진핵세포 원시조상에서 모든 산소대사를 수행했던 고대 세포소기관 '퍼옥시좀'

[문형철]

Peroxisomes

Peroxisomes differ from mitochondria and chloroplasts in many ways. Most notably, they are surrounded by only a single membrane, and they do not contain DNA or ribosomes. Like mitochondria and chloroplasts, however, peroxisomes are thought to acquire their proteins by selective import from the cytosol. But because they have no genome, all of their proteins must be imported. Peroxisomes thus resemble the ER in being a self-replicating, membrane-enclosed organelle that exists without a genome of its own.

퍼옥시좀

퍼옥시좀은

미토콘드리아 및 엽록체와 여러 가지 면에서 다릅니다.

가장 주목할 만한 점은

퍼옥시좀은 하나의 막으로 둘러싸여 있으며

DNA나 리보솜을 포함하고 있지 않다는 점입니다.

그러나

미토콘드리아 및 엽록체와 마찬가지로 퍼옥시좀도

세포질에서 선택적으로 단백질을 가져와서

단백질을 얻는 것으로 생각됩니다.

그러나

퍼옥시좀은 게놈이 없기 때문에

모든 단백질을 수입해야 합니다.

따라서

퍼옥시좀은

자체 게놈 없이 존재하는 자가 복제하는 막으로 둘러싸인 세포 소기관이라는 점에서

ER과 유사합니다.

Because we do not discuss peroxisomes elsewhere, we shall digress to consider some of the functions of this diverse family of organelles, before discussing their biosynthesis. Peroxisomes are found in all eucaryotic cells. They contain oxidative enzymes, such as catalase and urate oxidase, at such high concentrations that in some cells the peroxisomes stand out in electron micrographs because of the presence of a crystalloid core (Figure 12-31).

퍼옥시좀에 대해서는 다른 곳에서 다루지 않으므로 생합성에 대해 논의하기 전에 이 다양한 세포 소기관의 기능 중 일부를 살펴보기로 하겠습니다.

퍼옥시좀은 모든 진핵 세포에서 발견됩니다.

과산화효소에는 

카탈라아제 및 요산 산화효소 와 같은 산화 효소가 매우 높은 농도로 포함되어 있으며,

일부 세포에서는 결정질 코어가 존재하기 때문에 전자 현미경 사진에서 퍼옥시좀이 두드러지게 나타납니다(그림 12-31).

Figure 12-31

An electron micrograph of three peroxisomes in a rat liver cell. The paracrystalline electron-dense inclusions are composed of the enzyme urate oxidase. (Courtesy of Daniel S. Friend.)

쥐 간 세포에 있는 세 개의 퍼옥시좀의 전자 현미경 사진. 비결정성 전자 밀도가 높은 내포물은 효소 요산 산화효소로 구성되어 있습니다. (Daniel S. Friend 제공).

Like mitochondria, peroxisomes are major sites of oxygen utilization. One hypothesis is that peroxisomes are a vestige of an ancient organelle that performed all the oxygen metabolism in the primitive ancestors of eucaryotic cells. When the oxygen produced by photosynthetic bacteria first began to accumulate in the atmosphere, it would have been highly toxic to most cells. Peroxisomes might have served to lower the intracellular concentration of oxygen, while also exploiting its chemical reactivity to perform useful oxidative reactions. According to this view, the later development of mitochondria rendered peroxisomes largely obsolete because many of the same reactions—which had formerly been carried out in peroxisomes without producing energy—were now coupled to ATP formation by means of oxidative phosphorylation. The oxidative reactions performed by peroxisomes in present-day cells would therefore be those that have important functions not taken over by mitochondria.

미토콘드리아와 마찬가지로 퍼옥시좀은

산소 이용의 주요 부위입니다.

한 가지 가설은

퍼옥시좀이 진핵 세포의 원시 조상에서

모든 산소 대사를 수행했던

고대 세포 소기관의 흔적이라는 것입니다.

광합성 박테리아가 생성한 산소가 처음 대기 중에 축적되기 시작했을 때

대부분의 세포에 매우 독성이 강했을 것입니다.

퍼옥시좀은

세포 내 산소 농도를 낮추는 동시에

산소의 화학 반응성을 이용해 유용한 산화 반응을 수행하는 역할을 했을 수 있습니다.

이 견해에 따르면,

미토콘드리아의 발달로 인해 이전에는 에너지를 생산하지 않고

퍼옥시좀에서 수행되었던 많은 동일한 반응이

이제 산화적 인산화를 통해 ATP 형성에 결합되어

퍼옥시좀이 거의 쓸모없게 되었습니다.

