Atlas de histología vegetal y animal

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La célula. 6. No vesicular

PEROXISOMAS

Índice de la página
1. Biogénesis
2. Funciones

Los peroxisomas son orgánulos redondeados (aunque no siempre), delimitados por una membrana, con un diámetro de entre 0,1 y 1 µm. Están presentes en casi todas las células eucariotas y tienen una función eminentemente metabólica. A veces presentan inclusiones cristalinas en su interior debido a la gran cantidad de enzimas que llegan a contener.

1. Biogénesis

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. Los peroxisomas, cuando están libres en el citosol, incorporan proteínas que se sintetizan en los ribosomas citosólicos. Estas proteínas van tanto al interior como a la membrana. Asociadas a las membranas de los peroxisomas hay unas proteínas que se denominan peroxinas, las cuales están implicadas en reconocer e incorporar proteínas desde el citosol, tanto al interior del orgánulo como a su membrana, y son también importantes durante el crecimiento y la división de estos orgánulos. Hay unas 12 peroxinas. Las proteínas citosólicas destinadas a los peroxisomas tienen una secuencia señal, PTS1 o PTS2 (peroxisome targeting sequence), que es reconocida por las peroxinas en la membrana del peroxisoma. Las enzimas que van dirigidas al interior del orgánulo son translocadas a través de la membrana, pero en las membranas de los peroxisomas también se integran proteínas gracias a las peroxinas. Al contrario que otros orgánulos, donde las proteínas se deben incorporar de manera desplegada, en los peroxisomas, éstas pueden entrar plegadas, incluso agregadas. La incorporación de estas moléculas desde el citosol hace que los peroxisomas maduren y crezcan.

La biogénesis o formación de nuevos peroxisomas en una célula se puede producir de dos formas: a) por crecimiento y división de los preexistentes, y b) por generación a partir del retículo endoplasmático y de las mitocondrias, cuando no hay peroxisomas previos en la célula (Figura 1).

Peroxisomas
Figura 1. Esquema donde se muestra el ciclo de vida de los peroxisomas en una célula. Vías de generación: 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) Por crecimiento y estrangulación. El crecimientos 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).

a) Los peroxisomas de una celula crecen y se dividen por estrangulamiento. La maquinaria de fisión de los peroxisomas tienen muchas semejanzas con la de división de mitocondrias y cloroplastos, a pesar de sus diferentes orígenes evolutivos. El proceso de división de un peroxisomas empieza cuando sus membranas entran en contacto con las del retículo endoplasmático. Este contacto permite el traspaso de lípidos de membrana hacia el peroxisoma y por tanto el incremento de la superficie de membrana. Mediante estrangulamiento del peroxisoma en crecimiento se producen dos nuevos que irán madurando su contenido proteico a medida que van incorporando proteínas desde el citosol. La conexión retículo-peroxisomas también podría ser importante para regular la movilidad de los peroxisomas dentro de la célula. Los contactos físicos que se dan entre las membranas del retículo y los peroxisomas, y entre las mitocondrias y los peroxisomas, podrían seguir suministrando membranas a los peroxisomas ya existentes para incrementar su volumen, y tras ello se produce la extrangulación. Se ha sugerido que el crecimiento podría darse también por vesículas emitidas desde el retículo endoplasmático, pero no hay evidencias claras de esto.

b) Las células son capaces de generar peroxisomas desde cero, es decir, cuando se eliminan todos los peroxisomas de una célula, ésta es capaz de generar peroxisomas nuevos y funcionales. A este proceso contribuyen vesiculas provenientes desde el retículo endoplasmático (tienen peroxina 16) y desde la mitocondrias (tienen peroxinas 3 y 14) en las células de mamíferos (en levaduras todas las vesículas provienen del retículo endoplasmático). Dichas vesículas, denominas pre-peroxisomales, se fusionan y forman pre-peroxisomas que irán madurando a medida que incorporan moléculas desde el citosol. La hipótesis es que, en ausencia de membranas de peroxisoma en una célula, las peroxinas se empiezan a sintetizar en el citosol y sus secuencias de inserción en membranas buscan la más parecida a la de los peroxisomas, que pueden ser las de las mitocondrias o las del retículo. La sola presencia de estas proteínas en una membrana hace que se empequeten en vesículas y se envíen al citosol para formar los pre-peroxisomas.

