Peroxisoma

Un peroxisoma es un orgánulo unido a una membrana, un tipo de microcuerpo, que se encuentra en el citoplasma de prácticamente todas las células eucariotas. Los peroxisomas son orgánulos oxidativos. Con frecuencia, el oxígeno molecular sirve como cosustrato, a partir del cual el peróxido de hidrógeno (H ₂ O ₂) entonces se forma. Los peroxisomas deben su nombre a las actividades de generación y eliminación de peróxido de hidrógeno. Desempeñan funciones clave en el metabolismo de los lípidos y la conversión de especies reactivas de oxígeno. Los peroxisomas están involucrados en el catabolismo de ácidos grasos de cadena muy larga, ácidos grasos de cadena ramificada, intermedios de ácidos biliares (en el hígado), D-aminoácidos y poliaminas, la reducción de especies reactivas de oxígeno, específicamente peróxido de hidrógeno, y la biosíntesis de plasmalógenos, es decir, éter fosfolípidos críticos para la función normal de los cerebros y pulmones de los mamíferos. También contienen aproximadamente el 10 % de la actividad total de dos enzimas (glucosa-6-fosfato deshidrogenasa y 6-fosfogluconato deshidrogenasa) en la ruta de las pentosas fosfato, que es importante para el metabolismo energético.Se debate vigorosamente si los peroxisomas están involucrados en la síntesis de isoprenoides y colesterol en animales. Otras funciones peroxisomales conocidas incluyen el ciclo del glioxilato en las semillas en germinación ("glioxisomas"), la fotorrespiración en las hojas, la glucólisis en los tripanosomas ("glicosomas") y la oxidación y asimilación de metanol y/o aminas en algunas levaduras.

Historia

Los peroxisomas (microcuerpos) fueron descritos por primera vez por un estudiante de doctorado sueco, J. Rhodin en 1954. El citólogo belga Christian de Duve los identificó como orgánulos en 1967. De Duve y sus colaboradores descubrieron que los peroxisomas contienen varias oxidasas involucradas en la producción de peróxido de hidrógeno (H ₂ O ₂) así como catalasa involucrada en la descomposición de H ₂ O ₂al oxígeno y al agua. Debido a su papel en el metabolismo de los peróxidos, De Duve los denominó “peroxisomas”, reemplazando el término morfológico anteriormente utilizado “microcuerpos”. Más tarde, se describió que la luciferasa de luciérnaga se dirige a los peroxisomas en células de mamíferos, lo que permite el descubrimiento de la señal de destino de importación para los peroxisomas y desencadena muchos avances en el campo de la biogénesis de peroxisomas.

Diseño estructural

Los peroxisomas son pequeños compartimentos subcelulares (orgánulos) (de 0,1 a 1 µm de diámetro) con una matriz granular fina y rodeados por una única biomembrana que se encuentran en el citoplasma de una célula. La compartimentación crea un entorno optimizado para promover diversas reacciones metabólicas dentro de los peroxisomas necesarias para mantener las funciones celulares y la viabilidad del organismo.

El número, el tamaño y la composición proteica de los peroxisomas son variables y dependen del tipo de célula y las condiciones ambientales. Por ejemplo, en la levadura de panadería (S. cerevisiae), se ha observado que, con un buen suministro de glucosa, sólo están presentes unos pocos peroxisomas pequeños. Por el contrario, cuando se suministró a las levaduras ácidos grasos de cadena larga como única fuente de carbono, se pueden formar hasta 20 a 25 peroxisomas grandes.

Funciones metabólicas

Una función principal del peroxisoma es la descomposición de ácidos grasos de cadena muy larga a través de la oxidación beta. En las células animales, los ácidos grasos largos se convierten en ácidos grasos de cadena media, que posteriormente se transportan a las mitocondrias, donde finalmente se descomponen en dióxido de carbono y agua. En levaduras y células vegetales, este proceso se lleva a cabo exclusivamente en peroxisomas.

Las primeras reacciones en la formación de plasmalógeno en células animales también ocurren en peroxisomas. El plasmalógeno es el fosfolípido más abundante en la mielina. La deficiencia de plasmalógenos provoca anomalías profundas en la mielinización de las células nerviosas, que es una de las razones por las que muchos trastornos peroxisomales afectan al sistema nervioso. Los peroxisomas también desempeñan un papel en la producción de ácidos biliares importantes para la absorción de grasas y vitaminas liposolubles, como las vitaminas A y K. Los trastornos de la piel son características de los trastornos genéticos que, como resultado, afectan la función de los peroxisomas.

