ΒΙΟΛΟΓΙΑ ΚΥΤΤΑΡΟΥ ΟΡΓΑΝΙΔΙΑ ΜΕΤΑΤΡΟΠΗΣ ΚΑΙ ΑΠΟΙΚΟΔΟΜΗΣΗΣ ΒΙΟΜΟΡΙΩΝ: Υπεροξυσώματα - Λυσοσώματα

Transcript

1 ΒΙΟΛΟΓΙΑ ΚΥΤΤΑΡΟΥ ΟΡΓΑΝΙΔΙΑ ΜΕΤΑΤΡΟΠΗΣ ΚΑΙ ΑΠΟΙΚΟΔΟΜΗΣΗΣ ΒΙΟΜΟΡΙΩΝ: Υπεροξυσώματα - Λυσοσώματα Μαριάννα Χ. Αντωνέλου, Ph.D. Λέκτορας Τμήματος Βιολογίας, Πανεπιστημίου Αθηνών 2014

2 YΠΕΡΟΞΥΣΩΜΑΤΑ Συμμετέχουν σε οξειδωτικές διαδικασίες μεταβολισμού ΛΥΣΟΣΩΜΑΤΑ Αποικοδόμηση βιομορίων

3 Α. Υπεροξυσώματα

4 Ανακαλύφθηκαν πρόσφατα Eισαγωγή Απαραίτητα Βρίσκονται παντού Μέσος χρόνος ζωής: 4-5 μέρες (ηπατικά) πλειομορφικά Λιγότερο κατανοητά ανάμεσα στα κλασσικά κυτταρικά οργανίδια Αίνιγμα: βιογένεση, διατήρηση, αποικοδόμηση (pexophagy), the fact that they can import large protein complexes Κατανόηση ρόλου σε: 1) διατήρηση κυτταρικής ομοιόστασης και βιωσιμότητας 2) Διάφορες ασθένειες στον άνθρωπο Υ movement Υ movement-2 Υ (Ρ) σε στενή σχέση με χλωροπλάστες (C) και mit σε φυτικό κύτταρο

5 ΥΠΕΡΟΞΥΣΩΜΑΤΑ (Peroxisomes).. Γενικά Χαρακτηριστικά Ως Κυτταρικά Οργανίδια: Rhodin, 1954, κύτταρα νεφρού Porter & Caulfield, 1958, φυτικά κύτταρα De Duve: καθιέρωση του όρου Παραγωγή και διάσπαση τοξικού Η 2 Ο 2 (Περιέχουν Οξειδάση (Η 2 Ο 2 ) και Καταλάση (μία υπεροξειδάση) Αρχικός (και βασικός) ορισμός: Oργανίδια που περιέχουν τουλάχιστον μία οξειδάση και μία καταλάση για την παραγωγή και αποικοδόμηση H 2 O 2, αντίστοιχα

6 ΥΠΕΡΟΞΥΣΩΜΑΤΑ (Υπεροξειδιοσώματα) (Υ) (Peroxisomes microbodies) Κυρίως σφαιρικά (0.1 to 1 μm in diameter) Μονή λιπιδική διπλοστοιβάδα (μεμβράνη) Å πάχος με διαμεμβρανικά συστατικά Μatrix: ηλεκτρονιόπυκνο υλικό (Κρυσταλλική μορφή) ΟΥΡΙΚΗ ΟΞΕΙΔΑΣΗ ΚΑΤΑΛΑΣΗ Χωρίς DNA Eισαγωγή

7 ΥΠΕΡΟΞΥΣΩΜΑΤΑ (Peroxisomes).. Γενικά Χαρακτηριστικά

8 Απομόνωση και Ταυτοποίηση ΥΠΕΡΟΞΥΣΩΜΑΤΩΝ (Κλασμάτωση) Βιοχημικά Ιστο- Κυτταροχημικά (enz, DAB καταλάση) Ανοσο-ιστοχημικά Μορφολογικά Η/Μ Κυτοχρωμική Οξειδάση Καταλάση, Οξειδάση

9 Κυτταροχημική εντόπιση ΥΠΕΡΟΞΥΣΩΜΑΤΩΝ

10 Eισαγωγή COS 7 cell expressing an ER marker (red) and a peroxisomal marker (green). Bar = 10 microns. (Peter Kim)

11 Μεμβράνη Υ Υ-ΜΕΜΒΡΑΝΗ 1. peroxisomal membrane proteins (PMPs) (κυρίως μεταφορείς μεταβολιτών) 2. Peroxins 32 γνωστές (υπεροξίνες) Εμπλέκονται σε βιογένεση Υ, διαίρεση, μεταφορά πρωτεϊνών μεμβράνης και matrix Κωδικοποιούνται από PEX genes Ασθένειες Βιογένεσης Υπεροξυσωμάτων (Peroxisome biogenesis disorders (PBDs) ΠΑΘΗΤΙΚΗ ΜΕΤΑΦΟΡΑ ΕΝΕΡΓΗ ΜΕΤΑΦΟΡΑ ΜΟΡΙΩΝ ΚΑΙ ΙΟΝΤΩΝ?? ΕΙΣΑΓΩΓΗ ΠΡΩΤΕΙΝΩΝ ΜΕ ΚΑΤΑΝΑΛΩΣΗ ΕΝΕΡΓΕΙΑΣ (ΑΤΡ) ΥΠΟΔΟΧΕΙΣ/ΜΕΤΑΦΟΡΕΙΣ ΑΤΡ-άση Mg

