5. Образование первичных лизосом.

6. Формирование секреторных включений и выделение их из клетки (упаковка и секреция).

7. Образование акросомы - структуры сперматозоида, содержащей ферменты лизиса оболоч­ки яйцеклетки.

2.2.1.3. Лизосомы

Лизосомы были открыты в 1955 году американским ученым К. де Дювом. Это главные пищеварительные органеллы клетки (рис.74), диамет - ром 0,2-0,4мкм. Лизосомы представляют собой мембранные пузырьки с гомогенным содержимым, представленным гидроли­тическими фермен - тами: кислой фосфатазой, липазой, протеазой, нуклеазой и др., всего более 50 фермен­тов. Гидролазы - белки лизосом, расщепляющие химические связи белков, полисахаридов, липидов, нуклеиновых кислот, их комбинаций и производных. Продукты их переваривания: аминокислоты, нуклеотиды, моносахара и пр. поступают через мембраны лизосом в гиалоплазму, где используются по назначению.

Рис.74. Лизосомы (показаны стрелкой). Элект -ронограмма х 45000 (Из: Фаллер,Шилдс, 2004)

В лизосомах происходит:

1 - гетерофагия - переваривание белков, липидов, углеводов и нуклеиновых кислот, по­ступивших извне;

2 - аутофагия - утилизации различных разрушенных или отми- рающих клеточных структур: патологических, стареющих клеток, клеток временных эмбрио­нальных органов и др.;

3 - процесс очищения лизосом.

Мембрана лизосом состоит из одного бислоя и обладает уникальными свойства­ми. Белки и липиды мембраны лизосом не разрушаются гидролазами ее полости. Эта устойчивость к гидролитическому расщеплению в отношении белков мембраны объясняется нали­чием среди них особых белков IgрА и IgрВ. Эти белки являются моно­топными интегральными белками, имеют размеры 100-120 кДа, причем большая часть их молекулы направлена в полость лизосомы и сте­пень их гликозилирования очень высока. Выяснилось, что чем выше степень гликозилирования, тем выше устойчивость белка к разрушению ферментами самой лизосомы. Поэтому все белки мембран лизосом имеют очень высокую степень гликозилирования. В отличие от белков полости лизосом (см. комплекс Гольджи), белки мембран лизосом не имеют М-6-Ф-метки, их сортировка происходит в транс­-полюсе аппарата Гольджи, и транспортируются они отдельно в специфических транспортных пузырь­ках – сортирующих эндосомах.

Для выполнения своих функций, а именно, расщепления органических веществ, ферменты должны находиться в кислой среде (рН=5). Такая среда обеспечивается системой белков мембран, называемой протонным насосом или АТФ-зависимой протонной помпой, которая обменивает Nа⁺ на H ⁺.

Содержимое лизосом поступает в нее разными путями (рис.75):

Рис.75. Общая схема функционирования лизосом (Из: Де Дюв,1987)

1. Поступление гидролаз в лизосому осуществляется посредством биосинтетического механизма, обеспечивающего поступление в лизосому набора гидролитиче­ских ферментов (гидролаз) и специализированных составных мембран лизосомы. Гидролазы синтезируются в полостях гранулярной ЭПС, модифицируются и сортируются в комплексе Гольджи. Фолдинг происходит так же в ГЭПС с образованием сигнального участка, которым является домен белка с определенной нелинейной по­следовательностью аминокислот, возникшей в результате сближения аминокислот в процессе фолдинга. В комплексе Гольджи этот участок узнается ферментом, который модифицирует олигосахаридное ядро на N-конце полипептида, создавая специальный «лизосомный адрес», маннозо-6-фосфат (М-6-Ф) (рис.66) путем фосфорилирования одного из ос­татков маннозы. В мембранах аппарата Гольджи имеются рецепторы для M-6-Ф-метки. Они специфически узнают и связывают лизосомные белки -гидролазы.

Взаимодействие гидролаз с М-6-Ф-рецепторами мембраны комп- лекса Гольджи является стимулом к началу об­разования и отпочко - вывания пузырька - предшественника первичной( ранней) лизосомы. Им является транспортная клатриновая везикула. Клатрин – это белок, который обеспечивает накопление лизосомных аелков, а также вырезание тех усастков мембран, где накапйиваются лизосомнЋе белки. В стенках предшественника первичной88 лизосомы начинают р田ботать протонные насосы, создающие в них, кислую среду. Снижение рН среды приводит к отделению гидролаз от М-6-Ф рецепторов. Рецепторы группи­руются и удаляются из пузырька в составе мелких пузырьков обратно в аппарат Гольджи, а пред­шественники первичных лизосом становятся настоящими первичными лизосомами (рис.76).

Рис.76. Образование первичной лизосомы

(Из: Мушкамбаров, 2003)

2. Вещества, которые перевариваются в лизосомах попадают в нее посредством эндоцитозного механизма. Эндоцитозной механизм обеспечивает поступление веществ из внеклеточного пространства. Эндоцитоз – это механизм захвата клеткам из внеклеточного пространств веществ, растворенных в воде , макромолекул и мелких частиц. В основе эндоцитоза лежит образование на плазмолемме впячивания, куда посту- пают вещества захвата, затем края впячивания смыкаются, образуя пузырек – везикулу, который отпочковывается от плазмолеммы и поступает в клетку (рис.63). Такой пузырек, содержащий поглощенные вещества, называется ранней эндосомой.

