Τα υπεροξεισώματα (μικροσωμάτια) χαρακτηρίστικαν για πρώτη φορά από έναν Σουηδό διδακτορικό μαθητή, τονΓ. Ρόντιν, το 1954.[7] Ταυτοποιήθηκαν ως οργανίδια από το Βέλγο κυτταρολόγο Κριστιάν ντεΝτυβτο 1967.[8]ΟντεΝτυβκαιοι συνεργάτες του ανακάλυψαν ότι τα υπεροξεισώματα περιέχουν οξειδάσες, οι οποίες συμμετέχουν στην παραγωγή υπεροξειδίου του υδρογόνου (H2O2), καθώς και καταλάσες πουτο διασπούν σε οξυγόνο και νερό. Λόγω του ρόλου τους στο μεταβολισμό των υπεροξειδίων, οντεΝτυβτα ονόμασε "υπεροξεισώματα", αντικαθιστώντας τον όρο "μικροσωμάτια" πουτα χαρακτήριζε μορφολογικά μέχρι τότε. Αργότερα, αποδείχθηκε ότι η λουσιφεράση της πυγολαμπίδας εισέρχεται στα υπεροξεισώματα των κυττάρων των θηλαστικών, οδηγώντας έτσι στην ανακάλυψη του σήματος εισαγωγής στα υπεροξεισώματα και, κατ'επέκταση, στον εμπλουτισμό των γνώσεων πάνω στο πεδίο της βιογένεσης των υπεροξεισωμάτων.[9][10]
Τα υπεροξεισώματα είναι μικρά (0.1-1μm διάμετρο) υποκυτταρικά οργανίδια με λεπτή, κοκκιώδη μήτρα. Περιβάλλονται από μονοστιβάδα λιπιδικής μεμβράνης και βρίσκονται στο κυτταρόπλασμα ενός κυττάρου.[11][12]Η διαμερισματοποίηση δημιουργεί ένα βέλτιστο περιβάλλον, το οποίο προάγει ποικίλες μεταβολικές αντιδράσεις που επιτελούνται στα υπεροξεισώματα και απαιτούνται γιατη διατήρηση λειτουργιών ζωτικών γιατην επιβίωση του κυττάρου και, κατ΄επέκταση, του οργανισμού.
Ο αριθμός, το μέγεθος καιη πρωτεινική σύσταση των υπεροξεισωμάτων διαφέρουν ανάλογα μετον κυτταρικό τύπο, αλλά και τις περιβαλλοντικές συνθήκες. Για παράδειγμα, στο ζυμομύκητα που είναι γνωστός και ως μαγιά αρτοποιίας (S. cerevisiae),υπό συνθήκες γλυκόζης ως θρεπτικό μέσο, παρατηρούνται μόνο ελάχιστα, μικρά υπεροξεισώματα στα κύτταρα. Αντίθετα, υπό συνθήκες λιπαρών οξέων μακράς αλύσου σαν μοναδική πηγή άνθρακα, μπορούν να παρατηρηθούν έως και 20-25 υπεροξεισώματα μεγάλου μεγέθους.[13]
Μία σημαντική λειτουργία ενός υπεροξεισώματος είναι ο καταβολισμός των λιπαρών οξέων πολύ μακράς αλύσου, μέσω της β-οξείδωσης. Στα ζωικά κύτταρα, τα λιπαρά οξέα μακράς αλύσου μετατρέπονται σελιπαρά οξέα μέσης αλύσου, τα οποία μεταφέρονται σταμιτοχόνδρια όπου και σταδιακά διασπώνται σε διοξείδιο του άνθρακα και νερό. Στις ζύμες καιστα φυτικά κύτταρα, η διαδικασία αυτή επιτελείται αποκλειστικά στα υπεροξεισώματα.[14][15]
