W układzie otwartym, jakim jest komórka, nieustannie zachodzą przeciwstawne procesy syntezy i rozkładu. Ich jednoczesny przebieg jest możliwy dzięki obecnym w komórce przedziałom błonowym, które rozdzielają te dwa typy reakcji. Jednym z takich przedziałów są lizosomylizosomlizosomy, zwane pęcherzykami trawiennymi. Można je określić układem trawiennym komórki.

Lizosomy to organelle komórkowe mające postać pęcherzyków. Są otoczone pojedynczą błoną białkowo‑lipidową, której białka pełnią funkcję strukturalną, ochronną, transportującą i receptorową.

Lizosomy występują we wszystkich eukariotycznych komórkach zwierzęcych (z wyjątkiem erytrocytów) oraz u protistów zwierzęcopodobnych, np. ameby czy pantofelka.

Odpowiednikiem lizosomów w komórkach roślin i grzybów są wakuole lityczne (wegetatywne), a w komórkach roślinnych magazynujących tłuszcze (np. nasiona roślin oleistych, pyłki roślin) podobne funkcje pełnią oleosomy.

Zawarte w wakuolach litycznych enzymy – hydrolazyhydrolazyhydrolazy, uczestniczą w procesach rozkładu białek lub innych związków organicznych, a także mogą być wykorzystywane w procesie autofagiiautofagiaautofagii. Pozyskują one substraty potrzebne do funkcjonowania organizmu.

Oleosomy (sferosomy) to pęcherzyki otoczone pojedynczą błoną białkowo‑lipidową i wypełnione kroplami tłuszczu. Ponieważ zawarte w nich lipazy uczestniczą w procesach trawienia tłuszczy, uważa się je za odpowiedniki lizosomów.

U prokariontów lizosomy nie występują. Bakterie wydzielają na zewnątrz enzymy syntetyzowane w cytoplazmie, rozkład makrocząsteczek odbywa się zatem poza organizmem. Powstałe produkty trawienia komórka wchłania i wykorzystuje do dalszego funkcjonowania.

We wnętrzu lizosomów znajduje się ok. 40 różnych enzymów katalizujących rozkład złożonych związków organicznych.

Enzymy te należą do grupy kwaśnych hydrolaz, co oznacza, że są aktywne jedynie w środowisku kwaśnym. Niskie pH (od 4,5 do 5,0) panujące we wnętrzu lizosomu jest utrzymywane dzięki białku błonowemu HIndeks górny +⁺-ATPazieHIndeks górny +⁺-ATPazaHIndeks górny +⁺-ATPazie, które jest pompą protonową. Wykorzystując energię z hydrolizy ATP, transportuje ona jony HIndeks górny +⁺ z cytoplazmy do wnętrza lizosomu. W ten sposób zapewnia optymalne środowisko do działania enzymów lizosomalnych.

R1ZJRGvyk7MO0

Grafika przedstawia schemat działania H⁺-ATPazy. Wewnątrz ATPazy znajdują się kwaśne hydrolazy, nukleazy, proteazy, glikozydazy lipazy oraz fosfatazy, które sprawiają że środowisko wewnętrzne ma kwaśne pH równe pięć. Przepompowując protony z cytoplazmy o obojętnym pH równym około siedem przecinek dwa do wnętrza lizosomu przy użyciu ATP utrzymuje kwaśne pH optymalne dla działania hydrolaz.

RFR7ZdJI6Z6vG1

Grafika przedstawia kawałek mięsa wołowego. Jego struktura jest wyraźnie nitkowata.

Błona pęcherzyka lizosomalnego wykazuje przystosowania pozwalające zabezpieczyć ją oraz inne organelle cytoplazmatyczne przed strawieniem. W jej skład wchodzą białka glikozylowane (glikoproteiny), które mają przyłączone kompleksy cukrowe. Dzięki odporności na działanie hydrolaz chronią błonę lizosomu oraz cytoplazmę i jej organelle przed uszkodzeniem enzymatycznym. Panujące w cytoplazmie środowisko zbliżone do obojętnego, o pH od 7,2 do 7,3, dezaktywuje enzymy lizosomalne, które mogłyby wydostać się z lizosomu w sytuacji uszkodzenia jego błony.

