PEROXISOMES (2013)

Apunte Catalán
Universidad Universidad Autónoma de Barcelona (UAB)
Grado Genética - 1º curso
Asignatura Biologia Cel·lular
Año del apunte 2013
Páginas 8
Fecha de subida 18/10/2014
Descargas 55

Descripción

Professora: Laura Tusell

Vista previa del texto

PEROXISOMES Els peroxisomes són uns orgànuls cel·lulars que mesuren entre 0,5 i 1 µM. S’anomenen així perquè en les primeres observacions que se’n van fer es va observar que eren zones on es produïa molt peròxid d’hidrogen (H 2O2). Es diferencien d’altres orgànuls (mitocondris i cloroplasts) en diverses característiques: - Estan rodejats per una sola membrana.
No presenten DNA propi ni ribosomes.
La qual cosa té sentit si pensem que aquest orgànul no té l’origen com a procariota que tenien els altres dos orgànuls.
Com no té DNA ni ribosomes propis, totes les proteïnes peroxisomals són codificades per gens del nucli. La majoria se sintetitzen al citosol i s’importen a l’interior dels peroxisomes, i una petita part entra a la membrana del peroxisoma a través del RE.
Nuclis cristal·lins dels peroxisomes.
Una de les característiques més importants dels peroxisomes és que contenen enzims oxidatius, com la catalasa i la urato-oxidasa, que a vegades es poden trobar a concentracions tan altes que en electromicrografies es veuen com un nucli cristal·lí dins el peroxisoma.
Trobem peroxisomes sobretot en els hepatòcits, les cèl·lules que conformen entre el 70 i l 80% del fetge.
Origen peroxisomes: Els peroxisomes, juntament amb els mitocondris, són els llocs de la cèl·lula on es fa servir més l’oxigen. Per això existeix la hipòtesi que proposa que els peroxisomes són l’orgànul vestigial que ha quedat d’un antic orgànul que duia a terme tot el metabolisme de l’oxigen en les cèl·lules antecessores de les eucariotes actuals.
Quan la concentració d’oxigen atmosfèric va augmentar a causa dels primers bacteris fotosintètics, la qual cosa era tòxica per la majoria de cèl·lules, els peroxisomes podrien haver estat útils per reduir la concentració d’oxigen a l’interior cel·lular, a més d’utilitzar la seva reactivitat química per dur a terme reaccions oxidatives d’utilitat.
Quan es van desenvolupar els mitocondris, van adoptar la majoria de reaccions oxidatives que feien servir l’oxigen en la fosforilació oxidativa, que a més creava ATP (cosa que els peroxisomes no feien). Això va provocar que els peroxisomes quedessin obsolets, i actualment només guardin les reaccions d’oxidació les funcions de les quals no van poder assumir els mitocondris.
BIOGÈNESI DELS PEROXISOMES Importació de proteïnes del citosol al peroxisoma Es coneix una seqüència senyal d’importació de les proteïnes del citosol al peroxisoma.
Les seqüències senyal d’importació s’anomenen PTS (de Peroxisomal Targeting Signal). La SS coneguda s’anomena SKL (és la PTS1), es troba a l’extrem Cter i consisteix en tres aminoàcids: Ser-Lys-Leu-COO-. Hi ha una altra SS (PTS2) situada a l’extrem Nter, però aquesta no és tan coneguda.
Totes les proteïnes que participen en el procés d’importació s’anomenen peroxines, i n’hi ha almenys 23 diferents. Hidrolitzen ATP per impulsar el procés d’importació.
Trobem proteïnes solubles al citosol que són receptores de la SS i condueixen la proteïna peroxisomal des del lloc on es troba fins a l’exterior del peroxisoma. Després, a la superfície citosòlica del peroxisoma trobem unes altres proteïnes d’ancoratge.
Perquè les proteïnes puguin entrar al peroxisoma necessiten un translocador de membrana; aquest està format per un complex de 6 peroxines diferents.
Les proteïnes peroxisomals entren plegades a l’interior, al revés de com passa amb els mitocondris i els cloroplasts, els quals necessiten que les proteïnes es despleguin per passar pels canals de translocació.
Almenys una de les proteïnes d’importació soluble, la Pex5 o PTS1R (R de receptora del senyal PTS), s’uneix a la SS com hem dit abans i guia la proteïna fins al peroxisoma.
Per les SS a l’extrem Nter, hi ha una altra proteïna receptora soluble al citosol, la Pex7 o PTS2R, que fa la mateixa funció que la Pex5 o PTS1R.
El complex Pex5-proteïna és reconegut per una proteïna d’ancoratge de la membrana del peroxisoma, la Pex14, que orienta el complex cap al canal d’importació format per les proteïnes Pex2, Pex10 i Pex12.
La Pex5 acompanya la proteïna durant tot el procés d’importació a l’interior del peroxisoma, i és quan es troben dins que allibera la proteïna peroxisomal. Llavors PTS1R (o PTS2R) ha de tornar al citosol per tornar a dur a terme la seva funció.
Aquest procés recorda més a la importació i exportació de proteïnes al nucli a través dels porus que no pas a la importació de proteïnes al mitocondri, també pel fet que la SS d’importació al peroxisoma no s’elimina mai quan el procés ja s’ha dut a terme.