12 Λειτουργίες Smith and Aitchison, Νature Reviews, Molecular Cell Biology 14:803, Dec 2013 most notable and highly conserved

13 Γλυοξυσώματα (glyoxysomes) φυτών και μυκήτων Γλυκοσώματα (glycosomes): trypanosomes Woronin-bodies, filamentous fungi Υπεροξυσώματα (peroxisomes) Φύλλα Ανώτερων Φυτών:Οξείδωση υποστρωμάτων, Διάσπαση Η 2 Ο 2, Φωτοαναπνοή OIKOΓΕΝΕΙΑ ΥΠΕΡΟΞΥΣΩΜΑΤΩΝ Overview of peroxisome functions in different organisms and tissues. Peroxisomes display a great variety in metabolic pathways as defined by their respective enzymatic content. Most eukaryotes share peroxisomal enzymes for fatty-acyl-coa metabolism (α- and β-oxidation) and detoxification of hydrogen peroxide by catalase.

14 Ποικιλότητα Υ μαστιγοφόρα πρωτόζωα Leishmania (Λεϊσμανίαση) and Trypanosoma spp, Ασθένεια του Ύπνου) Γλυκοσώματα Έχουν τους ίδιους μηχανισμούς βιογένεσης και πρωτεϊνικής στόχευσης ΔΕΝ περιέχουν καταλάση περιέχουν γλυκολυτικά ένζυμα ΠΑΡΟΥΣΙΑ Ο 2 (αερόβιες συνθήκες) Παραγωγή ΑΤΡ (μαζί με το ΜΙΤΟΧΟΝΔΡΙΟ) ΑΠΟΥΣΙΑ Ο 2 (αναερόβιες συνθήκες) Παραγωγή ΑΤΡ: ΑΠΟΚΛΕΙΣΤΙΚΗ κάλυψη ενεργειακών αναγκών κυττάρου από γλυκόσωμα Electron micrograph of Trypansoma brucei

15 ΥΔΡΟΓΟΝΟΣΩΜΑΤΑ Πρωτόζωα γένους Trichomonas με Ένζυμα για ΟΞΕΙΔΩΣΗ ΠΥΡΟΣΤΑΦΥΛΙΚΟΥ ΟΞΕΟΣ πυροσταφυλικό οξύ οξικό οξύ + CO 2 + ΑΤΡ Παρουσία Ο 2 Μεταφορά απελευθερωμένων e - (μέσω φερεδοξίνης) στο Ο 2 : σχηματισμός Η 2 Ο Απουσία Ο 2 (αναερόβιες συνθήκες) Μεταφορά απελευθερωμένων e - στο Η + : σχηματισμός μοριακού Η 2

16 Ποικιλότητα Υ ΜΙΚΡΟ-ΥΠΕΡΟΞΥΣΩΜΑΤΑ μικρότερα οργανίδια Ένζυμα Διάσπασης Η 2 Ο 2 Μεταβολισμός Μεταφορά / Αποθήκευση Λιπιδίων

17 Ποικιλότητα Υ Γλυοξυσώματα Φυτά και filamentous fungi ένζυμα β-oxidation, σύνθεσης και αποικοδόμησης H2O2 αλλά και ένζυμα του ΓΛΥΟΞΥΛΙΚΟΥ ΚΥΚΛΟΥ Woronin bodies Εξειδικευμένα Υ των filamentous fungi Εμπλέκονται σε διατήρηση κυτταρικής ακεραιότητας (επούλωση πληγών) Woronin bodies in a septum of Fusarium oxysporum. (Wergin, W.P Protoplasma 76: Â Springer-Verlag).

18 Ποικιλότητα λειτουργιών Σε ανώτερους ευκαρυωτικούς οργανισμούς Διαφορετικές, ποικίλουσες και σύμπλοκες λειτουργικότητες Γενετικές ασθένειες Σύνθεση πλασμαλογόνων:εμπλουτισμένα στο νευρικό, ανοσοποιητικό και καρδιαγγειακό σύστημα. Εμπλέκονται σε σηματοδότηση και προστασία κυττάρων από ROS Πλατφόρμες σηματοδότησης σε κύτταρα θηλαστικών: Σε περιπτώσεις μόλυνσης από ιούς η πρωτεΐνη-προσαρμοστής MAVS (mitochondrial antiviral signalling) επάγει την έκφραση αντι-ιικών παραγόντων βραχυπρόθεσμης άμυνας Η MAVS μεσολαβεί την ενεργοποίηση ενός σηματοδοτικού μονοπατιού που ενισχύει και σταθεροποιεί την αντι-ιική απόκριση Smith and Aitchison, Νature Reviews, Molecular Cell Biology 14:803, Dec 2013

