Lysosomen: Eigenschaften, Struktur, Funktionen und Typen

Lysosomen sind zelluläre Organellen, die von Membranen umgeben sind, die sich in tierischen Zellen befinden. Es handelt sich um Kompartimente mit einem sauren pH-Wert, die reich an Verdauungsenzymen sind und alle Arten von biologischen Molekülen abbauen können: Proteine, Kohlenhydrate und Nukleinsäuren.

Darüber hinaus können sie Material von außerhalb der Zelle abbauen. Daher haben Lysosomen vielfältige Funktionen im Zellstoffwechsel und werden aufgrund ihrer Zusammensetzung, die reich an hydrolytischen Enzymen ist, oft als "Magen" der Zelle bezeichnet.

Lysosomen entstehen durch die Fusion von Vesikeln, die aus dem Golgi-Apparat austreten. Die Zelle erkennt bestimmte Sequenzen, die als "Marker" für hydrolytische Enzyme fungieren, und sendet sie in der Bildung an die Lysosomen.

Diese Vakuolen haben eine kugelförmige Form und variieren erheblich in ihrer Größe, da sie eine sehr dynamische Zellstruktur darstellen.

Entdeckung und historische Perspektive

Lysosomen wurden vor über 50 Jahren vom Forscher Christian de Duve entdeckt. Das Team von De Duve führte Experimente mit der Technik der subzellulären Fraktionierung durch, um die Position bestimmter Enzyme zu untersuchen.

Dieses experimentelle Protokoll ermöglichte die Entdeckung der Organellen, da die Forscher bemerkten, dass die Freisetzung von hydrolytischen Enzymen zunahm, wenn Verbindungen zugesetzt wurden, die die Membranen beschädigten.

In der Folge gelang es der Verbesserung molekularbiologischer Techniken und der Existenz besserer Geräte - wie beispielsweise elektronischer Mikroskope -, ihre Präsenz zu bestätigen. Tatsächlich konnte gefolgert werden, dass Lysosomen 5% des intrazellulären Volumens einnehmen.

Zeit nach seiner Entdeckung war es möglich, das Vorhandensein von hydrolytischen Enzymen im Inneren nachzuweisen und das Lysosom in eine Art Abbauzentrum zu verwandeln. Zusätzlich wurden Lysosomen mit dem endozytischen Leben in Verbindung gebracht.

Historisch gesehen wurden Lysosomen als Endpunkt der Endozytose angesehen, die nur für den Abbau von Molekülen verwendet wurden. Heutzutage ist bekannt, dass Lysosomen dynamische Zellkompartimente sind, die mit einer Vielzahl zusätzlicher Organellen fusionieren können.

Eigenschaften

Morphologie von Lysosomen

Lysosomen sind einzigartige Kompartimente tierischer Zellen, die eine Vielzahl von Enzymen enthalten, die Proteine ​​hydrolysieren und bestimmte Moleküle verdauen können.

Sie sind Vakuolen mit kugelförmigen und dichten Formen. Die Größe der Struktur ist sehr unterschiedlich und hängt vom zuvor aufgenommenen Material ab.

Die Lysosomen sind zusammen mit dem endoplasmatischen Retikulum und dem Golgi-Apparat Teil des Endomembransystems der Zelle. Obwohl diese drei Strukturen Membrannetzwerke sind, sind sie nicht kontinuierlich miteinander.

Lysosomen enthalten mehrere Enzyme

Das Hauptmerkmal von Lysosomen ist die darin enthaltene Batterie von hydrolytischen Enzymen. Es gibt ungefähr 50 Enzyme, die in der Lage sind, eine Vielzahl von Biomolekülen abzubauen.

Hierzu zählen Nukleasen, Proteasen und Phosphatasen (die Phosphatgruppen von Mononukleotiden, Phospholipiden und anderen Verbindungen entfernen). Darüber hinaus enthalten sie andere Enzyme, die für den Abbau von Polysacchariden und Lipiden verantwortlich sind.

Logischerweise müssen diese Verdauungsenzyme räumlich von den übrigen Zellbestandteilen getrennt werden, um einen unkontrollierten Abbau zu vermeiden. Somit kann die Zelle die Verbindungen "auswählen", die eliminiert werden müssen, da sie die Elemente regulieren kann, die in das Lysosom eintreten.

