gjenkjenne PTS1-signalsekvensen.
Mangler i disse proteinene kan forårsake akkumulering av langkjedede fettsyrer i blodplasma eller urin, samt upassende tilstedeværelse av fosfolipider som plasmalogener i røde blodlegemer.
- Krystalloid – I likhet med en krystall i utseende eller egenskaper.
- Differensiell sentrifugering – Teknikk for å skille subcellulære komponenter basert på deres tetthet og størrelse, ved å bruke gjentatte sentrifugeringsrunder med økende hastigheter.
- Fotorespirasjon – Åndedrettsprosess, spesielt i høyere planter, som forekommer i lys og involverer opptak av oksygen og frigjøring av karbondioksid.
- Proteom – Det komplette settet med proteiner i en struktur på et bestemt tidspunkt. Kan brukes med referanse til en hel organisme, spesifikke vev med kroppen, individuelle celler eller til og med subcellulære komponenter.
Quiz
1. Hvilke av disse molekylene er sannsynligvis en fettsyre?
A. C6H12O6
B. C18H34O2
C. C4H7NO4
D. C5H9NO4
2. Hva er rollen til peroksisomer i fotosyntese?
A. Øk effektiviteten av karbonfiksering
B. Mobiliser fettlagre for å drive de energikrevende trinnene i fotosyntese
C. Avgifte hydrogenperoksydet som genereres under β-oksidasjon av fett
D. Alt det ovennevnte
3. Hvorfor fører mange peroksisomale lidelser til mangelfull hjernefunksjon?
A. Peroksisomer i hjernen opprettholder blodhjernebarrieren som forhindrer inntrengning av giftstoffer i sentralnervesystemet
B. Peroksisomer genererer viktige fosfolipider som er nødvendige for nevral aktivitet
C. Peroksisomlidelser fører til nedsatt leverfunksjon som påvirker hjernen
D. Alt det ovennevnte