Definizione di perossisomi
I perossisomi sono organelli legati alla membrana nella maggior parte delle cellule eucariotiche, coinvolti principalmente nel metabolismo dei lipidi e nella conversione dei reattivi specie di ossigeno come il perossido di idrogeno in molecole più sicure come lacqua e lossigeno.
I grassi sono molecole di immagazzinamento di energia convenienti grazie alla loro alta densità di energia. Il numero di ATP rilasciato dallossidazione di un grammo di grasso è molto più alto di quello derivato dai carboidrati o dalle proteine. I lipidi sono anche molecole estremamente utili per la creazione di sottocompartimenti legati alla membrana allinterno delle cellule o per delineare il citoplasma dallo spazio extracellulare. La loro biochimica lipofila, tuttavia, li rende difficili da metabolizzare in un ambiente cellulare acquoso. I perossisomi sono strutture in cui si verifica il metabolismo di queste molecole idrofobe.
Struttura dei perossisomi
I perossisomi sono organelli che possono variano in forma, dimensione e numero a seconda del fabbisogno energetico della cellula. Nelle cellule di lievito, un mezzo di crescita ricco di carboidrati riduce i perossisomi. Daltra parte, la presenza di tossine o una dieta ricca di lipidi può aumentarne il numero e le dimensioni.
Questi organelli sono costituiti da un doppio strato fosfolipidico con molte proteine legate alla membrana, in particolare quelle che agiscono come proteine trasportatori e traslocatori. Gli enzimi coinvolti nella disintossicazione e nel metabolismo dei lipidi sono sintetizzati su ribosomi liberi nel citoplasma e importati selettivamente nei perossisomi, rendendoli più simili ai mitocondri e ai cloroplasti rispetto ai lisosomi che germogliano dal reticolo endoplasmatico (ER). Tuttavia, ci sono anche alcune prove che collegano la sintesi proteica mediata da ER agli enzimi presenti nei perossisomi.
Gli enzimi e le proteine destinati al perossisoma di solito contengono una delle due sequenze di segnali. Cioè, ci sono brevi tratti di pochi amminoacidi che determinano la posizione subcellulare della proteina. La sequenza di segnali più comune è chiamata Peroxisome Targeting Sequence 1 (PTS1), che consiste in un trimero di amminoacidi. Le proteine contenenti la sequenza del segnale PTS1 hanno un residuo di serina seguito da una lisina e quindi un residuo di leucina nella loro estremità carbossi-terminale. Una grande percentuale di proteine perossisomiali ha questa sequenza di segnali. Affinché PTS1 funzioni in modo ottimale, sono necessarie anche sequenze di amminoacidi a monte di questo trimero. Alcuni rapporti suggeriscono che la sequenza C-terminale dovrebbe idealmente essere vista come un tratto di 20 amminoacidi necessari per il riconoscimento della proteina da parte del trasportatore perossisomiale e delle molecole del traslocatore.
In alternativa, una proteina perossisomiale potrebbe anche avere una sequenza di segnale N-terminale costituita da 9 amminoacidi. Questa sequenza è composta da due dimeri separati da un tratto di 5 amminoacidi. Il primo dimero è composto da arginina e leucina, mentre il secondo dimero è composto da istidina e leucina. Questa sequenza di segnali è rappresentata utilizzando il codice dellamminoacido a una sola lettera come RLx5HL.
Ci sono alcune prove che ci sono altre sequenze interne che prendono di mira le proteine per limportazione nel perossisoma che non sono state ancora caratterizzate. I perossisomi contengono anche alcuni enzimi a concentrazioni molto elevate, che a volte sembrano avere un nucleo cristalloide.
I fosfolipidi del perossisoma sono per lo più sintetizzati nel pronto soccorso liscio. Poiché un perossisoma cresce di dimensioni a causa dellingresso di proteine e lipidi, può dividersi in 2 organelli.
