Peroxisom

Grundbau und Bedeutung

Peroxisomen sind Zellorganellen eukaryotischer Zellen. Sie liegen im Cytoplasma und sind als Vesikel von einer einfachen Biomembran umgeben. Mit einem Durchmesser von etwa 100–1000 nm bilden sie abgegrenzte Reaktionsräume, sogenannte Zellkompartimente. Dadurch können in ihnen chemische Reaktionen stattfinden, die im Cytoplasma gefährlich für die Zelle wären.

Peroxisomen enthalten Enzyme für den Stoffwechsel von Wasserstoffperoxid (H₂O₂). Dieses reaktionsfreudige und für Zellen giftige Molekül entsteht bei mehreren ihrer Stoffwechselreaktionen. Molekularer Sauerstoff dient dabei häufig als Co-Substrat, also als zusätzlicher Ausgangsstoff einer enzymatischen Reaktion. Die frühere morphologische Bezeichnung „Microbodies“ oder „Mikrobodies“ gilt als veraltet.

Anzahl, Größe und Proteinausstattung der Peroxisomen hängen vom Zelltyp und von den Wachstumsbedingungen ab. In der Backhefe Saccharomyces cerevisiae sind bei guter Glucoseversorgung beispielsweise nur wenige kleine Peroxisomen vorhanden. Werden die Hefen dagegen mit langkettigen Fettsäuren versorgt, entstehen 20 bis 25 große Organellen. Die Konzentration der Enzyme kann so hoch sein, dass sich kristalline Aggregate bilden, die als Nucleoide bezeichnet werden.

Entgiftung und Stoffwechsel

In Peroxisomen befinden sich etwa 60 Monooxygenasen und Oxidasen. Diese Enzyme katalysieren den oxidativen Abbau von Fettsäuren, Ethanol und anderen Verbindungen. Dabei verwenden sie molekularen Sauerstoff als Co-Substrat und erzeugen Wasserstoffperoxid. Da H₂O₂ im Cytoplasma wichtige Biomoleküle zerstören könnte, muss es im Peroxisom abgebaut oder für weitere Reaktionen genutzt werden.

Die Katalase entgiftet Wasserstoffperoxid durch eine Disproportionierungsreaktion, bei der H₂O₂ zugleich oxidiert und reduziert wird. Dabei entstehen Wasser und Sauerstoff:

2 H₂O₂ —Katalase→ 2 H₂O + O₂

Die namensgebende Peroxidase nutzt Wasserstoffperoxid zur Oxidation anderer Stoffe. Für einen Stoff R–H₂ gilt:

R–H₂ + H₂O₂ —Peroxidase→ R + 2 H₂O

Peroxisomen arbeiten beim Energiestoffwechsel mit Mitochondrien zusammen. Als Bindeglied dient das energiereiche Acetyl-CoA. Beispielsweise kann Ethanol mithilfe peroxisomaler Reaktionen nicht nur zur Entgiftung von Wasserstoffperoxid beitragen, sondern selbst in Acetyl-CoA überführt werden. Acetyl-CoA ist sowohl für den Katabolismus, also den abbauenden Energiestoffwechsel, als auch für den Anabolismus, den Aufbau von Stoffen wie Fettsäuren und Cholesterin, bedeutsam.

Ausschließlich in Peroxisomen laufen folgende Stoffwechselwege ab:

• die α-Oxidation von Phytansäure,

• die β-Oxidation sehr langkettiger, mehrfach ungesättigter Fettsäuren,

• die Biosynthese von Plasmalogenen,

• die Konjugation von Cholsäure im Rahmen der Gallensäuresynthese.

Plasmalogene sind wichtige Lipide der Myelinscheide von Nerven. Deshalb gehen Funktionsstörungen der Peroxisomen häufig mit neurologischen Schäden einher.

Spezialisierte Formen und Bildung

Glyoxysomen oder Glyoxisomen sind spezialisierte Peroxisomen im Endosperm und in den Speichergeweben fettreicher Samenzellen. Sie enthalten Enzyme des Glyoxylatzyklus. Mit deren Hilfe können gespeicherte Fette für den Aufbau von Biopolymeren wie Zucker und Proteinen genutzt werden, die eine Pflanze zum Wachstum benötigt.

