Lysozom

Lysozom (z řeckého λύσις  - rozklad a σώμα  - tělo) je buněčná organela obklopená membránou , v jejíž dutině se udržuje kyselé prostředí a je zde mnoho rozpustných hydrolytických enzymů [1] . Lysozom je zodpovědný za intracelulární trávení makromolekul, včetně autofagie ; lysozom je schopen vylučovat svůj obsah do exocytózy ; lysozom je také zapojen do některých intracelulárních signálních drah spojených s buněčným metabolismem a růstem [2] .

Lysozom je jedním z typů vezikul a patří do endomembránového systému buňky [3] . Různé typy lysozomů lze považovat za samostatné buněčné kompartmenty .

Lysozomy objevil v roce 1955 belgický biochemik Christian de Duve [4] . Lysozomy se nacházejí ve všech savčích buňkách s výjimkou erytrocytů [5] . Vakuoly se v rostlinách blíží lysozomům způsobem vzniku a částečně i funkcemi . Lysozomy jsou také přítomny ve většině protistů (jak s fagotrofním, tak s osmotrofním typem výživy) a v houbách. Přítomnost lysozomů je tedy charakteristická pro buňky všech eukaryot . U prokaryot lysozomy chybí, protože jim chybí fagocytóza a nedochází k intracelulárnímu trávení.

Řada dědičných onemocnění u lidí, nazývaných lysozomální střádavá onemocnění , je spojena s dysfunkcí lysozomů [6] .

Historie objevů

V letech 1949-1952 biochemik Christian de Duve a jeho studenti při studiu působení inzulinu v krysích jaterních buňkách náhodně objevili neočekávaný rozdíl v aktivitě kyselé fosfatázy v závislosti na způsobu izolace. Jako standard u nich byla používána kyselá fosfatáza, hlavním předmětem jejich studia byl enzym glukóza-6-fosfatáza , který se podílí na metabolismu inzulinu. Během experimentů se ukázalo, že když byl obsah buněk frakcionován v centrifuze, kyselá fosfatáza byla spojena s mikrosomální frakcí, ale vykazovala pouze desetinovou aktivitu ve srovnání s jednoduchým buněčným extraktem a po několika dnech skladování mikrosomální frakce v lednici, aktivita kyselé fosfatázy se zvýšila. Když byl tento jev objeven, prvním vysvětlením bylo, že došlo k nějaké technické chybě. Opakování experimentu však vždy reprodukovalo původní obrázek. To nám umožnilo předpokládat existenci některých buněčných částic obklopených membránou, které uvnitř obsahují enzym. Od roku 1952 do roku 1955 bylo objeveno několik dalších kyselých hydroláz spojených s mikrosomální frakcí. V roce 1955, který je považován za rok objevu lysozomů, navrhl K. de Duve název „lysosom“ pro buněčnou organelu, která je obklopena membránou udržující nízké pH a uvnitř které se nachází řada enzymů, které fungují optimálně v kyselém prostředí [7] [8] . Ve stejném roce 1955 americký cytolog Alex Novikovz University of Vermont , USA, který bravurně zvládl techniku ​​mikroskopie, navštívil laboratoř C. de Duve a dokázal získat první elektronické fotografie těchto organel pomocí preparátu částečně purifikovaných lysozomů. Později, v roce 1961, Alex Novikov pomocí histochemické detekce kyselé fosfatázy a elektronové mikroskopie potvrdil lokalizaci tohoto enzymu v lysozomech [9] [10] . V roce 1963 belgický biochemik Henry Hares , který dříve pracoval ve skupině K. de Duve, objevil deficit lysozomálního enzymu α-glukosidázy u pacientů s Pompeho chorobou a navrhl, že s narušením lysozomů jsou spojena další genetická onemocnění [11 ] . V současnosti je s lysozomálním deficitem spojeno více než 50 dědičných onemocnění [12] .

V roce 1974 byl K. de Duve za svůj příspěvek k odhalení strukturální a funkční organizace buňky oceněn Nobelovou cenou za medicínu [13] .

