ЛИЗОСОМЫ: ХАРАКТЕРИСТИКА, СТРОЕНИЕ, ФУНКЦИИ И ВИДЫ - БИОЛОГИЯ - 2025

В лизосомах являются клеточными мембранами органелл, которые расположены в клетках животных. Это компартменты с кислым pH и богатые пищеварительными ферментами, способными разрушать любые биологические молекулы: белки, углеводы и нуклеиновые кислоты.

Кроме того, они могут разрушать материал за пределами клетки. По этой причине лизосомы выполняют множество функций в клеточном метаболизме, и благодаря своему составу, богатому гидролитическими ферментами, их часто называют «желудком» клетки.

Лизосомы образуются путем слияния пузырьков, выходящих из аппарата Гольджи. Клетка распознает определенные последовательности, которые функционируют как «метки» на гидролитических ферментах, и отправляет их в формирующиеся лизосомы.

Эти вакуоли имеют сферическую форму, и их размер значительно варьируется, и они представляют собой довольно динамичную клеточную структуру.

Открытие и историческая перспектива

Лизосомы были открыты более 50 лет назад исследователем Кристианом де Дюве. Команда Де Дюве проводила эксперименты с использованием техники субклеточного фракционирования, чтобы исследовать местонахождение определенных ферментов.

Этот экспериментальный протокол позволил открыть органеллы, поскольку исследователи заметили, что высвобождение гидролитических ферментов увеличивается, когда они добавляют соединения, которые разрушают мембраны.

Впоследствии улучшение методов молекулярной биологии и наличие лучшего оборудования, такого как электронные микроскопы, смогли подтвердить его присутствие. Фактически можно было сделать вывод, что лизосомы занимают 5% внутриклеточного объема.

Через некоторое время после открытия внутри него было обнаружено присутствие гидролитических ферментов, превративших лизосому в своего рода центр деградации. Кроме того, лизосомы были связаны с эндоцитарной жизнью.

Исторически лизосомы считались конечной точкой эндоцитоза и использовались только для деградации молекул. Сегодня известно, что лизосомы представляют собой динамические клеточные компартменты, способные сливаться с множеством дополнительных органелл.

характеристики

Прокачка протонов через мембрану лизосомы. Источник: Алехандро Порто

Морфология лизосом

Лизосомы - это уникальные отделы клеток животных, в которых находятся различные ферменты, способные гидролизовать белки и переваривать определенные молекулы.

Это плотные сферические вакуоли. Размер структуры широко варьируется и зависит от материала, который был ранее захвачен.

Лизосомы, наряду с эндоплазматическим ретикулумом и аппаратом Гольджи, являются частью эндомембранной системы клетки. Хотя эти три структуры представляют собой сеть мембран, они не непрерывны друг с другом.

Лизосомы содержат несколько ферментов

Основная характеристика лизосом - это батарея гидролитических ферментов внутри них. Существует около 50 ферментов, способных разлагать широкий спектр биомолекул.

К ним относятся нуклеазы, протеазы и фосфатазы (которые удаляют фосфатные группы из фосфолипидных мононуклеотидов и других соединений). Кроме того, они содержат другие ферменты, ответственные за разложение полисахаридов и липидов.

Логично, что эти пищеварительные ферменты должны быть пространственно отделены от остальных клеточных компонентов, чтобы избежать их неконтролируемой деградации. Таким образом, клетка может «выбирать» соединения, которые необходимо удалить, поскольку она может регулировать элементы, попадающие в лизосому.

Среда лизосом кислая

Внутренняя часть лизосом кислая (близка к 4,8), и содержащиеся в ней ферменты хорошо работают при таком уровне pH. Поэтому они известны как кислотные гидролазы.

Характерный кислотный pH этого отсека клетки поддерживается благодаря наличию протонного насоса и хлоридного канала в мембране. Вместе они переносят соляную кислоту (HCl) в лизосомы. Насос закреплен на мембране органеллы.

Функция этого кислого pH состоит в том, чтобы активировать различные гидролитические ферменты, присутствующие в лизосомах, и избежать - насколько это возможно - их ферментативной активности при нейтральном pH цитозоля.

Таким образом, у нас уже есть два барьера, которые работают как защита от неконтролируемого гидролиза: удержание ферментов в изолированном отсеке и то, что эти ферменты хорошо работают при кислом pH этого отсека.

Даже если лизосомная мембрана будет разорвана, высвобождение ферментов не будет иметь большого эффекта из-за нейтрального pH цитозоля.

Характеристики

Во внутреннем составе лизосомы преобладают гидролитические ферменты, поэтому они являются важной областью клеточного метаболизма, где происходит переваривание внеклеточных белков, попадающих в клетку посредством эндоцитоза, рециркуляции органелл и цитозольных белков.

Ниже мы подробно рассмотрим наиболее важные функции лизосом: деградацию молекул путем аутофагии и деградацию путем фагоцитоза.

аутофагия

Что такое аутофагия?

Один механизм, который захватывает клеточные белки, называется аутофагией «самопоедания». Это событие помогает поддерживать клеточный гомеостаз, разрушая клеточные структуры, которые больше не нужны, и способствует повторному использованию органелл.

Благодаря этому феномену происходит образование везикул, называемых аутофагосомами. Это небольшие участки цитоплазмы или других клеточных компартментов, выходящие из эндоплазматического ретикулума, которые сливаются с лизосомами.

Обе органеллы обладают способностью сливаться, поскольку они ограничены плазматической мембраной липидной природы. Это похоже на попытку сложить два мыльных пузыря вместе - вы делаете один больший.

