ΣΥΓΧΡΟΝΑ ΘΕΜΑΤΑ ΚΥΤΤΑΡΙΚΗΣ ΒΙΟΛΟΓΙΑΣ ΟΡΓΑΝΙΔΙΑ ΜΕΤΑΤΡΟΠΗΣ ΚΑΙ ΑΠΟΙΚΟΔΟΜΗΣΗΣ ΒΙΟΜΟΡΙΩΝ: Υπεροξυσώματα - Λυσοσώματα Μαριάννα Χ. Αντωνέλου, Ph.D. Λέκτορας Τμήματος Βιολογίας, Πανεπιστημίου Αθηνών 2014
YΠΕΡΟΞΥΣΩΜΑΤΑ Συμμετέχουν σε οξειδωτικές διαδικασίες μεταβολισμού Προστασία έναντι επικίνδυνων μεταβολιτών πχ. H 2 O 2 Οξείδωση αλκοολών-αποτοξίνωση Σύνθεση πλασμαλογόνων (σημαντική κατηγορία φωσφολιπιδίων που βρίσκονται στις μεμβράνες ιστών όπως η καρδιά και ο εγκέφαλος) ΛΥΣΟΣΩΜΑΤΑ Αποικοδόμηση βιομορίων (κυτταροποσία-κυτταροφαγία-αυτοφαγία) Ανακύκλωση μεταβολιτών Κυτταρικός θάνατος
Α. Υπεροξυσώματα
ΥΠΕΡΟΞΥΣΩΜΑΤΑ (Υπεροξειδιοσώματα) (Υ) (Peroxisomes microbodies) Κυρίως σφαιρικά (0.1 to 1 μm in diameter) Μονή λιπιδική διπλοστοιβάδα (μεμβράνη) 60 80 Å πάχος με διαμεμβρανικά συστατικά Μatrix: ηλεκτρονιόπυκνο υλικό (Κρυσταλλική μορφή) ΟΥΡΙΚΗ ΟΞΕΙΔΑΣΗ ΚΑΤΑΛΑΣΗ Χωρίς DNA
ΥΠΕΡΟΞΥΣΩΜΑΤΑ.... ΠΛΗΘΟΣ ΚΑΙ ΤΟΠΟΛΟΓΙΑ 400-1.000 οργανίδια / κύτταρο (Ηπατοκύτταρα) Τοπολογία: κοντά σε μεμβράνες «ΥΠΕΡΟΞΥΣΩΜΙΚΟ ΔΙΚΤΥΟ» (μεμβρανική σύντηξη) Βιογένεση Υ: κυρίως προέρχονται από προϋπάρχοντα οργανίδια (like mit) Ωστόσο, υπάρχει σαφής ρόλος του ΕΔ στη βιογένεση Υ
OIKOΓΕΝΕΙΑ ΥΠΕΡΟΞΥΣΩΜΑΤΩΝ Υπεροξυσώματα (peroxisomes) Γλυοξυσώματα (glyoxysomes) φυτών και μυκήτων (παραγωγή ηλεκτρικού οξέος) Γλυκοσώματα (glycosomes): trypanosomes Woronin-bodies, filamentous fungi (1 function: plug septal pores in case of hyphal injury) Ποικιλία βιοχημικών λειτουργιών Κυρίως: ß-οξείδωση λιπαρών οξέων (Υ of fungi and plants) Καταβολισμός (οξείδωση) Λιπαρών Οξέων μακράς αλυσίδας (θηλαστικά) Εμπλέκονται σε: synthesis of plasmalogens, cholesterol and bile acids Οξείδωση αλκοολών catabolism of purines and polyamines metabolism of prostaglandins photorespiration in plants (Παραγωγή αμινοξέων) Penicillin synthesis in fungi
ΥΠΕΡΟΞΥΣΩΜΑΤΑ (Υπεροξειδιοσώματα) (Υ) Μεταβολικές λειτουργίες (cyt, mit) (οξειδωτικές διαδικασίες μεταβολισμού) Προστατευτικός Μηχανισμός έναντι: H 2 O 2 (υπεροξείδιο του υδρογόνου) Επικίνδυνοι μεταβολίτες Η σημασία των Υ για τον άνθρωπο αποτυπώνεται σε μία σειρά κληρονομικών ασθενειών (Ασθένειες βιογένεσης Υ, peroxisomal biogenesis disorders) (Απουσία/Ανεπάρκεια Υ) Σύνδρομο Zellweger Νεογνική Αδρενο-λευκοδυστροφία (Neonatal Adrenoleucodystrophy) Infantile Refsum's disease Βλάβες στα γονίδια PEX At present, 32 different PEX genes have been discovered which are required for the biogenesis and maintenance of functional peroxisomes
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) 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
Απομόνωση και Ταυτοποίηση ΥΠΕΡΟΞΥΣΩΜΑΤΩΝ (Κλασμάτωση) Βιοχημικά Ιστο- Κυτταροχημικά (enz, DAB καταλάση) Ανοσο-ιστοχημικά Μορφολογικά Η/Μ Κυτοχρωμική Οξειδάση Καταλάση, Οξειδάση
Κυτταροχημική εντόπιση ΥΠΕΡΟΞΥΣΩΜΑΤΩΝ
ΥΠΕΡΟΞΥΣΩΜΑΤΑ (Peroxisomes).. Γενικά Χαρακτηριστικά Σε ζωικά και σε φυτικά κύτταρα Μέσος χρόνος ζωής: 4-5 μέρες (ηπατικά) Φύλλα Ανώτερων Φυτών: Οξείδωση υποστρωμάτων Διάσπαση Η 2 Ο 2 από Καταλάση Φωτοαναπνοή (mit, χλωροπλάστες)
ΥΠΕΡΟΞΥΣΩΜΑΤΑ (Peroxisomes).. Γενικά Χαρακτηριστικά
ΜΙΚΡΟ-ΥΠΕΡΟΞΥΣΩΜΑΤΑ μικρότερα οργανίδια Ένζυμα Διάσπασης Η 2 Ο 2 Μεταβολισμός Μεταφορά / Αποθήκευση Λιπιδίων
ΛΕΙΤΟΥΡΓΙΕΣ ΥΠΕΡΟΞΥΣΩΜΑΤΩΝ Βιοχημικές, Γενετικές, Μοριακές, Μορφολογικές Μελέτες ΛΕΙΤΟΥΡΓΙΚΟΤΗΤΑ ΜΕΜΒΡΑΝΗΣ Υ ΠΑΘΗΤΙΚΗ ΜΕΤΑΦΟΡΑ (ΜΕΓΕΘΟΣ ΣΑΚΧΑΡΟΖΗΣ) ΕΝΕΡΓΗ ΜΕΤΑΦΟΡΑ ΜΟΡΙΩΝ ΚΑΙ ΙΟΝΤΩΝ?? ΕΙΣΑΓΩΓΗ ΠΡΩΤΕΙΝΩΝ ΜΕ ΚΑΤΑΝΑΛΩΣΗ ΕΝΕΡΓΕΙΑΣ (ΑΤΡ) ΥΠΟΔΟΧΕΙΣ/ΜΕΤΑΦΟΡΕΙΣ (από μελέτες σε γενετικές ασθένειες) ΑΤΡ-άση Mg με σημαντικό ρόλο στη ΒΙΟΓΕΝΕΣΗ Υ
ΛΕΙΤΟΥΡΓΙΕΣ ΥΠΕΡΟΞΥΣΩΜΑΤΩΝ 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 ΟΞΕΙΔΩΤΙΚΗ ΔΙΑΣΠΑΣΗ ΛΙΠΑΡΩΝ ΟΞΕΩΝ ΑΛΚΟΟΛΙΚΗ ΟΞΕΙΔΑΣΗ ΜΕΤΑΒΟΛΙΣΜΟΣ ΑΛΚΟΟΛΗΣ, ΑΠΟΤΟΞΙΝΩΣΗ ΕΝΖΥΜΑ ΓΛΥΚΟΛΙΚΟΥ ΚΥΚΛΟΥ (ΦΥΤΑ) ΜΕΤΑΒΟΛΙΣΜΟΣ ΠΟΥΡΙΝΩΝ
ΛΕΙΤΟΥΡΓΙΕΣ ΥΠΕΡΟΞΥΣΩΜΑΤΩΝ: Μεταβολισμός Η 2 Ο 2 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
ΚΑΤΑΛΑΣΗ 3 τύποι: Α (Υπεροξυσωμάτων: 170 190 kda) Τ (Κυτοσολίου: 225 250 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
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
ΔΙΑΛΟΓΗ ΚΑΙ ΣΤΟΧΕΥΣΗ ΚΑΤΑΛΑΣΗΣ ΣΤΟ ΥΠΕΡΟΞΥΣΩΜΑ
ΛΕΙΤΟΥΡΓΙΕΣ ΥΠΕΡΟΞΥΣΩΜΑΤΩΝ 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)
ΓΛΥ(Κ)ΟΞΥΣΩΜΑΤΑ= εξειδικευμένα Υ Κυρίως σε ορισμένους μύκητες και φύκη 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 : Οξειδάση COOH.CH 2 OH + O 2 COOH.CHO + H 2 O 2 (Γλυκολικό) (Γλυοξυλικό)
ΓΛΥ(Κ)ΟΞΥΣΩΜΑΤΑ= εξειδικευμένα 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 Μεταφορά ηλεκτρικού οξέος σε Mit Κύκλος Krebs Ηλεκτρικό οξύ οξαλοξικό οξύ To οξαλοξικό οξύ δια του φωσφοενολοπυροσταφυλικού οξέος παράγει σάκχαρα στο κυτταρόπλασμα
ΓΛΥΟΞΥΛΙΚΟΣ ΚΥΚΛΟΣ (ΓΚ): 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)
ΓΛΥΟΞΥΛΙΚΟΣ ΚΥΚΛΟΣ (ΓΚ): 2x Κιτρική Συνθετάση Ακονιτάση Μαλεϊκή Αφυδρογονάση Μαλεϊκή Συνθετάση Ισοκιτρική Λυάση
