البيروكسيسوم

البيروكسيسوم ( يُلفظ / pəˈrɒksɪˌsoʊm / ) هو عُضَيّة مُحاطة بغشاء ، وهي نوع من الأجسام الدقيقة ، توجد في سيتوبلازم جميع الخلايا حقيقية النواة تقريبًا . ^{[ 1 ] [ 2 ]} البيروكسيسومات عُضَيّات مؤكسدة. غالبًا ما يعمل الأكسجين الجزيئي كركيزة مُساعدة، حيث يتكوّن منه بيروكسيد الهيدروجين ( H₂O₂ ) _{. سُمّيت البيروكسيسومات بهذا الاسم نسبةً} إلى قدرتها على توليد بيروكسيد الهيدروجين والتخلص منه . وتؤدي أدوارًا رئيسية في ^{استقلاب} الدهون وتقليل أنواع الأكسجين التفاعلية . ^{[ 3} ]

تُشارك البيروكسيسومات في هدم الأحماض الدهنية طويلة السلسلة جدًا ، والأحماض الدهنية متفرعة السلسلة ، ومركبات وسيطة من الأحماض الصفراوية (في الكبد )، والأحماض الأمينية D ، والبوليامينات . كما تلعب البيروكسيسومات دورًا في التخليق الحيوي للبلازمالوجينات : وهي فوسفوليبيدات إيثرية ضرورية للوظيفة الطبيعية لأدمغة ورئتي الثدييات. ^{[ 4 ]} تحتوي البيروكسيسومات على ما يقارب 10% من النشاط الكلي لإنزيمين ( نازعة هيدروجين الجلوكوز-6-فوسفات ونازعة هيدروجين 6-فوسفوجلوكونات ) في مسار فوسفات البنتوز ، ^{[ 5 ]} وهو مسار مهم لاستقلاب الطاقة. ^{[ 4 ]} ولا يزال الجدل قائمًا حول ما إذا كانت البيروكسيسومات تُشارك في تخليق الإيزوبرينويد والكوليسترول في الحيوانات. ^{[ 4 ]} تشمل وظائف البيروكسيسوم الأخرى دورة الجليوكسيلات في البذور النابتة (" الجليوكسيسومات ")، والتنفس الضوئي في الأوراق، ^{[ 6 ]} وتحلل الجلوكوز في التريبانوسومات (" الجليكوسومات ")، وأكسدة الميثانول والأمين واستيعابهما في بعض الخمائر .

وُصفت البيروكسيسومات (الأجسام الدقيقة) لأول مرة من قِبل طالب الدكتوراه السويدي ج. رودين عام 1954. ^{[ 7 ]} وتم تحديدها كعضيات بواسطة كريستيان دي دوف وبيير بودوين عام 1966. ^{[ 8 ]} اكتشف دي دوف وزملاؤه أن البيروكسيسومات تحتوي على العديد من الأكسيدازات المشاركة في إنتاج بيروكسيد الهيدروجين (H₂O₂ ) _{، بالإضافة} إلى الكاتالاز المشارك في تحلل H₂O₂ _إلى أكسجين وماء. [ ₉ ^{] ونظرًا لدورها} في استقلاب البيروكسيد، أطلق عليها دي دوف اسم "البيروكسيسومات"، بدلاً من المصطلح المورفولوجي السابق "الأجسام الدقيقة". لاحقًا، وُصف أن إنزيم لوسيفيراز اليراع يستهدف البيروكسيسومات في خلايا الثدييات، مما سمح باكتشاف إشارة استهداف الاستيراد للبيروكسيسومات، وأدى إلى العديد من التطورات في مجال تكوين البيروكسيسومات. ^{[ 10 ] [ 11 ]}

البيروكسيسومات عضيات صغيرة (  قطرها 0.1-1 ميكرومتر) ذات مادة أساسية دقيقة حبيبية، محاطة بغشاء حيوي واحد، وتقع في سيتوبلازم الخلية. ^{[ 12 ] [ 13 ]} يوفر التقسيم إلى حجيرات بيئة مثالية لتعزيز التفاعلات الأيضية المختلفة داخل البيروكسيسومات، وهي تفاعلات ضرورية للحفاظ على وظائف الخلية وبقاء الكائن الحي.

