Peroxisom

Das Peroxisom ist ein membrangebundenes Organell, eine Art Mikrokörperchen, das im Zytoplasma praktisch aller eukaryontischen Zellen zu finden ist (Islinger M et al. 2018). Peroxisomen sind oxidative Organellen. Häufig dient molekularer Sauerstoff als Co-Substrat, aus dem dann Wasserstoffperoxid (H2O2) gebildet wird. Peroxisomen verdanken ihren Namen den Wasserstoffperoxid erzeugenden und abfangenden Aktivitäten. Sie spielen eine Schlüsselrolle im Lipidstoffwechsel und bei der Reduktion reaktiver Sauerstoffspezies (Bonekamp NA et al. 2009).

Peroxisomen sind kleine (0,1-1 μm Durchmesser) Organellen mit einer feinen, körnigen Matrix, die von einer einzigen Biomembran umgeben sind und sich im Zytoplasma einer Zelle befinden. Die Kompartimentierung schafft eine optimierte Umgebung zur Förderung verschiedener Stoffwechselreaktionen innerhalb der Peroxisomen, die für die Aufrechterhaltung der Zellfunktionen und der Lebensfähigkeit des Organismus erforderlich sind.

Anzahl, Größe und Proteinzusammensetzung der Peroxisomen sind variabel und hängen vom Zelltyp und den Umweltbedingungen ab. Die vielfältigen Funktionen der Peroxisomen erfordern dynamische Interaktionen und Kooperationen mit vielen Organellen, die am zellulären Lipidstoffwechsel beteiligt sind, wie dem endoplasmatischen Retikulum, den Mitochondrien, den Lipidtröpfchen und den Lysosomen. Peroxisomen enthalten mindestens 50 oxidative Enzyme, die an verschiedenen biochemischen Prozessen in unterschiedlichen Zelltypen beteiligt sind. Die oxidativen Enzyme produzieren H2O2. Da H2O2 für die Zelle schädlich ist, enthalten Peroxisomen auch Katalase. Das Enzym baut Wasserstoffperoxid ab, indem es in Wasser umwandelt oder es zur Oxidation einer anderen organischen Verbindung verwendet. Einige andere Stoffe wie Harnsäure, Aminosäuren und Fettsäuren werden ebenfalls durch diese oxidativen Enzyme abgebaut.

Peroxisomen sind am Abbau von sehr langkettigen Fettsäuren, verzweigtkettigen Fettsäuren, Zwischenprodukten der Gallensäure (in der Leber), D-Aminosäuren und Polyaminen beteiligt. Peroxisomen spielen auch eine Rolle bei der Biosynthese von Plasmalogenen: Etherphospholipide, die für die normale Funktion von Gehirn und Lunge von Säugetieren entscheidend sind. Peroxisomen enthalten etwa 10 % der Gesamtaktivität von zwei Enzymen (Glucose-6-Phosphat-Dehydrogenase und 6-Phosphogluconat-Dehydrogenase) im Pentosephosphatweg (Antonenkov VD 1989) der für den Energiestoffwechsel wichtig ist.

Peroxisomen interagieren mit Mitochondrien in mehreren Stoffwechselwegen, einschließlich der β-Oxidation von Fettsäuren und des Metabolismus reaktiver Sauerstoffspezies. Beide Organellen stehen in engem Kontakt mit dem endoplasmatischen Retikulum und teilen mehrere Proteine, darunter Organellen-Spaltfaktoren. Peroxisomen interagieren auch mit dem endoplasmatischen Retikulum und arbeiten bei der Synthese von Etherlipiden (Plasmalogenen) zusammen, die für Nervenzellen wichtig sind (siehe oben). In filamentösen Pilzen bewegen sich Peroxisomen auf Mikrotubuli per Anhalter", ein Prozess, der den Kontakt mit sich schnell bewegenden frühen Endosomen einschließt. Der physische Kontakt zwischen Organellen wird häufig durch Membrankontaktstellen vermittelt, an denen die Membranen zweier Organellen physisch miteinander verbunden sind, um den schnellen Transfer kleiner Moleküle zu ermöglichen, die Kommunikation zwischen den Organellen zu ermöglichen und für die Koordinierung der Zellfunktionen und damit für die menschliche Gesundheit von entscheidender Bedeutung zu sein.

Veränderungen der Membrankontakte sind bei verschiedenen Krankheiten beobachtet worden.

Peroxisomale Krankheiten sind eine Klasse von Erkrankungen, die typischerweise das menschliche Nervensystem sowie viele andere Organsysteme darunter auch die Haut (s.u.Refsum-Syndrom) betreffen. Ein Beispiel ist die X-chromosomale Adrenoleukodystrophie.

 

PEX-Gene kodieren für die Proteinmaschinerie (Peroxine), die für den ordnungsgemäßen Aufbau von Peroxisomen erforderlich ist. Peroxisomale Membranproteine werden über mindestens zwei Wege importiert, von denen einer von der Interaktion zwischen Peroxin 19 und Peroxin 3 abhängt, während der andere für den Import von Peroxin 3 erforderlich ist. Beide Wege können ohne den Import von Matrixenzymen (Lumen) erfolgen, die, das peroxisomale Zielsignal PTS1 oder PTS2 besitzen. Die Verlängerung der Peroxisomenmembran und die endgültige Spaltung des Organells werden durch Pex11p reguliert.

Zu den Genen, die für Peroxinproteine kodieren, gehören: PEX1, PEX2 (PXMP3), PEX3, PEX5, PEX6, PEX7, PEX9, PEX10, PEX11A, PEX11B, PEX11G, PEX12, PEX13, PEX14, PEX16, PEX19, PEX26, PEX28, PEX30 und PEX31 (Effelsberg D et al. 2016).

1. Antonenkov VD (1989) Dehydrogenases of the pentose phosphate pathway in rat liver peroxisomes. European Journal of Biochemistry 183: 75–82.
2. Bonekamp NA et al. (2009) Reactive oxygen species and peroxisomes: struggling for balance. BioFactors 35: 346–355.
3. Dixit E et al. (2010) Peroxisomes are signaling platforms for antiviral innate immunity. Cell 141:668-681
4. Effelsberg D et al. (2016) Pex9p is a new yeast peroxisomal import receptor for PTS1-containing proteins". Journal of Cell Science 129: 4057–4066.
5. Islinger M et al. (2018) The peroxisome: an update on mysteries 2.0. Histochemistry and Cell Biology 150: 443–471.
6. O'Connell JD et al. (2012) Dynamic reorganization of metabolic enzymes into intracellular bodies. Annu Rev Cell Dev Biol 28: 89–111.
7. Seth RB et al. (2005) Identification and characterization of MAVS, a mitochondrial antiviral signaling protein that activates NF-kappaB and IRF 3. Cell 122:669-682.