LYSOSOMEN: EIGENSCHAFTEN, STRUKTUR, FUNKTIONEN UND TYPEN - BIOLOGIE - 2025

Die Lysosomen sind Organellenzellmembranen, die sich in tierischen Zellen befinden. Sie sind Kompartimente mit einem sauren pH-Wert und reich an Verdauungsenzymen, die jede Art von biologischem Molekül abbauen können: Proteine, Kohlenhydrate und Nukleinsäuren.

Außerdem können sie Material von außerhalb der Zelle abbauen. Aus diesem Grund haben Lysosomen mehrere Funktionen im Zellstoffwechsel und werden aufgrund ihrer an hydrolytischen Enzymen reichen Zusammensetzung häufig als "Magen" der Zelle bezeichnet.

Lysosomen werden durch die Fusion von Vesikeln gebildet, die aus dem Golgi-Apparat austreten. Die Zelle erkennt bestimmte Sequenzen, die als "Tags" für hydrolytische Enzyme fungieren, und sendet sie an die sich bildenden Lysosomen.

Diese Vakuolen haben eine kugelförmige Form und ihre Größe variiert beträchtlich, da sie eine ziemlich dynamische Zellstruktur darstellen.

Entdeckung und historische Perspektive

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

Dieses experimentelle Protokoll ermöglichte die Entdeckung der Organellen, da die Forscher feststellten, dass die Freisetzung von hydrolytischen Enzymen zunahm, wenn sie Verbindungen hinzufügten, die die Membranen beschädigten.

In der Folge konnten die Verbesserung der molekularbiologischen Techniken und die Existenz besserer Geräte - wie Elektronenmikroskope - deren Vorhandensein bestätigen. Tatsächlich konnte geschlossen werden, dass Lysosomen 5% des intrazellulären Volumens einnehmen.

Einige Zeit nach seiner Entdeckung wurde das Vorhandensein von hydrolytischen Enzymen in seinem Inneren nachgewiesen, was das Lysosom in eine Art Abbauzentrum verwandelte. Darüber hinaus waren Lysosomen mit dem endozytischen Leben assoziiert.

In der Vergangenheit wurden Lysosomen als Endpunkt der Endozytose angesehen, die nur zum Abbau von Molekülen verwendet wurde. Heutzutage sind Lysosomen als dynamische Zellkompartimente bekannt, die mit einer Vielzahl zusätzlicher Organellen fusionieren können.

Eigenschaften

Protonenpumpen durch die Lysosomenmembran. Quelle: Alejandro Porto

Morphologie von Lysosomen

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

Sie sind dichte, kugelförmige Vakuolen. Die Größe der Struktur ist sehr unterschiedlich und hängt von dem Material ab, das zuvor erfasst wurde.

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

Lysosomen enthalten mehrere Enzyme

Das Hauptmerkmal von Lysosomen ist die Batterie hydrolytischer Enzyme in ihnen. Es gibt rund 50 Enzyme, die in der Lage sind, eine Vielzahl von Biomolekülen abzubauen.

Dazu gehören Nukleasen, Proteasen und Phosphatasen (die Phosphatgruppen aus Phospholipidmononukleotiden und anderen Verbindungen entfernen). Darüber hinaus enthalten sie andere Enzyme, die für den Abbau von Polysacchariden und Lipiden verantwortlich sind.

Logischerweise müssen diese Verdauungsenzyme räumlich vom Rest der Zellkomponenten getrennt werden, um ihren unkontrollierten Abbau zu vermeiden. Somit kann die Zelle die Verbindungen "auswählen", die eliminiert werden müssen, da sie die Elemente regulieren kann, die in das Lysosom eintreten.

Die Umgebung der Lysosomen ist sauer

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

Der charakteristische saure pH-Wert dieses Zellkompartiments wird dank einer Protonenpumpe und eines Chloridkanals in der Membran aufrechterhalten. Zusammen transportieren sie Salzsäure (HCl) in das Lysosom. Die Pumpe befindet sich verankert in der Membran der Organelle.

Die Funktion dieses sauren pH-Werts besteht darin, die verschiedenen im Lysosom vorhandenen hydrolytischen Enzyme zu aktivieren und ihre enzymatische Aktivität beim neutralen pH-Wert des Cytosols so weit wie möglich zu vermeiden.

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

Selbst wenn die Lysosomenmembran brechen würde, würde die Freisetzung der Enzyme - aufgrund des neutralen pH-Werts des Cytosols - keine große Wirkung haben.