يختلف عدد البيروكسيسومات وحجمها وتركيبها البروتيني باختلاف نوع الخلية والظروف البيئية. فعلى سبيل المثال، لوحظ في خميرة الخباز ( S. cerevisiae ) أنه مع توفر كمية كافية من الجلوكوز، لا يوجد سوى عدد قليل من البيروكسيسومات الصغيرة. في المقابل، عند تزويد الخميرة بالأحماض الدهنية طويلة السلسلة كمصدر وحيد للكربون، يمكن تكوين ما يصل إلى 20 إلى 25 بيروكسيسومًا كبيرًا. ^{[ 14 ]}

تتمثل إحدى الوظائف الرئيسية للبيروكسيسوم في تكسير الأحماض الدهنية طويلة السلسلة جدًا من خلال عملية الأكسدة بيتا . في الخلايا الحيوانية، تتحول الأحماض الدهنية الطويلة إلى أحماض دهنية متوسطة السلسلة ، والتي تُنقل بدورها إلى الميتوكوندريا حيث تُكسر في النهاية إلى ثاني أكسيد الكربون والماء. أما في خلايا الخميرة والنباتات، فتتم هذه العملية حصريًا في البيروكسيسومات. ^{[ 15 ] [ 16 ]}

تحدث التفاعلات الأولى لتكوين البلازمالوجين في الخلايا الحيوانية أيضًا في البيروكسيسومات. يُعد البلازمالوجين أكثر الفوسفوليبيدات وفرةً في الميالين . ويؤدي نقص البلازمالوجينات إلى تشوهات خطيرة في عملية التمييل للخلايا العصبية ، وهو أحد أسباب تأثير العديد من اضطرابات البيروكسيسومات على الجهاز العصبي. ^{[ 15 ]} كما تلعب البيروكسيسومات دورًا في إنتاج الأحماض الصفراوية المهمة لامتصاص الدهون والفيتامينات الذائبة في الدهون، مثل فيتاميني أ وك. وتُعد الأمراض الجلدية من سمات الاضطرابات الوراثية التي تؤثر على وظيفة البيروكسيسومات نتيجةً لذلك. ^{[ 16 ]}

المسارات الأيضية المحددة التي تحدث حصريًا في البيروكسيسومات لدى الثدييات هي: ^{[ 4 ]}

• أكسدة ألفا لحمض الفيتانيك
• أكسدة بيتا للأحماض الدهنية طويلة السلسلة جدًا وغير المشبعة
• التخليق الحيوي للبلازمالوجينات
• اقتران حمض الكوليك كجزء من عملية تخليق الأحماض الصفراوية

تحتوي البيروكسيسومات على إنزيمات مؤكسدة ، مثل أوكسيداز الأحماض الأمينية D وأوكسيداز حمض اليوريك . ^{[ 17 ]} إلا أن الإنزيم الأخير غائب لدى البشر، مما يفسر مرض النقرس ، الناجم عن تراكم حمض اليوريك. تقوم بعض الإنزيمات داخل البيروكسيسوم، باستخدام الأكسجين الجزيئي، بإزالة ذرات الهيدروجين من ركائز عضوية محددة (مُشار إليها بالرمز R)، في تفاعل مؤكسد، منتجةً بيروكسيد الهيدروجين ( _{H₂O₂ ، وهو} سام بحد ذاته).

