Struktur dan fungsi peroksisom

Peroksisom adalah organel terikat membran di sebagian besar sel-sel eukariotik, terutama yang terlibat dalam metabolisme lipid spesies dan konversi oksigen reaktif seperti hidrogen peroksida menjadi molekul yang lebih aman seperti air dan oksigen.

Lemak adalah molekul penyimpanan energi yang nyaman karena kepadatan energinya yang tinggi. Jumlah ATP yang dilepaskan dari oksidasi satu gram lemak jauh lebih tinggi daripada yang berasal dari karbohidrat atau protein. Lipid juga merupakan molekul yang sangat berguna untuk pembentukan sub-kompartemen terikat-membran dalam sel atau untuk menggambarkan sitoplasma dari ruang ekstraseluler. Tetapi, biokimia lipofilik mereka membuat mereka sulit untuk dimetabolisme dalam lingkungan seluler berair. Peroksisom adalah struktur di mana metabolisme molekul hidrofobik ini terjadi.

Struktur Peroksisom

Peroksisom adalah organel yang dapat bervariasi dalam bentuk, ukuran dan jumlah tergantung pada kebutuhan energi sel. Dalam sel ragi, media pertumbuhan yang kaya karbohidrat akan mengecilkan peroksisom. Di sisi lain, kehadiran racun atau makanan kaya lipid dapat meningkatkan jumlah dan ukurannya.

Organel ini terbuat dari fosfolipid bilayer dengan banyak protein yang terikat dengan membran – terutama yang berfungsi sebagai transporter protein dan translokator. Enzim yang terlibat dalam detoksifikasi dan metabolisme lipid disintesis pada ribosom bebas di sitoplasma dan diimpor secara selektif ke dalam peroksisom, membuatnya lebih mirip dengan mitokondria dan kloroplas bila dibandingkan dengan lisosom yang terangkat dari retikulum endoplasma (RE). Namun, ada juga beberapa bukti yang mengaitkan sintesis protein yang dimediasi RE dengan enzim yang ada dalam peroksisom.

Enzim dan protein yang ditujukan untuk peroksisom biasanya mengandung satu dari dua rangkaian sinyal. Artinya, ada peregangan pendek dari beberapa asam amino yang menentukan lokasi subselular protein. Urutan sinyal yang lebih umum disebut Peroxisome Targeting Sequence 1 (PTS1), yang terdiri dari trimer asam amino. Protein mengandung sekuens sinyal PTS1 memiliki residu serin diikuti oleh lisin dan kemudian residu leusin di ujung terimal karboksi. Sebagian besar protein peroksisom memiliki urutan sinyal ini. Agar PTS1 berfungsi optimal, urutan asam amino hulu trimer ini juga diperlukan. Beberapa laporan menunjukkan bahwa rangkaian C-terminal idealnya harus dilihat sebagai hamparan 20 asam amino yang diperlukan untuk pengenalan protein oleh transporter peroksisom dan molekul translokator.

Atau, protein peroksisomal juga bisa memiliki sekuens sinyal N-terminal yang terdiri dari 9 asam amino. Urutan ini terbuat dari dua dimer yang dipisahkan oleh hamparan 5 asam amino. Dimer pertama terbuat dari arginin dan leusin, sedangkan dimer kedua terbuat dari histidin dan leusin. Urutan sinyal ini diwakili menggunakan kode asam amino huruf tunggal sebagai RLx5HL.

Ada beberapa bukti bahwa ada urutan internal lain yang menargetkan protein untuk diimpor ke peroksisom yang belum dikarakterisasi. Peroksisom juga mengandung beberapa enzim pada konsentrasi yang sangat tinggi, kadang-kadang tampak memiliki inti kristaloid. Fosfolipid peroksisom sebagian besar disintesis dalam RE halus. Saat peroksisom tumbuh ukurannya karena masuknya protein dan lipid, itu dapat dibagi menjadi 2 organel.

Perbandingan Antara Peroksisom dan Organel Lainnya

Peroksisom memiliki beberapa kesamaan struktural dengan organel yang berbeda di dalam sel. Awalnya, sulit untuk membedakan lisosom dari peroksisom hanya melalui pemeriksaan mikroskopis. Setelah melalui, sentrifugasi diferensial mengungkapkan bahwa kedua struktur subselular ini memiliki komposisi yang berbeda. Protein dan komponen lipid mereka berbeda dan mereka mengandung enzim yang sangat berbeda. Secara khusus, peroksisom mengandung katalase untuk mendetoksifikasi hidrogen peroksida yang dihasilkan dari oksidasi-beta lemak. Perbedaan utama lainnya adalah protein lisosom disintesis pada RE kasar dan vesikula yang mengandung enzim yang tepat untuk membentuk lisosom.

Peroksisom memiliki kesamaan dengan mitokondria dan kloroplas. Sebagian besar protein dari organel ini diterjemahkan pada ribosom bebas di sitoplasma. Namun, tidak seperti mitokondria dan kloroplas, peroksisom tidak mengandung materi genetik atau mesin translasi, oleh karena itu seluruh proteomanya berasal dari impor dari sitoplasma. Selain itu, membran bilayer lipid tunggal membentuk peroksisom, berbeda dengan struktur membran ganda mitokondria dan kloroplas.

Fungsi Peroksisom

Peroksisom mendapatkan namanya dari penggunaan oksigen molekuler untuk proses metabolisme. Organel-organel ini sebagian besar terkait dengan metabolisme lipid dan pengolahan spesies oksigen reaktif. Dalam metabolisme lipid, peroksisom kebanyakan berurusan dengan β-oksidasi asam lemak, mobilisasi penyimpanan lipid dalam biji, biosintesis kolesterol dan sintesis hormon steroid.