Aktywne hydrolazy uczestniczą w programowanej śmierci komórki (PCD - programmed cell death), degradując uszkodzone, niepotrzebne wewnątrzkomórkowe białka lub organelle komórkowe. Pozyskany w ten sposób materiał organiczny (monomery złożonych związków organicznych) gotowy do ponownego wykorzystania wraca do cytozolu. Dzieje się tak w procesach resorpcji kości, które zapewniają ich właściwe modelowanie i wzmacnianie. Komórki kościogubne (osteoklasty) i chrząstkogubne (chondroklasty) uwalniają do substancji międzykomórkowej wchodzącej w skład tkanki kostnej i chrzęstnej zawarte w lizosomach hydrolazy. Enzymy te trawią składniki organiczne istoty międzykomórkowej. Uwalnianie enzymów lizosomalnych zachodzi np. w przemrożonych ziemniakach (zmagazynowana skrobia jest rozkładana do glukozy, nadającej ziemniakom słodki smak) oraz podczas tzw. kruszenia mięsa (białka rozkładane są do prostszych związków, dzięki czemu mięso staje się kruche i delikatne).

W błonie lizosomu zlokalizowanych jest ok. 20 rodzajów białek transportujących. Przenoszą one do cytoplazmy produkty pochodzące z rozkładu związków organicznych oraz degradacji organelli komórkowych, np. mitochondriów. Produkty te mogą zostać powtórnie wykorzystane do syntezy innych substancji, zmagazynowane lub też usunięte poza obręb komórki.

Lizosomy to jedne z najbardziej zróżnicowanych struktur komórkowych. W zależności od rodzaju i funkcji komórki mają różny kształt i wielkość (kilka mikronów w makrofagach, od 0,5 do 1 μmum w hepatocytach i neuronach). Ich liczba i miejsce występowania mogą się różnić nawet w komórkach tej samej tkanki. W hepatocytach i fibroblastach zajmują do ok. 0,5% objętości cytoplazmy, a w makrofagach do 2,5%. W większej ilości występują w tych hepatocytach, które znajdują się w bliskim sąsiedztwie kanalików żółciowych. We wnętrzu tych lizosomów obecne są produkty rozkładu związków organicznych, które zostają wraz z żółcią wydalone z komórki. W komórkach nabłonka kanalika nerkowego najwięcej lizosomów występuje w odcinku proksymalnym (kanaliku I rzędu), co ma związek z niszczeniem składników osocza krwi, które przeszły do moczu pierwotnego. Wszystkie lizosomy łączy jedna wspólna cecha, będąca lizosomalnym markerem – jest to obecność w ich wnętrzu enzymu kwaśnej fosfatazyfosfatazyfosfatazy.

Białka błonowe i enzymatyczne lizosomów są syntetyzowane w błonach siateczki śródplazmatycznej szorstkiej, gdzie powstające polipeptydy ulegają glikozylacji. Proces ten jest związany z przyłączeniem kompleksów cukrowych do białek, co w przypadku enzymów unieczynnia je, a w przypadku białek błonowych chroni przed strawieniem. W celu dalszej glikozylacji i modyfikacji białka są przesyłane do błon aparatu Golgiego. Tu glikoproteiny wbudowywane są w błony, z których następuje formowanie pęcherzyków i upakowywanie hydrolaz. Do fragmentu błony, który ma zostać przekształcony i odpączkowany jako pęcherzyk, włączane są cząsteczki klatrynyklatrynaklatryny. Powstające w ten sposób pęcherzyki transportujące odrywają się od cystern aparatu Golgiego i tworzą lizosomy pierwotne. Kierowane są one następnie do pęcherzyków wypełnionych materiałem przeznaczonym do strawienia. Lizosomy łączą się z nimi i tworzą lizosomy wtórne, w których przy udziale hydrolaz odbywa się rozkład makrocząsteczek.

Zawarte w lizosomach enzymy hydrolityczne katalizują reakcje trawienia wewnątrzkomórkowego. Materiał, który podlega degradacji, pochodzi z zewnątrz i został pobrany przez komórkę na drodze endocytozyendocytozaendocytozy: pinocytozypinocytozapinocytozy lub fagocytozyfagocytozafagocytozy bądź stanowi uszkodzone elementy cytoplazmatyczne komórki.

