Лизосомы история открытия кратко

Обновлено: 02.07.2024

Лизосо́ма — (от греч. λύσις — растворяю и sōma — тело) клеточный органоид размером 0,2 — 0,4 мкм, один из видов везикул. Эти одномембранные органоиды — часть вакуома (эндомембранной системы клетки). Разные виды лизосом могут рассматриваться как отдельные клеточные компартменты.

Содержание

Распространенность среди царств живой природы

Лизосомы были впервые описаны в 1955 году Кристианом де Дювом в животной клетке, а позже были обнаружены и в растительной. У растений к лизосомам по способу образования, а отчасти и по функциям близки вакуоли. Лизосомы есть также у большинства протистов (как с фаготрофным, так и с осмотрофным типом питания) и у грибов. Таким образом, наличие лизосом характерно для клеток всех эукариот. У прокариот лизосомы отсутствуют, так как у них отсутствует фагоцитоз и нет внутриклеточного пищеварения.

Признаки лизосом

Один из признаков лизосом — наличие в них ряда ферментов (кислых гидролаз), способных расщеплять белки, углеводы, липиды и нуклеиновые кислоты. К числу ферментов лизосом относятся катепсины (тканевые протеазы), кислая рибонуклеаза, фосфолипаза и др. Кроме того, в лизосомах присутствуют ферменты, которые способны отщеплять от органических молекул сульфатные (сульфатазы) или фосфатные (кислая фосфатаза) группы.

Для лизосом характерна кислая реакция внутренней среды. Обычно pH в лизосомах составляет около 4,5-5 (концентрация протонов на два порядка выше, чем в цитоплазме). Это обеспечивается активным транспортом протонов, который осуществляет встроенный в мембраны лизосом белок-насос протонная АТФаза.

Высокая активность кислой фосфатазы ранее использовалась как один из маркеров лизосом. В настоящее время более надежным маркером считается присутствие специфических мембранных гликопротеидов — LAMP1 и LAMP2. Они присутствуют на мембране лизосом и поздних эндосом, но отсутствуют на мембранах других компартментов вакуома.

Образование лизосом и их типы

Общепринятой классификации и номенклатуры для разных стадий созревания и типов лизосом нет. Различают первичные и вторичные лизосомы. Первые образуются в области аппарата Гольджи, в них находятся ферменты в неактивном состоянии, вторые же содержат активные ферменты. Обычно ферменты лизосом активируются при понижении рН. Среди лизосом можно также выделить гетеролизосомы (переваривающие материал, поступающий в клетку извне — путем фаго- или пиноцитоза) и аутолизосомы (разрушающие собственные белки или органоиды клетки). Наиболее широко используется следующая классификация лизосом и связанных с ними компартментов:

  1. Ранняя эндосома — в нее поступают эндоцитозные (пиноцитозные) пузырьки. Из ранней эндосомы рецепторы, отдавшие (из-за пониженного рН) свой груз, возвращаются на наружную мембрану.
  2. Поздняя эндосома — в нее из ранней эндосомы поступают пузырьки с материалом, поглощенном при пиноцитозе, и пузырьки из аппарата Гольджи с гидролазами. Рецепторы маннозо-6-фосфата возвращаются из поздней эндосомы в аппарат Гольджи.
  3. Лизосома — в нее из поздней эндосомы поступают пузырьки со смесью гидролаз и перевариваемого материала.
  4. Фагосома — в нее попадают более крупные частицы (бактерии и т. п.), поглощенные путем фагоцитоза. Фагосомы обычно сливаются с лизосомой.
  5. Аутофагосома — окруженный двумя мембранами участок цитоплазмы, обычно включающий какие-либо органоиды и образующийся при макроаутофагии. Сливается с лизосомой.
  6. Мультивезикулярные тельца — обычно окружены одинарной мембраной, содержат внутри более мелкие окруженные одинарной мембраной пузырьки. Образуются в результате процесса, напоминающего микроаутофагию (см. ниже), но содержат материал, полученный извне. В мелких пузырьках обычно остаются и затем подвергаются деградации рецепторы наружной мембраны (например, рецепторы эпидермального фактора роста). По стадии формирования соответствуют ранней эндосоме. Описано образование мультивезикулярных телец, окруженных двумя мембранами, путем отпочковывания от ядерной оболочки.
  7. Остаточные тельца (телолизосомы) — пузырьки, содержащие непереваренный материал (в частности, липофусцин). В нормальных клетках сливаются с наружной мембраной и путем экзоцитоза покидают клетку. При старении или патологии накапливаются.

