Лизосомы

Лизосомыпредставляют собой пузырьки диаметром от 100 нм до нескольких микрометров, которые обнаруживаются в цитоплазме клеток простейших, растений и животных. Они содержат широкий набор гидролитических ферментов, способных расщеплять любые биогенные вещества – белки, нуклеиновые кислоты, углеводы и липиды. Состав и количество лизосомальных гидролаз обладает видовой и тканевой специфичностью. Морфологически лизосомы неоднородны и претерпевают различные изменения при слиянии с другими органоидами. Для идентификации лизосом используется реакция на кислую фосфатазу.

Если приготовить гомогенат клеток печени и определить в нем активность кислой фосфатазы, то она окажется низкой. При обработке гомогената ультразвуком либо повторяющимися циклами замораживания-оттаивания активность фермента резко повышается. Объясняется это тем, что при обработке гомогената нарушается целостность мембран, гидролазы выходят из лизосом и активируются. Следовательно, гидролазы находятся в лизосомах в неактивном, латентном состоянии. Изучение явления латентности гидролаз и привело бельгийскго биохимика К. де Дюва к открытию лизосом (1955).

Латентность лизосомальных гидролаз обусловлена рядом факторов. Прежде всего, она объясняется наличием мембраны, которая препятствует взаимодействию ферментов с субстратами. Часть гидролаз встроено в мембрану и блокировано за счет связи с липидами. Другая часть ферментов инактивирована углеводами мембраны и матрикса. Кроме того, внутренняя среда лизосомы сильно закислена, тогда как максимальная активность гидролаз проявляется в слабо кислой среде.

Лизосомальная мембрана способна удерживать в органоиде не только ферменты, но и макромолекулярные субстраты. Низкомолекулярные продукты распада (свободные аминокислоты, сахара, нуклеотиды) выходят из лизосомы в гиалоплазму с помощью встроенных в мембрану специальных транспортных белков.

Морфологически лизосомы подразделяют на четыре типа – первичные лизосомы, вторичные лизосомы, аутофагосомы и остаточные тельца.

Первичные лизосомы образуются в пластинчатом комплексе в виде одномембранных пузырьков с бесструктурным содержимым. Они служат для временного хранения и инактивации гидролаз. Первичные лизосомы способны перемещаться в цитоплазме с помощью микротрубочек, а также сливаться с эндосомами и плазмолеммой. Диаметр их составляет 100-500 нм.

Вторичные лизосомы (фаголизосомы, пищеварительные вакуоли) образуются в результате слияния первичных лизосом с фагоцитарными или пиноцитозными вакуолями. При этом наблюдается активация лизосомальных гидролаз, распад поступивших в клетку веществ и выведение низкомолекулярных веществ в гиалоплазму для включения в метаболические процессы клетки. Морфологически вторичные лизосомы отличаются от первичных лизосом более крупными размерами и наличием фагоцитируемого материала.

Аутолизосомы морфологически почти идентичны вторичным лизосомам, отличаясь только тем, что содержат внутри митохондрии, пластиды, рибосомы, включения и другие органоиды клетки или их фрагменты. Поэтому они рассматриваются как специальные органоиды, обеспечивающие аутофагоцитоз. Это явление наблюдается в клетках растений и животных, например, при физиологической регенерации внутриклеточных структур и гидролизе запасных питательных веществ.

Остаточные тельца (телолизосомы) представляют собой лизосомы с уплотненным структурированным материалом. Они содержат меньше гидролаз и служат местом накопления липидов, пигментов и других продуктов метаболизма.

Лизосомы представляют особый тип мембранного органоида, который осуществляет в клетке процессы распада. В специализированных клетках лизосомы могут обеспечивать внутриклеточное пищеварение, защиту от микроорганизмов и их продуктов, реконструкцию клетки. При осуществлении этих функций лизосомы взаимодействуют с другими мембранными органоидами – ПС, пластинчатым комплексом, эндосомами, включениями и плазмолеммой.

Функция внутриклеточного пищеварения, которое осуществляется с помощью лизосом, особенно выражена у простейших и беспозвоночных. Пищеварительные клетки имеются, например, в кишечном эпителии у моллюсков и клещей. Они содержат стабильные пиноцитозные вакуоли, которые постоянно снабжаются лизосомальными ферментами.

Защитная роль клеток-фагоцитов была обнаружена И. И. Мечниковым у беспозвоночных еще в конце XIX в. У позвоночных он описал два типа фагоцитов: микрофаги и макрофаги. В цитоплазме микрофагов содержится большое количество упакованных в мембрану гранул, которые представляют собой не что иное, как разновидность первичных лизосом. При активации клетки из них выходят гидролазы, которые разрушают внеклеточные субстраты. Микрофаги также способны к ограниченному фагоцитозу бактериальных клеток. К микрофагам у млекопитающих относятся нейтрофильные гранулоциты крови, которые обеспечивают защиту организма от бактерий. Макрофаги отличаются крупными размерами, способностью к амебоидному движению и активному фагоцитозу. Они содержат интенсивно функционирующие вторичные лизосомы, которые, кроме полного разрушения поступающих извне веществ, участвуют также в частичном протеолизе белковых антигенов для их последующего представления другим иммунокомпетентным клеткам. У млекопитающих к макрофагам относятся моноциты крови, которые после выхода из капилляров превращаются в гистиоциты соединительной ткани, альвеолярные и перитонеальные макрофаги, остеокласты костной ткани, клетки Купфера в печени и другие формы тканевых макрофагов.

Реконструктивная функция лизосом широко распространена как у животных, так и у растений. Она заключается в ограниченной аутофагии цитоплазматических структур для регуляции обмена веществ, развития тканей и органов, а также в условиях недостатка энергии и питательных веществ. Примерами могут служить гидролиз запасных питательных веществ при прорастании семян, частичный протеолиз тироглобулина эпителиальными клетками щитовидной железы с образованием гормонов трийодтиронина и тироксина, разрушение межклеточных контактов при физиологической регенерации ороговевающего эпителия. Особенно отчетливо эта функция лизосом проявляется в разрушении ими цитоплазматических структур в условиях голодания (эндогенное питание).

Значение лизосом для нормального функционирования организма человека подчеркивается существованием “болезней накопления”, которые обусловлены мутациями, полностью или частично нарушающими работу лизосомальных гидролаз. В результате в лизосомах наблюдается избыточное накопление соответствующих субстратов, что приводит к изменению размеров, формы и тонкой структуры этого органоида. При болезни Уолмена, например, отсутствует кислая липаза, что приводит к накоплению в лизосомах эфиров холестерина и триглицеридов и формированию липидных включений. Болезнь Помпа связана с недостатком гликозидазы, что вызывает накопление гликогена. Особенно тяжелым заболеванием является псевдохерлерова дистрофия, при которой в фибробластах отсутствуют почти все лизосомальные ферменты, кроме протеаз. В результате блокируется обмен таких компонентов соединительных тканей как протеогликаны и сложные липиды.