19 Ποικιλία βιοχημικών λειτουργιών Λειτουργίες biosynthesis of plasmalogens Οξείδωση αλκοολών catabolism of purines and polyamines metabolism of prostaglandins photorespiration in plants (Παραγωγή αμινοξέων) Penicillin synthesis in fungi Μεταβολικές λειτουργίες (cyt, mit) (οξειδωτικές διαδικασίες μεταβολισμού, β-οξείδωση λιπαρών οξέων) Προστατευτικός Μηχανισμός έναντι: H 2 O 2 Επικίνδυνοι μεταβολίτες

20 Λειτουργίες Μεταβολισμός: οξειδώσεις Αποτοξίνωση Peroxisomes carry out various oxidative reactions Χρησιμοποιούν σημαντικές ποσότητες Ο2

21 εκατομμύρια χρόνια πριν Λειτουργίες Γήινη ατμόσφαιρα: συσσώρευε τεράστια ποσά Ο 2 λόγω της δράσης των φωτοσυνθετικών βακτηρίων. Τα Υ τότε: πρωταρχικώς υπεύθυνα για την αποτοξίνωση των κυττάρων μειώνοντας τα επίπεδα του Ο 2 στα κύτταρα Eξελικτικά: στους πρώτους αερόβιους ευκαρυωτικούς οργανισμούς, το Υ ήταν η βασική θέση διεξαγωγής των αναπνευστικών αντιδράσεων Όταν αργότερα επεκράτησε η αερόβια ανάπτυξη: ο ρόλος πέρασε στα μιτοχόνδρια

22 Ασθένειες (Ασθένειες βιογένεσης Υ, peroxisomal biogenesis disorders) (Απουσία/Ανεπάρκεια Υ) Σύνδρομο Zellweger Νεογνική Αδρενο-λευκοδυστροφία (Neonatal Adrenoleucodystrophy) Infantile Refsum's disease Μεταλλαγές: 1. σε ένα ένζυμο Υ 2. σε πρωτεΐνες που εμπλέκονται στη συγκρότηση των Υ

23 ΥΠΕΡΟΞΥΣΩΜΑΤΑ.... ΠΛΗΘΟΣ ΚΑΙ ΤΟΠΟΛΟΓΙΑ οργανίδια / κύτταρο (Ηπατοκύτταρα) Τοπολογία: κοντά σε μεμβράνες Σχέση με Μεμβρανικό Δίκτυο «ΥΠΕΡΟΞΥΣΩΜΙΚΟ ΔΙΚΤΥΟ» (σύνδεση Υ με μεμβρανική σύντηξη)

24 Λειτουργίες ΕΤΕΡΟΓΕΝΗ ΟΡΓΑΝΙΔΙΑ με διαφορετικές λειτουργίες στους διάφορους οργανισμούς Ποικιλία Ενζύμων με δράση σε διάφορες Μεταβολικές Οδούς ΟΞΕΙΔΑΣΕΣ & ΚΑΤΑΛΑΣΗ Η 2 Ο 2 ΕΝΖΥΜΑ ΓΛΥΟΞΥΛΙΚΟΥ ΚΥΚΛΟΥ ΟΞΕΙΔΑΣΗ ακυλο-coa ΚΛΠ Οξειδωτική διάσπαση λιπαρών οξέων ΑΛΚΟΟΛΙΚΗ ΟΞΕΙΔΑΣΗ Μεταβολισμός αλκοόλης ΕΝΖΥΜΑ ΓΛΥΚΟΛΙΚΟΥ ΚΥΚΛΟΥ (φυτά) ΜΕΤΑΒΟΛΙΣΜΟΣ ΠΟΥΡΙΝΩΝ

25 Μεταβολισμός Η 2 Ο 2 Λειτουργίες ΦΛΑΒΙΝΟ-ΟΞΕΙΔΑΣΕΣ & ΚΑΤΑΛΑΣΗ Η 2 Ο 2 οξειδώσεις Οξειδάση RH 2 + O 2 R + H 2 O 2 10% κατανάλωση Ο 2 στα ηπατικά κύτταρα απορροφάται από ΥΠΕΡΟΞΥΣΩΜΑΤΑ Τα Υ έχουν όλα τα ένζυμα για το σχηματισμό και την αποικοδόμηση του Η 2 Ο 2 R: Υδρογονάνθρακας οξειδώσεις H 2 O 2 + RH 2 Καταλάση Καταλάση H 2 O 2 H 2 O + ½O 2 2Η 2 Ο + R Άμεση διάσπαση του τοξικού μορίου Η2Ο2 Η 2 Ο 2 : οξείδωση βιομορίων διάσπαση από καταλάση ΚΑΤΑΛΑΣΗ: 33% σε υπεροξυσώματα ηπατοκυττάρων Το Η 2 Ο 2 είναι τοξικό προϊόν του μεταβολισμού-η τοξικότητά του σχετίζεται άμεσα με την παραγωγή ελεύθερων ριζών