Οι πρώτες χημικές αντιδράσεις γιατη δημιουργία πλασμαλογόνουστα ζωικά κύτταρα λαμβάνουν επίσης μέρος στα υπεροξεισώματα. Το πλασμαλογόνο είναι τοπιο άφθονο φωσφολιπίδιο στημυελίνη. Έλλειψη πλασμαλογόνων προκαλεί σημαντικές ανωμαλίες στη μυελίνωση των νευρικών κυττάρων. Αυτός είναι και ένας από τους λόγους που πολλές υπεροξεισωματικές διαταραχές επηρεάζουν το νευρικό σύστημα.[14]Τα υπεροξεισώματα έχουν επίσης σημαντικό ρόλο στην παραγωγή χολικών οξέων, που είναι σημαντικά γιατην απορρόφηση λιπών και λιποδιαλυτών βιταμινών, όπως η βιταμίνη Ακαιη βιταμίνη Κ. Οι δερματικές διαταραχές είναι χαρακτηριστικά των γενετικών διαταραχών που επηρεάζουν τη λειτουργία του υπεροξεισώματος.[15]
Τα μεταβολικά μονοπάτια που λαμβάνουν μέρος αποκλειστικά στα υπεροξεισώματα των θηλαστικών είναι τα εξής:
β-οξείδωση λιπαρών οξέων πολύ μακράς αλύσου και πολυακόρεστων λιπαρών οξέων
βιοσύνθεση πλασμαλογόνων
σύνθεση χολικών οξέων
Τα υπεροξεισώματα διαθέτουν οξειδωτικά ένζυμα, όπως η οξειδάση των D-αμινοξέων καιη οξειδάση του ουρικού οξέος.[16] Ωστόσο, η οξειδάση του ουρικού οξέος είναι ένα ένζυμο πουδεν παράγεται από τον ανθρώπινο οργανισμό, γεγονός που εξηγεί την ύπαρξη της ασθένειας που είναι γνωστή ως ουρική αρθρίτιδακαι δημιουργείται από τη συσσώρευση ουρικού οξέος στον οργανισμό. Συγκεκριμένα ένζυμα των υπεροξεισωμάτων, χρησιμοποιώντας μοριακό οξυγόνο, αφαιρούν άτομα υδρογόνο από συγκεκριμένα οργανικά υποστρώματα (R), μέσω μιας οξειδωτικής αντίδρασης, παράγοντας έτσι υπεροξείδιο του υδρογόνου (H2O2):
Η καταλάση, ακόμα ένα ένζυμο των υπεροξεισωμάτων, χρησιμοποιεί το υπεροξείδιο του υδρογόνου γιατην οξείδωση άλλων υποστρωμάτων, όπως φαινόλες, φορμικό οξύ, φορμαλδεΰδηκαιαλκοόλες, μέσω της αντίδρασης περοξείδωσης:
, εξαλείφοντας πλήρως την τοξική αυτή ουσία.
Η αντίδραση αυτή είναι σημαντική στα ηπατικά και νεφρικά κύτταρα, όπου τα περοξεισώματα αποτοξινώνουν διάφορες τοξικές ουσίες που εισέρχονται στην κυκλοφορία του αίματος. Περίπου το 25% της αιθανόλης που καταναλώνεται από τον άνθρωπο μέσως της κατάποσης αλκοολούχων ποτών οξειδώνεται σε ακεταλδεϋδη με αυτόν τον τρόπο.[14] Επιπροσθέτως, η περίσσεια ποσότητα H2O2που συσσωρεύεται στο κύτταρο, μετατρέπεται μέσω της καταλάσης σε H2Ομετην παρακάτω χημική αντίδραση:
Στους ανώτερους φυτικούς οργανισμούς, τα υπεροξεισώματα διαθέτουν και αντιοξειδωτικά ένζυμα, όπως η δισμουτάση του υπεροξειδίου, τις ουσίες που συμμετέχουν στονκύκλο του ασκορβικού οξέος-γλουταθιόνηςκαι τις αφυδρογονάσες του NADP που συμμετέχουν στον κύκλο των φωσφορικών πεντοζών. Έχει αποδειχθεί, ότι τα υπεροξεισώματα συμμετέχουν στη δημιουργία υπεροξειδίων (O2•−) και ριζών μονοξειδίου του αζώτου.[17][18]
