Пероксисома

Пероксисо́ма —

История изучения

Как отдельная структура пероксисома впервые была описана в 1954 году Йоханнесом Родином (

Пероксисомы представляют собой небольшие мембранные пузырьки размером 0,3—1,5

Пероксисомы присутствуют во всех эукариотических клетках[4]. Размер, количество и белковый состав пероксисом различен в клетках различных тканей, а также может меняться под действием внешнего стимула^[5]. Например, у дрожжей, растущих на сахаре, пероксисомы маленькие. Однако у дрожжей, растущих на метаноле, имеются крупные пероксисомы, окисляющие метанол. Если дрожжи выращиваются на жирных кислотах, то они имеют большие пероксисомы, в которых интенсивно протекает β-окисление жирных кислот^[6]. У высших позвоночных животных особенно богаты пероксисомами клетки печени и почек. Так, каждый гепатоцит крысы содержит от 70 до 100 пероксисом^[7].

Функции

Функции пероксисом чрезвычайно разнообразны в разных группах организмов. Однако практически у всех видов пероксисомы содержат фермент каталазу, а также ферменты β-окисления жирных кислот^[5]. Ниже рассмотрены известные функции пероксисом.

Окисление органических веществ

В пероксисоме обычно присутствуют ферменты, использующие

водорода от некоторых органических субстратов (${\displaystyle \mathrm {R} }$) с образованием пероксида водорода (${\displaystyle \mathrm {H_{2}O_{2}} }$):

${\displaystyle \mathrm {RH_{2}+O_{2}\rightarrow R+H_{2}O_{2}} }$[8].

К числу таких ферментов можно отнести различные оксидазы: уратоксидаза, оксидаза D-аминокислот^[7].

Каталаза использует образующуюся ${\displaystyle \mathrm {H_{2}O_{2}} }$ для окисления множества субстратов, например, фенолов, муравьиной кислоты, этанола и формальдегида:

${\displaystyle \mathrm {H_{2}O_{2}+R'H_{2}\rightarrow R'+2H_{2}O} }$.

С помощью этой реакции в печени и почках происходит обезвреживание различных ядовитых веществ, находящихся в кровотоке. Около 25 % потребляемого этанола пероксисомы окисляют до ацетальдегида^[8].

Когда в клетке накапливается слишком много пероксида водорода, каталаза переводит его в воду в следующей реакции:

${\displaystyle \mathrm {2H_{2}O_{2}\rightarrow 2H_{2}O+O_{2}} }$^[8].

Окисление жирных кислот

В пероксисомах всех организмов протекает β-окисление жирных кислот. На каждом этапе этого процесса алкильная цепь жирной кислоты укорачивается на два атома углерода с высвобождением ацетил-КоА. Далее пероксисомы экспортируют его в цитозоль. У млекопитающих β-окисление протекает не только в пероксисомах, но и в митохондриях, однако у дрожжей и растений этот процесс проходит только в пероксисомах^[8].

В пероксисомах также протекает α-окисление жирных кислот, которые не могут подвергаться β-окислению из-за наличия метильной группы у β-атома углерода^[9].

Другие функции

У животных в пероксисомах протекают первые реакции биосинтеза плазмалогенов — самых распространённых

Предполагается, что пероксисомы играют важную роль в регуляции системного воспаления, однако функциональная роль этих органелл в воспалительном ответе, который опосредован миелоидными иммунными клетками, в значительной мере неизвестна^[12].

В листьях растений пероксисомы участвуют в процессе

У некоторых простейших (например, трипаносом) имеется особая мембраносвязанная органелла, содержащая ферменты гликолиза — гликосома. Предполагается, что она происходит от пероксисомы^[16].

У некоторых грибов, таких как

.

