Peroksizom Yapısı

Dipte ayrılan bant

Ocağın üçüncü haftası, pazartesi sabahı, Kırıkkale. Bir üniversitenin hücre biyokimyası laboratuvarında soğuk odanın kapısı aralık, santrifüjün kapağı yeni açılmış. Mihriban Hanım yıllardır organelleri yoğunluklarına göre ayırıyor. Eren bu dönem yüksek lisansa başladı; ilk işi, sıçan karaciğeri homojenatının bir gece boyunca döndüğü yoğunluk gradyanı tüpünü dibinden delip on iki kesre bölmek oldu.

Her kesirde üç enzimin etkinliği ölçülmüş. Eren sonuçları tahtaya üç eğri olarak çiziyor. Asit fosfataz ile sitokrom oksidaz tüpün ortasında, birbirine yaslanmış iki tepe veriyor. Katalazın tepesi onlardan ayrı, dibe yakın dördüncü kesirde. "Lizozom ile mitokondri neredeyse üst üste," diyor Eren, "katalaz ise kendi başına, daha ağır bir yerde."

Tezgâhın öbür ucunda ikinci bir iş bekliyor. Kültür hücrelerinin bir kabına ucu serin, lizin, lösin üçlüsüyle biten yeşil floresan bir protein verilmiş; ekranda hücrelerin içi yüzlerce parlak noktayla dolu. Yan kapta aynı protein bu üç harf silinerek verilmiş: yeşil bütün sitoplazmaya sis gibi yayılmış. Mihriban Hanım iki kabı gösteriyor. "Tüp bize bölmenin içinde ne olduğunu söyledi. Kap da içeri neyin, nasıl girdiğini söylüyor."

Bu derste ne olacak

Önce dipteki bandın nasıl bir organele dönüştüğünü izleyecek, sonra zarını ve içini ölçülerle ele alacağız. Dersin ağırlığı içeri alma kapısında: proteinin ucundaki kısa sinyal, onu taşıyan alıcı ve alıcının geri çekilmesi. Sonunda zar proteinlerinin ayrı yoluna ve yeni peroksizomların nereden geldiğine bakacağız.

Metin

Bir banttan bir organele

Wikipedia'nın peroksizom maddesi ile Agrawal ve Subramani'nin 2013 derlemesi bu yapının ilk betimlenişini 1954'e, İsveçli doktora öğrencisi J. Rhodin'e bağlar. Agrawal ile Subramani'nin aktardığına göre fare böbreği ve karaciğer hücrelerinde tek zarla çevrili, ince taneli bir içerik taşıyan yoğun cisimler görülmüştü. Biçimden başka bir şey bilinmediği için elektron mikroskobu yazınına yalnızca "mikrocisim" (microbody) adıyla girdiler.

Kimliği santrifüj verdi. Veziküler Trafik dersinde Christian de Duve'ün 1974 Nobel ödülünü Palade ile paylaştığını anmıştık. De Duve'ün Nobel konuşmasında anlattığına göre ekibi 1950'lerin başında yaygınlaşan yoğunluk gradyanı santrifüjüyle sıçan karaciğerini ayırıyordu. Lizozomu asit fosfatazla, mitokondriyi sitokrom oksidazla, henüz adı konmamış öbür grubu ise ürat oksidaz ve katalazla izliyorlardı. Leighton ve arkadaşlarının 1968 makalesi ile aynı konuşma bir püf noktası aktarır: hayvana Triton WR-1339 adlı deterjan verildiğinde lizozomlar bu maddeyi biriktirip hafifliyor, mitokondri ile peroksizomun yoğunluğu ise değişmiyordu. Böylece üç grup birbirinden temizce ayrılabildi.

Agrawal ile Subramani'ye ve Wikipedia'ya göre bu bölmede hidrojen peroksit üreten birkaç oksidaz ile onu yıkan katalazın birlikte bulunması, 1960'larda "peroksizom" adını getirdi. De Duve'ün konuşması, Pierre Baudhuin'in de katıldığı elektron mikroskobu çalışmalarının bu kesirlerdeki tanecikleri mikrocisimlerle eşleştirdiğini anlatır. Hücresel Bölmelendirme dersinde peroksidin üretildiği zarın içinde yıkıldığını görmüştük. Oksidazların hangi tepkimelerle peroksit ürettiği ve katalazın onu nasıl yıktığı bu modülün sonraki derslerinde ayrıca işlenecek.