Las rutas metabólicas específicas que ocurren exclusivamente en los peroxisomas de mamíferos son:

• α-oxidación del ácido fitánico
• β-oxidación de ácidos grasos de cadena muy larga y poliinsaturados
• biosíntesis de plasmalógenos
• conjugación de ácido cólico como parte de la síntesis de ácidos biliares

Los peroxisomas contienen enzimas oxidativas, como la D-aminoácido oxidasa y el ácido úrico oxidasa. Sin embargo, la última enzima está ausente en los humanos, lo que explica la enfermedad conocida como gota, causada por la acumulación de ácido úrico. Ciertas enzimas dentro del peroxisoma, mediante el uso de oxígeno molecular, eliminan átomos de hidrógeno de sustratos orgánicos específicos (etiquetados como R), en una reacción oxidativa, produciendo peróxido de hidrógeno (H ₂ O ₂, tóxico en sí mismo):

La catalasa, otra enzima peroxisomal, utiliza este H ₂ O ₂ para oxidar otros sustratos, incluidos los fenoles, el ácido fórmico, el formaldehído y el alcohol, mediante la reacción de peroxidación:, eliminando así el venenoso peróxido de hidrógeno en el proceso.

Esta reacción es importante en las células del hígado y los riñones, donde los peroxisomas desintoxican varias sustancias tóxicas que ingresan a la sangre. Alrededor del 25% del etanol que consumen los seres humanos al tomar bebidas alcohólicas se oxida a acetaldehído de esta manera. Además, cuando se acumula H ₂ O ₂ en exceso en la célula, la catalasa lo convierte en H ₂ O a través de esta reacción:

En las plantas superiores, los peroxisomas también contienen una batería compleja de enzimas antioxidantes como la superóxido dismutasa, los componentes del ciclo ascorbato-glutatión y las NADP-deshidrogenasas de la ruta de las pentosas-fosfato. Se ha demostrado que los peroxisomas generan radicales superóxido (O ₂) y óxido nítrico (NO).

Ahora hay evidencia de que esas especies reactivas de oxígeno, incluido el H ₂ O ₂ peroxisomal, también son moléculas de señalización importantes en plantas y animales y contribuyen al envejecimiento saludable y los trastornos relacionados con la edad en los seres humanos.

El peroxisoma de las células vegetales se polariza cuando lucha contra la penetración de hongos. La infección hace que una molécula de glucosinolato desempeñe una función antifúngica y se libere al exterior de la célula a través de la acción de las proteínas peroxisomales (PEN2 y PEN3).

Los peroxisomas en mamíferos y humanos también contribuyen a la defensa antiviral. y el combate de patógenos

Ensamblaje de peroxisomas

Los peroxisomas pueden derivarse del retículo endoplásmico liso en determinadas condiciones experimentales y replicarse mediante el crecimiento de la membrana y la división a partir de orgánulos preexistentes. Las proteínas de la matriz del peroxisoma se traducen en el citoplasma antes de la importación. Secuencias específicas de aminoácidos (PTS o señal de direccionamiento peroxisomal) en el extremo C-terminal (PTS1) o N-terminal (PTS2) de las proteínas de la matriz peroxisomal les indican que se importen al orgánulo mediante un factor de direccionamiento. Actualmente hay 36 proteínas conocidas involucradas en la biogénesis y el mantenimiento del peroxisoma, llamadas peroxinas,los cuales participan en el proceso de ensamblaje de peroxisomas en diferentes organismos. En las células de mamíferos hay 13 peroxinas caracterizadas. A diferencia de la importación de proteínas al retículo endoplásmico (ER) o las mitocondrias, no es necesario desdoblar las proteínas para importarlas a la luz del peroxisoma. Los receptores de importación de proteínas de la matriz, las peroxinas PEX5 y PEX7, acompañan a sus cargas (que contienen una secuencia de aminoácidos PTS1 o PTS2, respectivamente) hasta el peroxisoma, donde liberan la carga en la matriz peroxisomal y luego regresan al citosol: un paso llamado reciclaje. Una forma especial de dirigirse a la proteína peroxisomal se llama piggy backing. Las proteínas que se transportan mediante este método único no tienen un PTS canónico, sino que se unen a una proteína PTS para ser transportadas como un complejo.Un modelo que describe el ciclo de importación se denomina mecanismo de lanzadera ampliado. Ahora hay evidencia de que la hidrólisis de ATP es necesaria para el reciclaje de receptores al citosol. Además, la ubiquitinación es crucial para la exportación de PEX5 desde el peroxisoma al citosol. La biogénesis de la membrana peroxisomal y la inserción de proteínas de membrana peroxisomal (PMP) requiere las peroxinas PEX19, PEX3 y PEX16. PEX19 es un receptor de PMP y chaperona, que se une a las PMP y las enruta a la membrana peroxisomal, donde interactúa con PEX3, una proteína de membrana integral peroxisomal. Luego, las PMP se insertan en la membrana peroxisomal.

