Tema 19 Peroxisoma-EFC 2023-2024 PDF

Tema 19- EL PEROXISOMA Generalidades -Estructura, localización, tamaño, forma y función -Detección histoquímica Funciones -Reacciones oxidativas, detoxificación del peróxido de hidrogeno. Papel de detoxificación. -Metabolismo de lípidos: síntesis de plasmalogenos y oxidación de...

Tema 19- EL PEROXISOMA Generalidades -Estructura, localización, tamaño, forma y función -Detección histoquímica Funciones -Reacciones oxidativas, detoxificación del peróxido de hidrogeno. Papel de detoxificación. -Metabolismo de lípidos: síntesis de plasmalogenos y oxidación de ácidos grasos de cadena muy larga. -Papel clave en la biosíntesis del colesterol y de los ácidos biliares. Los ácidos biliares son sintetizados a partir del colesterol (en el hígado). Biogénesis: -División e importación de proteínas. -Enfermedades del peroxisoma  Peroxisomas: tamaño, función y localización - Forma: normalmente redondo - Medida: 200nm-1µm - Delimitado por una membrana lipídica - Presente prácticamente en todas las células eucariotas (excepto los glóbulos rojos). Abundantes en células del riñón y del hígado, en algas y células vegetales y en semillas oleosas en germinación. Tienen una función eminentemente metabólica. Se llaman “peroxisomas” porque contienen enzimas que producen y degradan el peróxido de hidrogeno H2O2. Las enzimas que producen el H2O2 son las oxidasas (el peroxisoma es un sitio de utilización del oxígeno), mientras que las enzimas que lo degradan son las peroxidasas. Fueron descubiertos por Christian de Duve a principios de los años 60 (1965). Le dio el nombre de peroxisoma por su implicación en la degradación del peróxido de hidrogeno - Es un orgánulo que no contiene ADN o ribosomas. Al carecer de genoma, las proteínas presentes en el peroxisoma son codificadas en el núcleo. Los peroxisomas importan la mayoría de las proteínas del citosol, aunque algunas proteínas pasan a los peroxisomas a través del R.E. - Los peroxisomas contienen en su interior más de 50 enzimas implicadas en diversas reacciones metabólicas. Contienen también inclusiones cristalinas que contienen una gran cantidad de enzimas oxidativas como la catalasa o el urato oxidasa (presente en algunas especies). A diferencia de la mitocondria, las reacciones de oxidación a nivel del peroxisoma no proporcionan a la célula energía útil en forma de ATP, pero producen calor.  Peroxisomas vs mitocondrias: similitudes y diferencias  Las mitocondrias y los peroxisomas son pequeños orgánulos ubicuos que interactúan metabólicamente entre sí.  Ambos juegan un papel importante en el metabolismo celular, en el metabolismo de ácidos grasos, en la producción de especies reactivas de oxígeno (ROS y eliminación de ROS). Los ROS son moléculas muy pequeñas que se forman de manera natural como subproducto del metabolismo normal del oxígeno. Son altamente reactivas debido a la presencia de una capa de electrones de valencia no apareada. Ejemplo iones de oxígeno, OH- y peróxidos)  Al igual que las mitocondrias, los peroxisomas son sitios importantes de utilización de oxígeno.  Estos dos orgánulos comparten algunas propiedades, como gran plasticidad y alta capacidad para adaptar su forma y número según los requerimientos celulares.  Sus funciones están conectadas y cualquier alteración en la función de las mitocondrias puede inducir cambios en la fisiología del peroxisoma.  crecen en tamaño y se dividen por bipartición, característica propia de orgánulos como la mitocondria y el cloroplasto.  