β-oksidasi

Alasan utama untuk kepadatan energi yang tinggi dari lemak adalah proporsi atom oksigen yang rendah dalam setiap molekul asam lemak. Misalnya, asam palmitat, asam lemak yang mengandung 16 atom karbon dan memiliki massa molekul lebih dari 250 gram / mol, hanya memiliki dua atom oksigen. Meskipun hal ini membuat molekul penyimpanan lipid menjadi baik, mereka tidak dapat langsung dibakar sebagai bahan bakar atau cepat dikatabolisme di sitoplasma melalui glikolisis. Mereka perlu diproses sebelum mereka dapat dialihkan ke mitokondria untuk oksidasi lengkap melalui siklus asam sitrat dan fosforilasi oksidatif.

Ketika molekul-molekul ini perlu dioksidasi untuk melepaskan ATP, mereka harus terlebih dahulu dipecah menjadi molekul yang lebih kecil sebelum mereka dapat diproses di mitokondria. Dalam peroksisom, asam lemak rantai panjang secara progresif dipecah untuk menghasilkan asetil koenzim A (acetyl coA) dalam proses yang disebut β-oksidasi. Asetil coA kemudian bergabung dengan oksaloasetat untuk membentuk sitrat. Sementara sebagian besar karbohidrat memasuki siklus asam sitrat sebagai molekul tiga-karbon yang disebut piruvat yang kemudian dekarboksilasi untuk membentuk asetil coA, peroksisom β-oksidasi memungkinkan asam lemak untuk mengakses siklus asam sitrat secara langsung.

Salah satu produk sampingan utama β-oksidasi adalah hidrogen peroksida yang dapat berbahaya bagi sel. Molekul ini juga secara hati-hati didetoksifikasi oleh enzim katalase dalam peroksisom.

Peroksisom pada Tanaman

Pada tumbuhan, peroksisom memainkan peran penting dalam perkecambahan dan fotosintesis biji. Selama perkecambahan biji, penyimpanan lemak dimobilisasi untuk reaksi anabolik yang mengarah pada pembentukan karbohidrat. Ini disebut siklus glioksalat dan dimulai dengan β-oksidasi dan pembentukan asetil coA juga.

peroksisom
peroksisom

Dalam daun, peroksisom mencegah hilangnya energi selama fiksasi karbon fotosintesis melalui daur ulang produk fotorespirasi. Enzim penting yang disebut Ribulosa-1,5-bifosfat karboksilase / oksigenase (RuBisCO) diperlukan untuk fotosintesis, mengkatalisis karboksilasi ribulosa-1,5-bifosfat (RuBP). Ini adalah reaksi sentral untuk fiksasi karbon dioksida untuk membentuk molekul organik. Namun, RuBisCO, seperti namanya, juga dapat mengoksidasi RuBP, menggunakan oksigen molekuler, melepaskan karbon dioksida – pada dasarnya, membalikkan hasil bersih fotosintesis. Hal ini terutama terjadi ketika tanaman terkena lingkungan panas, kering dan stomata menutup untuk mencegah transpirasi.

Ketika RuBisCO mengoksidasi RuBP, ia menghasilkan molekul 2-karbon yang disebut fosfoglikolat. Ini ditangkap oleh peroksisom di mana ia teroksidasi menjadi glisin. Setelah itu, bolak balik antara mitokondria dan peroksisom, menjalani serangkaian transformasi sebelum diubah menjadi molekul gliserat yang dapat diimpor ke kloroplas untuk berpartisipasi dalam siklus Calvin untuk fotosintesis.

Biosintesis Lipid dan Detoksifikasi

Dalam sel-sel hewan, peroksisom adalah situs untuk sejumlah jumlah biogenesis lipid, terutama fosfolipid khusus yang disebut plasmalogen yang membentuk selubung mielin dalam serabut saraf. Peroksisom juga diperlukan untuk sintesis garam empedu. Sekitar 25% dari alkohol yang kita konsumsi dioksidasi menjadi asetaldehid di organel-organel ini. Peran mereka dalam mendetoksifikasi dan mengoksidasi sejumlah molekul, produk sampingan dan obat-obatan metabolik menjadikannya bagian yang menonjol dari sel-sel ginjal dan hati.

Gangguan Berkaitan dengan Fungsi peroksisom

Gangguan yang timbul dari kekurangan fungsi peroksisom dapat timbul dari defek pada biogenesis peroksisom, enzim peroksisom bermutasi, atau transporter non-fungsional yang mengenali PTS1 dan PTS2 dalam protein sitoplasma. Yang paling parah adalah kelainan genetik langka yang mengakibatkan gangguan perkembangan otak dan migrasi saraf, bersama dengan defisiensi myelin. Organ lain yang terkena termasuk sistem skeletal, hati, ginjal, mata, jantung dan paru-paru.

Gangguan ini biasanya disebabkan oleh mutasi pada gen PEX, yang diperlukan untuk biogenesis organel – dari pembentukan membran subselular, hingga pengenalan protein sitoplasma dan pengimporannya ke dalam matriks organel. Misalnya, PEX16 terlibat dalam sintesis membran peroksisomal, sementara PEX2 membentuk saluran translokasi untuk impor protein matriks. PEX5, di sisi lain adalah reseptor untuk mengenali urutan sinyal PTS1.

Cacat pada protein ini dapat menyebabkan penumpukan asam lemak rantai panjang dalam plasma darah atau urin serta keberadaan yang tidak tepat dari fosfolipid seperti plasmalogen dalam sel darah merah.