Функции лизосом

Функциями лизосом являются:

  • переваривание захваченных клеткой при эндоцитозе веществ или частиц (бактерий, других клеток) — уничтожение ненужных клетке структур, например, во время замены старых органоидов новыми, или переваривание белков и других веществ, произведенных внутри самой клетки — самопереваривание клетки, приводящее к ее гибели (иногда этот процесс не является патологическим, а сопровождает развитие организма или дифференцировку некоторых специализированных клеток). Пример: При превращении головастика в лягушку, лизосомы, находящиеся в клетках хвоста, переваривают его: хвост исчезает, а образовавшиеся во время этого процесса вещества всасываются и используются другими клетками тела.
  • растворение внешних структур (см, например, остеокласты)

Внутриклеточное пищеварение и участие в обмене веществ

У многих протистов и у животных, имеющих внутриклеточное пищеварение, лизосомы участвуют в переваривании пищи, захваченной путем эндоцитоза. При этом лизосомы сливаются с пищеварительными вакуолями. У протистов непереваренные остатки пищи обычно удаляются из клетки при слиянии пищеварительной вакуоли с наружной мембраной.

Многие клетки животных, у которых преобладает полостное пищеварение (например, хордовые) получают питательные вещества из межклеточной жидкости или плазмы крови с помощью пиноцитоза. Эти вещества также вовлекаются в обмен веществ клетки после их переваривания в лизосомах. Хорошо изученный пример такого участия лизосом в обмене веществ — получение клетками холестерина. Холестерин, приносимый кровью в виде ЛПНП, поступает внутрь пиноцитозных везикул после соединения ЛПНП с рецепторами ЛПНП на мембране. Рецепторы возвращаются к мембране из ранней эндосомы, а ЛПНП поступают в лизосомы. После этого ЛПНП перевариваются, а высвободившийся холестерин через мембрану лизосом поступает в цитоплазму.

Косвенно лизосомы участвуют в обмене, обеспечивая десенсибилизацию клеток к воздействию гормонов. При длительном действии гормона на клетку часть рецепторов, связавших гормон, поступают в эндосомы и затем деградируют внутри лизосом. Снижение числа рецепторов понижает чувствительность клетки к гормону.

Для крупных вакуолей растений характерна запасающая функция — в них могут накапливаться ионы, пигменты (например, антоцианы), вторичные метаболиты, белки (в алейроновых зернах эндосперма злаков). Внутри вакуолей (например, в прорастающих семенах) у растений происхдят и процессы переваривания запасенных белков.

Аутофагия

Обычно различают два типа аутофагии — микроаутофагия и макроаутофагия. При микроаутофагии, как при образовании мультивезикулярных телец, образуются впячивания мембраны эндосомы или лизосомы, которые затем отделяются в виде внутренних пузырьков, только в них попадают вещества, синтезированные в самой клетке. Таким путем клетка может переваривать белки при нехватке энергии или строительного материала (например, при голодании). Но процессы микроаутофагии происходят и при нормальных условиях и в целом неизбирательны. Иногда в ходе микроаутофагии перевариваются и органоиды; так, у дрожжей описана микроаутофагия пероксисом и частичная микроаутофагия ядер, при которой клетка сохраняет жизнеспособность.

Третий тип аутофагии — шаперон-зависимая. При этом способе происходит направленный транспорт частично денатурировавших белков из цитоплазмы сквозь мембрану лизосомы в ее полость.

Автолиз

Ферменты лизосом нередко высвобождаются при разрушении мембраны лизосомы. Обычно при этом они инактивируются в нейтральной среде цитоплазмы. Однако при одновременном разрушении всех лизосом клетки может произойти ее саморазрушение — автолиз. Различают патологический и обычный автолиз. Распространенный вариант патологического автолиза — посмертный автолиз тканей.

В норме процессы автолиза сопровождают многие явления, связанные с развитием организма и дифференцировкой клеток. Так, аутолиз клеток описывается как механизм разрушения тканей у личинок насекомых при полном превращении, а также при рассасывании хвоста у головастика. Правда, эти описания относятся к периоду, когда различия между апоптозом и некрозом еще не были установлены, и в каждом случае требуется выяснять, не лежит ли на самом деле в основе деградации органа или ткани апоптоз, не связанный с автолизом.

У растений автолизом сопровождается дифференциация клеток, которые функционируют после смерти (например, трахеид или члеников сосудов). Частичный автолиз происходит и при созревании клеток флоэмы- члеников ситовидных трубок.

Клиническое значение. Болезни, связанные с нарушением работы лизосом

Иногда из-за неправильной работы лизосом развиваются болезни накопления, при которых ферменты из-за мутаций не работают или работают плохо. Примером болезней накопления может служить амавротическая идиотия при накоплении гликогена.

Разрыв лизосомы и выход в гиалоплазму расщепляющих ферментов сопровождается резким повышением их активности. Такого рода повышение активности ферментов наблюдается, например, в очагах некроза при инфаркте миокарда и при действии излучения.

