Лизосомы мышечных волокон

 

В 1955 году в печени были обнаружены мелкие органеллы. Их открыл бельгийский биохимик Кристиан де Дюв. Он предложил назвать эти органеллы «лизосомами» из-за способности расщеплять различные вещества (от «lysis» – растворение и «soma» — тело). Впоследствии эти органеллы были найдены почти во всех клетках, в том числе и в мышечных волокнах.

Лизосомы – органеллы мышечного волокна общего назначения. Их размеры составляют от 0,3 мкм до 0,5 мкм. Это округлые или овальные тельца с мелкозернистым содержимым. Лизосомы формируются в комплексе Гольджи и находятся в саркоплазме мышечных волокон.

Состав лизосом

Лизосома представляет маленький мембранный пузырек. Внутри этого пузырька имеется большой набор ферментов (кислых гидролаз), расщепляющих белки, углеводы, липиды и нуклеиновые кислоты. В одной лизосоме может находиться до 80 различных ферментов. Мембрана лизосом устроена таким образом, что она проницаема для белков, которые могут легко проникать внутрь лизосомы, но не проницаема для ферментов, находящихся внутри лизосомы.

---

Более подробно строение и функции мышц описаны в моих книгах «Гипертрофия скелетных мышц человека» и «Биомеханика мышц«

---

Функции лизосом

1. Ферментные депо

Лизосомы выполняют функцию ферментных депо мышечного волокна.

2. Катаболизм белков

В мышечных волокнах катаболизм (распад) белков происходит посредством специальных ферментов – катепсинов, которые находятся в лизосомах. Многие из этих ферментов начинают проявлять свою активность в кислой среде (рН=5,0). Поэтому при мышечной работе, приводящей к образованию молочной кислоты, катепсины активируются. Белки проникают через мембрану внутрь лизосомы и распадаются на олигопротеины (низкомолекулярные белки). После этого олигопротеины выходят в саркоплазму мышечного волокна и расщепляются до аминокислот.

3. Уничтожение поврежденных компонентов мышечного волокна

Известно, что при выполнении силовой тренировки повреждаются миофибриллы. Существует предположение, что лизосомы отбирают и уничтожают измененные и поврежденные компоненты миофибрилл. В этом случае они играют роль внутренних «чистильщиков»,  убирающих дефектные структуры. Активность лизосом зависит от pH саркоплазмы. При накоплении лактата (что имеет место при гипертрофической силовой тренировке) pH саркоплазмы сдвигается в кислую сторону (то есть уменьшается). Это приводит к активации ферментов, находящихся внутри лизосомы. После этого ферменты полностью или частично переваривают части поврежденных миофибрилл.

Доказано, что при различных повреждениях мышечных волокон количество лизосом возрастает. При повреждении лизосом мышечное волокно может полностью разрушиться.

4. Ускорение синтеза белка

Научные исследования показывают, что ускорение синтеза белка может быть связано с перемещением лизосом к ядрам мышечного волокна и активации ДНК.

Лизосомы и физическая нагрузка

Доказано, что степень активации лизосом в мышечных волокнах пропорциональна физической нагрузке. Примечательно, что после окончания мышечной деятельности, активность кислых гидролаз лизосом (то есть ферментов лизосом) продолжала повышаться в течение 1-5 дней и только затем снижалась.

С уважением, А.В. Самсонова

Источник: allasamsonova.ru

Лизосомы. Особенности строения и функции

Лизосома – это органоид клетки размером около 0,2 мкм, окруженный одной мембраной и содержащий гидролитические ферменты. Главной функцией таких пузырьков является расщепление веществ, попавших внутрь клетки путем эндоцитоза, или своих собственных молекул, в которых больше нет необходимости.

Что такое лизосомы в плане строения?

Расщепление, или деградация веществ, осуществляется с помощью гидролаз – ферментов, способных работать в кислой среде. Чтобы поддерживать низкий pH, в мембрану лизосомы встроены АТФ-азы вакуолярного типа (V-типа). Специфическое строение данного комплекса позволяет закачивать против градиента концентрации протоны водорода, тем самым повышая их количество во внутренней среде органеллы.

Гидролазы способны функционировать только в кислой среде. Это играет важную защитную роль, т. к. в цитоплазме клетки среда практически нейтральная. Если мембрана лизосомы каким-то образом повреждена, и ферменты попали в цитозоль, они утратят способность расщеплять вещества и органеллы.

Мембрана лизосомы состоит из пластинчатых и мицеллярных участков. Промежутки между слоями фосфолипидов заполнены водой. По всей площади мембраны разбросаны многочисленные поры, которые также заполнены водой и могут быть закрыты полярными молекулами. Такой комплекс участков мембраны и системы пор дает возможность проникнуть внутрь органеллы и гидрофобным, и гидрофильным молекулам.

Как образуются лизосомы

Белки, необходимые для построения лизосомы, первоначально синтезируются в ЭПР. Далее их необходимо «пометить» путем прикрепления маннозного остатка. Этот маннозный остаток является специфическим сигналом для аппарата Гольджи: белки концентрируются в одном месте, после чего из них синтезируется пузырек с литическими ферментами. Вот что такое лизосомы в биологии.

Внутреннее содержимое лизосом

Что такое лизосомы и каков состав внутренней среды этих органелл?

Внутри лизосомы поддерживается кислая среда, pH которой достигает 4,5-5. В таких условиях ферменты могут выполнять свою функцию расщепления. Гидролазы – это общее название целого класса ферментов. Всего в лизосоме содержится около 40 различных биологически активных молекул, которые катализируют свою, абсолютно специфическую реакцию.

В составе внутреннего содержимого лизосомы можно встретить следующие ферменты:

• кислая фосфатаза – расщепляет вещества, содержащие фосфатные группы;
• нуклеаза – разрушает нуклеиновые кислоты;
• протеаза – расщепляет белки;
• коллагеназа – разрушает молекулы коллагена;
• липаза – расщепляет сложные эфиры;
• гликозидазы – ускоряют реакции расщепления углеводов;
• аспарагиназа – расщепляет аспарагиновую кислоту;
• глутаминаза – разрушает глутаминовую кислоту.

