Peroksizom

Bir peroksizomun temel yapısı ⓘ

Mitoz sırasında HEK 293 hücrelerinde peroksizomların (beyaz) dağılımı ⓘ

Sıçan neonatal kardiyomiyositinde peroksizom ⓘ

Bir peroksizom (IPA: [pɛɜˈɹɒksɪˌsoʊm]), neredeyse tüm ökaryotik hücrelerin sitoplazmasında bulunan bir tür mikro cisim olan zara bağlı bir organeldir. Peroksizomlar oksidatif organellerdir. Sıklıkla moleküler oksijen, daha sonra hidrojen peroksitin (H₂O₂) oluştuğu bir yardımcı substrat olarak hizmet eder. Peroksizomlar isimlerini hidrojen peroksit üretme ve temizleme faaliyetlerine borçludur. Lipid metabolizmasında ve reaktif oksijen türlerinin dönüşümünde kilit roller üstlenirler. Peroksizomlar çok uzun zincirli yağ asitlerinin, dallı zincirli yağ asitlerinin, safra asidi ara ürünlerinin (karaciğerde), D-amino asitlerin ve poliaminlerin katabolizmasında, reaktif oksijen türlerinin - özellikle hidrojen peroksit - azaltılmasında ve plazmalojenlerin, yani memeli beyinlerinin ve akciğerlerinin normal işlevi için kritik olan eter fosfolipitlerin biyosentezinde rol oynar. Ayrıca enerji metabolizması için önemli olan pentoz fosfat yolundaki iki enzimin (Glukoz-6-fosfat dehidrogenaz ve 6-Fosfoglukonat dehidrogenaz) toplam aktivitesinin yaklaşık %10'unu içerirler. Peroksizomların hayvanlarda izoprenoid ve kolesterol sentezinde rol alıp almadığı şiddetle tartışılmaktadır. Bilinen diğer peroksizomal işlevler arasında çimlenen tohumlardaki glioksilat döngüsü ("glioksizomlar"), yapraklardaki fotorespirasyon, tripanozomlardaki glikoliz ("glikozomlar") ve bazı mayalardaki metanol ve/veya amin oksidasyonu ve asimilasyonu yer alır. ⓘ

Peroksizom 1954'te İsveçli doktora öğrencisi J. Rhodin tarafından tanımlanmıştır ve 1967'de Belçikalı sitolog Christian de Duve tarafından organel sınıfına konulmuştur. ⓘ

Tarihçe

Peroksizomlar (mikrobodiler) ilk olarak 1954 yılında İsveçli bir doktora öğrencisi olan J. Rhodin tarafından tanımlanmıştır. Organel olarak tanımlanmaları ise 1967 yılında Belçikalı sitolog Christian de Duve tarafından gerçekleştirilmiştir. De Duve ve çalışma arkadaşları, peroksizomların hidrojen peroksit (H₂O₂) üretiminde rol oynayan birkaç oksidazın yanı sıra H₂O₂'nin oksijen ve suya ayrışmasında rol oynayan katalaz içerdiğini keşfetti. Peroksit metabolizmasındaki rolleri nedeniyle De Duve, daha önce kullanılan morfolojik terim olan "mikrobodiler "in yerine "peroksizomlar" adını vermiştir. Daha sonra, ateş böceği lusiferazının memeli hücrelerinde peroksizomlara hedeflendiği, peroksizomlar için içe aktarma hedefleme sinyalinin keşfine izin verdiği ve peroksizom biyogenezi alanında birçok ilerlemeyi tetiklediği açıklandı. ⓘ

Yapısal Tasarım

Peroksizomlar, bir hücrenin sitoplazmasında bulunan ince, granüler bir matrise sahip ve tek bir biyomembranla çevrili küçük (0,1-1 µm çapında) hücre altı bölmelerdir (organeller). Kompartmanlaşma, hücresel işlevleri ve organizmanın canlılığını sürdürmek için gerekli olan peroksizomlar içindeki çeşitli metabolik reaksiyonları teşvik etmek için optimize edilmiş bir ortam yaratır. ⓘ

