Peroxisoomdefinitie
Peroxisomen zijn membraangebonden organellen in de meeste eukaryote cellen, voornamelijk betrokken bij het vetmetabolisme en de omzetting van reactieve zuurstofsoorten zoals waterstofperoxide in veiligere moleculen zoals water en zuurstof.
Vetten zijn handige energieopslagmoleculen vanwege hun hoge energiedichtheid. Het aantal ATP dat vrijkomt bij de oxidatie van één gram vet is veel hoger dan dat afkomstig van koolhydraten of eiwitten. Lipiden zijn ook buitengewoon bruikbare moleculen voor het creëren van membraangebonden subcompartimenten in cellen of voor het afbakenen van het cytoplasma van de extracellulaire ruimte. Door hun lipofiele biochemie zijn ze echter moeilijk te metaboliseren in een waterige cellulaire omgeving. Peroxisomen zijn structuren waarin het metabolisme van deze hydrofobe moleculen plaatsvindt.
Structuur van peroxisomen
Peroxisomen zijn organellen die kunnen variëren in vorm, grootte en aantal, afhankelijk van de energiebehoefte van de cel. In gistcellen krimpt een koolhydraatrijk groeimedium peroxisomen. Aan de andere kant kan de aanwezigheid van gifstoffen of een vetrijk dieet hun aantal en omvang vergroten.
Deze organellen zijn gemaakt van een fosfolipide dubbellaag met veel membraangebonden eiwitten – vooral die welke als eiwit fungeren vervoerders en translocators. De enzymen die betrokken zijn bij ontgifting en lipidenmetabolisme worden gesynthetiseerd op vrije ribosomen in het cytoplasma en selectief geïmporteerd in peroxisomen, waardoor ze meer lijken op mitochondriën en chloroplasten in vergelijking met lysosomen die uit het endoplasmatisch reticulum (ER) loskomen. Er is echter ook enig bewijs dat ER-gemedieerde eiwitsynthese koppelt aan de enzymen die aanwezig zijn in peroxisomen.
Enzymen en eiwitten die bestemd zijn voor het peroxisoom bevatten gewoonlijk een van de twee signaalsequenties. Dat wil zeggen, er zijn korte stukken van een paar aminozuren die de subcellulaire locatie van het eiwit bepalen. De meer gebruikelijke signaalsequentie wordt de Peroxisome Targeting Sequence 1 (PTS1) genoemd, die bestaat uit een aminozuurtrimeer. Eiwitten die PTS1-signaalsequentie bevatten, hebben een serineresidu gevolgd door een lysine en vervolgens een leucineresidu in hun carboxy-terminale uiteinde. Een groot deel van de peroxisomale eiwitten heeft deze signaalsequentie. Om PTS1 optimaal te laten functioneren, zijn aminozuursequenties stroomopwaarts van dit trimeer ook nodig. Sommige rapporten suggereren dat de C-terminale sequentie idealiter gezien moet worden als een stuk van 20 aminozuren die nodig zijn voor de herkenning van het eiwit door de peroxisomale transporter- en translocatormoleculen.
Als alternatief zou een peroxisomaal eiwit ook een N-terminale signaalsequentie kunnen hebben die uit 9 aminozuren bestaat. Deze sequentie is gemaakt van twee dimeren gescheiden door een stuk van 5 aminozuren. Het eerste dimeer is gemaakt van arginine en leucine, terwijl het tweede dimeer is gemaakt van histidine en leucine. Deze signaalsequentie wordt weergegeven met behulp van de aminozuurcode van één letter als RLx5HL.
Er is enig bewijs dat er andere interne sequenties zijn die zich richten op eiwitten voor import in het peroxisoom die nog niet zijn gekarakteriseerd. Peroxisomen bevatten ook enkele enzymen in zeer hoge concentraties, die soms een kristalloïde kern lijken te hebben.
De fosfolipiden van het peroxisoom worden meestal gesynthetiseerd in het gladde ER. Naarmate een peroxisoom groter wordt door het binnendringen van eiwitten en lipiden, kan het zich in 2 organellen splitsen.
