Лизосомы

Открытие лизосом, как и многих органелл, было непростым и интересным. Главный вопрос, стоявший перед биологами в 50- 60-х годах: «Почему клетка, обладающая протеолитической активностью, не переваривает сама себя?». Было сделано предположение, что в клетке протеолитические ферменты заключены в мембранную оболочку, и в 1955 году Christian de Duve и Albert Claude ввели термин «лизосома». Первые электронограммы лизосом были получены Novikov и de Duve, они же показали наличие в лизосомах кислой фосфатазы, которая считается маркером лизосом. Была разработана методика выявления кислой фосфатазы на электронно-микроскопическом уровне.

Лизосомы – разнородная популяция клеточных структур, размером около 0,5 мкм, заключенных в мембрану и имеющих общие характеристики:

- Величина рН в полости лизосом около 5;

- В лизосомах содержится более 50 разновидностей кислых гидролаз, в том числе – кислая фосфатаза, являющаяся главным маркером лизосом;

- лизосомы содержат белок LAMP+ (lysosomal associated membrane proteins), также яляющийся их маркером.

Современное определение лизосом требует не только присутствия этих маркеров, но и отсутствия рецептора маннозо-6-фосфата.

Лизосомы – специализированный компартмент клетки, осуществляющий деградацию эндоцитированного материала и клеточных структур. Лизосомы – система сбора отходов в клетке и их утилизации, содержащая гидролазы, способные расщеплять всевозможные молекулы. Лизосомы необходимы для поддержания гомеостаза в клетке.

В лизосомах есть два основных класса белков: гидролазы и белки лизосомальной мембраны. Гидролазы специализированы, в настоящее время известно более 50 различных гидролаз. Белки мембраны лизосом высокогликозилированы. Основные белки - LAMP-1 и -2 (lysosome-associated membrane proteins); LIMP-2 (lysosomal integral membrane protein); и tetraspanin CD63. изначально считалось, что основная роль белков лизосомальных мембран – поддержание целостности лизосом, однако в последние годы было показано, что они также вовлечены в чаперон-опосредованную аутофагию и макроаутофагию. В настоящее время выявлено большое количество маркеров лизосом и эндосом, что говорит о большом разнообразии лизосомальных структур.

Лизосомальные белки доставляются из транс-компартмента АГ в эндо-лизосомальную систему, и правильная организация этого транспорта необходима для биогенеза лизосом. Важную роль в этом транспорте играет рецептор маннозо-6-фосфата. Белки, предназначенные для попадания в лизосомы, несут маннозо-6-фосфат, который связывается соответствующим рецептором на мембранах транс-сети АГ. Связывание служит сигналом к формированию опушенного пузырька, который и переносит гидролазы к развивающейся лизосоме (поздней эндосоме, фагосоме). В мембране лизосомы есть АТФ-азный насос, создающий кислую среду. В этой среде рецептор отделяется от маннозо-6-фосфата, и возвращается обратно в АГ.

Лизосомы являются конечным звеном процессов деградации молекул, частиц и клеточных структур, (1) попавших внутрь клетки, и (2) подлежащих деградации. Т.е., лизосомы связаны с эндоцитозом в широком смысле слова, и аутофагией. «Аутофагия» - самопоглощение, самопереваривание. Свои функции лизосомы осуществляют посредством гидролаз, которые активируются при кислых рН (около 5). При этом гидролазы не попадают в лизосомы непосредственно, а «приходят» из поздних эндосом.

Лизосомы являются конечной «станцией» процессов фагоцитоза, аутофагии (аутофагоитоза) и эндоцитоза, поэтому возникает много путаницы в терминологии и понимании этих процессов, даже в современных публикациях.

В электронном микроскопе лизосомы имеют разнообразную морфологию, поэтому в начале их изучения предпринимались отчаянные попытки их классифицировать. В частности, выделяли первичные и вторичные лизосомы: в первых содержалось только гомогенное электронно-плотное вещество, тогда как вторичные лизосомы состояли из электронно-плотного вещества и разнообразных структур, продуктов «переваривания» материала. В современной литературе эти понятия обычно не используются. По существу, лизосома всегда содержит какой-то материал, подвергающийся деградации. Можно сказать, что первичная лизосома – пузырек с гидролазами, направляющийся из АГ в позднюю эндосому.

Фагоцитоз используют многие простейшие для питания, - амебы, например, захватывают и переваривают всякие частицы, в том числе – одноклеточные микроорганизмы, на которых они охотятся. У многоклеточных организмов фагоцитоз – функция специализированных клеток, макрофагов и нейтрофилов. С помощью фагоцитоза захватываются и разрушаются крупные частицы - бактерии, обломки клеток, а также состарившиеся клетки.