Peroksizomların sayısı, boyutu ve protein bileşimi değişkendir ve hücre tipine ve çevresel koşullara bağlıdır. Örneğin, fırıncı mayasında (S. cerevisiae), iyi glikoz tedariki ile sadece birkaç küçük peroksizomun mevcut olduğu gözlemlenmiştir. Buna karşılık, mayalara tek karbon kaynağı olarak uzun zincirli yağ asitleri sağlandığında 20 ila 25 büyük peroksizom oluşabilmektedir. ⓘ

Metabolik işlevler

Peroksizomun başlıca işlevlerinden biri çok uzun zincirli yağ asitlerinin beta oksidasyon yoluyla parçalanmasıdır. Hayvan hücrelerinde uzun yağ asitleri orta zincirli yağ asitlerine dönüştürülür ve daha sonra mitokondriye taşınarak burada karbondioksit ve suya parçalanır. Maya ve bitki hücrelerinde bu işlem yalnızca peroksizomlarda gerçekleştirilir. ⓘ

Hayvan hücrelerinde plazmalojen oluşumundaki ilk reaksiyonlar da peroksizomlarda gerçekleşir. Plazmalojen, miyelinde en bol bulunan fosfolipittir. Plazmalojen eksikliği sinir hücrelerinin miyelinleşmesinde derin anormalliklere neden olur, bu da birçok peroksizomal bozukluğun sinir sistemini etkilemesinin bir nedenidir. Peroksizomlar ayrıca yağların ve A ve K vitaminleri gibi yağda çözünen vitaminlerin emilimi için önemli olan safra asitlerinin üretiminde de rol oynar. Cilt bozuklukları, sonuç olarak peroksizom işlevini etkileyen genetik bozuklukların özellikleridir. ⓘ

Sadece memeli peroksizomlarında meydana gelen spesifik metabolik yollar şunlardır:

• Fitanik asidin α-oksidasyonu
• Çok uzun zincirli ve çoklu doymamış yağ asitlerinin β-oksidasyonu
• plazmalojenlerin biyosentezi
• safra asidi sentezinin bir parçası olarak kolik asit konjugasyonu ⓘ

Peroksizomlar D-amino asit oksidaz ve ürik asit oksidaz gibi oksidatif enzimler içerir. Ancak son enzim insanlarda bulunmaz, bu da ürik asit birikiminin neden olduğu gut hastalığını açıklar. Peroksizom içindeki bazı enzimler, moleküler oksijen kullanarak, oksidatif bir reaksiyonda hidrojen peroksit (H₂O₂, kendisi toksiktir) üreten belirli organik substratlardan (R olarak etiketlenir) hidrojen atomlarını çıkarır:

$\mathrm {RH} _{\mathrm {2} }+\mathrm {O} _{\mathrm {2} }\rightarrow \mathrm {R} +\mathrm {H} _{2}\mathrm {O} _{2}$ ⓘ

Başka bir peroksizomal enzim olan katalaz, bu H₂O₂'yi peroksidasyon reaksiyonu yoluyla fenoller, formik asit, formaldehit ve alkol gibi diğer substratları oksitlemek için kullanır:

$\mathrm {H} _{2}\mathrm {O} _{2}+\mathrm {R'H} _{2}\rightarrow \mathrm {R'} +2\mathrm {H} _{2}\mathrm {O}$Böylece süreç içinde zehirli hidrojen peroksiti ortadan kaldırır. ⓘ

Bu reaksiyon, peroksizomların kana karışan çeşitli toksik maddeleri detoksifiye ettiği karaciğer ve böbrek hücrelerinde önemlidir. İnsanların alkollü içecekler içerek tükettiği etanolün yaklaşık %25'i bu şekilde asetaldehide oksitlenir. Ayrıca, hücrede fazla H₂O₂ biriktiğinde, katalaz bu reaksiyon yoluyla H₂O'ya dönüştürür:

$2\mathrm {H} _{2}\mathrm {O} _{2}\rightarrow 2\mathrm {H} _{2}\mathrm {O} +\mathrm {O} _{2}$ ⓘ