Vergelijking tussen peroxisomen en andere organellen
Peroxisomen hebben enkele structurele overeenkomsten met verschillende organellen binnen de cel. Aanvankelijk was het moeilijk om lysosomen zelfs van peroxisomen te onderscheiden door alleen microscopisch onderzoek. Daarna onthulde differentiële centrifugatie dat deze twee subcellulaire structuren verschillende samenstellingen hadden. Hun eiwit- en lipidecomponenten zijn verschillend en ze bevatten heel verschillende enzymen. In het bijzonder bevatten peroxisomen catalase om het waterstofperoxide te ontgiften dat wordt gegenereerd door de bèta-oxidatie van vetten. Een ander belangrijk verschil is dat lysosomale eiwitten worden gesynthetiseerd in het ruwe ER en blaasjes die de juiste enzymen bevatten, ontluiken om het lysosoom te vormen.
Peroxisomen delen enkele overeenkomsten met mitochondriën en chloroplasten. De meeste eiwitten van deze organellen worden vertaald op vrije ribosomen in het cytoplasma. In tegenstelling tot mitochondriën en chloroplasten bevatten peroxisomen echter geen genetisch materiaal of vertaalmechanisme, daarom wordt hun hele proteoom geïmporteerd uit het cytoplasma. Bovendien vormt een enkelvoudig lipide dubbellaag membraan peroxisomen, in tegenstelling tot de dubbelmembraneuze structuren van mitochondriën en chloroplasten.
Functies van peroxisomen
Peroxisomen ontlenen hun naam aan het gebruik van moleculaire zuurstof voor metabolische processen. Deze organellen worden grotendeels geassocieerd met het vetmetabolisme en de verwerking van reactieve zuurstofsoorten. Binnen het lipidenmetabolisme hebben peroxisomen voornamelijk te maken met β – oxidatie van vetzuren, de mobilisatie van lipidenvoorraden in zaden, cholesterolbiosynthese en steroïdhormoonsynthese.
β – oxidatie
De belangrijkste reden want de hoge energiedichtheid van vetten is het lage aandeel zuurstofatomen in elk vetzuurmolecuul. Palmitinezuur, een vetzuur dat 16 koolstofatomen bevat en een molecuulmassa van meer dan 250 g / mol heeft, heeft bijvoorbeeld slechts twee zuurstofatomen. Hoewel dit lipiden goede opslagmoleculen maakt, kunnen ze niet direct worden verbrand als brandstof of snel worden afgebroken in het cytoplasma door glycolyse. Ze moeten worden verwerkt voordat ze in de mitochondriën kunnen worden geshunt voor volledige oxidatie door de citroenzuurcyclus en oxidatieve fosforylering.
Wanneer deze moleculen moeten worden geoxideerd om ATP vrij te maken, moeten ze eerst worden afgebroken tot kleinere moleculen voordat ze kunnen worden verwerkt in de mitochondriën. Binnen peroxisomen worden vetzuren met een lange keten geleidelijk afgebroken om acetylco-enzym A (acetylcoA) te genereren in een proces dat β-oxidatie wordt genoemd. Acetyl coA combineert dan met oxaalacetaat om citraat te vormen. Terwijl de meeste koolhydraten de citroenzuurcyclus binnenkomen als een molecuul met drie koolstofatomen, pyruvaat genaamd, dat vervolgens wordt gedecarboxyleerd om acetyl-coA te vormen, zorgt peroxisomale β-oxidatie ervoor dat vetzuren rechtstreeks toegang krijgen tot de citroenzuurcyclus.
Een van de belangrijkste De belangrijkste bijproducten van β – oxidatie zijn waterstofperoxide, dat schadelijk kan zijn voor de cel. Dit molecuul wordt ook zorgvuldig ontgift door het enzym catalase in peroxisomen.
Peroxisomen in planten
In planten spelen peroxisomen een belangrijke rol bij de ontkieming en fotosynthese van zaden.
Tijdens het ontkiemen van zaden worden vetreserves gemobiliseerd voor anabole reacties die leiden tot de vorming van koolhydraten. Dit wordt de glyoxalaatcyclus genoemd en begint met β-oxidatie en het genereren van acetyl-coA.
In bladeren voorkomen peroxisomen het verlies van energie tijdens fotosynthetische koolstoffixatie door de producten van fotorespiratie te recyclen. Een cruciaal enzym genaamd ribulose-1,5-bisfosfaatcarboxylase / oxygenase (RuBisCO) is nodig voor fotosynthese, omdat het de carboxylering van ribulose-1,5-bisfosfaat (RuBP) katalyseert. Dit is de centrale reactie voor fixatie van kooldioxide om organische moleculen te vormen. RuBisCO kan echter, zoals de naam suggereert, ook RuBP oxygeneren, met behulp van moleculaire zuurstof, waarbij koolstofdioxide vrijkomt – in feite het nettoresultaat van fotosynthese omkeren. Dit geldt met name wanneer de plant wordt blootgesteld aan hete, droge omgevingen en de huidmondjes zich sluiten om transpiratie te voorkomen.
