Υπεροξειδιόσωμα

Τα υπεροξειδιοσώματα ή υπεροξεισώματα είναι μονομεμβρανικά οργανίδια (προηγουμένως γνωστά και ως μικροσωμάτια), που βρίσκονται στο κυτταρόπλασμα σχεδόν όλων των ευκαρυωτικών κυττάρων. Τα υπεροξεισώματα είναι οξειδωτικά οργανίδια. Συχνά, παρατηρείται η χρήση του μοριακού οξυγόνου σαν υπόστρωμα για τη δημιουργία υπεροξειδίου του υδρογόνου (H2O2), από το οποίο τα συγκεκριμένα οργανίδια έχουν πάρει το όνομά τους. Εκτελούν σημαντικούς ρόλους στο μεταβολισμό των λιπιδίων και στη μετατροπή δραστικών μορφών οξυγόνου. Συμμετέχουν στον καταβολισμό λιπαρών οξέων πολύ μακράς αλύσου, λιπαρών οξέων διακλαδισμένης αλύσου, ενδιαμέσων χολικού οξέος (στο συκώτι), D-αμινοξέων, πολυαμινών, στην αναγωγή δραστικών μορφών οξυγόνου, ειδικά υπεροξειδίου του υδρογόνου και στη βιοσύνθεση πλασμαλογόνων, π.χ αιθερικών φωσφολιπιδίων σημαντικών για τη φυσιολογική λειτουργία του εγκεφάλου και των πνευμόνων των θηλαστικών. Επίσης, στα υπεροξεισώματα επιτελείται περίπου το 10% της συνολικής δραστηριότητας δύο ενζύμων, της αφυδρογονάσης της 6-φωσφορικής γλυκόζης και της αφυδρογονάσης του 6-φωσφογλυκονικού, στο μονοπάτι φωσφορικών πεντοζών, το οποίο είναι απαραίτητο για τον ενεργειακό μεταβολισμό. Ακόμη, εξετάζεται έντονα το κατά πόσο τα υπεροξεισώματα εμπλέκονται στη σύνθεση ισοπρενοειδών και χοληστερόλης στα ζώα. Άλλες γνωστές λειτουργίες των υπεροξεισωμάτων περιλαμβάνουν τον γλυοξυλικό κύκλο σε βλαστάνοντες σπόρους ("γλυοξυσώματα"), τη φωτοαναπνοή στα φύλλα, τη γλυκόλυση στα τρυπανοσώματα ("γλυκοσώματα"), την οξείδωση μεθανόλης ή/και αμινών και την αφομοίωση θρεπτικών σε συγκεκριμένους ζυμομύκητες.

 Τα υπεροξεισώματα (μικροσωμάτια) χαρακτηρίστικαν για πρώτη φορά από έναν Σουηδό διδακτορικό μαθητή, τον Γ. Ρόντιν, το 1954. Ταυτοποιήθηκαν ως οργανίδια από το Βέλγο κυτταρολόγο Κριστιάν ντε Ντυβ το 1967. Ο ντε Ντυβ και οι συνεργάτες του ανακάλυψαν ότι τα υπεροξεισώματα περιέχουν οξειδάσες, οι οποίες συμμετέχουν στην παραγωγή υπεροξειδίου του υδρογόνου (H2O2), καθώς και καταλάσες που το διασπούν σε οξυγόνο και νερό. Λόγω του ρόλου τους στο μεταβολισμό των υπεροξειδίων, ο ντε Ντυβ τα ονόμασε "υπεροξεισώματα", αντικαθιστώντας τον όρο "μικροσωμάτια" που τα χαρακτήριζε μορφολογικά μέχρι τότε. Αργότερα, αποδείχθηκε ότι η λουσιφεράση της πυγολαμπίδας εισέρχεται στα υπεροξεισώματα των κυττάρων των θηλαστικών, οδηγώντας έτσι στην ανακάλυψη του σήματος εισαγωγής στα υπεροξεισώματα και, κατ'επέκταση, στον εμπλουτισμό των γνώσεων πάνω στο πεδίο της βιογένεσης των υπεροξεισωμάτων. Τα υπεροξεισώματα είναι μικρά (0.1-1μm διάμετρο) υποκυτταρικά οργανίδια με