Confronto tra perossisomi e altri organelli
I perossisomi hanno alcune somiglianze strutturali con diversi organelli allinterno della cella. Inizialmente, era difficile persino distinguere i lisosomi dai perossisomi attraverso il solo esame microscopico. Successivamente, la centrifugazione differenziale ha rivelato che queste due strutture subcellulari avevano composizioni differenti. Le loro componenti proteiche e lipidiche sono distinte e contengono enzimi molto diversi. Nello specifico, i perossisomi contengono catalasi per disintossicare il perossido di idrogeno generato dalla beta-ossidazione dei grassi. Unaltra differenza principale è che le proteine lisosomiali sono sintetizzate nel grezzo ER e le vescicole che contengono gli enzimi appropriati germogliano per formare il lisosoma.
Perossisomi condividono alcune somiglianze con mitocondri e cloroplasti. La maggior parte delle proteine di questi organelli sono tradotte su ribosomi liberi nel citoplasma. Tuttavia, a differenza dei mitocondri e dei cloroplasti, i perossisomi non contengono materiale genetico o macchinario di traduzione, quindi il loro intero proteoma proviene dal citoplasma. Inoltre, una singola membrana a doppio strato lipidico forma perossisomi, in contrasto con le doppie strutture membranose dei mitocondri e dei cloroplasti.
Funzioni dei perossisomi
I perossisomi derivano il loro nome dal loro uso dellossigeno molecolare per i processi metabolici. Questi organelli sono in gran parte associati al metabolismo dei lipidi e allelaborazione delle specie reattive dellossigeno. Allinterno del metabolismo lipidico, i perossisomi si occupano principalmente della β-ossidazione degli acidi grassi, della mobilizzazione delle riserve di lipidi nei semi, della biosintesi del colesterolo e della sintesi dellormone steroideo.
β-ossidazione
La ragione principale poiché lalta densità energetica dei grassi è la bassa percentuale di atomi di ossigeno in ogni molecola di acido grasso. Ad esempio, lacido palmitico, un acido grasso contenente 16 atomi di carbonio e avente una massa molecolare di oltre 250 g / mole, ha solo due atomi di ossigeno. Anche se questo rende i lipidi buone molecole di immagazzinamento, non possono essere bruciati direttamente come combustibile o catabolizzati rapidamente nel citoplasma attraverso la glicolisi. Devono essere elaborati prima di poter essere deviati nei mitocondri per lossidazione completa attraverso il ciclo dellacido citrico e la fosforilazione ossidativa.
Quando queste molecole devono essere ossidate per rilasciare ATP, devono essere prima scomposte in molecole più piccole prima che possano essere processate nei mitocondri. Allinterno dei perossisomi, gli acidi grassi a catena lunga vengono progressivamente scomposti per generare acetil coenzima A (acetil coA) in un processo chiamato β-ossidazione. Lacetil coA si combina quindi con lossalacetato per formare il citrato. Mentre la maggior parte dei carboidrati entra nel ciclo dellacido citrico come una molecola a tre atomi di carbonio chiamata piruvato che viene quindi decarbossilata per formare acetil coA, la β-ossidazione perossisomiale consente agli acidi grassi di accedere direttamente al ciclo dellacido citrico.
Uno dei I principali sottoprodotti della β-ossidazione sono il perossido di idrogeno che può essere dannoso per la cellula. Questa molecola viene anche accuratamente disintossicata dallenzima catalasi allinterno dei perossisomi.
Perossisomi nelle piante
Nelle piante, i perossisomi svolgono un ruolo importante nella germinazione dei semi e nella fotosintesi.
Durante la germinazione dei semi, le riserve di grasso vengono mobilitate per reazioni anaboliche che portano alla formazione di carboidrati. Questo è chiamato ciclo gliossalato e inizia con la β-ossidazione e anche con la generazione di acetil coA.
Nelle foglie, i perossisomi prevengono la perdita di energia durante la fissazione fotosintetica del carbonio attraverso il riciclaggio dei prodotti della fotorespirazione. Un enzima cruciale chiamato ribulosio-1,5-bisfosfato carbossilasi / ossigenasi (RuBisCO) è necessario per la fotosintesi, catalizzando la carbossilazione del ribulosio-1,5-bisfosfato (RuBP). Questa è la reazione centrale per la fissazione dellanidride carbonica per formare molecole organiche. Tuttavia, RuBisCO, come suggerisce il nome, può anche ossigenare RuBP, utilizzando ossigeno molecolare, rilasciando anidride carbonica – in effetti, invertendo il risultato netto della fotosintesi. Ciò è particolarmente vero quando la pianta è esposta ad ambienti caldi e secchi e gli stomi si chiudono per prevenire la traspirazione.