La degradación de los peroxisomas se denomina pexofagia.

Peroxisoma interacción y comunicación.

Las diversas funciones de los peroxisomas requieren interacciones dinámicas y cooperación con muchos orgánulos involucrados en el metabolismo de los lípidos celulares, como el retículo endoplásmico (ER), las mitocondrias, las gotitas de lípidos y los lisosomas.

Los peroxisomas interactúan con las mitocondrias en varias vías metabólicas, incluida la β-oxidación de ácidos grasos y el metabolismo de especies reactivas de oxígeno. Ambos orgánulos están en estrecho contacto con el retículo endoplásmico (ER) y comparten varias proteínas, incluidos los factores de fisión de orgánulos. Los peroxisomas también interactúan con el retículo endoplásmico (ER) y cooperan en la síntesis de éteres lípidos (plasmalógenos) que son importantes para las células nerviosas (ver arriba). En los hongos filamentosos, los peroxisomas se mueven en los microtúbulos "haciendo autostop", un proceso que implica el contacto con endosomas tempranos que se mueven rápidamente. El contacto físico entre los orgánulos a menudo está mediado por los sitios de contacto de la membrana, donde las membranas de dos orgánulos están unidas físicamente para permitir la transferencia rápida de moléculas pequeñas, permitir la comunicación de los orgánulos y son cruciales para la coordinación de las funciones celulares y, por lo tanto, para la salud humana. Se han observado alteraciones de los contactos de las membranas en diversas enfermedades.

Condiciones médicas asociadas

Los trastornos peroxisomales son una clase de condiciones médicas que típicamente afectan el sistema nervioso humano así como muchos otros sistemas de órganos. Dos ejemplos comunes son la adrenoleucodistrofia ligada al cromosoma X y los trastornos de la biogénesis de peroxisomas.

Genes

Los genes PEX codifican la maquinaria proteica ("peroxinas") requerida para el ensamblaje adecuado de peroxisomas, como se describe anteriormente. El ensamblaje y mantenimiento de la membrana requiere tres de estos (peroxinas 3, 16 y 19) y puede ocurrir sin la importación de las enzimas de la matriz (lumen). La proliferación del orgánulo está regulada por Pex11p.

Los genes que codifican las proteínas de peroxina incluyen: PEX1, PEX2 (PXMP3), PEX3, PEX5, PEX6, PEX7, PEX9, PEX10, PEX11A, PEX11B, PEX11G, PEX12, PEX13, PEX14, PEX16, PEX19, PEX26, PEX28, PEX30 y PEX31. Entre organismos, la numeración y la función de PEX pueden diferir.

Orígenes evolutivos

El contenido de proteínas de los peroxisomas varía según la especie o el organismo, pero la presencia de proteínas comunes a muchas especies se ha utilizado para sugerir un origen endosimbiótico; es decir, los peroxisomas evolucionaron a partir de bacterias que invadieron células más grandes como parásitos y muy gradualmente desarrollaron una relación simbiótica. Sin embargo, esta visión ha sido cuestionada por descubrimientos recientes. Por ejemplo, los mutantes sin peroxisomas pueden restaurar los peroxisomas tras la introducción del gen de tipo salvaje.

Dos análisis evolutivos independientes del proteoma peroxisomal encontraron homologías entre la maquinaria de importación peroxisomal y la vía ERAD en el retículo endoplásmico, junto con una serie de enzimas metabólicas que probablemente se reclutaron de las mitocondrias. Recientemente, se ha sugerido que el peroxisoma pudo haber tenido un origen Actinomycetota; sin embargo, esto es controvertido.

Otros organelos relacionados

Otros orgánulos de la familia de microcuerpos relacionados con los peroxisomas incluyen glioxisomas de plantas y hongos filamentosos, glicosomas de cinetoplástidos y cuerpos de Woronin de hongos filamentosos.