λεπτή, κοκκιώδη μήτρα. Περιβάλλονται από μονοστιβάδα λιπιδικής μεμβράνης και βρίσκονται στο κυτταρόπλασμα ενός κυττάρου. Η διαμερισματοποίηση δημιουργεί ένα βέλτιστο περιβάλλον, το οποίο προάγει ποικίλες μεταβολικές αντιδράσεις που επιτελούνται στα υπεροξεισώματα και απαιτούνται για τη διατήρηση λειτουργιών ζωτικών για την επιβίωση του κυττάρου και, κατ΄επέκταση, του οργανισμού. Ο αριθμός, το μέγεθος και η πρωτεινική σύσταση των υπεροξεισωμάτων διαφέρουν ανάλογα με τον κυτταρικό τύπο, αλλά και τις περιβαλλοντικές συνθήκες. Για παράδειγμα, στο ζυμομύκητα που είναι γνωστός και ως μαγιά αρτοποιίας (S. cerevisiae),υπό συνθήκες γλυκόζης ως θρεπτικό μέσο, παρατηρούνται μόνο ελάχιστα, μικρά υπεροξεισώματα στα κύτταρα. Αντίθετα, υπό συνθήκες λιπαρών οξέων μακράς αλύσου σαν μοναδική πηγή άνθρακα, μπορούν να παρατηρηθούν έως και 20-25 υπεροξεισώματα μεγάλου μεγέθους. Μία σημαντική λειτουργία ενός υπεροξεισώματος είναι ο καταβολισμός των λιπαρών οξέων πολύ μακράς αλύσου, μέσω της β-οξείδωσης. Στα ζωικά κύτταρα, τα λιπαρά οξέα μακράς αλύσου μετατρέπονται σε λιπαρά οξέα μέσης αλύσου, τα οποία μεταφέρονται στα μιτοχόνδρια όπου και σταδιακά διασπώνται σε διοξείδιο του άνθρακα και νερό. Στις ζύμες και στα φυτικά κύτταρα, η διαδικασία αυτή επιτελείται αποκλειστικά στα υπεροξεισώματα.Οι πρώτες χημικές αντιδράσεις για τη δημιουργία πλασμαλογόνου στα ζωικά κύτταρα λαμβάνουν επίσης μέρος στα υπεροξεισώματα. Το πλασμαλογόνο είναι το πιο άφθονο φωσφολιπίδιο στη μυελίνη. Έλλειψη πλασμαλογόνων προκαλεί σημαντικές ανωμαλίες στη μυελίνωση των νευρικών κυττάρων. Αυτός είναι και ένας από τους λόγους που πολλές υπεροξεισωματικές διαταραχές επηρεάζουν το νευρικό σύστημα. Τα υπεροξεισώματα έχουν επίσης σημαντικό ρόλο στην παραγωγή χολικών οξέων, που είναι σημαντικά για την απορρόφηση λιπών και λιποδιαλυτών βιταμινών, όπως η βιταμίνη Α και η βιταμίνη Κ. Οι δερματικές διαταραχές είναι χαρακτηριστικά των γενετικών διαταραχών που επηρεάζουν τη λειτουργία του υπεροξεισώματος.Τα μεταβολικά μονοπάτια που λαμβάνουν μέρος αποκλειστικά στα υπεροξεισώματα των θηλαστικών είναι τα εξής: α-οξείδωση του φυτανικού οξέος β-οξείδωση λιπαρών οξέων πολύ μακράς αλύσου και πολυακόρεστων λιπαρών οξέων βιοσύνθεση πλασμαλογόνων σύνθεση χολικών οξέωνΤα υπεροξεισώματα διαθέτουν οξειδωτικά ένζυμα, όπως η οξειδάση των D-αμινοξέων και η οξειδάση του ουρικού οξέος. Ωστόσο, η οξειδάση του ουρικού οξέος είναι ένα ένζυμο που δεν παράγεται από τον ανθρώπινο οργανισμό, γεγονός που εξηγεί την ύπαρξη της ασθένειας που είναι γνωστή ως ουρική αρθρίτιδα και δημιουργείται από τη συσσώρευση