ΓΛΥΟΞΥΛΙΚΟΣ ΚΥΚΛΟΣ (ΓΚ): ΓΛΥΟΞΥΛΙΚΟΣ ΚΥΚΛΟΣ Σπάνια ολοκληρωμένα εντός του Υπεροξυσώματος: π.χ. Φυτικά Σπέρματα Συνήθως το Υπεροξύσωμα διαθέτει κάποια κι όχι όλα τα Ένζυμα (τμήμα ΓΚ) Σε ορισμένους ιστούς σε συγκεκριμένη αναπτυξιακή φάση διαμέσου ΓΚ των Υ: ΓΛΥΚΟΝΕΟΓΕΝΕΣΗ (Βιοσύνθεση ΓΛΥΚΟΖΗΣ / ΓΛΥΚΟΓΟΝΟΥ) (Έμβρυο Όρνιθας, Ήπαρ Ινδικού Χοιριδίου κλπ)
ΛΕΙΤΟΥΡΓΙΚΗ ΣΧΕΣΗ ΓΛΥΟΞΥΛΙΚΟΥ ΚΥΚΛΟΥ ΚΑΙ ΚΥΚΛΟΥ KREBS
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 (δεν αποθηκεύεται ως ΑΤΡ) ΟΞΕΙΔΑΣΗ ΑΚΥΛΟ-CoA ΘΕΡΜΟΓΕΝΕΣΗ
β-οξειδωση ΛΙΠΑΡΩΝ ΟΞΕΩΝ (25-50% οξειδωτικής διάσπασης λ.ο. στα Υ (mit)) 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
ΛΙΠΑΡΑ ΟΞΕΑ Κύρια Πηγή Ενέργειας Ζωικών Κυττάρων (εξαίρεση ερυθροκύτταρα & νευρικά κύτταρα) 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
ΛΙΠΑΡΑ ΟΞΕΑ 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)
ΟΡΜΟΝΙΚΗ ΡΥΘΜΙΣΗ ΟΞΕΙΔΩΣΗΣ ΛΙΠΑΡΩΝ ΟΞΕΩΝ ΣΤΑ Υ???? Κύκλος Krebs Δυσλειτουργία β-οξείδωσης Λιπαρών Οξέων στα ΥΠΕΡΟΞΥΣΩΜΑΤΑ: Μιτοχόνδριο Συσσώρευση Λιπαρών Οξέων Μακριών Αλειφατικών Αλυσίδων Ανεπάρκεια λειτουργίας κυττάρων Υ Γλυοξυλικός Κύκλος
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 (Cyt/Mit) για παραγωγή ΑΤΡ
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
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
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 Πείραμα στο ίδιο κυτταρικό σύστημα: ΌΧΙ de novo σύνθεση Υ αλλά αύξηση αρχικού Υ και αποκοπή
ΑΛΚΟΟΛΙΚΗ ΟΞΕΙΔΑΣΗ ΜΕΤΑΒΟΛΙΣΜΟΣ ΑΛΚΟΟΛΗΣ, ΑΠΟΤΟΞΙΝΩΣΗ Πείραμα: ΧΡΗΣΗ ΟΙΝΟΠΝΕΥΜΑΤΟΣ σε πειραματόζωα: Αυξημένη παρουσία ΥΠΕΡΟΞΥΣΩΜΑΤΩΝ στα κύτταρα μυοκαρδίου Προστασία (μέσω δράσης ΚΑΤΑΛΑΣΗΣ) από ΑΛΚΟΟΛΗ & ΛΙΠΙΔΙΑ ΑΜΙΝΟΤΡΙΑΖΟΛΗ: Αναστολέας ΚΑΤΑΛΑΣΗΣ: Καρδιακές Διαταραχές Υ σε ΗΠΑΤΟΚΥΤΤΑΡΑ: Αποτοξίνωση 50% ποσότητας αλκοόλης στο αίμα Αλκοόλη οξειδώνεται σε ακεταλδεϋδη CH 3 CHO οξειδώνεται από Καταλάση παρουσία H 2 O 2
ΦΩΤΟΑΝΑΠΝΟΗ ΓΛΥΚΟΛΙΚΟΣ ΚΥΚΛΟΣ ΦΩΤΟΑΝΑΠΝΟΗ 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
ΦΩΤΟΑΝΑΠΝΟΗ ΓΛΥΚΟΛΙΚΟΣ ΚΥΚΛΟΣ Υ: μεταβολισμός γλυκολικού οξέος (παραπροϊόν φωτοσύνθεσης) Διάχυση στο cyt και εισαγωγή στο Υ Μεταφορά γλυκολικού οξέος στο ΥΠΕΡΟΞΥΣΩΜΑ οξειδάση Γλουταμινική-γλυοξυλική αμινοτρανσφεράση
ΦΩΤΟΑΝΑΠΝΟΗ ΓΛΥΚΟΛΙΚΟΣ ΚΥΚΛΟΣ ΤΟΠΟΛΟΓΙΚΗ ΓΕΙΤΝΙΑΣΗ ΧΛΩΡΟΠΛΑΣΤΗ ΥΠΕΡΟΞΥΣΩΜΑΤΟΣ ΜΙΤΟΧΟΝΔΡΙΟΥ Η γειτνίαση επιβεβαιώνει τη λειτουργική τους σχέση και αλληλεπίδραση
ΜΕΤΑΒΟΛΙΣΜΟΣ (ΑΠΟΙΚΟΔΟΜΗΣΗ) ΠΟΥΡΙΝΩΝ ΑΔΕΝΟΣΙΝΗΣ ΚΑΙ ΓΟΥΑΝΙΝΗΣ ΟΥΡΙΚΗ ΟΞΕΙΔΑΣΗ
ΥΔΡΟΓΟΝΟΣΩΜΑΤΑ (Μικροσώματα) Πρωτόζωα γένους Trichomonas (χωρίς mit) 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
ΓΛΥΚΟΣΩΜΑΤΑ Μαστιγοφόρα Πρωτόζωα Γένος Trypanosoma: Ασθένεια του Ύπνου Γένος Leismania: Λεϊσμανίαση ΚΑΤΑΒΟΛΙΣΜΟΣ ΓΛΥΚΟΖΗΣ (γλυκολυτική οδός) ΑΛΛΟΙ ΟΡΓΑΝΙΣΜΟΙ (Καταβολισμός Γλυκόζης) Στο ΚΥΤΤΑΡΟΠΛΑΣΜΑ ΟΧΙ σε Οργανίδια 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
ΒΙΟΓΕΝΕΣΗ ΥΠΕΡΟΞΥΣΩΜΑΤΩΝ As peroxisomes neither contain DNA nor transcription/translation machineries, all Y proteins are encoded by the nuclear genome. Πρωτεΐνες Υ για: 1. Χυμό Υ (peroxisomal matrix, ένζυμα) 2. Μεμβράνη Υ 1. Εισαγωγή ενζύμων στο Υ (matrix proteins) Σύνθεση Υ-ενζύμων: στο cyt (ελεύθερα πολυριβοσώματα, χωρίς εξαίρεση) 20min Μετα-ΜΦΡ εισαγωγή στο αναπτυσσόμενο Υ Αναγνώριση από κυτοσολικούς υποδοχείς Στόχευση συμπλόκου σε μεμβρανικό υποδοχέα Υ (docking complex) Eισαγωγή στο Υ matrix (via a translocation pore) Ανακύκλωση υποδοχέα (από Υ μεμβράνη στο cyt)
ΣΥΓΚΡΟΤΗΣΗ ΚΑΙ ΒΙΟΓΕΝΕΣΗ ΥΠΕΡΟΞΥΣΩΜΑΤΩΝ Peroxins (υπεροξίνες, Pex1-Pex26) 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, used by the majority of Y matrix proteins, +/- targeting experiments, πχ. οξειδάσες, λουσιφεράση κλπ) PTS2: 26-aa peptide (NH2-terminal, πχ. Θειολάση. While in mammals only a few proteins are targeted to Y via the PTS2-pathway, in plants, approximately one third of Y proteins harbor a PTS2)
ΣΥΓΚΡΟΤΗΣΗ ΚΑΙ ΒΙΟΓΕΝΕΣΗ ΥΠΕΡΟΞΥΣΩΜΑΤΩΝ Current working model for membrane protein and matrix protein import into mammalian peroxisomes. Ανακύκλωση υποδοχέα 4 8 Peroxisomal Targeting Signals-PTSs 22 docking complex Pex2p-10p-12p: RING-(really interesting new gene)-finger complex (importomer) Εισαγωγή ενζύμων στο Υ (matrix proteins) (Steinberg et al., 2006 BBA Molecular Cell Research 1763(12):1733-1748)
Εισαγωγή ενζύμων στο Υ (matrix proteins) Y import their matrix enzymes in a folded and even oligomerized manner This fact distinguishes the peroxisomal translocon from that of mitochondria, chloroplasts and the endoplasmatic reticulum, which only import unfolded polypeptides How Y import large protein complexes???????? Models: Some models proposed the presence of an aqueous pore in the Y membrane. The translocation pore would be transient in nature and that the import receptors themselves might play an important role in its formation. In fact, the PTS1 receptor Pex5p proved to have many properties expected for a transientpore-forming protein. A considerable portion of the membrane-bound fraction of Pex5p behaves as an intrinsic membrane protein and forms a stable complex with components of the docking complex (Rucktäschel et al., Biochimica et Biophysica Acta 1808:892 900, 2011)
