Пероксисома

Схема будови пероксисоми

Пероксисо́ма — клітинна органела, оточена єдиною мембраною, не містить ДНК і рибосом (на відміну від мітохондрій і хлоропластів). Пероксисоми наявні в усіх ядерних клітинах. Вони містять окиснювальні ферменти, які використовують молекулярний кисень для вилучення водню з певних органічних речовин. У пероксисомах також перебігає β-окиснення жирних кислот. У них також перебігають перші етапи утворення плазмалогенів. У рослин у пероксисомах перебігає фотодихання. Імпорт білків до пероксисом відбувається за участі короткого сигнального пептиду.

Історія вивчення

Як окрему структуру пероксисому вперше описав 1954 року Родін у клітинах нирки миші. Ці структури були оточені однією мембраною та містили добре виражений гранулярний матрикс. Через малий розмір і невизначений вигляд дослідник назвав їх «мікротільцями». 1960 року та пізніше Крістіан де Дюв із колегами показав, що пероксисоми містять такі ферменти, як уратоксидаза, каталаза, оксидаза-D-амінокислот. Виявилось, що в пероксисомах молекулярний кисень під впливом оксидази перетворюється в пероксид водню, який каталаза розкладає на воду та кисень. Це відкриття дозволило де Дюву назвати цю органелу «пероксисомою». Водночас інша група дослідників, очолювана Біверсом, показала, що гліоксилатний цикл у зернах, що проростають, перебігає в невідомих доти цитоплазматичних часточках, які вони назвали «гліоксисомами». Гліоксисоми за своїми властивостями дуже нагадували пероксисоми. Було встановлено, що в гліоксисомах також перебігає β-окиснення жирних кислот. Пізніше було відкрито, що цей процес відбувається і в пероксисомах печінки пацюка. Станом на нині гліоксисоми вважають видозміненими пероксисомами.

Морфологія та розташування

Пероксисоми в кардіоміоциті пацюка

Пероксисоми є невеликими мембранними міхурцями розмірами 0,3—1,5 мкм, що містять всередині гранулярний матрикс. У центрі матриксу розміщена серцевина, або нуклеоїд. У ції ділянці нерідко (особливо в клітинах печінки) видно кристалоподібні структури, що складаються з регулярних фібрил, або трубочок.

Пероксисоми наявні у всіх ядерних клітинах. Розмір, кількість і білковий склад пероксисом різниться в клітинах різних тканин, а також може мінятись під впливом зовнішнього стимулу. Наприклад, у дріжджів, що ростуть на цукрі, пероксисоми маленькі. Однак у дріжджів, що ростуть на метанолі, наявні великі пероксисоми, які окиснюють метанол. Якщо дріжджі вирощують на жирних кислотах, то вони мають великі пероксисоми, в яких інтенсивно перебігає β-окиснення жирних кислот. У вищих хребетних тварин особливо багаті пероксисомами клітини печінки та нирок. Так, кожен гепатоцит пацюка містить від 70 до 100 пероксисом.

Функція

За визначенням, містить ферменти, які каталізують оксидативні реакції. Зокрема, ферменти необхідні для виконання таких функцій:

• α- та β- окиснення жирних кислот, амінокислот;
• біосинтез холестеролу, плазмалогену, жовчних кислот, поліненасичених жирних кислот;
• катаболізм спиртів, амінів і знешкодження перекису водню;
• біосинтез пеніциліну в грибах;
• біосинтез лізину в дріжджах;
• гліоксилатний цикл у грибах і дріжджах;
• біосинтез етеровмісних ліпідів;
• побудова мієлінової оболонки нервових волокон;
• метаболізм фітанової кислоти.

П. беруть участь у диханні. Вони споживають кисень у процесі окиснення різних класів жирних кислот — поряд з мітохондріями П. є головними споживачами O₂ в клітині.

Імпорт білків

Позаяк пероксисоми не містять власної ДНК і рибосом, усі їхні білки синтезуються в ядрі та повинні імпортуватись усередину пероксисом із цитозолю. Деякі білки пероксисом скеровуються до них за участі C-кінцевого сигналу пероксимального адресування (PTS1). Послідовності PTS1 є значно коротшими за сигнали імпорту інших органел, і часто складаються всього з трьох амінокислотних залишків. Канонічна послідовність PTS1 містить серин, цистеїн або аланін, після якого йде залишок основної амінокислоти, а відтак лейцин. Наявність додаткових амінокислот поза PTS1 може посилювати адресний сигнал, особливо, якщо послідовність PTS 1 сильно відрізняється від канонічної. Набагато рідше пероксисомні білки мають сигнальну послідовність PTS2, яка розміщена на N-кінці білка та має більшу довжину, ніж PTS1. PTS2 є частиною більшого пептиду, який відщеплюється після завершення імпорту. Процес імпорту білків до пероксисом вивчений недостатньо, але відомо, що в ньому залучені розчинні рецептори в цитозолі, які впізнають сигнальну послідовність, і білки докіну на поверненому до цитозолю боці пероксисом. Процес імпорту супроводжується гідролізом АТФ, і ньому беруть участь близько 23 різних білків, що називаються пероксинами. Білки з PTS1 позиціонуються на пероксисомах за участі рецептора Pex5p, а з PTS2 — Pex7p. У ссавців адресування білків з PTS2 відбувається за участі білка, який є варіантом альтернативного сплайсинґу Pex5p. Комплекс із 6 різних пероксинів утворює мембранний транслокатор.