Всего в лизосомах содержится около 40 различных видов гидролаз. Поэтому на вопрос о том, что такое лизосомы, в биологии можно дать ответ: кладезь ферментов.

Типы лизосом

Выделяют 4 типа лизосом: первичные и вторичные лизосомы, аутофагосомы и остаточные тельца.

Образование лизосом – сложный процесс, который сопровождается работой различных сигнальных молекул на поверхности ЭПР и АГ. Первичная лизосома – это небольшой пузырек, который отщепляется от мембраны аппаратом Гольджи.

Первичная лизосома изначально содержит весь комплекс ферментов, необходимых для расщепления макромолекул.

Вторичная лизосома – это структура, большая по объему. Она образуется путем слияния первичного пузырька с веществами, попавшими путем эндоцитоза, или с продуктами метаболизма клетки, которые необходимо утилизировать.

Образование аутофагосом связано с таким процессом, как аутофагия – поглощение и «переваривание» отработавших органелл клетки.

Средняя продолжительность митохондрий составляет 10 дней. Как только органелла не способна выполнять свои функции, ее необходимо утилизовать. Для этого множество первичных лизосом окружают митохондрию и соединяются между собой. В итоге образуется аутофагосома больших размеров, внутри которой начинается расщепление митохондрии на мономеры.

Что такое лизосомы в виде остаточного тельца? Это конечный пункт функционирования любой лизосомы, когда ферменты выполнили свою работу, а в органелле остались вещества, которые не могут пройти дальнейшее расщепление. Непереваренные остатки просто выбрасываются из клетки.

Болезни, связанные с нарушениями работы лизосом

Не всегда ферменты работают исправно. Лизосомы выполняют функцию расщепления только тогда, когда гидролазы не имеют нарушений в структуре. Поэтому многие болезни, связанные с лизосомами, основаны на неправильной работе ферментов.

iv>

Такие отклонения называются болезнями накопления. Это значит, что при недостатке какого-то фермента его основной субстрат просто не переваривается в лизосоме, из-за чего накапливается и вызывает неблагоприятные последствия.

Сфинголипидоз, синдром Тея-Сакса, болезнь Сендхоффа, болезнь Нимана-Пика, лейкодистрофия – все эти болезни связаны с неправильной работой ферментов лизосом или их полным отсутствием. Большинство заболеваний носят рецессивный характер.

Источник: fb.ru

Федеральное агентство по образованию

Пензенский государственный педагогический университет

имени В.Г.Белинского

Кафедра биохимии

Курсовая работа на тему:

«Биохимия лизосом»

Выполнила: студентка

группы БХ-31 Цибулькина И.С.

Проверил: Соловьёв В.Б.

Пенза

2009

Оглавление

1.Введение

2.Структура и состав лизосом

3.Образование лизосом

4.Биосинтез и транспорт лизосомных белков

5.Органеллы, образующиеся из лизосом

6.Классификация ферментов, содержащихся в лизосомах

7.Лизосомные болезни накопления

8.Заключение

9.Приложение

10.Список используемой литературы

Введение

Представление о лизосомах связаны с понятием о так называемых «микротельцах», впервые описанных Роденом, в проксимальных канальцах почки, а затем исследованных в печени при различных экспериментальных условиях Рулье и Бернгардом. Эти микротельца, значительно менее многочисленные, чем митохондрии, окружены только одной хорошо выраженной мембраной и содержат тонкозернистое вещество, которое может конденсироваться в центре, образуя непрозрачную гомогенную сердцевину. Эти микротельца часто находят вблизи желчных канальцев. Их выделяли при помощи центрифугирования и отнесли к лизосомам. Рулье и Бернгард показали, что число микротелец значительно увеличивается в печени, регенирующей после гепатэктомии или отравления химическими веществами, которые разрушают печеночные клетки (четыреххлористый углерод), а также при кормлении, возобновленном после голодания.

Термин «лизосома», обозначающий литические частицы, был введен в 1955 году Христианом де Дювом для связанных с мембранами органелл, содержащих пять кислых гидролаз, которые изучались де Дювом и его коллегами на протяжении нескольких лет. В настоящее время о лизосомах накоплено огромное количество сведений, известно около 40 типов различных гидролитических ферментов. Большое внимание уделяется исследованию ряда генетических дефектов ферментов, локализованных в этих органеллах и связанных с ними лизосомных болезней накопления.

>

1. Структура и состав лизосом

Лизосома (от греч. λύσις — растворяю и sōma — тело), органоид клеток животных и грибов, осуществляющий внутриклеточное пищеварение. Представляет собой окруженный одинарной мембраной пузырек диаметром 0,2-2,0мкм, содержащий как в матриксе, так и в мембране набор гидролитических ферментов (кислая фосфатаза, нуклеаза, катепсин Н (лизосомная аминопептидаза), катепсин А (лизосомная карбоксипептидаза),катепсин В, G, L, НАДФНоксидаза, коллагеназа, глюкуронидаза, глюкозидаза и др. всего около 40 типов), активных в слабокислой среде. Обычно на клетку приходится несколько сотен лизосом. В мембране лизосом находятся АТФ-зависимые протонные насосы вакуольного типа (рис.А).
и обогащают лизосомы протонами, вследствие чего для внутренней среды лизосом рН 4,5-5,0 (в то время как в цитоплазме рН 7,0-7,3). Лизосомные ферменты имеют оптимум рН около 5,0, т. е. в кислой области. При рН, близких к нейтральным, характерным для цитоплазмы, эти ферменты обладают низкой активностью. Очевидно, это служит механизмом защиты клеток от самопереваривания о том случае, если лизосомный фермент, случайно, попадет в цитоплазму.

