Lysosomes Funktionen, Arten und Krankheiten

Die Lysosomen Sie sind membranartige Partikel zwischen den Mitochondrien und den Mikrosomen, die eine breite Palette von Verdauungsenzymen (etwa 50) enthalten, die hauptsächlich für die Verdauung und Eliminierung von übermäßigen oder abgenutzten Organellen, Nahrungspartikeln und Viren oder Bakterien verwendet werden.

Mit einem umgangssprachlichen Begriff könnte man sagen, dass Lysosomen wie der Magen der Zelle sind.

Die Lysosomen sind von einer Membran umgeben, die aus Phospholipiden besteht, die das Innere der Lysosomen von der äußeren Umgebung der Membran trennen. Phospholipide sind die gleichen Zellmoleküle, die die Zellmembran bilden, die die gesamte Zelle umgibt. Die Lysosomen variieren in der Größe von 0,1 bis 1,2 Mikron.

Seine spezifischen Funktionen umfassen:

• die Verdauung von Makromolekülen aus Phagozytose, Endozytose und Autophagie.
• die Verdauung von Bakterien und anderen Abfallstoffen.
• die Reparatur der Schädigung der Plasmamembran als Membranpflaster.
• und Apoptose.

Sie werden oft wegen ihrer Rolle bei der Autolyse als "suizidale Beutel" bezeichnet.

Entdeckung von Lysosomen

Die Lysosomen wurden in den 1950er Jahren vom belgischen Zytologen und Biochemiker Christian René de Duve entdeckt. De Duve erhielt 1974 einen Teil des Nobelpreises für Medizin für seine Entdeckung von Lysosomen und anderen Organellen, die als Peroxisomen bekannt sind.

De Duve entdeckte Lysosomen durch biochemische Methoden und Elektronenmikroskopie. Diese grundlegende Entdeckung hat zu dem aktuellen Verständnis mehrerer vererbter Erkrankungen geführt, die durch defekte lysosomale Proteine, einschließlich der Tay-Sachs-Krankheit und der Gaucher-Krankheit, verursacht werden.

Typen

Neuere Forschungsergebnisse legen nahe, dass es zwei Arten von Lysosomen gibt: sekretorische und konventionelle Lysosomen.

Lysosomen-Sekretoren

Sekretorische Lysosomen finden sich, wenn auch nicht ausschließlich, in verschiedenen Zellen des Immunsystems, wie T-Lymphozyten, die von der hämatopoetischen Zelllinie stammen.

Sekretorische Lysosomen sind eine Kombination aus herkömmlichen Lysosomen und sekretorischen Granula. Sie unterscheiden sich von herkömmlichen Lysosomen dadurch, dass sie das jeweilige sekretorische Produkt der Zelle enthalten, in der sie sich befinden.

T-Lymphozyten enthalten beispielsweise sekretorische Produkte (Perforin und Granzyme), die sowohl infizierte als auch Tumorzellen angreifen können.

Die "Kombizellen" des sekretorischen Lysosoms enthalten auch die Hydrolasen, Membranproteine ​​und haben eine regulierende Leichtigkeit des pH-Werts herkömmlicher Lysosomen. Diese regulatorische Funktion hält eine saure Umgebung aufrecht, in der die sekretorischen Produkte in einer inaktiven Form gehalten werden.

Die reifen sekretorischen Lysosomen bewegen sich im Zytoplasma zur Plasmamembran. Hier werden sie im Standby-Modus mit leistungsfähigen Sekreten von "Sprengköpfen" inaktiv, aber bereit gehalten.

Wenn die T-Lymphozyten-Zelle perfekt auf die Zielzelle fokussiert ist, wird die Sekretion "ausgelöst" und die Umwelt und chemische Veränderungen, einschließlich pH, ​​aktivieren die Sekrete, bevor sie das Ziel blockieren.

All dies geschieht durch präzise Kontrolle von Ort und Zeit, um nicht nur den Effekt auf das Ziel zu maximieren, sondern auch den Kollateralschaden benachbarter freundlicher Zellen zu minimieren.

Genetisch kontrollierte Störungen von sekretorischen Lysosomen können zu einer gestörten Thrombozyten-Synthese, einer Art von Immunschwäche und Hypopigmentierung führen.