Лизосомы как мембранные внутриклеточные частицы были открыты биохимиками (Де Дюв, 1955). Ферменты изолированных лизосом проявляют свою активность только в том случае, если предварительно вызывается повреждение самих лизосом, либо воздействием осмотического шока или детергентов, либо замораживанием и оттаиванием препаратов. На основании этого было сделано заключение, что лизосомы окружены липопротеидной мембраной, которая препятствует доступу находящихся снаружи субстратов к ферментам, находящимся внутри лизосом.

Лизосомы

-представляют собой небольшие округлые частицы, располагающиеся в цитоплазме. Каждая лизосома ограничена плотной мембраной, внутри которой заключено свыше 12 гидролитических ферментов, имеющих наибольшую активность в кислой среде. Мембрана лизосомы имеет типичное трехслойное строение.

Ферменты, содержащиеся в лизосомах, способны расщеплять важные в биологическом отношении соединения, т. е. белки, нуклеиновые кислоты, полисахариды. Эти вещества поступают в клетку в качестве пищи путем фагоцитоза и пиноцитоза, и лизосомы принимают активное участие в их расщеплении, или лизисе. Отсюда происходит и название самого органоида. Совокупность лизосом можно назвать "пищеварительной системой" клетки, так как они участвуют в переваривании всех веществ, поступающих в клетку.

лизосомы это мембранные частицы, расположенные между митохондриями и микросомами, которые содержат широкий спектр пищеварительных ферментов (приблизительно 50), используемых в основном для пищеварения и устранения избыточных или изношенных органелл, пищевых частиц и вирусов или бактерий.

Используя более разговорный термин, можно сказать, что лизосомы похожи на желудок клетки..


Лизосомы окружены мембраной, состоящей из фосфолипидов, которые отделяют внутреннюю часть лизосом от внешней среды мембраны. Фосфолипиды - это те же самые клеточные молекулы, которые образуют клеточную мембрану, которая окружает всю клетку. Размер лизосом варьируется от 0,1 до 1,2 мкм..

Его конкретные функции включают в себя:

  • переваривание макромолекул от фагоцитоза, эндоцитоза и аутофагии.
  • переваривание бактерий и других отходов.
  • восстановление повреждения плазматической мембраны, действующей как мембранная пластырь.
  • и апоптоз.

Открытие лизосом

Лизосомы были обнаружены бельгийским цитологом и биохимиком Кристианом Рене де Дюве в 1950-х годах. Де Дюв получил Нобелевскую премию по медицине в 1974 году за открытие лизосом и других органелл, известных как пероксисомы..

Де Дюв обнаружил лизосомы биохимическими методами и с помощью электронной микроскопии. Это основное открытие привело к современному пониманию нескольких наследственных нарушений, вызванных дефектными лизосомальными белками, включая болезнь Тея-Саха и болезнь Гоше..

тип

Недавние исследования показывают, что существует два типа лизосом: секреторные и обычные лизосомы..

Секреторы лизосом

Секреторные лизосомы обнаруживаются, но не исключительно, в различных клетках иммунной системы, таких как Т-лимфоциты, полученные из линии кроветворных клеток..

Секреторные лизосомы представляют собой комбинацию обычных лизосом и секреторных гранул. Они отличаются от обычных лизосом тем, что содержат определенный секреторный продукт клетки, в которой они находятся..

Например, Т-лимфоциты содержат секреторные продукты (перфорин и гранзимы), которые могут атаковать как инфицированные, так и опухолевые клетки..

Все это делается с точным контролем местоположения и времени не только для максимизации воздействия на цель, но и для минимизации сопутствующего урона соседним дружественным клеткам..

Генетически контролируемые нарушения секреторных лизосом могут привести к нарушению синтеза тромбоцитов, типу иммунодефицита и гипопигментации..

Обычные лизосомы

Из-за пределов клетки процесс эндоцитоза, включая пиноцитоз, пропускает жидкости и мелкие частицы через образование в плазматической мембране небольших полостей, покрытых белками. Они запечатывают, пока не образуют пузырьки, покрытые белками.

Фагоцитоз может осуществляться "обычными клетками", но в основном это макрофаги, которые могут содержать до 1000 лизосом на клетку. Полученная структура фагоцитоза называется фагосомой. Изнутри клетки аутофагосомы ответственны за элиминацию органелл, таких как митохондрии и рибосомы.

Функции лизосом

Основными функциями лизосом являются:

Внутриклеточное пищеварение

Эти белки могут подвергаться пищеварению в клетке в результате эндоцитоза. Эндоцитоз включает процессы фагоцитоза, пиноцитоза и микропиноцитоза.

Фагоцитоз и пиноцитоз являются активными механизмами, в которых клетка нуждается в энергии для функционирования. Во время фагоцитоза, вызванного лейкоцитами, потребление кислорода, поглощение глюкозы и разложение гликогена значительно возрастают.