Peroxisomas: orgánulos con gran plasticidad - Peroxisomas: Variación del número, del tamaño y del tipo de enzima según el estímulo: Los peroxisomas son orgánulos con una gran plasticidad, pueden incrementar su número y tamaño frente a estímulos fisiológicos y volver a su número normal cuando el estímulo ha desaparecido, así como cambiar su repertorio de enzimas. - Ejemplo: las levaduras que crecen sobre el azúcar tienen pocos peroxisomas. Pero en presencia de metanol o de ácidos grasos, aumenta el número y el tamaño de los peroxisomas, que inducirán la oxidación del metanol y la rotura de los ácidos grasos en Acetyl CoA respectivamente. Los peroxisomas pueden visualizarse mediante técnicas citoquímicas específicas como la de la Diaminobencidina, o también mediante inmunocitoquímica utilizando anticuerpos dirigidos contra la catalasa Los peroxisomas se pueden visualizar mediante diferentes técnicas: -citoquímicas: el sustrato Diaminobencidina (DAB) se oxida en presencia de H2O2 y de la catalasa- La reacción de oxidación del DAB produce un cambio de color, para generar un precipitado que retiene el tetra-oxido de osmio (y da el color negro). -Inmunohistoquímicas: utilizando anticuerpos contra la catalasa Funciones celulares en que están implicados los peroxisomas: -Reacciones de oxidación (oxidasas) y peroxidación (catalasa) -oxidación de los ácidos grasos -oxidación de aminoácidos -Biosíntesis de lípidos: síntesis de colesterol. En el hígado, los peroxisomas son importantes para la síntesis del colesterol, de los ácidos biliares s (que forman parte de la bilis), y que derivan del colesterol. Síntesis del plasmalógeno. -En las semillas en germinación, los peroxisomas son llamados glioxisomas y son responsables de la conversión de ácidos grasos en azucares. Tras la aparición de las primeras hojas, los glioxisomas se transforman en peroxisomas.  1-Reacciones de oxidación (oxidasas) y peroxidación (catalasa) La oxidación de compuestos en el peroxisoma genera H2O2 que es eliminado por la catalasa Las reacciones de oxidación (degradación oxidativa de ácidos grasos o aminoácidos) , llevadas a cabo por oxidasas como la aminoácido oxidasa, urato oxidasa. Estas oxidasas eliminan los electrones de varios sustratos (utilizan el oxigeno para oxidar sus sustratos), y ello da lugar al H2O2. Siguen el patrón siguiente. RH2 +O2 → R + H2O2  Resumen: Los peroxisomas degradan varios compuestos y componentes tóxicos. Las reacciones que tienen lugar en los peroxisomas son las siguientes: -Los enzimas del peroxisoma conocidas como oxidasas (urato oxidasa, aminoácido oxidasa) utilizan el oxígeno molecular para oxidar las moléculas orgánicas, y quitar átomos de hidrogeno de los sustratos orgánicos “R”, en una reacción de oxidación que produce peróxido de hidrogeno (H2O2) : Oxidasa RH2+O2→R+H2O2 catalasa actua sobre los toxicos -producen también el peróxido de hidrogeno H2O2. La Catalasa utiliza el H2O2 para oxidar una variedad de sustratos como el alcohol o el formaldehido, en una reacción de peroxidación (reacción de detoxificación en células hepáticas y del riñón): La acción de la catalasa es Catalasa aprovechada para detoxificar R’H2+H2O2 →2H2O+ R’ otras sustancias: ACOPLAMIENTO DE REACCIONES!!! -La catalasa convierte el exceso de H2O2 acumulado en agua Catalasa 2H2O2 →2H2O+O2 Ausencia de la enzima urato oxidasa en los peroxisomas humanos y de los primates: Mal de la gota debido a la acumulación de ácido úrico La uricasa es una enzima peroxisomal (en el hígado) de los primates, ausente en el hombre Uric acid oxidasa Eliminación lenta se acumula por la ausencia de esta oxidasa en los peroxisoma en los humanos (Soluble en aigua) Urato oxidasa= uricasa (gen NO FUNCIONAL en humanos y primates) Eliminación Ràpida El alcohol es toxico. Como nos deshacemos de el?  