Πλέον έχει επίσης αποδειχθεί ότι τα αντιδραστικά είδη οξυγόνου, συμπεριλαμβανομένου καιτου περοξεισωματικού H2O2, αποτελούν και σημαντικά σηματοδοτικά μόρια στα φυτά καιστα ζώα και συνεισφέρουν στην υγιή γήρανση καισε ανθρώπινες διαταραχές που σχετίζονται μετην ηλικία.[19]
Το υπεροξείσωμα των φυτικών κυττάρων πολώνεται κατά τη διάρκεια αντιμετώπισης μυκητιακής μόλυνσης. Η μόλυνση αυτή πυροδοτεί την ενεργοποίηση του αντιμυκητιακού ρόλου ενός μορίου γλυκοζινολικού. Το μόριο αυτό παράγεται και μεταφέρεται στον εξωκυττάριο χώρο μέσω της δράσης των περοξεισωματικών πρωτεϊνών PEN2 και PEN3.[20]
Τα υπεροξεισώματα των θηλαστικών παρέχουν επίσης αντιική δράση[21]και συμβάλλουν στην αντιμετώπιση παθογόνων μικροοργανισμών.[22]
Τα υπεροξεισώματα δημιουργούνται από τοενδοπλασματικό δίκτυο υπό συγκεκριμένες πειραματικές συνθήκες. Αναδιπλασιάζονται μέσω μεμβρανικής ανάπτυξης και διαιρούνται από προϋπάρχοντα οργανίδια.[23][24][25]Οι πρωτεΐνες της μήτρας των υπεροξεισωμάτων μεταφράζονται στο κυτταρόπλασμα πριν από την εισαγωγή τους στα υπεροξεισώματα. Συγκεκριμένες αλληλουχίες αμινοξέων που χαρακτηρίζονται ως σήματα εισαγωγής στα υπεροξεισώματα (PTS, Peroxisomal Τargeting Signal) αποτελούν μέρος των πρωτεϊνών της μήτρας των υπεροξεισωμάτων. Οι πρωτεΐνες αυτές διαθέτουν τις συγκεκριμένες αλληλουχίες είτε στοκαρβοξυτελικό (PTS1) είτε στοαμινοτελικό τους άκρο. και επιτρέπουν την εισαγωγή τους στο οργανίδιο μέσω ενός σηματοδοτικού παράγοντα. Προς το παρόν, έχουν ανακαλυφθεί 36 πρωτεΐνες που σχετίζονται μετη βιογένεση και συγκρότηση των υπεροξεισωμάτων σε διαφορετικούς οργανισμούς και είναι γνωστές ως περοξίνες (peroxins).[26]Στα κύτταρα των θηλαστικών έχουν χαρακτηριστεί 13 διαφορετικές περοξίνες. Σε αντίθεση μετην πρωτεϊνική εισαγωγή στο ενδοπλασματικό δίκτυο (ΕΔ) ή στα μιτοχόνδρια, οι πρωτεΐνες δεν είναι απαραίτητο να ξεδιπλωθούν δομικά γιατην είσοδό τους στο υπεροξείσωμα. Οι υποδοχείς γιατην εισαγωγή των πρωτεϊνών της μήτρας, οι περοξίνες PEX5 και PEX7, συνοδεύουν τα φορτία τους (πρωτεΐνες με αλληλουχίες PTS1 και PTS2, αντίστοιχα) μέχρι τα υπεροξεισώματα, όπου τα απελευθερώνουν μέσα στην υπεροξεισωματική μήτρα και έπειτα επιστρέφουν στοκυτταρόπλασμα. Η διαδικασία αυτή χαρακτηρίζεται ως ανακύκλωση. Υπάρχει και ένας διαφορετικός τρόπος γιατη μεταφορά πρωτεϊνών πουδεν έχουν αλληλουχίες PTS. Εκείνες προσδένονται σε πρωτεΐνες με αλληλουχίες PTS και μεταφέρονται μαζί σαν σύμπλοκο (piggy backing).[27]Το μοντέλο που περιγράφει τον κύκλο εισαγωγής των υπεροξεισωματικών πρωτεϊνών (extended shuttle mechanism) είναι μοναδικό, καθώς δεν έχει περιγραφεί ποτέ κάτι παρόμοιο.