ουρικού οξέος στον οργανισμό. Συγκεκριμένα ένζυμα των υπεροξεισωμάτων, χρησιμοποιώντας μοριακό οξυγόνο, αφαιρούν άτομα υδρογόνο από συγκεκριμένα οργανικά υποστρώματα (R), μέσω μιας οξειδωτικής αντίδρασης, παράγοντας έτσι υπεροξείδιο του υδρογόνου (H2O2): RH 2 + O 2 ⟶ R + H 2 O 2 {\displaystyle {\ce {RH2 + O2 -> R + H2O2}}} Η καταλάση, ακόμα ένα ένζυμο των υπεροξεισωμάτων, χρησιμοποιεί το υπεροξείδιο του υδρογόνου για την οξείδωση άλλων υποστρωμάτων, όπως φαινόλες, φορμικό οξύ, φορμαλδεΰδη και αλκοόλες, μέσω της αντίδρασης περοξείδωσης: H 2 O 2 + R ′ H 2 ⟶ R ′ + 2 H 2 O {\displaystyle {\ce {H2O2 + R'H2 -> R' + 2H2O}}} , εξαλείφοντας πλήρως την τοξική αυτή ουσία. Η αντίδραση αυτή είναι σημαντική στα ηπατικά και νεφρικά κύτταρα, όπου τα περοξεισώματα αποτοξινώνουν διάφορες τοξικές ουσίες που εισέρχονται στην κυκλοφορία του αίματος. Περίπου το 25% της αιθανόλης που καταναλώνεται από τον άνθρωπο μέσως της κατάποσης αλκοολούχων ποτών οξειδώνεται σε ακεταλδεϋδη με αυτόν τον τρόπο. Επιπροσθέτως, η περίσσεια ποσότητα H2O2 που συσσωρεύεται στο κύτταρο, μετατρέπεται μέσω της καταλάσης σε H2Ο με την παρακάτω χημική αντίδραση: 2 H 2 O 2 ⟶ 2 H 2 O + O 2 {\displaystyle {\ce {2H2O2 -> 2H2O + O2}}} Στους ανώτερους φυτικούς οργανισμούς, τα υπεροξεισώματα διαθέτουν και αντιοξειδωτικά ένζυμα, όπως η δισμουτάση του υπεροξειδίου, τις ουσίες που συμμετέχουν στον κύκλο του ασκορβικού οξέος-γλουταθιόνης και τις αφυδρογονάσες του NADP που συμμετέχουν στον κύκλο των φωσφορικών πεντοζών. Έχει αποδειχθεί, ότι τα υπεροξεισώματα συμμετέχουν στη δημιουργία υπεροξειδίων (O2•−) και ριζών μονοξειδίου του αζώτου.Πλέον έχει επίσης αποδειχθεί ότι τα αντιδραστικά είδη οξυγόνου, συμπεριλαμβανομένου και του περοξεισωματικού H2O2, αποτελούν και σημαντικά σηματοδοτικά μόρια στα φυτά και στα ζώα και συνεισφέρουν στην υγιή γήρανση και σε ανθρώπινες διαταραχές που σχετίζονται με την ηλικία.Το υπεροξείσωμα των φυτικών κυττάρων πολώνεται κατά τη διάρκεια αντιμετώπισης μυκητιακής μόλυνσης. Η μόλυνση αυτή πυροδοτεί την ενεργοποίηση του αντιμυκητιακού ρόλου ενός μορίου γλυκοζινολικού. Το μόριο αυτό παράγεται και μεταφέρεται στον εξωκυττάριο χώρο μέσω της δράσης των περοξεισωματικών πρωτεϊνών PEN2 και PEN3.