26 ΚΑΤΑΛΑΣΗ Μεταβολισμός Η 2 Ο 2 Λειτουργίες 3 τύποι: Α (Υπεροξυσωμάτων: kda) Τ (Κυτοσολίου: kda) Μ (Μιτοχονδρίων: 240 kda) ΚΑΤΑΛΑΣΗ Α 4 Πολυπεπτιδικές Αλυσίδες 4 Μόρια Αίμης (1 μόριο αίμης / αλυσίδα) Κυτταροπλασματική Σύνθεση Ελεύθερα Ριβοσώματα Αυτοσυγκρότηση Τετραμερούς Ενζύμου: Σύνδεση Μονομερών (χωρίς Αίμη ΑΠΟΚΑΤΑΛΑΣΗ) με Αίμη

27 Μεταβολισμός Η 2 Ο 2 Βιογένεση Υ ΔΙΑΛΟΓΗ ΚΑΙ ΣΤΟΧΕΥΣΗ ΚΑΤΑΛΑΣΗΣ ΣΤΟ ΥΠΕΡΟΞΥΣΩΜΑ Κυτοσολικός Υποδοχέας PT-S1R (Pex5p) Αναγνώριση & Δέσμευση ΚΑΤΑΛΑΣΗΣ σύνδεση με την KANL αλληλουχία (COOH-άκρο ΚΑΤΑΛΑΣΗΣ) Στόχευση ΚΑΤΑΛΑΣΗΣ στο ΥΠΕΡΟΞΥΣΩΜΑ (& μηχανισμός ΕΙΣΟΔΟΥ) μέσω ειδικών μεμβρανικών υποδοχέων (Pex14p) οργανιδίου

28 Μεταβολισμός Η 2 Ο 2 Βιογένεση Υ ΔΙΑΛΟΓΗ ΚΑΙ ΣΤΟΧΕΥΣΗ ΚΑΤΑΛΑΣΗΣ ΣΤΟ ΥΠΕΡΟΞΥΣΩΜΑ

29 Βιογένεση Υ τα Υ έχουν την ικανότητα να εισάγουν διπλωμένες πρωτεΐνες ή ακόμα και ολιγομερή πρωτεϊνών Πώς???? 1. η Υ μεμβράνη δεν είναι διαπερατή παρά μόνο σε μικρούς μεταβολίτες. 2. Υδάτινος πόρος την Υ-μεμβράνη? δεν έχει βρεθεί ακόμα κάποια δομή πόρου Αρκετές θεωρίες: transient import structures (transient pore hypothesis, membrane invagination model κλπ) Οι μεμβρανικοί υποδοχείς εισαγωγής πρωτεϊνών φαίνεται να παίζουν σημαντικό ρόλο στο σχηματισμό του Rucktäschel et al., Biochimica et Biophysica Acta 1808: , 2011) Erdmann, R. & Schliebs, W. Peroxisomal matrix protein import: the transient pore model. Nature Rev. Mol. Cell Biol. 6, (2005).

30 Βιογένεση Υ Γιατί???? 1. ενδέχεται να βελτιώνει την αποδοτικότητα της εισαγωγής εξασφαλίζοντας την εγγύτητα πολλών υποδοχέων οι οποίοι μπορούν να σχηματίσουν ένα κανάλι μεταφοράς στην Υ μεμβράνη 2. είναι ίσως σημαντικός για πρωτεΐνες οι οποίες δεν μπορούν να διπλωθούν σωστά στο matrix των Υ Smith and Aitchison, Νature Reviews, Molecular Cell Biology 14:803, Dec 2013

31 Λειτουργίες ΑΛΛΕΣ ΟΞΕΙΔΑΣΕΣ ΥΠΕΡΟΞΥΣΩΜΑΤΩΝ (οξειδώνουν τα αντίστοιχα βιομόρια) ΠΟΛΥ-ΑΜΙΝΟ-ΟΞΕΙΔΑΣΗ α-υδροξυ-οξινη ΟΞΕΙΔΑΣΗ ΑΚΥΛΟ-CoA ΟΞΕΙΔΑΣΗ D-ΑΜΙΝΟΞΙΚΗ ΟΞΕΙΔΑΣΗ ΣΥΜΜΕΤΟΧΗ ΥΠΕΡΟΞΥΣΩΜΑΤΩΝ ΗΠΑΤΟΣ ΣΕ: Βιοσύνθεση ΧΟΛΗΣΤΕΡΟΛΗΣ Βιοσύνθεση ΧΟΛΙΚΩΝ ΟΞΕΩΝ Βιοσύνθεση ΠΛΑΣΜΑΛΟΓΟΝΩΝ (Φωσφολιπίδια εγκεφαλικού ιστού / μυός)