따라서

현재 세포에서 퍼옥시좀이 수행하는 산화 반응은

미토콘드리아가 대신하지 않는 중요한 기능을 가진 반응이 될 것입니다.

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Peroxisomes Use Molecular Oxygen and Hydrogen Peroxide to Perform Oxidative Reactions

Peroxisomes are so named because they usually contain one or more enzymes that use molecular oxygen to remove hydrogen atoms from specific organic substrates (designated here as R) in an oxidative reaction that produces hydrogen peroxide (H2O2):

퍼옥시좀은 분자 산소와 과산화수소를 사용하여 산화 반응을 수행합니다.

퍼옥시좀은 일반적으로 과산화수소(H2O2)를 생성하는 산화 반응에서 분자 산소를 사용하여 특정 유기 기질(여기서는 R로 지정)에서 수소 원자를 제거하는 하나 이상의 효소를 포함하고 있기 때문에 그렇게 명명되었습니다:

Catalase utilizes the H2O2 generated by other enzymes in the organelle to oxidize a variety of other substrates—including phenols, formic acid, formaldehyde, and alcohol—by the “peroxidative” reaction: H2O2 + R′ H2 → R′ + 2H2O. This type of oxidative reaction is particularly important in liver and kidney cells, where the peroxisomes detoxify various toxic molecules that enter the bloodstream. About 25% of the ethanol we drink is oxidized to acetaldehyde in this way. In addition, when excess H2O2 accumulates in the cell, catalase converts it to H2O through the reaction:

카탈라아제는 세포 내 다른 효소에 의해 생성된 과산화수소(H2O2 )를 사용하여 페놀, 포름산, 포름알데히드 및 알코올을 포함한 다양한 기질을 “과산화” 반응으로 산화시킵니다: H2O2 + R′ H2 → R′ + 2H2O.

이러한 유형의 산화 반응은

간과 신장 세포에서 특히 중요한데,

퍼옥시좀은 혈류로 유입되는 다양한 독성 분자를 해독합니다.

우리가 마시는 에탄올의 약 25%가

이러한 방식으로 아세트알데히드로 산화됩니다.

또한 세포에 과량의 아세트알데히드가축적되면

카탈라아제가 반응을 통해

아세트알데히드를 산소로 전환합니다:

A major function of the oxidative reactions performed in peroxisomes is the breakdown of fatty acid molecules. In a process called β oxidation, the alkyl chains of fatty acids are shortened sequentially by blocks of two carbon atoms at a time, thereby converting the fatty acids to acetyl CoA. The acetyl CoA is then exported from the peroxisomes to the cytosol for reuse in biosynthetic reactions. In mammalian cells, β oxidation occurs in both mitochondria and peroxisomes; in yeast and plant cells, however, this essential reaction occurs exclusively in peroxisomes.

An essential biosynthetic function of animal peroxisomes is to catalyze the first reactions in the formation of plasmalogens, which are the most abundant class of phospholipids in myelin (Figure 12-32). Deficiency of plasmalogens causes profound abnormalities in the myelination of nerve cells, which is one reason why many peroxisomal disorders lead to neurological disease.

퍼옥시좀에서 수행되는 산화 반응의 주요 기능은

지방산 분자를 분해하는 것입니다.

β 산화로 불리는 과정에서 지방산의 알킬 사슬은

한 번에 두 개의 탄소 원자 블록에 의해 순차적으로 짧아져

지방산이 아세틸 CoA로 전환됩니다.

그런 다음

아세틸 CoA는 생합성 반응에 재사용하기 위해

퍼옥시좀에서 세포질로 내보내집니다.

포유류 세포에서 β 산화는

미토콘드리아와 퍼옥시좀 모두에서 일어나지만,

효모와 식물 세포에서는 이 필수 반응이 퍼옥시좀에서만 일어납니다.

동물 퍼옥시좀의 필수 생합성 기능은

미엘린에서 가장 풍부한 인지질 종류인

플라스말로겐 의 형성에서 첫 번째 반응을 촉매하는 것입니다(그림 12-32).

플라스말로겐이 결핍되면

신경 세포의 골수화에 심각한 이상이 발생하며,

이것이 많은 퍼옥시좀 장애가 신경 질환을 유발하는 이유 중 하나입니다.

Figure 12-32

The structure of a plasmalogen. Plasmalogens are very abundant in the myelin sheaths that insulate the axons of nerve cells. They make up some 80–90% of the myelin membrane phospholipids. In addition to an ethanolamine head group and a long-chain (more...)