${\displaystyle \mathrm {RH} _{\mathrm {2} }+\mathrm {O} _{\mathrm {2} }\rightarrow \mathrm {R} +\mathrm {H} _{2}\mathrm {O} _{2}}$

يستخدم إنزيم الكاتالاز، وهو إنزيم بيروكسيسومي آخر، بيروكسيد الهيدروجين (H2O2 ) لأكسدة ركائز _{أخرى ،} بما في ذلك الفينولات وحمض الفورميك والفورمالديهايد والكحول ، عن طريق تفاعل البيروكسدة:

${\displaystyle \mathrm {H} _{2}\mathrm {O} _{2}+\mathrm {R'H} _{2}\rightarrow \mathrm {R'} +2\mathrm {H} _{2}\mathrm {O} }$وبالتالي القضاء على بيروكسيد الهيدروجين السام في هذه العملية.

يُعدّ هذا التفاعل مهمًا في خلايا الكبد والكلى، حيث تقوم البيروكسيسومات بإزالة سمية العديد من المواد السامة التي تدخل الدم. ويتم أكسدة حوالي 25% من الإيثانول الذي يستهلكه الإنسان عند شرب المشروبات الكحولية إلى أسيتالدهيد بهذه الطريقة. ^{[ 15 ]} بالإضافة إلى ذلك، عندما يتراكم فائض من بيروكسيد الهيدروجين (H₂O₂ ) _{في الخلية} ، يقوم إنزيم الكاتالاز بتحويله إلى ماء (H₂O ₎ من خلال هذا التفاعل:

${\displaystyle 2\mathrm {H} _{2}\mathrm {O} _{2}\rightarrow 2\mathrm {H} _{2}\mathrm {O} +\mathrm {O} _{2}}$

في النباتات الراقية، تحتوي البيروكسيسومات أيضًا على مجموعة معقدة من الإنزيمات المضادة للأكسدة، مثل ديسموتاز الفائق ، ومكونات دورة الأسكوربات-الجلوتاثيون ، وإنزيمات نازعة هيدروجين NADP لمسار فوسفات البنتوز. وقد ثبت أن البيروكسيسومات تُنتج جذور الأكسجين الفائق (O₂ _• ⁻ ) وجذور أكسيد النيتريك ( ^• NO). ^{[ 18 ] [ 19 ]}

توجد الآن أدلة تشير إلى أن أنواع الأكسجين التفاعلية هذه، بما في ذلك بيروكسيد الهيدروجين الموجود في البيروكسيسومات _، هي _أيضاً جزيئات إشارة مهمة في النباتات والحيوانات، وتساهم في الشيخوخة الصحية والاضطرابات المرتبطة بالعمر لدى البشر. ^{[ 20 ]}

تستقطب البيروكسيسومات في الخلايا النباتية عند مقاومة اختراق الفطريات. وتؤدي العدوى إلى إنتاج جزيء الجلوكوزينولات الذي يلعب دورًا مضادًا للفطريات، ويتم نقله إلى خارج الخلية من خلال عمل بروتينات البيروكسيسوم (PEN2 وPEN3). ^{[ 21 ]}

تساهم البيروكسيسومات في الثدييات والبشر أيضًا في الدفاع المضاد للفيروسات، ^{[ 22 ]} وفي مكافحة مسببات الأمراض. ^{[ 23 ]}