Herkömmliche Lysosomen

Die Lysosomen befinden sich in der Zelle als wiederverwendbare Organellen, und wenn die Zellteilung stattfindet, empfängt jede Tochterzelle eine Reihe von Lysosomen. Es wird vermutet, dass die Ablagerung von Chemikalien im Lysosom durch den Golgi-Apparat wieder "aufgefüllt" werden kann.

Die Chemikalien werden im endoplasmatischen Retikulum hergestellt, im Golgi-Apparat modifiziert und zu den Lysosomen in den Vesikeln transportiert. Die Modifikation im Golgi-Apparat schließt eine "Zielmarkierung" auf molekularer Ebene ein, die sicherstellt, dass das Vesikel an ein Lysosom und nicht an die Plasmamembran oder anderswo abgegeben wird.

Das "Etikett" wird zur Wiederverwendung an den Golgi-Apparat zurückgegeben. Material aus 3 verschiedenen Quellen muss demontiert und recycelt werden. Die Substrate von zwei dieser Quellen treten von außen in die Zelle ein und die dritte stammt von innen.

Von außerhalb der Zelle durchdringt der Prozess der Endozytose, einschließlich Pinocytose, Flüssigkeiten und kleine Partikel durch die Bildung von kleinen Hohlräumen, die mit Proteinen beschichtet sind, in der Plasmamembran. Diese dichten zu Vesikeln aus, die mit Proteinen beschichtet sind.

Jedes Vesikel wird zu einem "frühen Endosom" und dann zu einem "späten Endosom". Auch von außerhalb der Zelle bringt die Phagozytose (Zellfütterung) relativ große Partikel (üblicherweise 250 nm groß), einschließlich Bakterien und Zelltrümmer.

Die Phagozytose kann mit "gewöhnlichen Zellen" durchgeführt werden, wird jedoch hauptsächlich von Makrophagen durchgeführt, die bis zu 1000 Lysosomen pro Zelle enthalten können. Die resultierende Struktur der Phagozytose wird als Phagosom bezeichnet.Autophagosomen sind innerhalb der Zelle für die Entfernung von Organellen wie Mitochondrien und Ribosomen verantwortlich.

Funktionen von Lysosomen

Die Hauptfunktionen von Lysosomen sind:

Intrazelluläre Verdauung

Das Wort Lysosom kommt von "glatt" (lytisch oder verdauungsfördernd) und "soma" (Körper). Die pinocytischen Vakuolen, die als Folge der Absorption der flüssigen Substanz in zellulären Vakuolen oder Phagozyten (gebildet durch die Absorption von festen Partikeln in der Zelle) gebildet werden, transportieren das Proteinmaterial in die lysosomale Region.

Diese Proteine ​​könnten als Ergebnis der Endozytose eine Verdauung in der Zelle erfahren. Die Endozytose umfasst die Prozesse der Phagozytose, Pinozytose und Mikropinozytose.

Phagozytose und Pinozytose sind aktive Mechanismen, bei denen die Zelle Energie benötigt, um zu funktionieren. Während der Phagozytose durch Leukozyten nehmen Sauerstoffaufnahme, Glukoseaufnahme und Glykogenabbau signifikant zu.

Bei der Endozytose tritt die Kontraktion von im peripheren Zytoplasma vorhandenen Aktin- und Myosin-Mikrofilamenten auf. Dies bewirkt, dass die Plasmamembran invaginiert und die endozytische Vakuole bildet. Aufgenommene Partikel, die in Membranen eingeschlossen sind, die von der Plasmamembran stammen und Vakuolen bilden, sind manchmal zelluläre Phagosomen.

Nach dem Eintritt eines großen Teilchens oder Körpers in die Zelle durch Endozytose und die Bildung eines Phagosoms können die Membranen des Phagosoms und eines Lysosoms zu einer einzelnen großen Vakuole verschmelzen.

Innerhalb dieser Vakuole beginnen die lysosomalen Enzyme den Verdauungsprozess des Fremdmaterials. Anfänglich enthält das Lysosom, das als primäres Lysosom bekannt ist, den Enzymkomplex in einem inaktiven Zustand, aber nach der Fusion mit dem Phagosom erzeugt es ein sekundäres Lysosom mit einer anderen Morphologie und aktiven Enzymen.