Známky lysozomů

Lysozomy jsou heterogenní co do tvaru, velikosti, ultrastrukturálních a cytochemických vlastností. Ve zvířecích buňkách jsou lysozomy typicky menší než 1 um, ačkoli v některých typech buněk, jako jsou makrofágy , mohou být lysozomy větší než několik mikronů . Lysozomy mají zpravidla kulovitý, oválný, někdy tubulární tvar [14] . Počet lysozomů se pohybuje od jednoho (velká vakuola v mnoha rostlinných a houbových buňkách) po několik stovek nebo tisíců (v živočišných buňkách). Lysozomy u zvířat obvykle netvoří více než 5 % intracelulárního objemu [15] .

Jedním ze znaků lysozomů je přítomnost řady enzymů (kyselých hydroláz ), které dokážou štěpit bílkoviny , sacharidy , lipidy a nukleové kyseliny . Lysozomové enzymy zahrnují katepsiny (tkáňové proteázy ), kyselou ribonukleázu , fosfolipázu atd. Kromě toho lysozomy obsahují enzymy, které mohou odštěpit sulfátové (sulfatázy) nebo fosfátové ( kyselá fosfatáza ) skupiny z organických molekul. Celkem obsahuje dutina lysozomu asi 60 rozpustných kyselých hydrolytických enzymů [2] .

Lysozomy se vyznačují kyselou reakcí vnitřního prostředí , která zajišťuje optimální fungování lysozomálních hydroláz [14] . Typicky je pH v lysozomech asi 4,5-5, to znamená, že koncentrace protonů v nich je o dva řády vyšší než v cytoplazmě. To je zajištěno aktivním transportem protonů, který provádí protein-pumpa protonová ATPáza zabudovaná v membránách lysozomů [15] . Kromě protonové pumpy jsou v membráně lysozomu zabudovány nosné proteiny pro transport do cytoplazmy produktů hydrolýzy makromolekul: aminokyselin , cukrů, nukleotidů , lipidů [16] .

Vysoká aktivita kyselé fosfatázy byla dříve používána jako jeden z markerů lysozomů. V současnosti je za spolehlivější marker považována přítomnost specifických membránových glykoproteinů LAMP1 a LAMP2 . Jsou přítomny na membráně lysozomů a pozdních endozomů , ale chybí na membránách jiných vakuomových kompartmentů .

Tvorba lysozomů a jejich typy

Lysozomy jsou tvořeny z váčků (vezikuly) oddělených od Golgiho aparátu a váčků ( endozomů ), do kterých vstupují látky při endocytóze [17] . Membrány endoplazmatického retikula se podílejí na tvorbě autolysozomů ( autofagozomů ) . Všechny proteiny lysozomů jsou syntetizovány na „přisedlých“ ribozomech na vnější straně membrán endoplazmatického retikula a poté procházejí jeho dutinou a Golgiho aparátem .

Neexistuje žádná obecně přijímaná klasifikace a nomenklatura pro různá stádia zrání a typy lysozomů . Existují primární a sekundární lysozomy . První se tvoří v oblasti Golgiho aparátu , obsahují enzymy v neaktivním stavu, zatímco druhé obsahují aktivní enzymy. Normálně jsou lysozomové enzymy aktivovány, když je pH sníženo. Mezi lysozomy lze také rozlišit heterolysozomy (trávící materiál vstupující do buňky zvenčí - fago- nebo pinocytózou) a autolyzozomy (ničí vlastní proteiny nebo organely buňky). Nejpoužívanější klasifikace lysozomů a jejich přidružených kompartmentů je následující:

