Peroxisoma

Un peroxisoma ( / p ə ˈ r ɒ k s ɪ ˌ s oʊ m / ) es un orgánulo unido a la membrana , un tipo de microcuerpo , que se encuentra en el citoplasma de prácticamente todas las células eucariotas . ^{[ 1 ] [ 2 ]} Los peroxisomas son orgánulos oxidativos. Con frecuencia, el oxígeno molecular actúa como cosustrato, a partir del cual se forma peróxido de hidrógeno (H ₂ O ₂ ). Los peroxisomas deben su nombre a sus actividades de generación y eliminación de peróxido de hidrógeno. Desempeñan funciones clave en el metabolismo de los lípidos y en la reducción de especies reactivas de oxígeno . ^{[ 3 ]}

Los peroxisomas participan en el catabolismo de ácidos grasos de cadena muy larga , ácidos grasos de cadena ramificada , intermediarios de ácidos biliares (en el hígado ), D-aminoácidos y poliaminas . Los peroxisomas también desempeñan un papel en la biosíntesis de plasmalógenos : fosfolípidos de éter críticos para el funcionamiento normal del cerebro y los pulmones de los mamíferos. ^{[ 4 ]} Los peroxisomas contienen aproximadamente el 10% de la actividad total de dos enzimas ( glucosa-6-fosfato deshidrogenasa y 6-fosfogluconato deshidrogenasa ) en la vía de las pentosas fosfato , ^{[ 5 ]} que es importante para el metabolismo energético. ^{[ 4 ]} Se debate si los peroxisomas participan en la síntesis de isoprenoides y colesterol en animales. ^{[ 4 ]} Otras funciones peroxisomales incluyen el ciclo del glioxilato en semillas en germinación (" glioxisomas "), la fotorrespiración en las hojas, ^{[ 6 ]} la glucólisis en tripanosomas (" glicosomas ") y la oxidación y asimilación de metanol y aminas en algunas levaduras .

Los peroxisomas (microcuerpos) fueron descritos por primera vez por el estudiante de doctorado sueco J. Rhodin en 1954. ^{[ 7 ]} Fueron identificados como orgánulos por Christian de Duve y Pierre Baudhuin en 1966. ^{[ 8 ]} De Duve y sus colaboradores descubrieron que los peroxisomas contienen varias oxidasas involucradas en la producción de peróxido de hidrógeno (H ₂ O ₂ ) así como catalasa involucrada en la descomposición de H ₂ O ₂ en oxígeno y agua. ^{[ 9 ]} Debido a su papel en el metabolismo del peróxido, De Duve los denominó "peroxisomas", reemplazando el término morfológico utilizado anteriormente, "microcuerpos". Posteriormente, se describió que la luciferasa de luciérnaga se dirige a los peroxisomas en células de mamíferos, lo que permitió el descubrimiento de la señal de direccionamiento de importación para los peroxisomas y desencadenó muchos avances en el campo de la biogénesis de los peroxisomas. ^{[ 10 ] [ 11 ]}

Los peroxisomas son orgánulos pequeños (0,1–1  μm de diámetro) con una matriz fina y granular, rodeados por una única biomembrana y ubicados en el citoplasma de la célula. ^{[ 12 ] [ 13 ]} La compartimentación crea un entorno optimizado para promover diversas reacciones metabólicas dentro de los peroxisomas, necesarias para mantener las funciones celulares y la viabilidad del organismo.