Εισαγωγή ενζύμων στο Υ (matrix proteins) pore RING-complex (importomer) docking complex The receptor cycle. According to the model of the cycling receptor, the Y protein import conceptually can be divided in five steps: (I) cargo recognition in the cytosol and (II) docking of the receptor cargo complexes to the Y membrane. (III) Cargo-translocation into the peroxisomal matrix. (IV) Disassembly of the receptor cargo complex and (V) export of the receptor back to the cytosol. PTS1-containing proteins are recognized by the soluble import receptor Pex5p in the cytosol. Proteins harbouring the PTS2 are recognized by Pex7p After this step, the receptor cargo complex targets to and associates with the Y membrane via the docking complex consisting of Pex14p, Pex13p and Pex17p. The transport of PTS1-proteins across the membrane is facilitated by formation of a pore mainly consisting of Pex14p and Pex5p. Pex8p connects the RING-complex to the docking complex. The three ubiquitin ligases Pex2p, Pex10p and Pex12p form the RING-complex and together with ubiquitin conjugating enzymes like Pex4p are responsible for receptor ubiquitination. In the last step of the cycle, the receptor Pex5p is exported back to the cytosol by the two AAA-peroxins Pex1p and Pex6p and is enabled for the next round of import. (Rucktäschel et al., Biochimica et Biophysica Acta 1808:892 900, 2011)
Εισαγωγή ενζύμων στο Υ (matrix proteins) Ανακύκλωση Υποδοχέα The Pex1p/Pex6p interaction depends on the presence of ATP. the AAA-complex Pex1p and Pex6p provides the ATPdependent driving force for the export of Pex5p back to the cytosol Ανακύκλωση υποδοχέα 8 The mechanism of this event is still unsolved but it is known that ubiquitination of the receptor molecule plays a crucial role ubiquitination was also observed for components of the PTS2-pathway. (Rucktäschel et al., Biochimica et Biophysica Acta 1808:892 900, 2011)
2. Εισαγωγή Υ μεμβρανικών πρωτεϊνών O μηχανισμός εισαγωγής μεμβρανικών πρωτεϊνών (peroxisome membrane proteins (PMPs) στο Υ είναι εντελώς διαφορετικός και λειτουργικά ανεξάρτητος σε σχέση με αυτόν της εισαγωγής των ενζύμων του Υ χυμού. Απόδειξη: Οι περισσότερες μεταλλαγές στα γονίδια pex χαρακτηρίζονται από ελαττωματική εισαγωγή matrix proteins αλλά φυσιολογική εισαγωγή PMPs στο Υ. Έχουν χαρακτηριστεί ελάχιστες μεταλλαγές με ολική έλλειψη Υ membrane ghosts. Από μελέτες τέτοιων μεταλλαγμάτων διευκρινίστηκε ότι στη βιογένεση της Υ μεμβράνης εμπλέκονται οι πρωτεΐνες: Pex3p, Pex19p (και σε ορισμένους οργανισμούς η Pex16p)
Εισαγωγή Υ μεμβρανικών πρωτεϊνών Τοπογένεση των Υ μεμβρανικών πρωτεϊνών 2 τρόποι στόχευσης Υ μεμβρανικών πρωτεϊνών (PMPs) στο Υ: Class I proteins: εισάγονται απευθείας σε υπάρχον Υ Class II proteins: πρώτα κατευθύνονται στο ΕΔ όπου συγκεντρώνονται σε pre-peroxisomal κυστίδια τα οποία στη συνέχεια: Είτε κατευθύνονται σε υπάρχον Υ Είτε συμβάλουν στην de novo σύνθεση Υ (*) Currently, it is controversially discussed whether class I PMPs are also targeted to the ER and whether class II PMPs are also targeted to existing peroxisomes. (*) Type I transmembrane proteins are anchored to the lipid membrane with a stop-transfer anchor sequence and have their N-terminal domains targeted to the ER lumen during synthesis (and the extracellular space). Type II and III are anchored with a signal-anchor sequence, with type II being targeted to the ER lumen with its C-terminal domain, while type III have their N- terminal domains targeted to the ER lumen. (Rucktäschel et al., Biochimica et Biophysica Acta 1808:892 900, 2011)
Εισαγωγή Υ μεμβρανικών πρωτεϊνών Pex3p: μεμβρανική. Ρόλος σημαντικός στη διαδικασία εισαγωγής των PMPs: (docking factor at the Y membrane, binding partner for Pex19p-PMP-complexes during import of the PMPs) 2 ος σημαντικός ρόλος: de novo formation of Y (εναρκτήριο σημείο διαδικασίας σχηματισμού Υ) Pex19p: κυρίως κυτοσολική + ένα μικρό τμήμα συνδέεται με Υ μεμβράνη. Πολυσυνδέτης: αλληλεπιδρά με τις περισσότερες PMPs. NΗ2: μεμβρανική στόχευση Pex19p (αλληλεπίδραση με Pex3p). CΟΟΗ: περιέχει θέσεις πρόσδεσης για τις περισσότερες PMPs. Ρόλοι: 1. Διαλυτός (cyt) υποδοχέας για τις νέο-συντιθέμενες PMPs (προσδένει τις PMPs στο cyt και τις κατευθύνει στην Υ μεμβράνη και συγκεκριμένα στην Pex3p) 2. Πρωτεΐνη-συνοδός των PMPs (PMP-specific chaperone, προσδένεται και σταθεροποιεί τις PMPs) 3. insertion factor during PMP import or function as an assembly/disassembly factor for Y membrane complexes at the Y membrane. 4. Εμπλέκεται στην μεταφορά της Pex3p από το ΕΔ στην Υ μεμβράνη Pex16p θηλαστικών: μεμβρανική. Απαιτείται για την τοπογένεση μεμβρανικών πρωτεϊνών Υ Λειτουργεί κυρίως στα πρώιμα στάδια βιογένεσης Υ (Rucktäschel et al., Biochimica et Biophysica Acta 1808:892 900, 2011)
