Peroxisomen

Peroxisomen
Morphologie, Funktion, Biogenese, Erkrankungen
Christopher Horst Lillig SS11

Peroxisomen
• ubiquitär in allen Eukaryoten
• 0.1 – 1 µM im Durchmesser
• werden von einer einzelnen Lipiddoppelschicht umgeben
• enthalten keine DNA und keine eigenen Ribosomen
• müssen alle Proteine selektiv aus dem Cytosol improtieren
• Peroxisomen aus unterschiedlichen Geweben/Zelltypen können
sich beträchtlich in ihrer Ausstattung mit Enzymen
unterscheiden
• In manchen Organismen liegen spezialisierte Peroxisomen vor,
z.B. Glyoxysomen in Pflanzen

Entdeckung der
Peroxisomen

Peroxisomen - Entdeckung
• In den 50er Jahren studierte C. de Duve den Mechanismus der
Insulin Wirkung. Er reinigte das Enzym Glucose-6-Phosphatase
mit Hilfe der Fraktionierung durch Zentrifugation aus der
mikrosomalen Fraktion.
• Um eine Verunreingung durch Saure Phosphatase
auszuschließen, untersuchte er seine Fraktionen, konnte eine
entsprechende Aktivität aber nicht finden.
• Als er die eingefrorenen Fraktionen später noch einmal
untersuchte, fand er überraschenderweise die Aktivität in der
mitochondrialen Fraktion.
• Als seine Zentrifuge defekt ware, wich er auf ein anderes Gerät
aus, konnte die Aktivität hier aber nicht wiederfinden.

Peroxisomen - Entdeckung
• de Duve fing an seine
Mitochondriale Fraktionen
in zwei Schritten zu
separieren und entdeclte
die Saure Phosphatayse
und ander “Saure” Enzyme
in der “leichten” Fraktion.
Diese wurde später
“Lysosomen” benannt.

Peroxisomen - Entdeckung
• Später fand de Duve in der lysosomalen Fraktion das Enzym
Uricase, das sich wesentlich von den anderen lysosoamalen
Proteinen unterschied (pH Optimuim etc).
• Mit Hilfe der neu entwickelten Dichtegradientenzentrifugation
fand er eine neue Fraktion, in der sich u.a. Uricase, Catalase
und D-Aminosäure Oxidasen befanden. Die neue Fraktion
wurde daher Peroxisomen benannt.

Peroxisomen - Entdeckung
The Nobel Prize in Physiology or Medicine
1974
Christian de Duve (1/3rd)
"for their discoveries concerning the structural
and functional organization of the cell"
Nobel Lecture, December 12, 1974
Exploring Cells with a Centrifuge

Struktur und
Morphologie

Peroxisomen - Morphologie

Peroxisomen

Peroxisomen
crystalline
inclusions
crystalline
and non-crystalline
inclusions
no
inclusions

Peroxisomen

Das peroxisomale Proteom
• Menschliche Peroxisomen enthalten ca. 90 Proteine
• ca. 30 – 40 Proteine zeichnen für die Biogenese und den
Proteinimport in Peroxismen verantwortlcih
• ca. 50 metabolische Enzyme

Biochemie

Peroxisomes – Funktionen
Was passiert in Peroxisomen?
• Sauerstoff Metabolismus – Produktion und Abbau von
Wasserstoffperoxid
• Abbau langkettiger Fettsäuren (Beta Oxidation)
• Fettsäure Alpha Oxidation
• Plasmalogen Biosynthese
• andere

Sauerstoff
Metabolismus

Peroxisomes – Sauerstoff Metabolismus

Peroxisomen - Catalase
• Catalasen werden von allen aeroben Lebensfromen gebildet.
• Catalasen (EC 1.11.1.6) sind Häm-Proteine, welche die
Umwandlung von Wasserstoffperoxid zu Wasser und
molekularem Sauerstoff katalysieren.
• 2H 2
O 2
-> 2H 2
O + O 2

Fettstoffwechsel

Peroxisomen – Beta Oxidation
(a) mitochondriale Beta Oxidation

Peroxisomen – Beta Oxidation
(a) mitochondriale Beta Oxidation

Peroxisomen – Beta Oxidation
(b) peroxisomale Beta Oxidation

Peroxisomale Alpha Oxidation

Peroxisomen – Plamalogen Biosynthese
Was ist ein Plasmalogen?
phospho lipid
plasmalogen

Peroxisomes – Plasmalogen Biosynthese
Was ist deren Funktion?
• In Herz- und Nervengewebe, Hoden, und Niere entsprechen
10-50% der Phospholipide Plasmalogenene
• Plasmalogene schützen Memebranen gegen die schädlcihen
Effekte von Singletsauerstoff
• Fehlen oder eine Reduktion der Plamsalogen führt zu schweren
Symptomen (s.u.)