El número, el tamaño y la composición proteica de los peroxisomas son variables y dependen del tipo de célula y de las condiciones ambientales. Por ejemplo, en la levadura de panadería ( S. cerevisiae ), se ha observado que, con un buen suministro de glucosa, solo hay unos pocos peroxisomas pequeños. En cambio, cuando las levaduras se alimentan con ácidos grasos de cadena larga como única fuente de carbono, se pueden formar hasta 20 o 25 peroxisomas grandes. ^{[ 14 ]}

Una función principal del peroxisoma es la degradación de ácidos grasos de cadena muy larga mediante la beta-oxidación . En las células animales, los ácidos grasos de cadena larga se convierten en ácidos grasos de cadena media , que posteriormente se transportan a las mitocondrias, donde finalmente se descomponen en dióxido de carbono y agua. En las células de levadura y vegetales, este proceso se lleva a cabo exclusivamente en los peroxisomas. ^{[ 15 ] [ 16 ]}

Las primeras reacciones en la formación de plasmalógeno en las células animales también ocurren en los peroxisomas. El plasmalógeno es el fosfolípido más abundante en la mielina . La deficiencia de plasmalógenos causa anomalías profundas en la mielinización de las células nerviosas , lo que explica por qué muchos trastornos peroxisomales afectan al sistema nervioso. ^{[ 15 ]} Los peroxisomas también desempeñan un papel en la producción de ácidos biliares importantes para la absorción de grasas y vitaminas liposolubles, como las vitaminas A y K. Los trastornos cutáneos son características de trastornos genéticos que afectan la función de los peroxisomas. ^{[ 16 ]}

Las vías metabólicas específicas que ocurren exclusivamente en los peroxisomas de los mamíferos son: ^{[ 4 ]}

• α-oxidación del ácido fitánico
• β-oxidación de ácidos grasos poliinsaturados y de cadena muy larga
• biosíntesis de plasmalógenos
• Conjugación del ácido cólico como parte de la síntesis de ácidos biliares.

Los peroxisomas contienen enzimas oxidativas , como la D-aminoácido oxidasa y la ácido úrico oxidasa . ^{[ 17 ]} Sin embargo, esta última enzima está ausente en los humanos, lo que explica la enfermedad conocida como gota , causada por la acumulación de ácido úrico. Ciertas enzimas dentro del peroxisoma, utilizando oxígeno molecular, eliminan átomos de hidrógeno de sustratos orgánicos específicos (etiquetados como R), en una reacción oxidativa, produciendo peróxido de hidrógeno (H ₂ O ₂ , que es tóxico):

${\displaystyle \mathrm {RH} _{\mathrm {2} }+\mathrm {O} _{\mathrm {2} }\rightarrow \mathrm {R} +\mathrm {H} _{2}\mathrm {O} _{2}}$

La catalasa, otra enzima peroxisomal, utiliza este H₂O₂ _{para oxidar} otros sustratos, incluidos fenoles , ácido fórmico , formaldehído y alcohol , mediante la reacción de peroxidación:

${\displaystyle \mathrm {H} _{2}\mathrm {O} _{2}+\mathrm {R'H} _{2}\rightarrow \mathrm {R'} +2\mathrm {H} _{2}\mathrm {O} }$eliminando así el peróxido de hidrógeno tóxico en el proceso.

Esta reacción es importante en las células del hígado y los riñones, donde los peroxisomas desintoxican diversas sustancias tóxicas que ingresan a la sangre. Aproximadamente el 25 % del etanol que los humanos consumen al beber bebidas alcohólicas se oxida a acetaldehído de esta manera. ^{[ 15 ]} Además, cuando se acumula un exceso de H₂O₂ _en la _célula , la catalasa lo convierte en H₂O _mediante esta reacción:

${\displaystyle 2\mathrm {H} _{2}\mathrm {O} _{2}\rightarrow 2\mathrm {H} _{2}\mathrm {O} +\mathrm {O} _{2}}$

En las plantas superiores, los peroxisomas también contienen un conjunto complejo de enzimas antioxidantes como la superóxido dismutasa , los componentes del ciclo ascorbato-glutatión y las NADP-deshidrogenasas de la vía de las pentosas fosfato. Se ha demostrado que los peroxisomas generan radicales superóxido (O₂ _• ⁻ ) y óxido nítrico ( ^• NO). ^{[ 18 ] [ 19 ]}