Die Umgebung von Lysosomen ist sauer

Das Innere der Lysosomen ist sauer (nahe 4, 8), und die darin enthaltenen Enzyme funktionieren bei diesem pH-Wert gut. Daher sind sie als saure Hydrolasen bekannt.

Der saure pH-Wert dieses Zellkompartiments bleibt dank einer Protonenpumpe und eines Chloridkanals in der Membran erhalten. Zusammen transportieren sie Salzsäure (HCl) in das Lysosom. Die Pumpe ist in der Membran der Organelle verankert.

Die Funktion dieses sauren pH-Werts ist die Aktivierung der verschiedenen im Lysosom vorhandenen hydrolytischen Enzyme und die weitestgehende Vermeidung seiner enzymatischen Aktivität beim neutralen pH-Wert des Cytosols.

Auf diese Weise haben wir bereits zwei Barrieren, die als Schutz vor unkontrollierter Hydrolyse dienen: Halten Sie die Enzyme in einem isolierten Kompartiment, und dass diese Enzyme bei dem sauren pH-Wert dieses Kompartiments gut funktionieren.

Obwohl die Lysosomenmembran zusammenbricht, würde die Freisetzung der Enzyme - aufgrund des neutralen pH-Werts des Cytosols - keinen großen Einfluss haben.

Funktionen

Die innere Zusammensetzung eines Lysosoms wird von hydrolytischen Enzymen dominiert, weshalb sie einen wichtigen Bereich des Zellstoffwechsels darstellen, in dem der Verdau extrazellulärer Proteine, die in die Zelle gelangen, durch Endozytose, Recycling von Organellen und cytosolischen Proteinen erfolgt.

Als nächstes werden wir die wichtigsten Funktionen von Lysosomen genauer untersuchen: den Abbau von Molekülen durch Autophagie und den Abbau durch Phagozytose.

Autofagia

Was ist Autophagie?

Ein Mechanismus, der es schafft, zelluläre Proteine ​​einzufangen, wird als Autophagie bezeichnet. Dieses Ereignis trägt zur Aufrechterhaltung der Zellhomöostase bei, baut nicht mehr benötigte Zellstrukturen ab und trägt zum Recycling von Organellen bei.

Durch dieses Phänomen kommt es zur Bildung von Vesikeln, die als Autophagosomen bezeichnet werden. Dies sind kleine Regionen des Zytoplasmas oder anderer zellulärer Kompartimente des endoplasmatischen Retikulums, die mit den Lysosomen fusionieren.

Beide Organellen können fusionieren, da sie von einer Plasmamembran mit Lipidcharakter begrenzt werden. Es ist analog zu dem Versuch, zwei Seifenblasen zu verbinden - Sie bilden eine größere.

Nach der Fusion ist der enzymatische Gehalt des Lysosoms für den Abbau der Bestandteile verantwortlich, die sich im Inneren des anderen gebildeten Vesikels befanden. Das Einfangen dieser Moleküle scheint ein Prozess zu sein, dem es an Selektivität mangelt und der zum Abbau von Proteinen im langlebigen Cytosol führt.

Autophagie- und Fastenperioden

In der Zelle scheint das Ereignis der Autophagie durch die Menge der verfügbaren Nährstoffe reguliert zu werden.

Wenn der Organismus einen Nährstoffmangel oder längere Fastenperioden hat, werden die Abbauwege aktiviert. Auf diese Weise baut die Zelle nicht essentielle Proteine ​​ab und erreicht die Wiederverwendung bestimmter Organellen.

Das Wissen, dass Lysosomen während des Fastens eine wichtige Rolle spielen, hat das Interesse der Forscher an diesen Organellen erhöht.

Autophagie und die Entwicklung von Organismen

Neben ihrer aktiven Teilnahme an Perioden mit niedrigem Nährstoffgehalt spielen Lysosomen eine wichtige Rolle bei der Entwicklung bestimmter Linien organischer Wesen.