Eigenschaften

Die innere Zusammensetzung eines Lysosoms wird von hydrolytischen Enzymen dominiert, weshalb sie eine wichtige Region des Zellstoffwechsels darstellen, in der die Verdauung von extrazellulären Proteinen stattfindet, die durch Endozytose in die Zelle gelangen, das Recycling von Organellen und cytosolischen Proteinen.

Im Folgenden werden die wichtigsten Funktionen von Lysosomen eingehend untersucht: Abbau von Molekülen durch Autophagie und Abbau durch Phagozytose.

Autophagie

Was ist Autophagie?

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

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

Beide Organellen können fusionieren, da sie durch eine Plasmamembran lipider Natur begrenzt sind. Es ist analog zu dem Versuch, zwei Seifenblasen zusammenzufügen - Sie machen eine größere.

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

Autophagie und Fastenperioden

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

Wenn der Körper einen Nährstoffmangel oder längere Fastenperioden hat, werden die Abbauwege aktiviert. Auf diese Weise gelingt es der Zelle, nicht essentielle Proteine ​​abzubauen und bestimmte Organellen wiederzuverwenden.

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

Autophagie und die Entwicklung von Organismen

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

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

Endozytose und Phagozytose

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

Während der Phagozytose sind bestimmte Zellen - wie Makrophagen - für die Aufnahme oder den Abbau großer Partikel wie Bakterien oder Zelltrümmer verantwortlich.

Diese Moleküle werden von einer phagozytischen Vakuole aufgenommen, die als Phagosom bezeichnet wird und wie im vorherigen Fall mit den Lysosomen fusioniert. Die Fusion führt zur Freisetzung von Verdauungsenzymen im Phagosom und der Abbau der Partikel.

Arten von Lysosomen

Einige Autoren unterscheiden dieses Kompartiment in zwei Haupttypen: Typ I und Typ II. Diejenigen vom Typ I oder primäre Lysosomen sind an der Speicherung hydrolytischer Enzyme beteiligt, während sekundäre Lysosomen mit Katalyseprozessen zusammenhängen.

Bildung von Lysosomen

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

Später durchlaufen die frühen Endosomen einen Reifungsprozess, wodurch späte Endosomen entstehen.

Eine dritte Komponente tritt im Bildungsprozess auf: die Transportvesikel. Diese enthalten die Säurehydrolasen aus dem trans-Netzwerk des Golgi-Apparats. Beide Strukturen - Transportvesikel und späte Endosomen - verschmelzen und wandeln sich in ein Lysosom um, nachdem sie den Satz lysosomaler Enzyme erworben haben.

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

Säurehydrolasen werden während des Fusionsprozesses der Organellen, aus denen Lysosomen entstehen, vom Mannose-6-Phosphatrezeptor getrennt. Diese Rezeptoren treten wieder in das Golgi-Trans-Netzwerk ein.

Unterschiede zwischen Endosomen und Lysosomen

Verwechslungen zwischen den Begriffen Endosomen und Lysosom sind häufig. Ersteres sind membranumschlossene Zellkompartimente - wie Lysosomen. Der entscheidende Unterschied zwischen den beiden Organellen besteht jedoch darin, dass den Lysosomen Mannose-6-phosphat-Rezeptoren fehlen.

Zusätzlich zu diesen beiden biologischen Einheiten gibt es andere Arten von Vesikeln. Eine davon sind Vakuolen, deren Gehalt hauptsächlich aus Wasser besteht.

Transportvesikel sind, wie der Name schon sagt, an der Bewegung von Substanzen zu anderen Stellen in der Zelle beteiligt. Sekretorische Vesikel entfernen ihrerseits Abfallmaterial oder Chemikalien (wie diejenigen, die an der Synapse von Neuronen beteiligt sind).

Assoziierte Krankheiten

Beim Menschen sind Mutationen in den Genen, die für Lysosomenenzyme kodieren, mit mehr als 30 angeborenen Krankheiten verbunden. Diese Pathologien werden unter dem Begriff "lysosomale Speicherkrankheiten" zusammengefasst.

Überraschenderweise entstehen viele dieser Zustände durch Schädigung eines einzelnen lysosomalen Enzyms.

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

Die häufigste Veränderung der lysosomalen Ablagerung ist als Gaucher-Krankheit bekannt und geht mit einer Mutation im Gen einher, die für das für Glykolipide verantwortliche Enzym kodiert. Als merkwürdige Tatsache zeigt die Krankheit eine ziemlich hohe Häufigkeit in der jüdischen Bevölkerung, von der 1 von 2.500 Personen betroffen ist.

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