Tek zar, kendi DNA'sı olmayan bir iç

İnsan Hücresinin Görsel Haritası dersinde peroksizomun çapını Wikipedia ile bir histoloji atlasından 0,1–1 mikrometre olarak okumuştuk; BioNumbers veri tabanı da ökaryotlar için aynı aralığı verir. Zarı tektir. Mitokondrinin çift zarını, kendi DNA'sını ve ribozomunu ise Prokaryot ve Ökaryot Hücre dersinde endosimbiyoz kuramıyla bir bakteri atasına bağlamıştık.

De Duve bir dönem peroksizomun da böyle bir ortakçının kalıntısı olabileceğini düşünmüştü; Agrawal ile Subramani bu öneriyi aktarır. Bugünkü tablo farklı. Ma, Agrawal ve Subramani'nin 2011 derlemesi peroksizomun kendi DNA'sı olmadığını, bütün matriks ve zar proteinlerinin çekirdekte kodlandığını yazar; Hogerty ve arkadaşlarının 2026 derlemesi de mitokondriden farklı olarak endosimbiyotik bir kökeni ve genomu bulunmadığını belirtir.

Sıçan karaciğerinin peroksizomlarında elektron mikroskobu bazen koyu, kristal benzeri bir çekirdek gösterir. Wikipedia'nın ürat oksidaz maddesi bu enzimin karaciğerde birçok peroksizomda elektron yoğun bir parakristal çekirdek kurduğunu yazar; Leighton ekibi de ürat oksidazın bu çekirdeğe sıkıca bağlı olduğunu not eder. İnsanda bu enzim yapılmaz: Wu ve arkadaşlarının 1992 çalışması ile Wikipedia, ürat oksidaz geninin insanda ve şempanzede iki erken durdurma mutasyonu ve bozuk bir ekleme bölgesi taşıdığını aktarır.

Ölçüye kurgu bir hücreyle bakalım. Peroksizomlar 0,5 mikrometre çaplı olsun; yarıçap 0,25 mikrometre olduğundan tek birinin hacmi π × 0,25³ × 4/3 ≈ 0,065 µm³ eder. Hücrede 400 tane bulunsun: toplam 26 µm³. Hücrenin hacmi 5000 µm³ ise peroksizomlar 26 ÷ 5000 ≈ 0,005'ini, yani binde beşini doldurur.

Aynı 26 µm³ tek bir küreye toplansaydı yarıçapı yaklaşık 1,84 mikrometre, yüzeyi 4 × π × 1,84² ≈ 43 µm² olurdu. Dört yüz küçük tanenin toplam yüzeyi 400 × 4 × π × 0,25² ≈ 314 µm²'dir; oran 314 ÷ 43 ≈ 7,4. Hücre Boyutu ve Yüzey–Hacim Oranı dersindeki kural burada da işler: aynı iç hacim küçük taneler hâlinde yedi kattan fazla zarla çevrilir. Proteinlerin hepsi bu zardan içeri alınır.

Katlanmış yükün kapısı

Ucu silinince dağılan yeşil, Gould ve arkadaşlarının 1987 ve 1989 makalelerine dayanır. 1987 makalesinin özetine göre ateşböceğinin ışık enzimi lusiferaz memeli hücrelerinde de peroksizoma gidiyordu; ekip sinyali enzimin karboksil ucundaki son on iki amino asidin içinde buldu. Aynı özet bunu ER, mitokondri ve kloroplast sinyallerinin çoğunlukla amino ucunda durmasıyla karşılaştırır.

1989 makalesi sinyali üç harfe indirdi. Maymun böbreği hücrelerinde, son üç amino asidi bırakan kesik lusiferaz katalazla aynı noktalara toplandı; yalnız lizin ve lösin kalınca protein sitoplazmada dağınık kaldı. Serin, lizin, lösin üçlüsü normalde sitozolde kalan kloramfenikol asetiltransferaz enzimine eklenince o da peroksizoma gitti. Ekip üçlünün yalnız sınırlı değişikliğe dayandığını da ölçtü: ilk konumda serin yerine alanin ya da sistein, ikincide lizin yerine arjinin ya da histidin olabiliyordu, üçüncüde lösin değişmiyordu. Baker ve arkadaşlarının 2016 derlemesi bu sinyali bugün bir aile olarak tanımlar: küçük yan zincirli, bazik ve yağ seven üç kalıntı, bazen bundan da çeşitli diziler.

