Definition av peroxisom
Peroxisomer är membranbundna organeller i de flesta eukaryota celler, främst involverade i lipidmetabolism och omvandling av reaktiva syrgasarter som väteperoxid i säkrare molekyler som vatten och syre.
Fetter är praktiska energilagringsmolekyler på grund av sin höga energitäthet. Antalet ATP som frigörs från oxidationen av ett gram fett är mycket högre än det som härrör från kolhydrater eller proteiner. Lipider är också extremt användbara molekyler för skapande av membranbundna underkomponenter i celler eller för avgränsning av cytoplasman från det extracellulära utrymmet. Deras lipofila biokemi gör dem emellertid svåra att metabolisera i en vattenhaltig cellulär miljö. Peroxisomer är strukturer där metabolismen av dessa hydrofoba molekyler förekommer.
Peroxisomernas struktur
Peroxisomer är organeller som kan varierar i form, storlek och antal beroende på cellens energibehov. I jästceller krymper ett kolhydratrikt tillväxtmedium peroxisomer. Å andra sidan kan närvaron av toxiner eller en lipidrik diet öka antalet och storleken.
Dessa organeller är gjorda av ett fosfolipid dubbelskikt med många membranbundna proteiner – särskilt de som fungerar som protein transportörer och translokatorer. Enzymerna som är involverade i avgiftning och lipidmetabolism syntetiseras på fria ribosomer i cytoplasman och importeras selektivt till peroxisomer, vilket gör dem mer lik mitokondrier och kloroplaster jämfört med lysosomer som bryter ut från endoplasmatisk retikulum (ER). Det finns emellertid också några bevis som kopplar ER-medierad proteinsyntes till de enzymer som finns i peroxisomer.
Enzymer och proteiner avsedda för peroxisomen innehåller vanligtvis en av två signalsekvenser. Det vill säga det finns korta sträckor av några aminosyror som bestämmer proteinets subcellulära läge. Den vanligaste signalsekvensen kallas Peroxisome Targeting Sequence 1 (PTS1), som består av en aminosyratrimer. Proteiner innehållande PTS1-signalsekvens har en serinrest följt av en lysin och sedan en leucinrest i sin karboxiterminala ände. En stor andel peroxisomala proteiner har denna signalsekvens. För att PTS1 ska fungera optimalt är också aminosyrasekvenser uppströms om denna trimer nödvändiga. Vissa rapporter tyder på att den C-terminala sekvensen helst bör ses som en sträcka på 20 aminosyror som är nödvändiga för igenkänning av proteinet av den peroxisomala transportören och translokatormolekylerna.
Alternativt kan ett peroxisomalt protein också ha en N-terminal signalsekvens bestående av 9 aminosyror. Denna sekvens är gjord av två dimerer åtskilda av en sträcka av 5 aminosyror. Den första dimeren är gjord av arginin och leucin, medan den andra dimeren är gjord av histidin och leucin. Denna signalsekvens representeras med användning av aminosyrakoden med en bokstav som RLx5HL.
Det finns vissa bevis för att det finns andra interna sekvenser som riktar sig till proteiner för import till peroxisomen som ännu inte har karaktäriserats. Peroxisomer innehåller också vissa enzymer i mycket höga koncentrationer, som ibland verkar ha en kristalloid kärna.
Fosfolipiderna i peroxisomen syntetiseras mestadels i den smidiga ER. Eftersom en peroxisom växer i storlek på grund av inträngandet av proteiner och lipider kan den delas i två organeller.
Jämförelse mellan peroxisomer och andra organeller
Peroxisomer har vissa strukturella likheter med olika organeller inom cellen. Inledningsvis var det svårt att ens skilja lysosomer från peroxisomer genom enbart mikroskopisk undersökning. Därefter avslöjade differentiell centrifugering att dessa två subcellulära strukturer hade olika kompositioner. Deras protein- och lipidkomponenter är distinkta och de innehåller mycket olika enzymer. Specifikt innehåller peroxisomer katalas för att avgifta väteperoxiden som genereras från beta-oxidationen av fetter. En annan stor skillnad är att lysosomala proteiner syntetiseras i grov ER och vesiklar som innehåller lämpliga enzymer bryter ut för att bilda lysosomen.
Peroxisomer dela vissa likheter med mitokondrier och kloroplaster. De flesta proteinerna i dessa organeller översätts till fria ribosomer i cytoplasman. Men till skillnad från mitokondrier och kloroplaster innehåller peroxisomer inget genetiskt material eller översättningsmaskineri, därför kommer hela proteomet genom import från cytoplasman. Dessutom bildar ett enda lipid-dubbelskiktmembran peroxisomer, i motsats till de dubbla membranstrukturerna hos mitokondrier och kloroplaster.
Peroxisomernas funktioner
Peroxisomer får sitt namn från deras användning av molekylärt syre för metaboliska processer. Dessa organeller är i hög grad associerade med lipidmetabolism och bearbetning av reaktiva syrearter. Inom lipidmetabolismen handlar peroxisomer mest om β – oxidation av fettsyror, mobilisering av lipidförråd i frön, kolesterolbiosyntes och steroidhormonsyntes.
β –oxidation
Huvudskälet för den höga energidensiteten hos fetter är den låga andelen syreatomer i varje fettsyramolekyl. Till exempel har palmitinsyra, en fettsyra som innehåller 16 kolatomer och med en molekylvikt på över 250 g / mol, endast två syreatomer. Även om detta gör lipider till bra lagringsmolekyler, kan de inte direkt brännas som bränsle eller snabbt kataboliseras i cytoplasman genom glykolys. De måste bearbetas innan de kan shuntas in i mitokondrierna för fullständig oxidation genom citronsyracykeln och oxidativ fosforylering.