При эндоцитозе происходит сокращение актиновых и миозиновых микрофиламентов, присутствующих в периферической цитоплазме. Это приводит к инвагинации плазматической мембраны и образованию эндоцитарной вакуоли. Поглощенные частицы, заключенные в мембраны, полученные из плазматической мембраны и образующие вакуоли, иногда являются клеточными фагосомами..

После попадания крупной частицы или тела в клетку путем эндоцитоза и образования фагосомы мембраны фагосомы и лизосомы могут сливаться, образуя одну большую вакуоль.

Внутри этой вакуоли лизосомальные ферменты начинают процесс переваривания чужеродного материала. Первоначально лизосома, известная как первичная лизосома, содержит комплекс ферментов в неактивном состоянии, но после слияния с фагосомой она производит вторичную лизосому с другой морфологией и активными ферментами..

После ферментативного расщепления переваренный материал диффундирует в миоплазму клетки. Некоторые материалы могут оставаться в вакуоли увеличенной лизосомы. Эта остаточная вакуоль является остаточным телом, поскольку содержит остатки пищеварительного процесса..

Во время голодания лизосомы также переваривают запасенные пищевые материалы, то есть белки, липиды и гликоген, из цитоплазмы и обеспечивают энергию, необходимую клетке. Переваривание белков обычно заканчивается на уровне дипептида, который может проходить через мембрану и затем перевариваться в аминокислоты..

Переваривание внутриклеточных веществ или аутофагия

Многие клеточные компоненты, такие как митохондрии, постоянно удаляются из клетки лизосомной системой. Цитоплазматические органеллы окружены мембранами гладкой эндоплазматической сети, образуя вакуоли, затем лизосомальные ферменты выделяются в аутофагические вакуоли и органеллы перевариваются.

Аутофагия является общим свойством эукариотических клеток. Они связаны с обновлением клеточных компонентов.

Переваривание митохондрий или других клеточных структур обеспечивает источник энергии для этих клеток. После переваривания клеточной структуры аутофагические вакуоли могут стать остаточными телами.

Они играют роль в метаморфозе

Недавно была обнаружена роль лизосомы в метаморфозе лягушки. Исчезновение личиночного хвоста головастика лягушки происходит из-за лизосомальной активности (действие катепсинов, присутствующих в лизосомах).

Они помогают в синтезе белков

Ученые Novikoff и Essner (1960) предположили возможную роль лизосом в синтезе белка. В печени и поджелудочной железе некоторых птиц лизосомы более активны и развиты, что свидетельствует о возможной связи с клеточным метаболизмом..

Они помогают в оплодотворении

Во время оплодотворения головка сперматозоида выделяет некоторые лизосомальные ферменты, которые помогают проникновению сперматозоидов в желточный слой яйцеклетки..

Акросома содержит протеазу и гиалуронидазу и обильную кислую фосфатазу. Гиалуронидаза диспергируется в клетках вокруг ооцита, и протеаза переваривает zona pellucida, образуя канал, через который проникает ядро ​​сперматозоидов..

Он играет роль в остеогенезе

Утверждалось, что образование костных клеток, а также их разрушение зависит от лизосомальной активности. Точно так же старение клеток и партеногенетическое развитие связаны с активностью лизосом..

Остеокласты (многоядерные клетки), которые удаляют кости, делают это путем высвобождения лизосомальных ферментов, которые разрушают органический матрикс. Этот процесс активируется гормоном околощитовидной железы.

Пороки развития лизосом

Неисправность лизосом может привести к заболеваниям. Например, когда гликоген, поглощенный лизосомами, не переваривается, возникает болезнь Помпе.

Разрывы лизосом в клетках кожи, подвергающихся воздействию прямых солнечных лучей, приводят к патологическим изменениям после солнечных ожогов. Ферменты, высвобождаемые этими лизосомами, разрушают клетки эпидермиса, вызывая образование пузырей, а затем отслоение слоя эпидермиса..

Аутолиз хряща и костной ткани

Избыток витамина А вызывает отравление клеток. Он прерывает лизосомальную мембрану, вызывая высвобождение ферментов в клетке и вызывая аутолиз в хряще и костной ткани..

Лизосомные заболевания

Болезни Гоше I, II и III типов

Болезнь Гоше является наиболее распространенным типом лизосомального нарушения памяти. Исследователи идентифицировали три различных типа болезни Гоше, основанные на отсутствии (тип I) или наличии и степени (типы II и III) неврологических осложнений.

У большинства пострадавших есть тип I, у них могут быть синяки, хроническая усталость и ненормально увеличенная печень и / или селезенка (гепатоспленомегалия).

Болезнь Гоше II типа встречается у новорожденных и младенцев и характеризуется неврологическими осложнениями, которые могут включать непроизвольные мышечные спазмы, трудности с глотанием и потерю ранее приобретенных двигательных навыков..

Болезнь Гоше III типа появляется в течение первого десятилетия жизни. Неврологические осложнения могут включать умственное ухудшение, неспособность координировать произвольные движения и мышечные спазмы рук, ног или всего тела.