Строение мембраны лизосом представляет собой комбинацию участков построенных по пластинчатому и мицеллярному типу. Мицеллы находятся в динамичном равновесие с пластинчатыми участками – это равновесие зависит от условий среды. Полярные группы фосфолипидов образуют поверхность мицеллы, а неполярные участки обращены внутрь. Пространство между молекулами липидов занято водой. Мицеллярные участки содержат длинные поры. Эти поры заполнены водой и могут закрываться полярными группами липидов. Подобная организация мембраны обеспечивает проницаемость не только для гидрофильных, но и для гидрофобных веществ.

Химический состав:

— Неорганические соединения (Fe³⁺ , свинец, кадмий, кремний)

— Органические соединения (белки, полисахариды, некоторые олигосахариды – сахароза, фосфолипиды – фосфотидилхолин и фосфотидилсерин, жирные кислоты – ненасыщенные, что способствует высокой стабильности мембраны.)

2. Образование лизосом

По морфологии выделяют 4 типа лизосом:

1. Первичные лизосомы

2. Вторичные лизосомы

3. Аутофагосомы

4. Остаточные тельца

Первичные лизосомы представляют собой мелкие мембранные пузырьки, заполненные бесструктурным веществом, содержащим набор гидролаз. Маркерным ферментом для лизосом является кислая фосфотаза. Первичные лизосомы настолько мелкие, что их очень трудно отличить от мелких вакуолей на периферии зоны аппарата Гольджи. В дальнейшем первичные лизосомы сливаются с фагоцитарными или пиноцитарными вакуолями и образуют вторичные лизосомы или внутриклеточная пищеварительная вакуоль (рис. Б-3). При этом содержимое первичной лизосомы сливается с содержимым фагоцитарной или пиноцитарной вакуолей, а гидролазы первичной лизосомы получают доступ к субстратам, которые они начинают расщеплять.

Лизосомы могут сливаться друг с другом и таким путем увеличиваться в объеме, при этом усложняется их внутренняя структура. Судьба веществ, попавшивших в лизосомы, заключается в их расщеплении гидролазами до мономеров, мономеры транспортируются через мембрану лизосомы в гиалоплазму, где включаются в различные обменные процессы.

Расщепление и переваривание может идти не до конца. В этом случае в полости лизосом накапливаются непереваренные продукты, и вторичные лизосомы переходят в остаточные тельца (рис. Б-2). Остаточные тельца содержат меньше гидролитических ферментов, в них происходит уплотнение содержимого и его переотработка. Часто в остаточных тельцах наблюдается вторичная структуризация непереваренных липидов, которые образуют сложные слоистые структуры. Происходит отложение пигментных веществ.

Аутофагосомы встречаются в клетках простейших. Они относятся к вторичным лизосомам (рис. Б-1). Но в своем состояние содержат фрагменты цитоплазматических структур (остатки митохондрий, пластид, ЭПР, остатки рибосом, так же могут содержать гранулы гликогена). Процесс образования не ясен, но предполагают, что первичные лизосомы выстраиваются вокруг клеточной органеллы, сливаются друг с другом и отделяют органеллу от соседних участков цитоплазмы. Предполагают, что аутофагоцитоз связан с уничтожением сложных клеточных компонентов. В нормальных условиях число аутофагосом возрастает при метаболических стрессах. При различных повреждениях клеток аутофагоцитозу могут подвергаться целые зоны клеток.

Лизосомы присутствуют в самых разных клетках. Некоторые специализированны клетки, например лейкоциты, содержат их в особенно большом количестве. Интересно, что отдельные виды растений, в клетках которых лизосомы не обнаружены, содержат гидролитические ферменты в клеточных вакуолях, которые поэтому могут выполнять ту же функцию, что и лизосомы. Функция лизосом, по-видимому, лежит в основе таких процессов, автолиз и некроз тканей, когда ферменты освобождаются из этих органелл в результате случайных или «запрограммированных» процессов.

Естественной функцией лизосом является поставка гидролитических ферментов как для внутриклеточного, так и, возможно, для внеклеточного использования; после слияния мембран содержимое лизосом может смешиваться с содержимым фагоцитозных пузырьков, так что процессы гидролиза протекают в пространстве, обособленном от всех областей цитоплазмы, в которых находятся уязвимые для гидролиза внутриклеточные компоненты. Показано, что лизосомные ферменты могут освобождаться и во внеклеточное пространство. Продукты гидролиза могут проникать из органеллы в цитоплазму или выводиться из клетки наружу.

4. Биосинтез и транспорт лизосомных белков

Лизосомные белки синтезируются в ШЭР (рис. В), где они гликозилируются путем переноса олигосахаридных остатков. На последующей стадии, типичной для лизосомных белков, терминальные маннозные остатки (Man) фосфорилируются по C-6 (на схеме справа). Реакция протекает в две стадии. Сначала на белок переносится GlcNAc-фосфат, а затем идет отщепление GlcNAc. Таким образом, лизосомные белки в процессе сортировки приобретают концевой остаток маннозо-6-фосфата (Man-6-P, 2).

В мембранах аппарата Гольджи имеются молекулы-рецепторы, специфичные для Man-6-P-остатков и за счет этого специфически узнающие и селективно связывающие лизосомные белки (3). Локальное накопление этих белков происходит с помощью клатрина. Этот белок позволяет вырезать и транспортировать подходящие мембранные фрагменты в составе транспортных везикул к эндолизосомам (4), которые затем созревают с образованием первичных лизосом (5) в заключение от Man-6-P отщепляется фосфатная группа (6).

Man-6-P-рецепторы используются вторично в процессе рецикла. Снижение рН в эндолизосомах приводит к диссоциации белков от рецепторов (7). Затем рецепторы с помощью транспортных везикул переносятся обратно в аппарат Гольджи (8).

5. Органеллы, образуемые из лизосом

В некоторых дифференцированных клетках лизосомы могут выполнять специфические функции, образуя дополнительные органеллы. Все дополнительные функции связаны с секрецией веществ.