تُشتق البيروكسيسومات من الشبكة الإندوبلازمية الملساء في ظل ظروف تجريبية معينة، وتتكاثر عن طريق نمو الغشاء وانقسامه من عضيات موجودة مسبقًا. ^{[ 24 ] [ 25 ] [ 26 ]} تُترجم بروتينات مصفوفة البيروكسيسوم في السيتوبلازم قبل استيرادها. تُشير تسلسلات محددة من الأحماض الأمينية (PTS أو إشارة استهداف البيروكسيسوم ) في الطرف الكربوكسيلي (PTS1) أو الطرف الأميني (PTS2) لبروتينات مصفوفة البيروكسيسوم إلى استيرادها إلى العضية بواسطة عامل استهداف. يوجد حاليًا 36 بروتينًا معروفًا يشارك في تكوين البيروكسيسوم وصيانته، تُسمى البيروكسينات ، ^{[ 27 ]} والتي تُشارك في عملية تجميع البيروكسيسوم في كائنات حية مختلفة. في خلايا الثدييات، يوجد 13 بيروكسينًا مُحددًا. على عكس استيراد البروتين إلى الشبكة الإندوبلازمية أو الميتوكوندريا، لا تحتاج البروتينات إلى أن تُفك طيها لتُستورد إلى تجويف البيروكسيسوم. تُرافق مستقبلات استيراد بروتينات المصفوفة، وهي البيروكسينات PEX5 و PEX7 ، حمولاتها (التي تحتوي على تسلسل أحماض أمينية PTS1 أو PTS2، على التوالي) وصولًا إلى البيروكسيسوم، حيث تُطلق الحمولة في مصفوفة البيروكسيسوم، ثم تعود إلى السيتوسول - وهي خطوة تُسمى إعادة التدوير . تُعرف طريقة خاصة لاستهداف بروتينات البيروكسيسوم باسم النقل المُتراكب. لا تحتوي البروتينات المنقولة بهذه الطريقة الفريدة على إشارة استهداف تقليدية، بل ترتبط ببروتين PTS ليتم نقلها كمركب. ^{[ 28 ]} يُشار إلى النموذج الذي يصف دورة الاستيراد بآلية النقل المكوكية الموسعة . ^{[ 29 ]} توجد الآن أدلة على أن تحلل ATP ضروري لإعادة تدوير المستقبلات إلى السيتوسول. كما أن إضافة اليوبيكويتين ضرورية لتصدير PEX5 من البيروكسيسوم إلى السيتوسول. تتطلب عملية تكوين غشاء البيروكسيسوم وإدخال بروتينات غشاء البيروكسيسوم (PMPs) وجود البيروكسينات PEX19 وPEX3 وPEX16. يُعد PEX19 مستقبلًا وبروتينًا مرافقًا لبروتينات غشاء البيروكسيسوم، حيث يرتبط بها ويوجهها إلى غشاء البيروكسيسوم، حيث يتفاعل مع PEX3، وهو بروتين غشائي متكامل في البيروكسيسوم. بعد ذلك، تُدمج بروتينات غشاء البيروكسيسوم في غشاء البيروكسيسوم.

يُطلق على عملية تحلل البيروكسيسومات اسم البيروكسيسومات. ^{[ 30 ]}

تتطلب الوظائف المتنوعة للبيروكسيسومات تفاعلات ديناميكية وتعاونًا مع العديد من العضيات المشاركة في استقلاب الدهون الخلوية مثل الشبكة الإندوبلازمية والميتوكوندريا وقطرات الدهون والليزوزومات. ^{[ 31 ]}

تتفاعل البيروكسيسومات مع الميتوكوندريا في العديد من المسارات الأيضية، بما في ذلك أكسدة بيتا للأحماض الدهنية واستقلاب أنواع الأكسجين التفاعلية. ^{[ 4 ]} تتصل كلتا العضيتين اتصالاً وثيقاً بالشبكة الإندوبلازمية وتتشاركان في العديد من البروتينات، بما في ذلك عوامل انشطار العضيات. ^{[ 32 ]} كما تتفاعل البيروكسيسومات مع الشبكة الإندوبلازمية وتتعاون في تخليق دهون الإيثر (البلازمالوجينات)، وهي مهمة للخلايا العصبية (انظر أعلاه). في الفطريات الخيطية، تتحرك البيروكسيسومات على الأنيبيبات الدقيقة عن طريق "الارتباط"، وهي عملية تتضمن الاتصال بالجسيمات الداخلية المبكرة سريعة الحركة. ^{[ 33 ]} غالباً ما يتم التوسط في الاتصال الفيزيائي بين العضيات من خلال مواقع اتصال الأغشية، حيث ترتبط أغشية عضيتين فيزيائياً لتمكين النقل السريع للجزيئات الصغيرة، وتمكين التواصل بين العضيات، وهي ضرورية لتنسيق الوظائف الخلوية وبالتالي صحة الإنسان. ^{[ 34 ]} وقد لوحظت تغيرات في اتصالات الأغشية في العديد من الأمراض.

