Молекулярная биология клетки - Том 2 - Албертс Б., Брей Д., Льюис Дж., Рэфф М., Робертс К., Уотсон Дж. 1993

Внутриклеточная сортировка макромолекул и сохранение клеточных компартментов
Пероксисомы

Перокснсомы (называемые также микротельцами) во многом отличаются от митохондрий и хлоропластов. Прежде всего, они окружены только одной мембраной и не содержат ДНК и рибосом. Поскольку пероксисомы не имеют собственного генома, все их белки должны поставляться из цитозоля. В этом отношении пероксисомы напоминают ЭР: они являются самовоспроизводящейся мембранной органеллой, существующей без своего собственного генома.

Прежде чем рассматривать биосинтез пероксисом, мы остановимся на функциях этого пестрого семейства органелл. Хотя пероксисомы есть во всех эукариотических клетках, их функции сильно различаются в клетках разных типов.

В начале 60-х гг. было показано, что главным источником по крайней мере трех окислительных ферментов - оксидазы D-аминокислот, уратоксидазы и каталазы - являются самостоятельные органеллы диаметром около 0,5 мкм. У млекопитающих пероксисомы этого размера встречаются в основном в печени. На электронных микрофотографиях их можно различить по «кристалловидной» сердцевине, состоящей из уратоксидазы (рис. 8-32). Позже, когда была разработана гистохимическая окраска на каталазу - фермент, составляющий до 40% общего белка пероксисом, было показано, что пероксисомы имеются во всех клетках. В большинстве клеток пероксисомы мельче (0,15-0,25 мкм в диаметре), чем в клетках печени.

Подобно митохондрии, пероксисома - это один из главных центров утилизации кислорода в клетке. Существует гипотеза, согласно которой пероксисома представляет собой остаток древней органеллы, выполняющей у примитивных предков эукариотических клеток все функции метаболизма кислорода. Когда в атмосфере начал накапливаться кислород, производимый фотосинтезирующими бактериями, вероятно, он был токсичен для большинства клеток. Пероксисомы могли служить для снижения концентрации кислорода в клетках, одновременно используя его химическую активность для проведения важных окислительных реакций. В соответствии с этой точкой зрения последующее появление митохондрий сделало пероксисомы в значительной мере ненужными, так как многие реакции, ранее протекавшие в пероксисомах без производства энергии, теперь с помощью окислительного фосфорилирования были сопряжены с образованием АТР. Таким образом, окислительные реакции, протекающие в современных клетках - это, возможно, те реакции, которые остались необходимыми, несмотря на появление митохондрий.

Рис. 8-32. Электронная микрофотография трех пероксисом в клетке печени крысы. Паракристаллические электроноплотные включения-это фермент уратоксидаза. (С любезного разрешения Daniel S. Friend.)

8.5.1. Пероксисомы используют в реакциях окисления молекулярный кислород и перекись водорода [29]

Пероксисомы получили такое название благодаря тому, что обычно в их состав входит один или более ферментов, использующих молекулярный кислород для отщепления атомов водорода от некоторых органических субстратов (обозначенных здесь R) в окислительной реакции с образованием перекиси водорода (Н₂О₂):

RH₂ + О₂→ R + Н₂О₂

Каталаза использует Н₂О₂, образованную другими ферментами в пероксисоме, для окисления множества субстратов - например, фенолов, муравьиной кислоты, формальдегида и спирта -с помощью «окислительной» реакции Н₂О₂ + R'H₂→ R' + 2Н₂О. Этот тип окислительных реакций особенно важен в клетках печени и почек, пероксисомы которых обезвреживают множество ядовитых веществ, попадающих в кровоток. Почти половина этанола, который мы выпиваем, окисляется до ацетальдегида этим способом. Кроме того, когда в клетке накапливается излишек Н₂О₂, каталаза превращает ее в Н₂О(2Н₂О₂→ 2Н₂О + О₂).

Рис. 8-33. Электронная микрофотография двух типов пероксисом, встречающихся в растительных клетках. А. Пероксисома с паракристаллической сердцевиной в клетке мезофилла листа табака. Полагают, что ее тесная связь с хлоропластами облегчает обмен материалами между этими органеллами, происходящий при фотодыхании. Б. Пероксисомы в жирозапасающей клетке семядоли семени томата, 4 дня после прорастания. Здесь пероксисомы (глиоксисомы) ассоциированы с липидными тельцами, в которых запасается жир, что отражает их центральную роль в мобилизации жиров и глюконеогенезе при прорастании семян. (А-с любезного разрешения P. Gruber и Е. Newcomb; Б с любезного разрешения S. Frederick и Е. Newcomb.)