[28] Έχει πλέον δειχθεί, ότι γιατην ανακύκλωση των υποδοχέων στο κυτταρόπλασμα απαιτείται υδρόλυση του ATP. Ακόμη, ηουβικουιτίνωση παίζει καθοριστικό ρόλο στην εξαγωγή του υποδοχέα PEX5 από το υπεροξείσωμα στο κυτταρόπλασμα. Η βιογένεση της υπεροξεισωματικής μεμβράνης καιη εισαγωγή των μεμβρανικών πρωτεϊνών των υπεροξεισωμάτων (PMPs) είναι λειτουργίες που ρυθμίζονται από τις περοξίνες PEX19, PEX3 και PEX16. Η PEX19 είναι υποδοχέας και πρωτεΐνη-συνοδός (chaperone), που προσδένεται στις μεμβρανικές πρωτεΐνες των υπεροξεισωμάτων και τις καθοδηγεί στη μεμβράνη του οργανιδίου. Εκεί, αλληλεπιδρά μετην PEX3, μία διαμεμβρανική πρωτεΐνη των υπεροξεισωμάτων καιτα PMPs εισάγονται στη μεμβράνη.
Η διαδικασία αποικοδόμησης των υπεροξεισωμάτων είναι γνωστή ως πεξοφαγία (pexophagy).[29]
Γιατην επιτέλεση των διαφορετικών λειτουργιών των υπεροξεισωμάτων απαιτούνται δυναμικές αλληλεπιδράσεις και συνεργασίες με πολλαπλά οργανίδια, τα οποία συμμετέχουν στο μεταβολισμό λιπιδίων στο κύτταρο. Τέτοια οργανίδια είναι το ενδοπλασματικό δίκτυο (ΕΔ), τα μιτοχόνδρια, τα λιπιδικά σωμάτια καιτα λυσοσώματα.[30]Τα υπεροξεισώματα αλληλεπιδρούν μετα μιτοχόνδρια σε διάφορα μεταβολικά μονοπάτια, όπως στηβ-οξείδωση των λιπαρών οξέων καιστο μεταβολισμό των αντιδραστικών μορφών οξυγόνου.[4]Καιτα δύο οργανίδια βρίσκονται σε στενή επαφή μετο ενδοπλασματικό δίκτυο και μοιράζονται διάφορες πρωτεΐνες, όπως παράγοντες που συμμετέχουν στη σχάση οργανιδίων.[31]Τα υπεροξεισώματα αλληλεπιδρούν μετο ενδοπλασματικό δίκτυο (ΕΔ) και συνεργάζονται γιατη σύνθεση αιθερικών λιπιδίων (πλασμαλογόνα), πού είναι σημαντικά γιατα νευρικά κύτταρα (βλέπε παραπάνω). Η αλληλεπίδραση μεταξύ οργανιδίων συνήθως επιτυγχάνεται μέσω ανάπτυξης μεμβρανικών σημείων επαφής, όπου μεμβράνες δύο οργανιδίων έρχονται σε πολύ μικρή απόσταση μεταξύ τους, χωρίς όμως να αποκτούν φυσική επαφή. Μέσω των επαφών αυτών, επιτυγχάνεται η ταχεία μεταφορά μικρομορίων, η διαοργανιδιακή επικοινωνία καιο συντονισμός κυτταρικών λειτουργιών σημαντικών γιατην ανθρώπινη υγεία.[32] Μεταβολές σε μεμβρανικά σημεία επαφής έχουν παρατηρηθεί σε διάφορες ασθένειες.
ΤαPEX γονίδια κωδικοποιούν το μηχανισμό πρωτεινών ("περοξίνες") που απαιτείται γιατην άρτια συγκρότηση των υπεροξεισωμάτων. Η συγκρότηση και διατήρηση της ακεραιότητας των μεμβρανών επιτυγχάνεται μετη δράση τριών περοξινών (περοξίνες 3, 16 και 19), χωρίς να απαιτείται η εισαγωγή ενζύμων της μήτρας. Ο πολλαπλασιασμός του οργανιδίου είναι μία λειτουργία που ρυθμίζονται από τη δράση της Pex11p.