32 β-οξειδωση ΛΙΠΑΡΩΝ ΟΞΕΩΝ (25-50% οξειδωτικής διάσπασης λ.ο. στα Υ (mit)) Η πλειονότητα των Υ αποικοδομεί τα λιπαρά οξέα, ιδιαίτερα αυτά που έχουν μακριά αλυσίδα ENΕΡΓΕΙΑ: Ελευθερώνεται ως ΘΕΡΜΟΤΗΤΑ ΟΞΕΙΔΑΣΗ ΑΚΥΛΟ-CoA ΘΕΡΜΟΓΕΝΕΣΗ Λειτουργίες

33 β-οξειδωση ΛΙΠΑΡΩΝ ΟΞΕΩΝ Λειτουργίες β-οξειδωση ΛΙΠΑΡΩΝ ΟΞΕΩΝ (οξειδωτική διάσπαση) Παραγωγή Ακετυλο-CoA Κύκλος Krebs Παραγωγή Η 2 Ο 2 Παραγωγή ΘΕΡΜΟΤΗΤΑΣ (ΘΕΡΜΟΓΕΝΕΣΗ) Έκθεση αρουραίων σε ΨΥΧΟΣ Αύξηση Οξείδωσης Λιπαρών Οξέων στο ΛΙΠΩΔΗ ΙΣΤΟ Ανάπτυξη / Βιογένεση ΥΠΕΡΟΞΥΣΩΜΑΤΩΝ

34 ΛΙΠΑΡΑ ΟΞΕΑ Κύρια Πηγή Ενέργειας Ζωικών Κυττάρων Λειτουργίες β-οξειδωση =Αποικοδόμηση/Διαδοχική ΑΠΟΚΟΠΗ ΑΚΕΤΥΛΟΜΑΔΩΝ Lazarow & de Duve: ΥΠΕΡΟΞΥΣΩΜΑΤΑ & ΜΙΤΟΧΟΝΔΡΙΑ Λιπαρά Οξέα Άκυλο-συνένζυμο Α* (Άκυλο-CoA Συνθετάση των Υ) ΜΕ ΑΛΕΙΦΑΤΙΚΕΣ ΑΛΥΣΙΔΕΣ ΕΝΔΙΑΜΕΣΟΥ ΜΗΚΟΥΣ (10 20 C) Εστεροποίηση με CoA στο Κυτταρόπλασμα Διαδοχική Μεταφορά στο Υ διαμέσου Διαμεμβρανικών Υποδοχέων ΜΕ ΜΑΚΡΙΕΣ ΑΛΕΙΦΑΤΙΚΕΣ ΑΛΥΣΙΔΕΣ Αρχική ΕΙΣΟΔΟΣ στο ΥΠΕΡΟΞΥΣΩΜΑ Ένωση με CoA εντός ΥΠΕΡΟΞΥΣΩΜΑΤΟΣ (Υ) Ειδική Άκυλο-CoA Συνθετάση (Υ) για ΜΑΚΡΙΕΣ ΑΛΥΣΙΔΕΣ

35 ΛΙΠΑΡΑ ΟΞΕΑ Λειτουργίες ΟΞΕΙΔΩΤΙΚΟΣ ΚΥΚΛΟΣ ΥΠΕΡΟΞΥΣΩΜΑΤΟΣ: Διαφορετικά ένζυμα από εκείνα μιτοχονδρίων (πχ. εξειδικευμένη ακυλο- CoA συνθετάση για αναγνώριση επιμηκυμένων αλειφατικών αλυσίδων λιπαρών οξέων C>8) Χρησιμοποιείται παράλληλα και κυρίως για αποικοδόμηση VLCFAs (> 20 C) (δεν οξειδώνονται στα Mit) Προετοιμασία μορίων (ελάττωση αριθμού ατόμων C) για διάσπαση στα Μιτοχόνδρια Μεταφορά μορίων από Υ Mit με ΔΙΑΧΥΣΗ (ΓΕΙΤΝΙΑΣΗ ΟΡΓΑΝΙΔΙΩΝ)

36 ΟΡΜΟΝΙΚΗ ΡΥΘΜΙΣΗ ΟΞΕΙΔΩΣΗΣ ΛΙΠΑΡΩΝ ΟΞΕΩΝ ΣΤΑ Υ???? Λειτουργίες Κύκλος Krebs Δυσλειτουργία β-οξείδωσης Λιπαρών Οξέων στα ΥΠΕΡΟΞΥΣΩΜΑΤΑ: Μιτοχόνδριο Συσσώρευση Λιπαρών Οξέων Μακριών Αλειφατικών Αλυσίδων Ανεπάρκεια λειτουργίας κυττάρων Υ Γλυοξυλικός Κύκλος