Пероксисомы представляют собой необычно разнообразные органеллы, содержащие в различных клетках даже одного и того же организма сильно различающиеся наборы ферментов. В некоторых случаях в зависимости от условий изменяются размеры пероксисом. Например, клетки дрожжей, растущие в среде, содержащей сахар, имеют маленькие пероксисомы. Однако, если эти клетки выращивать на среде с метанолом, в них появляются большие пероксисомы, окисляющие метанол; если в среде есть жирные кислоты, в клетках появляются большие пероксисомы, в которых жирные кислоты расщепляются до ацетил-СоА.

Особенно важную роль пероксисомы играют в растительных клетках. У растений хорошо изучены два очень различных типа пероксисом. Одни из них обнаруживаются в листьях (рис. 8-33, А). Эти пероксисомы катализируют окисление побочного продукта реакции, в которой СО₂ превращается в углевод (такой окислительный процесс называют фотодыханием, т. к. в нем используется О₂ и освобождается СО₂). Другой тип пероксисом встречается в прорастающих семенах (рис. 8-33, Б). Они служат здесь для превращения жирных кислот, запасенных в липидах семян, в сахара, необходимые для роста молодого растения. Поскольку это превращение жиров в сахара происходит в серии реакций, известных под названием глиоксилатного цикла, такие пероксисомы называют еще

глиоксисомами. В глиоксилатном цикле две молекулы ацетил-СоА, образованные в результате расщепления жирной кислоты в пероксисоме, используются для образования янтарной кислоты, которая покидает пероксисому и превращается в глюкозу. В клетках животных глиокси-латный цикл отсутствует, и поэтому они не способны превращать жирные кислоты, содержащиеся в жирах, в углеводы.

Рис. 8-34. Модель сборки пероксисом. Мембрана пероксисом содержит специфические белки-рецепторы для импорта. Все белки пероксисомы, включая новые копии этих рецепторов, синтезируются рибосомами в цитозоле и затем переносятся из цитозоля в пероксисому. Следовательно, пероксисомы образуются только из предсуществовавших пероксисом в процессе их роста и деления; подобно митохондриям и хлоропластам, они непрерывно импортируют новые компоненты из цитозоля.

8-21

8-22

8.5.2. Все компоненты пероксисом поступают из цитозоля [30]

Пероксисомы можно рассматривать как набор органелл с одинаковой мембраной и различным содержимым. Как отмечалось ранее, в них нет ДНК и рибосом; все их белки кодируются ядерными генами и синтезируются в цитозоле. Как белки мембраны, так и внутренние белки пероксисом поступают из цитозоля после трансляции. Из всех белков пероксисом лучше всего была изучена катализа. Это тетрамерный гемсодержащий белок, который образуется в цитозоле в виде мономеров, не содержащих гем. Мономеры переносятся в просвет пероксисом и там собираются в тетрамеры в присутствии гема. Хотя каталаза не содержит сигнальной последовательности, отрезаемой после использования, она должна иметь какой-то сигнал, направляющий ее в пероксисому. Согласно последним данным, эту роль, по крайней мере частично, играет специфическая последовательность из трех аминокислот, расположенная вблизи карбоксильного конца многих пероксисомных белков.

Пероксисомы, по-видимому, содержат по крайней мере один уникальный белок, расположенный на обращенной к цитозолю поверхности их мембраны, который работает в качестве рецептора, распознающего сигнал на вносимом белке. Одно время полагали, что мембранная «скорлупа» пероксисом образуется путем отшнуровывания от ЭР, тогда как их содержимое переносится из цитозоля. В настоящее время имеется ряд данных, доказывающих, что новые пероксисомы всегда возникают из предсуществовавших и формируются путем роста и деления органеллы, как это описано ранее для митохондрий и хлоропластов (см. разд. 7.5.1). Считают, что все мембранные белки пероксисом, включая предполагаемый рецептор(ы), поступают из цитозоля (рис. 8-34). Вероятно, и липиды, требуемые для построения новой мембраны пероксисом, также доставляются из цитозоля. Возможно, они переносятся от мест их синтеза в мембране ЭР белками, участвующими в обмене фосфолипидов (см. разд. 8.6.15).

Рис. 8-35. Микрофотография культивируемой клетки млекопитающих. На препарате белки, остающиеся в ЭР, связаны с флуоресцентно меченными антителами. ЭР, подобно сети, распространяется по всей цитоплазме клетки, так что любая область цитозоля прилегает к какой-нибудь части мембраны ЭР. (С любезного разрешения Hugh Pelham.)

Заключение

Пероксисомы специализируются на проведении окислительных реакций с использованием молекулярного кислорода. Они вырабатывают перекись водорода (которая им нужна для окисления), разрушая ее избыток с помощью каталазы. Считают, что, подобно митохондриям и хлоропластам, пероксисомы являются самовоспроизводящимися органеллами. Однако они не содержат ДНК или рибосом. Полагают, что в их состав входит уникальный мембранный рецептор, позволяющий вносить внутрь органеллы все белки (включая и сам рецептор) путем избирательного транспорта из цитозоля.