Лизосома
Лизосо́ма (греч. λύσις — разложение, σώμα — тело) представляет собой ограниченную мембраной органеллу клетки, характеризующуюся кислой средой внутри и содержащую разнообразные растворимые гидролитические ферменты[1]. Данная структура выполняет функцию внутриклеточного расщепления макромолекул, включая процессы аутофагии. Лизосома обладает способностью выделять своё содержимое посредством экзоцитоза и принимает участие в определённых внутриклеточных сигнальных каскадах, связанных с клеточным метаболизмом и ростом[2].
Лизосома классифицируется как разновидность везикул и входит в состав эндомембранной системы клетки. Различные типы лизосом могут рассматриваться в качестве отдельных клеточных компартментов.
Дисфункция лизосом ассоциирована с группой генетически обусловленных патологий человека, именуемых лизосомными болезнями накопления[3].
История открытия
В период 1949-1952 годов биохимик Кристиан де Дюв и его коллеги, исследуя влияние инсулина на клетки печени крыс, неожиданно обнаружили различие в активности кислой фосфатазы в зависимости от метода экстракции[4]. Кислая фосфатаза использовалась как контрольный фермент, в то время как основным объектом изучения была глюкозо-6-фосфатаза, участвующая в метаболизме инсулина. Эксперименты показали, что при центрифугировании клеточного содержимого кислая фосфатаза ассоциировалась с микросомальной фракцией, проявляя лишь десятую часть активности по сравнению с простым клеточным экстрактом. После хранения микросомальной фракции в холодильнике активность фермента возрастала. Первоначально это явление было приписано технической ошибке, однако повторные эксперименты подтвердили результат. Это привело к гипотезе о существовании мембранных клеточных структур, содержащих фермент.
С 1952 по 1955 год были обнаружены дополнительные кислые гидролазы, связанные с микросомальной фракцией. В 1955 году, считающемся годом открытия лизосом, К. де Дюв предложил термин «лизосома» для обозначения окружённой мембраной органеллы с низким внутренним pH, содержащей ферменты, оптимально функционирующие в кислой среде. В том же году американский цитолог Алекс Новиков из Вермонтского университета получил первые электронные микрофотографии этих органелл, используя частично очищенные препараты лизосом. В 1961 году Новиков подтвердил локализацию кислой фосфатазы в лизосомах с помощью гистохимических методов и электронной микроскопии[5].
В 1963 году бельгийский биохимик Анри Эрс выявил недостаточность лизосомного фермента α-глюкозидазы у пациентов с болезнью Помпе и предположил связь других генетических заболеваний с дисфункцией лизосом. В настоящее время более 50 наследственных патологий ассоциируют с лизосомной недостаточностью.
В 1974 году К. де Дюв был удостоен Нобелевской премии по медицине за вклад в изучение структурной и функциональной организации клетки[6].
Признаки лизосом
Лизосомы характеризуются разнообразием форм, размеров, ультраструктурных и цитохимических особенностей. В клетках животных их размер обычно не превышает 1 мкм, однако в определённых типах клеток, например, макрофагах, лизосомы могут достигать нескольких микрон. Форма лизосом варьирует от сферической и овальной до тубулярной[7]. Количество лизосом в клетке колеблется от единичных крупных вакуолей в клетках растений и грибов до нескольких сотен или тысяч в клетках животных. В животных клетках лизосомы обычно занимают не более 5% внутриклеточного объёма.
Отличительной чертой лизосом является наличие ряда ферментов (кислых гидролаз), способных расщеплять белки, углеводы, липиды и нуклеиновые кислоты. К лизосомным ферментам относятся катепсины, кислая рибонуклеаза, фосфолипаза и другие. Также в лизосомах присутствуют ферменты, отщепляющие сульфатные (сульфатазы) или фосфатные (кислая фосфатаза) группы от органических молекул. Всего полость лизосомы содержит около 60 растворимых кислых гидролитических ферментов[2].