6. Классификация ферментов, содержащихся в лизосомах

Источник: MirZnanii.com

История открытия[править | править код]

В 1949—1952 годах биохимик Кристиан де Дюв и его студенты, изучавшие действие инсулина в клетках печени крыс, случайно обнаружили неожиданное различие в активности кислой фосфатазы в зависимости от способа выделения. Кислая фосфатаза использовалась ими в качестве стандарта, основным предметом их изучения был фермент глюкозо-6-фосфатаза, вовлечённый в метаболизм инсулина. В ходе экспериментов выяснилось, что при фракционировании клеточного содержимого на центрифуге кислая фосфатаза была ассоциирована с микросомальной фракцией, но проявляла только десятую часть активности в сравнении с простым клеточным экстрактом, причём после нескольких дней хранения микросомальной фракции в холодильнике активность кислой фосфатазы возрастала. При обнаружении этого феномена первым объяснением было то, что произошла какая-то техническая ошибка. Однако повторение эксперимента неизменно воспроизводило первоначальную картину. Это позволило предположить существование неких окружённых мембраной клеточных частиц, которые содержат внутри себя фермент. С 1952 по 1955 год было открыто ещё несколько кислых гидролаз, связанных с микросомальной фракцией. В 1955 году, который считается годом открытия лизосом, К. де Дюв предложил название «лизосома» для клеточной органеллы, которая окружена мембраной, внутри которой поддерживается низкий pH и внутри которой находится ряд ферментов, оптимально работающих в кислой среде^[7][8]. В том же 1955 году американский цитолог Алекс Новиков (англ.)русск. из Вермонтского университета США, блестяще владевший техникой микроскопии, посетил лабораторию К. де Дюве и смог получить первые электронные фотографии этих органелл, используя препарат частично очищенных лизосом. Позднее в 1961 году Алекс Новиков с помощью гистохимического выявления кислой фосфатазы и электронной микроскопии подтвердил локализацию этого фермента в лизосомах^[9][10]. В 1963 году бельгийский биохимик Генри Хэрс, ранее работавший в группе К. де Дюве, обнаружил недостаточность лизосомного фермента α-глюкозидазы у пациентов с болезнью Помпе и высказал предположение о связи других генетических заболеваний с нарушением работы лизосом^[11]. В настоящее время более 50 наследственных заболеваний связывают с лизосомной недостаточностью^[12].

В 1974 году за свой вклад в раскрытие структурной и функциональной организации клетки К. де Дюв был удостоен Нобелевской премией по медицине^[13].

Признаки лизосом[править | править код]

Лизосомы являются гетерогенными по форме, размеру, ультраструктурным и цитохимическим особенностям. В клетках животных размер лизосом составляет обычно менее 1 мкм, хотя в некоторых типах клеток, например, в макрофагах, размер лизосом может превышать несколько микрон. Лизосомы, как правило, имеют сферическую, овальную, иногда тубулярную форму^[14]. Число лизосом варьирует от одной (крупная вакуоль во многих клетках растений и грибов) до нескольких сотен или тысяч (в клетках животных). Лизосомы у животных обычно составляют не более 5 % внутриклеточного объёма^[15].

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. Всего полость лизосомы содержит около 60 растворимых кислых гидролитических ферментов^[2].

Для лизосом характерна кислая реакция внутренней среды, которая обеспечивает оптимум работы лизосомных гидролаз^[14]. Обычно pH в лизосомах составляет около 4,5-5, то есть концентрация протонов в них на два порядка выше, чем в цитоплазме. Это обеспечивается активным транспортом протонов, который осуществляет встроенный в мембраны лизосом белок-насос протонная АТФаза^[15]. Помимо протонного насоса в мембрану лизосом встроены белки-переносчики для транспорта в цитоплазму продуктов гидролиза макромолекул: аминокислот, сахаров, нуклеотидов, липидов^[16].

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[править | править код]

Лизосомы формируются из пузырьков (везикул), отделяющихся от аппарата Гольджи, и пузырьков (эндосом), в которые попадают вещества при эндоцитозе^[17]. В образовании аутолизосом (аутофагосом) принимают участие мембраны эндоплазматического ретикулума. Все белки лизосом синтезируются на «сидячих» рибосомах на внешней стороне мембран эндоплазматического ретикулума и затем проходят через его полость и через аппарат Гольджи.

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 — путём 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 неё поступают эндоцитозные (пиноцитозные) пузырьки. Из ранней эндосомы рецепторы, отдавшие (из-за пониженного рН) свой груз, возвращаются на наружную мембрану.
2. Поздняя эндосома — в неё из ранней эндосомы поступают пузырьки с материалом, поглощённом при пиноцитозе, и пузырьки из аппарата Гольджи с гидролазами. Рецепторы маннозо-6-фосфата возвращаются из поздней эндосомы в аппарат Гольджи.
3. Лизосома — в неё из поздней эндосомы поступают пузырьки со смесью гидролаз и перевариваемого материала.
4. Фагосома — в неё попадают более крупные частицы (бактерии и т. п.), поглощённые путём фагоцитоза. Фагосомы обычно сливаются с лизосомой.
5. Аутофагосома — окружённый 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 окружённые 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, путём отпочковывания от ядерной оболочки.
7. Остаточные тельца (телолизосомы) — пузырьки, содержащие непереваренный материал (в частности, липофусцин). В нормальных клетках сливаются с наружной мембраной и путём экзоцитоза покидают клетку. При старении или патологии накапливаются.

Функции лизосом[править | править код]

Функциями лизосом являются:

• переваривание захваченных клеткой при эндоцитозе веществ или частиц (бактерий, других клеток)
• аутофагия — уничтожение ненужных клетке структур, к примеру, во время замены старых органоидов новыми, или переваривание белков и других веществ, произведенных внутри самой клетки
• автолиз — самопереваривание клетки, приводящее к её 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[править | править код]

У многих протистов и у животных, имеющих внутриклеточное пищеварение, лизосомы участвуют в переваривании пищи, захваченной путём 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 происходят и процессы переваривания запасенных белков.