Existen proteínas, como las pex30, que aparecen en las regiones del retículo endoplasmático donde se van a formar las gotas de grasa. Curiosamente estas proteínas también aparecen en aquellas regiones donde se forman los peroxisomas. Así, parece que los mecanismos de formación de nuevos peroxisomas y nuevas gotas de grasa pueden ser compartidos.

Los peroxisomas se distribuyen por el citoplasma celular gracias a sus interacciones con los microtúbulos y los filamentos de actina. Estas interacciones, además, le permiten cambiar de forma y ayudan a separar los peroxisomas hijos tras una división.

La autofagia celular, es decir, la autodigestión de material interno, controla la cantidad de peroxisomas en la célula. Este proceso se produce por estrés celular o anoxia. Se forma un autofagosoma que se fusiona con el peroxisoma y lo degrada.

2. Funciones

Los peroxisomas deben su nombre a que las primeras enzimas que se descubrieron en su interior fueron las peroxidasas, aunque pueden contener más de 50 enzimas diferentes. Los tipos de enzimas presentes y su concentración varían dependiendo del tipo celular y del estado fisiológico de la célula. Los peroxisomas participan en una variedad sorprendente de reacciones metabólicas.

Los peroxisomas llevan a cabo dos procesos metabolicos importantes: metabolismo de lípidos y protección celular frente a peróxidos y moléculas oxidativas perjudiciales. En los mamíferos degradan lípidos de cadenas muy largas, lípidos ramificados, D-aminoácidos, poliaminas, y participan en la biosíntesis de plasmalógenos y ciertos precursores del colesterol. En algunas levaduras favorecen al asimilación del acohol. Dos enzimas son típicas de este orgánulo: la catalasa y la urato oxidasa. La catalasa está especializada en la eliminación del peróxido de hidrógeno (H2O2), que resulta de procesos oxidativos. Las reacciones de oxidación siguen el patrón siguiente:

RH2 +O2 → R + H2O2

El peróxido de hidrógeno es una molécula altamente reactiva y por tanto muy tóxica. La catalasa permite su inactivación mediante la siguiente reacción:

H2O2 + R-H2 → R+ 2H2O

Los peroxisomas suelen llevar a cabo numerosas y variadas funciones metabólicas (ver tabla más abajo), normalmente en cooperación con otros orgánulos celulares. En las plantas y en los hongos la β-oxidación se lleva a cabo exclusivamente en los peroxisomas, mientras que en las células animales también se realiza en las mitocondrias. En el hígado son importante para la síntesis de ácidos biliares. En las plantas, los peroxisomas también oxidan productos residuales de la fijación de CO2. A este proceso se le denomina fotorrespiración porque usa oxígeno y libera CO2. En las semillas, sin embargo, su función es la de almacenar sustancias de reserva y durante la germinación transformarán los ácidos grasos en azúcares. A estos peroxisomas se les llama glioxisomas, que también aparecen en las células de los hongos filamentosos. Es interesante reseñar que cuando comienza la fotosíntesis, tras la aparición de las primeras hojas, los glioxisomas se transforman en peroxisomas de las hojas. En los tripanosomas, parásitos causantes de la malaria, existen unos peroxisomas especializados en llevar a cabo glucolisis y se denominan glucosomas. En conjunto, a los diferentes tipos o especializaciones de los peroxisomas se les llama microcuerpos.

Recientemente se ha propuesto que los peroxisomas funcionan como plataformas de señalización en las células de los mamíferos.