С лизосомами связан ряд специализированных клеточных структур, которые сохраняют и выделяют факторы, вовлеченные во многие функции организма (свертывание крови, уничтожение микроорганизмов, пигментация и др.). В последние годы появились и накапливаются данные о роли лизосом в развитии различных заболеваний, в том числе – раковых. В случае мутаций генов, кодирующих синтез лизосомальных ферментов, у людей развиваются заболевания, связанные с накоплением в лизосомах неразложившихся продуктов. Как правило, заболевание вызывается мутацией одного гена. Например, болезнь Gaucher’a - нарушение разрушения гликолипидов. При этом в клетках накапливаются лизосомы и клетки перестают нормально работать. Две основные клинические формы – с поражением печени и селезенки (не тяжелая), и с неврологическими нарушениями. Со временем список заболеваний человека, связанных с нарушением функций лизосом, расширяется.

«Специализированные лизосомы»

Лизосомы используются организмом и как «хранилища» ферментов и ряда других веществ, связанных с защитными реакциями организма. В таких случаях говорят о гранулах, содержащихся в клетках. Исторически сначала были открыты гранулы в лейкоцитах и макрофагах, а уже потом выяснилось, что по своей природе эти гранулы являются лизосомами. Как и положено, эти гранулы формируются при участии аппарата Гольджи.

Клетки, содержащие гранулы-лизосомы связаны в основном с защитными реакциями организма, это – макрофаги, нейтрофилы, тромбоциты, тучные клетки.

Резидуальные тельца.

Считается, что резидуальные тельца – материал, не поддающийся действию гидролаз, локализованный в лизосомальных структурах, своеобразные «останки», «мусор».

Липофусцин – желто-коричневый в световом микроскопе, электронно-плотный материал, обладающий аутофлюоресценцией. Он считается «пигментом старения» и накапливается в клетках по мере старения организма (нейроны, мускулатура и др.). Липофусцин накапливается в лизосомах при распаде самых разных клеточных структур. Было показано, что он не переваривается гидролазами, и не выводится из клеток путем экзоцитоза.

Липофусцин накапливается при воздействии на клетку факторов окислительного стресса. Значительные количества липофусцина связаны с деградацией митохондрий.

Другой тип резидуальных телец – миелиноподобные структуры (фигуры, тельца), которые являются продуктом деструкции клеточных мембран. Миелиноподобные структуры могут выбрасываться из клетки, при этом в организме они попадают в лимфоток и затем выделяются наружу.

Аутофагия – катаболический процесс, посредством которого клетки разрушают собственные органоиды и отдельные белки лизосомальными ферментами и, таким образом, обеспечивают нужды метаболизма при различных видах стресса, особенно – при голодании. «Аутофагия» в переводе с греческого «само-поедание».

Разрушение и деструкция компонентов клетки посредством лизосом, наблюдается у всех эукариот, но лучше изучена в клетках млекопитающих. Аутофагия направлена на элиминацию структур, которые утратили свои функции, либо повреждены. Важную роль аутофагия играет при кратковременном голодании, поставляя клетке аминокислоты из разрушенных структур. Аутофагия обеспечивает нормальное функционирование тканей и органов, блокирует патологические изменения клеток при раке, нейродегенеративных заболеваниях. Может аутофагия играть и негативную роль, например, при заболеваниях печени, когда в клетках происходит массовая гибель митохондрий и других структур.

Аутофагию делят на три вида: макроаутофагия, микроаутофагия и чаперон-зависимая аутофагия. Макроаутофагия – «прототип» аутофагии, именно о ней обычно и идет речь в статьях, это – изоляция участка цитоплазмы посредством двойной мембраны.

Микроаутофагия – секвестрация участка цитоплазмы происходит за счет инвагинации мембраны лизосомы, которая захватывает участок цитоплазмы, который затем разрушают лизосомальные ферменты.

Чаперон-зависимая аутофагия запускается при связывании белков цитозоля, которые нужно разрушить, с белком теплового шока heat shock cognate protein of 70 kDa (hsc70), затем посредством взаимодействия с мембранным белком, связанным с лизосомами (LAMP-2A), попадают путем транслокации в просвет лизосомы, где быстро деградируют.

В основном аутофагия обеспечивает неселективную деградацию сравнительно крупных массивов цитоплазмы, однако, есть данные о возможности и специфического «выбора» структур для разрушения.

Посредством аутофагии элиминируются поврежденные митохондрии, которые являются источником перекисных соединений, повреждающих клетку и способных вызвать ее гибель. Митохондрии и окислительный стресс – активно развивающееся направление исследований, поскольку перекисные соединения и активные формы кислорода вызывают повреждения и гибель клеток. Элиминация поврежденных или неправильно функционирующих митохондрий – важный элемент поддержания гомеостаза клетки.

