Лизосомы. 
Молекулярная структура и функции основных компонентов клетки

Лизосомы были открыты в 1955 году К. де Дювом. Это главные пищеварительные органеллы клетки. Представляет собой мембранные пузырьки, диаметром 0,2−0,4мкм, содержащие гидролитические ферменты: кислую фосфатазу, липазу, протеазы, нуклеазы и др., всего более 50 ферментов. Гидролазы — белки лизосом, расщепляющие химические связи белков, полисахаридов, липидов, нуклеиновые кислоты, их комбинаций и производных; продукты переваривания поступают в мембраны лизосом, в гиалоплазму, где используются по назначению. В лизосомах происходит: 1 — переваривание белков, липидов, углеводов и нуклеиновых кислот, поступивших извне; 2 — утилизации различных разрушенных или отмирающих клеточных структур: патологические, стареющие клетки, клетки временных эмбриональных органов.

Мембрана лизосом представляет собой единичный бислой и обладает уникальными свойствами. Белки и липиды мембран лизосомы синтезируются в гранулярной ЭПС, модифицируются и сортируются в комплексе Гольджи, но они не разрушаются ферментами ее полости. Эта устойчивость к гидролитическому расщеплению в отношении белков мембраны объясняется наличием среди них особых белков IgрА и IgрВ. Эти белки являются монотопными интегральными белками, имеют размеры 100−120 кДа, причем большая часть их молекулы направлена в полость лизосомы и степень их гликозилирования очень высока. Выяснилось, что чем выше степень гликозилирования, тем выше устойчивость белка к разрушению ферментами самой лизосомы. Поэтому все белки мембран лизосом имеют очень высокую степень гликозилирования. В отличие от белков полости лизосом (см. аппарат Гольджи), белки мембран лизосом не имеют М-6-Ф-метки, их сортировка происходит в транс-полюсе аппарата Гольджи и транспортируются они отдельно в специфических транспортных пузырьках — сортирующих эндосомах.

Для выполнения своих функций, а именно, расщепления органических веществ, ферменты должны находиться в кислой среде (рН=5). Это обеспечивается АТФ-зависимой протонной помпой, которая обменивает Nа⁺ на H ⁺ .

Содержимое лизосом поступает в нее разными путями:

1. Поступление гидролаз в лизосому осуществляется посредством биосинтетического механизма, который обеспечивает поступление в лизосому набора гидролитических ферментов (гидролаз) и специализированных составных мембран лизосомы. Гидролазы синтезируются в гранулярной ЭПС, модифицируются и сортируются в комплексе Гольджи, выходят из транс-сети комплекс Гольджи. Фолдинг так же происходит с ГЭПС с образованием сигнального участка (домен, с определенной нелинейной последовательностью аминокислот, возникшей в результате сближения аминокислот в процессе фол-динга). В комплексе Гольджи этот участок узнается ферментом, который модифицирует N-связанное олигосахаридное ядро, создавая специальный «лизосомный адрес», маннозо-6-фосфат (М-6-Ф) путем фосфорилирования одного из остатков маннозы. Последний узнается рецепторами к маннозофосфату на мембранах транс-сети комплекса Гольджи.

Взаимодействие гидролаз с М-6-Ф-рецепторами мембраны комплекса Гольджи является стимулом к началу образования и отпочковывания пузырька — предшественника первичной лизосомы. В стенках этого предшественника начинают работать протонные насосы, создающие в них кислую среду. Снижение рН среды приводит к отделению гидролаз от М-6-Ф рецепторов. Рецепторы группируются и удаляются из пузырька в составе мелких пузырьков обратно в аппарат Гольджи, а предшественники первичных лизосом становятся настоящими первичными лизосомами.

2. Вещества, которые перевариваются в лизосомы попадают в нее посредством эндоцитозного механизма (гетерофагия) и аутофагии. Эндоцитозной механизм обеспечивает поступление веществ из внеклеточного пространства. Эндоцитоз — это механизм захвата клеткам из внеклеточного пространств веществ, растворенных в воде, макромолекул и мелких частиц. В основе эндоцитоза лежит образование на плазмолемме впячивания, куда поступают вещества захвата, затем края впячивания смыкаются, образуя пузырек — везикулу, который отпочковывается от плазмолеммы и поступает в клетку. Такой пузырек, содержащий поглощенные вещества, называется фагосомой или ранней эндосомой.

