Peroxisomes (2014)

Trabajo Catalán
Universidad Universidad Autónoma de Barcelona (UAB)
Grado Genética - 1º curso
Asignatura biologia cel·lular
Año del apunte 2014
Páginas 12
Fecha de subida 02/11/2014
Descargas 22
Subido por

Vista previa del texto

Biologia Cel·lular PEROXISOMES PEROXISOMES 1 Biologia Cel·lular PEROXISOMES 1. CARACTERÍSTIQUES GENERALS DELS PEROXISOMES Morfològicament s'assemblen als lisosomes; són vesícules esfèriques simples limitades per una membrana plasmàtica, amb un Ø que va de 0.2 a 1.0 μm i normalment conté un nucli cristal·lí dens de urato oxidasa. La seva membrana posseeix transportadors d'electrons com el citocrom b5 i els enzims NADH-citocrom b5 reductasa i el NADH citocrom P450 reductasa.
Presenten una matriu formada per proteïnes enzimàtiques, moltes d'elles peroxidases.
Totes les cèl·lules eucariotes els posseeixen; en els mamífers les trobem abundantment en ronyons i en els hepatòcits, mentre que en les plantes les trobem en major quantitat en les llavors.
Aquests orgànuls reben el nom de peroxisomes degut que es troben en llocs on es forma el peròxid d'hidrogen (H2O2), un agent oxidant tòxic i molt reactiu.
També s'assemblen als lisosomes en què contenen diversos enzims de gran variabilitat funcional. Uns exemples són: les que participen en l'oxidació dels àcids grassos de cadena llarga, síntesi de colesterol i àcids biliars en el fetge, síntesi de plasmalògens en la neurona, la catalasa que degrada el nociu peròxid d'hidrogen (H2O2), etc.
Com a dada curiosa, la luciferasa que genera la llum emesa per les cuques de llum és emmagatzemada en els peroxisomes.
Els peroxisomes es diferencien dels mitocondris i dels cloroplasts en molts aspectes, entre els quals cal destacar que aquests orgànuls estan envoltats per una sola membrana i no presenten ni DNA ni ribosomes. Atès que no tenen genoma, totes les seves proteïnes estan codificades en el nucli. Els peroxisomes adquireixen la major part de les seves proteïnes mitjançant importació selectiva des del citosol, encara que algunes d'elles entren a la membrana del peroxisoma a través del ER.
Funcions de la família d’orgànuls: Totes la cèl·lules eucariotes tenen enzims oxidatives com la catalasa i la urato oxidasa a concentracions tan altes que en algunes cèl·lules els peroxisomes es reconeixen en electromicrografias per la presència d'un nucleoide cristal·lí.
2 Biologia Cel·lular PEROXISOMES Per tant, les funcions més rellevants són les reacciones oxidatives com la detoxificació de compostos tòxics i l’oxidació d’àcids grassos. D’altres són la biosíntesis de lípids (plasmalògens)i, en les plantes, la fotorespiració i el cicle del glioxilat.
Com en el cas dels mitocondris, els peroxisomes són els principals llocs d’utilització d’oxigen.
Una hipòtesi és que els peroxisomes siguin un vestigi d'un orgànul contigu que en els antecessors primitius de les cel eucariotes realitzava tot el metabolisme de l'oxigen. Quan l'oxigen produït pels bacteris fotosintètiques es va acumular en l’atmosfera, podria haver resultat altament tòxic per la majoria de les cèl·lules. Els peroxisomes ha pogut haver contribuït a distribuir la concentració d’oxigen en les cèl·lules a la vegada que permetien utilitzar la seva reactivitat química per dur a terme reaccions útils de oxidació. El posterior desenvolupament dels mitocondris va fer que els peroxisomes es tornessin obsolets atès que moltes de les reaccions bioquímiques abans es realitzaven en els peroxisomes sense produir energia. Per tant les reaccions de oxidació que realitzen en la actualitat els peroxisomes podrien ser aquelles funcions les quals no van ser assumides pels mitocondris.
3 Biologia Cel·lular PEROXISOMES 2. BIOGÈNESI En la biogènesi estan implicats els peroxisomes i unes 30 proteïnes que s'encarreguen de degradar-los.
El transport vesicular de fosfolípids i proteïnes es dóna des dels mitocondris als peroxisomes, i per part del reticle endoplasmàtic existeix un transport retrògrad.