Στα γονίδια που κωδικοποιούν τις περοξίνες περιλαμβάνονται οι: PEX1, PEX2 (PXMP3), PEX3, PEX5, PEX6, PEX7, PEX9[35][36], PEX10, PEX11A, PEX11B, PEX11G, PEX12, PEX13, PEX14, PEX16, PEX19, PEX26, PEX28, PEX30, και PEX31. Η αρίθμηση και λειτουργία τωνPEX γονιδίων, καικατ'επέκταση των πρωτεϊνικών προϊόντων τους, διαφέρει ανάλογα μετον οργανισμό.
Το πρωτεινικό περιεχόμενο τον υπεροξεισωμάτων ποικίλει ανάλογα μετο είδος ή τον οργανισμό, αλλά η παρουσία πρωτεινών που είναι κοινές σε πολλά είδη παραπέμπει ενδοσυμβιωτική προέλευση. Δηλαδή, τα υπεροξεισώματα εξελίχθηκαν από βακτήρια που εισέβαλλαν σε μεγαλύτερα κύτταρα και ανέπτυξαν σταδιακά μία συμβιωτική σχέση.[25] Ωστόσο, η άποψη αυτή έχει αμφισβητηθεί από πρόσφατες ανακαλύψεις.[37]Για παράδειγμα, σε μεταλλαγμένα στελέχη πουδεν διαθέτουν τα συγκεκριμένα οργανίδια, ανακτάται η δυνατότητα δημιουργίας τους μέσω της εισαγωγής του γονιδίου αγρίου-τύπου (wild-type).
Άλλα οργανίδια της οικογένειας των μικροσωματίων που σχετίζονται μετα υπεροξεισώματα, είναι τα γλυοξυσώματα των φυτών καιμυκήτων, τα γλυκοσώματα μιας ομάδας Πρωτίστων που ονομάζονται Kinetoplastea[42]καιτα σώματα Woronin των ασκομυκήτων.
↑Rhodin, J. (1954). «Correlation of ultrastructural organization and function in normal and experimentally changed proximal tubule cells of the mouse kidney». Doctorate Thesis. Karolinska Institutet, Stockholm..
Schrader M, Costello J, Godinho LF, Islinger M (2015). "Peroxisome-mitochondria interplay and disease". J Inherit Metab Dis. 38 (4): 681–702. doi:10.1007/s10545-015-9819-7. PMID25687155
Schrader M, Fahimi HD (2008). "The peroxisome: still a mysterious organelle". Histochem Cell Biol. 129 (4): 421–440. doi:10.1007/s00418-008-0396-9. PMID18274771.
Effelsberg D, Cruz-Zaragoza LD, Schliebs W, Erdmann R (2016). "Pex9p is a novel yeast peroxisomal import receptor for PTS1-proteins". Journal of Cell Science. 129: 4057–4066. doi10.1242/jcs.195271.
Yifrach E, Chuartzman SG, Dahan N, Maskit S, Zada L, Weill U, Yofe I, Olender T, Schuldiner M, Zalckvar E (2016). "Characterization of proteome dynamics in oleate reveals a novel peroxisome targeting receptor". Journal of Cell Science. 129 (21): 4067–4075. doi:10.1242/jcs.195255PMID27663510
Mateos RM, León AM, Sandalio LM, Gómez M, del Río LA, Palma JM (December 2003). "Peroxisomes from pepper fruits (Capsicum annuum L.): purification, characterisation and antioxidant activity". Journal of Plant Physiology. 160 (12): 1507–16. doi:10.1078/0176-1617-01008PMID14717445
Corpas FJ (November 2015). "What is the role of hydrogen peroxide in plant peroxisomes?". Plant Biology. 17 (6): 1099–103. doi:10.1111/plb.12376. PMID26242708.
