Proteosomy - kompleks enzymów proteolitycznycg umożliwiających pozalizosomową degradację białek w cytozolu.

Są dwa rodzaje proteosomów:

20S - nieaktywna jednostka podstawowa

26S - aktywny kompleks enzymów degradujących białka skoniugowane z ubikwityną

Główne etapy proteolizy ubikwitynozależnej:

1. aktywacja ubikwityny z udziałem ATP

2. transestryfikacja - napiętowanie ubikwityną białka przeznaczonego do degradacji

3. selekcja substratów białkowych skierowanych na drogę proteolizy

4. proteoliza zależna od ATP

5. uwolnienie ubikwityny

Białka ulegające proteolizie w proteosomie:

• wymagają aktywacji i napiętowania ubikwityną

• proces ich rozkładu zachodzi w wyspecjalizowanej nieobłonionej strukturze - proteosomie.

Białka ulegające degradacji w lizosomach:

• nie wymagają naznaczenia ubikwityną

• trafiają do obłonionego przedziału - lizosomu drogą endocytozy

• są hydrolizowane z udziałem kwaśnych proteaz rozpuszczonych w macierzy lizosomów

• w lizosomach degradowane są też inne niż białka cząsteczki

Lizosomy

• końcowy szlak endocytarny stanowiący populację obłonionych pęcherzyków zawierające kwaśne hydrolazy

• obecność tych enzymów stwarza konieczność obłonienia lizosomów

• łącznie w lizosomach jest obecnych ok. 40 różnych hydrolaz

• w lizosomie zachodzi nie tylko proces trawienia komórkowego wchłoniętych pokarmów, ale także rozkład niepotrzebnych już cząsteczek

• w lizosomach zachodzą procesy degradacji między innymi białek glikolipidów i sulfoglikolipidów oraz estrów wysokocząsteczkowych i estrów nieskocząsteczkowych, oligosacharydów, kwasów nukleinowych

• substraty mające ulec degradacji w lizosomach, trafiają tam głównie na drodze endocytozy klatrynozależnej

• zdecydowana większość enzymów hydrolitycznych stanowią białka rozpuszczalne obecne w świetle lizosomów

• wszystkie białkowe elementy lizosomów powstają w siateczce śródplazmatycznej, a żeby trafiły do wnętrza lizosomu musi zajść fosforylacja reszt mannozy

Transcytoza.

Pęcherzyki przechodzą z jednej strony błony na drugą bez trawienia zawartości pęcherzyka. Zjawisko transportowania danej substancji z jednego bieguna komórki na drugi poprzez cytoplazmę. Z reguły substancja jest pobierana przy udziale receptora na jednym biegunie i transportowana w pęcherzykach wewnątrzcytoplazmatycznych. Po dotarciu pęcherzyka na drugi biegun komórki, błona pęcherzyka zlewa się z błoną komórkową, a substancja uwalnia się do otoczenia. Przykładem może być transport immunoglobulin-A przez komórki nabłonkowe jelita.

Ważniejsze enzymy lizosomalne

Nazwa enzymu	Substrat
Kwaśna fosfataza Arylosulfataza β A - Galaktozydyna B - Galaktozydyna Katepsyna L B - Glukuronidaza Heksaminidaza	Estry fosforanowe Estry siarczanowe Glikolipidy Gangliozydy Białka Mukopolisacharydy Glikozoaminoglikany

Proteoliza lizosomowa jest mniej selektywna niż cytozolowa.

.

Białka ulegają degradacji, ponieważ:

• jest to rodzaj regulacji ich aktywności biologicznej

• są źle sfałdowane

• ulegają odnowie

• są źródłem aminokwasów dla nowo powstających białek.

Zaburzenia związane z lizosomami:

1. wynikające z braku enzymów: brak lizosomów (lizosomopatie) - mukolipidoza II (dziedziczna, brak enzymu odpowiadającego za fosforylację reszt mannozy); Huntera brak enzymów odpowiedzialnych za hydrolizę siarkowych glikozaminoglikanów)

2. spichrzeniowe (genetyczne) - zaburzenia trawienia lizosomalnego i kumulacja różnych substancji:

• choroba Gauchera - AR, lipidoza, brak glukocerebrozydazy, gromadzą się ceremidaglikozydy, zmiany w neuronach OUN i kom.żernych

• choroba Niemana i Picka - AR, brak sfingomielinazy, gromadzi się sfingomielina (komponent błon komórkowych i osłonek mielinowych; zmiany z kom. żernych i w mózgu)

• choroba Taya-Sachsa - AR, lipidoza, brak heksozaminidazy, gromadzi się gangliozyd GM2, zaburzenia neurologiczne

• choroba Fabrye'go - o ciężkim przebiegu w szczególności u mężczyzn, brak ceramidotrójheksozydazy, zmiany w kom. naczyń krwionośnych, w śródbłonku, w miocytach

• choroba Wolmana - niedobór kwaśnej lipazy, gromadzą się estry cholesterolu i trój glicerydy

