Peroxisom

Peroxisom er en celleorganel omgivet af en enkelt membran og indeholder ikke DNA og ribosomer (i modsætning til mitokondrier og kloroplaster ). Peroxisomer er til stede i alle eukaryote celler. De indeholder enzymer , der ved hjælp af molekylær oxygen oxiderer visse organiske stoffer. Fedtsyre- β-oxidation forekommer også i peroxisomer . De første stadier af dannelsen af ​​plasmalogener finder også sted i dem . I planter er bladcelleperoxisomer involveret i processenfotorespiration . Importen af ​​proteiner til peroxisomer sker med deltagelse af en kort signalsekvens .

Studiehistorie

Som en separat struktur blev peroxisomet først beskrevet i 1954 af Johannes AG Rhodin i musenyreceller . Disse strukturer var omgivet af en enkelt membran og indeholdt en veldefineret granulær matrix. På grund af deres lille størrelse og ubestemmelige udseende, kaldte forskeren dem "mikrokroppe". I 1960 og senere viste Christian de Duve ( fr. Christian René de Duve ) og medforfattere, at peroxisomer indeholder enzymer som uratoxidase , katalase , D-aminosyreoxidase . Det viste sig, at i peroxisomer omdannes molekylært oxygen under påvirkning af oxidase til hydrogenperoxid , som katalase nedbrydes til vand og oxygen. Denne opdagelse fik de Duve til at navngive denne organel "peroxisomet". Sideløbende viste en anden gruppe forskere ledet af Harry Beevers ( eng. Harry Beevers ), at glyoxylatcyklussen i spirende frø foregår i hidtil ukendte cytoplasmatiske partikler, som de kaldte " glyoxysomer ". Glyoxisomer minder meget om peroxisomer i deres egenskaber. Det blev fundet, at β-oxidation af fedtsyrer også forekommer i glyoxisomer. Det blev senere opdaget, at denne proces også forekommer i rotteleverperoxisomer [ 1] . I øjeblikket betragtes glyoxisomer som modificerede peroxisomer [2] .   

Morfologi og lokalisering

Peroxisomer er små membranøse vesikler på 0,3-1,5 μm i størrelse, der indeholder en granulær matrix indeni. I midten af ​​matrixen er kernen eller nukleoiden. I denne zone er der ofte (især i levercellerne) synlige krystallignende strukturer bestående af regulære fibriller eller tubuli [3] .

Peroxisomer er til stede i alle eukaryote celler [4] . Størrelsen, antallet og proteinsammensætningen af ​​peroxisomer er forskellig i celler i forskellige væv , og kan også ændre sig under påvirkning af en ekstern stimulus [5] . For eksempel har gær , der vokser på sukker , små peroxisomer. Imidlertid har gær, der vokser på methanol , store peroxisomer, der oxiderer methanol. Hvis gær dyrkes på fedtsyrer, så har de store peroxisomer, hvor β-oxidation af fedtsyrer foregår intensivt [6] . Hos højere hvirveldyr er celler i leveren og nyrerne særligt rige på peroxisomer. Hver rotte-hepatocyt indeholder således fra 70 til 100 peroxisomer [7] .

Funktioner

Funktionerne af peroxisomer er ekstremt forskellige i forskellige grupper af organismer. Imidlertid indeholder næsten alle typer af peroxisomer enzymet katalase, såvel som enzymer af β-oxidation af fedtsyrer [5] . De kendte funktioner af peroxisomer er diskuteret nedenfor.

Oxidation af organiske stoffer

Peroxisomet indeholder normalt enzymer, der bruger molekylært oxygen til at fjerne brintatomer fra visse organiske substrater ( ) for at danne hydrogenperoxid ( ):

[8] .

Disse enzymer omfatter forskellige oxidaser: uratoxidase, D-aminosyreoxidase [7] .

Catalase bruger de mange substrater, der genereres til at oxidere, såsom phenoler , myresyre , ethanol og formaldehyd :

.

Ved hjælp af denne reaktion neutraliseres forskellige giftige stoffer i blodbanen i leveren og nyrerne. Omkring 25 % af de forbrugte ethanolperoxisomer oxideres til acetaldehyd [8] .