Типы болезни Ниманна-Пика A / B, C1 и C2

Болезнь Ниманна-Пика состоит из группы наследственных нарушений, связанных с метаболизмом жиров. Некоторые характеристики, общие для всех типов, включают увеличение печени и селезенки. Дети с болезнью Ниманна-Пика, типа А или С, также испытывают прогрессирующую потерю двигательных навыков, трудности с питанием, прогрессирующие трудности в обучении и судороги..

Болезнь Фабри

Симптомы болезни Фабри обычно начинаются в раннем детстве или в подростковом возрасте, но могут не проявляться до второго или третьего десятилетия жизни..

Первые симптомы включают эпизоды сильной жгучей боли в руках и ногах. Другими ранними признаками могут быть снижение потливости, дискомфорт при повышенных температурах и появление красноватой или темно-синей кожной сыпи, особенно в области между бедрами и коленями..

Болезнь накопления гликогена II (болезнь Помпе)

Болезнь Помпе имеет форму позднего начала. Пациенты с младенческой формой страдают наиболее сильно. Хотя эти дети обычно кажутся нормальными при рождении, заболевание возникает в течение первых двух-трех месяцев с быстро прогрессирующей мышечной слабостью, снижением мышечного тонуса (гипотония) и типом сердечной болезни, известной как гипертрофическая кардиомиопатия..

Проблемы с кормлением и затрудненное дыхание являются общими. Ювенильная / взрослая форма возникает между первым и седьмым десятилетиями как прогрессивно медленная мышечная слабость или с симптомами дыхательной недостаточности..

Ганглиозидоз I типа (болезнь Тея Сакса)

Существует две основные формы болезни Тея Сакса: классическая или детская форма и форма позднего начала..

У людей с детской болезнью Тея Сакса симптомы обычно появляются впервые в возрасте от трех до пяти месяцев. Они могут включать проблемы с питанием, общую слабость (летаргию) и преувеличенный испуганный рефлекс в ответ на громкие и внезапные шумы. Моторные задержки и умственное ухудшение прогрессируют.

У людей с поздней формой симптомы могут появиться в любое время от подросткового возраста до 30 лет. Инфантильная форма часто быстро прогрессирует, что приводит к значительному психическому и физическому ухудшению.

Характерным симптомом болезни Тея Сакса, которая встречается в 90 процентах случаев, является развитие красных пятен на задней части глаз. Симптомы поздней болезни Тэя Сакса широко варьируются от случая к случаю. Это расстройство прогрессирует гораздо медленнее, чем инфантильная форма.

Ганглиозидоз типа II (болезнь Сандхоффа)

Первые симптомы болезни Сандхоффа обычно начинаются в возрасте от трех до шести месяцев. Заболевание клинически неотличимо от ганглиозидоза I типа.

Метахроматическая лейкодистрофия

Первые признаки и симптомы могут быть расплывчатыми и постепенными, поэтому это расстройство трудно диагностировать. Нестабильность при ходьбе часто является первым наблюдаемым симптомом.

Иногда самым ранним симптомом является задержка в развитии или ухудшение успеваемости в школе. Со временем симптомы могут включать выраженную спастичность, судороги и глубокую умственную отсталость.

Болезни накопления мукополисахаридов (болезнь Гурлера и варианты, типы A, B, C, D, Morquio Types A и B, болезни Maroteaux-Lamy и Sly)

Эти заболевания вызваны изменениями в нормальном распаде сложных углеводов, известных как мукополисахариды. Эти заболевания имеют определенные общие характеристики, которые включают деформации костей и суставов, которые мешают подвижности и часто вызывают остеоартрит, особенно крупные суставы, которые поддерживают вес.

Все эти заболевания, кроме болезни Сан-Филиппо, мешают росту, вызывая низкий рост.

Болезнь Шиндлера I и II типа

Болезнь Шиндлера I типа является классической формой, которая появляется впервые в детстве. Пострадавшие люди, кажется, развиваются нормально, пока им не исполнится один год, когда они начинают терять ранее приобретенные навыки, которые требуют координации физических и умственных действий..

Тип II Шиндлера является формой появления у взрослых. Симптомы могут включать развитие обесцвеченных кластеров, похожих на бородавки на коже, постоянное расширение групп кровеносных сосудов, вызывающих покраснение кожи в пораженных областях, относительное утолщение черт лица и умеренное интеллектуальное ухудшение.

Болезнь Баттена

Болезнь Баттена является ювенильной формой группы прогрессирующих неврологических расстройств, известных как нейрональный цероидный липофусциноз. Характеризуется накоплением жирного вещества в мозге, а также в ткани, не содержащей нервных клеток.