Эндосомы могут содержать: 1— растворенные в воде вещества (макро-, и микропиноцитозные пузырьки; 2— вещества, для захвата которых плазмолемма должна иметь специальные рецепторы. Такие эндосомы имеют клатриновую оболочку и является окаймленными везикулами; 3— крупные частицы, такие как бактерии или осколки других клеток. Процесс поглощения крупных частиц называется фагоцитоз.

Эндоцитозные пузырьки — эндосомы поступают в клетку и сливаются там с первичными лизосомами, образуя вторичные лизосомы или поздние эндосомы, в которых начинаются процессы переваривания содержимого эндосом. Процесс переработки веществ поступивших извне клетки называется гетерофагия, вторичные лизосомы — гетеролизосомами.

Гетерофагия — это процесс переваривания: 1-питательных веществ, поступающих извне клетки; 2-этап обеспечения иммунитета; в процессе которого чужеродные вещества разрушаются лизосомами лейкоцитов и макрофагов; 3-разрушение гормонов и др. специфических молекул, выполнивших свою функцию или существующих в высоких концентрациях; 4 — обновление и перестройка нерастворимых клеточных структур (например, костная ткань).

В процессе функционирования клетки происходит износ, повреждение и старение органелл и биомолекул. Процесс переваривания таких структур называется аутофагия. Биологическое значение аутофагии заключается в: 1-обновлении структур клетки, достигших своего возраста (стареющие органеллы, молекулы клетки); 2- утилизация поврежденных структур; 3 — утилизация клеток, выполнивших свою функцию (клетки временных эмбриональных органов); 4-обеспечивание клетки пищей при ее недостатке.

Таким образом, клетка самообновляется и может функционировать достаточно долго. Так клетки мозга функционируют на протяжении десятков лет. Но по мере старения клетки в лизосомах происходит накопление бурых непереваренных остатков, в частности, пигмента старения липофусцина, указывающего на возраст клетки.

Аутофагия обеспечивается лизосомами, образованными путем слияния первичных лизосом с аутофагосомами, вторичными лизосомами, содержащими старые органеллы, молекулы и пр. Такие лизосомы называется аутолизосомы.(рис) Следовательно, в клетке различают несколько видов лизосом:

• 1. Первичные лизосомы — это везикулы (100 нм), только что отделившиеся от трансповерхности комплекса Гольджи и содержащие кислые гидролазы.
• 2. Вторичные лизосомы — образуется путем слияния первичных лизосом с ранними эндосомами (фагосомами). Различают гетеролизосомы (фаголизосомы) и аутофагосомы. Гетеролизосомы переваривают материал, поступивщий из внеклеточного пространства. Аутофагосомы переваривают собственные структуры клетки, устаревшие, поврежденные или выполнившие свою функцию.
• 3. Остаточные тельца или телолизосомы — это вторичные лизосомы, в которых процесс переваривания завершен. В них отсутствуют гидролазы и содержатся непереваренные остатки. К остаточным тельцам относятся также вторичные лизосомы, в которых накопление непереваренных веществ происходит вследствие их старения.

С функционированием лизосом у человека связано возникновение множества болезней:

• 1. Болезни накопления мукополисахаридов или генетические болезни накопления(табл.), обусловленные мутациями некоторых генов. Эти болезни связаны с дефицитом определенных лизосомных ферментов и наследуются как аутосомно-рецессивные признаки. В результате вещества, которые должны перевариваются этими ферментами не расщепляются и накапливаются в лизосоме; она постепенно набухает, достигает огромных размеров и приводит к гибели клетки. Мукополисахариды (глюкозамингликаны) относятся к мембранным липидам, которые постоянно обновляются, заменяясь на новые. Старые молекулы должны быть расщеплены в лизосомах. Но, вследствие дефицита соответствующих лизосомных ферментов, их расщепление не происходит и они накапливаются в клетке и межклеточных пространствах, что приводит к гибели клетки, деградации тканей и гибели организма до десятилетнего возраста. Известно более 10 лизосомных ферментов, дефицит которых способен вызвать мукополисахаридоз.
• 2. Болезни, связанные с нарушениям сортировки и транспорта лизосомных ферментов — гидролаз. Эти болезни наследуются также как аутосомно-рецессивные признаки. В процессе сортировки в аппарате Гольджи у некоторых лизосомных гидролаз не формируется адресная метка — М-6-Ф (маннозо-6-фосфат); М-6-Ф-рецепторы мембран аппарата Гольджи не могут с ними связаться и ферменты не поступают в лизосому, а в составе секреторных пузырьков удаляются из клетки. Так развивается болезнь I-клеток (ot inclusionвключения). Ее развитие связано с отсутствием в лизосомах не менее 8 ферментов, которые обнаруживаются в неправильном месте: в крови и моче больных. Нарушение транспорта этих ферментов обусловлено недостаточным уровнем у больных фосфотрансферазы — фермента, который обеспечивает образование адресной метки — М-6-Ф у соответствующих гидролаз клеток соединительной ткани. Без нее эти гидролазы не поступают в лизосомы и процесс переваривания глюкозамингликанов (мукополисахаридов) не происходит; лизосомы оказываются переполненными этими веществами, а их обмен в клетках нарушается. У больного наблюдается задержка развития и деформация скелета. Различают 2 типа болезни I-клеток; муколипидоз II и муколипидоз III. Кроме болезни I-клеток, нарушения транспортировки гидролаз приводит к развитию атеросклероза и ожирения.
• 3. Болезни, связанные с повреждением лизосомных мембран. Мембрана лизосом устойчива к действию своих лизосомальных ферментов, так как ее компоненты подвергаются сильной степени гликолизирования (см.выше), но по ряду причин она может быть разрушена и содержимое лизосом попадает в цитоплазму. В результате развиваются выраженные повреждения клетки вплоть до ее гибели. При этом возникают патологические состояния, приводящие к развитию таких болезней как подагра, асбестоз и силикоз (болезнь легких у шахтеров). Повреждающим мембраны действием обладают Siо₂ (механическое действие), микотоксины, продукты перекисного окисления, фосфолипазы. Кроме этого, нарушение целостности мембран происходит при голодании, гипоксии, изменении гормонального статуса, шоке и т. д.
• 4. Болезни, связанные с внеклеточным выбросом. При некоторых состояниях происходит выброс содержимого лизосомы во внеклеточное пространство. В результате развивается тяжелейшая эрозия внеклеточных структур, приводящая к развитию ревматоидного артрита и некоторых других аутоиммунных болезней.
• 5. Роль лизосом в развитии воспалительных процессов. Лизосомы принимают активное участие в уничтожении бактерии и вирусов, вызывающих различные заболевания, но некоторые бактерии могут избегать действия лизосомальных ферментов, подавляя активность лизосом. Так, например, туберкулезная палочка подавляет слияние эндосом с первичных лизосомами, нарушая процесс образование вторичных лизосом. Возбудители лепры (проказы)устойчивы к воздействию лизосомных ферментов. Некоторые бактерии выделяют экзотоксин, который разрушает мембрану лизосом и т. д.

Кроме гетерои аутофагии, в лизосоме происходит процесс очищения. Продукты переваривания — различные мелкие молекулы транспортируются через мембрану лизосомы в цитоплазму, предположительно, с помощью белков — переносчиков; непереваренные вещества, не способные пройти через мембрану, остаются в лизосомах в виде остаточных продуктов.

Лизосомы являются главной пищеварительной органеллой клетки и выполняют следствие функции:

• 1- обеспечивают внутриклеточное пищеварение;
• 2- участвуют в фагоцитозе и следовательно, в иммунной защите организма;
• 3- участвуют в мейозе, обеспечивая разрушению ядерной мембраны в профазе;
• 4- участвуют в процессах регенерации клеток, тканей и органов.
• 5- участвуют в процессе аутолиза — саморазрушении клетки после ее гибели.