37 ΑΛΚΟΟΛΙΚΗ ΟΞΕΙΔΑΣΗ ΜΕΤΑΒΟΛΙΣΜΟΣ ΑΛΚΟΟΛΗΣ, ΑΠΟΤΟΞΙΝΩΣΗ Τα Υ των ηπατικών και νεφρικών κυττάρων είναι σημαντικοί τόποι αποτοξίνωσης MetOH, αλκοόλης, φαινολών κλπ Κύτταρα Μαγιάς σε ΥΠΟΣΤΡΩΜΑ ΜΕΘΑΝΟΛΗΣ Υπερτροφικά Υ με ΑΛΚΟΟΛΙΚΕΣ ΟΞΕΙΔΑΣΕΣ (οξείδωση αλκοόλης) ΚΑΤΑΛΑΣΗ (διάσπαση Η 2 Ο 2 που παράγεται από την οξείδωση) Ρόλος: Αποικοδόμηση ΑΛΚΟΟΛΗΣ Ρόλος Υ σε ΜΕΤΑΒΟΛΙΣΜΟ ΑΛΚΟΟΛΗΣ Σακχαρομύκητας (!) αύξηση #Υ (αλκοολική οξειδάση και καταλάση) Παραγωγή Φορμαλδεΰδης Μεταβολισμός φορμαλδεϋδης για παραγωγή ΑΤΡ Λειτουργίες

38 ΑΛΚΟΟΛΙΚΗ ΟΞΕΙΔΑΣΗ ΜΕΤΑΒΟΛΙΣΜΟΣ ΑΛΚΟΟΛΗΣ, ΑΠΟΤΟΞΙΝΩΣΗ Οι τοξικές ενώσεις αδρανοποιούνται υφιστάμενες οξείδωση από την ΚΑΤΑΛΑΣΗ Η 2 Ο + 1/2Ο 2 Καταλάση οξείδωση αλκοόλης CH 3 OH + O 2 HCHO + H 2 O 2 Διάσπαση Η 2 Ο 2 CH 3 OH + H 2 O 2 Μεθυλική Οξειδάση Καταλάση HCHO + 2H 2 O ΥΠΕΡΟΞΥΣΩΜΑ 2HCHO + 2NAD + O 2 Αφυδρογονάση Φορμαλδεΰδης 2CO 2 + 2NADH ΚΥΤΤΑΡΟΠΛΑΣΜΑ NADH + ADP + Pi NADH Αφυδρογονάση ATPάση NAD + ATP ΜΙΤΟΧΟΝΔΡΙΟ

39 ΑΛΚΟΟΛΙΚΗ ΟΞΕΙΔΑΣΗ ΜΕΤΑΒΟΛΙΣΜΟΣ ΑΛΚΟΟΛΗΣ, ΑΠΟΤΟΞΙΝΩΣΗ Το περιεχόμενο αυτών των Υ του σακχαρομύκητα έχει κρυσταλλική δομή λόγω της αλκοολικής οξειδάσης Τα μόρια της καταλάσης μπορούν να κινούνται ελεύθερα μέσα σε αυτό το πλέγμα

40 Λειτουργίες Υ

41 ΑΛΚΟΟΛΙΚΗ ΟΞΕΙΔΑΣΗ ΜΕΤΑΒΟΛΙΣΜΟΣ ΑΛΚΟΟΛΗΣ, ΑΠΟΤΟΞΙΝΩΣΗ Λειτουργίες Υ Πείραμα: ΧΡΗΣΗ ΟΙΝΟΠΝΕΥΜΑΤΟΣ σε πειραματόζωα: Αυξημένη παρουσία ΥΠΕΡΟΞΥΣΩΜΑΤΩΝ στα κύτταρα μυοκαρδίου ΑΜΙΝΟΤΡΙΑΖΟΛΗ: Αναστολέας ΚΑΤΑΛΑΣΗΣ: Καρδιακές Διαταραχές Υ σε ΗΠΑΤΟΚΥΤΤΑΡΑ: Αποτοξίνωση 50% ποσότητας αλκοόλης στο αίμα

42 ΑΛΚΟΟΛΙΚΗ ΟΞΕΙΔΑΣΗ ΜΕΤΑΒΟΛΙΣΜΟΣ ΑΛΚΟΟΛΗΣ, ΑΠΟΤΟΞΙΝΩΣΗ Τα κύτταρα «εξοπλίζουν» τα Υ με διαφορετικά ένζυμα ανάλογα με τις ανάγκες τους Πείραμα: Καλλιέργεια ΚΥΤΤΑΡΩΝ ΜΑΓΙΑΣ παρουσία ΑΖΩΤΟΥΧΩΝ ΟΥΣΙΩΝ Ανάπτυξη ΥΠΕΡΟΞΥΣΩΜΑΤΩΝ με ΑΜΙΝΟ-ΟΞΕΙΔΑΣΗ (αντί ΑΛΚΟΟΛΙΚΗ ΟΞΕΙΔΑΣΗ) & ΚΑΤΑΛΑΣΗ