Τα υπεροξεισώματα των θηλαστικών παρέχουν επίσης αντιική δράση και συμβάλλουν στην αντιμετώπιση παθογόνων μικροοργανισμών. Τα υπεροξεισώματα δημιουργούνται από το ενδοπλασματικό δίκτυο υπό συγκεκριμένες πειραματικές συνθήκες. Αναδιπλασιάζονται μέσω μεμβρανικής ανάπτυξης και διαιρούνται από προϋπάρχοντα οργανίδια. Οι πρωτεΐνες της μήτρας των υπεροξεισωμάτων μεταφράζονται στο κυτταρόπλασμα πριν από την εισαγωγή τους στα υπεροξεισώματα. Συγκεκριμένες αλληλουχίες αμινοξέων που χαρακτηρίζονται ως σήματα εισαγωγής στα υπεροξεισώματα (PTS, Peroxisomal Τargeting Signal) αποτελούν μέρος των πρωτεϊνών της μήτρας των υπεροξεισωμάτων. Οι πρωτεΐνες αυτές διαθέτουν τις συγκεκριμένες αλληλουχίες είτε στο καρβοξυτελικό (PTS1) είτε στο αμινοτελικό τους άκρο. και επιτρέπουν την εισαγωγή τους στο οργανίδιο μέσω ενός σηματοδοτικού παράγοντα. Προς το παρόν, έχουν ανακαλυφθεί 36 πρωτεΐνες που σχετίζονται με τη βιογένεση και συγκρότηση των υπεροξεισωμάτων σε διαφορετικούς οργανισμούς και είναι γνωστές ως περοξίνες (peroxins). Στα κύτταρα των θηλαστικών έχουν χαρακτηριστεί 13 διαφορετικές περοξίνες. Σε αντίθεση με την πρωτεϊνική εισαγωγή στο ενδοπλασματικό δίκτυο (ΕΔ) ή στα μιτοχόνδρια, οι πρωτεΐνες δεν είναι απαραίτητο να ξεδιπλωθούν δομικά για την είσοδό τους στο υπεροξείσωμα. Οι υποδοχείς για την εισαγωγή των πρωτεϊνών της μήτρας, οι περοξίνες PEX5 και PEX7, συνοδεύουν τα φορτία τους (πρωτεΐνες με αλληλουχίες PTS1 και PTS2, αντίστοιχα) μέχρι τα υπεροξεισώματα, όπου τα απελευθερώνουν μέσα στην υπεροξεισωματική μήτρα και έπειτα επιστρέφουν στο κυτταρόπλασμα. Η διαδικασία αυτή χαρακτηρίζεται ως ανακύκλωση. Υπάρχει και ένας διαφορετικός τρόπος για τη μεταφορά πρωτεϊνών που δεν έχουν αλληλουχίες PTS. Εκείνες προσδένονται σε πρωτεΐνες με αλληλουχίες PTS και μεταφέρονται μαζί σαν σύμπλοκο (piggy backing). Το μοντέλο που περιγράφει τον κύκλο εισαγωγής των υπεροξεισωματικών πρωτεϊνών (extended shuttle mechanism) είναι μοναδικό, καθώς δεν έχει περιγραφεί ποτέ κάτι παρόμοιο. Έχει πλέον δειχθεί, ότι για την ανακύκλωση των υποδοχέων στο κυτταρόπλασμα απαιτείται υδρόλυση του ATP. Ακόμη, η ουβικουιτίνωση παίζει καθοριστικό ρόλο στην εξαγωγή του υποδοχέα PEX5 από το υπεροξείσωμα στο κυτταρόπλασμα. Η βιογένεση της υπεροξεισωματικής μεμβράνης και η εισαγωγή των μεμβρανικών πρωτεϊνών των υπεροξεισωμάτων (PMPs) είναι λειτουργίες που ρυθμίζονται από τις περοξίνες PEX19, PEX3 και PEX16. Η PEX19 είναι υποδοχέας και πρωτεΐνη-συνοδός (chaperone), που προσδένεται στις μεμβρανικές πρωτεΐνες των υπεροξεισωμάτων και τις καθοδηγεί στη μεμβράνη του οργανιδίου. Εκεί, αλληλεπιδρά με την PEX3, μία διαμεμβρανική πρωτεΐνη των υπεροξεισωμάτων και τα PMPs εισάγονται στη μεμβράνη. Η διαδικασία αποικοδόμησης των υπεροξεισωμάτων είναι γνωστή ως πεξοφαγία (pexophagy). Για την επιτέλεση των διαφορετικών λειτουργιών των υπεροξεισωμάτων απαιτούνται δυναμικές αλληλεπιδράσεις και συνεργασίες με πολλαπλά οργανίδια, τα οποία συμμετέχουν στο μεταβολισμό λιπιδίων