Atlas de histología vegetal y animal

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.

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. Puede haber centenares de peroxisomas en una célula de mamíferos. Los peroxisomas son muy heterogéneos, tanto en contenido de enzimas, como en tamaño y forma. Sin embargo, todos ellos tienen unas proteínas asociadas llamadas peroxinas. Estas proteínas están implicadas en la incorporación de proteínas citosólicas bien al interior del peroxisoma o las insertan en su membrana. Las peroxinas pueden estar libres en el citosol o en las membranas de los peroxisomas. Hay unas 12 peroxinas. Las proteínas citosólicas destinadas a los peroxisomas tienen una secuencia señal, PTS1 o PTS2 (peroxisome targeting signal), que es reconocida por peroxinas libres en el citosol. Las enzimas que van dirigidas al interior del orgánulo son reconocidas por la peroxina Pex5. El complejo Pex5-enzima es posteriormente reconocido por Pex13, Pex14 y otras localizadas en la membran del peroxisoma, haciendo estas últimas que el complejo enzima-Pex5 entre al interior del peroxisoma, y posteriormente se disocie para dejar el enzima dentro y Pex5 es traslocado al exterior. Las proteínas que van a la membrana del peroxisoma son reconocidas en el citosol por Pex19. El complejo proteina-Pex19 es posteriormente reconocido por Pex3 y Pex16 que se encuentran en la membrana del peroxisoma, y que favorecen la integración de la proteína en la membrana. La incorporación de estas moléculas desde el citosol hace que los peroxisomas maduren y crezcan.

1. Biogénesis

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).

a) Los peroxisomas de una célula 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. 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 vesículas provenientes desde el retículo endoplasmático (tienen Pex16) y desde la mitocondrias (tienen Pex3 y Pex14) en las células de mamíferos. En levaduras parece que todas las vesículas provienen del retículo endoplasmático. Dichas vesículas, denominadas 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 peroxisomas 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 empaqueten 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 las vesículas pre-peroxisomales. 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 macroautofagia celular, es decir, la autodigestión de material interno, controla la cantidad de peroxisomas en la célula. Este proceso está presente en todas las células y se incrementa por disminución de la concentración de aminoácidos (falta de alimentos), hipoxia, estrés oxidativo, o defectos en los mecanismos de importe de proteínas desde el citosol a los peroxisomas. Los peroxisomas se pueden eleminar por macroautofagia selectiva y no selectiva. La selectiva se llama también pexofagia, y consiste en el reconocimiento específico por parte del fagóforo (estructura membranosa encierra a los componentes celulares a degradar) de proteinas ubiquitinadas (unión de proteínas ubiquitinas) en la superficie de los peroxisomas. Normalmente, se ubiquitinan las proteínas Pex13, Pex5 o Pex2.

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 alcohol. 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:

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

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 importantes para la síntesis de ácidos biliares. En las plantas, los peroxisomas también oxidan productos residuales de la fijación de CO₂. A este proceso, que realizan conjuntamente con mitocondrias y cloroplastos, se le denomina fotorrespiración porque usa oxígeno y libera CO₂. En las semillas, más concretamente en el endospermo y en los cotiledones, sin embargo, su función es la de almacenar sustancias de reserva y durante la germinación transformarán los ácidos grasos en azúcares gracias a una ruta metabólica llamada ciclo del glioxilato. Por ello, 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. Recientemente se ha propuesto que los peroxisomas funcionan como plataformas de señalización en las células de los mamíferos. En conjunto, a los diferentes tipos o especializaciones de los peroxisomas se les llama microcuerpos.

Tabla donde se 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 elementos como el piruvato y el alfa-cetoglutarato entran al peroxisoma por el canal PXMP2.

Comunicación con otros orgánulos

Actualmente se cree que todos los orgánulos establecen contactos físicos con sus 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 transferir lípidos desde las gotas de lípidos hasta los peroxisomas.

• Bibliografía ↷

  • Bibliografía

    Bajdzienko J, Bremm A. 2024. Mammalian pexophagy at a glance. Jounal of cell sciences. 137, jcs259775. doi:10.1242/jcs.259775

    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.

    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.