43 Γλυοξυσώματα Ποικιλότητα Υ Φυτά και filamentous fungi περιέχουν ένζυμα β-oxidation, σύνθεσης και αποικοδόμησης H 2 O 2 αλλά και σημαντικά ένζυμα του ΓΛΥΟΞΥΛΙΚΟΥ ΚΥΚΛΟΥ (λίπη σε σάκχαρα, σε συνδυασμό με τα mit) συνυπάρχουν στα φυτά με τα κλασσικά Υ Περιέχουν και αυτά κρυσταλλικά έγκλειστα

44 ΓΛΥ(Κ)ΟΞΥΣΩΜΑΤΑ= εξειδικευμένα Υ Λειτουργίες Υ Φυτικοί Ιστοί (ιδιαίτερα σε σπόρους φυτών, ενδοσπέρμιο, κοτυληδόνες που αποταμιεύουν λίπη) Ενδοκάρπιο Βλαστάνοντα Σπέρματα Μετατροπή Λιπιδίων σε Υδατάνθρακες Ένζυμα Μαλεϊκή Συνθετάση Ισοκιτρική Λυάση Οξειδάση Παραγωγή Η 2 Ο 2 : COOH.CH 2 OH + O 2 COOH.CHO + H 2 O 2 (Γλυκολικό) Οξειδάση (Γλυοξυλικό)

45 ΓΛΥ(Κ)ΟΞΥΣΩΜΑΤΑ= εξειδικευμένα Υ Λειτουργίες Υ β-οξείδωση λιπαρών οξέων + Κύκλος γλυοξυλικού οξέος υδρόλυση Τριγλυκερίδια Λιπαρά οξέα Παραγωγή σακχάρων: γλυκονεογένεση Είσοδος λιπαρών οξέων σε Γλυοξυσώματα β-οξείδωση Λιπαρά οξέα ακέτυλο CoA Κύκλος γλυοξυλικού οξέος ακέτυλο CoA ηλεκτρικό οξύ produce intermediate products for the synthesis of sugars Μεταφορά ηλεκτρικού οξέος σε Mit Κύκλος Krebs Ηλεκτρικό οξύ οξαλοξικό οξύ To οξαλοξικό οξύ δια του φωσφοενολοπυροσταφυλικού οξέος παράγει σάκχαρα στο κυτταρόπλασμα

46 ΓΛΥΟΞΥΛΙΚΟΣ ΚΥΚΛΟΣ (ΓΚ): Λειτουργίες Υ Δευτερεύουσα Μεταβολική οδός ευκαρυωτικών κυττάρων Χρήση ποικιλίας καυσίμων για ΑΝΑΠΤΥΞΗ & ΑΝΑΠΑΡΑΓΩΓΗ Kornberg & Krebs, 1957 ΚΥΚΛΟΣ Krebs: Οξείδωση Ακετυλο-CoA σε 2 μόρια CO 2 ΓΛΥΟΞΥΛΙΚΟΣ ΚΥΚΛΟΣ: Συμπύκνωση 2 μορίων Ακετυλο-CoA σε ΗΛΕΚΤΡΙΚΟ ΟΞΥ ΕΝΖΥΜΑ ΓΛΥΟΞΥΛΙΚΟΥ ΚΥΚΛΟΥ Κιτρική Συνθετάση Ακονιτάση Μαλεϊκή Αφυδρογονάση Μαλεϊκή Συνθετάση Ισοκιτρική Λυάση Κοινά Ένζυμα Κύκλου Krebs (Μιτοχόνδριο) Αποκλειστικά Ένζυμα ΓΚ (Υ)

47 ΓΛΥΟΞΥΛΙΚΟΣ ΚΥΚΛΟΣ (ΓΚ): Λειτουργίες Υ 2x Κιτρική Συνθετάση Ακονιτάση Μαλεϊκή Αφυδρογονάση Μαλεϊκή Συνθετάση Ισοκιτρική Λυάση

48 ΓΛΥΟΞΥΛΙΚΟΣ ΚΥΚΛΟΣ (ΓΚ): Λειτουργίες Υ Σπάνια ολοκληρώνεται εντός του γλυκοξυσώματος το οποίο διαθέτει κάποια κι όχι όλα τα ένζυμα του ΓΚ succinate dehydrogenase, fumerase, and malate dehydrogenase are absent glyoxysomes must cooperate with mitochondria to run their cycle. Συμβαίνει και σε ανώτερους ΖΩΙΚΟΥΣ οργανισμούς Σε ορισμένους ιστούς σε συγκεκριμένη αναπτυξιακή φάση διαμέσου ΓΚ των Υ: ΓΛΥΚΟΝΕΟΓΕΝΕΣΗ (Βιοσύνθεση ΓΛΥΚΟΖΗΣ / ΓΛΥΚΟΓΟΝΟΥ) (Έμβρυο Όρνιθας, Ήπαρ Ινδικού Χοιριδίου κλπ)