Wanneer RuBisCO RuBP oxideert, genereert het een molecuul van 2 koolstofatomen genaamd fosfoglycolaat. Dit wordt opgevangen door peroxisomen waar het wordt geoxideerd tot glycine. Daarna wordt het heen en weer geslingerd tussen de mitochondriën en peroxisomen en ondergaat het een reeks transformaties voordat het wordt omgezet in een molecuul glyceraat dat kan worden geïmporteerd in chloroplasten om deel te nemen aan de Calvin-cyclus voor fotosynthese.
Lipidenbiosynthese en Ontgifting
In dierlijke cellen zijn peroxisomen de plaatsen voor een zekere mate van lipidenbiogenese, vooral van speciale fosfolipiden, plasmalogenen genaamd, die de myeline-omhulling in zenuwvezels vormen. Peroxisomen zijn ook nodig voor de synthese van galzouten. Ongeveer 25% van de alcohol die we consumeren, wordt in deze organellen geoxideerd tot aceetaldehyde. Door hun rol bij het ontgiften en oxideren van een aantal moleculen, metabolische bijproducten en medicijnen, vormen ze een prominent onderdeel van nier- en levercellen.
Aandoeningen met betrekking tot de peroxisoomfunctie
Stoornissen als gevolg van een tekort aan peroxisoom functie kan voortkomen uit defecten in de peroxisoombiogenese, gemuteerde peroxisomale enzymen of niet-functionele transporteiwitten die PTS1 en PTS2 in cytoplasmatische eiwitten herkennen. De meest ernstige hiervan zijn zeldzame genetische aandoeningen die resulteren in een verminderde hersenontwikkeling en neuronale migratie, samen met myeline-deficiëntie. Andere aangetaste organen zijn onder meer het skelet, de lever, de nieren, de ogen, het hart en de longen.
Deze aandoeningen worden meestal veroorzaakt door mutaties in PEX-genen, die nodig zijn voor organelbiogenese – door de vorming van het subcellulaire membraan , op de herkenning van cytoplasmatische eiwitten en hun invoer in de matrix van het organel. PEX16 is bijvoorbeeld betrokken bij de synthese van peroxisomale membranen, terwijl PEX2 het translocatiekanaal vormt voor de import van matrixeiwitten. PEX5 daarentegen is de receptor voor het herkennen van de PTS1-signaalsequentie.
Defecten in deze eiwitten kunnen de accumulatie van vetzuren met lange ketens in bloedplasma of urine veroorzaken, evenals de ongepaste aanwezigheid van fosfolipiden zoals plasmalogenen in rode bloedcellen.
- Kristalloïde – lijkt qua uiterlijk of eigenschappen op een kristal.
- Differentiële centrifugatie – Techniek voor het scheiden van subcellulaire componenten op basis van hun dichtheid en grootte, met behulp van herhaalde rondes van centrifugatie met toenemende snelheden.
- Fotorespiratie – Ademhalingsproces, vooral bij hogere planten, dat plaatsvindt bij licht en waarbij zuurstof wordt opgenomen en koolstofdioxide vrijkomt.
- Proteoom – De complete set eiwitten in een structuur op een bepaald tijdstip. Kan worden gebruikt met betrekking tot een heel organisme, specifieke weefsels met het lichaam, individuele cellen of zelfs subcellulaire componenten.
Quiz
1. Welke van deze moleculen is waarschijnlijk een vetzuur?
A. C6H12O6
B. C18H34O2
C. C4H7NO4
D. C5H9NO4
2. Wat is de rol van peroxisomen bij fotosynthese?
A. Verhoog de efficiëntie van koolstoffixatie
B. Mobiliseer vetreserves om de energiebehoeften van de fotosynthese aan te drijven
C. Ontgift het waterstofperoxide dat wordt gegenereerd tijdens β-oxidatie van vetten
D. Al het bovenstaande
3. Waarom leiden veel peroxisomale aandoeningen tot een gebrekkige hersenfunctie?
A. Peroxisomen in de hersenen handhaven de bloed-hersenbarrière die het binnendringen van gifstoffen in het centrale zenuwstelsel verhindert
B. Peroxisomen genereren belangrijke fosfolipiden die nodig zijn voor neurale activiteit
C. Peroxisoomstoornissen leiden tot een verminderde leverfunctie die de hersenen aantast
D. Al het bovenstaande