Når for meget hydrogenperoxid akkumuleres i cellen, omdanner katalase det til vand i følgende reaktion:

[8] .

Fedtsyreoxidation

I peroxisomer af alle organismer forekommer β-oxidation af fedtsyrer. Ved hvert trin i denne proces forkortes fedtsyrealkylkæden med to carbonatomer for at frigive acetyl-CoA . Peroxisomer eksporterer det derefter til cytosolen . Hos pattedyr forekommer β-oxidation ikke kun i peroxisomer, men også i mitokondrier, men i gær og planter forekommer denne proces kun i peroxisomer [8] .

I peroxisomer sker der også α-oxidation af fedtsyrer, som ikke kan undergå β-oxidation på grund af tilstedeværelsen af ​​en methylgruppe ved β-carbonatomet [9] .

Andre funktioner

Hos dyr finder de første biosyntesereaktioner af plasmalogener, de mest almindelige myelinphospholipider , sted i peroxisomer [8] . Rollen af ​​peroxisomer i biosyntesen af ​​isoprenoider og kolesterol hos dyr er meget diskuteret [10] .

Peroxisomer tegner sig for omkring 10% af aktiviteten af ​​to enzymer i pentosephosphatvejen : glucose-6-phosphatdehydrogenase og 6-phosphogluconatdehydrogenase , som formodes at genopbygge NADPH -puljen uden for peroxisomet efter behov [10] .

Det er blevet vist, at NDR2-proteinet, serin/threoninkinase , involveret i udviklingen af ​​øjenvipper , er lokaliseret i peroxisomer [11] .

Peroxisomer menes at spille en vigtig rolle i reguleringen af ​​systemisk inflammation , men den funktionelle rolle af disse organeller i det inflammatoriske respons, som medieres af myeloide immunceller , er stort set ukendt [12] .

I planteblade er peroxisomer involveret i processen med fotorespiration . Denne proces er en konsekvens af den utilstrækkelige specificitet af hovedenzymet, der fikserer kuldioxid, rubisco , som ikke kun kan binde til kuldioxid, men også til oxygen. Når oxygen reagerer med ribulose-1,5-bisphosphat under påvirkning af rubisco, dannes 3-phosphoglycerat og 2-phosphoglycolat . Fotorespiration er urentabel for cellen, da kuldioxidfiksering ikke forekommer, men der dannes 2-phosphoglycolat, hvis assimilering er energetisk ugunstig for cellen [13] . Derudover dannes en række plantehormoner i peroxisomer [14] .

I planter og nogle andre organismer indeholder modificerede peroxisomer, glyoxisomer, enzymer fra glyoxylatvejen. Under denne proces omdannes acetyl-CoA, dannet under oxidation af fedtstoffer (f.eks. lagret i frøet) i glyoxisom til en fire-carbon mellemforbindelse af citronsyrecyklussen - succinat , som udskilles i cytosolen og derefter bruges til syntese af sukkerarter [15] .

Nogle protozoer (for eksempel trypanosomer ) har en speciel membranbundet organel, der indeholder glykolyseenzymer - glykosom . Det antages, at det stammer fra peroxisomet [16] .

I nogle svampe, såsom Aspergillus nidulans og Penicillium chrysogenum , sker det sidste trin i penicillinbiosyntesen i peroxisomer. Hos A. nidulans og A. fumigatus er peroxisomer involveret i syntesen af ​​sideroforer . Derudover er Voronin-legemerne af pungdyrsvampe , som tjener til at tilstoppe porerne i beskadigede celler og adskille dem fra normale celler, modificerede peroxisomer [17] .