Nach der enzymatischen Verdauung diffundiert das aufgeschlossene Material in das Zellhomoplasma. Einige Materialien können in der Vakuole des vergrößerten Lysosoms verbleiben. Diese Restvakuole ist der Restkörper, da er die Reste des Verdauungsprozesses enthält.

Auch während des Hungerns verdauen Lysosomen gelagerte Nahrungsmaterialien, dh Proteine, Lipide und Glykogen, aus dem Cytoplasma und liefern die von der Zelle benötigte Energie. Die Verdauung von Proteinen endet normalerweise auf der Ebene des Dipeptids, das durch die Membran passieren und dann in die Aminosäuren verdaut werden kann.

Verdauung von intrazellulären Substanzen oder Autophagie

Viele zelluläre Komponenten, wie Mitochondrien, werden durch das lysosomale System ständig aus der Zelle entfernt. Die zytoplasmatischen Organellen sind von Membranen aus glattem endoplasmatischem Retikulum umgeben, die Vakuolen bilden, dann werden die lysosomalen Enzyme in autophagische Vakuolen entladen und die Organellen werden verdaut.

Autophagie ist eine allgemeine Eigenschaft von eukaryotischen Zellen. Diese beziehen sich auf die Erneuerung von Zellkomponenten.

Die Verdauung von Mitochondrien oder anderen zellulären Strukturen liefert eine Energiequelle für diese Zellen. Nach Verdauung der Zellstruktur können die autophagischen Vakuolen zu Restkörpern werden.

Sie haben eine Rolle in der Metamorphose

Vor kurzem wurde die Rolle des Lysosoms in der Metamorphose des Frosches entdeckt. Das Verschwinden des Schwanzes der Larve der Froschkaulquappe ist auf die lysosomale Aktivität (Wirkung der in den Lysosomen vorhandenen Cathepsine) zurückzuführen.

Sie helfen bei der Synthese von Proteinen

Die Wissenschaftler Novikoff und Essner (1960) haben die mögliche Rolle von Lysosomen in der Proteinsynthese vorgeschlagen. In der Leber und in der Bauchspeicheldrüse einiger Vögel scheinen Lysosomen aktiver und entwickelter zu sein, was eine mögliche Beziehung zum Zellmetabolismus zeigt.

Sie helfen bei der Befruchtung

Während der Befruchtung sezerniert der Kopf des Samens einige lysosomale Enzyme, die beim Eindringen der Spermatozoen in die Vitellinschicht des Ovulums helfen.

Das Akrosom enthält Protease und Hyaluronidase und reichlich saure Phosphatase. Die Hyaluronidase, die in den Zellen um die Oocyte und die Protease herum dispergiert ist, verdaut die Zona pellucida und bildet einen Kanal, durch den der Spermienkern eindringt.

Es spielt eine Rolle in der Osteogenese

Es wurde argumentiert, dass die Bildung von Knochenzellen und auch deren Zerstörung von der lysosomalen Aktivität abhängt. In ähnlicher Weise sind Zellalterung und parthenogenetische Entwicklung mit der Aktivität von Lysosomen verbunden.

Osteoklasten (mehrkernige Zellen), die Knochen entfernen, tun dies durch Freisetzung von lysosomalen Enzymen, die die organische Matrix abbauen. Dieser Prozess wird durch Parathormon aktiviert.

Fehlbildung der Lysosomen

Eine Fehlfunktion von Lysosomen kann zu Krankheiten führen. Wenn zum Beispiel Glykogen, das von Lysosomen absorbiert wird, nicht verdaut wird, tritt die Pompe-Krankheit auf.

Risse von Lysosomen in Hautzellen, die direktem Sonnenlicht ausgesetzt sind, führen zu pathologischen Veränderungen nach Sonnenbrand.Die von diesen Lysosomen freigesetzten Enzyme zerstören die Zellen der Epidermis, wodurch Blasen entstehen und dann eine Ablösung einer Epidermisschicht auftritt.

Autolyse von Knorpel- und Knochengewebe

Überschüssiges Vitamin A verursacht Zellvergiftung. Es unterbricht die lysosomale Membran, verursacht die Freisetzung von Enzymen in der Zelle und verursacht Autolyse im Knorpel- und Knochengewebe.

Lysosomale Erkrankungen

Erkrankungen der Gaucher-Typen I, II und III

Gaucher-Krankheit ist die häufigste Art der lysosomalen Speicherkrankheit. Forscher haben drei verschiedene Arten von Gaucher-Krankheit basierend auf der Abwesenheit (Typ I) oder dem Vorhandensein und Ausmaß von (Typ II und III) neurologischen Komplikationen identifiziert.