Alcohol detoxification: 3 vias implicadas  Alcohol Dehydrogenasa (ADH), citocromo P450 2E1 (CYP2E1),y catalasa contribuyen al metabolismo oxidativo del alcohol los peroxisomas intervienen en la detoxificacion Higado ALDH2 texto ALDH2: Aldehyde dehydrogenase 2 ALDH2 deficiency: the Asian Glow  2- β-oxidación de los ácidos grasos -En las células de mamífero, la β-oxidación de ácidos grasos corta (4-8C) y mediana cadena (8-12C) ocurre solo en la mitocondria. La β-oxidación de ácidos grasos de larga cadena (LCFA) que contienen entre 14-20 átomos de C ocurre en las mitocondrias y en los peroxisomas, mientras que en las levaduras y en las plantas, la β-oxidación ocurre solo en los peroxisomas. La degradación de los ácidos grasos ramificados (α oxidación) ocurre en los peroxisomas -Las primeras etapas de oxidación de los ácidos grasos de los VLCFA (ácidos grasos de cadena muy larga, contienen más de 20 átomos de C) o β-oxidación convierten los ácidos grasos en acetil CoA, y solo tienen lugar en los peroxisomas. Los peroxisomas tienen especificad para ácidos grasos de cadena más larga y a menudo no degradan totalmente la molécula, por lo que una posible función de este proceso sea el acortamiento de ácidos grasos de cadena larga hasta un punto en que la mitocondria pueda completar su β-oxidación. La oxidación de los ácidos grasos en los peroxisomas, a diferencia de las mitocondrias, no genera ATP. La energía producida en los peroxisomas por la oxidación de los ácidos grasos se transforma en calor. la b-oxidacion siempre acaba en la mitocondria La β-oxidación acorta los ácidos grasos secuencialmente en bloques de dos átomos de carbono a la vez, convirtiéndolos así en acetil CoA. Los peroxisomas luego exportan el acetil CoA al citosol para su uso en reacciones biosintéticas.  β-oxidación de los ácidos grasos en la mitocondria y en los peroxisomas 4 recciones que ocrurren tanto en la mitocondria y en los peroxisomas el acetil coA de los peroxisomas se va al citosol para la biosintesis de lipidos Peroxisomes detoxify various molecules and break down fatty acids to produce acetyl groups for biosynthesis. The energy released during peroxisomal oxidation is converted into heat, and the acetyl groups are transported into the cytosol, where they are used in the synthesis of cholesterol and other metabolites.Transportadores de la familia ABC (ATP binding cassette transporters): PMP70 y ALDP (ABCD1 gene) transportan los ácidos grasos en los peroxisomas Adrenoleukodystrophy protein (ALDP/ABCD1): PMP70: peroxisomal transmembrane protein de 70 kDa ATP-binding cassette (ABC) transporter. ATP-binding cassette (ABC) transporter. ALDP transporta los a.g muy PMP70 largos PMP70 transporta los a.g largos, ramificados y los acidos biliares Síntesis del Plasmalogeno  PMP70 és un transportador de acidos grasos (acyl-CoA) de larga cadena y cadena ramificada. Requiere ATP. La 70-kDa peroxisomal membrane protein (PMP70) es uno de los componentes mas abundantes de la membrana del peroxisoma.  ALDP es el transportador de los VLCFA (ácidos grasos de cadena muy larga o AGCML)  3. Síntesis de plasmalógeno en el peroxisoma Los plasmalógenos son una familia de fosfolípidos (son fosfoglicéridos especiales que contienen un alcohol graso) que se llaman “etherophospholipids”en los que una de las cadenas hidrocarbonadas está unida al glicerol por un enlace de tipo eter Enlace Eter: R-O-R` Los enzimas responsables de la formación del enlace eter son exclusivamente del peroxisoma. Componentes importantes de la membrana en algunos tipos celulares (corazón y cerebro), aunque están ausentes en otros. Muy abundantes en las membranas que forman las vainas de mielina que aíslan los axones de las células nerviosas (80-90 % de los fosfolípidos). Las vainas de mielina son producidas por células gliales: (células de Schwann del SNP y oligodendrocitos del SNC) Entrada de proteínas a la matriz del peroxisoma para ir al peroxisoma, lleva un peptido señal en el C-terminal: PTS1 many proteins destined for peroxisomes have a signal sequence of three characteristic amino acids at their C- terminus.  