Лизосомы

Что такое лизосомы

Лизосомы - это органеллы, обнаруженные внутри клетки. Их функция аналогична  функции желудка: именно они осуществляют клеточное пищеварение. В них инкапсулированы ферменты гидролазы, которые помогают разорвать связи белков, нуклеиновых кислот и сахаров, чтобы создать более простые частицы с более низкой молекулярной массой, которые можно повторно ввести в метаболические пути.

Открытие лизосом

Бельгийский биохимик Кристиан де Дюв в 1947 году основал собственную лабораторию. В сотрудничестве с Филипом Сикевицем и Джорджем Паладе, используя только технику фрагментации клеток дифференциальным центрифугированием, он сделал свои первые открытия; в частности, он обнаружил, что фермент глюкозо-6-фосфатаза (G6P) является маркером эндоплазматического ретикулума. Интересно, что в качестве контроля для этого эксперимента они использовали кислую фосфатазу и не обратили на нее особого внимания. 

Случайно лаборатория доктора де Дюва сохранила эти контрольные образцы для использования в последующих экспериментах. Когда были проведены новые анализы, они отметили, что активность фермента кислой фосфатазы в образцах, хранившихся в течение 5-дневного периода, была выше, чем в свежих образцах. Вместо того чтобы продолжать свои исследования механизма действия инсулина и глюкагона, которые, кстати, он и открыл последним, его любопытство привело к исследованию того, почему ферментативная активность была сильнее, когда использовались образцы, хранившиеся в течение более длительного периода времени.

Таким образом, он повторил эксперименты, используя методы, фрагментирующие мембраны. В 1955 году исследование привело де Дюва к выводу, что этот фермент был изолирован в мембранных мешочках, которые он позже назвал лизосомами. 

После этого открытия де Дюв обратил свой интерес к ферменту уратоксидазе, присутствующему в той же клеточной фракции. В ней также были обнаружены другие ферменты, такие как каталаза и оксидаза D-аминокислот. Доктор де Дюв предположил, что все эти ферменты имеют химические свойства, сходные с оксидазами, продуцирующими пероксид, и пришел к выводу, что они расположены в одной и той же органелле. Наконец, в 1957 году его группа опубликовала информацию об открытии еще одной органеллы — пероксисомы.

За эти открытия в 1974 году де Дюв разделил Нобелевскую премию по физиологии и медицине с Альбертом Клодом и Джорджем Паладом за их открытия в области структурной и функциональной организации клетки.

Характеристики лизосом

Выделим основные характерные черты лизосом:

• Они имеют животное происхождение: лизосомы есть в клетке, но только у животных. 

• Они имеют сферическую форму и происходят из аппарата Гольджи .

• Они полиморфны: то есть, не имеют определенного размера. Это потому, что они могут иметь разное содержимое.

• На клетку приходится более одной лизосомы.

• Снаружи они отграничены простой мембраной - то есть, лизосома  непроницаема для внешних веществ.

• Им требуются промежуточные белки: они встраиваются в мембрану и используют их для связи с внешней средой.

• Они охватывают большое количество ферментов.

• Их внутренние матрицы имеют очень кислый рН 5. Это необходимо для того, чтобы ферменты, которые они содержат, могли быть функциональными.

• У них сильно гликозилированная внутренняя полумембрана: она служит для их защиты от такого кислого рН, что означает, что белки связываются с олигосахаридами.

Типы лизосом

Классификация лизосом может выглядеть так: 

• Первичные лизосомы. Как следует из названия, они образуются первыми и отличаются маленькими размерами и однородностью.

• Вторичные лизосомы — это лизосомы, которые уже активно работают. Они крупнее первичных лизосом, потому что уже обрабатывают молекулы.

В зависимости от того, что они поглощают, лизосомы также можно разделить на:

• Гетеролизосомы  - они переваривают молекулы пищеварения, бактерии и вирусы. 

• Аутолизосомы - те, которые полностью переваривают клетку посредством апоптоза.