• choroba Krabbego - leukodystrofia globoidalna, AR, brak galaktocerebrozydazy, upośledzenie umysłowe, niedobór mieliny

• choroba Sandhoffa i Jatzkewitza - brakuje heksozaminidazy A i B, gromadzi się gangliozyd GM2

• gangliozydoza GM₁ - brak gangliozydazy GM_{1 ­}(β galaktozydaza), gromadzi się gangliozyd, niedorozwój umysłowy, zaburzenia wzrostu kości, hepatomegalia

• leukodystrofia metachromatyczna - metachromazja nerwów i opóźnienie umysłowe, brak arylosulfatazy A, która odpowiedzialna jest za trawienie siarczanów

• lipogranulomatoza Farbera - brak kwaśnej cer amidazy, gromadzi się ceramid, obrzęk stawów, hepatosplenomegalia

• glikogenozy - gromadzenie się glikogenu

3. gigantyczne lizosomy - zmiany przy adaptacji komórki, jej ostre i przewlekłe uszkodzenia. Upośledzone funkcje. Zaburzają proces prawidłowej fagocytozy czy endocytozy. Zhoroba Chediaka - Higashiego

Gromadzenie wewnątrzkomórkowe prowadzi do ostrych i przewlekłych uszkodzeń komórkowych.

• atrocytoza - powstaje nadmiar ciałek resztkowych - w lizosomach zagęszczenie substancji białkowych - lizosomy przypominają cebulę

• autofagia - trawienie własnych struktur komórki; w warunkach fizjologicznych - zanik gruczołu po laktacji

• zanik pierwotny - brak energii w komórce - nie powstają hydrolazy, nie ma szans na utworzenie lizosomów pierwotnych

• zanik brunatny(barwnikowy) - w lizosomach gromadzenie się wielonienasyconych lipidów, białek, fosfolipidów z rozkładu cytoplazmy (przejaw wewnątrzkomórkowej martwicy)

Peroksysomy - pierwotne utleniacze

• średnica 0,5-1,5um, otoczone pojedynczą błoną

• występują głównie w komórkach wątroby i nerek u ssaków, nielicznie w większości komórek. Występują nielicznie w większości komórek eukariotycznych jako frakcja mikrociał

• wnętrze wypełnia elektronowo gęsta ziarnista macierz, której rdzeń jest zwany nukleoidem; strukturę tę stanowi krystaliczna postać oksydazy moczanowej (urykazy).

Rola peroksysomów

• detoksykacja komórek przez utlenianie metabolitów i ksenobiotyków

• rozkład nadtlenku wodoru

• oksydacja średniołańcuchowych i długołańcuchowych kwasów tłuszczowych do cząsteczek 8-węglowych (dalsze etapy zachodzą w mitochondriach)

• biosynteza estrolipidów (plazmalogenów), cholesterolu

• produkcja kwasów żólciowych

• przemiana kwasu moczowego do alantoiny (oksydaza moczanowa)

• metabolizm aminokwasów (alanina, glioksylan pierwszy - usuwanie szczawianów)

Mikrociała

• organella komórkowa o średnicy 0,5 - 1,5 mikrometra

• otoczone pojedynczą bloną białkowo-lipidową

• wnętrze wypełnia jednorodna macierz

• często zawierają inkluzje krystalicznego białka

• peroksysomy to głównie frakcja mikrociał, w której zachodzi rozkład H₂O₂; stąd pochodzi nazwa tych organelli

• katalaza a nie peroksydaza jest ich enzymem markerowym

• zaangazowane w procesy utleniania, stąd ich główny system enzymów tworzą oksydoreduktazy flawinowe i katalaza

• produktem ubocznym aktywności peroksysomów jest toksyczny H₂O₂

• Jego rozkład (H₂O₂) zapewnia katalaza bądź peroksydaza

Metabolizm H₂O₂

RH₂ + O₂ →^{oksydaza, elektrony}→ R + H₂O₂

Droga rozkładu katalitycznego:

2H₂O₂ →^katalaza→ O₂ + 2H₂O

Droga rozkład peroksydacyjnego:

RH₂ + H₂O₂ →^elektrony→ R + 2H₂O

Powstający w wyniku rozkładu H₂O₂ przez peroksydazę tlen zostaje wykorzystany do utlenienia np. alkoholi, azotanów, a energia powstała ulega rozproszeniu w postaci ciepła nie powstaje ATP.