Yüksek bitkilerde peroksizomlar ayrıca süperoksit dismutaz, askorbat-glutatyon döngüsünün bileşenleri ve pentoz-fosfat yolunun NADP-dehidrojenazları gibi karmaşık bir antioksidatif enzim bataryası içerir. Peroksizomların süperoksit (O₂--) ve nitrik oksit (-NO) radikalleri ürettiği gösterilmiştir. ⓘ

Peroksizomal H₂O₂ de dahil olmak üzere bu reaktif oksijen türlerinin bitki ve hayvanlarda önemli sinyal molekülleri olduğuna ve insanlarda sağlıklı yaşlanma ve yaşa bağlı bozukluklara katkıda bulunduğuna dair kanıtlar mevcuttur. ⓘ

Bitki hücrelerinin peroksizomu mantar penetrasyonuyla mücadele ederken kutuplaşır. Enfeksiyon, antifungal bir rol oynayan bir glukozinolat molekülünün yapılmasına ve peroksizomal proteinlerin (PEN2 ve PEN3) etkisiyle hücrenin dışına iletilmesine neden olur. ⓘ

Memeliler ve insanlardaki peroksizomlar da anti-viral savunmaya katkıda bulunur. ve patojenlerle mücadele ⓘ

Peroksizom montajı

Peroksizomlar belirli deneysel koşullar altında düz endoplazmik retikulumdan türetilebilir ve önceden var olan organellerden membran büyümesi ve bölünmesi ile çoğaltılabilir. Peroksizom matriks proteinleri içe aktarılmadan önce sitoplazmada çevrilir. Peroksizomal matris proteinlerinin C-terminalindeki (PTS1) veya N-terminalindeki (PTS2) spesifik amino asit dizileri (PTS veya peroksizomal hedefleme sinyali), bir hedefleme faktörü tarafından organele aktarılmaları için sinyal verir. Şu anda peroksizom biyogenezi ve bakımında yer alan ve peroksinler olarak adlandırılan, farklı organizmalarda peroksizom montaj sürecine katılan 36 protein bilinmektedir. Memeli hücrelerinde 13 karakterize peroksin vardır. Endoplazmik retikulum (ER) veya mitokondriye protein aktarımının aksine, proteinlerin peroksizom lümenine aktarılması için katlanmasına gerek yoktur. Matriks protein ithalat reseptörleri, peroksin PEX5 ve PEX7, kargolarına (sırasıyla bir PTS1 veya bir PTS2 amino asit dizisi içeren) peroksizoma kadar eşlik eder ve burada kargoyu peroksizomal matrikse bırakır ve ardından sitozole geri döner - geri dönüşüm adı verilen bir adım. Peroksizomal protein hedeflemenin özel bir yoluna piggy backing denir. Bu benzersiz yöntemle taşınan proteinler kanonik bir PTS'ye sahip değildir, bunun yerine bir kompleks olarak taşınmak üzere bir PTS proteinine bağlanırlar. İçe aktarım döngüsünü tanımlayan bir modele genişletilmiş mekik mekanizması adı verilir. Artık reseptörlerin sitozole geri dönüşümü için ATP hidrolizinin gerekli olduğuna dair kanıtlar bulunmaktadır. Ayrıca, PEX5'in peroksizomdan sitozole ihracı için ubikitinasyon çok önemlidir. Peroksizomal membranın biyogenezi ve peroksizomal membran proteinlerinin (PMP'ler) yerleştirilmesi PEX19, PEX3 ve PEX16 peroksinlerini gerektirir. PEX19, PMP'leri bağlayan ve onları peroksizomal membrana yönlendiren bir PMP reseptörü ve şaperonudur ve burada bir peroksizomal integral membran proteini olan PEX3 ile etkileşime girer. PMP'ler daha sonra peroksizomal membrana yerleştirilir. ⓘ

Peroksizomların bozunmasına peksofaji denir. ⓘ

Peroksizom etkileşimi ve iletişimi

Peroksizomların çeşitli işlevleri, endoplazmik retikulum (ER), mitokondri, lipid damlacıkları ve lizozomlar gibi hücresel lipid metabolizmasında yer alan birçok organel ile dinamik etkileşimler ve işbirliği gerektirir. ⓘ