Die meisten Betroffenen haben Typ I, können Blutergüsse, chronische Müdigkeit und eine abnormal vergrößerte Leber und / oder Milz (Hepatosplenomegalie) aufweisen.

Typ-II-Gaucher-Krankheit tritt bei Neugeborenen und Säuglingen auf und zeichnet sich durch neurologische Komplikationen aus, die unwillkürliche Muskelkrämpfe, Schluckbeschwerden und den Verlust früher erworbener motorischer Fähigkeiten umfassen können.

Typ-III-Gaucher-Krankheit tritt während des ersten Lebensjahrzehnts auf. Neurologische Komplikationen können mentale Verschlechterung, Unfähigkeit zur Koordination willkürlicher Bewegungen und Muskelkrämpfe der Arme, Beine oder des ganzen Körpers umfassen.

Arten von Niemann-Pick-Krankheit A / B, C1 und C2

Niemann-Pick-Krankheit besteht aus einer Gruppe von Erbkrankheiten im Zusammenhang mit dem Fettstoffwechsel. Einige Eigenschaften, die allen Arten gemein sind, schließen Vergrößerung der Leber und der Milz ein. Kinder mit Niemann-Pick-Krankheit, Typ A oder C, erfahren ebenfalls einen fortschreitenden Verlust von motorischen Fähigkeiten, Fütterungsschwierigkeiten, fortschreitenden Lernschwierigkeiten und Anfällen.

Fabry-Krankheit

Die Symptome der Morbus Fabry beginnen in der Regel in der frühen Kindheit oder Jugend, können aber erst im zweiten oder dritten Lebensjahrzehnt auftreten.

Die ersten Symptome sind Episoden von starken brennenden Schmerzen in den Händen und Füßen. Andere frühe Anzeichen können eine Abnahme der Schweißproduktion, Beschwerden bei warmen Temperaturen und das Auftreten eines rötlichen bis dunkelblauen Hautausschlags, insbesondere im Bereich zwischen Hüfte und Knie, einschließen.

Glykogenspeicherkrankheit II (Morbus Pompe)

Pompe-Krankheit hat eine spät einsetzende Form. Patienten mit der Säuglingsform sind am stärksten betroffen. Obwohl diese Babys bei der Geburt normalerweise normal erscheinen, tritt die Krankheit innerhalb der ersten zwei bis drei Monate mit einer schnell fortschreitenden Muskelschwäche, einem verringerten Muskeltonus (Hypotonie) und einer Art von Herzerkrankung auf, die als hypertrophe Kardiomyopathie bekannt ist.

Fütterungsprobleme und Atembeschwerden sind häufig. Die juvenile / adulte Form tritt zwischen dem ersten und siebten Lebensjahrzehnt als eine progressiv langsame Muskelschwäche oder mit Symptomen von respiratorischem Versagen auf.

Typ I Gangliosidose (Tay-Sachs-Krankheit)

Es gibt zwei Hauptformen der Tay-Sachs-Krankheit: die klassische Form oder die Säuglingsform und die Spätform.

Bei Personen mit einer Kinderkrankheit von Tay Sachs treten die Symptome zum ersten Mal zwischen drei und fünf Monaten auf. Diese können Fütterprobleme, allgemeine Schwäche (Lethargie) und einen übertriebenen Schreckreflex als Reaktion auf laute und plötzliche Geräusche umfassen. Bewegungsverzögerungen und geistiger Verfall sind progressiv.

Bei Personen mit der spät auftretenden Form können Symptome von der Adoleszenz bis zu 30 Jahren auftreten. Die infantile Form schreitet oft schnell fort, was zu einer erheblichen geistigen und körperlichen Verschlechterung führt.

Ein charakteristisches Symptom der Tay-Sachs-Krankheit, das in 90 Prozent der Fälle auftritt, ist die Entwicklung von roten Flecken auf dem Augenhintergrund. Die Symptome der spät einsetzenden Tay-Sachs-Krankheit sind von Fall zu Fall sehr unterschiedlich. Diese Störung verläuft viel langsamer als die infantile Form.