اضطرابات البيروكسيسوم هي فئة من الحالات الطبية التي تؤثر عادةً على الجهاز العصبي البشري، بالإضافة إلى العديد من أجهزة الجسم الأخرى. ومن الأمثلة الشائعة على ذلك ضمور المادة البيضاء الكظري المرتبط بالكروموسوم X واضطرابات تكوين البيروكسيسوم . ^{[ 35 ] [ 36 ]}

تشفر جينات PEX البروتينات (البيروكسينات) اللازمة لتكوين البيروكسيسوم بشكل سليم. تُستورد بروتينات غشاء البيروكسيسوم عبر مسارين على الأقل، أحدهما يعتمد على التفاعل بين البيروكسين 19 والبيروكسين 3، بينما يتطلب الآخر استيراد البيروكسين 3. قد يحدث أي من هذين المسارين دون استيراد إنزيمات المادة الأساسية (التجويف)، التي تحمل إشارة الاستهداف البيروكسيسومي PTS1 أو PTS2 كما ذُكر سابقًا. ^{[ 37 ]} يُنظم بروتين Pex11p استطالة غشاء البيروكسيسوم وانشطار العضية النهائي. ^{[ 38 ]}

تشمل الجينات التي تشفر بروتينات البيروكسين: ^PEX1 ، و ^PEX2 ( PXMP3)، ^و PEX3 ، وPEX5 ، وPEX6 ، وPEX7 ، وPEX9، ^{و PEX10} ، و PEX11A ، وPEX11B ، و PEX11G ، و PEX12 ، و PEX13 ، و PEX14 ، وPEX16 ، و PEX19 ، وPEX26 ، ^و PEX28 ، و PEX30 ، و PEX31 . وقد يختلف عدد ووظيفة هذه الجينات بين الكائنات الحية.

أظهرت دراستان مستقلتان لتحليل البروتينات البيروكسيسومية وجود تشابه بين آلية استيراد البروتينات البيروكسيسومية ومسار ERAD في الشبكة الإندوبلازمية ، ^{[ 41 ] [ 42 ]} بالإضافة إلى عدد من الإنزيمات الأيضية التي يُحتمل أنها جُلبت من الميتوكوندريا . ^{[ 42 ]} تتوافق هذه النظرية مع الاشتقاق التجريبي للبيروكسيسوم من الشبكة الإندوبلازمية الموصوف أعلاه. ^{[ 24 ]}

يختلف محتوى البروتين في البيروكسيسومات باختلاف الأنواع أو الكائنات الحية، ولكن وجود بروتينات مشتركة بين العديد من الأنواع استُخدم للإشارة إلى أصل تكافلي داخلي ؛ أي أن البيروكسيسومات تطورت من بكتيريا غزت خلايا أكبر كطفيليات، وطورت تدريجيًا علاقة تكافلية. ^{[ 43 ]} (تطرح نظرية محددة إمكانية أصلها من شعبة الأكتينوميسيتوتا ؛ ^{[ 44 ]} ولكن لم يكن هناك دعم تطوري لها. ^{[ 45 ]} ) ومع ذلك، فقد تم التشكيك في هذا الرأي من خلال اكتشافات حديثة. ^{[ 46 ]} على سبيل المثال، يمكن للطفرات الخالية من البيروكسيسومات استعادة البيروكسيسومات عند إدخال الجين الأصلي.

تشمل العضيات الأخرى لعائلة الأجسام الدقيقة المرتبطة بالبيروكسيسومات الجليوكسيسومات في النباتات والفطريات الخيطية ، والجليكوسومات في الكينيتوبلاستيدات ، ^{[ 47 ]} وأجسام وورونين في الفطريات الخيطية.

• مستقبلات منشطات البيروكسيسوم

• قاعدة بيانات البيروكسيسوم: Peroxisome-Database
• قاعدة معارف البيروكسيسوم (PeroxisomeKB):
• شبكة التدريب المبتكرة بيريكو