Peroxisomes are unusually diverse organelles, and even in the various cell types of a single organism they may contain different sets of enzymes. They can also adapt remarkably to changing conditions. Yeast cells grown on sugar, for example, have small peroxisomes. But when some yeasts are grown on methanol, they develop large peroxisomes that oxidize methanol; and when grown on fatty acids, they develop large peroxisomes that break down fatty acids to acetyl CoA by β oxidation.

Peroxisomes are also important in plants. Two different types have been studied extensively. One type is present in leaves, where it catalyzes the oxidation of a side product of the crucial reaction that fixes CO2 in carbohydrate (Figure 12-33A). As discussed in Chapter 14, this process is called photorespiration because it uses up O2 and liberates CO2. The other type of peroxisome is present in germinating seeds, where it has an essential role in converting the fatty acids stored in seed lipids into the sugars needed for the growth of the young plant. Because this conversion of fats to sugars is accomplished by a series of reactions known as the glyoxylate cycle, these peroxisomes are also called glyoxysomes (Figure 12-33B). In the glyoxylate cycle, two molecules of acetyl CoA produced by fatty acid breakdown in the peroxisome are used to make succinic acid, which then leaves the peroxisome and is converted into glucose. The glyoxylate cycle does not occur in animal cells, and animals are therefore unable to convert the fatty acids in fats into carbohydrates.

Figure 12-33

플라스말로겐의 구조.

플라스말로겐은 신경 세포의 축삭을 절연하는 미엘린 수초에 매우 풍부하게 존재합니다.

이들은 미엘린 막 인지질의 약 80~90%를 구성합니다. 에탄올아민 헤드 그룹과 긴 사슬 외에도 (더...)

이 연구 결과는

플라스말로겐이 내인성 항산화제로서

ROS에 취약한 미엘린을 보호하는 방어 기능을 제공한다는 사실을 직접적으로 뒷받침

활성 산소종(ROS)은 노화, 신경 퇴행성 질환, 신경 장애를 비롯한 다양한 퇴행성 질환과 관련이 있습니다. 미엘린은 척추동물의 빠른 신경 전도를 촉진하는 지질이 풍부한 다층 피막입니다. 수초를 정교하게 만드는 세포의 높은 에너지 요구량과 낮은 항산화 능력을 고려할 때, 수초는 본질적으로 산화적 손상에 취약한 것으로 간주되어 추가적인 메커니즘이 구조적 손상을 방지하는지 의문이 제기되고 있습니다. 우리는 중추신경계(CNS)와 말초신경계(PNS)의 쥐 조직에서 ROS 매개 미엘린 손상의 구조적 및 생화학적 기초를 특성화했습니다. ROS가 수초 내 수초의 구조적 손상을 일으킬 수 있는지 확인하기 위해 전체 좌골 신경과 시신경을 구리(Cu), 과산화수소(HP), 오르토-페난트롤린(OP)으로 구성된 하이드록실 라디칼 생성 시스템으로 생체 외 배양했습니다. X-선 회절을 통해 고정되지 않은 조직을 정량적으로 평가한 결과 좌골 신경과 시신경 모두에서 미엘린 막이 비가역적으로 압축된 것으로 나타났습니다. 하이드록실 라디칼 제거제인 포름산나트륨이 있는 상태에서 배양하면 이러한 손상이 방지되어 하이드록실 라디칼 종을 암시하는 것으로 나타났습니다. 미엘린 막에는 특히 항산화 특성이 있는 것으로 알려진 에테르 연결 인지질의 일종인 플라스말로겐이 풍부하게 함유되어 있습니다. 플라스말로겐 결핍(Pex7 녹아웃) 마우스의 좌골 신경의 미엘린은 WT 마우스의 미엘린보다 Cu/OP/HP 매개 ROS에 의한 압축에 훨씬 더 취약했습니다. 이 연구 결과는 플라스말로겐이 내인성 항산화제로서 ROS에 취약한 미엘린을 보호하는 방어 기능을 제공한다는 사실을 직접적으로 뒷받침합니다.

퍼옥시좀은 매우 다양한 세포 소기관으로,

단일 유기체의 다양한 세포 유형에서도 서로 다른 효소 세트를 포함할 수 있습니다.

또한 변화하는 조건에 놀랍도록 적응할 수 있습니다.

예를 들어 설탕에서 자란 효모 세포는 작은 퍼옥시좀을 가지고 있습니다.

그러나

일부 효모는 메탄올에서 성장하면 메탄올을 산화시키는 큰 퍼옥시좀을,

지방산에서 성장하면 β 산화를 통해 지방산을 아세틸 CoA로 분해하는

큰 퍼옥시좀을 발달시킵니다.