Proteinimport

Da peroxisomer ikke indeholder deres eget DNA og ribosomer, skal alle deres proteiner importeres til peroxisomerne fra cytosolen. Nogle peroxisomproteiner er målrettet mod dem via det C-terminale peroxisomale målretningssignal (PTS1). PTS1-sekvenser er meget kortere end andre organel-importsignaler, ofte bestående af kun tre aminosyrerester . Den kanoniske PTS1-sekvens indeholder serin , cystein eller alanin , efterfulgt af en basisk aminosyrerest og derefter leucin . Tilstedeværelsen af ​​yderligere aminosyrer uden for PTS1 kan forbedre målretningssignalet, især hvis PTS1-sekvensen er meget forskellig fra den kanoniske. Meget sjældnere har peroxisomale proteiner PTS2-signalsekvensen, som er placeret i N-terminalen af ​​proteinet og er længere end PTS1. PTS2 er en del af et større peptid , der spaltes fra efter endt import. Processen med at importere proteiner til peroxisomer er ikke godt forstået, men det er kendt, at det involverer opløselige receptorer i cytosolen, der genkender signalsekvensen og kobler proteiner på den cytosolvendte side af peroxisomer. Importprocessen er ledsaget af ATP - hydrolyse og involverer omkring 23 forskellige proteiner kaldet peroxiner . Proteiner med PTS1 er placeret på peroxisomer med deltagelse af Pex5p-receptoren, og dem med PTS2 er placeret med Pex7p. Hos pattedyr adresseres PTS2-proteiner af et protein, der er en alternativ splejsningsvariant af Pex5p [18] . Et kompleks af 6 forskellige peroxiner danner en membrantranslokator [19] .

Processen med import af peroxisomprotein er fundamentalt forskellig fra proteintranslokation til ER , mitokondrier og chloroplaster ved, at peroxisomproteiner importeres, efter at de har erhvervet en naturlig eller endda oligomer struktur i cytosolen. I denne henseende ligner transporten af ​​proteiner ind i peroxisomer transporten af ​​proteiner ind i kernen. Under transport ind i kernen og ind i peroxisomet overføres receptoren, der genkender signalsekvensen, med substratet gennem membranen, derefter separeres receptoren og eksporteres til cytosolen til videre brug [20] .

Biogenese

Mekanismen for dannelse af nye peroxisomer i cellen er genstand for debat. Det vides ikke med sikkerhed, om peroxisomer opstår fra allerede eksisterende ved deres vækst og deling (som mitokondrier og plastider), eller om de dannes ved spaltning fra det endoplasmatiske reticulum (ER) . Mest sandsynligt kan begge synspunkter være sande, og mekanismen for peroxisombiogenese ser sandsynligvis sådan ud. Blandt proteinerne i peroxisomer er der dem, der først er integreret i ER-membranen, hvor de kan være en del af specielle vesikler  - forstadier til peroxisomer. Spaltning af disse vesikler fra ER og deres yderligere fusion fører til dannelsen af ​​et peroxisom, som importerer de resterende peroxisomale proteiner ved hjælp af sit eget importmaskineri. Yderligere kan peroxisomet vokse og dele sig for at danne datterperoxisomer [21] .

I 2017 blev en ny model for de novo peroxisomdannelse foreslået . Det er kendt, at peroxisomer og mitokondrier fungerer sammen i mange metaboliske veje  , såsom β-oxidation af fedtsyrer. Derudover importeres mange peroxinproteiner i mitokondrier i fravær af peroxisomer i celler. I denne henseende antages det, at peroxisomer er et hybridprodukt af fusionen af ​​præ-peroxisomale vesikler, der er adskilt fra både ER og mitokondrier [22] .

Der er en række alternative hypoteser vedrørende oprindelsen af ​​peroxisomer. Da peroxisomerne af forskellige organismer indeholder et antal proteiner, der er ens for alle, er hypotesen om den endosymbiotiske oprindelse af peroxisomer blevet foreslået. Ifølge denne hypotese stammer peroxisomer fra intracellulære bakterier [23] . Der er en version af, at peroxisomer stammer fra actinobakterier [24] . Imidlertid er disse hypoteser for nylig blevet tilbagevist [25] [26] .