När dessa molekyler behöver oxideras för att frigöra ATP, måste de först brytas ner till mindre molekyler innan de kan bearbetas i mitokondrierna. Inom peroxisomer bryts långkedjiga fettsyror successivt ned för att generera acetylkoenzym A (acetyl coA) i en process som kallas β – oxidation. Acetyl coA kombineras sedan med oxaloacetat för att bilda citrat. Medan de flesta kolhydrater går in i citronsyracykeln som en trekolmolekyl som kallas pyruvat, som sedan dekarboxyleras för att bilda acetylcoA, ger peroxisomal β – oxidation fettsyror tillgång till citronsyracykeln direkt.
En av de viktigaste biprodukterna av β – oxidation är väteperoxid som kan vara skadligt för cellen. Denna molekyl avgiftas också noggrant av enzymet katalas i peroxisomer.
Peroxisomer i växter
I växter spelar peroxisomer viktiga roller i frögroning och fotosyntes.
Under fröspiring mobiliseras fettförråd för anabola reaktioner som leder till bildandet av kolhydrater. Detta kallas glyoxalatcykeln och börjar med β – oxidation och alstring av acetyl coA också.
I löv förhindrar peroxisomer förlust av energi under fotosyntetisk kolfixering genom återvinning av produkter från fotorespiration. Ett viktigt enzym som kallas Ribulose-1,5-bisfosfatkarboxylas / oxygenas (RuBisCO) är nödvändigt för fotosyntes, vilket katalyserar karboxyleringen av ribulosa-1,5-bisfosfat (RuBP). Detta är den centrala reaktionen för fixering av koldioxid för att bilda organiska molekyler. Emellertid kan RuBisCO, som namnet antyder, också syresätta RuBP, med hjälp av molekylärt syre, vilket frigör koldioxid – i själva verket vänder nätresultatet av fotosyntes. Detta gäller särskilt när växten utsätts för heta, torra miljöer och stomatorna stängs för att förhindra transpiration.
När RuBisCO oxiderar RuBP genererar den en 2-kolmolekyl som kallas fosfoglykolat. Detta fångas upp av peroxisomer där det oxideras till glycin. Därefter förflyttas den mellan mitokondrier och peroxisomer och genomgår en serie transformationer innan den omvandlas till en glycerolmolekyl som kan importeras till kloroplaster för att delta i Calvin-cykeln för fotosyntes.
Lipidbiosyntes och Avgiftning
I djurceller är peroxisomer platserna för en viss mängd lipidbiogenes, särskilt speciella fosfolipider som kallas plasmalogener som bildar myelinskidan i nervfibrer. Peroxisomer är också nödvändiga för syntesen av gallsalter. Cirka 25% av alkoholen vi konsumerar oxideras till acetaldehyd i dessa organeller. Deras roll i avgiftning och oxidering av ett antal molekyler, metaboliska biprodukter och läkemedel gör dem till en framträdande del av njure- och leverceller.
Störningar relaterade till peroxisomfunktion funktion kan uppstå från defekter i peroxisombiogenes, muterade peroxisomala enzymer eller icke-funktionella transportörer som känner igen PTS1 och PTS2 i cytoplasmiska proteiner. Den allvarligaste av dessa är sällsynta genetiska störningar som leder till nedsatt hjärnans utveckling och neuronal migration, tillsammans med myelinbrist. Andra organ som påverkas inkluderar skelettsystemet, lever, njure, ögon, hjärta och lungor.
Dessa störningar orsakas vanligtvis av mutationer i PEX-gener, som är nödvändiga för organellbiogenes – från bildandet av det subcellulära membranet , till igenkänning av cytoplasmiska proteiner och deras import till organellens matris. Till exempel är PEX16 involverad i syntesen av peroxisomala membran, medan PEX2 bildar translokationskanalen för import av matrisproteiner. PEX5 är å andra sidan receptorn för att känna igen PTS1-signalsekvensen.
Defekter i dessa proteiner kan orsaka ackumulering av långkedjiga fettsyror i blodplasma eller urin samt olämplig närvaro av fosfolipider som plasmalogener i röda blodkroppar.
- Kristalloid – Liknar en kristall i utseende eller egenskaper.
- Differentialcentrifugering – Teknik för att separera subcellulära komponenter baserat på deras densitet och storlek, med upprepade centrifugeringsomgångar med ökande hastigheter.
- Fotorespiration – Andningsförlopp, särskilt i högre växter, som sker i ljus och involverar upptag av syre och frisättning av koldioxid.
- Proteom – Den kompletta uppsättningen proteiner i en struktur vid en viss tidpunkt. Kan användas med hänvisning till en hel organism, specifika vävnader med kroppen, enskilda celler eller till och med subcellulära komponenter.
Quiz
1. Vilka av dessa molekyler är sannolikt en fettsyra?
A. C6H12O6
B. C18H34O2
C. C4H7NO4
D. C5H9NO4
2. Vilken roll har peroxisomer i fotosyntes?
A. Öka effektiviteten vid kolfixering
B. Mobilisera fettbutiker för att driva de energikrävande stegen för fotosyntes
C. Avgifta väteperoxiden som genereras under β-oxidation av fetter
D. Allt ovanstående
3. Varför leder många peroxisomala störningar till bristande hjärnfunktion?
A. Peroxisomer i hjärnan upprätthåller blodhjärnbarriären som förhindrar att toxiner tränger in i centrala nervsystemet
B. Peroxisomer genererar viktiga fosfolipider som behövs för neural aktivitet
C. Peroxisomstörningar leder till minskad leverfunktion som påverkar hjärnan
D. Allt ovanstående