Импорт белков

Поскольку пероксисомы не содержат собственной ДНК и рибосом, все их белки должны импортироваться внутрь пероксисом из цитозоля. Некоторые белки пероксисом направляются в них с участием

АТФ, и в нём принимают участие около 23 различных белков, называемых пероксинами^[англ.]. Белки с PTS1 позиционируются на пероксисомах с участием рецептора Pex5p, а с PTS2 — Pex7p. У млекопитающих адресование белков с PTS2 происходит с участием белка, который представляет собой вариант альтернативного сплайсинга Pex5p^[18]. Комплекс из 6 разных пероксинов образует мембранный транслокатор^[19]

.

Процесс импорта белков пероксисом коренным образом отличается от транслокации белков в ЭПР, митохондрии и хлоропласты в том отношении, что белки пероксисом импортируются после того, как они приобрели в цитозоле нативную или даже олигомерную структуру. В этом отношении транспорт белков в пероксисомы напоминает перенос белков в ядро. При транспорте в ядро и в перокисому рецептор, узнающий сигнальную последовательность, переносится с субстратом через мембрану, потом рецептор отделяется и экспортируется в цитозоль для дальнейшего использования^[20].

Биогенез

Механизм образования новых пероксисом в клетке является предметом дискуссий. Доподлинно неизвестно, возникают ли пероксисомы из ранее существующих путём их роста и деления (подобно митохондриям и пластидам), или же они образуются путём отщепления от

везикул — предшественников пероксисом. Отщепление от ЭПР этих везикул и их дальнейшее слияние приводит к образованию пероксисомы, которая импортирует оставшиеся пероксисомальные белки при помощи собственного аппарата импорта. Далее пероксисома может расти и делиться с образованием дочерних пероксисом^[21]

.

В 2017 году была предложена новая модель образования пероксисом de novo. Известно, что пероксисомы и митохондрии функционируют совместно во многих

метаболических путях — таких, как β-окисление жирных кислот. Кроме того, в отсутствие пероксисом в клетках многие белки пероксины импортируются в митохондрии. В связи с этим предполагается, что пероксисомы представляют собой гибридный продукт слияния пре-пероксисомных везикул, отделившихся как от ЭПР, так и от митохондрий^[22]

.

Насчёт происхождения пероксисом имеется ряд альтернативных гипотез. Поскольку пероксисомы разных организмов содержат ряд белков, одинаковых для всех, была предложена гипотеза

актинобактерий^[24]. Впрочем, в последнее время эти гипотезы были опровергнуты^[25][26]

.

Клиническое значение

Первым заболеванием, для которого была установлена связанная с пероксисомами причина, стал синдром Зельвегера^[англ.]. У пациентов с синдромом Зельвегера нарушен процесс импорта белков в пероксисомы, что ведёт к тяжёлой пероксисомной недостаточности. Их клетки содержат «пустые» пероксисомы. Пациенты страдают от тяжёлых нарушений мозга, печени и почек и умирают вскоре после рождения. Одна форма заболевания вызвана мутацией в пероксине Pex2, а дефект N-концевого сигнала импорта вызывает более слабую форму заболевания^[19].

С момента установления причин синдрома Зельвегера в 1973 году было получено много новых сведений о различных заболеваниях, вызванных нарушениями в функционировании пероксисом: к настоящему моменту выявлено 14 генов, мутации в которых приводят к пероксисомным расстройствам^{[англ.][27]}. Их подразделяют на две группы: заболевания, вызванные нарушениями в работе одного фермента, и заболевания, связанные с биогенезом пероксисом. К первой группе относятся такие заболевания, как X-связанная адренолейкодистрофия^[англ.] (ALD) и rhizomelic chondrodysplasia punctata^[англ.] (RCDP) типов 2 и 3. У пациентов с X-связанной ALD накапливаются жирные кислоты с очень длинными алкильными цепями из-за мутации в ABC-переносчике^[англ.] D1, который необходим для транспорта этих соединений внутрь пероксисом. RCDP типов 2 и 3 вызывается дефектами в двух ключевых ферментах биосинтеза плазмалогенов^[28].

Ко второй группе относятся болезни, вызванные нарушениями в биогенезе пероксисом, поэтому они характеризуются более сложной

болезнь Рефсума^[29]

.