Klinisk betydning

Den første sygdom, hvortil en peroxisomrelateret årsag blev identificeret, var Zellwegers syndrom . Hos patienter med Zellwegers syndrom er processen med at importere proteiner til peroxisomer svækket, hvilket fører til alvorlig peroxisomal insufficiens. Deres celler indeholder "tomme" peroxisomer. Patienter lider af alvorlige hjerne- , lever- og nyreskader og dør kort efter fødslen. En form for sygdommen er forårsaget af en mutation i peroxinet Pex2, og en defekt i det N-terminale importsignal forårsager en mildere form af sygdommen [19] .

Siden opdagelsen af ​​årsagerne til Zellwegers syndrom i 1973 er ​​der modtaget en masse ny information om forskellige sygdomme forårsaget af forstyrrelser i peroxisomernes funktion: til dato er 14 gener blevet identificeret , mutationer, hvori fører til peroxisomale lidelser [27] . De er opdelt i to grupper: sygdomme forårsaget af forstyrrelser i et enzyms arbejde og sygdomme forbundet med peroxisombiogenese . Den første gruppe omfatter sygdomme som X-linked adrenoleukodystrophy (ALD) og rhizomelic chondrodysplasia punctata (RCDP) type 2 og 3. Patienter med X-linked ALD akkumulerer fedtsyrer med meget lange alkylkæder på grund af for mutationer i ABC-bæreren D1, som er nødvendig for transporten af ​​disse forbindelser til peroxisomer. RCDP type 2 og 3 er forårsaget af defekter i to nøgleenzymer af plasmalogen biosyntese [28] .

Den anden gruppe omfatter sygdomme forårsaget af forstyrrelser i biogenesen af ​​peroxisomer, derfor er de karakteriseret ved en mere kompleks ætiologi end sygdomme forårsaget af forstyrrelser i specifikke enzymer. Disse sygdomme omfatter det allerede nævnte Zellweger-syndrom, neonatal ALD og Refsum-sygdom hos børn [29] .