Εισαγωγή Υ μεμβρανικών πρωτεϊνών Class I PMPs: εξαρτώμενη από την Pex19p εισαγωγή στο Υ Class II PMPs: εισαγωγή στο Υ ανεξάρτητη της Pex19p Οι περισσότερες PMPs είναι τύπου I. Αναγνώριση των PMPs στο cyt από την Pex19p (= soluble import receptor and/or chaperone) διαμέσου μιας θέσης πρόσδεσης για αυτήν που διαθέτουν οι ΡMPs (Pex19p-binding site οf Pex19ptargeted PMPs, integral part of their peroxisomal membrane targeting signal (mpts) Επιπρόσθετα της θέσης πρόσδεσης Pex19p (Pex19p-binding site) οι mpts των PMPs τύπου Ι περιέχουν και μια διαμεμβρανική αλληλουχία για την ενσωμάτωσή τους στην Υ μεμβράνη Μετά την αναγνώριση, το σύμπλοκο Pex19p-PMP κατευθύνεται στην Υ μεμβράνη και συγκεκριμένα στην Pex3p (=docking factor for this complex). Το σύμπλοκο Pex19p-PMP έχει πολύ υψηλότερη συγγένεια σύνδεσης με την Pex3p σε σχέση με την Pex19p. Στη συνέχεια η PMP ενσωματώνεται στη διπλοστοιβάδα (δεν ξέρουμε πως ) Η Pex19p εισάγεται εν μέρει στη στοιβάδα και μετά τον αποχωρισμό της από την ΡΜΡ ελευθερώνεται πάλι πίσω στο κυστοσόλιο. Η εξοικονόμηση της ενέργειας που απαιτείται για αυτήν την διαδικασία είναι άγνωστη. (Rucktäschel et al., Biochimica et Biophysica Acta 1808:892 900, 2011)
Εισαγωγή Υ μεμβρανικών πρωτεϊνών Πολύ λιγότερες Υ μεμβρανικές πρωτεΐνες είναι class II PMPs. Πχ.: Pex3p Pex16p Pex22p (the Y membrane anchor of the E2 Pex4p, which is required for the import of Y matrix proteins) Εισάγονται στην Υ μεμβράνη με μηχανισμούς που δεν εμπλέκουν την Pex19p. Τα mpts αυτών των πρωτεϊνών εντοπίζονται στο ΝΗ2-άκρο τους και είναι μία διαμεμβρανική περιοχή η οποία όμως ΔΕΝ ΕΧΕΙ θέση πρόσδεσης Pex19. Class II PMPs: πρώτα κατευθύνονται στο ΕΔ όπου συγκεντρώνονται σε pre-peroxisomal κυστίδια Πχ. η Pex16p εισάγεται συν-μφρ στις μεμβράνες του ΕΔ και μετά μεταναστεύει σε υπάρχοντα Υ Η μεταφορά των Class II PMPs από το ΕΔ στο Υ μάλλον γίνεται με κυστίδια (However, the nature of these vesicles still needs to be disclosed, especially as their transport is not affected by inhibitors of COPI and COPII that block vesicle transport in the early secretory pathway)
ΣΥΓΚΡΟΤΗΣΗ ΚΑΙ ΒΙΟΓΕΝΕΣΗ ΥΠΕΡΟΞΥΣΩΜΑΤΩΝ Ανακύκλωση υποδοχέα Peroxins (υπεροξίνες, Pex1-Pex26) (Ι) peroxins υπεύθυνες για την εισαγωγή πρωτεϊνών χυμού Υ. (matrix protein import. Πχ. Pex1p and Pex6p, 2 μέλη της πρωτεϊνικής οικογένειας ers of AAA (ATPases Associated with diverse cellular Activities family). Εν μέρει κυτοσολικές, εν μέρει μεμβρανοσυνδεόμενες. Η μεμβρανική Pex26p στα θηλαστικά έχει θέσεις πρόσδεσης για την Pex6p η οποία στη συνέχεια «στρατολογεί» την Pex1p στη μεμβράνη του Υ (ΙΙ) peroxins υπεύθυνες για τη συγκρότηση της μεμβράνης του Υ πχ. Pex3, Pex16 και Pex19 (ΙΙΙ) peroxins οι οποίες εμπλέκονται με τη διαίρεση (πολλαπλασιασμό) Υ πχ. Pex11 (Fujiki et al. 2006; BBA Molecular Cell Research 1763(12):1374-1381)
ΣΥΓΚΡΟΤΗΣΗ ΚΑΙ ΒΙΟΓΕΝΕΣΗ ΥΠΕΡΟΞΥΣΩΜΑΤΩΝ Πώς αποδεικνύεται η λειτουργικότητα αυτών των πρωτεϊνών????? 1. Έλλειψή τους σε μεταλλαγμένα στελέχη μικροοργανισμών συσσώρευση Υ πρωτεϊνών σε cyt και ΕΔ και ghosts-y (άδεια Υ) 2. Ασθενείς με σύνδρομο Zellweger (PBD-Peroxisome Biogenesis Disorders) πολυάριθμα Υ με έλλειψη πρωτεϊνών Υ χυμού και αδυναμία βιογένεσης μεμβράνης Υ.
ΡΟΛΟΣ ΤΟΥ ΕΔ ΣΤΗ ΒΙΟΓΕΝΕΣΗ ΤΩΝ ΥΠΕΡΟΞΥΣΩΜΑΤΩΝ growth and division de novo biogenesis pathways ΕΔ
ΡΟΛΟΣ ΤΟΥ ΕΔ ΣΤΗ ΒΙΟΓΕΝΕΣΗ ΤΩΝ ΥΠΕΡΟΞΥΣΩΜΑΤΩΝ Πρώιμα μοντέλα (1970): η μεμβράνη του Υ προέρχεται (εκβλάστηση) από το ΕΔ (τοπολογία) ( de novo biogenesis ) Αργότερα: οι Υ πρωτεΐνες του χυμού και της μεμβράνης συντίθενται σε ελεύθερα ριβοσώματα στο κυτοσόλιο και εισάγονται μετα-μφρ σε προϋπάρχοντα Υ Growth and division model: τα Υ είναι αυτόνομα οργανίδια τα οποία αυξάνουν εισάγοντας πρωτεΐνες (ένζυμα και μεμβρανικές) και πολλαπλασιάζονται περίπου όπως τα μιτοχόνδρια και οι χλωροπλάστες??? Εισαγωγή Pex3p σε Pex3p-deficient κύτταρα τα οποία δεν είχαν Υ-ghosts οδηγεί σε σχηματισμό νέων Υ (από πού προήλθε η μεμβράνη τους???)
ΤΟ ΕΔ ΕΜΠΛΕΚΕΤΑΙ ΣΤΟΝ de novo ΣΧΗΜΑΤΙΣΜΟ ΥΠΕΡΟΞΥΣΩΜΑΤΩΝ (pex1, pex6, πρωτεϊνη κάλυψης COPII) 1. Σε δενδριτικά κύτταρα ποντικού: εντοπισμός Pex13p σε εξειδικευμένες περιοχές ΕΔ σε σύνδεση με το Υ-δίκτυο 2. Με μικροσκοπία φθορισμού (time-lapsed fluorescence microscopy): μετά από εισαγωγή Pex3p σε Pex3p-deficient κύτταρα η πρωτεΐνη πρώτα εντοπίζεται στο ΕΔ, συγκεντρώνεται (συμπυκνώνεται) σε εξειδικευμένες περιοχές του και μετά αποχωρεί από αυτό με μορφή κυστιδίων και ένα μηχανισμό που βασίζεται στην Pex19p 3. Στη ζύμη: μεταλλαγές στα γονίδια των πρωτεϊνών pex συσσώρευση των Υ μεμβρανικών Pex2 και Pex16 στο ΕΔ
ΤΟ ΕΔ ΕΜΠΛΕΚΕΤΑΙ ΣΤΟΝ de novo ΣΧΗΜΑΤΙΣΜΟ ΥΠΕΡΟΞΥΣΩΜΑΤΩΝ (pex1, pex6, πρωτείνη κάλυψης COPII) de novo biogenesis model : 1. Πολλές PMPs κατευθύνονται στα Υ διαμέσου του ΕΔ 2. Τα Υ αντιπροσωπεύουν μία νέα κατηγορία ενδομεμβρανικού συστήματος Τα δύο μονοπάτια growth and division και de novo biogenesis συνυπάρχουν σε έναν τουλάχιστον οργανισμό: Στη ζύμη τα Υ κυρίως πολλαπλασιάζονται με growth and division ενώ στα κύτταρα τα οποία δεν έχουν Υ μεμβράνες το ΕΔ παρέχει τα απαραίτητα μεμβρανικά συστατικά για την de novo σύνθεση Υ