In photosynthetisch aktiven Pflanzen beteiligen sich sogenannte Blatt-Peroxisomen an der Photorespiration und arbeiten dabei ebenfalls mit Mitochondrien zusammen. Pflanzliche Glyoxysomen und Blatt-Peroxisomen können sich ineinander umwandeln.

Die Herkunft der Peroxisomen wurde kontrovers diskutiert. Bekannt ist, dass sie sich innerhalb einer Zelle ähnlich wie Mitochondrien durch Teilung vermehren können. Daneben ist eine de novo-Bildung möglich: Zunächst schnüren sich Vorläufervesikel vom Endoplasmatischen Retikulum (ER) ab. Wahrscheinlich verschmelzen mehrere dieser kleinen Vesikel anschließend zu einem reifen Peroxisom. In Hefe ist das integrale Membranprotein Pex3 für diese Biogenese unverzichtbar. Der gezielte Abbau von Peroxisomen heißt Peroxyphagie; die entsprechenden Vorgänge bei Mitochondrien und dem ER werden Mitophagie beziehungsweise Reticulophagie genannt.

Transport der Proteine

Peroxisomen besitzen keine Ribosomen und können ihre Enzyme daher nicht selbst herstellen. Alle benötigten Proteine werden zunächst an Ribosomen im Zytosol synthetisiert und anschließend in das Peroxisom transportiert. Der Import erfolgt posttranslational, also nach Abschluss der Proteinsynthese, und die Proteine können dabei bereits gefaltet sein.

Beim häufigeren PTS1-Weg trägt das Protein an seinem C-terminalen Ende, also am Ende der Aminosäurekette, ein Peroxisom-Zielsignal. Dieses peroxisome targeting signal 1 (PTS1) ist meist nur drei Aminosäuren lang: Serin-Lysin-Leucin (SKL). Im Cytosol erkennt Pex5p das Signal und bringt das Protein zum Peroxisom. Der Protein-Pex5p-Komplex dockt dort an das integrale Membranprotein Pex14 an und wird über einen Membrankomplex mit Pex13 ins Innere transportiert. Danach wird Pex5 abgespalten und unter Verbrauch von ATP über den Pex2/10/12-Membrankomplex wiederverwendet.

Beim zweiten Weg besitzen die Proteine am N-terminalen Anfang ein längeres Signalpeptid namens PTS2. Pex7p erkennt dieses Signal und führt das Protein zum Membrankomplex des Peroxisoms. In Säugetierzellen wirkt dabei zusätzlich eine durch alternatives Spleißen entstandene Form von Pex5p mit. Nach dem Transport in die Matrix, den Innenraum des Peroxisoms, wird das PTS2-Signalpeptid abgeschnitten.

Peroxisomale Erkrankungen

Krankheiten, die durch Störungen der Peroxisomen entstehen, heißen Peroxisomopathien oder peroxisomale Krankheiten. Der Artikel unterscheidet allgemeine Peroxisomendefekte von Defekten einzelner peroxisomaler Enzyme oder Transportproteine.

Zu den Peroxisomendefekten gehören das Zellweger-Syndrom, die rhizomele Chondrodysplasia punctata Typ 1 aufgrund einer Mutation des PEX7-Gens, die neonatale Adrenoleukodystrophie und das infantile Refsum-Syndrom.

Zu den peroxisomalen Enzym- beziehungsweise Transportdefekten zählen das Pseudo-Zellweger-Syndrom durch eine Mutation der Acyl-CoA-Oxidase, die X-chromosomale Adrenoleukodystrophie infolge eines Defekts des peroxisomalen Transporterproteins für VLCFA-CoA-Synthetase sowie die rhizomele Chondrodysplasia punctata Typ 2 durch eine Mutation des DHAPAT/GNPAT-Gens. Da Peroxisomen unter anderem Plasmalogene für die Myelinscheiden von Nerven bilden, können solche Störungen neurologische Schäden hervorrufen.