S'ha plantejat la qüestió de si els nous peroxisomes apareixen a partir de peroxisomes preexistents per creixement i fissió de l'orgànul - i per tant es repliquen d'una forma autònoma com hem esmentat per al cas dels mitocondris i dels plastidis- o deriven com un compartiment especialitzat del reticle endoplasmàtic (ER). En realitat, d'alguna manera són certs alguns aspectes de tots dos punts de vista.
La majoria de les proteïnes de membrana dels peroxisomes se sintetitzen en el citosol i s'insereixen en la membrana de peroxisomes preexistents, mentre que unes altres s'insereixen primer en la membrana del ER des d'on viatgen com a vesícules especialitzades precursores dels peroxisomes . Aquestes vesícules precursores poden fusionar-se unes amb unes altres i començar a importar proteïnes peroxisomals addicionals utilitzant la seva pròpia maquinària d'importació de proteïnes per créixer i formar un peroxisoma madur, el qual entraria en el cicle de creixement i fissió.
La teoria que afirma que els peroxisomes es van originar com una gemmació del RER és suportada pel fet que hi ha unes proteïnes a la membrana que són comunes al RER i al peroxisoma. A més, totes les proteïnes peroxisomals estan codificades en l'ADN nuclear i són sintetitzades en el citosol, des d’on són internalitzades a través de la membrana del peroxisoma mitjançant receptors que reconeixen la seqüència de senyalització peroxisomal.
4 Biologia Cel·lular PEROXISOMES 2.1 IMPORTACIO DE LÍPIDS Mecanisme d’importació de lípids.
Els peroxisomes no sintetitzen lípids, per la qual cosa els importen. El mecanisme és molt semblant al que duen a terme els mitocondris.
Les cèl·lules animals sintetitzen fosfatidilcolina i fosfatidilserina en el RE i els transfereixen a la membrana externa del mitocondri. El mitocondri descarboxila la fosfatidilserina i la fosfatidiletanolamina importades i cataliza la conversió dels lípids importats en cardiolipina.
La cardiolipina és un fosfolípid doble que conté 4 cues d'àcids grassos i es troba principalment en la membrana mitocondrial interna, on forma el 20% dels lípids totals.
Els lípids són importats del RE, directament (per contacte entre membranes) o indirectament a través d'altres membranes no del RE.
Podria haver-hi mecanismes específics de transferència de lípids que operin entre membranes adjacents.
També podria fer-se mitjançant proteïnes solubles en aigua, transportadores de lípids, que transferirien fosfolípids individuals entre membranes.
2.2 IMPORTACIO DE PROTEÏNES Característiques del procés d’importació de proteïnes, mecanisme d’importació de proteïnes i tipus de seqüències senyal Totes les proteïnes de membrana i de la matriu dels peroxisomes s'incorporen a l'orgànul després de la seva traducció. Tindrem proteïnes de matriu (1) i de membrana (2).
1) Després de ser alliberades des dels ribosomes citosòlics, les proteïnes peroxisomals recent sintetitzades, es pleguen en la seva conformació definitiva en el citosol abans d'entrar a l’orgànul.
La catalasa i algunes altres proteïnes peroxisomals, posseeixen una seqüència de localització peroxisomal composta per la seqüència Ser-Lys-Leu (SKL)=PTS1 localitzada a l'extrem C terminal. Quatre monòmers de catalases s’uneixen en un complex tetramèric amb quatre grups Hemo (amb Fe, núm 1 a la figura). Una vegada conformat, aquest gran complex és reconegut per un receptor citosòlic anomenat Pex5p o PTS1R (sigles en anglès de Peroxisome Target Signal 1 Receptor; primer receptor de la seqüència senyal peroxisomal) (núm 2 en la figura). Aquest Pex5 posseeix 2 parts, l'extrem C-t que reconeix i s'uneix a PTS1, i l'extrem N-t que ajuda a l'acoblament i reciclatge del receptor.
Altres proteïnes peroxisomals, com ara la tiolasa, posseeixen la seva seqüència senyal de 9 aminoàcids en l'extrem N terminal, i aquestes disposen d'un altre receptor citosòlic denominat Pex7p o PTS2R. Aquesta seqüència és un nonapèptid que, a diferència de Pex5p, necessita de diverses proteïnes auxiliars per unir-se a PTS2.