Болезнь Баттена характеризуется быстро прогрессирующим нарушением зрения (атрофия зрительного нерва) и неврологическими расстройствами, которые могут начаться до восьмилетнего возраста. Это происходит главным образом в семьях скандинавского происхождения из Северной Европы, и расстройство влияет на мозг и может вызвать ухудшение интеллекта и неврологических функций.

Пострадавшее население

Как группа, считается, что лизосомные болезни накопления имеют предполагаемую частоту приблизительно одного из 5000 живорождений. Хотя отдельные заболевания редки, группа в целом поражает многих людей во всем мире.

Некоторые заболевания имеют более высокую заболеваемость в определенных группах населения. Например, болезни Гоше и Тай-Сакса чаще встречаются среди ашкеназского еврейского населения. Известно, что мутация, связанная с синдромом Херлера, встречается чаще между скандинавским и русским народами..

диагностика

Пренатальная диагностика возможна при всех нарушениях лизосомального хранения. Важное значение имеет раннее выявление заболеваний, связанных с накоплением лизосом, либо до рождения, либо как можно скорее, потому что, когда доступны методы лечения, как для самого заболевания, так и для связанных с ним симптомов, они могут значительно ограничить длительное течение и влияние болезни.


Лизосомы являются органеллами, которые встречаются в большинстве клеток животных и осуществляют функцию пищеварительных ферментов в эукариотических клетках.

Что такое лизосомы?

Лизосомы представляют собой сферические мембранные мешочки кислых гидрологических ферментов, которые способны переваривать клеточные макромолекулы. Лизосомальная мембрана помогает сохранить кислую среду внутри органеллы и отделяет пищеварительные ферменты от остальной части клетки.

Лизосомные ферменты производятся белками из эндоплазматического ретикулума и заключены в везикулы с помощью аппарата (комплекса) Гольджи.

Лизосомные ферменты

Лизосомы содержат различные гидролитические ферменты (около 50 различных типов), которые способны переваривать нуклеиновые кислоты, полисахариды, липиды и белки. Внутренняя часть лизосомы постоянно поддерживается кислой, так как ферменты лучше всего работают в кислой среде. Если целостность лизосомы нарушена, ферменты не окажут существенного вреда в нейтральном цитозоле клетки.

Образование

Лизосомы образуются в результате слияния везикул из комплекса Гольджи с эндосомами. Эндосомы – это везикулы, которые образуются эндоцитозом, поскольку участок плазматической мембраны зажимается и интернализуется клеткой. В этом процессе внеклеточный материал поглощается клеткой. По мере того как эндосомы созревают, они становятся известными как поздние эндосомы.

Поздние эндосомы сливаются с транспортными везикулами из Гольджи, которые содержат кислотные гидролазы. После слияния, эти эндосомы в конечном итоге превращаются в лизосомы.

Функции лизосом

Некоторые клетки, такие как лейкоциты, имеют гораздо больше лизосом, чем другие. Эти клетки уничтожают бактерии, мертвые клетки, раковые клетки и посторонние вещества посредством клеточного переваривания. Макрофаги поглощают вещество фагоцитозом и заключают его в везикулу, называемую фагосом.

Лизосомы в макрофаге сливаются с фагосомой, высвобождая свои ферменты и формируя так называемую фаголисосому. Интернализованный материал переваривается в фаголисосоме. Лизосомы также необходимы для деградации внутренних клеточных компонентов, таких как органеллы. Во многих организмах лизосомы участвуют в запрограммированной гибели клеток.

Дефекты лизосомы

У людей на лизосомы могут влиять различные наследственные состояния. Эти генные мутации вызывают такие болезни, как Помпе, синдром Херлера и болезнь Тай-Сакса. У людей с этими нарушениями отсутствует один или несколько лизосомных гидролитических ферментов. Это приводит к нарушению нормального метаболизма макромолекул в организме.

Похожие органеллы

Как и лизосомы, пероксисомы являются связанными с мембраной органеллами, которые содержат ферменты. Пероксисомные ферменты продуцируют пероксид водорода в качестве побочного продукта. Они участвуют по меньшей мере в 50 различных биохимических реакциях в организме. Пероксисомы помогают детоксифицировать алкоголь в печени, образуют желчную кислоту и разлагают жиры.

Лизосомы — это мембранные органеллы, содержащие множество ферментов, способных разрушать все типы биологических полимеров — белки, нуклеиновые кислоты, углеводы и липиды. Они функционируют как пищеварительная система, служа как для деградации материала, взятого извне клетки, так и для переваривания устаревших компонентов. Строение и функции лизосом могут быть определённого типа.

  • Форма простейших
  • Ферменты вида
  • Образование органелл
  • Эндоцитоз и образование
  • Фагоцитоз и аутофагия
  • Патофизиологическая роль
  • Функциональные механизмы

Особенности строения и образования лизосом, ферменты вида

Форма простейших

В своей форме лизосомы визуализируют в виде плотных шаровидных вакуоли, но они могут показывать значительные отличия размера, в зависимости от материалов, которые были приняты для пищеварения (см.рисунок).