Entrada de proteínas a la matriz del peroxisoma: proceso dependiente de ATP, que difiere a nivel de mecanismo del transporte hacia mitocondria y cloroplasto Dos tipos de secuencia señal las dirigen al peroxisoma. PTS=peroxisome targeting sequence N *PTS1 * C Peroxisome * Ser‐Lys‐Leu import signal pueden entrar plegada N * * PTS2 ******** C Las proteínas citosólicas (la mayoría son enzimas) destinadas al peroxisoma llevan una secuencia señal que se encarga de dirigir estas proteínas al peroxisoma, conocida como PTS1 (secuencia corta de 3 aminoácidos Serina- Lisina-Leucina o SKL presente cerca del extremo carboxilo de la proteína). Pocas proteínas, llevan en su extremo N terminal una secuencia PTS2 (secuencia corta de 9 aminoácidos que se encuentra en el extremo amino) que es reconocida por las peroxinas en la membrana del peroxisoma. Las peroxinas pueden ser solubles como Pex5 o en la membrana (Pex14, pex 10, pex2..), reconocen e incorporan las proteínas desde el citosol, hacia interior del orgánulo o en su membrana y son también importantes durante el crecimiento y la división de estos orgánulos. Pex10, Pex12 y Pex2 forman el sistema de translocación el peptido señal no se quita  Entrada de proteínas a la matriz del peroxisoma Al contrario que otros orgánulos, donde las proteínas se deben incorporar de manera desplegada (a diferencia del RE, mitocondria y cloroplasto), en los peroxisomas, éstas pueden entrar plegadas, incluso agregadas. La incorporación de estas moléculas desde el citosol hace que los peroxisomas maduren y crezcan. Ejemplo: la catalasa, es una proteína oligomérica de 4 subunidades, y cada subunidad lleva átomo de hierro, cada una de ellas contiene una secuencia señal tipo PTS1 en C-terminal (PTS1- Pex5-Pex14). La molécula de catalasa es reconocida por un receptor de PTS1 (Pex5). Pex5, a su vez, es reconocido por el receptor Pex14. Pex 5 vuelve a salir hacia el citosol (reciclada). Los sistemas que translocan proteínas al interior del peroxisoma pueden translocar proteínas plegadas a través de la membrana del peroxisoma. Contrariamente a lo que pasa en a las secuencias de direccionamiento en N- terminal en cloroplastos, mitocondrias y RE, las señales de direccionamiento (PTS1) no son procesadas después de la translocación  Peroxisomas: biogénesis Como se explica que los peroxisomas tengan proteínas que procedan del R.E? aprox 500 p. /célula hepatocito Los peroxisomas tienen su origen en vesículas que se desprenden del RE, estas constituyen formas precursoras que deberán incorporar nuevas proteínas, sintetizadas en ribosomas libres del citosol para convertirse en peroxisomas maduros. Por tanto, dada su procedencia, algunas proteínas del peroxisoma tienen su origen en el RE y otras (la mayoría) se sintetizan en el citosol. En estas, una secuencia señal de peroxisoma se encargará de dirigirlas hasta el orgánulo.  Peroxisomas: biogénesis. Origen mixto La biogénesis o formación de nuevos peroxisomas en una célula se puede producir de dos formas: a) por crecimiento y división de los preexistentes, b) por generación a partir del retículo endoplasmático y de las mitocondrias, cuando no hay peroxisomas previos en la célula Figura 1. Esquema donde se muestra el ciclo de vida de los peroxisomas en una célula. 1) Cuando no hay peroxisomas en la célula, desde el retículo endoplasmático y desde la mitocondria se emiten vesículas que se fusionan y maduran a peroxisomas maduros. 