Kurgu bir hesapla bu üç harfin ne kadar seçici olduğuna bakalım. Yirmi amino asidin her biri zincirin her konumunda aynı olasılıkla bulunsun. Son üç kalıntının tam olarak serin–lizin–lösin olma olasılığı 1 ÷ 20³ = 1 ÷ 8000'dir. Gould ekibinin kabul ettiği harflerle 3 × 3 × 1 = 9 dizi sayılır; olasılık 9 ÷ 8000 ≈ 0,0011, kabaca 890'da bir. On bin proteinlik kurgu bir proteomda yalnız rastlantıyla 10.000 × 0,0011 ≈ 11 protein bu uca sahip olurdu. Şaperon Aracılı Otofaji dersinde beşli motifi bir proteinin her penceresinde aramış, uzun proteinde birinin rastlantıyla çıkmasını olası bulmuştuk. Burada okunacak yer tektir: zincirin en ucu. Baker ekibinin derlemesi alıcının uca komşu kalıntıları da okuduğunu belirtir; gerçek bir proteinde üç harf tek başına kararı vermez.

Asıl şaşırtıcı bulgu yükün biçimidir. Proteinlerin ER'ye Yönlendirilmesi dersinde zincirin Sec61 kanalından ancak yapılırken, açık bir iplik olarak geçtiğini görmüştük. Ma ekibinin derlemesine göre ER, mitokondri ve kloroplast zarlarından açılmış zincirler geçer; peroksizom ise yükünü katlanmış, kofaktörünü bağlamış, hatta birkaç alt birimi birleşmiş hâlde alır. Walton, Hill ve Subramani 1995'te disülfit bağlarıyla ve kimyasal çapraz bağlarla açılamaz kılınmış proteinlerin, olgun antikor moleküllerinin ve sinyalli proteinle kaplanmış altın taneciklerin matrikse alındığını gösterdi. Ma ekibi bu taneleri 9 nanometre olarak aktarır.

Alıcı, yerleşme ve geri çekme

Sinyali sitozolde bir alıcı okur. Fujiki ve arkadaşlarının 2014 derlemesi ile Ma ekibine göre PTS1'i PEX5, PTS2'yi PEX7 tanır; Baker ekibi insanda PEX7'nin yüküyle birlikte PEX5'e tutunduğunu ekler. Yüklü alıcı peroksizom zarında PEX14 ile PEX13'ün kurduğu yerleşme kompleksine bağlanır. Geçidin kendisi de yükle doğar: Ma ekibi kanalın yüklü alıcı geldiğinde geçici olarak kurulduğunu, Baker ekibi de PEX5 ile PEX14'ün kargo sunulunca açılan kapılı bir kanal oluşturabildiğini yazar.

Yük içeride bırakıldıktan sonra alıcının dönmesi gerekir. Fujiki ekibi ile Baker ekibine göre zardaki bir ubikitin ligazı PEX5'in ucuna yakın korunmuş bir sisteine tek bir ubikitin takar. Ardından PEX1 ile PEX6 adlı iki AAA ATPaz, ATP harcayarak alıcıyı zardan sitozole çeker; ubikitin söküldükten sonra alıcı yeni bir tura hazırdır.

Nükleer Taşınım dersindeki döngü burada tanıdık gelir: sinyal sitozolde bağlanmış, yük hedef bölmede bırakılmış, taşıyıcı boş dönmüştü. Fark iki yerdedir. Çekirdek porunun kanalı kalıcı bir yapıydı ve yönü Ran'ın bölmeler arasındaki dağılımı kuruyordu. Peroksizomda kanal yükle birlikte kurulur ve enerji, zara gömülen alıcıyı dışarı çekmek için harcanır.