Peroksizomlar, yağ asitlerinin β-oksidasyonu ve reaktif oksijen türlerinin metabolizması dahil olmak üzere çeşitli metabolik yollarda mitokondri ile etkileşime girer. Her iki organel de endoplazmik retikulum (ER) ile yakın temas halindedir ve organel fisyon faktörleri de dahil olmak üzere çeşitli proteinleri paylaşır. Peroksizomlar ayrıca endoplazmik retikulum (ER) ile etkileşime girer ve sinir hücreleri için önemli olan eter lipitlerin (plazmalojenler) sentezinde işbirliği yapar (yukarıya bakınız). İpliksi mantarlarda peroksizomlar, hızla hareket eden erken endozomlarla teması içeren bir süreç olan 'otostop' yoluyla mikrotübüller üzerinde hareket eder. Organeller arasındaki fiziksel temasa genellikle, iki organelin membranlarının küçük moleküllerin hızlı transferini sağlamak için fiziksel olarak bağlandığı, organel iletişimini mümkün kılan ve hücresel fonksiyonların koordinasyonu ve dolayısıyla insan sağlığı için çok önemli olan membran temas bölgeleri aracılık eder. Çeşitli hastalıklarda membran temaslarında değişiklikler gözlenmiştir. ⓘ

İlişkili tıbbi durumlar

Peroksizomal bozukluklar, tipik olarak insan sinir sistemini ve diğer birçok organ sistemini etkileyen bir tıbbi durum sınıfıdır. İki yaygın örnek X'e bağlı adrenolökodistrofi ve peroksizom biyogenez bozukluklarıdır. ⓘ

Genler

PEX genleri, yukarıda açıklandığı gibi uygun peroksizom montajı için gerekli protein mekanizmasını ("peroksinler") kodlar. Membran montajı ve bakımı bunlardan üçünü (peroksin 3, 16 ve 19) gerektirir ve matris (lümen) enzimlerinin ithalatı olmadan gerçekleşebilir. Organelin çoğalması Pex11p tarafından düzenlenir. ⓘ

Peroksin proteinlerini kodlayan genler şunları içerir: PEX1, PEX2 (PXMP3), PEX3, PEX5, PEX6, PEX7, PEX9, PEX10, PEX11A, PEX11B, PEX11G, PEX12, PEX13, PEX14, PEX16, PEX19, PEX26, PEX28, PEX30 ve PEX31. Organizmalar arasında PEX numaralandırması ve işlevi farklılık gösterebilir. ⓘ

Evrimsel kökenler

Peroksizomların protein içeriği türler veya organizmalar arasında farklılık gösterir, ancak birçok türde ortak olan proteinlerin varlığı endosimbiyotik bir köken önermek için kullanılmıştır; yani peroksizomlar daha büyük hücreleri parazit olarak istila eden bakterilerden evrimleşmiştir ve çok yavaş bir şekilde simbiyotik bir ilişki geliştirmiştir. Ancak, bu görüşe son keşiflerle meydan okunmuştur. Örneğin, peroksizom içermeyen mutantlar, vahşi tip genin eklenmesi üzerine peroksizomları geri kazanabilir. ⓘ

Peroksizomal proteomun iki bağımsız evrimsel analizi, peroksizomal ithalat mekanizması ile endoplazmik retikulumdaki ERAD yolu arasında ve muhtemelen mitokondriden alınan bir dizi metabolik enzim arasında homolojiler bulmuştur. Son zamanlarda, peroksizomun bir Actinomycetota kökenine sahip olabileceği öne sürülmüştür; ancak bu tartışmalıdır. ⓘ

Diğer ilgili organeller

Peroksizomlarla ilişkili mikro cisim ailesinin diğer organelleri arasında bitkilerin ve filamentli mantarların glioksizomları, kinetoplastidlerin glikozomları ve filamentli mantarların Woronin cisimcikleri bulunur. ⓘ

Eksiklikler

Peroksizomal hastalıklar lipid metabolizması bozukluklarına yol açarlar.En bilinen örnek Zellweger Sendromu. Peroksizom matriksinin proteinleri sitozolde serbest ribozomlarda sentez edilmektedir. ⓘ