Ahora hay evidencia de que esas especies reactivas de oxígeno, incluido el H₂O₂ peroxisomal , _{también son} moléculas de señalización importantes en plantas y animales y contribuyen al envejecimiento saludable y a los trastornos relacionados con la edad en los humanos. ^{[ 20 ]}

El peroxisoma de las células vegetales se polariza al combatir la penetración de hongos. La infección provoca la producción de una molécula de glucosinolato con función antifúngica, la cual es transportada al exterior de la célula mediante la acción de las proteínas peroxisomales (PEN2 y PEN3). ^{[ 21 ]}

Los peroxisomas en mamíferos y humanos también contribuyen a la defensa antiviral. ^{[ 22 ]} y al combate de patógenos ^{[ 23 ]}

Los peroxisomas se derivan del retículo endoplasmático liso bajo ciertas condiciones experimentales y se replican mediante crecimiento de membrana y división a partir de orgánulos preexistentes. ^{[ 24 ] [ 25 ] [ 26 ]} Las proteínas de la matriz del peroxisoma se traducen en el citoplasma antes de su importación. Secuencias específicas de aminoácidos (PTS o señal de direccionamiento peroxisomal ) en el extremo C (PTS1) o N (PTS2) de las proteínas de la matriz peroxisomal les indican que deben ser importadas al orgánulo por un factor de direccionamiento. Actualmente se conocen 36 proteínas involucradas en la biogénesis y el mantenimiento de los peroxisomas, llamadas peroxinas , ^{[ 27 ]} que participan en el proceso de ensamblaje de los peroxisomas en diferentes organismos. En las células de mamíferos, hay 13 peroxinas caracterizadas. A diferencia de la importación de proteínas al retículo endoplasmático (RE) o las mitocondrias, las proteínas no necesitan ser desplegadas para ser importadas al lumen del peroxisoma. Los receptores de importación de proteínas de la matriz, las peroxinas PEX5 y PEX7 , acompañan a sus cargas (que contienen una secuencia de aminoácidos PTS1 o PTS2, respectivamente) hasta el peroxisoma, donde liberan la carga en la matriz peroxisomal y luego regresan al citosol , un paso denominado reciclaje . Una forma especial de dirigir las proteínas peroxisomales se llama transporte a cuestas. Las proteínas transportadas por este método único no tienen una PTS canónica, pero se unen a una proteína PTS para ser transportadas como un complejo. ^{[ 28 ]} Un modelo que describe el ciclo de importación se denomina mecanismo de lanzadera extendida . ^{[ 29 ]} Ahora hay evidencia de que la hidrólisis de ATP es necesaria para el reciclaje de los receptores al citosol. Además, la ubiquitinación es crucial para la exportación de PEX5 del peroxisoma al citosol. La biogénesis de la membrana peroxisomal y la inserción de las proteínas de la membrana peroxisomal (PMP) requieren las peroxinas PEX19, PEX3 y PEX16. PEX19 es un receptor y chaperona de PMP que se une a estas proteínas y las dirige a la membrana peroxisomal, donde interactúa con PEX3, una proteína integral de la membrana peroxisomal. Posteriormente, las PMP se insertan en la membrana peroxisomal.

La degradación de los peroxisomas se denomina pexofagia. ^{[ 30 ]}

Las diversas funciones de los peroxisomas requieren interacciones dinámicas y cooperación con muchos orgánulos involucrados en el metabolismo lipídico celular, como el retículo endoplasmático, las mitocondrias, las gotas lipídicas y los lisosomas. ^{[ 31 ]}