Adı Distel ve arkadaşlarının 1996'da yayımladığı ortak öneri getirdi; farklı türlerde farklı adlarla bulunmuş genler o zamandan beri tek numarayla anılır. Wikipedia'nın maddesi bugün otuz altı peroksin sayar.

Zar proteinleri ve yeni peroksizomlar

Zarın kendi proteinleri başka bir yoldan gelir. Fujiki ekibi ile Hettema ve arkadaşlarının 2014 derlemesine göre PEX19 yeni yapılmış zar proteinini sitozolde tutar, kümelenmesini önler ve onu zardaki PEX3'e götürür. Wikipedia da zarın kurulması için PEX3, PEX16 ve PEX19'u sayar. Hettema ekibi PEX3 ya da PEX19 genini yitirmiş mutantlarda peroksizom zarının hiç görülemediğini yazar.

Yeni peroksizomlar iki yoldan doğar. Ma ekibi ile Wikipedia'ya göre var olanlar büyür, uzar ve bölünür; Fujiki ekibine göre memelide bu işe PEX11'in üç biçimi ile Drp1 (DLP1), Fis1 ve Mff katılır. Mitofaji dersinde Drp1'i mitokondriyi bölen protein olarak görmüştük; iki organel aynı bölücüyü paylaşır. İkinci yol ER'dir. Kim ve arkadaşları 2006'da memeli hücrelerinde peroksizomların ER'den yeniden doğabildiğini gösterdi, büyüyen hücrede sayı artışının çoğunu bu yola bağladı. Hettema ekibi ise olağan hücrede ER'den sürekli yeni peroksizom aktığı fikrinin mayadaki karşıt bulguları göz ardı ettiğini savunur; iki yolun ne oranda çalıştığı hâlâ tartışmalıdır.

Fazla ya da hasarlı peroksizom da seçilerek yıkılabilir. Wikipedia ile Till ekibi buna pexofaji (pexophagy) der ve genel otofaji makinesini kullandığını yazar; Mitofaji dersindeki seçici yıkımın bir başka örneğidir. Bu genlerin kalıtsal bozuklukları ağır hastalıklara yol açar; onlar modülün ilerisinde ayrıca ele alınacak.

Dördüncü kesrin defteri

Eren tahtadaki eğrilerin altına üç not yazıyor: "binde 5 hacim", "7,4 kat zar", "9 ÷ 8000". Katalazın tepesinin yanına "tek zar, DNA yok", noktalı kabın yanına "katlanmış girer" ekliyor. Mihriban Hanım dördüncü kesrin tüpünü buz kovasına bırakıyor ve kapağına "çarşamba: uzun zincir" diye yazıyor. "Bu kesir bir yağ asidini mitokondriden önce kısaltıyorsa," diyor, "çarşamba bunu peroksitten okuruz."

Kendini sına

1. Peroksizomlar 0,3 mikrometre çaplı ve 400 tane olsaydı, 5000 µm³'lük kurgu hücrenin yaklaşık binde kaçını doldururlardı?
2. Triton WR-1339 neden lizozomları mitokondri ve peroksizomdan ayırmayı kolaylaştırdı? Hangi organelin yoğunluğu değişmedi?
3. Bir proteinin ucu serin–arjinin–lösin, bir başkasınınki treonin–lizin–lösin ile bitiyor. Gould ekibinin ölçümlerine göre hangisi peroksizoma gider?
4. ER'ye giriş ile peroksizoma giriş arasındaki temel fark nedir? Walton ekibinin hangi deneyi bunu gösterir?
5. Nükleer taşınımda enerji yükü yönlendirmek için harcanıyordu. Peroksizomda ATP hangi adımı yürütür?

Bir sonraki derse köprü

Çok Uzun Zincirli Yağ Asidi Oksidasyonu dersi bu organelin içindeki ilk büyük işe girecek. Yirmi iki ve daha fazla karbonlu yağ asitleri neden doğrudan mitokondride değil, önce peroksizomda kısaltılır ve zardaki ABCD1 taşıyıcısı onları içeri nasıl alır? Peroksizomdaki ilk oksidasyon adımında elektronlar neden elektron taşıma zincirine değil doğrudan oksijene geçip hidrojen peroksit oluşturur, kısalan zincir mitokondriye hangi noktada devredilir?