Лизосомы отличаются кислой реакцией внутренней среды, обеспечивающей оптимальные условия для работы лизосомных гидролаз. pH в лизосомах обычно составляет 4,5-5, что на два порядка ниже, чем в цитоплазме. Это достигается активным транспортом протонов, осуществляемым встроенным в мембрану лизосом белком-насосом протонной АТФазой. Помимо протонного насоса, мембрана лизосом содержит белки-переносчики для транспорта продуктов гидролиза макромолекул в цитоплазму: аминокислот, сахаров, нуклеотидов, липидов.
Ранее активность кислой фосфатазы использовалась в качестве одного из маркеров лизосом. Сегодня наиболее надёжными маркерами считаются гликопротеиды LAMP1 и LAMP2, которые локализованы на мембране лизосом и поздних эндосом, но отсутствуют на мембранах других компартментов вакуома.
Образование лизосом и их типы
Формирование лизосом происходит из везикул, отделяющихся от аппарата Гольджи, и эндосом, содержащих вещества, поглощённые при эндоцитозе[8]. В образовании аутолизосом (аутофагосом) участвуют мембраны эндоплазматического ретикулума. Синтез всех белков лизосом осуществляется на мембраносвязанных рибосомах эндоплазматического ретикулума с последующим прохождением через его полость и аппарат Гольджи.
Единой классификации и номенклатуры для различных стадий созревания и типов лизосом не существует. Выделяют первичные лизосомы, формирующиеся в области аппарата Гольджи и содержащие неактивные ферменты, и вторичные лизосомы с активными ферментами. Активация лизосомных ферментов обычно происходит при снижении pH. Различают также гетеролизосомы, переваривающие материал, поступивший извне путём фаго- или пиноцитоза, и аутолизосомы, разрушающие собственные белки или органеллы клетки. Наиболее распространена следующая классификация лизосом и связанных с ними компартментов[9]:
- Ранняя эндосома — принимает эндоцитозные пузырьки. Рецепторы, освободившиеся от груза из-за пониженного pH, возвращаются на наружную мембрану.
- Поздняя эндосома — получает пузырьки с поглощённым при пиноцитозе материалом из ранней эндосомы и пузырьки с гидролазами из аппарата Гольджи. Рецепторы маннозо-6-фосфата возвращаются в аппарат Гольджи.
- Лизосома — принимает пузырьки со смесью гидролаз и перевариваемого материала из поздней эндосомы.
- Фагосома — содержит крупные частицы, поглощённые путём фагоцитоза. Обычно сливается с лизосомой.
- Аутофагосома — участок цитоплазмы, окружённый двумя мембранами, часто включающий органеллы. Образуется при макроаутофагии и сливается с лизосомой.
- Мультивезикулярные тельца — окружены одинарной мембраной, содержат мелкие пузырьки с одинарной мембраной. Формируются процессом, схожим с микроаутофагией, но включают материал извне. Соответствуют стадии ранней эндосомы. Описаны мультивезикулярные тельца с двумя мембранами, образующиеся от ядерной оболочки.
- Остаточные тельца (телолизосомы) — пузырьки с непереваренным материалом, включая липофусцин. В норме удаляются из клетки путём экзоцитоза. При старении или патологии накапливаются.
Функции лизосом
Лизосомы выполняют следующие функции[1]:
- Деградация веществ и частиц, поглощённых клеткой в процессе эндоцитоза, включая бактерии и другие клетки.
- Осуществление аутофагии — элиминации избыточных или устаревших клеточных структур, например, при замещении старых органелл новыми, а также расщепление эндогенно синтезированных белков и иных соединений.
- Реализация автолиза — саморазрушения клетки, приводящего к её гибели. Данный процесс может быть как патологическим, так и физиологическим, сопровождая развитие организма или дифференцировку определённых специализированных клеток. Иллюстрацией служит метаморфоз головастика в лягушку, при котором лизосомы клеток хвоста осуществляют его резорбцию: хвост атрофируется, а образовавшиеся продукты распада абсорбируются и утилизируются другими клетками организма.
- Лизис экстрацеллюлярных структур (например, функция остеокластов).
Участие лизосом во внутриклеточном пищеварении и в обмене веществ
У многих протистов и животных с внутриклеточным пищеварением лизосомы принимают участие в переработке пищи, захваченной эндоцитозом, сливаясь с пищеварительными вакуолями. В клетках протистов неперевариваемые остатки обычно выводятся путём слияния пищеварительной вакуоли с клеточной мембраной[9].
В клетках животных с преимущественно полостным пищеварением (например, хордовых) поглощение питательных веществ из межклеточной жидкости или плазмы крови осуществляется посредством пиноцитоза. Эти вещества включаются в метаболизм клетки после их расщепления в лизосомах. Показательным примером такого участия лизосом в обмене веществ является усвоение клетками холестерина. Холестерин, транспортируемый кровью в составе ЛПНП, попадает в пиноцитозные везикулы после связывания ЛПНП с соответствующими рецепторами на мембране. Рецепторы рециркулируют к мембране из ранней эндосомы, а ЛПНП направляются в лизосомы, где подвергаются деградации. Высвободившийся холестерин затем транспортируется через мембрану лизосом в цитоплазму.
Лизосомы опосредованно участвуют в метаболизме, обеспечивая десенсибилизацию клеток к гормональному воздействию. При продолжительном действии гормона на клетку часть рецепторов, связавших гормон, интернализуется в эндосомы и впоследствии деградирует в лизосомах. Уменьшение количества рецепторов приводит к снижению чувствительности клетки к гормону.
Аутофагия
Различают две основные формы аутофагии: микроаутофагию и макроаутофагию[10]. При микроаутофагии формируются инвагинации мембраны эндосомы или лизосомы, которые впоследствии отделяются в виде внутренних везикул, содержащих эндогенно синтезированные вещества. Этот механизм позволяет клетке утилизировать белки в условиях энергетического или пластического дефицита, например, при голодании. Однако процессы микроаутофагии протекают и в нормальных условиях, являясь в целом неселективными. В некоторых случаях микроаутофагии подвергаются органеллы; у дрожжей описана микроаутофагия пероксисом и частичная микроаутофагия ядер, не приводящая к гибели клетки.
Макроаутофагия характеризуется окружением участка цитоплазмы, часто включающего органеллы, мембранным компартментом, сходным с цистерной эндоплазматического ретикулума. В результате этот участок изолируется от остальной цитоплазмы двумя мембранами. Образовавшаяся аутофагосома затем сливается с лизосомой, где происходит деградация её содержимого. Макроаутофагия также считается неселективным процессом, хотя часто отмечается её роль в элиминации «отработавших» органелл (митохондрий, рибосом и др.).
Третий тип аутофагии — шаперон-зависимая аутофагия. При этом способе осуществляется направленный транспорт частично денатурированных белков из цитоплазмы через мембрану лизосомы в её просвет.
Автолиз
Ферменты лизосом могут высвобождаться при нарушении целостности лизосомальной мембраны. В большинстве случаев они инактивируются в нейтральной среде цитоплазмы. Однако при массовом разрушении лизосом может наступить автолиз — саморазрушение клетки. Выделяют патологический и физиологический автолиз. Распространённым примером патологического автолиза является посмертный автолиз тканей.
В норме процессы автолиза сопутствуют многим явлениям, связанным с развитием организма и клеточной дифференциацией[11]. Например, автолиз клеток рассматривается как механизм разрушения тканей у личинок насекомых при полном метаморфозе, а также при резорбции хвоста головастика. Следует отметить, что эти описания относятся к периоду, когда различия между апоптозом и некрозом ещё не были чётко установлены, и в каждом конкретном случае необходимо уточнять, не является ли деградация органа или ткани результатом апоптоза, не связанного с автолизом.
У растений автолиз сопровождает дифференциацию клеток, функционирующих после гибели (например, трахеид или члеников сосудов). Частичный автолиз также происходит при созревании клеток флоэмы — члеников ситовидных трубок.
Клиническое значение
Дисфункция лизосом может приводить к развитию болезней накопления[3].
Большинство заболеваний данной группы обусловлено генетическими нарушениями функции одной из лизосомных гидролаз. Это приводит к прогрессирующему внутриклеточному накоплению промежуточного субстрата, который в норме подвергается деградации. Некоторые патологии этой группы вызваны дефектами белков, участвующих в везикулярном транспорте или биогенезе лизосом. Примером служит муколипидоз II типа (I-клеточная болезнь), вызванный дефектом фосфоэстеразы аппарата Гольджи, что приводит к ошибочной секреции лизосомных гидролаз во внеклеточное пространство вместо их транспортировки в лизосомы. Несмотря на то, что лизосомные ферменты экспрессируются в большинстве типов клеток, аномальное накопление субстратных макромолекул происходит преимущественно в клетках, тканях и органах с повышенной скоростью обновления этих макромолекул. Первичное накопление макромолекул может вызывать вторичные нарушения других биохимических и клеточных функций, что обуславливает обычно тяжёлое течение заболеваний данной группы.
К лизосомным болезням накопления относятся, в частности, болезнь Гоше, болезнь Помпе и болезнь Тея-Сакса. В настоящее время идентифицировано более 50 наследственных патологий, ассоциированных с нарушением функционирования лизосом[12].
Повреждение лизосом в некротизированных клетках, включая гранулоциты, может инициировать воспалительный процесс.
Примечания
- ↑ 1,0 1,1 Молекулярная биология клетки: в 3-х томах / Б. Альбертс, А. Джонсон, Д. Льюис и др. — М.-Ижевск: НИЦ «Регулярная и хаотическая динамика», Институт компьютерных исследований, 2013. — Т. II. — С. 1196-1208. — 992 с..
- ↑ 2,0 2,1 Settembre C. et al. Signals from the lysosome: a control centre for cellular clearance and energy metabolism. (англ.) // Nat. Rev. Mol. Cell Biol. — 2013. — Vol. 14. — P. 283-296. — doi:10.1038/nrm3565..
- ↑ 3,0 3,1 Горбунова В. Н., Баранов В. С. . Метаболические дефекты лизосомных ферментов. Болезни накопления. // Введение в молекулярную диагностику и генотерапию наследственных заболеваний. — СПб.: Специальная литература, 1997. — 287 с. — 5000 экз. С. 206—215.
- ↑ De Duve C. The lysosome turns fifty (англ.) // Nature cell biology. — 2005. — Vol. 7, no. 9. — P. 847-849..
- ↑ Essner E., Novikoff A. B. Localization of acid phosphatase activity in hepatic lysosomes by means of electron microscopy (англ.) // The Journal of biophysical and biochemical cytology. — 1961. — Vol. 9, no. 4. — P. 773-784..
- ↑ The Nobel Prize in Physiology or Medicine 1974 (англ.). Nobelprize.org. Nobel Media AB 2014. Дата обращения: 3 января 2015. Архивировано 15 октября 2012 года..
- ↑ Ченцов Ю. С. Цитология с элементами целлюлярной патологии: Учебное пособие для университетов и медицинских вузов. — М.: МИА, 2010. — 361 с. — 4000 экз..
- ↑ Saftig P., Klumperman J. Lysosome biogenesis and lysosomal membrane proteins: trafficking meets function // Nat. Rev. Mol. Cell Biol. — 2009. — Vol. 10. — P. 623-635. — doi:10.1038/nrm2745. Архивировано 24 декабря 2012 года..
- ↑ 9,0 9,1 Клетки / Б. Льюин и др. — М.: БИНОМ. Лаборатория знаний, 2011. — С. 179-235. — 951 с. — (Лучший зарубежный учебник)..
- ↑ Wong, Shi Q.; Kumar, Anita V.; Mills, Joslyn; Lapierre, Louis R. (2019-05-30). "Autophagy in aging and longevity". Human Genetics. 139 (3): 277–290. doi:10.1007/s00439-019-02031-7. PMC 6884674. PMID 31144030..
- ↑ Биологический энциклопедический словарь / Гл. ред. М. С. Гиляров; Редкол.: А. А. Баев, Г. Г. Винберг, Г. А. Заварзин и др. — М. : Сов. энциклопедия, 1986. — 831 с. — 100 000 экз..
- ↑ la Marca G. Lysosomals // Physician's Guide to the Diagnosis, Treatment, and Follow-Up of Inherited Metabolic Diseases / N. Blau, M. Duran, K. M. Gibson, C. D. Vici. — Springer Berlin Heidelberg, 2014. — P. 785-793..