1. Časný endozom  – do něj vstupují endocytární (pinocytární) váčky. Z raného endozomu se receptory, které se vzdaly (kvůli nízkému pH) své zátěže, vracejí zpět do vnější membrány.
2. Pozdní endozom  - z časného endozomu do něj vstupují váčky s materiálem absorbovaným při pinocytóze a váčky z Golgiho aparátu s hydrolázami. Manóza-6-fosfátové receptory se vracejí z pozdního endozomu do Golgiho aparátu.
3.  Z pozdního endozomu do něj vstupují lysozomové vezikuly se směsí hydroláz a natráveného materiálu .
4. Fagozom  - do něj vstupují větší částice (bakterie apod.) absorbované fagocytózou. Fagozomy obvykle fúzují s lysozomy.
5. Autofagozom  je část cytoplazmy obklopená dvěma membránami, obvykle obsahujícími některé organely a vytvořená během makroautofagie. Splyne s lysozomem.
6. Multivezikulární tělíska  – obvykle obklopená jednou membránou, obsahují uvnitř menší váčky obklopené jednou membránou. Vzniká procesem podobným mikroautofágii (viz níže), ale obsahuje materiál získaný zvenčí. V malých vezikulách receptory vnější membrány (např. receptory epidermálního růstového faktoru) obvykle zůstávají a poté podléhají degradaci. Podle stadia vzniku odpovídají časnému endozomu. Byl popsán vznik multivezikulárních těles obklopených dvěma membránami pučením z jaderného obalu.
7. Zbytková tělíska (telolisosomy)  - vezikuly obsahující nestrávený materiál (zejména lipofuscin ). V normálních buňkách fúzují s vnější membránou a opouštějí buňku exocytózou . Se stárnutím nebo patologií se hromadí.

Funkce lysozomů

Funkce lysozomů jsou:

• trávení látek nebo částic zachycených buňkou při endocytóze (bakterie, jiné buňky).
• autofagie  je destrukce struktur nepotřebných pro buňku, například při nahrazování starých organel novými nebo při trávení proteinů a dalších látek produkovaných v samotné buňce.
• autolýza  - samonatrávení buňky, vedoucí k její smrti (někdy tento proces není patologický, ale doprovází vývoj organismu nebo diferenciaci některých specializovaných buněk). Příklad: Když se pulec promění v žábu, lysozomy v buňkách ocasu ho stráví: ocas zmizí a látky vzniklé během tohoto procesu jsou absorbovány a využívány jinými buňkami těla.
• rozpouštění vnějších struktur (viz např. osteoklasty )

Intracelulární trávení a účast na metabolismu

U mnoha protistů a u zvířat s intracelulárním trávením se lysozomy podílejí na trávení potravy zachycené endocytózou. V tomto případě se lysozomy spojují s trávicími vakuolami. U protistů jsou nestrávené zbytky potravy obvykle odstraněny z buňky, když se potravní vakuola spojí s vnější membránou.

Mnoho buněk zvířat, ve kterých převažuje kavitární trávení (například strunatci), přijímá živiny z mezibuněčné tekutiny nebo krevní plazmy pomocí pinocytózy. Tyto látky se také podílejí na metabolismu buněk po jejich strávení v lysozomech. Dobře prostudovaným příkladem takové účasti lysozomů v metabolismu je produkce cholesterolu buňkami. Cholesterol, přenášený krví jako LDL , vstupuje do pinocytárních váčků poté, co se LDL naváže na LDL receptory na membráně. Receptory se vracejí do membrány z časného endozomu a LDL vstupuje do lysozomu. Poté je LDL štěpen a uvolněný cholesterol vstupuje do cytoplazmy přes lysozomovou membránu.

Nepřímo se lysozomy podílejí na metabolismu a zajišťují desenzibilizaci buněk vůči účinkům hormonů. Při dlouhodobém působení hormonu na buňku se některé z receptorů, které váží hormon, dostávají do endozomů a poté se uvnitř lysozomů degradují. Snížení počtu receptorů snižuje citlivost buňky na hormon.

Autofagie

Běžně se rozlišují dva typy autofagie: mikroautofagie a makroautofagie. V mikroautofagii, stejně jako při tvorbě multivezikulárních tělísek, vznikají invaginace endozomové nebo lysozomové membrány, které se následně oddělují ve formě vnitřních váčků, dostávají se do nich pouze látky syntetizované v buňce samotné. Buňka tak může trávit bílkoviny při nedostatku energie nebo stavebního materiálu (například při hladovění). Ale procesy mikroautofagie probíhají také za normálních podmínek a jsou obecně nerozlišující. Někdy jsou organely také tráveny během mikroautofagie; U kvasinek byla tedy popsána mikroautofagie peroxisomů a částečná mikroautofagie jader, ve kterých buňka zůstává životaschopná .