Quando RuBisCO ossida RuBP, genera una molecola a 2 atomi di carbonio chiamata fosfoglicolato. Questo viene catturato dai perossisomi dove viene ossidato in glicina. Successivamente, viene trasportato tra i mitocondri e i perossisomi, subendo una serie di trasformazioni prima di essere convertito in una molecola di glicerato che può essere importato in cloroplasti per partecipare al ciclo di Calvin per la fotosintesi.
Biosintesi dei lipidi e Disintossicazione
Nelle cellule animali, i perossisomi sono i siti di una certa quantità di biogenesi lipidica, in particolare di speciali fosfolipidi chiamati plasmalogeni che formano la guaina mielinica nelle fibre nervose. I perossisomi sono anche necessari per la sintesi dei sali biliari. Circa il 25% dellalcool che consumiamo viene ossidato in acetaldeide in questi organelli. Il loro ruolo nel disintossicare e ossidare un certo numero di molecole, sottoprodotti metabolici e farmaci li rende una parte prominente delle cellule renali ed epatiche.
Disturbi relativi alla funzione del perossisoma
Disturbi derivanti da perossisoma carente la funzione potrebbe derivare da difetti nella biogenesi dei perossisomi, enzimi perossisomiali mutati o trasportatori non funzionali che riconoscono PTS1 e PTS2 nelle proteine citoplasmatiche. Le più gravi di queste sono malattie genetiche rare che provocano uno sviluppo cerebrale alterato e migrazione neuronale, insieme a carenza di mielina. Altri organi colpiti includono il sistema scheletrico, fegato, reni, occhi, cuore e polmoni.
Questi disturbi sono solitamente causati da mutazioni nei geni PEX, che sono necessari per la biogenesi degli organelli – dalla formazione della membrana subcellulare , al riconoscimento delle proteine citoplasmatiche e alla loro importazione nella matrice dellorganello. Ad esempio, PEX16 è coinvolto nella sintesi delle membrane perossisomali, mentre PEX2 costituisce il canale di traslocazione per limportazione delle proteine della matrice. PEX5, daltra parte, è il recettore per il riconoscimento della sequenza del segnale PTS1.
I difetti di queste proteine possono causare laccumulo di acidi grassi a catena lunga nel plasma sanguigno o nelle urine, nonché la presenza inappropriata di fosfolipidi come i plasmalogeni nei globuli rossi.
- Cristalloide – Simile a un cristallo per aspetto o proprietà.
- Centrifugazione differenziale – Tecnica per separare i componenti subcellulari in base alla loro densità e dimensione, utilizzando cicli ripetuti di centrifugazione a velocità crescenti.
- Fotorespirazione – Processo respiratorio, specialmente nelle piante superiori, che si verifica alla luce e comporta lassorbimento di ossigeno e il rilascio di anidride carbonica.
- Proteoma – Linsieme completo di proteine allinterno di una struttura in un determinato momento. Può essere utilizzato in riferimento a un intero organismo, tessuti specifici con il corpo, singole cellule o anche componenti subcellulari.
Quiz
1. Quale di queste molecole potrebbe essere un acido grasso?
A. C6H12O6
B. C18H34O2
C. C4H7NO4
D. C5H9NO4
2. Qual è il ruolo dei perossisomi nella fotosintesi?
A. Aumentare lefficienza della fissazione del carbonio
B. Mobilitare le riserve di grasso per alimentare le fasi della fotosintesi che richiedono energia
C. Disintossicare il perossido di idrogeno generato durante la β-ossidazione dei grassi
D. Tutte le risposte precedenti
3. Perché molti disturbi perossisomiali provocano una funzione cerebrale carente?
A. I perossisomi nel cervello mantengono la barriera ematoencefalica che impedisce lingresso di tossine nel sistema nervoso centrale
B. I perossisomi generano importanti fosfolipidi necessari per lattività neurale
C. I disturbi dei perossisomi portano a una riduzione della funzionalità epatica che colpisce il cervello
D. Tutto quanto sopra