Definicja peroksysomu
Peroksysomy to organelle związane z błoną w większości komórek eukariotycznych, zaangażowane głównie w metabolizm lipidów i konwersję reaktywnych formy tlenu, takie jak nadtlenek wodoru, w bezpieczniejsze cząsteczki, takie jak woda i tlen.
Tłuszcze są wygodnymi cząsteczkami magazynującymi energię ze względu na ich wysoką gęstość energii. Liczba ATP uwolniona z utleniania jednego grama tłuszczu jest znacznie wyższa niż ta pochodząca z węglowodanów czy białek. Lipidy są również niezwykle użytecznymi cząsteczkami do tworzenia związanych z błoną podkomórkowych komórek lub do wyznaczania cytoplazmy z przestrzeni zewnątrzkomórkowej. Ich lipofilna biochemia utrudnia jednak metabolizm w wodnym środowisku komórkowym. Peroksysomy to struktury, w których zachodzi metabolizm tych hydrofobowych cząsteczek.
Struktura peroksysomów
Peroksysomy to organelle, które mogą różnią się kształtem, rozmiarem i liczbą w zależności od potrzeb energetycznych komórki. W komórkach drożdży pożywka wzrostowa bogata w węglowodany zmniejsza peroksysomy. Z drugiej strony obecność toksyn lub dieta bogata w lipidy może zwiększyć ich liczbę i rozmiar.
Te organelle są zbudowane z dwuwarstwy fosfolipidowej z wieloma białkami związanymi z błoną – szczególnie tymi, które działają jak białko transportery i translokatory. Enzymy zaangażowane w detoksykację i metabolizm lipidów są syntetyzowane na wolnych rybosomach w cytoplazmie i selektywnie importowane do peroksysomów, co czyni je bardziej podobnymi do mitochondriów i chloroplastów w porównaniu do lizosomów, które odrastają z retikulum endoplazmatycznego (ER). Jednakże istnieją również dowody łączące syntezę białek za pośrednictwem ER z enzymami obecnymi w peroksysomach.
Enzymy i białka przeznaczone dla peroksysomu zwykle zawierają jedną z dwóch sekwencji sygnałowych. Oznacza to, że istnieją krótkie odcinki kilku aminokwasów, które określają subkomórkową lokalizację białka. Bardziej powszechna sekwencja sygnałowa nazywana jest sekwencją kierującą na peroksysomy 1 (PTS1), która składa się z trimera aminokwasów. Białka zawierające sekwencję sygnałową PTS1 mają resztę seryny, po której następuje lizyna, a następnie resztę leucyny na końcu karboksylowym. Duża część białek peroksysomalnych ma tę sekwencję sygnałową. Aby PTS1 działał optymalnie, konieczne są również sekwencje aminokwasowe powyżej tego trimeru. Niektóre doniesienia sugerują, że idealnie C-końcową sekwencję należy postrzegać jako odcinek 20 aminokwasów, które są niezbędne do rozpoznania białka przez cząsteczki transportera peroksysomalnego i translokatora.
Alternatywnie, białko peroksysomalne może również mieć N-końcową sekwencję sygnałową składającą się z 9 aminokwasów. Ta sekwencja składa się z dwóch dimerów oddzielonych odcinkiem 5 aminokwasów. Pierwszy dimer składa się z argininy i leucyny, a drugi z histydyny i leucyny. Ta sekwencja sygnałowa jest reprezentowana za pomocą jednoliterowego kodu aminokwasowego jako RLx5HL.
Istnieją pewne dowody na to, że istnieją inne sekwencje wewnętrzne, których celem jest import białek do peroksysomu, które nie zostały jeszcze scharakteryzowane. Peroksysomy zawierają również pewne enzymy w bardzo wysokich stężeniach, czasami wydaje się, że mają krystaloidalny rdzeń.
Fosfolipidy peroksysomu są w większości syntetyzowane w gładkiej ER. W miarę jak peroksysom powiększa się w wyniku wnikania białek i lipidów, może podzielić się na 2 organelle.
Porównanie peroksysomów i innych organelli
Peroksysomy mają pewne podobieństwa strukturalne z różnymi organellami wewnątrz komórki. Początkowo trudno było nawet odróżnić lizosomy od peroksysomów za pomocą samego badania mikroskopowego. Następnie różnicowe wirowanie ujawniło, że te dwie struktury subkomórkowe miały różny skład. Ich składniki białkowe i lipidowe są różne i zawierają bardzo różne enzymy. W szczególności peroksysomy zawierają katalazę, która odtruwa nadtlenek wodoru powstający podczas beta-utleniania tłuszczów. Inną ważną różnicą jest to, że białka lizosomalne są syntetyzowane w szorstkiej ER, a pęcherzyki zawierające odpowiednie enzymy tworzą lizosomy.