Peroxisomen –
Plasmalogen Biosynthese

Peroxisomen – Fettstoffwechsel-Übersicht

andere Reaktionen

D-Aminosäure und Purin Katabolismus

Biogenese

Peroxisomen – Die Pex Proteine

Peroxisomen - Teilung
• Peroxisomen können durch Teilung
amplifiziert werden

Peroxisomen - Segregation während der Zellteilung
1. Vps1p: membrane fission
2. actin/myosin: transport
The Journal of Cell Biology |
Volume 155, Number 6, 2001

Peroxisomen – Morphogenese
• Peroxisomes können “sich selber” replizieren, was initial zu der
Vermutung führte dass sie wie Mitochondrian frühen
Endosymbionten entstammen.
• Allerdings ist der peroxisomale Recycling Mechanismus (s.u.)
homolog zum ER-associated degradation process (ERAD).

Peroxisomes – Evolution and morphogenesis
(in brief)
• For many years a lively discussion between two concepts took
place:
1. Growth and division
2. The ER contribution

Until ...
Heopfner et al. Cell, Vol. 122, 85–95, 2005
• Yeast and human cells that lack the proteins Pex3 and Pex19
do not contain peroxisomes
• However, when re-introduced in -/- mutants these proteins
induce the de-novo formation of peroxisomes

Until ...
Heopfner et al.
Cell, Vol. 122,
85–95, 2005

Peroxisomen – Evolution
(Gabaldón et al, 2006) have shown that
most peroxisomal proteins (39–58%) are
of eukaryotic origin, comprising all
proteins involved in organelle
biogenesis or maintenance.
A significant fraction (13–18%),
consisting mainly of enzymes, has an
alpha­proteobacterial origin and
appears to be the result of the
recruitment of proteins originally
targeted to mitochondria.

Proteinimport

Peroxisomale Targeting Sequenzen

Proteinimport

Proteinimport

Proteinimport – Pex5 shuttling

Transient pore hypothesis

Erkrankungen

Peroxisome biogenesis disorders
(PBDs)
• Zellweger syndrome spectrum
– Zellweger syndrome (ZS)
– neonatal adrenoleukodystrophy (NALD)
– infantile Refsum disease (IRD)
• rhizomelic chondrodysplasia punctata (RCDP)

Catalase Immunofluoreszenz Färbung in
Fibroblasten eines ZS Patienten

Zellweger (cerebrohepatorenal) syndrome
- clinical phenotype -
• Vorkommen ca. 1:50,000
• Meist im ersten Lebensjahr
tödlich
• Phänotyp Kopf/Gesicht:
– senkrechte Überentwicklung des
Kopfes
– wenig ausgeprägte Nasenwurzel
– kurzes Philtrum
– flach und rechteckig wirkendes
Gesicht
– hohe, vorgewölbte Stirn
– tief am Kopf sitzenden Ohren
– bei neugeborenen Kindern großer
noch nicht verknöcherter Bereich
auf der Schädeldecke
– wenig sichtbare Bewegungen der
Gesichtsoberfläche

• großer Augenabstand,
Schädigung der Augen und des
Sehnervs
• Cerebrale Zysten und verminderte
Windungen (Microgyrie)
• Neuronale Migrations Defekte
• Myelinierungsdefekte
• Verzögerte Entwicklung, schwere
kognitive Behinderung
• Ausgeprägte Muskelhypotonie
(„floppy infant“), Probleme mit
der Nahrungsaufnahme
• Leberschädigungen
• Multiystische Nierendysplasie
• Herzfehler

• Unterentwicklung der
Lunge
• Fehlerhafte Ossifikation,
verkürzte Oberarm und
Oberschenkelknochen
Diagnose:
Hoher Gehalt an langkettigen
Fettsäuren
Vermindertes Plasmalogen (Acyl-
CoA:DHAP-Transferase)
Fehlen von Poeroxisomen in
Fibroblasten und Hepatozyten
Therapie: (-)

ALD
• Progressive Hirnschädigung durch Schädigung des Myelin
• häufigste From: X-linked ALD
• 1:20,000 Männer
• Frauen können eine milde Form entwickeln
• Symptome:
– Seizures
– Ataxia
– Nebennieren-Insuffizienz (Mangel and Corticosteroiden und
Catecholaminen)
• In einigen Formen Rüchenmarksbetonte Schädigungen (Schwäche
und Lähmungen im Hüftbereich)

ALD: Fehlende Oxidation langkettiger Fettsäuren

(Lorenzo Odone, 1978-2008)