ΑΣΘΕΝΕΙΕΣ ΠΟΥ ΣΧΕΤΙΖΟΝΤΑΙ ΜΕ ΤΑ Υ Η σημασία των Υ για τον άνθρωπο αποτυπώνεται σε μία σειρά κληρονομικών ασθενειών (Ασθένειες βιογένεσης Υ, peroxisomal biogenesis disorders) (Απουσία/Ανεπάρκεια λειτουργικών Υ) Σύνδρομο Zellweger Νεογνική Αδρενο-λευκοδυστροφία (Neonatal Adrenoleucodystrophy) Infantile Refsum's disease (παιδική νόσος του Refsum) Βλάβες στα γονίδια PEX
Σύνδρομο Ζellweger (εγκεφαλο-ηπατο-νεφρικό σύνδρομο) Νεανική ασθένεια Βαριά κλινικά συμπτώματα (πνευματική υστέρηση, νευρολογικά, δυσμορφίες, ηπατοσπληνομεγαλία ) Ανωμαλίες σε όλα τα οργανικά συστήματα και τους ιστούς Έλλειψη Υ ή ghosts-y Συσσώρευση λιπαρών οξέων μακριάς αλυσίδας (σε ορό και ιστούς) Μεταλλαγές σε γονίδια Pex-2 (PAF-1, peroxisomal assembly factor), Pex-1, Pex-3, Pex-5, Pex-6, Pex-12 (παράγοντες βιογένεσης Υ)
Αδρενο-λευκοδυστροφία (ALD Adrenoleucodystrophy) 1. Φυλοσύνδετη (Νόσος Addison) Εγκεφαλική σκλήρυσνη Αγόρια προσχολικής ηλικίας Προοδευτικές νευρολογικές διαταραχές και μείωση εκκριτικής ικανότητας επινεφριδίων Θάνατος σε σύντομο χρονικό διάστημα Συσσώρευση λιπαρών οξέων μακριάς αλυσίδας (στους ιστούς) Έλλειψη του ΑΤΡ-εξαρτώμενου μεμβρανικού μεταφορέα Pex-1 (δεν μπορεί το ένζυμο ακυλο-coa συνθετάση των λιπαρών οξέων να εισαχθεί στο Υ) 2. Nεογνική ALD (NALD) Πρώιμη εκδήλωση συμπτωμάτων Επιληψία, πνευματική υστέρηση, υποτονία, ανεπάρκεια επινεφριδίων Συσσώρευση λιπαρών οξέων μακριάς αλυσίδας (στους ιστούς) Μεταλλαγές στις Pex-1, -10 και -13 (μεμβρανικοί μεταφορείς Υ)
Στικτή χονδροδυσπλασία ριζομελικού (Rhizomelic Chondrodysplasia Punctata, PCDP1) Koκκιώδεις εντοπίσεις Ca στους υαλώδεις χόνδρους των αρθρώσεων Νανισμός, συγγενής καταρράκτης, πνευματική καθυστέρηση Απουσία Pex-7 (= υποδοχέας νεοσυντιθέμενων πρωτεινών Υ με PTS2: (NH2-terminal), ανεπάρκεια ενζύμων που ελέγχουν τη βιοσύνθεση πλασμαλογόνου Παιδική νόσος του Refsum (Norwegian neurologist S. B. Refsum) Αυτοσωμική, υπολειπόμενη νόσος βιογένεσης Υ phytanic acid oxidase deficiency (infantile phytanic acid storage disease, ελαττωματικός καταβολισμός, πλάσμα και ιστοί), συσσώρευση λιπαρών οξέων μακράς αλυσίδας Πνευματική καθυστέρηση, οστεοπόρωση, ηπατομεγαλία, αναπτυξιακή υστέρηση Μεταλλαγές Pex-1-2 -3-6 -12-26 Ακαταλασαιμία Γαγγραινώδη στοματικά έλκη Μεταλλαγές καταλάση
Οξαλουρία, γλυκινουρία Μεταβολισμός γλυκολικού οξέος Αυτοάνοσα ρευματικά νοσήματα Αυτοαντισώματα έναντι Υ ενζύμων Λοιμώξεις από Trypanosoma, Leismania Διαφορετικά γλυκολυτικά ένζυμα γλυκοσώματος φάρμακα έναντι νόσου ύπνου, λεϊσμανίαση κλπ
Β. Λυσοσώματα Καταβολικά (πεπτικά) οργανίδια ευκαρυωτικών κυττάρων They degrade extracellular material that has been internalized by endocytosis and intracellular components that have been sequestered by autophagy
ΜΟΡΦΟΛΟΓΙΑ 25nm-1μm Προέρχονται από το σύμπλεγμα Golgi Απλή λιπιδική διπλοστοιβάδα (Η.Μ) (στοιχειώδη μεμβράνη) Σχεδόν σε όλους τους τύπους ζωικών/φυτικών κυττάρων
Χαμηλό ph (μεμβρανική αντλία υδρογόνου) Περιέχουν όλα σχεδόν τα υδρολυτικά ένζυμα του κυττάρου (άριστο ph δράσης =5) Ανενεργά σε ουδέτερο ph (άριστο για τα υπόλοιπα κυτταρικά διαμερίσματα και τα περισσότερα εξωκυττάρια υγρά) (θετική ιστοχημική αντίδραση) Δραστικότητα όξινης φωσφατάσης-(ιστοχημική ανίχνευση): ορισμός Lys
ΜΟΡΦΟΛΟΓΙΑ Τεράστια μορφολογική ετερογένεια (μέγεθος, εσωτερική οργάνωση) Ως πεπτικά οργανίδια Διαδοχικές μορφολογικές φάσεις ανάλογα: Στάδιο πέψης Είδος ενζύμων Είδος μορίων/οργανιδίων που αποικοδομούν
(Μορφολογικά/Λειτουργικά ) Είδη Λυσοσωμάτων: Πρωτογενή λυσοσώματα Ενδοσώματα (αρχική βιογένεση από ΕΔ και Golgi) Δίκτυο κυστιδίων Περιέχουν υλικό ενδοκύττωσης Δευτερογενή λυσοσώματα Από σύντηξη 1 ο γενούς Λ (+) ενδόσωμα Φαγοσώματα (πεπτικά / κυτταροφαγικά χυμοτόπια) Αυτοφαγικά χυμοτόπια Πολυκυστιδιακά σωμάτια Υπολειπόμενα σωμάτια Από σύντηξη με κυτταροφαγικό κυστίδιο Προκύπτουν κατά την πέψη οργανιδίων και άλλων cyt υλικών Μεμβρανικά σφαιρικά κατάλοιπα πέψης Με αδιάλυτες ουσίες
(Μορφολογικά/Λειτουργικά ) Είδη Λυσοσωμάτων: Πρωτογενή λυσοσώματα Δευτερογενή λυσοσώματα Γεμάτα από υδρολυτικά ένζυμα αλλά δεν έχουν ακόμα εμπλακεί σε διαδικασία πέψης (αχρησιμοποίητη συλλογή υδρολυτικών ενζύμων) Προέρχονται από τη σύντηξη ενός πρωτογενούς Lys με ένα φαγόσωμα Δευτερογενή λυσοσώματα Φαγοσώματα (πεπτικά / κυτταροφαγικά κενοτόπια ή ετεροφαγοσώματα) Αυτοφαγικά κενοτόπια ή αυτοφαγοσώματα Υπολειπόμενα σωμάτια Από σύντηξη με κυτταροφαγικό κυστίδιο Προκύπτουν κατά την πέψη οργανιδίων και άλλων cyt υλικών Με αδιάλυτες ουσίες
Ειδικού τύπου Λυσοσώματα: Μελανοσώματα Σύνθεση μελανίνης στα μελανοκύτταρα (κυτταρικός πληθυσμός επιδερμίδας) Χυμοτόπια φυτικών κυττάρων και μυκήτων (??? Όχι κλασσικά Lys ζωικών κυττάρων) Περιβάλλονται από τονοπλάστη-αποκόπτονται από την πλευρά εξόδου του Golgi-Συγχωνεύονται-υδρολυτικά ένζυμα-μεταβολισμός (διάσπαση μεγαλομοριακών ενώσεων)-αποικοδόμηση (αυτοφαγία)- Προγραμματισμένη αυτόλυση φυτικού κυττάρου- ΩΣΜΩΡΥΘΜΙΣΗ-Αποταμίευση συστατικών κλπ