R1dZuDSHAu2eT

Grafika przedstawia drogi prowadzące do degradacji w lizosomach. Pierwszą drogą jest fagocytoza. Fragment błony komórkowej wpukla się do wnętrza komórki i zamyka bakterię w pęcherzyku, który następnie zostaje oderwany i tworzy fagosom. Przekształca się on następnie w lizosom wtórny zawierający białka cytoplazmy. Inną drogą degradacju jest pinocytoza. Podobnie jak w przypadku fagocytozy fragment błony komórkowej wpukla się do wnętrza komórki i zamyka czynnik zewnętrzny w pęcherzyku, który następnie ulega pinocytozie, tworząc wczesny pinosom. Następnie w wyniku przemian późny pionosm przekształca się w lizosom wtórny. Ostatnią drogą jest autofagia. Mitochondrium zostaje otoczone przez retikulum endoplazmatyczne. W wyniku autofagii powstaje autofagosom zawierający mitocondrium, który w wyniku przemian przechodzi do lizosomu wtórnego.

RbEItZeTuNaA8

Grafika przedstawia proces fagocytozy. Fragment błony komórkowej wpukla się do wnętrza komórki i zamyka czynnik wnikający w pęcherzyku, który następnie zostaje oderwany i tworzy fagosom. Łączy się on następnie z lizosomem pierwotnym niosącym enzymy hydrolityczne. Końcowo dochodzi do strawienia czynnika pod wpływem enzymów.

W wyniku fuzji fagosomu, autofagosomu lub pinosomu z lizosomem pierwotnym powstaje lizosom wtórny, w którym przy udziale aktywnych hydrolaz zachodzi trawienie zawartości pęcherzyka. Powstałe produkty rozkładu: cukry proste, aminokwasy, nukleotydy przechodzą następnie do cytozolu, gdzie mogą zostać wykorzystane przez komórkę do syntezy innych potrzebnych związków. W podobny sposób w komórkach organizmu człowieka odbywa się transport i przetwarzanie cholesterolu. Związek ten w połączeniu z białkiem transportowany jest przez krew. W lizosomach komórek wątroby białko ulega rozkładowi, a uwolniony cholesterol staje się substratem potrzebnym do budowy błon biologicznych.

Autolizosomy powstają podczas rozkładu własnych organelli czy fragmentów błon i uczestniczą w dwóch procesach: autofagii – gdy niszczą uszkodzone organelle komórkowe, i autolizy – gdy trawią własne obumierające lub martwe komórki.

Najpierw tworzy się autofagosomautofagosomautofagosom. Struktury komórkowe przeznaczone do degradacji, np. zbędne lub uszkodzone komórki czy uszkodzone mitochondria, zostają otoczone przez błonę białkowo‑lipidową pochodzącą z siateczki śródplazmatycznej, tworząc autofagosom. W wyniku fuzji błon autofagosomu i lizosomu powstają autolizosomy. Aktywne hydrolazy rozkładają struktury do makrocząstek, które po wchłonięciu do cytozolu zostają ponownie wykorzystane przez komórkę lub są z niej usuwane.

Autofagia odgrywa ważną rolę w embriogenezie i różnicowaniu się komórek warunkujących rozwój organizmu. Mechanizm recyklingu komórkowego naukowcy próbują wykorzystać w leczeniu nowotworów, chorób układu nerwowego, infekcji wirusowych i bakteryjnych.

RpqlrAPMSGM7J

Grafika przedstawia kijanki pływające w wodzie. Mają one duże w stosunku do reszty ciała głowy oraz długie, podłużne ogonki. Ich ciało ma złocisto brązową barwę z czarnymi kropkami.

Mutacje w genach kodujących białka lizosomalne są przyczyną braku lub niedoboru aktywnych białek enzymatycznych, receptorowych czy transportujących. W efekcie dochodzi do nagromadzenia w lizosomach niezdegradowanych makrocząsteczek, co powoduje zaburzenia funkcjonowania komórek, tkanek i narządów, a także jest przyczyną ponad 50 różnych chorób, zwanych spichrzeniowymi.

Słownik