Лизосомы — клеточные органеллы¶
Лизосомы — это membrane-bound organelles (мембранные органеллы) эукариотических клеток, содержащие гидролитические ферменты, функционирующие в кислой среде (pH ≈ 4,5–5,0) и обеспечивающие внутриклеточное переваривание биологического материала. Открыты в 1955 году биохимиками Кристианом де Дювем и его сотрудниками. Диаметр лизосом составляет от 0,1 до 1,2 мкм; в одной клетке может насчитываться от нескольких десятков до нескольких тысяч лизосом.
¶Открытие
Кристиан де Дюв, бельгийский биохимик, в середине 1950-х годов изучал фракции клеток печени крыс при помощи дифференциального центрифугирования. В гомогенате он обнаружил гидролитические ферменты (кислая фосфатаза, β-галактозидаза и другие), которые ассоциировались с отдельными мембранными частицами, а не распределялись равномерно. В 1955 году де Дюв и Жак Дюфе предложили термин «лизосома» (от греч. lysis — растворение и soma — тело). За работы по открытию и изучению лизосом Кристиан де Дюв в 1974 году был удостоен Нобелевской премии по физиологии или медицине (совместно с Альбертом Клодом и Джорджем Паладе).
¶Строение
Лизосома ограничена одинарной липидной мембраной толщиной около 7–8 нм, встроенными в которую являются белки-переносчики ионов H⁺ (вакуолярные протонные насосы V-ATPазы), обеспечивающие поддержание кислого pH внутри органеллы. Мембрана лизосомы богата олигосахаридами, что защищает её от действия собственных гидролаз.
Внутри органеллы находится гомогенная электронно-плотная матрица, содержащая более 60 различных гидролитических ферментов: протеазы, липазы, нуклеазы, гликозидазы, фосфатазы, сульфатазы и другие. Все они являются кислыми оптимумами активности, то есть функционируют при pH 4,5–5,0, и неактивны в нейтральной цитоплазме (pH ≈ 7,2). Это служит защитным механизмом: в случае случайного повреждения мембраны ферменты не нанесут клетке значительного вреда.
¶Классификация
По происхождению и функциям различают несколько типов лизосом:
- Первичные лизосомы — свежесформированные органеллы, содержащие ферменты, ещё не вступившие в контакт с субстратом.
- Вторичные лизосомы (гетеролизосомы, фаголизосомы) — продукт слияния первичной лизосомы с фагосомом, пиносомом или аутофагосомой.
- Тельца остаточного содержимого (резидуальные тельца) — конечные продукты переваривания, не подвергающиеся дальнейшему расщеплению; могут покидать клетку путём экзоцитоза или накапливаться в виде липофусцина.
- Аутофагические лизосомы — образуются при слиянии лизосомы с аутофагосомой, содержащей фрагменты собственных органелл клетки.
- Мультивезикулярные тельца — разновидность вторичных лизосом, содержащих внутренние везикулы.
¶Функции
Основная функция лизосом — внутриклеточное пищеварение. Экзоцитируемые вещества поступают в клетку в составе эндосом, которые затем сливаются с лизосомами, где и происходит их расщепление.
Аутофагия — процесс деградации собственных компонентов клетки (повреждённых органелл, белковых агрегатов). Аутофагия играет важную роль в поддержании гомеостаза, при голодании клетки, а также в процессах старения. За открытие механизмов аутофагии Ёсинори Осуми в 2016 году получил Нобелевскую премию по физиологии или медицине.
Экзоцитоз лизосом — высвобождение содержимого лизосом во внеклеточное пространство. Этот механизм задействован, например, в процессе ремоделирования костной ткани остеокластами, которые секретируют кислые гидролазы для растворения минеральной матрицы кости.
Участие в апоптозе — при определённых условиях лизосомные протеазы (катепсины) могут высвобождаться в цитоплазму и инициировать программируемую гибель клетки.
Иммунный ответ — в антигенпрезентирующих клетках лизосомы участвуют в расщеплении антигенов и их представлении на поверхности клетки в комплексе с молекулами главного комплекса гистосовместимости (MHC II класса).
¶Лизосомные болезни накопления
Наследственные дефекты лизосомных ферментов или белков мембраны приводят к группе заболеваний, объединяемых под названием лизосомные болезни накопления (лизосомозы). При этом субстрат, который должен быть расщеплён, накапливается внутри лизосом, вызывая их увеличение и нарушение функций клетки.
Известно более 50 таких заболеваний. К числу наиболее изученных относятся:
- Болезнь Гоше — дефицит глюкоцереброзидазы, приводящий к накоплению глюкоцереброзида в макрофагах.
- Болезнь Помпе — дефицит кислой α-глюкозидазы, поражающий преимущественно мышечную ткань.
- Мукополисахаридозы (болезни Хантера и Гурлера и другие) — дефекты ферментов, расщепляющих гликозаминогликаны.
- Болезнь Тэя-Сакса — дефицит гексозаминидазы А с накоплением ганглиозида GM2 в нейронах.
Лечение части этих заболеваний основано на заместительной ферментной терапии — внутривенном введении рекомбинантного недостающего фермента.
¶Лизосомы в российской науке
Исследования лизосом в СССР активно развивались с конца 1950-х годов. В Институте биологии развития АН СССР и ряде других учреждений изучались роли лизосом в эмбриогенезе, старении и патологии. Советские цитологи внесли значительный вклад в уточнение механизмов аутофагии и лизосомного транспорта.
¶Исторические факты
До открытия лизосом в 1955 году отдельные исследователи (в частности, Роберт де Дюве, брат Кристиана, и другие группы) наблюдали «микротельца» в клетках, но не идентифицировали их как отдельный класс органелл. Термин «лизосома» закрепился в научной литературе к началу 1960-х годов.
Источники:
- Alberts B. et al. Molecular Biology of the Cell
- De Duve C. «A Guided Tour of the Living Cell»
- Сапин М. Р., Биология человека: в 2 томах
- Рохлин В. Н. «Цитология: учебное пособие»
- Льюис У. «Лизосомы в биологии и патологии»