V makroautofagii je oblast cytoplazmy (často obsahující některé organely) obklopena membránovým kompartmentem podobným cisterně endoplazmatického retikula. V důsledku toho je tato oblast od zbytku cytoplazmy ohraničena dvěma membránami. Tento autofagozom pak splyne s lysozomem a jeho obsah se tráví. Makroautofagie je zřejmě také neselektivní, i když se často zdůrazňuje, že s její pomocí se buňka může zbavit „vypršelých“ organel (mitochondrie, ribozomy atd.).

Třetí typ autofagie je závislý na chaperonu. Při této metodě dochází k řízenému transportu částečně denaturovaných proteinů z cytoplazmy přes membránu lysozomu do její dutiny.

Autolýza

Lysozomové enzymy se často uvolňují při zničení lysozomové membrány . Obvykle jsou inaktivovány v neutrálním prostředí cytoplazmy. Při současném zničení všech lysozomů buňky však může dojít k její autodestrukci – autolýze. Existuje patologická a normální autolýza. Častou variantou patologické autolýzy je autolýza posmrtné tkáně.

Normálně doprovázejí procesy autolýzy mnoho jevů spojených s vývojem těla a diferenciací buněk. Buněčná autolýza je tedy popsána jako mechanismus destrukce tkáně u larev hmyzu během úplné metamorfózy a také během resorpce ocasu u pulce. Je pravda, že tyto popisy se týkají období, kdy ještě nebyly stanoveny rozdíly mezi apoptózou a nekrózou , a v každém případě je třeba zjistit, zda apoptóza, která není spojena s autolýzou, je skutečně podkladem degradace orgánu nebo tkáně.

U rostlin je autolýza doprovázena diferenciací buněk, které fungují po smrti (například tracheidy nebo cévní segmenty). K částečné autolýze dochází i při zrání floémových buněk – segmentů sítových trubic.

Klinický význam

Někdy se v důsledku nesprávného fungování lysozomů vyvinou střádavé choroby , při kterých enzymy nefungují nebo pracují špatně kvůli mutacím. Příklady lysozomálních střádavých chorob jsou Gaucherova choroba , Pompeho choroba , Tay-Sachsova choroba . Celkem je známo více než 50 dědičných onemocnění spojených s dysfunkcí lysozomu [12] .

Poškození lysozomů nekrotických buněk, včetně granulocytů , vede k zánětlivému procesu [18] .

Viz také

• Vacuole
• Fagocytóza
• pinocytóza
• Endocytóza
• Lysozomální střádavá onemocnění
• Vosková lipofuscinóza neuronů