ΛΕΙΤΟΥΡΓΙΑ Κυτταρικές δραστηριότητες που συμμετέχουν: 1. Θρέψη 2. Άμυνα 3. Ανακύκλωση μεταβολιτών 4. Διαφοροποίηση 5. Κυτταρικός θάνατος Τα υδρολυτικά ένζυμα Lys πέπτουν συνήθως υλικό: 1) που προέρχεται από το εξωτερικό περιβάλλον του κυττάρου (ΕΤΕΡΟΦΑΓΙΑ) Κυτταροποσία / Κυτταροφαγία (ενδοκύτωση) 2) Συστατικά του ίδιου του κυττάρου (ΑΥΤΟΦΑΓΙΑ) 3) Ολόκληρα κύτταρα (ΚΥΤΤΑΡΟΦΑΓΙΑ)
ΛΕΙΤΟΥΡΓΙΑ
Πληθυσμός Lys/cell: Όσα προσλαμβάνουν πολλά μακρομόρια (απορροφητικά κύτταρα πχ. εντερικό επιθήλιο): άφθονα Λιγότερο απορροφητικά (πχ. κύτταρα παγκρέατος): λίγα
ΛΕΙΤΟΥΡΓΙΑ Αποικοδόμηση Βιομορίων Διάσπαση βιομορίων/μακρομορίων στους δομικούς τους λίθους (προϊόντα υδρόλυσης) διαπερνούν Λ-μεμβράνη κυτοσόλιο Πρωτεΐνες: εγκλωβίζονται σε 2 o γενή Lys διπεπτίδια cyt aa Yδατάνθρακες: μονοσακχαρίτες (δεξτράνη, σελλοβιόζη, ινουλίνη: δεν πέπτονται στα Lys)
ΛΕΙΤΟΥΡΓΙΑ ΛΥΣΟΣΩΜΑ + ΚΥΣΤΙΔΙΟ ΠΕΨΗ διάμεσου υδρολυτικών ενζύμων Λ Σύντηξη δύο μεμβρανών (τα βιομόρια δεν διαπερνούν τη Λ-μεμβράνη) Αναγνώριση της μιας μεμβράνης από την άλλη
ΛΕΙΤΟΥΡΓΙΑ Σε σπάνιες περιπτώσεις (συγκεκριμένες βιολογικές ανάγκες) τα υδρολυτικά ένζυμα δρουν στο εξωτερικό περιβάλλον του κυττάρου
ΛΕΙΤΟΥΡΓΙΑ Γονιμοποίηση σε ζωικούς οργανισμούς ΣΠΕΡΜΑΤΟΖΩΑΡΙΟ ΑΚΡΟΣΩΜΙΚΟ ΚΥΣΤΙΔΙΟ (ακρόσωμα) Υδρολυτικά ένζυμα (υαλουρονιδάση και όξινη φωσφατάση) διάτρησης μεμβράνης ωαρίου Δημιουργία διαύλου εισαγωγής σπερματοζωαρίου
Ενδοκυτάρωση-εξωκυττάρωση
ΛΥΣΟΣΩΜΑΤΑ ΚΑΙ ΚΥΤΤΑΡΟΠΟΣΙΑ ΚΥΤΤΑΡΟΦΑΓΙΑ Ενδοκυττάρωση: είσοδος εξωκυττάριου υλικού στο κύτταρο
ΛΥΣΟΣΩΜΑΤΑ ΚΑΙ ΚΥΤΤΑΡΟΠΟΣΙΑ ΚΥΤΤΑΡΟΦΑΓΙΑ Κυτταροποσία Κυτταροφαγία Γρήγορη πρόσληψη: υγρού, διαλυτού εξωκυττάριου υλικού (ιόντα, μικρά μόρια & πρωτεΐνες) Κυστίδια: 0.1-0.2 μm (150nm) Πρόσληψη: αδιάλυτων, μεγάλων διακριτών υλικών ή ολόκληρων κυττάρων Κυστίδια: 1-2 μm
ΛΥΣΟΣΩΜΑΤΑ ΚΑΙ ΚΥΤΤΑΡΟΠΟΣΙΑ ΚΥΤΤΑΡΟΦΑΓΙΑ Ενδοκυτάρωση: Φαγοκυττάρωση: Πρωτογενή Δευτερογενή (πεπτικά/φαγόσωμα) Λυσοσώματα
ΛΥΣΟΣΩΜΑΤΑ ΚΑΙ ΚΥΤΤΑΡΟΠΟΣΙΑ ΚΥΤΤΑΡΟΦΑΓΙΑ Ενδοκυτάρωση: 1. εσωτερικοποίηση (internalization) τμημάτων πλασματικής μεμβράνης (100% σε 1h!) 2. ανακύκλωση συστατικών μεμβράνης (γρήγορη ανακατανομή υποδοχέων, σημάτων αναγνώρισης κλπ) 3. Λ: διάσπαση βιομορίων στους δομικούς τους λίθους, διαπερνούν τη μεμβράνη, χρησιμοποιούνται στο cyt
ΛΕΙΤΟΥΡΓΙΑ 70 Υδρολυτικά Ένζυμα (υδρολάσες) Ενεργά σε όξινο περιβάλλον Λ Α 1 Α 2 (+) Η 2 Ο Α 1 Η (+) Α 2 ΟΗ Λυσοσωμική Υδρολάση Αντλία εισαγωγής Η + (ΑΤΡ-άση) (διατηρεί χαμηλό ph στο Λ) Μεμβρανικές, όξινες, γλυκοζυλιωμένες IgpA, IgpB (προστασία μεμβράνης Λ από αποικοδόμηση λόγω επαφής με υδρολυτικά ένζυμα)
ΚΥΤΤΑΡΟΠΟΣΙΑ 1. Υγρής φάσης (FPP, Fluid Phase Pinocytosis) Μη εκλεκτική- Απορροφώνται μεγάλες ποσότητες εξωκυττάριου υγρού Εξωκυττάρια ουσία που διεγείρει τη μεμβράνη 2. Με μεσολάβηση υποδοχέων (RMP, Receptor Mediated Pinocytosis) Υψηλής αποδοτικότητας και εκλεκτικότητας πρόσληψη- Απορροφώνται υψηλές συγκεντρώσεις πρωτεΐνης
ΚΥΤΤΑΡΟΠΟΣΙΑ Με μεσολάβηση υποδοχέων εξωκυττάρια πρωτεΐνη καλυμμένες εσοχές εγκόλπωση εσοχών ανακύκλωση υποδοχέα καλυμμένα κυστίδια κλαθρίνης (50-250nm) 2) αποθήκευση σε κυστίδια πρώιμο ενδόσωμα
ΚΥΤΤΑΡΟΠΟΣΙΑ Με μεσολάβηση υποδοχέων Καλυμμένα κυστίδια κλαθρίνης: πακετάρισμα, διαλογή και ενδοκυττάρια μεταφορά μορίων. Με σωματίδια ψυκτοεξάχνωσης 20% μεγαλύτερα σε σχέση με αυτά πλασματικής μεμβράνης
ΚΥΤΤΑΡΟΠΟΣΙΑ Με μεσολάβηση υποδοχέων Ταχεία διαδικασία πρόσληψης μακρομορίων πχ. πρωτεϊνών (1g πρωτεΐνης/ημέρα, πχ. ωοκύτταρα όρνιθας) Συνήθης χρόνος εσωτερίκευσης προσλαμβανόμενης ουσίας: 10 min Προσλαμβανόμενη ουσία: 1) Διάσπαση από Lys 2) Αποθήκευση σε κυστίδια
ΚΥΤΤΑΡΟΠΟΣΙΑ (πεπτικά Λ) ενδοκυττωτικό κυστίδιο: χάνει γρήγορα κάλυμμα κλαθρίνης δομικοί λίθοι (αμινοξέα, σάκχαρα κλπ) cyt
ΚΥΤΤΑΡΟΠΟΣΙΑ Εξαιρέσεις: 1. Διακύτωση: ενδοκυττωτικά κυστίδια κυτταροποσίας διασχίζουν το κύτταρο και φτάνουν στην «απέναντι» πλευρά της πλασματικής μεμβράνης όπου μετά από σύντηξη εξωκυτταρώνουν το περιεχόμενό τους (μεταφορά ουσιών σε επιθηλιακά και ενδοθηλιακά κύτταρα) Predescu S A et al. Am J Physiol Lung Cell Mol Physiol 2007;293:L823-L842 2. Απευθείας πρόσληψη/έξοδος μακρομορίων χωρίς τη μεσολάβηση κυστιδίων (καλυμμένων ή εκκριτικών) (Ανταλλαγή DNA ανάμεσα σε βακτήρια, ενσωμάτωση cyt πρωτεϊνών σε οργανίδια)
ΚΥΤΤΑΡΟΠΟΣΙΑ Με μεσολάβηση υποδοχέων Πρόσληψη χοληστερόλης (σύνθεση μεμβρανών) από τα ζωικά κύτταρα (TSH, insulin, Fe (transferin) κλπ) Χοληστερίνη (παράγεται στο ήπαρ, λαμβάνεται από τροφές) Αδιάλυτη στο νερό και στα υγρά σώματος Μεταφέρεται στο αίμα με τη μορφή ενός γιγαντιαίου συμπλόκου: LDL Διάμετρος: 22nm 1500 μόρια εστεροποιημένης σε λιπαρά οξέα χοληστερίνης, 800 φωσφολιπίδια, 500 μόρια μη-εστεροποιημένης χοληστερίνης, Απολιποπρωτεϊνη-Β (ειδική δέσμευση στους υποδοχείς της στην κυτταρική επιφάνεια) Low Density Lipoprotein particle (type-b) Because blood is an aqueous solution, transportation of non-polar lipids to specific target cells is performed by special transport mechanisms. Αpolipoproteins A, B, and E serve to bind the lipoprotein particle to receptors expressed by target cells that require the cargo of the particle.