Peroksysomy mają pewne podobieństwa z mitochondriami i chloroplastami. Większość białek tych organelli ulega translacji na wolnych rybosomach w cytoplazmie. Jednak w przeciwieństwie do mitochondriów i chloroplastów, peroksysomy nie zawierają materiału genetycznego ani mechanizmu translacji, dlatego cały ich proteom pochodzi z importu z cytoplazmy. Ponadto pojedyncza dwuwarstwowa błona lipidowa tworzy peroksysomy, w przeciwieństwie do podwójnych błoniastych struktur mitochondriów i chloroplastów.
Funkcje peroksysomów
Nazwa peroksysomów pochodzi od wykorzystania tlenu cząsteczkowego w procesach metabolicznych. Te organelle są w dużej mierze związane z metabolizmem lipidów i przetwarzaniem reaktywnych form tlenu. W metabolizmie lipidów peroksysomy zajmują się głównie β – oksydacją kwasów tłuszczowych, mobilizacją zapasów lipidów w nasionach, biosyntezą cholesterolu i syntezą hormonów steroidowych.
β – utlenianie
Główny powód dla wysokiej gęstości energetycznej tłuszczów jest niski udział atomów tlenu w każdej cząsteczce kwasu tłuszczowego. Na przykład kwas palmitynowy, kwas tłuszczowy zawierający 16 atomów węgla i mający masę cząsteczkową ponad 250 g / mol, ma tylko dwa atomy tlenu. Chociaż sprawia to, że lipidy są dobrymi cząsteczkami magazynującymi, nie mogą być bezpośrednio spalane jako paliwo lub szybko katabolizowane w cytoplazmie poprzez glikolizę. Muszą zostać przetworzone, zanim będą mogły zostać przetoczone do mitochondriów w celu całkowitego utlenienia w cyklu kwasu cytrynowego i fosforylacji oksydacyjnej.
Kiedy te cząsteczki muszą zostać utlenione, aby uwolnić ATP, należy je najpierw rozbić na mniejsze cząsteczki, zanim zostaną przetworzone w mitochondriach. W peroksysomach długołańcuchowe kwasy tłuszczowe są stopniowo rozkładane w celu wytworzenia acetylo-koenzymu A (acetylo-coA) w procesie zwanym β-utlenianiem. Następnie acetylo-coA łączy się z szczawiooctanem, tworząc cytrynian. Podczas gdy większość węglowodanów wchodzi w cykl kwasu cytrynowego jako trójwęglowa cząsteczka zwana pirogronianem, która jest następnie dekarboksylowana z wytworzeniem acetylo-coA, peroksysomalne β-oksydowanie umożliwia kwasom tłuszczowym bezpośredni dostęp do cyklu kwasu cytrynowego.
Jeden z głównym produktem ubocznym β – utleniania jest nadtlenek wodoru, który może być szkodliwy dla komórki. Ta cząsteczka jest również starannie detoksyfikowana przez enzym katalazy w peroksysomach.
Peroksysomy w roślinach
W roślinach peroksysomy odgrywają ważną rolę w kiełkowaniu nasion i fotosyntezie.
Podczas kiełkowania nasion zmobilizowane są zapasy tłuszczu do reakcji anabolicznych, które prowadzą do powstania węglowodanów. Nazywa się to cyklem glioksalanu i zaczyna się od β-oksydacji, a także wytwarzania acetylo-coA.
W liściach peroksysomy zapobiegają utracie energii podczas fotosyntetycznego wiązania węgla poprzez recykling produktów fotooddychania. Kluczowy enzym zwany karboksylazą / oksygenazą rybulozo-1,5-bisfosforanową (RuBisCO) jest niezbędny do fotosyntezy, katalizującej karboksylację rybulozo-1,5-bisfosforanu (RuBP). Jest to główna reakcja wiązania dwutlenku węgla w celu utworzenia cząsteczek organicznych. Jednak RuBisCO, jak sama nazwa wskazuje, może również utlenić RuBP, wykorzystując tlen cząsteczkowy, uwalniając dwutlenek węgla – w efekcie odwracając wynik netto fotosyntezy. Jest to szczególnie prawdziwe, gdy roślina jest wystawiona na gorące, suche środowisko, a aparaty szparkowe zamykają się, aby zapobiec transpiracji.
