Lizosomy: cechy, struktura, funkcje i typy
Lizosomy są organellami komórkowymi otoczonymi błonami, które znajdują się wewnątrz komórek zwierzęcych. Są to przedziały o kwaśnym pH i są bogate w enzymy trawienne, zdolne do rozkładania wszelkiego rodzaju cząsteczek biologicznych: białek, węglowodanów i kwasów nukleinowych.
Ponadto mogą degradować materiał z zewnątrz komórki. Dlatego lizosomy pełnią wiele funkcji w metabolizmie komórkowym, a dzięki składowi bogatemu w enzymy hydrolityczne są często nazywane „żołądkiem” komórki.
Lizosomy powstają przez fuzję pęcherzyków, które wyłaniają się z aparatu Golgiego. Komórka rozpoznaje pewne sekwencje, które działają jak „etykiety” na enzymach hydrolitycznych i wysyła je do lizosomów w formacji.
Te wakuole mają kształt kulisty, a ich rozmiar znacznie się różni, będąc strukturą komórkową dość dynamiczną.
Odkrycie i perspektywa historyczna
Lizosomy zostały odkryte ponad 50 lat temu przez badacza Christiana de Duve. Zespół De Duve prowadził eksperymenty z wykorzystaniem techniki frakcjonowania subkomórkowego w celu zbadania lokalizacji niektórych enzymów.
Ten protokół eksperymentalny umożliwił odkrycie organelli, ponieważ naukowcy zauważyli, że uwalnianie enzymów hydrolitycznych zwiększa się, ponieważ dodają związki, które uszkadzają błony.
Następnie udoskonalenie technik biologii molekularnej i istnienie lepszego sprzętu - takiego jak mikroskopy elektroniczne - zdołało potwierdzić ich obecność. W rzeczywistości można wywnioskować, że lizosomy zajmują 5% objętości wewnątrzkomórkowej.
Po odkryciu możliwe było wykazanie obecności enzymów hydrolitycznych wewnątrz, zamieniając lizosom w rodzaj centrum degradacji. Ponadto lizosomy były związane z życiem endocytarnym.
Historycznie, lizosomy były uważane za punkt końcowy endocytozy, stosowanej tylko do degradacji cząsteczek. Obecnie wiadomo, że lizosomy są dynamicznymi przedziałami komórkowymi, zdolnymi do łączenia się z różnymi dodatkowymi organellami.
Funkcje
Morfologia lizosomów
Lizosomy są unikalnymi przedziałami komórek zwierzęcych, które zawierają wiele enzymów, które są w stanie hydrolizować białka i trawić niektóre cząsteczki.
Są wakuolami o kulistych i gęstych formach. Rozmiar struktury jest bardzo zróżnicowany i zależy od materiału, który został wcześniej przechwycony.
Lizosomy, wraz z retikulum endoplazmatycznym i aparatem Golgiego, są częścią systemu wewnątrzbłonowego komórki. Chociaż te trzy struktury są sieciami membranowymi, nie są one ze sobą ciągłe.
Lizosomy zawierają wiele enzymów
Główną cechą lizosomów jest bateria enzymów hydrolitycznych wewnątrz. Istnieje około 50 enzymów zdolnych do degradacji szerokiego zakresu biocząsteczek.
Wśród nich są nukleazy, proteazy i fosfatazy (które usuwają grupy fosforanowe mononukleotydów, fosfolipidów i innych związków). Ponadto zawierają inne enzymy odpowiedzialne za degradację polisacharydów i lipidów.
Logicznie rzecz biorąc, te enzymy trawienne muszą być przestrzennie oddzielone od reszty składników komórkowych, aby uniknąć ich niekontrolowanej degradacji. W ten sposób komórka może „wybrać” związki, które muszą zostać wyeliminowane, ponieważ może regulować elementy wchodzące do lizosomu.
Środowisko lizosomów jest kwasem
Wnętrze lizosomów jest kwaśne (blisko 4, 8), a zawarte w nim enzymy działają dobrze w tym stanie pH. Dlatego są znane jako kwaśne hydrolazy.
Kwaśna charakterystyka pH tego przedziału komórkowego jest utrzymywana dzięki obecności pompy protonowej i kanału chlorkowego w membranie. Razem transportują kwas solny (HCl) do lizosomu. Pompa jest umiejscowiona w membranie organelli.
Funkcją tego kwasowego pH jest aktywacja różnych enzymów hydrolitycznych obecnych w lizosomie i uniknięcie - w miarę możliwości - jego aktywności enzymatycznej przy obojętnym pH cytozolu.
W ten sposób mamy już dwie bariery, które działają jako ochrona przed niekontrolowaną hydrolizą: utrzymuj enzymy w izolowanym przedziale i te enzymy działają dobrze w kwaśnym pH tego przedziału.
Chociaż błona lizosomowa rozpada się, uwalnianie enzymów nie miałoby większego wpływu - ze względu na obojętne pH cytozolu.
Funkcje
Wewnętrzny skład lizosomu jest zdominowany przez enzymy hydrolityczne, dlatego są one ważnym regionem metabolizmu komórkowego, w którym trawienie zewnątrzkomórkowych białek, które wchodzą do komórki, odbywa się przez endocytozę, recykling organelli i białek cytozolowych.
Następnie zbadamy dogłębnie najważniejsze funkcje lizosomów: degradację cząsteczek przez autofagię i degradację przez fagocytozę.
Autofagia
Czym jest autofagia?
Mechanizm, który zarządza wychwytywaniem białek komórkowych, nazywany jest autofagią „zjedz siebie”. To wydarzenie pomaga utrzymać homeostazę komórkową, degradację struktur komórkowych, które nie są już potrzebne, i przyczynia się do recyklingu organelli.