Poznámky

1. ↑ Alberts et al., 2013 , str. 1196.
2. ↑ 1 2 Settembre C. et al. Signály z lysozomu: řídicí centrum pro buněčnou clearance a energetický metabolismus. (anglicky)  // Nat. Rev. Mol. Buněčný biol. - 2013. - Sv. 14. - S. 283-296. - doi : 10.1038/nrm3565 .
3. ↑ Brighouse A., Dacks JB, Field MC Rab proteinová evoluce a historie eukaryotického endomembránového systému  //  Buněčné a molekulární biologické vědy. - 2010. - Sv. 67, č.p. 20 . - S. 3449-3465. - doi : 10.1007/s00018-010-0436-1 . Archivováno z originálu 6. ledna 2015.
4. ↑ De Duve C. Lysozom má padesátku  //  Přírodní buněčná biologie. - 2005. - Sv. 7, č. 9 . - S. 847-849.
5. ↑ Lüllmann-Rauch R. Historie a morfologie lysozomu // Lysozomy / P. Saftig. - Springer USA, 2005. - S. 1-16. - ISBN 978-0-387-25562-0 .
6. ↑ Platt FM, Boland B., van der Spoel AC Lysozomální střádavé poruchy: buněčný dopad lysozomální dysfunkce  //  The Journal of cell biology. - 2012. - Sv. 199 , č. 5 . — S. 723-734 . - doi : 10.1083/jcb.201208152 .
7. ↑ De Duve C. a kol. studie frakcionace tkání. 6. Vzorce intracelulární distribuce enzymů v tkáni jater potkana  (anglicky)  // Biochemical Journal. - 1955. - Sv. 60, č. 4 . - S. 604-617.
8. ↑ Bainton D.F. Objev  lysozomů . - 1981. - Sv. 91. - S. 66-76.
9. ↑ Essner E., Novikoff AB Lokalizace aktivity kyselé fosfatázy v jaterních lysozomech pomocí elektronové mikroskopie  //  The Journal of biophysical and biochemical cytology. - 1961. - Sv. 9, č. 4 . — S. 773-784 .
10. ↑ Castro-Obregon S. Objev lysozomů a autofagie  //  Výchova k přírodě. - 2010. - Sv. 3, č. 9 . — str. 49.
11. ↑ Deficit Hers HG α-glukosidázy u generalizovaného onemocnění z ukládání glykogenu (Pompeova choroba  )  // Biochemical Journal. - 1963. - Sv. 86 , č. 1 . — S. 11-16 . — PMID 13954110 .
12. ↑ 1 2 la Marca G. Lysosomals // Lékařský průvodce diagnostikou, léčbou a sledováním dědičných metabolických onemocnění / N. Blau, M. Duran, KM Gibson, CD Vici. - Springer Berlin Heidelberg, 2014. - S. 785-793. - ISBN 978-3-642-40336-1 .
13. ↑ Nobelova cena za fyziologii a medicínu  1974 . nobelprize.org. Nobel Media AB 2014. Získáno 3. ledna 2015. Archivováno z originálu 15. října 2012.
14. ↑ 1 2 Appelqvist H. et al. Lysozom: od odpadního vaku k potenciálnímu terapeutickému cíli  (anglicky)  // Journal of molekulární buněčné biologie. - 2013. - Sv. 5, č. 4 . — S. 214-226 . - doi : 10.1093/jmcb/mjt022 .
15. ↑ 1 2 Luzio JP, Pryor PR, Bright NA Lysozomy: fúze a funkce   // Nat . Rev. Mol. Buněčný biol. - 2007. - Sv. 8. - S. 622-632. - doi : 10.1038/nrm2217 .
16. ↑ Chentsov Yu. S. Úvod do buněčné biologie. Učebnice pro vysoké školy / Yu. S. Chentsov. - 4. - M. : ICC "Akademkniga", 2004. - 495 s.
17. ↑ Saftig P., Klumperman J. Biogeneze lysozomů a proteiny lysozomální membrány: obchodování se setkává s funkcí  // Nat. Rev. Mol. Buněčný biol. - 2009. - Sv. 10. - S. 623-635. doi : 10.1038 / nrm2745 . Archivováno z originálu 24. prosince 2012.
18. ↑ Tel L.Z., Lysenkov S.P., Sharipova N.G., Shastun S.A. Patofyziologie a fyziologie v otázkách a odpovědích. — 2 sv. - M . : Lékařská informační agentura, 2007. - S. 67. - 512 s.

Literatura

• Chentsov Yu. S. Cytologie s prvky buněčné patologie: Učebnice pro univerzity a lékařské fakulty. - M. : MIA, 2010. - 361 s. - 4000 výtisků.  - ISBN 978-5-9986-0013-5 .
• Molekulární biologie buňky: ve 3 svazcích / B. Alberts, A. Johnson, D. Lewis aj. - M.-Iževsk: Výzkumné centrum "Regular and Chaotic Dynamics", Institut pro počítačový výzkum, 2013. - T. II . - S. 1196-1208. — 992 s. - ISBN 978-5-4344-0112-8 .
• Buňky / B. Lewin a kol. - M .: BINOM. Vědomostní laboratoř, 2011. - S.  179 -235. — 951 s. — (Nejlepší zahraniční učebnice). — ISBN 978-5-94774-794-2 .

Tematické stránky	FMA
Slovníky a encyklopedie	Velká dánština Velká Katalánština velká čínština Skvělý norský Velký sovět (1 ed.) chorvatský Britannica (online) Brockhaus Treccani Universalis
V bibliografických katalozích	BNF : 12124912 g J9U : 987007541170805171 LCCN : sh85079197 NDL : 00569577