퍼옥시좀은 식물에서도 중요합니다. 두 가지 유형이 광범위하게 연구되었습니다. 한 유형은 잎에 존재하며, 탄수화물에서CO2를 고정하는 중요한 반응의 부산물의 산화를 촉매합니다(그림 12-33A). 14장에서 설명한 것처럼 이 과정은 O2 를 소모하고CO2 를 방출하기 때문에 광흡수라고 합니다. 다른 유형의 퍼옥시좀은 발아하는 씨앗에 존재하며, 종자 지질에 저장된 지방산을 어린 식물의 성장에 필요한 당으로 전환하는 데 필수적인 역할을 합니다. 이러한 지방의 당 전환은 글리옥실레이트 주기로 알려진 일련의 반응에 의해 이루어지기 때문에 이러한 퍼옥시좀은 글리옥시좀이라고도 합니다(그림 12-33B). 글리옥실레이트 주기에서는 퍼옥시좀에서 지방산이 분해되어 생성된 두 분자의 아세틸 CoA가 숙신산을 만드는 데 사용되며, 숙신산은 퍼옥시좀을 떠나 포도당으로 전환됩니다. 동물 세포에서는 글리옥실레이트 순환이 일어나지 않으므로 동물은 지방의 지방산을 탄수화물로 전환할 수 없습니다.

Electron micrographs of two types of peroxisomes found in plant cells. (A) A peroxisome with a paracrystalline core in a tobacco leaf mesophyll cell. Its close association with chloroplasts is thought to facilitate the exchange of materials between these (more...)

식물 세포에서 발견되는 두 가지 유형의 퍼옥시좀의 전자 현미경 사진.

(A) 담배 잎 중엽 세포에 있는 비결정성 코어를 가진 퍼옥시좀. 엽록체와의 밀접한 연관성은 이들 사이의 물질 교환을 용이하게 하는 것으로 생각됩니다 (더 보기).

A Short Signal Sequence Directs the Import of Proteins into Peroxisomes

A specific sequence of three amino acids located at the C terminus of many peroxisomal proteins functions as an import signal (see Table 12-3). Other peroxisomal proteins contain a signal sequence near the N terminus. If either of these sequences is experimentally attached to a cytosolic protein, the protein is imported into peroxisomes. The import process is still poorly understood, although it is known to involve soluble receptor proteins in the cytosol that recognize the targeting signals, as well as docking proteins on the cytosolic surface of the peroxisome. At least 23 distinct proteins, called peroxins, participate as components in the process, which is driven by ATP hydrolysis. Oligomeric proteins do not have to unfold to be imported into peroxisomes, indicating that the mechanism is distinct from that used by mitochondria and chloroplasts and at least one soluble import receptor, the peroxin Pex5, accompanies its cargo all the way into peroxisomes and, after cargo release, cycles back out into the cytosol. These aspects of peroxisomal protein import resemble protein tranport into the nucleus.

The importance of this import process and of peroxisomes is demonstrated by the inherited human disease Zellweger syndrome, in which a defect in importing proteins into peroxisomes leads to a severe peroxisomal deficiency. These individuals, whose cells contain “empty” peroxisomes, have severe abnormalities in their brain, liver, and kidneys, and they die soon after birth. One form of this disease has been shown to be due to a mutation in the gene encoding a peroxisomal integral membrane protein, the peroxin Pex2, involved in protein import. A milder inherited peroxisomal disease is caused by a defective receptor for the N-terminal import signal.

Most peroxisomal membrane proteins are made in the cytosol and then insert into the membrane of preexisting peroxisomes. Thus, new peroxisomes are thought to arise from preexisting ones, by organelle growth and fission—as mentioned earlier for mitochondria and plastids, and as we describe below for the ER (Figure 12-34).

Figure 12-34

짧은 신호 서열이 퍼옥시좀으로 단백질의 유입을 지시한다.

많은 퍼옥시솜 단백질의 C 말단에 위치한 세 가지 아미노산의 특정 서열이 가져오기 신호로 작용합니다( 표 12-3 참조). 다른 퍼옥시좀 단백질은 N 말단 근처에 신호 서열을 포함하고 있습니다. 이러한 서열 중 하나가 세포질 단백질에 실험적으로 부착되면 해당 단백질은 퍼옥시솜으로 가져옵니다. 퍼옥시솜의 세포질 표면에 있는 도킹 단백질뿐만 아니라 표적 신호를 인식하는 세포질 내 수용성 수용체 단백질이 관여하는 것으로 알려져 있지만, 이 가져오기 과정은 아직 제대로 이해되지 않았습니다. ATP 가수분해에 의해 구동되는 이 과정에는 퍼옥신이라고 하는 최소 23개의 개별 단백질이 구성 요소로 참여합니다. 올리고머 단백질은 퍼옥시좀으로 수입되기 위해 펼쳐질 필요가 없으므로 미토콘드리아 및 엽록체에서 사용하는 메커니즘과는 다르며, 적어도 하나의 수용성 수입 수용체인 퍼옥신 Pex5는 화물을 퍼옥시좀으로 운반하고 화물 방출 후 다시 사이토솔로 순환하는 것으로 나타났습니다. 이러한 퍼옥시솜 단백질 수입의 측면은 핵으로의 단백질 수송과 유사합니다.