ΚΥΤΤΑΡΟΠΟΣΙΑ Με μεσολάβηση υποδοχέων Πρόσληψη χοληστερόλης (σύνθεση μεμβρανών) από τα ζωικά κύτταρα (TSH, insulin κλπ) Atherosclerosis (αρτηριοσκλήρυνση): οι αρτηρίες παχαίνουν και χάνουν την ελαστικότητά τους Εναπόθεση χοληστερίνης στα τοιχώματα αρτηριών LDL: παράγεται στο ήπαρ, μεταφέρει την χοληστερίνη στο αίμα και σε κύτταρα-στόχους. Το σύμπλοκο LDL-χοληστερίνη μπορεί να διηθείται από τα τοιχώματα των αρτηριών. Στα σημεία διήθησης προσελκύονται μακροφάγα, πολλαπλασιάζονται διάφορα μη-φυσιολογικά κύτταρα στα οποία επικάθονται άλατα ασβεστίου και σχηματίζεται ένα ινώδες δίκτυο δημιουργία αθηρωματικής πλάκας και παρεμπόδιση κυκλοφορίας αίματος HDL (υψηλής πυκνότητας λιποπρωτεΐνες): τραβούν έξω από τα τοιχώματα των αρτηριών τη χοληστερίνη και τη μεταφέρουν πίσω στο ήπαρ όπου μεταβολίζεται
ΚΥΤΤΑΡΟΠΟΣΙΑ Με μεσολάβηση υποδοχέων Πρόσληψη χοληστερόλης (σύνθεση μεμβρανών) από τα ζωικά κύτταρα Δέσμευση σωματιδίων LDL (διαμέσου LRL-R) και ενδοκυττάρωση Αποικοδόμηση LDL Σύνθεση υποδοχέων όταν το κύτταρο χρειαστεί χοληστερόλη Απελευθέρωση χοληστερόλης από τα λιπαρά οξέα με υδρολυτικά ένζυμα Λ
ΚΥΤΤΑΡΟΠΟΣΙΑ Με μεσολάβηση υποδοχέων Πρόσληψη χοληστερόλης (σύνθεση μεμβρανών) από τα ζωικά κύτταρα Έλλειψη υποδοχέα (γενετική ασθένεια): η χοληστερόλη εγκλωβίζεται στο αίμα (αθηροσκλήρωση, δυσλειτουργία αγγείων)
ΚΥΤΤΑΡΟΦΑΓΙΑ Κύτταρα, μικροοργανισμοί, σωματίδια, μεγάλα μακρομόρια Πρωτόζωα Διάσπαση από ένζυμα Λυσοσωμάτων Αποκλειστικός τρόπος πρόσληψης τροφής Ανώτεροι οργανισμοί Ειδικά/εξειδικευμένα κύτταρα (μακροφάγα, πολυμορφοπύρηνα ουδετερόφιλα)
ΚΥΤΤΑΡΟΦΑΓΙΑ 2 ΦΑΣΕΙΣ: ΑΝΑΓΝΩΡΙΣΗ Μορίων ή Κυττάρων προς «Φάγωμα» Ενίοτε προηγείται ΚΑΛΥΨΗ με ΑΝΤΙΣΩΜΑΤΑ προ της πρόσληψης από τα ΦΑΓΟΚΥΤΤΑΡΑ ΜΕΤΑΚΙΝΗΣΗ Φαγοκυττάρων προς ΞΕΝΑ Μόρια ή Κύτταρα Αναδιάρθρωση ΚΥΤΤΑΡΙΚΟΥ ΣΚΕΛΕΤΟΥ
ΚΥΤΤΑΡΟΦΑΓΙΑ Εκκαθάριση γηρασμένων RBCs από μακροφάγα σπλήνα Erythrophagocytosis where RBC are coated with IgG and C3
ΚΥΤΤΑΡΟΦΑΓΙΑ Όταν δεν υπάρχουν τα κατάλληλα LYS ένζυμα για διάσπαση (πχ. φαγοκυττάρωση χαλαζία), οι ουσίες παραμένουν μέσα στα λυσοσώματα που μετατρέπονται σε ΥΠΟΛΕΙΠΟΜΕΝΑ ΣΩΜΑΤΙΑ Κατάλοιπα λυσοσωμικής πέψης Χαρακτηριστικό γήρανσης ή λυσοσωμικών ασθενειών 1 ο γενή-λυσ (χωρίς ένζυμα) + ετεροφαγικό ή αυτοφαγικό κυστίδιο Υπολειπόμενα σωμάτια Τα υπολειπόμενα σωμάτια (ανάλογα με τον κυτταρικό τύπο): 1) Αποβάλλονται από το κύτταρο (πχ. αμοιβάδα) 2) Παραμένουν εκεί (σωμάτιο που περιέχει κοκκία λιποφουσκίνης) Αιτία γήρανσης κυττάρων, ιδιαίτερα όσων ζουν για μεγάλο χρονικό διάστημα (πχ. νευρικά κύτταρα)
ΑΥΤΟΦΑΓΙΑ Πέψη ενδοκυτταρικών συστατικών/μακρομορίων/οργανιδίων που δεν είναι πλέον απαραίτητα ή είναι βλαπτικά στα Λυσοσώματα (mit, ΕΔ, ριβοσώματα, γλυκογόνο, Υπεροξυσώματα κλπ) Γενική ιδιότητα ευκαρυωτικών κυττάρων Φυσιολογική λειτουργία κυττάρου για ανανέωση κυτταρικών συστατικών -Μηχανισμός ανακύκλωσης βιομορίων (δομικοί λίθοι για νέες συνθέσεις) Οργανίδια κυττάρου: σε δυναμική ισορροπία (συνεχώς δημιουργούνται νέα και συνεχώς καταστρέφονται) t 1/2 mit =5-6d, Perox= 4-5d, rrna: 5 Ημέρες (σε Ηπατοκύτταρα) κλπ Ένα μιτοχόνδριο κάθε 10 μπαίνει σε διαδικασία αυτοφαγίας «Απαλλαγή» κυττάρου από περιττά οργανίδια
ΑΥΤΟΦΑΓΙΑ Αυτοφαγικό κενοτόπιο (2 ο -γενές Λυσόσωμα) 1) formation and elongation of isolation membranes, or phagophores. 2) (involves the LC3B protein): the cytoplasmic cargo is sequestered, and the double-membrane autophagosome is formed. 3) Fusion of a lysosome with the autophagosome to generate the autolysosome (αυτοφαγικά χυμοτόπια = δευτερογενή Lys), is the penultimate step. 4) Degradation of the cargo
ΑΥΤΟΦΑΓΙΑ Παρότι γενικό φαινόμενο, επάγεται σε συγκεκριμένες περιβαλλοντικές συνθήκες ή αναπτυξιακά στάδια Ο ρυθμός αυξάνεται σε καταστάσεις stress ή τραυματισμού ή έλλειψης τροφής Κατά την ωρίμανση των RBCs καταστρέφονται όλα τα οργανίδιά τους Μήτρα: 2kg κατά τη γέννηση. Μέσα σε 9days 50g (ορμονικά ελεγχόμενη αύξηση αυτοφαγίας και υδρολυτικών ενζύμων)
ΑΥΤΟΛΥΣΗ Εκλεκτική αυτοκαταστροφή κυττάρων (ΠΚΘ ή παθολογικές καταστάσεις) Κύτταρα που έχουν επιτελέσει το σκοπό τους και η παρουσία τους είναι πλέον βλαπτική για τον οργανισμό Απελευθέρωση υδρολυτικών ενζύμων στο κύτταρο Cancer cell lysosomes are less stable than normal lysosomes