Аутофагия[править | править код]

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 путём 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.

При макроаутофагии участок цитоплазмы (часто содержащий какие-либо органоиды) окружается мембранным компартментом, похожим на цистерну эндоплазматической сети. В результате этот участок оказывается отгорожен от остальной цитоплазмы двумя мембранами. Затем такая аутофагосома сливается с лизосомой, и её содержимое переваривается. Видимо, макроаутофагия также неизбирательна, хотя часто подчеркивается, что с помощью неё клетка может избавляться от «отслуживших свой срок» органоидов (митохондрий, рибосом и др.).

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

Автолиз[править | править код]

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 её 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, автолиз 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 ещё 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[править | править код]

Иногда из-за неправильной работы лизосом развиваются болезни накопления, при которых ферменты из-за мутаций не работают или работают плохо. Примером лизосомных болезней накопления может служить болезнь Гоше, болезнь Помпе, Болезнь Тея — Сакса. Всего известно более 50 наследственных заболеваний, связанных с нарушением функции лизосомы^[12].

Повреждение лизосом некротизированных клеток, в том числе гранулоцитов, даёт начало воспалительному процессу^[18].

Источник: colibris62bethune.org

Лизосомы. Особенности строения и функции

Лизосома – это органоид клетки размером около 0,2 мкм, окруженный одной мембраной и содержащий гидролитические ферменты. Главной функцией таких пузырьков является расщепление веществ, попавших внутрь клетки путем эндоцитоза, или своих собственных молекул, в которых больше нет необходимости.

Что такое лизосомы в плане строения?

Расщепление, или деградация веществ, осуществляется с помощью гидролаз – ферментов, способных работать в кислой среде. Чтобы поддерживать низкий pH, в мембрану лизосомы встроены АТФ-азы вакуолярного типа (V-типа). Специфическое строение данного комплекса позволяет закачивать против градиента концентрации протоны водорода, тем самым повышая их количество во внутренней среде органеллы.

Гидролазы способны функционировать только в кислой среде. Это играет важную защитную роль, т. к. в цитоплазме клетки среда практически нейтральная. Если мембрана лизосомы каким-то образом повреждена, и ферменты попали в цитозоль, они утратят способность расщеплять вещества и органеллы.

Мембрана лизосомы состоит из пластинчатых и мицеллярных участков. Промежутки между слоями фосфолипидов заполнены водой. По всей площади мембраны разбросаны многочисленные поры, которые также заполнены водой и могут быть закрыты полярными молекулами. Такой комплекс участков мембраны и системы пор дает возможность проникнуть внутрь органеллы и гидрофобным, и гидрофильным молекулам.

Как образуются лизосомы

Белки, необходимые для построения лизосомы, первоначально синтезируются в ЭПР. Далее их необходимо «пометить» путем прикрепления маннозного остатка. Этот маннозный остаток является специфическим сигналом для аппарата Гольджи: белки концентрируются в одном месте, после чего из них синтезируется пузырек с литическими ферментами. Вот что такое лизосомы в биологии.

Внутреннее содержимое лизосом

Что такое лизосомы и каков состав внутренней среды этих органелл?

Внутри лизосомы поддерживается кислая среда, pH которой достигает 4,5-5. В таких условиях ферменты могут выполнять свою функцию расщепления. Гидролазы – это общее название целого класса ферментов. Всего в лизосоме содержится около 40 различных биологически активных молекул, которые катализируют свою, абсолютно специфическую реакцию.

В составе внутреннего содержимого лизосомы можно встретить следующие ферменты:

• кислая фосфатаза – расщепляет вещества, содержащие фосфатные группы;
• нуклеаза – разрушает нуклеиновые кислоты;
• протеаза – расщепляет белки;
• коллагеназа – разрушает молекулы коллагена;
• липаза – расщепляет сложные эфиры;
• гликозидазы – ускоряют реакции расщепления углеводов;
• аспарагиназа – расщепляет аспарагиновую кислоту;
• глутаминаза – разрушает глутаминовую кислоту.

Всего в лизосомах содержится около 40 различных видов гидролаз. Поэтому на вопрос о том, что такое лизосомы, в биологии можно дать ответ: кладезь ферментов.

Типы лизосом

Выделяют 4 типа лизосом: первичные и вторичные лизосомы, аутофагосомы и остаточные тельца.

Образование лизосом – сложный процесс, который сопровождается работой различных сигнальных молекул на поверхности ЭПР и АГ. Первичная лизосома – это небольшой пузырек, который отщепляется от мембраны аппаратом Гольджи.

Первичная лизосома изначально содержит весь комплекс ферментов, необходимых для расщепления макромолекул.

Вторичная лизосома – это структура, большая по объему. Она образуется путем слияния первичного пузырька с веществами, попавшими путем эндоцитоза, или с продуктами метаболизма клетки, которые необходимо утилизировать.

Образование аутофагосом связано с таким процессом, как аутофагия – поглощение и «переваривание» отработавших органелл клетки.

Средняя продолжительность митохондрий составляет 10 дней. Как только органелла не способна выполнять свои функции, ее необходимо утилизовать. Для этого множество первичных лизосом окружают митохондрию и соединяются между собой. В итоге образуется аутофагосома больших размеров, внутри которой начинается расщепление митохондрии на мономеры.

Что такое лизосомы в виде остаточного тельца? Это конечный пункт функционирования любой лизосомы, когда ферменты выполнили свою работу, а в органелле остались вещества, которые не могут пройти дальнейшее расщепление. Непереваренные остатки просто выбрасываются из клетки.

Болезни, связанные с нарушениями работы лизосом

Не всегда ферменты работают исправно. Лизосомы выполняют функцию расщепления только тогда, когда гидролазы не имеют нарушений в структуре. Поэтому многие болезни, связанные с лизосомами, основаны на неправильной работе ферментов.