In einigen Fällen impliziert die Entwicklung die vollständige Umgestaltung des Organismus, was bedeutet, dass bestimmte Organe oder Strukturen während des Prozesses beseitigt werden müssen. Beispielsweise trägt bei der Metamorphose von Insekten der Hydrolysegehalt von Lysosomen zum Umbau von Geweben bei.

Endozytose und Phagozytose

Endozytose und Phagozytose spielen eine Rolle bei der Aufnahme von Elementen außerhalb der Zellen und deren nachfolgendem Abbau.

Während der Phagozytose sind bestimmte Zellen - wie Makrophagen - für die Aufnahme oder den Abbau von Partikeln beträchtlicher Größe wie Bakterien oder Zelltrümmern verantwortlich.

Diese Moleküle werden von einer Phagozytenvakuole namens Phagosom aufgenommen, die wie im vorherigen Fall mit Lysosomen fusioniert. Durch die Fusion werden im Phagosom Verdauungsenzyme freigesetzt und der Abbau der Partikel schreitet voran.

Arten von Lysosomen

Einige Autoren unterscheiden dieses Kompartiment in zwei Haupttypen: Typ I und Typ II. Die Typ I- oder primären Lysosomen sind an der Speicherung von hydrolytischen Enzymen beteiligt, während die sekundären Lysosomen mit den Katalyseprozessen zusammenhängen.

Bildung von Lysosomen

Die Bildung von Lysosomen beginnt mit der Aufnahme von Molekülen von außen durch endozytische Vesikel. Letztere sind mit anderen Strukturen fusioniert, die als frühe Endosomen bezeichnet werden.

Später durchlaufen frühe Endosomen einen Reifungsprozess und führen zu späten Endosomen.

Eine dritte Komponente tritt im Bildungsprozess auf: die Transportvesikel. Diese enthalten saure Hydrolasen aus dem trans-Netzwerk des Golgi-Apparats. Beide Strukturen - die Transportvesikel und die späten Endosomen - verschmelzen und wandeln sich in ein Lysosom um, nachdem sie den Satz von lysosomalen Enzymen erhalten haben.

Während des Prozesses erfolgt das Recycling von Membranrezeptoren durch das Recycling von Endosomen.

Während des Schmelzprozesses der Organellen, aus denen die Lysosomen entstehen, werden saure Hydrolasen vom Mannose-6-Phosphatrezeptor abgetrennt. Diese Rezeptoren treten wieder in das Transnetz der Golgi ein.

Unterschiede zwischen Endosomen und Lysosomen

Verwirrung ist zwischen den Begriffen Endosomen und Lysosom verbreitet. Das erste sind zelluläre Kompartimente, die von membranartigen Lysosomen umgeben sind. Der entscheidende Unterschied zwischen den beiden Organellen besteht jedoch darin, dass den Lysosomen Mannose-6-phosphat-Rezeptoren fehlen.

Neben diesen beiden biologischen Einheiten gibt es noch andere Arten von Vesikeln. Eine davon sind die Vakuolen, deren Inhalt hauptsächlich Wasser ist.

Die Transportvesikel sind, wie der Name schon sagt, an der Verlagerung von Substanzen an andere Stellen in der Zelle beteiligt. Andererseits eliminieren die sekretorischen Vesikel das Abfallmaterial oder die Chemikalien (wie jene, die an den Synapsen der Neuronen beteiligt sind).

Assoziierte Krankheiten

Beim Menschen sind Mutationen in den Genen, die für Lysosomenenzyme kodieren, mit mehr als 30 angeborenen Krankheiten verbunden. Diese Pathologien sind im Begriff "lysosomale Ablagerungskrankheiten" enthalten.

Überraschenderweise entstehen viele dieser Zustände aus der Schädigung eines einzelnen lysosomalen Enzyms.

Bei Betroffenen ist die Folge eines nicht funktionierenden Enzyms in den Lysosomen die Ansammlung von Abfallprodukten.

Die häufigste Veränderung der lysosomalen Ablagerung ist als Gaucher-Krankheit bekannt und geht mit einer Mutation im Gen einher, das für das für Glycolipide verantwortliche Enzym kodiert. Es ist eine merkwürdige Tatsache, dass die Krankheit in der jüdischen Bevölkerung relativ häufig auftritt und von 1 von 2.500 Personen betroffen ist.