En aquest esquema es pot observar la importació de la catalasa.
Aquestes proteïnes, quan s’acaben de sintetitzar al citosol, es pleguen correctament i s’uneixen en tetràmers.
Aquests tetràmers, alhora, s’uneixen amb quatre grups hemo que transporten ferro.
La SS SKL d’una de les catalases és reconeguda per la PTS1R o Pex5.
El complex Pex5-catalasa és reconegut pel receptor que es troba a la membrana (Pex 14) i entra pel canal de translocació.
La catalasa s’allibera a la llum del peroxisoma i la PTS1R ha de tornar al citosol.
Importació de lípids del citosol al peroxisoma La importació de lípids es pot explicar amb les teories de formació dels peroxisomes.
No està del tot clar si aquests orgànuls apareixen per fissió d’anteriors (replicació autònoma com en els mitocondris i cloroplasts), o deriven d’un compartiment especialitzat del RE. En realitat, poden coexistir els dos models de formació: La majoria de les proteïnes transmembranals dels peroxisomes són sintetitzades al citosol, i després s’insereixen a les membranes dels peroxisomes. Però també poden inserir-se en membranes de vesícules provinents del RE i precursores dels peroxisomes, o fins i tot a la membrana del RE mateix.
Les vesícules precursores es fusionen unes amb altres (o amb peroxisomes ja existents) i acaben donant lloc a peroxisomes madurs que tenen la facultat d’importar proteïnes peroxisomals a l’interior, gràcies a que tenen les proteïnes transmembranals que actuen com a receptors. Els peroxisomes madurs poden entrar en un cicle de creixement i fissió.
Per tant, amb aquesta teoria de formació dels peroxisomes quedaria explicat com arriben els lípids a la membrana d’aquests orgànuls: si es formen a partir de vesícules que provenen del RE, ja tenen els lípids necessaris.
A més, tal i com passava amb els mitocondris, també pot haver-hi una translocació de lípids de membrana quan dos membranes estan molt juntes. En aquests moments, les escramblases poden translocar un lípid de la membrana del RE a la membrana del peroxisoma.
O també es poden transportar lípids de membrana amb unes proteïnes que fan de beina protegint del citosol la part hidrofòbica d’aquests.
Malalties genètiques causades per deficiències en el procés d’importació de proteïnes Aquestes malaltia presenten mutacions en els gens que codifiquen per les peroxines, de manera que pot ser que les proteïnes directament no surtin mai del RE per un mal plegament, que arribin al seu lloc però no funcionin correctament... Poden fallar tant les proteïnes solubles receptores de la SS SKL com els receptors de la membrana del peroxisoma que ancoren les proteïnes.
Síndrome de Zellweger Hi ha una mutació en el gen que codifica per la peroxina Pex2, una proteïna transmembranal dels peroxisomes implicada en la importació de proteïnes. Això provoca una deficiència peroxisomal profunda: els peroxisomes estan “buits”, la qual cosa provoca greus anormalitats al cervell, el fetge i els ronyons. Els afectats per aquesta malaltia moren poc després de néixer.
Hi ha altres malalties que, com la síndrome de Zellweger, són causades per mutacions en proteïnes que no permeten dur a terme de manera adequada el procés d’importació de proteïnes a l’interior del peroxisoma. Aquestes malalties, per tant, provoquen una alteració en l’estructura del peroxisoma. Poden ser més greus o més lleus.
Per exemple, si la proteïna receptora d’importació fos específica per la SS de l’extrem Nter, provocaria una malaltia peroxisomal més lleu, ja que de proteïnes peroxisomals amb aquesta SS n’hi ha moltes menys que amb la SS de l’extrem Cter.
Aquestes altres malalties que es diu que estan en “l’espectre Zellweger” perquè s’hi assemblen són: adrenoleucodistròfia neonatal (ALDN) i la malaltia de Refsum Infantil (RI).
Altres malalties peroxisomals Aquestes estan causades pel defecte d’un sol enzim peroxisomal, que com no participa en la importació de proteïnes, no provoca un gran defecte d’estructura d’aquest orgànul.
En seria un exemple l’adrenoleucodistròfia lligada al cromosoma X.
FUNCIONS DELS PEROXISOMES General Els peroxisomes contenen almenys 50 enzims diferents, que participen en diverses rutes bioquímiques en diferents tipus de cèl·lules.
Sempre trobem almenys un o dos enzims que catalitzen les reaccions d’oxidació de substrats específics amb oxigen molecular, el resultat dels quals és la pèrdua d’hidrògens del substrat i la formació de peròxid d’hidrogen (d’aquí ve el nom de peroxisomes) (Reacció 1).
La catalasa, un altre enzim peroxisomal, utilitza l’H2O2 per oxidar altres substàncies mitjançant una reacció de peroxidació (Reacció 3). Poden oxidar-se: fenols, àcid fòrmic, formaldehid i alcohols. Aquest tipus d’oxidació és molt important i es dóna sobretot en cèl·lules del ronyó i el fetge, i s’anomenen detoxificació, ja que oxiden compostos tòxics, com per exemple l’etanol, que el 25% que ingerim és detoxificat en els peroxisomes del fetge.