Такие отклонения называются болезнями накопления. Это значит, что при недостатке какого-то фермента его основной субстрат просто не переваривается в лизосоме, из-за чего накапливается и вызывает неблагоприятные последствия.

Сфинголипидоз, синдром Тея-Сакса, болезнь Сендхоффа, болезнь Нимана-Пика, лейкодистрофия – все эти болезни связаны с неправильной работой ферментов лизосом или их полным отсутствием. Большинство заболеваний носят рецессивный характер.

Источник: FB.ru

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 (cульфатазы) или фосфатные (кислая фосфатаза) группы.

Для лизосом характерна кислая реакция внутренней среды. Обычно рН 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 — LAMP2. Они присутствуют на мембране лизосом и поздних эндосом, но отсутствуют на мембранах других компартментов вакуома.

Образование лизосом и их типы

Лизосомы формируются из пузырьков (везикул), отделяющихся от аппарата Гольджи, и пузырьков (эндосом), в которые попадают вещества при эндоцитозе. В образовании аутолизосом (аутофагосом) принимают участие мембраны эндоплазматического ретикулума. Все белки лизосом синтезируются на «сидячих» рибосомах на внешней стороне мембран эндоплазматического ретикулума и затем проходят через его полость и через аппарат Гольджи.

Лизосомы — гетерогенные органеллы, имеющие разную форму, размеры, ультраструктурные и цитохимические особенности. «Типичные» лизосомы животных клеток обычно имеют размеры 0,1-1 мкм, сферическую или овальную форму. Число лизосом варьирует от одной (крупная вакуоль во многих клетках растений и грибов) до нескольких сотен или тысяч (в клетках животных).

К сожалению, нет общепринятой классификации и номенклатуры для разных стадий созревания и типов лизосом. 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. Cливается 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 обычно, видимо, сливаются с наружной мембраной. При старении или патологии накапливаются.

Функции лизосом

Функциями лизосом —

• переваривание захваченных клеткой при эндоцитозе веществ или частиц (бактерий, других клеток)
• аутофагия — уничтожение ненужных клетке структур, например, во время замены старых органоидов новыми, или переваривание белков и других веществ, произведенных внутри самой клетки
• автолиз — самопереваривание клетки, приводящее к ее гибели (иногда этот процесс не является паталогическим, а сопровождает развитие организма или дифференцировку некоторых специализированных клеток)

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 веществ также вовлекаются в обмен веществ клетки после их переваривания в лизосомах. Хорошо изученный пример такого участия лизосом в обмене веществ — получени 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.

При макроаутофагии участок цитоплазмы (часто содержащий какие-либо органоиды) окружается мембранным компартментом, похожим на цистерну эндоплазматической сети. В результате этот участок оказывается отгорожен от остальной цитоплазмы двумя мембранами. Затем такая аутофагосома сливается с лизосомой, и ее содержимое переваривается. Видимо, макроаутофагия также неизбирательна, хотя часто подчеркивается, что с помощью нее клетка может избавляться от «отслуживших свой срок» органоидов (митохондрий. рибосом и др.).

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 фложмы- 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 амовротическая 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.

См. также

• Аппарат Гольджи
• Аутофагия
• Автолиз
• Вакуоль
• Фагоцитоз
• Эндоцитоз
• LAMP2

Источник: dic.academic.ru

ГИАЛОПЛАЗМА И ОРГАНЕЛЛЫ

ОБЩИЕ СВОЙСТВА БИОЛОГИЧЕСКИХ МЕМБРАН — ЛИПОПРОТЕИДНЫХ КОМПЛЕКСОВ

ПЛАЗМАТИЧЕСКАЯ МЕМБРАНА

ВАКУОЛЯРНАЯ СИСТЕМА ВНУТРИКЛЕТОЧНОГО ТРАНСПОРТА

АППАРАТ ГОЛЬДЖИ

ЛИЗОСОМЫ

ГЛАДКИЙ РЕТИКУЛУМ И ДРУГИЕ МЕМБРАННЫЕ ВАКУОЛИ

О лизосомах уже упоминалось в разделах, посвященных эндоцитозу и аппарату Гольджи. Наличие лизосом разного типа в клетках отражает процесс переноса гидролитических ферментов, необходимых для внутриклеточного расщепления экзогенных (энзоцитоз) или эндогенных (аутофагоцитоз) полимеров, процесс секреции, но как бы направленный «внутрь» клетки.

Сходство лизосомных вакуолей с секреторными находит свое отражение не только в общности их происхождения, но иногда и в общности конечного этапа их активности. В некоторых случаях лизосомы могут подходить к плазматической мембране и выбрасывать свое содержимое в наружную среду. Так, у клеток гриба нейроспоры лизосомы, выбрасывая гидролазы из клетки, обеспечивают внеклеточный протеолиз. Возможно, что часть лизосом макрофагов таким же образом обеспечивает внеклеточный гидролиз при воспалительных и резорбционных процессах. При оплодотворении акросома спермия вакуоль, аналогичная лизосоме и содержащая гидролитические ферменты гиалуронидазу и протеазы, сливается с плазматической мембраной спермия и изливается на поверхность яйцеклетки. Освободившиеся из вакуоли ферменты расщепляют полисахаридные и белковые оболочки ооцита, давая возможность слиться двум половым клеткам.

Лизосомы не представляют собой в клетках самостоятельные структуры, они образуются за счет активности эндоплазматического ретикулума и аппарата Гольджи и в этом отношении напоминают секреторные вакуоли. Основная их роль заключается в участии в процессах внутриклеточного расщепления как экзогенных, так и эндогенных биологических макромолекул.

Общая характеристика лизосом

Лизосомы как мембранные внутриклеточные частицы были открыты биохимиками (Де Дюв, 1955). При изучении легкой подфракции макросом из гомогенатов печени крысы было найдено, что эта подфракция (в отличие от основной фракции макросом — митохондриальной фракции) обладает группой кислых гидролитических ферментов (гидролаз), расщепляющих белки, нуклеиновые кислоты, полисахариды и липиды. Создалось впечатление, что эти ферменты содержатся в особого рода цитоплазматических частицах — лизосомах. Оказалось, что 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.