Gangliosidose Typ II (Sandhoff-Krankheit)

Die ersten Symptome der Sandhoff-Krankheit beginnen gewöhnlich zwischen drei und sechs Monaten. Die Erkrankung ist klinisch nicht von Typ-I-Gangliosidose zu unterscheiden.

Metachromatische Leukodystrophie

Die ersten Anzeichen und Symptome können vage und graduell sein, so dass diese Störung schwer zu diagnostizieren ist. Instabilität beim Gehen ist oft das erste beobachtete Symptom.

Gelegentlich ist das früheste Symptom die Verzögerung der Entwicklung oder Verschlechterung der Schulleistung. Im Laufe der Zeit können die Symptome ausgeprägte Spastizität, Krampfanfälle und tiefe mentale Retardierung umfassen.

Speicherkrankheiten von Mucopolysacchariden (Morbus Hurler und Varianten, Typ A, B, C, D, Morquio Typ A und B, Maroteaux-Lamy und Sly-Erkrankungen)

Diese Krankheiten werden durch Veränderungen im normalen Abbau von komplexen Kohlenhydraten verursacht, die als Mucopolysaccharide bekannt sind.Diese Krankheiten haben bestimmte gemeinsame Merkmale, zu denen Deformitäten der Knochen und Gelenke gehören, die die Beweglichkeit beeinträchtigen und häufig Osteoarthritis verursachen, insbesondere bei großen Gelenken, die das Gewicht unterstützen.

Alle diese Krankheiten, mit Ausnahme der Sanfilippo-Krankheit, stören das Wachstum und verursachen Kleinwuchs.

Schindler-Krankheit Typ I und II

Schindler-Krankheit Typ I ist die klassische Form, die zum ersten Mal in der Kindheit auftritt. Betroffene Menschen entwickeln sich normal, bis sie ein Jahr alt sind, wenn sie beginnen, zuvor erworbene Fähigkeiten zu verlieren, die die Koordination von körperlichen und geistigen Aktivitäten erfordern.

Der Typ II Schindler ist die Erscheinungsform bei Erwachsenen. Zu den Symptomen können die Entstehung von Verfärbungen ähnlich wie bei Warzen auf der Haut, die permanente Erweiterung von Blutgefässgruppen, die eine Rötung der Haut in den betroffenen Bereichen verursachen, eine relative Verdickung der Gesichtszüge und leichte intellektuelle Verschlechterung gehören.

Batten-Krankheit

Die Batten-Krankheit ist die juvenile Form einer Gruppe von progressiven neurologischen Störungen, die als neuronale Ceroid-Lipofuszinose bekannt ist. Es ist durch die Anhäufung einer fettigen Substanz im Gehirn gekennzeichnet, sowie in Gewebe, das keine Nervenzellen enthält.

Die Batten-Krankheit ist gekennzeichnet durch rasch fortschreitendes Sehversagen (Optikusatrophie) und neurologische Störungen, die bereits vor dem achten Lebensjahr beginnen können. Es kommt hauptsächlich in Familien skandinavischer Herkunft aus Nordeuropa vor und die Störung betrifft das Gehirn und kann zur Verschlechterung des Intellekts und der neurologischen Funktionen führen.

Betroffene Bevölkerung

Als Gruppe wird angenommen, dass lysosomale Speicherkrankheiten eine geschätzte Häufigkeit von etwa einer von 5.000 Lebendgeburten haben. Obwohl einzelne Krankheiten selten sind, betrifft die Gruppe als Ganzes viele Menschen auf der ganzen Welt.

Einige der Krankheiten haben in bestimmten Populationen eine höhere Inzidenz. Zum Beispiel sind die Krankheiten von Gaucher und Tay-Sachs häufiger bei der aschkenasischen jüdischen Bevölkerung. Es ist bekannt, dass eine Mutation, die mit dem Hurler-Syndrom assoziiert ist, häufiger zwischen den skandinavischen und russischen Völkern auftritt.

Diagnose

Eine pränatale Diagnose ist für alle lysosomalen Speicherkrankheiten möglich. Früherkennung von lysosomalen Speicherkrankheiten, entweder vor der Geburt oder so schnell wie möglich, ist wichtig, denn wenn Therapien verfügbar sind, entweder für die Krankheit selbst oder für die damit verbundenen Symptome, können sie den Langzeitverlauf signifikant einschränken und die Auswirkungen der Krankheit.

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