이러한 단백질 수입 과정과 퍼옥시좀의 중요성은 퍼옥시좀으로의 단백질 수입 결함이 심각한 퍼옥시좀 결핍으로 이어지는 유전성 인간 질환인 젤웨거 증후군을 통해 입증되었습니다. 세포에 “빈” 퍼옥시좀이 있는 젤웨거 증후군 환자는 뇌, 간, 신장에 심각한 이상을 보이며 출생 직후 사망합니다. 이 질환의 한 형태는 단백질 수입에 관여하는 퍼옥시솜 일체형 막 단백질인 퍼옥신 Pex2를 암호화하는 유전자의 돌연변이로 인한 것으로 밝혀졌습니다. 경미한 유전성 퍼옥시좀 질환은 N-말단 수입 신호에 대한 수용체 결함으로 인해 발생합니다.

대부분의 퍼옥시솜 막 단백질은 세포질에서 만들어진 다음 기존 퍼옥시솜의 막에 삽입됩니다. 따라서 새로운 퍼옥시좀은 앞서 미토콘드리아와 플라스티드에 대해 언급한 것처럼, 그리고 아래에서 ER에 대해 설명하는 것처럼 세포 소기관의 성장과 핵분열에 의해 기존 퍼옥시좀에서 생성되는 것으로 생각됩니다(그림 12-34).

A model for how new peroxisomes are produced. The peroxisome membrane contains import receptor proteins. Peroxisomal proteins, including new copies of the import receptor, are synthesized by cytosolic ribosomes and then imported into the organelle. Presumably, (more...)

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새로운 퍼옥시좀이 생성되는 방식에 대한 모델. 퍼옥시좀 막에는 수입 수용체 단백질이 포함되어 있습니다. 새로운 수입 수용체의 복사본을 포함한 퍼옥시좀 단백질은 세포질 리보솜에 의해 합성된 다음 세포 소기관으로 수입됩니다. 아마도, (더...)

Summary

Peroxisomes are specialized for carrying out oxidative reactions using molecular oxygen. They generate hydrogen peroxide, which they use for oxidative purposes—destroying the excess by means of the catalase they contain. Peroxisomes also have an important role in the synthesis of specialized phospholipids required for nerve cell myelination. Like mitochondria and plastids, peroxisomes are thought to be self-replicating organelles. Because they contain no DNA or ribosomes, however, they have to import their proteins from the cytosol. A specific sequence of three amino acids near the C terminus of many of these proteins functions as a peroxisomal import signal. The mechanism of protein import is distinct from that of mitochondria and chloroplasts, and oligomeric proteins can be transported into peroxisomes without unfolding.

요약

퍼옥시좀은

분자 산소를 사용하여

산화 반응을 수행하는 데 특화되어 있습니다.

과산화수소를 생성하여 산화 목적으로 사용하며,

과산화수소에 포함된 카탈라아제를 통해 과잉을 파괴합니다.

퍼옥시좀은

또한 신경 세포 수초화에 필요한 특수 인지질 합성에도 중요한 역할을 합니다.

미토콘드리아 및 플라스티드와 마찬가지로

퍼옥시좀은 자가 복제 소기관으로 생각됩니다.

그러나

DNA나 리보솜을 포함하지 않기 때문에

세포질에서 단백질을 가져와야 합니다.

이러한 많은 단백질의 C 말단 근처에 있는

세 가지 아미노산의 특정 서열이 퍼옥시솜 가져오기 신호로 작용합니다.

단백질 수입 메커니즘은

미토콘드리아 및 엽록체와 구별되며,

올리고머 단백질은 펼쳐지지 않고 퍼옥시솜으로 운반될 수 있습니다.

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Copyright © 2002, Bruce Alberts, Alexander Johnson, Julian Lewis, Martin Raff, Keith Roberts, and Peter Walter; Copyright © 1983, 1989, 1994, Bruce Alberts, Dennis Bray, Julian Lewis, Martin Raff, Keith Roberts, and James D. Watson .

Bookshelf ID: NBK26858