Характерной чертой лизосом является то, что они содержат около 40 гидролитических ферментов: протеиназы, нуклеазы, гликозидазы, фосфорилазы, фосфатазы, сульфатазы, оптимум действия которых осуществляется при рН 5. В лизосомах кислое значение среды создается из-за наличия в их мембранах Н⁺-помпы, зависимой от АТФ. Кроме того, в мембраны лизосом встроены белки-переносчики для транспорта из лизосом в гиалоплазму продуктов гидролиза: мономеров расщепленных молекул — аминокислот, сахаров, нуклеотидов и липидов. При ознакомлении с работой лизосом всегда возникает вопрос: почему же эти мембранные образования не переваривают сами себя? Вероятнее всего, мембранные элементы лизосом защищены от действия кислых гидролаз олигосахаридными участками, которые или не узнаются лизосомными ферментами, либо просто мешают гидролазам взаимодействовать с ними. Так или иначе мембранные компоненты лизосом очень устойчивы к гидролазам, содержащимся внутри лизосомных пузырьков.

Наличие некоторых гидролаз можно выявить гистохимическими методами. Так, одной из характерных гидролаз, выявляемых с помощью как светового, так и электронного микроскопа, служит кислая фосфатаза, по наличию которой можно четко определить, является тот или иной мембранный пузырек лизосомой.

Под электронным микроскопом видно, что фракция лизосом состоит из очень пестрого класса пузырьков размером 0,2—0,4 мкм (для клеток печени), ограниченных одиночной мембраной (толщина ее около 7 нм), с очень разнородным содержанием внутри (рис. 187 и 188). Во фракции лизосом встречаются пузырьки с гомогенным, бесструктурным содержимым, а также пузырьки, заполненные плотным веществом, содержащим в свою очередь вакуоли, скопления мембран и плотных однородных частиц. Часто можно видеть внутри лизосом не только участки мембран, но и фрагменты митохондрий и ЭПР. Иными словами, эта фракция по морфологии оказалась крайне неоднородной, несмотря на постоянство присутствия гидролаз.

Рис. 187. Вторичные лизосомы в клетках культуры СПЭВ 1 — лизосомы; 2 — жировые капли

Рис. 188. Гетерогенность вторичных лизосом

Сходные по морфологии частицы были описаны еще ранее в разных тканях многих животных. Однако цитологи не могли выяснить функциональные значения этих полиморфных частиц. И только сочетание биохимических, цитохимических и электронно-микроскопических методов исследований позволило достаточно подробно разобраться в строении, происхождении и функционировании клеточных лизосом.

Морфологическая неоднородность лизосом

Было обнаружено, что среди различных по морфологии лизосомных частиц можно выделить по крайней мере четыре типа: первичные лизосомы, вторичные лизосомы, аутофагосомы и остаточные тельца (рис. 189). Пестрота же морфологии лизосом вызвана тем, что эти частицы участвуют в процессах внутриклеточного переваривания, образуют сложные пищеварительные вакуоли как экзогенного (внеклеточного), так и эндогенного происхождения.

Рис. 189. Образование лизосом и их участие в клеточных процессах 1 — синтез гидролитических ферментов в ЭПР; 2 — переход их в АГ; 3 — образование первичных лизосом; 4 — выброс и использование (5) гидролаз при внеклеточном расщеплении; 6 — эндоцитозные вакуоли: 7 — слияние с ними первичных лизосом ; 8 — образование вторичных лизосом; 9 —телолизосомы; 10 — экскреция остаточных телец; 11 — первичные лизосомы принимают участие в образовании автофагосомы (12)

Первичные лизосомы представляют собой мелкие мембранные пузырьки размером около 100 нм, заполненные бесструктурным веществом, содержащим набор гидролаз, в том числе кислую фосфатазу — маркерный для лизосом фермент. Эти мелкие вакуоли — первичные лизосомы, практически очень трудно отличить от мелких вакуолей на периферии зоны аппарата Гольджи. Часть из них несет клатриновую оболочку. Более того, вакуоли этой периферической части АГ также содержат кислую фосфатазу. Прослеживая процесс синтеза и локализацию этого фермента в клетках, нашли, что местом его синтеза, как и следовало ожидать, является гранулярный ретикулум. Затем этот фермент появляется в проксимальных участках диктиосом, а потом — в мелких вакуолях по периферии диктиосомы и, наконец, выявляется в первичных лизосомах. Весь путь образования первичных лизосом очень сходен с образованием зимогеновых гранул в клетках поджелудочной железы, за исключением последнего этапа — выбрасывания из клетки.

С помощью ряда точных экспериментов установили, что в дальнейшем первичные лизосомы сливаются с фагоцитарными, или пиноцитозными, вакуолями — эндосомами, образуя вторичную лизосому, или внутриклеточную пищеварительную вакуоль. При этом содержимое первичной лизосомы сливается с полостью эндоцитозной вакуоли, и гидролазы первичной лизосомы получают доступ к субстратам, которые они и начинают расщеплять.

При слиянии первичной лизосомы с эндоцитозной вакуолью происходит диссоциация комплексов М-6-Ф-рецептор—гидролаза вследствие кислой среды внутри вторичной лизосомы. Затем уже свободный фермент после потери фосфатной группы активируется и вступает в работу. Освободившиеся мембранные рецепторы переходят в мелкие пузырьки, отщепляющиеся от вторичной лизосомы, и уходят снова в транс-участок аппарата Гольджи, т.е. осуществляется их рециклизация (см. рис. 184).