49 ΛΕΙΤΟΥΡΓΙΚΗ ΣΧΕΣΗ ΓΛΥΟΞΥΛΙΚΟΥ ΚΥΚΛΟΥ ΚΑΙ ΚΥΚΛΟΥ KREBS Λειτουργίες Υ

50 Λειτουργίες Υ ΦΩΤΟΑΝΑΠΝΟΗ ΓΛΥΚΟΛΙΚΟΣ ΚΥΚΛΟΣ Θέσεις ΦΩΤΟΑΝΑΠΝΟΗΣ στα φυτά Φυτικά κύτταρα (Εντός του ΧΛΩΡΟΠΛΑΣΤΗ) Επαγωγή από ΦΩΣ Παραγωγή ΓΛΥΚΟΛΙΚΟΥ ΟΞΕΟΣ σε χλωροπλάστες Διαφορετική από τη συνήθη ΑΝΑΠΝΟΗ: Πρόσληψη Ο 2 Αποβολή CO 2 Απουσία παραγωγής ΑΤΡ

51 ΦΩΤΟΑΝΑΠΝΟΗ ΓΛΥΚΟΛΙΚΟΣ ΚΥΚΛΟΣ Υ: μεταβολισμός γλυκολικού οξέος Μεταφορά γλυκολικού οξέος στο ΥΠΕΡΟΞΥΣΩΜΑ οξειδάση Γλουταμινική-γλυοξυλική αμινοτρανσφεράση

52 Λειτουργίες Υ

53 Λειτουργίες Υ ΦΩΤΟΑΝΑΠΝΟΗ ΓΛΥΚΟΛΙΚΟΣ ΚΥΚΛΟΣ ΤΟΠΟΛΟΓΙΚΗ ΓΕΙΤΝΙΑΣΗ ΧΛΩΡΟΠΛΑΣΤΗ ΥΠΕΡΟΞΥΣΩΜΑΤΟΣ ΜΙΤΟΧΟΝΔΡΙΟΥ Η γειτνίαση επιβεβαιώνει τη λειτουργική τους σχέση και αλληλεπίδραση

54 Λειτουργίες Υ ΜΕΤΑΒΟΛΙΣΜΟΣ (ΑΠΟΙΚΟΔΟΜΗΣΗ) ΠΟΥΡΙΝΩΝ ΑΔΕΝΟΣΙΝΗΣ ΚΑΙ ΓΟΥΑΝΙΝΗΣ ΟΥΡΙΚΗ ΟΞΕΙΔΑΣΗ

55 ΒΙΟΓΕΝΕΣΗ ΥΠΕΡΟΞΥΣΩΜΑΤΩΝ Βιογένεση Υ οι πρωτεΐνες των Υ εισάγονται από το cyt Πρωτεΐνες Υ για: 1. Χυμό Υ (peroxisomal matrix, ένζυμα) 2. Μεμβράνη Υ 1. Εισαγωγή ενζύμων στο Υ (matrix proteins) Σύνθεση Υ-ενζύμων: στο cyt 20min Μετα-ΜΦΡ εισαγωγή στο αναπτυσσόμενο Υ Αναγνώριση από κυτοσολικούς υποδοχείς Στόχευση συμπλόκου σε μεμβρανικό υποδοχέα Υ (docking complex, σύμπλοκο αγκύρωσης) Eισαγωγή στο Υ matrix (via a translocation pore) Ανακύκλωση υποδοχέα (από την Υ μεμβράνη στο cyt)

56 Βιογένεση Υ Perοxins (υπεροξίνες) (βρίσκονται στο κυτοσόλιο ή στη μεμβράνη Υ) 1. Εισαγωγή ενζύμων στο Υ (matrix proteins) Peroxisomal Targeting Signals-PTSs Διαλογή πρωτεϊνών για είσοδο στο Υ: Αλληλουχία στόχευσης: PTS1: SKL tripeptide (Ser-Lys-Leu) (COOH-terminal). Αναγνωρίζεται από τον cyt υποδοχέα εισαγωγής PEX5 PTS2: 26-aa peptide (NH2-terminal) Αναγνωρίζεται από τον cyt υποδοχέα εισαγωγής PEX7

57 Αποικοδόμηση Υ Mechanism of Pexophagy Pexophagy: στόχευση Υ στο μονοπάτι αυτοφαγίας. Τα Υ σημαίνονται προς αποικοδόμηση διαμέσου της συσσώρευσης ubiquitinated membrane proteins. Η ουμπικουιτίνη στρατολογεί διάφορες πρωτεΐνες που προσδένονται ειδικά σε ubiquitin (όπως οι p62 και NBR1) Ο μηχανισμός της ουμπικουιτινιλίωσης των Υ είναι άγνωστος. Kim P.K., Hailey D.W., Mullen R.T., Lippincott-Schwartz J. Ubiquitin signals autophagic degradation of cytosolic proteins and peroxisomes. (2008) PNAS. 105 (52):