ΛΥΣΟΣΩΜΑΤΑ ΚΑΙ ΚΥΤΤΑΡΙΚΟΣ ΘΑΝΑΤΟΣ Numerous treatments trigger lysosomal membrane permeabilization (LMP) either directly or indirectly resulting in the release of lysosomal content into the cytosol. Here, lysosomal hydrolases, especially cathepsins, can mediate cell death either in a mitochondrion-independent manner or through cleavagemediated activation of proapoptotic Bcl-2 family members and subsequent release of apoptogenic factors (e.g. cytochrome c and AIF) from the mitochondria. (Groth-Pedersen et al., Cancer Lett 2010)
ΣΥΜΒΟΛΗ ΤΩΝ ΛΥΣΟΣΩΜΑΤΩΝ ΣΕ ΔΙΑΦΟΡΕΣ ΚΥΤΤΑΡΙΚΕΣ ΛΕΙΤΟΥΡΓΙΕΣ ΚΡΙΝΟΦΑΓΙΑ (crinophagy) Ενδοκυττάρια πέψη του περιεχομένου των εκκριτικών κυστιδίων ύστερα από σύντηξη των κυστιδίων με Λυσοσώματα stimulated διακοπή της έκκρισης (εξωκύτωσης) εκκριτικών κυττάρων Υπόφυση, σιελογόνοι αδένες DM, παγκρεατικά κύτταρα κλπ
ΣΥΜΒΟΛΗ ΤΩΝ ΛΥΣΟΣΩΜΑΤΩΝ ΣΕ ΔΙΑΦΟΡΕΣ ΚΥΤΤΑΡΙΚΕΣ ΛΕΙΤΟΥΡΓΙΕΣ ΠΑΡΑΓΩΓΗ ΘΥΡΟΞΙΝΗΣ ΑΠO ΤΑ ΚΥΤΤΑΡΑ ΘΥΡΕΟΕΙΔΟΥΣ ΑΔΕΝΑ ΘΥΡΕΟΣΦΑΙΡΙΝΗ (glycoprotein) Έκκριση και Αποθήκευση στον ΕΞΩΚΥΤΤΑΡΙΟ ΧΩΡΟ Παρουσία ερεθίσματος TSH υπόφυσης (Θυρεοτρόπος Ορμόνη) ΕΝΔΟΚΥΤΩΣΗ Θυρεοσφαιρίνης Ενδοκυτωτικά Κυστίδια Σύντηξη με Πρωτογενή Λυσοσώματα Διάσπαση Θυρεοσφαιρίνης σε ΘΥΡΟΞΙΝΗ Απελευθέρωση σε Τριχοειδή Αγγεία Επίδραση στην μεταβολική δραστηριότητα πολλών τύπων κυττάρων
ΣΥΜΒΟΛΗ ΤΩΝ ΛΥΣΟΣΩΜΑΤΩΝ ΣΕ ΔΙΑΦΟΡΕΣ ΚΥΤΤΑΡΙΚΕΣ ΛΕΙΤΟΥΡΓΙΕΣ ΛΕΙΤΟΥΡΓΙΑ ΑΝΟΣΟΠΟΙΗΤΙΚΟΥ ΣΥΣΤΗΜΑΤΟΣ Φαγοκυττάρωση (ή ενδοκύτωση) ΑΝΤΙΓΟΝΩΝ από ΜΑΚΡΟΦΑΓΑ Διάσπαση σε ΜΙΚΡΑ ΠΕΠΤΙΔΙΑ στα ΛΥΣΟΣΩΜΑΤΑ Έκθεση στη Μεμβράνη μέσω του MHC class-ii Σύνδεση με Υποδοχέα TCR CD4 + Τ-κυττάρου Ανοσολογική Απόκριση
ΑΣΘΕΝΕΙΕΣ ΠΟΥ ΟΦΕΙΛΟΝΤΑΙ ΣΤΑ ΛΥΣΟΣΩΜΑΤΑ 1. Απελευθέρωση 2. Έλλειψη 3. Μεταλλαγές Lys ενζύμων Ρευματοειδής αρθρίτιδα Απελευθέρωση Lys ενζύμων φαγοκυττάρων στις αρθρώσεις Θεραπεία: Αντιφλεγμονώδη (κορτιζόνη, υδροκορτιζόνη) Σταθεροποίηση μεμβράνης Lys Νόσος Ι-cell Απελευθέρωση Lys ενζύμων από τα κύτταρα αντί να εγκλείονται στα Lys Ανεπάρκεια Ν-ακετυλο-γλυκοζαμινο-φωσφοτρανσφεράση Μη-αναγνώριση Lys ενζύμων και έκκριση από το κύτταρο
ΑΣΘΕΝΕΙΕΣ ΠΟΥ ΟΦΕΙΛΟΝΤΑΙ ΣΤΑ ΛΥΣΟΣΩΜΑΤΑ
ΑΣΘΕΝΕΙΕΣ ΠΟΥ ΟΦΕΙΛΟΝΤΑΙ ΣΤΑ ΛΥΣΟΣΩΜΑΤΑ Γλυκογένεση τύπου ΙΙ Έλλειψη α-γλυκοσιδάσης Αδυναμία διάσπασης γλυκογόνου γλυκόζη Περίσσεια γλυκογόνου σε κύτταρα ήπατος, καρδιάς, μυς Σύνδρομο Hurler, Σύνδρομο Hunter Aδυναμία αποικοδόμησης γλυκοζαμινογλυκανών Ανωμαλίες οστών Λυσοσωμικές ασθένειες «αποθήκευσης» στον άνθρωπο Νόσος Tay-Sachs (ψυχική ασθένεια) Διαταραχή μεταβολισμού γλυκολιπιδίων με σημαντικό ρόλο στον εγκέφαλο Αδυναμία αποικοδόμησης σφιγγολιπιδίων Έλλειψη β-ν-ακετυλοεξοζαμινάση (αποκοπή Ν-ακετυλογαλακτοζαμίνη από το υδατανθρακικό τμήμα γαγγλιοζιτών)
ΑΣΘΕΝΕΙΕΣ ΠΟΥ ΟΦΕΙΛΟΝΤΑΙ ΣΤΑ ΛΥΣΟΣΩΜΑΤΑ Λυσοσωμικές ασθένειες «αποθήκευσης» στον άνθρωπο Θεραπεία: κυτταροποσική εισαγωγή λιποσωμάτων (τεχνητών μεμβρανικών κυστιδίων) γεμάτων από το ένζυμο που λείπει
ΑΣΘΕΝΕΙΕΣ ΠΟΥ ΟΦΕΙΛΟΝΤΑΙ ΣΤΑ ΛΥΣΟΣΩΜΑΤΑ Το υλικό που έχει απορροφηθεί από το κύτταρο δεν μπορεί να διασπαστεί από τα ένζυμα των Lys Σίδηρος, αμίαντος, χαλαζίας, πολυμερή υδρογονανθράκων κλπ Αμιάντωση (asbestosis): εισπνοή αμιάντου Εισπνοή σωματιδίων αμίαντου τα Lys των μακροφάγων των πνευμόνων δεν μπορούν να τα διασπάσουν αναπνευστικές διαταραχές που εκδηλώνονται σε βάθος χρόνου Χαλαζίωση: οι ίνες χαλαζία αντιδρούν με τη Lys μεμβράνη ρήξη ελευθέρωση ενζύμων θάνατος φαγοκυττάρων ενεργοποίηση ινοβλαστών εναπόθεση κολλαγόνου (ίνωση) μείωση ελαστικότητας πνεύμονα και αναπνευστικής ικανότητας Ασθένεια μαύρου πνεύμονα: εισπνοή γαιάνθρακα Σε ορισμένες περιπτώσεις η αποθήκευση τέτοιων ουσιών: «κοκκία λιποφουσκίνης» («χρωστική γήρανσης») σε κύτταρα φλοιού επινεφριδίων γηρασμένων ατόμων
ΑΣΘΕΝΕΙΕΣ ΠΟΥ ΟΦΕΙΛΟΝΤΑΙ ΣΤΑ ΛΥΣΟΣΩΜΑΤΑ Tα Lys δεν μπορούν να επιτελέσουν το ρόλο τους ΚΥΤΤΑΡΟΦΑΓΙΑ ΜΙΚΡΟΟΡΓΑΝΙΣΜΩΝ Αδυναμία διάσπασης από ένζυμα Λυσοσωμάτων: Coxiella burnetii ενδοκυτταρικό παράσιτο Πυρετός Q- Λοίμωξη αναπνευστικού συστήματος σε γάτες, πρόβατα, κατσίκια Κανονική Φαγοκυττάρωση ΑΔΥΝΑΜΙΑ Λυσοσωμικής Αποικοδόμησης-Ανεξέλεγκτος πολλαπλασιαμός και θάνατος κυττάρου-ξενιστή Μυξοβακτήρια Mycobacterium tuberculosis (Φυματίωση) Mycobacterium leprae (Λέπρα) Nl φαγοκυττάρωση από ΜΑΚΡΟΦΑΓΑ (WBCs) (ενδοκυττάρωση) ΑΝΑΣΤΟΛΗ Διαδικασίας Σύντηξης ενδοσωμάτων με ΛΥΣΟΣΩΜΑΤΑ (?) λόγω παραγόντων κυτταρικής επιφάνειας βακτηρίου Ενδοκυτταρικός Πολλαπλασιασμός μικροβίου: Καταστροφή Κυττάρου
ΑΣΘΕΝΕΙΕΣ ΠΟΥ ΟΦΕΙΛΟΝΤΑΙ ΣΤΑ ΛΥΣΟΣΩΜΑΤΑ Tα Lys δεν μπορούν να επιτελέσουν το ρόλο τους ΚΥΤΤΑΡΟΦΑΓΙΑ ΜΙΚΡΟΟΡΓΑΝΙΣΜΩΝ Αδυναμία διάσπασης από ένζυμα Λυσοσωμάτων: Listeria monocytogenes (βακτήριο μηνιγγίτιδας {βρέφη}) εκκρίνει ΦΩΣΦΟΛΙΠΑΣΗ Καταστροφή ΛΥΣΟΣΩΜΙΚΗΣ Μεμβράνης και εξαγωγή μικροβίου στο cyt