Процесс слияния первичных лизосом с эндоцитозными вакуолями прослежен очень подробно. Так, если ввести в организм мыши чужеродный белок пероксидазу, то она начинает накапливаться в эндоцитозных вакуолях. С помощью гистохимической реакции можно выявить пероксидазу в таких вакуолях с помощью электронного микроскопа. Было замечено, что к этим вакуолям подходят первичные лизосомы, обладающие кислой фосфатазой, продукты активности которой также выявляются гистохимически. Затем происходит слияние мембран вакуолей, и в слившемся объеме новой вакуоли обнаруживается как пероксидазная, так и фосфатазная активность. По своей морфологии такая вакуоль представляет собой лизосому, содержащую компоненты, захваченные в процессе эндоцитоза. Это вторичная лизосома. Разнообразие по величине и по структуре клеточных лизосом связано в первую очередь с разнообразием вторичных лизосом — продуктов слияния эндоцитозиых вакуолей с первичными лизосомами. Таким образом, вторичные лизосомы представляют собой не что иное, как внутриклеточные пищеварительные вакуоли, ферменты которых доставлены с помощью мелких первичных лизосом. Поэтому от типа поглощенных веществ или частичек зависят размер и внутренняя структура таких лизосом.

Лизосомы могут сливаться друг с другом и таким путем увеличиваться в объеме, при этом усложняется их внутренняя структура. Так, добавляя в среду, где находится культура ткани, коллоидное железо, можно видеть, как его частички (хорошо выявляемые в электронном микроскопе) сначала появляются в фагоцитозных вакуолях, а затем обнаруживаются во вторичных лизосомах. Если через некоторое время снова клетке дать инородное вещество, например коллоидное золото (частички которого отличаются по морфологии от частиц коллоидного железа), то динамика его появления в лизосомах будет такая же. Но появятся лизосомы, одновременно содержащие гранулы как коллоидного железа, так и коллоидного золота.

Поглощенные биогенные вещества, попавшие в состав лизосомы, расщепляются гидролазами до мономеров, которые транспортируются через мембрану лизосомы в состав гиалоплазмы, где они реутилизируются, включаются в различные синтетические и обменные процессы.

Кроме участия в переваривании поглощенных частиц и растворов лизосомы могут играть роль внутриклеточных структур, изменяющих клеточные продукты. Так, в клетках щитовидной железы в ЭПР синтезируется тироглобулин — белок-предшественник тироидного гормона. Тироглобулин с помощью АГ выводится из клеток в полость фолликулов щитовидной железы. При гормональной стимуляции иодированный тироглобулин снова попадает в железистую клетку путем пиноцитоза. Пиноцитозные вакуоли, содержащие тироглобулин, сливаются с первичными лизосомами, ферменты которых вызывают частичный гидролиз тироглобулина, приводящий к образованию тироксина — тироидного гормона, который затем выводится из клетки, секретируется и попадает в кровеносное русло.

Однако расщепление, переваривание биогенных макромолекул внутри лизосом может идти в ряде клеток не до конца. В этом случае в полостях лизосом накапливаются непереваренные продукты и осуществляется переход вторичных лизосом в телолизосомы, или остаточные тельца. Остаточные тельца уже содержат меньше гидролитических ферментов, в них происходит уплотнение содержимого, его перестройка. Часто в остаточных тельцах наблюдается вторичная структуризация непереваренных липидов, которые образуют сложные слоистые структуры. Там же откладываются пигментные вещества. У человека при старении организма в клетках мозга, печени и в мышечных волокнах в телолизосомах происходит отложение «пигмента старения» — липофусцина.

Аутолизосомы (аутофагосомы) постоянно встречаются в клетках простейших, растений и животных. По своей морфологии их относят к вторичным лизосомам, но с тем отличием, что в составе этих вакуолей встречаются фрагменты или даже целые цитоплазматические структуры, такие как митохондрии, пластиды, элементы ЭПР, рибосомы, гранулы гликогена и т. д. Процесс образования аутофагосом еще недостаточно ясен. По одним представлениям, первичные лизосомы могут выстраиваться вокруг клеточной органеллы, сливаться друг с другом и таким образом отделять ее от соседних участков цитоплазмы: участок оказывается отделенным мембраной и заключенным внутри такой сложной лизосомы (см. рис. 189).

Есть предположение, что процесс аутофагоцитоза связан с отбором и уничтожением измененных, «сломанных» клеточных компонентов. В этом случае лизосомы выполняют роль внутриклеточных чистильщиков, контролирующих дефектные структуры. Такой автофагии подвергаются митохондрии печени, где время жизни отдельной митохондрии составляет 10 дней. Интересно, что в нормальных условиях число аутофагосом увеличивается при метаболических стрессах ( например, при гормональной индукции активности клеток печени). Значительно возрастает число аутофагосом при различных повреждениях клеток; в этом случае автофагоцитозу могут подвергаться целые зоны внутри клеток.

Лизосомные патологии

Увеличение числа лизосом в клетках при патологических процессах — обычное явление. На его основе возникло представление о том, что лизосомы могут играть активную роль при гибели клеток. Однако в большинстве случаев смерти клетки не предшествовало освобожде­ние гидролаз из лизосом. Более того, даже при разрыве мембраны лизосомные гидролазы должны терять свою активность, попадая в цитоплазму с нейтральным значением рН. Ферменты лизосом, несомненно, участвуют и автолизе погибших клеток, но скорее всего это вторичное явление, а не причина гибели самих клеток.

Существует ряд врожденных заболеваний, которые называют лизосомными «болезнями накопления». Отличительным признаком этих болезней является то, что под световым микроскопом в клетках наблюдается множество вакуолей. Например, при болезни Помпе происходит накопление гликогена в лизосомах, где он не расщепляется из-за отсутствия у таких больных фермента кислой α-гликозидазы. Многие «болезни накопления» возникают вследствие первичной генной мутации, приводящей к потере активности отдельных ферментов, участвующих в функционировании лизосом.

Сейчас, к сожалению, известно уже более 25 таких генетических заболеваний, связанных с патологией лизосом.

Величко В.В. © Copyright 2008.

Источник: biology-of-cell.narod.ru