El complex tetràmer-receptor citosòlic posseeix un receptor específic en la membrana del peroxisoma que permet l'ingrés de la proteïna al lumen de l’orgànul. Aquest procés 5 Biologia Cel·lular PEROXISOMES d'importació comença en el citoplasma, amb la unió de la proteïna PTS al receptor Pex, associant-se a la membrana del peroxisoma i formant un traslocón.
En el traslocón, la Pex13 reconeix la C-t de Pex5p i la N-t de Pex7p; a aquest complex se li uneixen diverses proteïnes formant un importer (Pex2p, Pex10p, Pex12p) que estabilitza tot el complex.
Una vegada dins del lumen del orgànul, el PTS1R se separa de la catalasa i retorna al citosol (4 en la figura) per iniciar un nou cicle d'importació d'altres tetràmers de catalasa. A diferència de la importació de proteïnes en el RER, la seqüencia senyal peroxisomal no és eliminada de l'enzim. És necessari aclarir que aquests coneixements sobre la importació de proteïnes peroxisomals és un àrea d'activa recerca, per la qual cosa es poden modificar alguns conceptes en el futur.
6 Biologia Cel·lular PEROXISOMES Almenys 23 proteïnes diferents, denominades peroxines, participen com a elements del procés d'importació que és impulsat per la hidròlisi d'ATP.
Les peroxines estan numerades de l'1 al 17 segons l'ordre de la data del seu descobriment.
Com hem dit, Pex5 és el receptor per la seqüència senyal en C ter, SEP1, i Pex7 és el receptor per la seqüència senyal en N ter, SEP2. Les altres 15 estan involucrades en l'estabilització, transport o processos d'ancoratge i estan investigant-se actualment.
Un complex d'almenys sis peroxines diferents forma el translocador de membrana.
Atès que fins i tot les proteïnes oligomèriques no han de desplegar-se per ser importades al peroxisoma, el mecanisme és diferent del que utilitzen els mitocondris i els cloroplasts.
Aquests receptors d'importació soluble, com ara la peroxina Pex5 (equivalent a PTS1R), acompanya a la proteïna importada durant tot el procés fins a l'interior del peroxisoma i, després d'alliberar-se de la càrrega, torna de nou al citosol.
Aquesta importació requereix energia, la qual és subministrada per Pex1.
Aquests aspectes del transport al peroxisoma recorden els processos de transport de proteïnes al nucli.
2) Pel què fa a la importació de proteïnes de membrana, les PMP de classe 1 són reconegudes per Pex19p i integrades por Pex3p, mentre que les PMP de classe 2 són sintetitzades al citosol i modificades al RE.
7 Biologia Cel·lular PEROXISOMES Malalties genètiques Totes les proteïnes peroxisomals se sintetitzen en polirribosomes lliures en el citosol i contenen un pèptid senyal d'entrada peroxisomal (PTS de l'anglès Peroxisomal Targeting Signals) que els dirigeixen cap a l’orgànul. És altament rellevant clínicament, ja que almenys 11 trastorns peroxisomals són a causa d’errors en els mecanismes peroxisomals d'importació. La presència d'un receptor d'importació defectuós para la seqüencia senyal N-terminal provoca una malaltia peroxisomal hereditària més lleu.
La importància d'aquest procés d'importació i dels peroxisomes es posa dramàticament de manifest en la malaltia hereditària humana denominada síndrome Zellweger. Aquest síndrome es deu a una mutació autosòmica recessiva que altera la conformació de les proteïnes relacionades amb la captació de proteïnes peroxisomals. En aquest síndrome, les cèl·lules es mostren amb peroxisomes buits, encara que el contingut proteic de les seves membranes és normal. Les proteïnes alterades corresponen als receptors PTS1R ó el PTS2R, relacionats amb el reconeixement de la seqüencia senyal peroxisomal.
Aquests individus tenen greus anormalitats en el cervell, fetge, i ronyons, i moren poc després de néixer.
8 Biologia Cel·lular PEROXISOMES 3. FUNCIONS 3.1 FUNCIONS GENERALS: REACCIONS OXIDATIVES Reaccions d’oxidació i de peroxidació, paper de la catalasa i exemples de reaccions oxidatives (oxidació dels àcids grassos i reaccions de detoxificació) Els peroxisomes es denominen així perquè generalment contenen un o més enzims que utilitzen oxigen molecular per eliminar àtoms d'hidrogen de substrats orgànics específics a través d'una reacció d'oxidació que produeix peròxid de hidrogen.