Процес імпорту білків пероксисом докорінно відрізняється від транслокації білків в ЕПР, мітохондрії та хлоропласти тому що білки пероксисом імпортуються після того, як вони набувають у цитозолі нативну чи навіть олігомерну структуру. З цього боку транспорт білків до пероксисом нагадує перенесення білків до ядра. Під час транспорту до ядра та до пероксисоми рецептор, що впізнає сигнальну послідовність, переноситься із субстратом через мембрану, відтак рецептор відділяється й експортується до цитозолю для подальшого використання.

Біогенез

Механізм утворення нових пероксисом у клітині є предметом для дискусії. Достеменно невідомо, чи утворюються пероксисоми із попередніх шляхом їх росту та поділу (подібно до мітохондрій і пластидів), або ж вони утворюються шляхом відчеплення від ендоплазматичного ретикулуму. Скоріш за все, обидві точки зори можуть відповідати дійсності, а механізм біогенезу пероксисом, ймовірно, виглядає ось так. Серед білків пероксисом є такі, які спочатку інтегруються в мембрану ЕПР, де вони можуть входити до складу особливих везикул-попередників пероксисом. Відчеплення від ЕПР цих везикул і їхнє подальше злиття призводить до утворення пероксисоми, яка імпортує решту пероксисомальних білків за допомогою власного апарату імпорту. Відтак пероксисома може рости та ділитись із утворенням дочірніх пероксисом.

2017 року була запропонована нова модель утворення пероксисом de novo. Відомо, що пероксисоми та мітохондрії функціонують разом у багатьох метаболічних шляхах, як-от β-окиснення жирних кислот. Крім цього, за відсутності пероксисом у клітинах багато білків пероксинів імпортуються до мітохондрій. У зв'язку з цим передбачається, що пероксисоми є гібридним продуктом злиття пре-пероксисомних везикул, що відділились як від ЕПР, так і від мітохондрій.

Щодо походження пероксисом існує низка альтернативних гіпотез. Позаяк пероксисоми різних організмів містять низку білків, однакових для всіх, була запропонована гіпотеза ендосимбіотичного походження пероксисом. Відповідно до цієї гіпотези, пероксисоми походять від внутрішньоклітинних бактерій. Існує версія, що пероксисоми походять від актинобактерій. Втім, останнім часом ці гіпотези були спростовані.

Клінічне значення

Першим захворюванням, для якого була встановлена пов'язана з пероксисомами причина, став синдром Зеллвеґера. У пацієнтів із синдромом Зельвеґера порушений процес імпорту білків у пероксисоми, що призводить до важкої пероксисомної недостатності. Їх клітини містять «порожні» пероксисоми. Пацієнти страждають від важких порушень у ЦНС, печінці та нирках і помирають невдовзі після народження. Одна форма захворювання спричинена мутацією в пероксині Pex2, а дефект N-кінцевого сигналу імпорту зумовлює легшу форму захворювання.

З часу встановлення причин синдрому Зеллвеґера 1973 року було отримано багато нових свідчень про різноманітні захворювання, спричинені порушеннями функціонування пероксисом: станом на нині виявлено 14 генів, мутації яких призводять до пероксисомних розладів. Їх поділяють на дві групи: захворювання, спричинені порушеннями роботи одного ферменту, та захворювання, пов'язані з біогенезом пероксисом. До першої групи належать такі захворювання, як X-зчеплена адренолейкодистрофія (АЛД) та різомелична точкова хондродисплазія (РТХП) типів 2 та 3. У пацієнтів із X-зчепленою АЛД накопичуються жирні кислоти з дуже довгими алкільними ланцюгами через мутації в ABC-транспортері D1, який необхідний для транспорту цих сполук у пероксисоми. РТХП типів 2 та 3 спричинені дефектами двох основних ферментів біосинтезу плазмалогенів.

До другої групи належать хвороби, спричинені порушеннями біогенезу пероксиосом, тому вони характеризуються складнішою етіологією, ніж хвороби, спричинені порушеннями конкретних ферментів. До числа таких захворювань належить уже згаданий синдром Зеллвеґера, АЛД новонароджених, а також дитяча хвороба Рефсума

Література

• Molecular Machines Involved in Peroxisome Biogenesis and Maintenance / Cecile Brocard, Andreas Hartig. — Springer Vienna, 2014. — ISBN 978-3-7091-1788-0. — DOI:10.1007/978-3-7091-1788-0. (англ.)
• Кассимерис Л., Лингаппа В. Р., Плоппер Д. . Клетки по Льюину. — М. : Лаборатория знаний, 2016. — 1056 с. — ISBN 978-5-906828-23-1. (рос.)
• Ченцов Ю. С. Введение в клеточную биологию. — М. : ИКЦ «Академкнига», 2005. — 495 с. — ISBN 5-94628-105-4. (рос.)
• 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. (рос.)
• Нельсон Д., Кокс М. Основы биохимии Ленинджера. — М. : БИНОМ. Лаборатория знаний, 2014. — Т. 2. — 636 с. — ISBN 978-5-94774-366-1. (рос.)