Dzięki temu zjawisku powstaje pęcherzyki zwane autofagosomami. Są to małe regiony cytoplazmy lub innych przedziałów komórkowych, z retikulum endoplazmatycznego, które łączą się z lizosomami.
Oba organelle mają zdolność łączenia się, ponieważ są ograniczone przez błonę plazmatyczną o charakterze lipidowym. Jest to analogiczne do próby połączenia dwóch baniek mydlanych - tworzysz większą.
Po fuzji zawartość enzymatyczna lizosomu jest odpowiedzialna za rozkład składników, które znajdowały się w innym utworzonym pęcherzyku. Wychwytywanie tych cząsteczek wydaje się być procesem pozbawionym selektywności, powodującym degradację białek znajdujących się w długowiecznym cytozolu.
Okres autofagii i postu
W komórce zdarzenie autofagii wydaje się być regulowane przez ilość dostępnych składników odżywczych.
Gdy organizm doświadcza pewnych niedoborów składników odżywczych lub doświadcza długich okresów głodzenia, szlaki degradacji są aktywowane. W ten sposób komórka degraduje białka, które nie są niezbędne i umożliwia ponowne wykorzystanie pewnych organelli.
Wiedząc, że lizosomy odgrywają ważną rolę w okresach postu, wzrosło zainteresowanie badaczy tą organellą.
Autofagia i rozwój organizmów
Poza aktywnym uczestnictwem w okresach niskiej zawartości składników odżywczych lizosomy odgrywają ważną rolę w rozwoju niektórych linii organizmów organicznych.
W niektórych przypadkach rozwój implikuje całkowitą przebudowę organizmu, co oznacza, że niektóre narządy lub struktury muszą zostać wyeliminowane podczas procesu. Na przykład w metamorfozie owadów zawartość hydrolityczna lizosomów przyczynia się do przebudowy tkanek.
Endocytoza i fagocytoza
Endocytoza i fagocytoza odgrywają rolę w przyjmowaniu elementów zewnętrznych do komórek i ich dalszej degradacji.
Podczas fagocytozy niektóre komórki - takie jak makrofagi - są odpowiedzialne za spożywanie lub rozkładanie cząstek o znacznych rozmiarach, takich jak bakterie lub szczątki komórek.
Cząsteczki te są spożywane przez wakuolę fagocytarną, zwaną fagosomem, która, podobnie jak w poprzednim przypadku, będzie łączyć się z lizosomami. Fuzja powoduje uwalnianie enzymów trawiennych wewnątrz fagosomu i postępuje degradacja cząstek.
Rodzaje lizosomów
Niektórzy autorzy wyróżniają ten przedział na dwa główne typy: typ I i typ II. Lizosomy typu I lub pierwotne biorą udział w przechowywaniu enzymów hydrolitycznych, podczas gdy lizosomy wtórne są związane z procesami katalizy.
Tworzenie lizosomów
Tworzenie lizosomów rozpoczyna się od pobrania cząsteczek z zewnątrz przez pęcherzyki endocytarne. Te ostatnie są połączone z innymi strukturami zwanymi wczesnymi endosomami.
Później wczesne endosomy przechodzą proces dojrzewania i powodują późne endosomy.
Trzeci składnik pojawia się w procesie formowania: pęcherzyki transportowe. Zawierają one kwaśne hydrolazy z sieci trans aparatu Golgiego. Obie struktury - pęcherzyki transportowe i późne endosomy - łączą się i przekształcają w lizosom, po uzyskaniu zestawu enzymów lizosomalnych.
Podczas tego procesu recykling receptorów błonowych następuje poprzez recykling endosomów.
Hydrolazy kwasowe są oddzielane od receptora mannozo-6-fosforanowego podczas procesu topienia organelli, które powodują powstanie lizosomów. Receptory te wchodzą ponownie do sieci trans Golgiego.
Różnice między endosomami a lizosomami
Zamieszanie jest powszechne między terminami endosomy i lizosom. Pierwsze to przedziały komórkowe otoczone lizosomami podobnymi do błon. Jednak zasadniczą różnicą między tymi dwoma organellami jest to, że lizosomy nie mają receptorów mannozo-6-fosforanowych.
Oprócz tych dwóch jednostek biologicznych istnieją inne typy pęcherzyków. Jednym z nich są wakuole, których zawartość to głównie woda.
Pęcherzyki transportowe, jak sama nazwa wskazuje, uczestniczą w przemieszczaniu substancji do innych miejsc w komórce. Z drugiej strony pęcherzyki wydzielnicze eliminują odpady lub substancje chemiczne (takie jak te, które uczestniczą w synapsach neuronów).
Powiązane choroby
U ludzi mutacje w genach kodujących enzymy lizosomalne są związane z ponad 30 wrodzonymi chorobami. Te patologie są objęte terminem „choroby depozytu lizosomalnego”.
Nieoczekiwanie wiele z tych warunków wynika z uszkodzenia pojedynczego enzymu lizosomalnego.
U osób dotkniętych chorobą konsekwencją posiadania niefunkcjonalnego enzymu w lizosomach jest gromadzenie się produktów odpadowych.
Najczęstsza zmiana depozytu lizosomalnego jest znana jako choroba Gauchera i jest związana z mutacją w genie, który koduje enzym odpowiedzialny za glikolipidy. Ciekawostką jest, że choroba wykazuje dość wysoką częstotliwość wśród ludności żydowskiej, dotkniętych 1 na 2500 osobników.