Строение лизосом

Лизосомы представляют собой относительно простые по строению органеллы. Они состоят из двойного липидного слоя, в который встроены белки-переносчики, обеспечивающие прохождение частиц внутрь и наружу. В этом слое находятся многочисленные ферменты, обрабатывающие частицы. Среди них:

• альфа-глюкозидаза;

• коллагеназа;

• эластаза;

• рибонуклеаза;

• липазы.

Такие ферменты работают со специфическими субстратами и могут быть классифицированы в зависимости от молекулы, которую они обрабатывают. Протеазы расщепляют белки, нуклеазы типов ДНКаз и РНКаз перерабатывают нуклеиновые кислоты, углеводы расщепляют лизоцимы и гликозидазы, липиды — фосфолипазы и липазы, фосфаты из органических молекул — фосфатазы, сульфатные эфиры — арилсульфатазы.

Функции лизосом

Функция этих органелл заключается в переваривании веществ (клеточное пищеварение), находящихся внутри клетки, а также тех, которые поступают извне. Этот процесс имеет четыре цели:

• Переработка.

Во-первых, они обрабатывают молекулы, чтобы переработать их в метаболизме клетки. После того как они превращены в более простые молекулы, их можно использовать повторно. Это отличная стратегия повышения эффективности, позволяющая избежать отходов и затрат энергии. Они превращают, например, белки в аминокислоты, большие молекулы сахара в простые сахара и липиды в простые жирные кислоты.

• Ликвидация.

Второй целью клеточного пищеварения является устранение органелл или белков, которые со временем испортились. Изношенные органеллы могут генерировать активные формы кислорода, которые провоцируют появление различных заболеваний и признаков старения. Лизосомы обладают способностью полностью поглощать эти органеллы и даже участки цитоплазмы, нуждающиеся в обновлении.

• Регулирование.

С другой стороны, этот процесс также помогает регулировать рост клеток,  а также клеточный гомеостаз, что удерживает клетку в равновесии против возможных внешних изменений. В случае полного повреждения клетки лизосомы приводят к апоптозу или запрограммированной гибели, при которой они уничтожают клетку.

• Сотрудничество.

Наконец, лизосомы сотрудничают, чтобы избавиться от внешних угроз, таких как бактерии или вирусы, обрабатывая их, чтобы разрушить и вытеснить уже неактивные. 

Работа лизосом завершается эндоцитозом, процессом, при котором рассматриваемые частицы поглощаются и заворачиваются в везикулы. Эти везикулы называются пищеварительными вакуолями, и как только они обрабатывают содержимое, они выпускают его обратно в пищеварительный тракт для повторного использования клеткой. То, что не может быть переварено, высвобождается из клетки.

Когда лизосомы не работают должным образом, это может привести к возникновению заболеваний. Правда, в основном они редки и имеют генетическое происхождение. Например, болезнь Гоше и болезнь Помпе.

Краткие выводы

• Лизосомы – это маленькие органеллы, которые играют важную роль в клеточной переработке и утилизации различных веществ. Внешне они выглядят как маленькие пузырьки, окруженные мембраной, и содержат разнообразные ферменты, способные разлагать и перерабатывать молекулы.

• Основная функция лизосом – это расщепление больших молекул на меньшие фрагменты с помощью ферментов. Они выполняют роль пищеварительных органов клетки, которые способны перерабатывать различные вещества, такие как белки, углеводы, липиды и нуклеиновые кислоты. Это происходит путем гидролиза, то есть разложения веществ при участии воды.

• Лизосомы также играют важную роль в очистке клетки от отходов и старых компонентов. Они могут поглощать и перерабатывать дефектные или поврежденные органеллы, а также остатки целых клеток, которые могут попасть внутрь клетки через фагоцитоз.

• Кроме того, лизосомы также отвечают за регуляцию клеточного гомеостаза. Они контролируют уровень различных молекул и ионов внутри клетки, обеспечивая оптимальные условия для ее функционирования.