Основная функция и патофизиологическая роль

Из таблицы строения и функций лизосом видно, что они обычно сферической формы, с диаметром от 0,05 до 0,5 мкм. На электронных микрофотографиях они имеют форму равномерно-зернистых, электронно-плотных структур (см. схему). Таким образом, особенности строения лизосом в том, что они представляют собой морфологически разнообразные органеллы, проводят определение общей функции деградации внутриклеточного материала.

Это цитоплазматические внутриорганические органеллы, принадлежащие к эндомембранной системе, содержащей ферменты (кислотные гидролазы), которые разрушают многие биологические молекулы. Они встречаются во всех клетках, но чаще — в ответственных за защиту организма: макрофагах, нейтрофильных полинуклеарных или очень специализированных клетках, таких как остеокласты. Первичный видимый в оптической и электронной микроскопии гетерогенный вид лизосом обнаруживается гистоэнзимологической окраской кислой фосфатазы.

Ферменты вида

Лизосомы содержат около 50 различных разлагающих комплексов ферментов, которые могут гидролизовать белки, ДНК, РНК, полисахариды и липиды. Мутации в генах, что кодируют эти ферменты, ответственны за более чем 30 различных генетических заболеваний человека, которые называются лизосомальными заболеваниями хранения, потому что необработанный материал накапливается. Большинство из этих остаточных заболеваний является результатом дефицита отдельных химических лизосомальных ферментов. Например:

Фагоцитоз и эндоцитоз

  • Болезнь под названием Гоше (наиболее распространённое из этих расстройств) является результатом мутации в гене, который кодирует лизосомальный фермент, необходимый для расщепления гликолипидов.
  • Клеточное заболевание, которое вызвано дефицитом фермента, катализирующего первый этап мечения лизосомальных ферментов маннозой-6-фосфатом в аппарате Гольджи.

Это всё результат общей неспособности лизосомальных ферментов, которые должны быть включены в органеллах.

Все лизосомальные ферменты являются гидролазами, что активны при рН (около 5), который поддерживается в лизосомах, но не при нейтральном показателе (около 7,2), характерном для остальной цитоплазмы. Требование этих лизосомальных гидролаз для кислотного рН обеспечивает двойную защиту против неконтролируемого пищеварения содержания цитозоля. Даже если лизосомальная мембрана опущена, выпущенные кисловочные гидролазы были бы неактивны на нейтральном рН цитозоля.

Для поддержания кислотного внутреннего рН лизосомы должны активно концентрировать ионы H+ (протоны). Это достигается протонным насосом в лизосомальной мембране, который активно транспортирует протоны в лизосому из цитозоля. Эта перекачка требует затрат энергии в виде гидролиза АТФ, так как она поддерживает примерно в сто раз более высокую концентрацию H+ внутри лизосомы. Органоиды содержат различные кислотные гидролазы, которые активны при кислотном рН, поддерживаемом в органелле, но не при нейтральном рН цитозоля.

Образование органелл

Функциональные механизмы органелл

Одной из основных функций лизосом является переваривание материала, взятого извне клетки эндоцитозом. Однако роль органелл в переваривании материала, принимаемого эндоцитозом, связана не только с функцией органелл, но и с их образованием. В частности, лизосомы образуются путём слияния транспортных везикул, почковавшихся из транс-Гольджи сети с эндосомами, которые содержат молекулы, принятые эндоцитозом на плазматической мембране.

Нужно выяснить, где формируются лизосомы и в чём их отличие в биологии. Появление органелл представляет собой пересечение секреторных путей (через них обрабатываются лизосомальные белки) и эндоцитозного пути, через которые молекулы внеклеточного занимают место на поверхности клетки. Материал извне клетки берётся в покрытых клатрином эндоцитарных везикулах, которые распускаются из плазматической мембраны и затем сливаются с ранними эндосомами.

Компоненты затем рециркулируются в плазматическую мембрану и ранние эндосомы постепенно созревают в поздние, которые являются предшественниками лизосом. Одним из важных изменений во время созревания эндосомы является снижение внутреннего рН примерно до 5,5, что играет ключевую роль в доставке лизосомальных кислотных гидролаз из сети транс-гольджи.

Эндоцитоз и образование

Лизосомы: строение и функции органелл, роль в биологии

Молекулы берутся извне клетки в эндоцитарных везикулах, которые сливаются с ранними эндосомами. Мембранные компоненты перерабатываются по мере созревания ранних эндосом в поздние.

Кислотные гидролазы нацелены на лизосомы остатками манноза-6-фосфата, которые распознаются рецепторами манноза-6-фосфата в сети транс-Гольджи и упаковываются в клатрин-покрытые везикулы. После удаления слоя клатрина эти транспортные везикулы сливаются с поздними эндосомами, а кислотный внутренний рН приводит к диссоциации гидролаз с рецептором манноза-6-фосфата.

