Часть 3 (1129751), страница 80
Текст из файла (страница 80)
Внутренняя организация клеткии отщепляться после импорта или находиться внутри белка и сохраняться.При транспорте во внутреннюю мембрану иногда используется вторая, гидрофобная сигнальная последовательность, которая становится доступнойпосле удаления первой сигнальной последовательности. В хлоропластах импортиз стромы в тилакоид может происходить несколькими путями, отличающимися участвующими в процессе шаперонами и источниками энергии.12.4. ПероксисомыПероксисомы многим отличаются от митохондрий и хлоропластов.
Главное отличие cостоитв том, что они окружены единственной мембраной, и они не содержат ДНК или рибосом. Такимобразом, в отсутствие собственного генома все ихбелки кодируются в ядре. Пероксисомы получаютбольшинство своих белков путем селективногоимпорта из цитозоля, хотя некоторые проникаютчерез мембрану пероксисом через ЭР.Поскольку мы больше нигде не обсуждаемпероксисомы, стоит сделать небольшое отступление и рассмотреть некоторые функции этогоразнообразного класса органелл, и только послеэтого перейти к их биосинтезу. Во всех эукариотических клетках есть пероксисомы.
Онисодержат окислительные ферменты, напримеркаталазу и оксидазу мочевой кислоты, в такихвысоких концентрациях, что в некоторых клетках пероксисомы выделяются на электронныхмикрофотографиях благодаря присутствию в нихкристаллического ядра (рис. 12.30).Как и митохондрии, пероксисомы являютсяместом утилизации кислорода. Одна из гипотезих происхождения заключается в том, чтоони являются остатками древней органеллы, в которой протекал весь кислородныйметаболизм примитивных предшественниковэукариотических клеток.
Когда кислород,синтезированный фотосинтетическими бактериями, впервые стал накапливаться в атмосфере, он был крайне ядовит для большинства клеток. Пероксисомы могли снижатьвнутриклеточную концентрацию кислородаРис. 12.30. Электронная микрофотография трех пероксисом в клетке печени крысы. Ложнокристаллическиеэлектронно-плотные включения состоят из ферментаоксидазы мочевой кислоты. (С любезного разрешенияDaniel. S. Friend.)Глава 12. Внутриклеточные компартменты и сортировка белка 1227и одновременно использовать его высокую реакционную способность для полезныхреакций окисления.
Согласно этому взгляду, последующее развитие митохондрийсделало пероксисомы ненужными, поскольку многие биохимические реакции,которые происходили в пероксисомах без производства энергии, теперь стали сопряжены с синтезом АТP через окислительное фосфорилирование. Реакции окисления, протекающие в пероксисомах в современных клетках, представляют собойреакции, которые не взяли на себя митохондрии.12.4.1. Пероксисомы используют молекулярный кислород и перекись водорода для проведения окислительных реакцийПероксисомы носят такое название потому, что обычно они содержат одинили несколько ферментов, использующих молекулярный кислород для удаленияатомов водорода с определенных органических субстратов (обозначенных здесьчерез R) в реакции окисления, продуктом которой служит пероксид (перекись)водорода (H2O2):RH2 + O2 → R + H2O2.Каталаза использует синтезированную другими ферментами H2O2 в органелле для окисления различных субстратов, включая фенолы, муравьиную кислоту,формальдегид и этанол, в реакции «пероксидации»: H2O2 + R´H2 → R´ + 2H2O.Этот тип окислительной реакции играет важную роль в клетках печени и почек,где пероксисомы обезвреживают различные ядовитые молекулы, попадающиев кровоток.
Около 25 % потребляемого нами этанола таким образом окисляетсядо ацетальдегида. Более того, когда в клетке накапливается избыточное количествоH2O2, каталаза переводит его в H2O в следующей реакции:2H2O2 → 2H2O + O2.Важной функцией протекающих в пероксисомах окислительных реакцийявляется деградация молекул жирных кислот. Этот процесс, носящий названиеβ-окисления, последовательно укорачивает алкильные цепи жирных кислот блоками по два углеродных атома, превращая жирные кислоты в ацетил-КоА. Затемпероксисомы экспортируют ацетил-КоА в цитозоль для повторного его использования в реакциях биосинтеза. В клетках млекопитающих β-окисление происходиткак в митохондриях, так и в пероксисомах; однаков дрожжевых и растительных клетках эта жизненноважная реакция протекает исключительно в пероксисомах.Необходимой биосинтетической функцией животных пероксисом является катализ первых реакций образования плазмалогенов, самого распространенного класса фосфолипидов миелина (рис. 12.31).Рис. 12.31.
Структура плазмалогена. Очень много плазмалогенов содержится в миелиновых оболочках, изолирующих аксонынервных клеток. Плазмалогены составляют до 80–90 % всех фосфолипидов миелиновой мембраны. Помимо этаноламиновой головки и длинноцепочечной жирной кислоты, связанной с тем жефосфатом глицерина, что и во всех фосфолипидах, плазмалогенысодержат необычный жирнокислотный спирт, присоединенныйчерез эфирную связь (внизу слева).1228Часть IV. Внутренняя организация клеткиНедостаток плазмалогенов приводит к тяжелым нарушениям миелинизации аксоновнервных клеток, поэтому часто при нарушении работы пероксисом наблюдаютсяневрологические заболевания.Пероксисомы — очень разнообразные органеллы, и даже в различных типахклеток одного организма они могут нести разный набор ферментов.