2) 2) Por crecimiento y estrangulación. El crecimiento se produce por adición de lípidos desde el retículo por contactos físicos (no por vesículas). Desde el citosol llegan las proteínas, tanto internas como de membrana (modificado de Smith y Aitchison, 2013; Costello y Schrader, 2018).  “gost peroxisoma” - no pueden degradas acidos grasos - no sintesis de plasmalogeno - 2 pex 12 es necesaria para la entrada de catalasa pex 3 es esencial para la formación del peroxisoma  Modelo para explicar la biogénesis y división de los peroxisomas El peroxisoma utiliza unas vías diferentes para incorporar sus proteínas de membrana y las que van dirigidas a su matriz Pex 5 y Pex 7 receptores incorporación de proteína de citosólicos: primer paso de Peroxisoma madura cuya membrana de peroxisoma en la reconocimiento de proteínas división depende de Pex11 membrana precursor: mutación citosólicas para su incorporación Pex3: ausencia de peroxisomas a la matriz del peroxisoma Zellweger  Enfermedades del peroxisoma. Síndrome de Zellweger también llamado síndrome cerebro-hepato-renal Sindrome de Zellweger: mutaciones en genes en uno de los 13 genes PEX que codifican para los canales proteicos de translocación (autosomal recessive). Cualquier de estos mutantes es incapaz de incorporar proteínas de la matriz como la enzima catalasa. Sin embargo, estos peroxisomas vacíos presentan una membrana con las proteínas de membrana. Los pacientes con el síndrome de Zellweger presentan una acumulación de ácidos grasos de muy larga cadena (VLCFA) en sangre y tejidos, y son incapaces de sintetizar plasmalogenos y tienen defectos en la síntesis de ácidos biliares. fallo en los PEX Afectación del hígado, riñón y cerebro (neurohepatourinary syndrom) -Deformación facial, alteraciones de la visión. -ácidos grasos de cadena muy larga se acumulan en sangre y tejidos - vaina de mielina de las neuronas está afectada - Falta de tono muscular e incapacidad para moverse, trastornos neurológicos (convulsiones). -Acumulación de ácidos biliares anormales. - Características faciales inusuales, retraso mental, convulsiones e incapacidad para succionar y/o tragar, insuficiencia hepática - La muerte generalmente ocurre a los 6 meses de edad  Enfermedades del peroxisoma: mutación en el gen de ABCD1 o adrenoleucodistrofia: desorden neurológico y parálisis. X-linked Adrenoleucodistrofia (ALD): afecta más a los hombres La ALD una enfermedad genética que afecta el sistema nervioso (desmielinización de las células nerviosas del cerebro y de la medula espinal) y las glándulas adrenales. Estos VLCFA (los ácidos grasos de muy larga cadena) se acumulan en el cerebro y en las glándulas suprarrenales y son perjudiciales (para algunas células y órganos). Por razones que aún no han sido resueltas, el cerebro, la médula espinal, los testículos y las glándulas suprarrenales se ven afectados principalmente. : desorden neurológico y parálisis. ABCD1/ALDP: proteína de transporte del grupo de El gen Abcd1 codifica la proteína ALD que transportadores ABC (ATP binding cassette transporter) importa VLCFA al peroxisoma; las mutaciones conocida tambien como “Adrenoleukodystrophy en el gen provocan una acumulación de los protein”. VLCFA que destruyen la vaina de mielina e inducen la desmielinización de los nervios, lo que puede provocar trastornos cognitivos y del movimiento. Persons with the severe form of ADL are fallo en la entrada de acidos grasos unaffected until mid-childhood, when severe de cadena muy larga.por tanto no se pueden degradar y se acumulan en neurological disorders appear, followed by death zonas como los riñones y el cerebro within a few years. ❚ Fin