Пероксисомы разрушаются путем микроаутофагии.

Блокирование аутофагии приводит к накоплению в клетке масс белка и поврежденных органоидов, что нарушает работу клеток и может привести к её гибели. Такие процессы описаны при некоторых заболеваниях печени, считаются патогенетическим компонентом нейродегенеративных заболеваний.

В процессе аутофагии участвуют десятки белков, и его регуляция сложна. Современные представления о механизмах регуляции аутофагии отводят важную роль реактивным соединениям кислорода и азота. В зависимости от ситуации, аутофагия либо разрушает клетку, либо очищает её от поврежденных структур. Блокирование аутофагии приводит к гибели клетки.

Аутофагия на начальных стадиях опухолевого процесса может уничтожить раковые клетки, однако на фоне развитой опухоли она играет «позитивную» роль, позволяя опухолевым клеткам выживать на фоне стрессовых воздействий. Роль аутофагии и возможность её «использования» для борьбы с раком – активно развивающееся направление исследований.

На морфологическом уровне аутофагия известна с конца 50-х годов прошлого столетия, тогда как её молекулярные механизмы изучены недостаточно. Аутофагия индуцируется голоданием, воздействием на клетку глюкагона и ряда цитокинов, в частности, гамма-интерферона и фактора некроза опухолей -альфа.

Аутофагия была открыта с помощью электронной микроскопии, которая до сих пор служит основным инструментом её исследования. По существу, аутофагия – везикулярный процесс.

После сигнала, на первой стадии аутофагии происходит формирование мембранных цистерн, природа которых до сих пор окончательно не установлена, их называют фагофорами. Фагофоры отграничивают участок цитоплазмы или органоид, подлежащий деградации (секвестрация) органоида. Образуется структура, которую называют аутофагосомой, которая заключена в двойную мембранную оболочку. Аутофагосома не содержит лизосомальных ферментов. Секвестрация участка цитоплазмы является уникальным процессом, при котором этот участок элиминируется и подвергается деградации.

Затем происходит поэтапное «созревание» аутофагосомы. В результате которого сегрегированный участок цитоплазмы, окруженный мембранами, попадает в просвет лизосомально-эндосомальной системы: происходит слияние наружной мембраны аутофагосом с лизосомами или эндосомами, происходит деструкция материала цитоплазмы и окружающей мембраны гидролазами, после чего продукты деградации могут быть возвращены в цитоплазму для дальнейшего использования. Аутолизосома – это аутофагосома, слившаяся с лизосомой. Некоторые авторы выделяют стадию амфисомы – когда аутофагосома сливается с эндосомами.

Перемещение аутофагосом происходит при участии актиновых филаментов и микротрубочек, т.е., цитоскелет принимает непосредственное участие в процессе аутофагии.

Аутофагия может быть специфической и неспецифической. В настоящее время накапливается все больше данных, что мембраны фагофора несут белки, распознающие органоиды, подлежащие деградации, например, митохондрии.

Включения –

транзиторные структуры, наличие которых не является обязательным и необходимым для жизни клеток. Включения могут появляться в определенные периоды развития клетки, либо быть связанными с функциональной активностью клетки.

Гликоген

Капли липидов

Кристаллы солей

«Вирусные включения» - правильный термин для обозначения вирус-репликативнх комплексов.

Гликоген — полисахарид, образованный остатками глюкозы; основной запасной углевод человека и животных. Гликоген (также иногда называемый животным крахмалом, несмотря на неточность этого термина) является основной формой хранения глюкозы в животных клетках. Откладывается в виде гранул в цитоплазме во многих типах клеток (главным образом печени и мышц). Гликоген образует энергетический резерв, который может быть быстро мобилизован при необходимости восполнить внезапный недостаток глюкозы. Гликогеновый запас, однако, не столь ёмок в калориях на грамм, как запас триглицеридов (жиров). Только гликоген, запасённый в клетках печени (гепатоциты) может быть переработан в глюкозу для питания всего организма, при этом гепатоциты способны накапливать до 8 процентов своего веса в виде гликогена, что является максимальной концентрацией среди всех видов клеток. Общая масса гликогена в печени может достигать 100—120 граммов у взрослых. В мышцах гликоген перерабатывается в глюкозу исключительно для локального потребления и накапливается в гораздо меньших концентрациях (не более 1 % от общей массы мышц), в то же время его общий мышечный запас может превышать запас, накопленный в гепатоцитах. Небольшое количество гликогена обнаружено в почках, и ещё меньшее — в определённых видах клеток мозга (глиальных) и лейкоцитах.

В качестве запасного углевода гликоген присутствует также в клетках грибов.

Вирусные включения – скопления вирусных белков и вирусных частиц в клетке.