Также ониудивительно хорошо приспосабливаются к изменению условий. Например, дрожжи,растущие на сахаре, имеют маленькие пероксисомы. Но если дрожжи выращиватьна метоноле, у них развиваются крупные пероксисомы, окисляющие метанол; еслиже их выращивать на жирных кислотах, у них развиваются большие пероксисомы,разрушающие жирные кислоты до ацетил-КоА в реакциях β-окисления.Пероксисомы также важны для растений.
Хорошо изучено два типа растительных пероксисом. Один из них содержится в листьях, где он участвует в фотодыхании (обсуждаемом в главе 14) (рис. 12.32, а). Второй тип пероксисом присутствует в прорастающих семенах, где он превращает жирные кислоты, запасенныев жирах семени, в сахара, необходимые для роста молодого растения. Посколькуэто превращение жиров в сахара происходит путем последовательных реакций,носящих название глиоксилатного цикла, такие пероксисомы также называютглиоксисомами (рис. 12.32, б).
В глиоксилатном цикле две молекулы ацетил-КоА,полученные при расщеплении жирных кислот в пероксисоме, используются длясинтеза янтарной кислоты, которая затем покидает пероксисому и в цитозоле превращается в глюкозу. В животных клетках нет глиоксилатного цикла, и поэтомуживотные не способны превращать жирные кислоты жиров в углеводы.12.4.2. Короткая сигнальная последовательность направляет импорт белков в пероксисомыСпецифическая последовательность трех аминокислот (Ser-Lys-Leu), расположенная на С-конце многих белков пероксисом, выполняет функцию сигнала импорта(см. таблицу 12.3, стр.
1237). Другие белки пероксисом содержат сигнальную последовательность вблизи N-конца. Если какую-либо из этих последовательностейприсоединить к цитоплазматическому белку, он будет импортироваться в пероксисомы. Процесс импорта до сих пор малоизучен, но известно, что в нем принимаютучастие растворимые рецепторные белки цитозоля, узнающие целевые сигналы,и белки докинга на цитоплазматической поверхности пероксисом.
В процессеимпорта, сопряженного с гидролизом АТP, участвуют по крайней мере 23 разныхбелка, называющихся пероксинами. Комплекс из 6 различных пероксинов образует мембранный транслокатор. Поскольку даже олигомерные белки не нуждаютсяв разворачивании для импорта в пероксисому, механизм транспорта отличается отмеханизма, используемого в митохондриях и хлоропластах. По крайней мере одинрастворимый рецептор импорта, пероксин Pex5, сопровождает свой груз внутрьпероксисом и, после высвобождения белка, возвращается обратно в цитозоль.Эти аспекты пероксисомального импорта белков напоминают транспорт белковв ядро.Значение процесса импорта и пероксисом ярко иллюстрирует наследственноезаболевание человека синдром Зельвегера, при котором нарушение процесса импорта в пероксисомы ведет к тяжелой пероксомальной недостаточности.
У больных,клетки которых несут «пустые» пероксисомы, наблюдаются тяжелые нарушениямозга, печени и почек, и они погибают вскоре после рождения. Мутация гена,Глава 12. Внутриклеточные компартменты и сортировка белка 1229Рис. 12.32. Электронные микрофотографии двух типов пероксисом растительных клеток. (а) Пероксисома с ложнокристаллическим ядром в клетке мезофилла табачного листа.
Близкое расположениепероксисом и хлоропластов, по-видимому, ускоряет обмен веществ между этими органеллами в процессе фотодыхания. (б) Пероксисомы в запасающей жиры клетке семядоли семени помидора через4 дня после прорастания. Здесь пероксисомы (глиоксисомы) связаны с липидными каплями, в которыхзапасены жиры, что отражает их центральную роль в мобилизации жиров и глюконеогенезе в процессепрорастания семян. (а, из S. E. Frederick and E. H. Newcomb, J.
Cell Biol. 43: 343–353, 1969. С любезного разрешения Rockefeller Press; б, из W. P. Wergin, P. J. Gruber and E. H. Newcomb, J. Ultrastruct. Res. 30: 533–557,1970. С любезного разрешения издательства Academic Press.)кодирующего пероксин Pex2, пероксомальный интегральный мембранный белок,участвующий в импорте белков, вызывает одну форму заболевания. Дефектныйрецептор N-концевого сигнала импорта вызывает более слабое наследственное заболевание пероксисом.Долгое время дискутируют, возникают ли новые пероксисомы из ранее существовавших путем роста и деления органеллы (т. е. происходит их автономнаярепликация, как в упомянутом ранее случае митохондрий и пластид), или они1230Часть IV.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