Kiedy RuBisCO utlenia RuBP, generuje 2-węglową cząsteczkę zwaną fosfoglikolanem. Jest to wychwytywane przez peroksysomy, gdzie jest utleniane do glicyny. Następnie jest transportowany między mitochondriami i peroksysomami, przechodząc szereg przemian, zanim zostanie przekształcony w cząsteczkę glicerynianu, którą można importować do chloroplastów, aby uczestniczyć w cyklu Calvina w celu fotosyntezy.
Biosynteza lipidów i Detoksykacja
W komórkach zwierzęcych peroksysomy są miejscami dla pewnej ilości biogenezy lipidów, zwłaszcza specjalnych fosfolipidów zwanych plazmalogenami, które tworzą osłonkę mielinową we włóknach nerwowych. Peroksysomy są również niezbędne do syntezy soli żółciowych. Około 25% spożywanego przez nas alkoholu jest utleniane w organelli do aldehydu octowego. Ich rola w odtruwaniu i utlenianiu wielu cząsteczek, produktów ubocznych metabolizmu i leków sprawia, że są istotną częścią komórek nerek i wątroby.
Zaburzenia związane z funkcją peroksysomu
Zaburzenia wynikające z niedoboru peroksysomu funkcja może wynikać z defektów w biogenezie peroksysomów, zmutowanych enzymów peroksysomalnych lub niefunkcjonalnych transporterów, które rozpoznają PTS1 i PTS2 w białkach cytoplazmatycznych. Najpoważniejsze z nich to rzadkie zaburzenia genetyczne, które powodują upośledzenie rozwoju mózgu i migracji neuronów, wraz z niedoborem mieliny. Inne narządy dotknięte chorobą to układ kostny, wątroba, nerki, oczy, serce i płuca.
Te zaburzenia są zwykle spowodowane mutacjami w genach PEX, które są niezbędne do biogenezy organelli – od tworzenia się błony subkomórkowej , na rozpoznanie białek cytoplazmatycznych i ich import do macierzy organelli. Na przykład PEX16 bierze udział w syntezie błon peroksysomalnych, podczas gdy PEX2 tworzy kanał translokacyjny do importu białek macierzy. Z drugiej strony, PEX5 jest receptorem do rozpoznawania sekwencji sygnałowej PTS1.
Defekty tych białek mogą powodować gromadzenie się długołańcuchowych kwasów tłuszczowych w osoczu krwi lub moczu, a także niewłaściwą obecność fosfolipidów, takich jak plazmalogeny, w krwinkach czerwonych.
- Krystaloid – podobny do kryształu pod względem wyglądu lub właściwości.
- Wirowanie różnicowe – technika oddzielania składników subkomórkowych na podstawie ich gęstości i rozmiaru, przy użyciu powtarzanych rund wirowania przy rosnących prędkościach.
- Fotooddychanie – Proces oddechowy, zwłaszcza u roślin wyższych, który zachodzi w świetle i obejmuje pobieranie tlenu i uwalnianie dwutlenku węgla.
- Proteom – Kompletny zestaw białek w strukturze w określonym momencie. Może być stosowany w odniesieniu do całego organizmu, określonych tkanek z ciałem, pojedynczych komórek lub nawet składników subkomórkowych.
Quiz
1. Która z tych cząsteczek prawdopodobnie jest kwasem tłuszczowym?
A. C6H12O6
B. C18H34O2
C. C4H7NO4
D. C5H9NO4
2. Jaka jest rola peroksysomów w fotosyntezie?
A. Zwiększ skuteczność wiązania węgla
B. Mobilizowanie zapasów tłuszczu do zasilania energochłonnych etapów fotosyntezy
C. Odtruć nadtlenek wodoru powstający podczas β-utleniania tłuszczów
D. Wszystkie powyższe
3. Dlaczego wiele zaburzeń peroksysomalnych powoduje upośledzenie funkcji mózgu?
A. Peroksysomy w mózgu utrzymują barierę krew-mózg, która zapobiega wnikaniu toksyn do ośrodkowego układu nerwowego
B. Peroksysomy wytwarzają ważne fosfolipidy potrzebne do aktywności neuronalnej
C. Zaburzenia peroksysomów prowadzą do pogorszenia czynności wątroby, która wpływa na mózg
D. Wszystkie powyższe