После слияния ферментативное содержание лизосомы отвечает за разложение компонентов, которые находились внутри другой сформированной везикулы. Захват этих молекул, по-видимому, является процессом, которому не хватает селективности, вызывая деградацию белков, расположенных в долгоживущем цитозоле.

Аутофагия и периоды голодания

В клетке событие аутофагии, по-видимому, регулируется количеством доступных питательных веществ.

Когда организм испытывает дефицит питательных веществ или переживает длительные периоды голодания, активируются пути разложения. Таким образом, клетке удается расщеплять белки, которые не являются необходимыми, и повторно использовать определенные органеллы.

Знание о том, что лизосомы играют важную роль в периоды голодания, повысило интерес исследователей к этой органелле.

Аутофагия и развитие организмов

Помимо активного участия в периоды низкого содержания питательных веществ, лизосомы играют важную роль в развитии определенных линий органических существ.

В некоторых случаях развитие включает в себя полную реконструкцию тела, что подразумевает, что определенные органы или структуры должны быть удалены во время процесса. Например, при метаморфозе насекомых гидролитическое содержание лизосом способствует ремоделированию тканей.

Эндоцитоз и фагоцитоз

Эндоцитоз и фагоцитоз играют роль в поглощении элементов, внешних по отношению к клеткам, и их последующей деградации.

Во время фагоцитоза определенные клетки, такие как макрофаги, ответственны за проглатывание или разложение крупных частиц, таких как бактерии или клеточные остатки.

Эти молекулы попадают в фагоцитарную вакуоль, называемую фагосомой, которая, как и в предыдущем случае, сливается с лизосомами. Слияние приводит к высвобождению пищеварительных ферментов внутри фагосомы, и частицы разрушаются.

Типы лизосом

Некоторые авторы разделяют этот отсек на два основных типа: тип I и тип II. Лизосомы типа I или первичные лизосомы участвуют в хранении гидролитических ферментов, а вторичные лизосомы связаны с процессами катализа.

Формирование лизосом

Формирование лизосом начинается с поглощения молекул извне через эндоцитозные везикулы. Последние сливаются с другими структурами, называемыми ранними эндосомами.

Позже ранние эндосомы подвергаются процессу созревания, давая начало поздним эндосомам.

В процессе формирования появляется третий компонент: транспортные пузырьки. Они содержат кислотные гидролазы из транс-сети аппарата Гольджи. Обе структуры - транспортные везикулы и поздние эндосомы - сливаются и становятся лизосомами после приобретения набора лизосомальных ферментов.

Во время этого процесса рециклинг мембранных рецепторов происходит посредством рециклирования эндосом.

Кислотные гидролазы отделяются от рецептора маннозы-6 фосфата в процессе слияния органелл, дающих начало лизосомам. Эти рецепторы снова входят в транс-сеть Гольджи.

Различия между эндосомами и лизосомами

Часто путают термины эндосомы и лизосома. Первые представляют собой заключенные в мембраны клеточные компартменты, подобные лизосомам. Однако принципиальное различие между двумя органеллами состоит в том, что лизосомы лишены рецепторов манноза-6-фосфата.

Помимо этих двух биологических объектов, существуют везикулы других типов. Один из них - вакуоли, в которых в основном содержится вода.

Транспортные везикулы, как следует из их названия, участвуют в перемещении веществ в другие места клетки. Секреторные везикулы, в свою очередь, удаляют отходы или химические вещества (например, те, которые участвуют в синапсах нейронов).

Сопутствующие заболевания

У людей мутации в генах, кодирующих ферменты лизосом, связаны с более чем 30 врожденными заболеваниями. Эти патологии охватываются термином «лизосомные болезни накопления».

Удивительно, но многие из этих состояний возникают из-за повреждения одного лизосомального фермента.

У пораженных людей следствием наличия нефункционального фермента внутри лизосом является накопление продуктов жизнедеятельности.

Наиболее частое изменение лизосомального отложения известно как болезнь Гоше, и оно связано с мутацией в гене, который кодирует фермент, ответственный за гликолипиды. Любопытный факт: болезнь довольно часто встречается среди еврейского населения, поражая 1 из каждых 2500 человек.

Ссылки

1. Купер, Г. М., Хаусман, Р. Е., и Хаусман, Р. Е. (2000). Клетка: молекулярный подход. АСМ пресс.
2. Хольцман, Э. (2013). Лизосомы. Springer Science & Business Media.
3. Сюй, Ф.В., Ли, С.И., и Ян, Дж. С. (2009). Растущее понимание образования везикул COPI. Обзоры природы Молекулярная клеточная биология, 10 (5), 360.
4. Кирзенбаум, А.Л., и Трес, Л. (2015). Гистология и клеточная биология: введение в электронную книгу патологии. Elsevier Health Sciences.
5. Лузио, Дж. П., Хакманн, Ю., Дикманн, Н. М., и Гриффитс, Г. М. (2014). Биогенез лизосом и связанных с лизосомами органелл. Перспективы Колд-Спринг-Харбор в биологии, 6 (9), a016840.
6. Луцио, JP, Прайор, PR, и Брайт, Северная Америка (2007). Лизосомы: слияние и функция. Обзоры природы Молекулярная клеточная биология, 8 (8), 622.
7. Луцио, Дж. П., Роус, Б. А., Брайт, Н. А., Прайор, П. Р., Маллок, Б. М., и Пайпер, Р. К. (2000). Слияние лизосом и эндосом и биогенез лизосом. J Cell Sci, 113 (9), 1515-1524.