στο κύτταρο. Τέτοια οργανίδια είναι το ενδοπλασματικό δίκτυο (ΕΔ), τα μιτοχόνδρια, τα λιπιδικά σωμάτια και τα λυσοσώματα. Τα υπεροξεισώματα αλληλεπιδρούν με τα μιτοχόνδρια σε διάφορα μεταβολικά μονοπάτια, όπως στη β-οξείδωση των λιπαρών οξέων και στο μεταβολισμό των αντιδραστικών μορφών οξυγόνου. Και τα δύο οργανίδια βρίσκονται σε στενή επαφή με το ενδοπλασματικό δίκτυο και μοιράζονται διάφορες πρωτεΐνες, όπως παράγοντες που συμμετέχουν στη σχάση οργανιδίων. Τα υπεροξεισώματα αλληλεπιδρούν με το ενδοπλασματικό δίκτυο (ΕΔ) και συνεργάζονται για τη σύνθεση αιθερικών λιπιδίων (πλασμαλογόνα), πού είναι σημαντικά για τα νευρικά κύτταρα (βλέπε παραπάνω). Η αλληλεπίδραση μεταξύ οργανιδίων συνήθως επιτυγχάνεται μέσω ανάπτυξης μεμβρανικών σημείων επαφής, όπου μεμβράνες δύο οργανιδίων έρχονται σε πολύ μικρή απόσταση μεταξύ τους, χωρίς όμως να αποκτούν φυσική επαφή. Μέσω των επαφών αυτών, επιτυγχάνεται η ταχεία μεταφορά μικρομορίων, η διαοργανιδιακή επικοινωνία και ο συντονισμός κυτταρικών λειτουργιών σημαντικών για την ανθρώπινη υγεία. Μεταβολές σε μεμβρανικά σημεία επαφής έχουν παρατηρηθεί σε διάφορες ασθένειες. Οι υπεροξειδιοσωματικές διαταραχές αποτελούν μία κατηγορία ασθενειών που επιδρούν στο νευρικό, αλλά και σε άλλα συστήματα του οργανισμού. Δύο κοινά παραδείγματα είναι η Χ-συνδεδεμένη αδρενολευκοδυστροφία και οι διαταραχές στη βιογένεση υπεροξειδιοσωμάτων. Τα PEX γονίδια κωδικοποιούν το μηχανισμό πρωτεινών ("περοξίνες") που απαιτείται για την άρτια συγκρότηση των υπεροξεισωμάτων. Η συγκρότηση και διατήρηση της ακεραιότητας των μεμβρανών επιτυγχάνεται με τη δράση τριών περοξινών (περοξίνες 3, 16 και 19), χωρίς να απαιτείται η εισαγωγή ενζύμων της μήτρας. Ο πολλαπλασιασμός του οργανιδίου είναι μία λειτουργία που ρυθμίζονται από τη δράση της Pex11p. Στα γονίδια που κωδικοποιούν τις περοξίνες περιλαμβάνονται οι: PEX1, PEX2 (PXMP3), PEX3, PEX5, PEX6, PEX7, PEX9, PEX10, PEX11A, PEX11B, PEX11G, PEX12, PEX13, PEX14, PEX16, PEX19, PEX26, PEX28, PEX30, και PEX31. Η αρίθμηση και λειτουργία των PEX γονιδίων, και κατ'επέκταση των πρωτεϊνικών προϊόντων τους, διαφέρει ανάλογα με τον οργανισμό. Το πρωτεινικό περιεχόμενο τον υπεροξεισωμάτων ποικίλει ανάλογα με το είδος ή τον οργανισμό, αλλά η παρουσία πρωτεινών που είναι κοινές σε πολλά είδη παραπέμπει ενδοσυμβιωτική προέλευση. Δηλαδή, τα υπεροξεισώματα εξελίχθηκαν από βακτήρια που εισέβαλλαν σε μεγαλύτερα κύτταρα και ανέπτυξαν σταδιακά μία συμβιωτική σχέση. Ωστόσο, η άποψη αυτή έχει αμφισβητηθεί από πρόσφατες ανακαλύψεις. Για παράδειγμα, σε μεταλλαγμένα στελέχη που δεν διαθέτουν τα