Los peroxisomas interactúan con las mitocondrias en varias vías metabólicas, incluyendo la β-oxidación de ácidos grasos y el metabolismo de especies reactivas de oxígeno. ^{[ 4 ]} Ambos orgánulos están en estrecho contacto con el retículo endoplasmático y comparten varias proteínas, incluyendo factores de fisión de orgánulos. ^{[ 32 ]} Los peroxisomas también interactúan con el retículo endoplasmático y cooperan en la síntesis de lípidos de éter (plasmalógenos), que son importantes para las células nerviosas (ver más arriba). En los hongos filamentosos, los peroxisomas se mueven sobre microtúbulos por "autostop", un proceso que implica el contacto con endosomas tempranos de rápido movimiento. ^{[ 33 ]} El contacto físico entre orgánulos a menudo está mediado por sitios de contacto de membrana, donde las membranas de dos orgánulos están físicamente unidas para permitir la transferencia rápida de moléculas pequeñas, permitir la comunicación de orgánulos y son cruciales para la coordinación de las funciones celulares y, por lo tanto, la salud humana. ^{[ 34 ]} Se han observado alteraciones de los contactos de membrana en varias enfermedades.

Los trastornos peroxisomales son un grupo de afecciones médicas que suelen afectar al sistema nervioso humano, así como a muchos otros sistemas orgánicos. Dos ejemplos comunes son la adrenoleucodistrofia ligada al cromosoma X y los trastornos de la biogénesis de los peroxisomas . ^{[ 35 ] [ 36 ]}

Los genes PEX codifican la maquinaria proteica (peroxinas) necesaria para el correcto ensamblaje del peroxisoma. Las proteínas de la membrana peroxisomal se importan a través de al menos dos rutas, una de las cuales depende de la interacción entre la peroxina 19 y la peroxina 3, mientras que la otra es necesaria para la importación de la peroxina 3. Cualquiera de estas rutas puede ocurrir sin la importación de las enzimas de la matriz (lumen), que poseen la señal de direccionamiento peroxisomal PTS1 o PTS2, como se mencionó anteriormente. ^{[ 37 ]} La elongación de la membrana peroxisomal y la fisión final del orgánulo están reguladas por Pex11p. ^{[ 38 ]}

Los genes que codifican las proteínas peroxina incluyen: PEX1 , PEX2 (PXMP3), PEX3 , PEX5 , PEX6 , PEX7 , PEX9, ^{[ 39 ] [ 40 ]} PEX10 , PEX11A , PEX11B , PEX11G , PEX12 , PEX13 , PEX14 , PEX16 , PEX19 , PEX26, PEX28 , PEX30 y PEX31 . Entre organismos, la numeración y la función de PEX pueden diferir.

Dos análisis evolutivos independientes del proteoma peroxisomal encontraron homologías entre la maquinaria de importación peroxisomal y la vía ERAD en el retículo endoplasmático , ^{[ 41 ] [ 42 ]} junto con varias enzimas metabólicas que probablemente fueron reclutadas de las mitocondrias . ^{[ 42 ]} Esta teoría está en línea con la derivación experimental del peroxisoma del RE descrita anteriormente. ^{[ 24 ]}

El contenido proteico de los peroxisomas varía entre especies u organismos, pero la presencia de proteínas comunes a muchas especies se ha utilizado para sugerir un origen endosimbiótico ; es decir, los peroxisomas evolucionaron a partir de bacterias que invadieron células más grandes como parásitos y desarrollaron muy gradualmente una relación simbiótica. ^{[ 43 ]} (Una teoría específica plantea la posibilidad de un origen Actinomycetota ; ^{[ 44 ]} pero no hubo apoyo filogenético. ^{[ 45 ]} ) Sin embargo, esta visión ha sido cuestionada por descubrimientos recientes. ^{[ 46 ]} Por ejemplo, los mutantes sin peroxisomas pueden restaurar los peroxisomas al introducir el gen de tipo silvestre.

Otros orgánulos de la familia de microcuerpos relacionados con los peroxisomas incluyen los glioxisomas de plantas y hongos filamentosos , los glicosomas de los kinetoplástidos , ^{[ 47 ]} y los cuerpos de Woronin de los hongos filamentosos.

• receptor activado por proliferadores de peroxisomas

• PeroxisomeDB: Base de datos de peroxisomas
• PeroxisomeKB: Base de conocimientos sobre peroxisomas
• Red de formación innovadora PERICO