Таким образом, гидролазы высвобождаются в просвет эндосомы, в то время как рецепторы остаются в мембране и в итоге рециркулируются в Гольджи. Поздние эндосомы затем созревают в лизосомы, поскольку они приобретают полный набор кислотных гидролаз, которые переваривают молекулы, первоначально принятые эндоцитозом.

Фагоцитоз и аутофагия

Помимо деградирующих молекул, поглощаемых эндоцитозом, лизосомы переваривают материал, полученный двумя другими путями — фагоцитозом и аутофагией. При фагоцитозе специализированные клетки, такие как макрофаги, поглощают и разрушают крупные частицы, включая бактерии, клеточный мусор и старые клетки, которые необходимо удалить из организма.

Лизосомы, роль и функции

Такие крупные частицы попадают в фагоцитарные вакуоли (фагосомы), которые затем сливаются с лизосомами, в результате чего происходит переваривание их содержимого. Образующиеся таким образом лизосомы (фаголизосомы) могут быть довольно крупными и неоднородными, так как их размер и форма определяются содержанием перевариваемого материала.

При фагоцитозе крупные частицы, например, бактерии, попадают в фагоцитарные вакуоли или фагосомы. В аутофагии внутренние органеллы, например, митохондрии, заключены в мембранные фрагменты из ER.

Лизосомы также отвечают за аутофагию — постепенный оборот собственных компонентов клетки. Первым шагом аутофагии, по-видимому, является включение органеллы (например, митохондрии) в мембрану, полученную из ER. Образовавшийся пузырёк затем сливается с лизосомой, его содержимое переваривается.

Патофизиологическая роль

У многих примитивных одноклеточных и беспозвоночных микроорганизмов роль лизосом, в первую очередь, питательная. Гетерофагия используется для захвата и переваривания экзогенных продуктов, аутофагия — для контролируемого использования чистых клеточных компонентов в случае нехватки пищи. Эта функция потеряла значение у высших животных, где она действует только для некоторых конкретных питательных веществ, таких как холестерин. С другой стороны, лизосомальное пищеварение подходит для многих специализированных функций.

Таким образом, в зависимости от клеточного типа, гетерофагический механизм служит:

  • для защиты от захватчиков;
  • очистки альвеол лёгких;
  • реабсорбции почек;
  • перестановки костей;
  • катаболизма белков плазмы;
  • регуляции гормональных эффектов;
  • синтеза гормонов щитовидной железы и многих других физиологических процессов.

Аутофагия играет очень общую роль в многочисленных аутолитических явлениях, которые происходят в обновлении клеточных составляющих, а также в адаптации, дифференциации и развитии растительных компонентов.

Лизосомы: строение и функции органелл

Лизосомы часто могут находиться и участвовать в формировании генеза патологических состояний. Гидролазы, которые они размещают, могут повредить цитоплазму, когда они высвобождаются внутри клетки или внеклеточные структуры, если они сбрасываются снаружи. Кроме того, перегрузка лизосом непереваренными материалами и последующее расширение могут поставить под угрозу нормальную клеточную функцию. Благодаря выяснению этих механизмов, многие заболевания оказались проявлениями клеточной пищеварительной патологии:

  • внутриклеточные выделения лизосомального содержимого (клеточные структуры повреждаются и часто клетки погибают) ;
  • силикозы, воспаления, интоксикации лизосомотропными веществами.

Функциональные механизмы

Лизосомы, роль в биологии

Лизосомы играют важную роль во внутриклеточном пищеварении. Этот процесс происходит в вакуолях, ограниченных мембраной, вторичными лизосомами, в пределах которых кислотный рН в диапазоне от 4,5 до 5,0, соответствующий требованиям лизосомиальных гидролаз, активно поддерживается протонным насосом, расположенным в мембране.

Исключительно гидролазы и лизосомиальная кислотность сбрасываются во внеклеточную полость, где они выполняют своё пищеварительное действие. Субстраты лизосомального пищеварения поступают извне или изнутри клетки. В первом случае (гетерофагия) захват материалов осуществляется фагоцитозом, пиноцитозом или любой другой формой эндоцитоза, т. е. процессом, включающим инвагинацию плазматической мембраны, которая закрывается вокруг захваченного материала и отделяется в цитоплазме в виде герметичной вакуоли, содержащей этот материал.

Объекты и молекулы, охватываемые таким образом, часто фиксируются специфическими рецепторами, расположенными на плазматической мембране (эндоцитоз интерпозированным рецептором). Это явление позволяет клеткам выбирать определённые питательные вещества в их окружающей среде, например, липопротеины низкой плотности, несущие холестерин. Это даёт им, кроме того, способ ограничивать действие гормонов и других активных агентов.

Читайте также: