Funkcje lizosomów, typy i choroby

The lizosomy są to błoniaste cząstki znajdujące się między mitochondriami a mikrosomami zawierającymi szeroki zakres enzymów trawiennych (około 50) wykorzystywanych głównie do trawienia i eliminacji nadmiernych lub zużytych organelli, cząstek żywności i wirusów lub bakterii.

Używając bardziej potocznego terminu, można powiedzieć, że lizosomy są jak żołądek komórki.

Lizosomy są otoczone błoną złożoną z fosfolipidów, które oddzielają wnętrze lizosomów od zewnętrznego środowiska błony. Fosfolipidy to te same cząsteczki komórek, które tworzą błonę komórkową otaczającą całą komórkę. Lizosomy różnią się wielkością od 0,1 do 1,2 mikrometra.

Jego specyficzne funkcje obejmują:

• trawienie makrocząsteczek z fagocytozy, endocytozy i autofagii.
• trawienie bakterii i innych odpadów.
• naprawa uszkodzenia błony plazmatycznej działającej jako plaster błonowy. 
• i apoptoza.

Są one często określane jako „torby samobójcze” ze względu na ich rolę w autolizie.

Odkrycie lizosomów

Lizosomy zostały odkryte przez belgijskiego cytologa i biochemika Christiana René de Duve w latach 50. XX wieku. De Duve otrzymał część Nagrody Nobla w dziedzinie medycyny w 1974 r. Za odkrycie lizosomów i innych organelli znanych jako peroksysomy..

De Duve odkrył lizosomy metodami biochemicznymi i za pomocą mikroskopii elektronowej. To podstawowe odkrycie doprowadziło do obecnego zrozumienia kilku dziedzicznych zaburzeń spowodowanych przez wadliwe białka lizosomalne, w tym chorobę Tay-Sacha i chorobę Gauchera.

Typy

Ostatnie badania sugerują, że istnieją dwa typy lizosomów: lizosomy wydzielnicze i konwencjonalne.

Sekretarze lizosomów

Lizosomy wydzielnicze znajdują się, ale nie wyłącznie, w różnych komórkach układu odpornościowego, takich jak limfocyty T, pochodzące z linii komórek krwiotwórczych.

Lizosomy wydzielnicze są kombinacją konwencjonalnych lizosomów i granulek wydzielniczych. Różnią się one od konwencjonalnych lizosomów tym, że zawierają szczególny produkt wydzielniczy komórki, w której przebywają.

Limfocyty T, na przykład, zawierają produkty wydzielnicze (perforynę i granzymy), które mogą atakować zarówno komórki zakażone, jak i nowotworowe.

„Komórki kombinowane” lizosomu wydzielniczego zawierają również hydrolazy, białka błonowe i mają łatwość regulowania pH konwencjonalnych lizosomów. Ta funkcja regulacyjna utrzymuje środowisko kwaśne, w którym produkty wydzielnicze są utrzymywane w postaci nieaktywnej.

Dojrzałe lizosomy wydzielnicze przemieszczają się w cytoplazmie do błony plazmatycznej. Tutaj trzymane są w trybie czuwania z potężnymi wydzielinami „głowic” nieaktywnych, ale gotowych.

Gdy komórka limfocytów T jest doskonale skupiona na komórce docelowej, wydzielanie jest „wyzwalane”, a zmiany środowiskowe i chemiczne, w tym pH, aktywują wydzieliny przed zablokowaniem celu.

Wszystko to odbywa się dzięki precyzyjnej kontroli lokalizacji i czasu, nie tylko w celu zmaksymalizowania wpływu na cel, ale także w celu zminimalizowania szkód dodatkowych sąsiadujących przyjaznych komórek.

Kontrolowane genetycznie zaburzenia lizosomów wydzielniczych mogą prowadzić do upośledzonej syntezy płytek krwi, rodzaju niedoboru odporności i hipopigmentacji.

Konwencjonalne lizosomy

Lizosomy znajdują się w komórce jako organelle wielokrotnego użytku, a gdy następuje podział komórek, każda komórka potomna otrzymuje serię lizosomów. Uważa się, że depozyt chemikaliów w lizosomie może być „uzupełniany” przez wyposażenie aparatu Golgiego.

Chemikalia są wytwarzane w retikulum endoplazmatycznym, modyfikowane w aparacie Golgiego i transportowane do lizosomów w pęcherzykach. Modyfikacja aparatu Golgiego obejmuje „znakowanie celu” na poziomie molekularnym, który zapewnia, że ​​pęcherzyk jest dostarczany do lizosomu, a nie do błony plazmatycznej lub gdzie indziej.

„Etykieta” jest zwracana do aparatu Golgi w celu ponownego użycia. Materiał z 3 różnych źródeł wymaga demontażu i recyklingu. Substraty dwóch z tych źródeł wchodzą do komórki z zewnątrz, a trzecie pochodzi z wnętrza.

Z zewnątrz komórki proces endocytozy, w tym pinocytoza, dopuszcza płyny i małe cząstki poprzez tworzenie w błonie plazmatycznej małych ubytków pokrytych białkami. Uszczelniają się, dopóki nie utworzą pęcherzyków pokrytych białkami.

Każdy pęcherzyk staje się „wczesnym endosomem”, a następnie „późnym endosomem”. Również z zewnątrz komórki fagocytoza (podawanie komórek) przynosi stosunkowo duże cząstki (zwykle o wielkości 250 nm), w tym szczątki bakterii i komórek.

Fagocytozę można przeprowadzić za pomocą „zwykłych komórek”, ale wykonuje się to głównie przez makrofagi, które mogą zawierać do 1000 lizosomów na komórkę. Powstała struktura fagocytozy nazywana jest fagosomem. Z wnętrza komórki autofagosomy są odpowiedzialne za eliminację organelli, takich jak mitochondria i rybosomy.

Funkcje lizosomów

Główne funkcje lizosomów to:

Trawienie wewnątrzkomórkowe

Słowo lizosom pochodzi od „gładkiego” (litycznego lub trawiennego) i „soma” (ciała). Wakuole pinocytowe, powstałe w wyniku absorpcji płynnej substancji w wakuolach komórkowych lub fagocytach (utworzonych przez absorpcję cząstek stałych w komórce), przenoszą materiał białkowy do regionu lizosomalnego.

Białka te mogą ulegać trawieniu w komórce w wyniku endocytozy. Endocytoza obejmuje procesy fagocytozy, pinocytozy i mikropinocytozy.

Fagocytoza i pinocytoza to aktywne mechanizmy, w których komórka potrzebuje energii do funkcjonowania. Podczas fagocytozy ze względu na leukocyty znacznie wzrasta zużycie tlenu, wychwyt glukozy i rozkład glikogenu.

W endocytozie występuje skurcz mikrowłókien aktyny i miozyny obecnych w cytoplazmie obwodowej. Powoduje to, że błona plazmatyczna inwazuje i tworzy wakuolę endocytarną. Spożywane cząstki zamknięte w błonach pochodzących z błony plazmatycznej i tworzące wakuole są czasami fagosomami komórkowymi.

Po wejściu dużej cząstki lub ciała do komórki przez endocytozę i tworzenie się fagosomu, błony fagosomu i lizosomu mogą stopić się tworząc pojedynczą dużą wakuolę.

W tej wakuoli enzymy lizosomalne rozpoczynają proces trawienia obcego materiału. Początkowo lizosom, znany jako pierwotny lizosom, zawiera kompleks enzymu w stanie nieaktywnym, ale po połączeniu z fagosomem wytwarza wtórny lizosom o innej morfologii i aktywnych enzymach.

Po trawieniu enzymatycznym strawiony materiał dyfunduje do hialoplazmy komórki. Niektóre materiały mogą pozostać w wakuoli powiększonego lizosomu. Ta resztkowa wakuola jest resztkowym ciałem, ponieważ zawiera resztki procesu trawienia.

Podczas głodu lizosomy trawią przechowywane w żywności materiały, tj. Białka, lipidy i glikogen z cytoplazmy i dostarczają energię wymaganą przez komórkę. Trawienie białek zazwyczaj kończy się na poziomie dipeptydu, który może przejść przez błonę, a następnie zostać strawiony na aminokwasy.

Trawienie substancji wewnątrzkomórkowych lub autofagii

Wiele składników komórkowych, takich jak mitochondria, jest stale usuwanych z komórki przez układ lizosomalny. Organelle cytoplazmatyczne otoczone są błonami gładkiej retikulum endoplazmatycznego, tworzącymi wakuole, następnie enzymy lizosomalne są uwalniane w wakuolach autofagicznych, a organelle są trawione.

Autofagia jest ogólną właściwością komórek eukariotycznych. Są one związane z odnawianiem komponentów komórkowych.

Trawienie mitochondriów lub innych struktur komórkowych stanowi źródło energii dla tych komórek. Po trawieniu struktury komórkowej wakuole autofagiczne mogą stać się resztkowymi ciałami. 

Odgrywają rolę w metamorfozie

Ostatnio odkryto rolę lizosomu w metamorfozie żaby. Zanik ogona larw kijanki żaby wynika z aktywności lizosomalnej (działanie katepsyn obecnych w lizosomach).

Pomagają w syntezie białek

Naukowcy Novikoff i Essner (1960) zasugerowali możliwą rolę lizosomów w syntezie białek. W wątrobie i trzustce niektórych ptaków lizosomy wydają się być bardziej aktywne i rozwinięte, co wskazuje na możliwy związek z metabolizmem komórkowym.

Pomagają w zapłodnieniu

Podczas zapłodnienia głowa plemnika wydziela niektóre enzymy lizosomalne, które pomagają w penetracji plemników w witelinowej warstwie zalążka.

Akrosom zawiera proteazę i hialuronidazę oraz obfitą kwaśną fosfatazę. Hialuronidaza rozproszona w komórkach wokół oocytu, a proteaza trawi osłonkę przejrzystą, tworząc kanał, przez który jądro nasienia przenika.

Odgrywa rolę w osteogenezie

Twierdzono, że tworzenie komórek kostnych, a także ich niszczenie, zależy od aktywności lizosomalnej. Podobnie starzenie się komórek i rozwój partenogenetyczny są związane z aktywnością lizosomów.

Osteoklasty (komórki wielojądrowe), które usuwają kość, czynią to poprzez uwalnianie enzymów lizosomalnych, które degradują matrycę organiczną. Proces ten jest aktywowany przez hormon przytarczyc.

Wady rozwojowe lizosomów

Awaria lizosomów może prowadzić do chorób. Na przykład, gdy glikogen wchłonięty przez lizosomy nie jest trawiony, pojawia się choroba Pompego.

Pęknięcia lizosomów w komórkach skóry narażonych na bezpośrednie działanie promieni słonecznych prowadzą do zmian patologicznych po oparzeniu słonecznym. Enzymy uwalniane przez te lizosomy niszczą komórki naskórka, powodując pęcherze, a następnie odwarstwienie warstwy naskórka.

Autoliza chrząstki i tkanki kostnej

Nadmiar witaminy A powoduje zatrucie komórek. Przerywa błonę lizosomalną, powodując uwalnianie enzymów w komórce i powodując autolizę w chrząstce i tkance kostnej.

Choroby lizosomalne

Choroby Gauchera typu I, II i III

Choroba Gauchera jest najczęstszym rodzajem lizosomalnego zaburzenia spichrzeniowego. Naukowcy zidentyfikowali trzy różne rodzaje choroby Gauchera w oparciu o brak (typ I) lub obecność i zakres (typ II i III) powikłań neurologicznych.

Większość osób dotkniętych chorobą ma typ I, może doświadczać siniaków, przewlekłego zmęczenia i nieprawidłowo powiększonej wątroby i / lub śledziony (hepatosplenomegalia).

Choroba Gauchera typu II występuje u noworodków i niemowląt i charakteryzuje się powikłaniami neurologicznymi, które mogą obejmować mimowolne skurcze mięśni, trudności z połykaniem i utratę wcześniej nabytych umiejętności motorycznych..

Choroba Gauchera typu III pojawia się w pierwszej dekadzie życia. Powikłania neurologiczne mogą obejmować pogorszenie stanu psychicznego, niezdolność do koordynacji dobrowolnych ruchów i skurcze mięśni rąk, nóg lub całego ciała.

Typy choroby Niemanna-Picka A / B, C1 i C2

Choroba Niemanna-Picka składa się z grupy dziedzicznych zaburzeń związanych z metabolizmem tłuszczów. Niektóre cechy wspólne dla wszystkich typów obejmują powiększenie wątroby i śledziony. Dzieci z chorobą Niemanna-Picka, typy A lub C, również doświadczają postępującej utraty zdolności motorycznych, trudności w karmieniu, postępujących trudności w uczeniu się i drgawek.

Choroba Fabry'ego

Objawy choroby Fabry'ego zaczynają się zwykle we wczesnym dzieciństwie lub w okresie dojrzewania, ale mogą nie być widoczne aż do drugiej lub trzeciej dekady życia.

Pierwsze objawy to epizody silnego palącego bólu w rękach i stopach. Inne wczesne objawy mogą obejmować zmniejszenie wydzielania potu, dyskomfort podczas odczuwania ciepłych temperatur i pojawienie się czerwonawej do ciemnoniebieskiej wysypki skórnej, zwłaszcza w obszarze między biodrami i kolanami..

Choroba magazynowania glikogenu II (choroba Pompego)

Choroba Pompego ma postać późnego początku. Pacjenci z postacią niemowlęcą są najbardziej dotknięci. Chociaż te dzieci zwykle pojawiają się normalnie po urodzeniu, choroba występuje w ciągu pierwszych dwóch do trzech miesięcy z szybko postępującym osłabieniem mięśni, zmniejszonym napięciem mięśniowym (hipotonia) i rodzajem choroby serca znanej jako kardiomiopatia przerostowa..

Problemy z karmieniem i trudności z oddychaniem są powszechne. Postać młodzieńcza / dorosła występuje między pierwszą a siódmą dekadą jako stopniowo spowolnione osłabienie mięśni lub z objawami niewydolności oddechowej. 

Gangliozydoza typu I (choroba Tay Sachsa)

Istnieją dwie główne formy choroby Tay Sachsa: postać klasyczna lub niemowlęca i postać późnego początku.

U osób z chorobą dziecięcą Tay Sachs objawy pojawiają się zwykle po raz pierwszy między trzecim a piątym miesiącem życia. Mogą to być problemy z karmieniem, ogólne osłabienie (letarg) i przesadny odruch przestrachu w odpowiedzi na głośne i nagłe odgłosy. Opóźnienia motoryczne i pogorszenie psychiczne postępują.

U osób z postacią późną objawy mogą pojawić się w dowolnym momencie od dojrzewania do 30 lat. Infantylna postać często postępuje szybko, powodując znaczne pogorszenie stanu psychicznego i fizycznego.

Charakterystycznym objawem choroby Tay Sachsa, która występuje w 90 procentach przypadków, jest rozwój czerwonych plam na tyle oczu. Objawy późnej choroby Tay Sachsa różnią się znacznie w zależności od przypadku. To zaburzenie postępuje znacznie wolniej niż forma infantylna.

Gangliozydoza typu II (choroba Sandhoffa)

Pierwsze objawy choroby Sandhoffa zaczynają się zwykle między trzecim a szóstym miesiącem życia. Choroba jest klinicznie nie do odróżnienia od gangliozydozy typu I.

Leukodystrofia metachromatyczna

Pierwsze oznaki i objawy mogą być niejasne i stopniowe, więc to zaburzenie jest trudne do zdiagnozowania. Niestabilność chodzenia jest często pierwszym zaobserwowanym objawem.

Czasami najwcześniejszym objawem jest opóźnienie rozwoju lub pogorszenie wyników w szkole. Z czasem objawy mogą obejmować znaczną spastyczność, drgawki i głębokie opóźnienie umysłowe.

Choroby magazynowania mukopolisacharydów (choroba Hurlera i warianty, typ A, B, C, D, choroby Morquio typu A i B, choroby Maroteaux-Lamy i Sly)

Choroby te są spowodowane zmianami w normalnym rozkładzie złożonych węglowodanów znanych jako mukopolisacharydy. Choroby te mają pewne wspólne cechy, do których należą deformacje kości i stawów, które zakłócają ruchliwość i często powodują chorobę zwyrodnieniową stawów, zwłaszcza duże stawy, które podtrzymują wagę.

Wszystkie te choroby, z wyjątkiem choroby Sanfilippo, zakłócają wzrost, powodując niski wzrost.

Schindler's Disease Typy I i II

Choroba Schindlera typu I jest klasyczną formą, która pojawia się po raz pierwszy w dzieciństwie. Osoby dotknięte chorobą wydają się rozwijać normalnie, dopóki nie osiągną wieku jednego roku, kiedy zaczynają tracić wcześniej nabyte umiejętności, które wymagają koordynacji czynności fizycznych i umysłowych.

Schindler typu II to forma pojawienia się u dorosłych. Objawy mogą obejmować rozwój klasterów przebarwień podobnych do brodawek na skórze, trwałe poszerzenie grup naczyń krwionośnych, które powodują zaczerwienienie skóry w dotkniętych obszarach, względne pogrubienie rysów twarzy i łagodne pogorszenie intelektualne.

Choroba listew

Choroba Battena jest młodzieńczą postacią grupy postępujących zaburzeń neurologicznych, znanych jako neuronalna lipofuscinoza ceroidowa. Charakteryzuje się nagromadzeniem substancji tłuszczowej w mózgu, jak również w tkance, która nie zawiera komórek nerwowych.

Choroba Battena charakteryzuje się szybko postępującą niewydolnością wzroku (zanikiem nerwu wzrokowego) i zaburzeniami neurologicznymi, które mogą rozpocząć się przed 8 rokiem życia. Występuje głównie w rodzinach pochodzenia skandynawskiego z północnej Europy, a zaburzenie wpływa na mózg i może powodować pogorszenie intelektu i funkcji neurologicznych.

Dotknięta populacja

Jako grupa uważa się, że lizosomalne choroby spichrzeniowe mają szacowaną częstość około jednego na 5000 żywych urodzeń. Chociaż poszczególne choroby są rzadkie, grupa jako całość dotyka wielu ludzi na całym świecie.

Niektóre choroby występują częściej w niektórych populacjach. Na przykład choroby Gauchera i Tay-Sachsa są częstsze wśród ludności żydowskiej Aszkenazji. Wiadomo, że mutacja związana z zespołem Hurlera występuje częściej wśród ludów skandynawskich i rosyjskich.

Diagnoza

Diagnoza prenatalna jest możliwa dla wszystkich lizosomalnych zaburzeń spichrzeniowych. Wczesne wykrycie lizosomalnych chorób spichrzeniowych, zarówno przed urodzeniem, jak i tak szybko, jak to możliwe, jest ważne, ponieważ gdy dostępne są terapie, zarówno dla samej choroby, jak i związanych z nią objawów, mogą one znacznie ograniczyć długoterminowy przebieg i wpływ choroby.

Referencje

1. Biology-Online. (2008). Lizosom 6-2-2017, ze strony internetowej Biology-Online.org: biology-online.org.
2. Szpital Uniwersytecki Rockefellera. (2004). „Exploring Cells With a Centrifuge”: Odkrycie lizosomu. 6-2-2017, z The Rockefeller University. Strona internetowa: centennial.rucares.org.
3. Brytyjskie Towarzystwo Biologii Komórki. (2016). Lizosom 6-2-2017, ze strony BSCB: bscb.org.
4. Jain, K. (2016). 8 Główne funkcje lizosomów. 6-2-2017, ze strony internetowej BiologyDiscussion.com: biologydiscussion.com.
5. Clark, J. (2003). Zaburzenia pamięci lizosomalnej. 6-2-2017, na stronie internetowej NORD - National Organization for Rare Disorders: rarediseases.org.
6. Fawcett, W. (1981). Komórki. 6-2-2017, ze strony ascb.org: ascb.org.
7. Susuki, K. (2016). Choroba lizosomalna. 7-2-2017, z National Center for Biotechnology Information Website: ncbi.nlm.nih.gov.
8. TutorVista (2017). Funkcja lizosomów. 7-2-2017, ze strony internetowej TutorVista.com: ncbi.nlm.nih.gov.
9. Edukacja przyrodnicza. (2014). Retikulum endoplazmatyczne, aparat Golgiego i lizosomy. 7-2-2017, z witryny nature.com: nature.com.