Si hi ha un excés de peròxid d’hidrogen, i no cal dur a terme cap oxidació/detoxificació, la catalasa també pot eliminar-lo, ja que és tòxic, produint dues molècules d’aigua i un oxigen molecular (Reacció 2).
Una de les oxidacions més importants que es troba en els peroxisomes és l’oxidació dels àcids grassos. (Reacció 1). Es tallen les cadenes dels àcids grassos de forma seqüencial en forma de blocs de dos àtoms de carboni, transformant així els àcids grassos en acetil-CoA. És el procés que s’anomena β-oxidació.
La β-oxidació, en els mamífers, té lloc tant en els mitocondris com en els peroxisomes, però en cèl·lules vegetals i llevats, aquesta funció només es troba en els peroxisomes.
Una funció important dels peroxisomes és també la biosíntesi de lípids. A les cèl·lules animals, aquests orgànuls sintetitzen colesterol i dolicol juntament amb el RE. Els peroxisomes de les cèl·lules hepàtiques també sintetitzen els àcids biliars, que són molècules derivades del colesterol. A més, una funció essencial dels peroxisomes és que contenen els enzims necessaris per catalitzar les primeres reaccions de la biosíntesi dels plasmalògens.
Els plasmalògens són una família de fosfolípids que tenen una de les cadenes hidrocarbonades unida al glicerol mitjançant un enllaç èter en comptes d’un èster.
Són importants en la membrana d’alguns teixits, com ara el cor o el cervell. De fet, són els fosfolípids més abundants en la mielina. Per això, un defecte en els peroxisomes que provoqui una deficiència de plasmalògens provoca profundes anormalitats en la mielinització dels axons de les cèl·lules nervioses. Per això moltes deficiències peroxisomals provoquen anomalies neurològiques.
Els peroxisomes són orgànuls adaptables: dins un mateix organisme hi pot haver diferents cèl·lules amb un contingut diferent d’enzims, si les funcions que duen a terme són diferents. També s’adapten a condicions Estructura d’un plasmalogen.
canviants: si una llevat es troba en un medi amb sucres, té peroxisomes petits; si creix en metanol els peroxisomes creixen per poder dur a terme la detoxificació d’aquesta substància; i si creix en un medi ric en àcids grassos, encara desenvoluparà més els seus peroxisomes per poder fer β-oxidació.
Funcions dels peroxisomes a les plantes Hi ha dos tipus de peroxisomes en plantes: un tipus es troba a les fulles i participa en la fotorespiració, i l’altre es troba en les llavors de germinació, on es dóna el cicle del glioxilat.
Cicle del glioxilat Els peroxisomes presents en les llavors de germinació, transformen els àcids grassos emmagatzemats en lípids en sucres necessaris pel creixement de la planta jove. La transformació d’àcids grassos a sucres es duu a terme amb el cicle del glioxilat.
Primer de tot, els enzims del peroxisoma oxiden els àcids grassos creant molècules d’acetil-CoA. 2 molècules d’acetil-CoA entren al cicle i són usades per formar àcid succínic. Aquest surt del peroxisoma i es transforma en glucosa.
El cicle del glioxilat no es dóna en animals, per tant no són capaços de transformar àcids grassos en glúcids.
Cicle del glioxilat Fotorespiració La fotorespiració bàsicament serveix per metabolitzar un producte derivat de la fotosíntesi.
A la fotosíntesi, una molècula de CO2 s’uneix amb una ribulosa-1,5-bifosfat formant dues molècules de 3-fosfoglicerat, i entrant així al cicle de Calvin, el resultat del qual és la formació d’una molècula de glucosa. L’enzim rubisco, el responsable de catalitzar aquesta unió, a vegades també uneix a la ribulosa una molècula d’O2, i llavors es produeix una molècula de 3-fosfoglicerat i una de fosfoglicolat (té 2 carbonis).
El fosfoglicolat no és un metabòlit útil, així que segueix una sèrie de passos: 1) Es converteix a glicolat dins els cloroplasts.
2) Es transfereix als peroxisomes, on el glicolat s’oxida a glicina.
3) La glicina es transfereix als mitocondris, on és convertida en una molècula de serina, amb la consegüent pèrdua de CO2 i NH3.
4) La serina torna als peroxisomes, on es converteix en glicerat.
5) El glicerat retorna finalment als cloroplasts, on entra al cicle de Calvin.
Tenint en compte tot el que suposa el procés, la fotorespiració no sembla beneficiosa per la planta. De fet, és molt contrària a la fotosíntesi: consumeix O 2 i allibera CO2 sense cap guany d’ATP. Però l’existència d’aquesta ruta no té cap raó de funcionalitat, simplement recupera el carboni que es perd en el fosfoglicolat, ja que la unió ocasional d’oxigen molecular amb ribulosa és un fet inherent a l’enzim rubisco i no es pot evitar.
Fotorespiració: recuperació dels carbonis del fosfoglicolat.
...