De l'esquema presentat es pot veure que les oxidases utilitzen l'oxigen molecular que ve des dels pulmons. En aquest aspecte s'assembla als mitocondris, ja que el complex IV de la cadena transportadora d'electrons lliura els electrons a l'oxigen molecular. L'oxigen alliberat per la catalasa serveix per oxidar a altres compostos orgànics.
La catalasa utilitza l'H2O2 generat per oxidar diverses substàncies dins l’orgànul, com ara fenols, àcid fòrmic, formaldehid i alcohol, mitjançant una reacció de peroxidació: l'H2O2 + R(Substrat) l'H2  R + 2 H2O2.
Aquest tipus d'oxidació és particularment important en el fetge i en les cèl·lules de ronyó, on els peroxisomes detoxifican una gran varietat de molècules tòxiques que entren en la circulació. Al voltant del 25% de l'etanol que bevem és oxidat a acetaldehids d'aquesta manera. A més, quan s'acumula un excés d’H2O2, la catalasa ho transforma mitjançant la reacció: 2H2O2 2 H2O + O2 9 Biologia Cel·lular PEROXISOMES Entre un 10 a 25% dels àcids grassos es degraden en els peroxisomes i la resta en els mitocondris. En tots dos orgànuls aquest procés de degradació es denomina β-oxidació i condueix a la formació d’acetil-CoA. Les diferències resideixen en què, mentre en els mitocondris la primera reacció oxidativa és catalitzada per una deshidrogenasa, en els peroxisomes aquesta oxidació la realitza una oxidasa flavínica; un a altra diferència és que la βoxidació té lloc en lípids de cadena llarga i mitjana, d'entre 8-20 carbonis en mitocondris, mentre que en peroxisomes només es dóna en lípids de més de 20 carbonis.
Aquest procés consisteix a escurçar les cadenes acil dels àcids grassos en blocs de 2 àtoms de carboni posteriorment convertits en acetil CoA, que s'exporten cap al citosol. L'oxidació de l’acil-CoA per l'O2 forma H2O2, i aquest és descompost per la catalasa. Els acetil-CoA formats passaran a diferents rutes (biosíntesi de sucres, cicle de Krebs).
La β oxidació no produeix CO₂ ni ATP, a causa que és un procés catalític, i tota l'energia s'allibera en forma de calor.
No té cadena d'electrons ni llançadora de malat/aspartat.
També participa en l'oxidació d'alcohols i en la síntesi de colesterol i àcids biliars, detoxificant el 25% de l'alcohol consumit en el catabolisme.
Una funció biosintètica essencial dels peroxisomes en animals és la catàlisi de les primeres reaccions de la síntesi de plasmalògens, que són els fosfolípids més abundants de la mielina.
10 Biologia Cel·lular PEROXISOMES 3.2 FUNCIONS ESPECÍFIQUES EN CÈL·LULES VEGETALS Paper dels peroxisomes en la fotorespiració. Cicle del glioxilat Els peroxisomes també són importants en les plantes. S'han estudiat en profunditat dos tipus de peroxisomes vegetals. Un d'ells està present en les fulles, on participa en la fotorespiració.
L'altre tipus de peroxisomes es troba present en les llavors en germinació, on transforma els àcids grassos emmagatzemats en els lípids de les llavors en sucres necessaris per al creixement de la planta jove. Atès que aquesta conversió de greixos en sucres es realitza a través d'una sèrie de reaccions conegudes com el cicle del glioxilat, aquests peroxisomes també són denominats glioxisomes. En el cicle del glioxilat, dues molècules de acetil CoA, produïdes per la degradació d'un àcid gras en el peroxisoma, són utilitzades per fabricar àcid succínic, el qual surt del peroxisoma i és transformat en glucosa. El cicle del glioxilat no té lloc en les cèl·lules animals, per la qual cosa els animals són incapaços de transformar els àcids grassos en carbohidrats.
En el cas de les plantes, els peroxisomes participen en reaccions de fotorespiració, catalitzant l'oxidació d'un producte col·lateral de la reacció que transforma el CO₂ en hidrats de carboni; D'altra banda, en fongs filamentosos, els peroxisomes s'encarreguen de la síntesi de penicil·lina.
11 Biologia Cel·lular PEROXISOMES 12 ...