συγκεκριμένα οργανίδια, ανακτάται η δυνατότητα δημιουργίας τους μέσω της εισαγωγής του γονιδίου αγρίου-τύπου (wild-type). Με δύο ανεξάρτητες εξελικτικές αναλύσεις του πρωτεώματος των υπεροξεισωμάτων ταυτοποιήθηκαν ομολογίες μεταξύ του μηχανισμού εισαγωγής μορίων στα υπεροξεισώματα και του μονοπατιού διάσπασης πρωτεινών (ERAD, Endoplasmic-Reticulum Associated protein Degradation) στο ενδοπλασματικό δίκτυο, μαζί με ορισμένα ένζυμα του μεταβολισμού που πιθανώς εντοπίζονται στα μιτοχόνδρια. Πρόσφατα έχει προταθεί η πιθανή προέλευση των υπεροξεισωμάτων από ακτινομύκητες, κάτι που όμως είναι ακόμα αμφιλεγόμενο. Άλλα οργανίδια της οικογένειας των μικροσωματίων που σχετίζονται με τα υπεροξεισώματα, είναι τα γλυοξυσώματα των φυτών και μυκήτων, τα γλυκοσώματα μιας ομάδας Πρωτίστων που ονομάζονται Kinetoplastea και τα σώματα Woronin των ασκομυκήτων. Υποδοχείς που ενεργοποιούνται από παράγοντες που επάγουν τον πολλαπλασιασμό των υπεροξεισωμάτων (PPARs) Innovative Training Network PERICO Schrader M, Costello J, Godinho LF, Islinger M (2015). "Peroxisome-mitochondria interplay and disease". J Inherit Metab Dis. 38 (4): 681–702. doi:10.1007/s10545-015-9819-7. PMID 25687155 Schrader M, Fahimi HD (2008). "The peroxisome: still a mysterious organelle". Histochem Cell Biol. 129 (4): 421–440. doi:10.1007/s00418-008-0396-9. PMID 18274771. Effelsberg D, Cruz-Zaragoza LD, Schliebs W, Erdmann R (2016). "Pex9p is a novel yeast peroxisomal import receptor for PTS1-proteins". Journal of Cell Science. 129: 4057–4066. doi 10.1242/jcs.195271. Yifrach E, Chuartzman SG, Dahan N, Maskit S, Zada L, Weill U, Yofe I, Olender T, Schuldiner M, Zalckvar E (2016). "Characterization of proteome dynamics in oleate reveals a novel peroxisome targeting receptor". Journal of Cell Science. 129 (21): 4067–4075. doi:10.1242/jcs.195255 PMID 27663510 Mateos RM, León AM, Sandalio LM, Gómez M, del Río LA, Palma JM (December 2003). "Peroxisomes from pepper fruits (Capsicum annuum L.): purification, characterisation and antioxidant activity". Journal of Plant Physiology. 160 (12): 1507–16. doi:10.1078/0176-1617-01008 PMID 14717445 Corpas FJ, Barroso JB (2014). "Functional implications of peroxisomal nitric oxide (NO) in plants" . Frontiers in Plant Science. 5: 97. doi:10.3389/fpls.2014.00097 PMC 3956114 PMID 24672535 Corpas FJ (November 2015). "What is the role of hydrogen peroxide in plant peroxisomes?". Plant Biology. 17 (6): 1099–103. doi:10.1111/plb.12376. PMID 26242708. PeroxisomeDB: Peroxisome-Database PeroxisomeKB: Peroxisome Knowledge Base Innovative Training Network PERICO