Vías metabólicas Plantas Hongos Protozoos Animales
Biosíntesis
Ácidos biliares x x x
Hormonas x x
Ácidos grasos poli-insaturados x x x
Fosfolípidos éter (plasmalógenos) x x
Pirimidinas x x
Purinas x x x
Vía purinas "salvage" x x x
Antibióticos (penicilina) x x x
Toxinas contra plantas x x x
Aminoácido lisina x x x
Biotina x x
Metabolitos secundarios x x
Isoprenoides y colesterol x x
Degradación
Prostaglandina x x x
Aminoácidos x x
Poliaminas x
H2O2 por catalasa
Oxidación de ácidos grasos
Purinas x
Superóxidos por superóxido bismutasa x
Metabolismo del glicerol x x x
Glicolisis x x x
Degradación de metanol x x x
Ciclo del glioxilato x x
Fotorrespiración x x x
Otras
Mantenimiento de la integridad celular x x x
Bioluminiscencia x x x
Defensa contra virus x x x
Señalización en hipotálamo x x x

Tabla donde si indican diferentes funciones metabólicas de los peroxisomas y el grupo de eucariotas donde se realizan. Tomado de Smith y Aitchison, 2013.

Como se dijo anteriormente, los peroxisomas participan en rutas metabólicas que se realizan en parte en otros orgánulos. Por tanto, los peroxisomas tienen que interaccionar o comunicarse con tales orgánulos. Los peroxisomas pueden interaccionar con otros orgánulos mediante vesículas, mediante proteínas transportadoras de lípidos y a través de los contactos membrana-membrana. Mediante vesículas lo hacen sólo durante su génesis desde el retículo endoplasmático y las mitocondrias. La mayor parte del flujo sin embargo es por transportadores, canales y contactos entre membranas. Así, los sustratos para la oxidación de los ácidos grasos entran a través de transportadores ABCD localizados en sus membranas. Hay 3 ABCD. ABCD1 y ABCD2 participan en el transporte de ácidos grados muy largos. ABCD3 transporta acil-CoA y precursores de ácidos biliares. Las moléculas más pequeñas como NAD+, NADH y algunos solutos como el piruvato y el alfa-quetoglutarato entran al peroxisoma por el canal PXMP2.

Actualmente se cree que todos los orgánulos establecen contactos físicos entre membranas, que son lugares donde las membranas están más próximas que 30 nm, aunque no se fusionan. Se estabilizan por proteínas de anclaje, y con la participación de los lípidos. En células COS en cultivo se ha visto que más del 90 % de los peroxisomas están muy próximas a túbulos del retículo endoplasmático. Componentes clave de los contactos con el retículo endoplasmático son las proteínas VAPs. VAPs interaccionan con otras proteínas en la membrana opuesta del peroxisoma. En los peroxisomas hay ACBD4 y ACBD5 que son reconocidas por las VAPs del retículo.

Se ha estimado en células en cultivo que el 10-20% de los peroxisomas están en contacto con los lisosomas. Estos dos orgánulos cooperan en el metabolismo del colesterol. Cuando los peroxisomas fallan se produce una acumulación de colesterol en los lisosomas que pude ser patológica. Los contactos entre peroxisomas y gotas de lípidos sirven para trasnferir lípidos desde las gotas de lípidos hasta los peroxisomas.

Bibliografía

Costello JL, Schrader M. 2018. Unloosing the gordian knot of peroxisome formation. Current opinion in cell biology. 50. 50-56.

Ma C, Agrawal G, Subramani S. 2011. Peroxisome assembly: matrix and membrane protein biogenesis. Journal of cell biology. 193: 7-16. Descargar mitocondrias, peroxisomas y cloroplastos en pdf

Sargsyam, Y, Thoms S. 2020. Staying in healthy contact: how peroxisomes interact with other cell organelles. Trends in molecular medicine. 26: 2.

Smith JJ, Aitchison JD. 2013. Peroxisomes take shape. Nature reviews in molecular and cell biology. 14. 803-817. Descargar mitocondrias, peroxisomas y cloroplastos en pdf

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