β - oksydacja kwasów tłuszczowych

• przebiega w komórkach roślin, grzybów i zwierząt

• produktem jest acetylo - CoA

• w komórkach zwierzęcych proces ten zachodzi też w mitochondriach

• 25% do 50% rozkładu kwasów tłuszczowych zachodzi w peroksysomach

• dotyczy to kwasów tłuszczowych o długości łańcucha większej od 16 węgli

• kwasy o dłuższych lub rozgałęziających się łańcuchach (16-20 czy 24-26 węgli) również są rozkładane w peroksysomach, a po skróceniu do 8 węgli w mitochondrium

• wiele komórek zwierzęcych (prostaglandyny) zawiera części hydrofobowe w cząsteczkach i zmienia aktywność poprzez skrócenie bocznych łańcuchów kwasów tłuszczowych. Peroksysomy regulują więc ich aktywność

Metabolizm związków azotu:

• urikaza - oksydaza moczanowa, przeprowadza w peroksysomach oksydację produktów przemian kwasów nukleinowych (puryny) i niektórych białek

• w metabolizm zw.azotowych są zaangażowane też aminotransferazy - przenoszą grupy aminowe z aminokwasów na α ketokwasy. W ten sposób peroksydazy biorą udział w biozyntezie i degradacji białek.

W metabolizmie związków niezwykłych np. D-aminokwasów albo ksenobiotyków (alkany). Oksydaza D-aminokwasowa jest być może dowodem, że peroksysomy są najstarszymi endosymbiontami.

Procesy patologiczne związane z zaburzeniami funkcji peroksysomów (peroksydomopatie):

• choroba Zellwegera (letalny zespół mózgowo-wątrobowo-nerkowy; rzadka choroba metaboliczna spowodowana zaburzeniem funkcji peroksysomów co powoduje gromadzenie się w mózgu wielonienasyconych kwasów tłuszczowych o długości łańcucha C­₂₆ - C₃₈)

• ciężka kamica nerkowa

• adrenoleukodystrofia (choroba Siemerlinga-Creutzfeldta; jest związana z zaburzoną peroksysomalną beta- oksydacją kwasów tłuszczowych o bardzo długich łańcuchach co prowadzi do nagromadzenia ich w różnych narządach)

Dysfunkcje dziedziczne = genetyczne:

• zaburzenia związane z nieprawidłową biosyntezą peroksysomów, które nie powstają np.

• kwasica hiperpipekolowa

• adrenoleukodystrofia noworodkowa

• choroba Zellwegera

• zaburzenia z dysfunkcją kilku enzymów:

• pozorny zespół Zellwegera,

• punktowa dysplazja chrząstek,

• karłowatość rizomieliczna

• defekt jednego enzymu:

• niedobór enzymu dwufunkcjonalnego,

• rzekomy zespól Zellwegera, (niedobór trilazy 3-oksycylo CoA)

• a-katalazemia (brak katalazy)

• brak oksydazy glutarylo CoA

Hipotezy powstawania peroksysomów

• „pączkowanie” błony gładkiej ER

• podział już istniejących peroksysomów

Najbardziej prawdopodobna jest hipoteza druga, bo białka peroksysomów są syntetyzowane na polirybosomach cytozolu i importowane są do już powstałych mikrociał.

Transport białek.

• białka są dostarczane potranslacyjnie

• ich transport odbywa się ze zużyciem ATP

• muszą być wyposażone w trzyliterowy sygnał targetu - sekwencja SKL.

• jest ona zbudowana z 3 aminokwasów: small uncharged (mały nienaładowany) - seryna, prolina, alanina; kation charged (naładowany dodatnio) - lizyna, arginina; lipidlike(hydrofobowy) - metionina, leucyna.

Pozbawienie sygnału SKL pozostawia białko perosysomowe w cytozolu. Dołączenie do obcego bialka - wprowadza je do peroksysomu (uniwersalizm SKL). Uniwersalizm dotyczy nawet białek pochodzących z innych organizmów. Jako przykład może służyć zlokalizowana w peroksysomach lucyferaza. Jest ona do nich transportowana w komórkach świetlików i transgenicznych roślin (tytoń).

Ważniejsze enzymy peroksysomów zwierzęcych.

Enzym	Proces
Oksydaza moczanowa Oksydaza D-aminokwasów Oksydaza acetylo-CoA Acetylotransferaza karnityny Reduktaza 3-hydroksy-3-metyloglutarylo-CoA	Katabolizm puryn Utlenianie aminokwasów Utlenianie kwasów tłuszczowych Transport kwasów tłuszczowych Synteza cholesterolu

Odkrywcą peroksysomów jest Christian de Duve, któy wydzielił je z frakcji lizosomalnej podając zwierzętom doświadczalnym detergent Triton WR 1339 akumulujący się perferencyjnie w lizosomach, zwiększając też ich ciężar.

Peroksysomy różnią się od lizosomów wrażliwością na inny detergent - digitoninę - 10 razy więcej digitoniny trzeba aby wyzwolić katalazę niż kwaśną fosfatazę. Gdyby były zlokalizowane w tych samych pęcherzykach - wyzwalałoby je to samo stężenie digitoniny.

Gdy peroksysomy zawierają rdzeń krystaliczny - łatwo je odróżnić na zdjęciach TEM. Gdy go nie ma stosuje się test DAB (reakcja z diaminobenzydyną).

W reakcji DAB po utlenieniu diaminobenzydyny przez katalazę powstaje polimer łączący się z czterotlenkiem osmu.

---