Noter

  1. ↑ Brocard et al., 2014 , s. 3-4.
  2. ↑ Nelson, Cox, 2014 , s. 213.
  3. ↑ Chentsov, 2005 , s. 320.
  4. ↑ Alberts et al., 2013 , s. 1107.
  5. ↑ 1 2 Brocard et al., 2014 , s. fire.
  6. ↑ Alberts et al., 2013 , s. 1108-1109.
  7. ↑ 1 2 Chentsov, 2005 , s. 321.
  8. ↑ 1 2 3 4 5 Alberts et al., 2013 , s. 1108.
  9. ↑ Nelson, Cox, 2014 , s. 250.
  10. ↑ 1 2 Wanders RJ , Waterham HR Biochemistry of mammalian peroxisomes revisited.  (engelsk)  // Årlig gennemgang af biokemi. - 2006. - Bd. 75. - S. 295-332. - doi : 10.1146/annurev.biochem.74.082803.133329 . — PMID 16756494 .
  11. ↑ Abe S. , Nagai T. , Masukawa M. , Okumoto K. , Homma Y. , Fujiki Y. , Mizuno K. Lokalisering af NDR2 til peroxisomer og dets rolle i ciliogenese.  (engelsk)  // The Journal of biological chemistry. - 2017. - doi : 10.1074/jbc.M117.775916 . — PMID 28122914 .
  12. ↑ Vijayan V. , Srinu T. , Karnati S. , Garikapati V. , Linke M. , Kamalyan L. , Mali SR , Sudan K. , Kollas A. , Schmid T. , Schulz S. , Spengler B. , Weichhart T. , Immenschuh S. , Baumgart -Vogt E. En ny immunmodulerende rolle for peroxisomer i makrofager aktiveret af TLR4-liganden Lipopolysaccharide.  (engelsk)  // Journal of immunology (Baltimore, Md.: 1950). - 2017. - doi : 10.4049/jimmunol.1601596 . — PMID 28179495 .
  13. ↑ Nelson, Cox, 2014 , s. 420.
  14. ↑ Fahy D. , Sanad MN , Duscha K. , Lyons M. , Liu F. , Bozhkov P. , Kunz HH , Hu J. , Neuhaus HE , Steel PG , Smertenko A. Effekten af ​​saltstress, celledød og autofagi på peroxisomer: kvantitative og morfologiske analyser ved brug af lille fluorescerende probe N-BODIPY.  (engelsk)  // Videnskabelige rapporter. - 2017. - Bd. 7. - S. 39069. - doi : 10.1038/srep39069 . — PMID 28145408 .
  15. ↑ Nelson, Cox, 2014 , s. 212-213.
  16. ↑ Parsons M. Glycosomes: parasitter og divergensen af ​​peroxisomale formål.  (engelsk)  // Molekylær mikrobiologi. - 2004. - Bd. 53, nr. 3 . - s. 717-724. - doi : 10.1111/j.1365-2958.2004.04203.x . — PMID 15255886 .
  17. ↑ Kamzolkina O. V., Dunaevsky Ya. E. Biologi af svampecellen. - M . : Partnerskab af videnskabelige publikationer af KMK, 2015. - S. 130-131, 135. - 239 s. - ISBN 978-5-9906564-1-3 .
  18. ↑ Cassimeris et al., 2016 , s. 349.
  19. ↑ 1 2 Alberts et al., 2013 , s. 1110.
  20. ↑ Cassimeris et al., 2016 , s. 349-350.
  21. ↑ Alberts et al., 2013 , s. 1110-1111.
  22. ↑ Sugiura A. , Mattie S. , Prudent J. , McBride H.M. Nyfødte peroxisomer er en hybrid af mitokondrielle og ER-afledte præ-peroxisomer.  (engelsk)  // Nature. - 2017. - Bd. 542, nr. 7640 . - S. 251-254. - doi : 10.1038/nature21375 . — PMID 28146471 .
  23. ↑ Lazarow PB , Fujiki Y. Biogenesis of peroxisomes.  (engelsk)  // Årlig gennemgang af cellebiologi. - 1985. - Bd. 1. - S. 489-530. - doi : 10.1146/annurev.cb.01.110185.002421 . — PMID 3916321 .
  24. ↑ Duhita N. , Le HA , Satoshi S. , Kazuo H. , Daisuke M. , Takao S. Peroxisomernes oprindelse: Muligheden for en aktinobakteriel symbiose.  (engelsk)  // Gene. - 2010. - Bd. 450, -nr. 1-2 . - S. 18-24. - doi : 10.1016/j.gene.2009.09.014 . — PMID 19818387 .
  25. ↑ Fagarasanu A. , Fagarasanu M. , Rachubinski R.A. Vedligeholdelse af peroxisompopulationer: en historie om deling og arv.  (engelsk)  // Årlig gennemgang af celle- og udviklingsbiologi. - 2007. - Bd. 23. - S. 321-344. - doi : 10.1146/annurev.cellbio.23.090506.123456 . — PMID 17506702 .
  26. ↑ Gabaldón T. , Capella-Gutiérrez S. Mangel på fylogenetisk støtte til en formodet aktinobakteriel oprindelse af peroxisomer.  (engelsk)  // Gene. - 2010. - Bd. 465, nr. 1-2 . - S. 61-65. - doi : 10.1016/j.gene.2010.06.004 . — PMID 20600706 .
  27. ↑ Taylor RL , Handley MT , Waller S. , Campbell C. , Urquhart J. , Meynert AM , Ellingford JM , Donnelly D. , Wilcox G. , Lloyd IC , Mundy H. , FitzPatrick DR , Deshpande C. , Clayton-Smith J. , Black GC Novel PEX11B-mutationer forlænger Peroxisome Biogenesis Disorder 14B fænotypisk spektrum og understreger medfødt katarakt som et tidligt træk.  (engelsk)  // Undersøgende oftalmologi & visuel videnskab. - 2017. - Bd. 58, nr. 1 . - S. 594-603. - doi : 10.1167/iovs.16-21026 . — PMID 28129423 .
  28. ↑ Brocard et al., 2014 , s. 5.
  29. ↑ Brocard et al., 2014 , s. 5-6.

Litteratur

  eukaryote celleorganeller _
endomembransystem
cytoskelet
Endosymbionter
Andre indre organeller
Eksterne organeller