Лизосомы: строение и функции¶

Лизосомы — это одномембранные органеллы эукариотических клеток, содержащие гидролитические ферменты и обеспечивающие внутриклеточное расщепление макромолекул. Открыты в 1955 году бельгийским биохимиком Кристианом де Дювом, который в 1974 году получил за это Нобелевскую премию по физиологии и медицине (совместно с Альбером Клодом и Джорджем Паладе). Лизосомы относят к вакуолярной системе клетки; их диаметр обычно составляет 0,2–0,5 мкм, а внутренняя среда имеет кислый pH (около 4,5–5,0).

¶История открытия

Существование особых «мешочков» с ферментами внутри клетки де Дюв предположил при изучении распределения ферментов в гомогенатах печени крыс. Обнаруженная фракция содержала кислую фосфатазу и другие гидролазы, активность которых проявлялась только после разрушения мембраны. Это означало, что ферменты заключены в изолированный компартмент. Термин «лизосома» (от греч. lysis — разложение и soma — тело) был предложен в 1955 году. Позднее электронная микроскопия подтвердила наличие таких органелл в клетках животных, растений и грибов.

¶Строение

Лизосома окружена одинарной липидной мембраной, устойчивой к действию собственных ферментов. Внутреннее содержимое представлено матриксом, в котором находятся гидролитические ферменты — более 60 видов. Среди них протеазы, нуклеазы, липазы, фосфатазы, гликозидазы. Мембрана содержит белки-насосы, в частности протонный насос V-типа, который закачивает ионы водорода и поддерживает кислую среду. На внутренней стороне мембраны расположены гликопротеины, защищающие её от самопереваривания.

Ферменты синтезируются на шероховатой эндоплазматической сети, затем проходят через аппарат Гольджи, где получают маннозо-6-фосфатную метку — своеобразный «адрес доставки» в лизосому.

¶Классификация

Различают несколько типов лизосом в зависимости от стадии и содержимого:

• Первичные лизосомы — только образовавшиеся от аппарата Гольджи, ещё не вступившие в контакт с материалом.
• Вторичные лизосомы (фаголизосомы) — результат слияния первичной лизосомы с фагосомой или аутофагосомой.
• Остаточные тельца — содержат непереваренные остатки; накапливаются с возрастом клетки.

¶Функции

Основная функция лизосом — внутриклеточное пищеварение. Они участвуют в:

• расщеплении макромолекул, поступивших путём эндоцитоза (гетерофагия);
• переваривании собственных отработанных органелл и белков (аутофагия);
• разрушении чужеродных агентов, поглощённых фагоцитами (например, бактерий);
• обновлении клеточных структур и утилизации повреждённых компонентов;
• процессах секреции и ремоделирования тканей.

У растений и грибов аналогичную роль выполняют крупные вакуоли, а у простейших — пищеварительные вакуоли.

¶Механизм работы

Материал попадает в лизосому двумя путями. При гетерофагии клетка захватывает вещество путём фагоцитоза или пиноцитоза, образуется фагосома, которая сливается с лизосомой. При аутофагии вокруг повреждённой органеллы формируется двойная мембрана — аутофагосома, также сливающаяся с лизосомой. Внутри образовавшегося компартмента ферменты расщепляют субстрат до мономеров — аминокислот, моносахаридов, нуклеотидов, жирных кислот, которые затем поступают в цитоплазму и используются клеткой.

¶Лизосомные болезни

Нарушения работы лизосом лежат в основе группы наследственных заболеваний — лизосомных болезней накопления. Они связаны с дефицитом одного из гидролитических ферментов, из-за чего в клетках накапливаются нерасщеплённые вещества. К наиболее известным относят:

Большинство таких заболеваний наследуется по аутосомно-рецессивному типу. Диагностика основана на определении активности ферментов, лечение включает ферментозаместительную терапию.

¶Значение в биологии и медицине

Изучение лизосом важно для понимания клеточного метаболизма, иммунного ответа и старения. Лизосомы участвуют в программируемой гибели клетки и в презентации антигенов. Нарушения их функций связывают с нейродегенеративными и аутоиммунными процессами. В клеточной биологии лизосомы служат маркером состояния клетки, а методы их выделения применяются в биохимических исследованиях.

¶Интересные факты

• Де Дюв назвал лизосомы «мусорными контейнерами» клетки, но позднее выяснилось, что их роль значительно шире.
• Кислая среда внутри лизосомы создаётся за счёт энергии АТФ.
• Число лизосом в клетке зависит от её типа: особенно много их в фагоцитах и клетках печени.

Источники: учебники по цитологии и общей биологии, материалы Нобелевского комитета, научные обзоры по клеточной биологии.