Примечания

1. ↑ Brocard et al., 2014, p. 3—4.
2. ↑ Нельсон, Кокс, 2014, с. 213.
3. ↑ Ченцов, 2005, с. 320.
4. ↑ Альбертс и др., 2013, с. 1107.
5. ↑ ^{1 2} Brocard et al., 2014, p. 4.
6. ↑ Альбертс и др., 2013, с. 1108—1109.
7. ↑ ^{1 2} Ченцов, 2005, с. 321.
8. ↑ ^{1 2 3 4 5} Альбертс и др., 2013, с. 1108.
9. ↑ Нельсон, Кокс, 2014, с. 250.
10. ↑
    doi:10.1146/annurev.biochem.74.082803.133329. — PMID 16756494. [исправить
    ]
11. doi:10.1074/jbc.M117.775916. — PMID 28122914. [исправить
    ]
12. doi:10.4049/jimmunol.1601596. — PMID 28179495. [исправить
    ]
13. ↑ Нельсон, Кокс, 2014, с. 420.
14. doi:10.1038/srep39069. — PMID 28145408. [исправить
    ]
15. ↑ Нельсон, Кокс, 2014, с. 212—213.
16. doi:10.1111/j.1365-2958.2004.04203.x. — PMID 15255886. [исправить
    ]
17. ↑ Камзолкина О. В., Дунаевский Я. Е. Биология грибной клетки. — М.: Товарищество научных изданий КМК, 2015. — С. 130—131, 135. — 239 с. — ISBN 978-5-9906564-1-3.
18. ↑ Кассимерис и др., 2016, с. 349.
19. ↑ ^{1 2} Альбертс и др., 2013, с. 1110.
20. ↑ Кассимерис и др., 2016, с. 349—350.
21. ↑ Альбертс и др., 2013, с. 1110—1111.
22. doi:10.1038/nature21375. — PMID 28146471. [исправить
    ]
23. doi:10.1146/annurev.cb.01.110185.002421. — PMID 3916321. [исправить
    ]
24. doi:10.1016/j.gene.2009.09.014. — PMID 19818387. [исправить
    ]
25. doi:10.1146/annurev.cellbio.23.090506.123456. — PMID 17506702. [исправить
    ]
26. doi:10.1016/j.gene.2010.06.004. — PMID 20600706. [исправить
    ]
27. doi:10.1167/iovs.16-21026. — PMID 28129423. [исправить
    ]
28. ↑ Brocard et al., 2014, p. 5.
29. ↑ Brocard et al., 2014, p. 5—6.

Литература

• Molecular Machines Involved in Peroxisome Biogenesis and Maintenance / Cecile Brocard, Andreas Hartig. — Springer Vienna, 2014. —
  doi:10.1007/978-3-7091-1788-0
  .
• Кассимерис Л., Лингаппа В. Р., Плоппер Д. . Клетки по Льюину. — М.: Лаборатория знаний, 2016. — 1056 с. — ISBN 978-5-906828-23-1.
• Ченцов Ю. С. Введение в клеточную биологию. — М.: ИКЦ «Академкнига», 2005. — 495 с. — ISBN 5-94628-105-4.
• Альбертс Б., Брей Д., Льюис Дж., Рэфф М., Робертс К., Уотсон Дж. Молекулярная биология клетки: в 3-х томах. Т. 2. — М.: Ижевск: НИЦ «Регулярная и хаотическая динамика», Институт компьютерных исследований, 2013. — 992 с. — ISBN 978-5-4344-0113-5.
• Нельсон Д., Кокс М. Основы биохимии Ленинджера. — М.: БИНОМ. Лаборатория знаний, 2014. — Т. 2. — 636 с. — ISBN 978-5-94774-366-1.
• Панченко Л. Ф., Герасимов А. М., Антоненков В. Д. Роль пероксисом в патологии клетки. — М.: Медицина, 1981. — 208 с. — 1671 экз.

Эта статья входит в число хороших статей русскоязычного раздела Википедии.