Эндосомы могут содержать (рис.77):

1- растворенные в воде вещества; такие эндосомы называются макро- и микропиноцитозные пузырьки, а эндоцитоз такого типа – пиноцитозом;

2 - вещества, для захвата которых плазмолемма должна иметь специа- льные рецепторы. Такие эндосомы имеют клатриновую оболочку и является окаймленными пузырьками или окаймленными везикулами;

3 - крупные частицы, такие как бактерии или осколки других клеток. Процесс поглощения крупных частиц называется фагоцитозом, а эндосомы такого типа – фагосомами. Эндоцитозные пузырьки - эндосомы поступают в клетку и сливаются там с первичными лизосомами, образуя вторичные лизосомы или поздние эндосомы (рис.77), в которых начинаются процессы переваривания содержимого эндосом.

Процесс захвата и переработки веществ, поступивших извне клетки называется гетерофагия (рис.65), а вторичные лизосомы, обеспечивающие этот процесс – гетеролизосомами (рис.78).

Рис.77. Механизмы эндоцитоза (Из: Фаллер, Шилдс, 2004)

Процессы гетерофагии включают (рис.79):

1 - переваривание питательных веществ, поступающих извне клетки - (внутриклеточное пищеварение) и участие в обмене веществ.

У животных, имеющих внутриклеточное пищеварение, лизосомы участвуют в переваривании пищи, захваченной путем эндоцитоза. У позвоночных, имеющих полостное пищеварение, клетки получают питательные вещества из межклеточной жидкости или плазмы крови путем пиноцитоза. Эти вещества вовлекаются в обмен веществ клетки после их переваривания в лизосомах. Так, например, холестерин, приносимый кровью в виде ЛНП (см.комплекс Гольджи), поступает внутрь лизосомы. После этого ЛНП перевариваются, а высвободившийся холестерин через мембрану лизосом поступает в цитоплазму.

2 - этап обеспечения иммунитета, в процессе которого чужеродные вещества разрушаются лизосомами лейкоцитов и макрофагов;

3 – разрушение гормонов и др. специфических молекул, выполнивших свою функцию или существующих в высоких концентрациях;

4 - обновление и перестройка нерастворимых клеточных структур: лизосомы костных клеток – остеокластов способны использовать лизосомальные ферменты для растворения минералов кости и внутриклеточного переваривания костных обломков.

Рис.78. Вторичные лизосомы. Электронограмма х 90750

Р ис.79. Примеры гетерофагии:

А-лейкоцит(1) захватывает и уничтожает бактерию;

Б-макрофаг(2) в легочной ар -терии поглощает микробы, пыль, вирусы и др.;

В-реконструкция кости: ос- теокласт(3) (клетка костной тка- ни) разрушает костный матрикс гидролазами, обеспечивая обнов ление и перестройку нераство - римых внеклеточных структур;

Г – белок тироглобулин, по -ступает в просвет фолликуля -рных клеток (1), путем эндоци -тоза попадает в них (2) и разру- шается при участии лизосома -льных гидролаз. Одним из про -дуктов переработки является гормон тироксин(3), поступаю- щий в кровь и лимфу (Из: Де Дюв, 1987)

В процессе функционирования клетки происходит износ, повреждение и старение органелл и биомолекул. Процессы переваривания таких структур называется аутофагия (от греч. аutos - сам). Аутофагия – это процесс уничтожения клеткой ненужных структур. Например, замена старых органоидов новыми, или переваривание белков и других веществ, произведенных внутри самой клетки

Аутофагия включает 4 стадии (рис.80):

1 – захват лизосомой структур, подвергающихся перевариванию;

2 – слияние содержимого лизосомы и захваченной структуры;

3 – переваривание;

4 – очищение лизосомы.

В зависимости от размеров перевариваемых структур различают макро- и микроаутофагию.

Рис.80. Схема процесса аутофагии у макро- и микрофагов

(Из: Де Дюв, 1987)

При макроаутофагии участок цитоплазмы (часто содержащий какие-либо органоиды) окружается мембранным компартментом, похожим на цистерну эндоплазматической сети. Таким образом, этот участок отгоражи- вается от остальной цитоплазмы двумя мембранами. Затем этот участок сливается с лизосомой, и ее содержимое переваривается (рис.80,А). Макроаутофагия избавляет клетку от старых, отслуживших свой срок, или разрушенных органоидов (митохондрий, рибосом и др.).

При микроаутофагии образуются впячивания мембраны или лизосомы, которые затем отделяются в виде внутренних пузырьков, в которые попадают вещества, синтезированные в самой клетке (рис.80,Б). Таким путем клетка переваривает белки при нехватке энергии или строительного материала (например, при голодании). Процессы микроаутофагии происходят и при нормальных условиях. Иногда в ходе микроаутофагии перевариваются и органоиды; известна микроаутофагия пероксисом и частичная микроаутофагия ядер, при которой клетка сохраняет жизнеспособность.

В последнее время выделяют еще один вид аутофагии - шаперон-зависимую аутофагию. При этом способе происходит направленный транспорт частично денатурировавших белков из цитоплазмы сквозь мембрану лизосомы в ее полость.

Биологическое значение аутофагии заключается в:

1 - обновлении структур клетки, достигших своего возраста (старею- щие органеллы и молекулы клетки);

2 - утилизация поврежденных структур;

3 - утилизация клеток, выполнивших свою функцию (клетки времен- ных эмбриональных органов);

4 - обеспечивание клетки пищей при ее недостатке путем перевари- вания определенных структур самой клетки.

Таким образом, клетка самообновляется и может функционировать достаточно долго, например, клетки мозга функционирующие на про- тяжении десятков лет. Но, по мере старения клетки в лизосомах происходит накопление бурых непереваренных остатков, в частности, пигмента старения липофусцина, количество которого указывает на возраст клетки.

Аутофагия обеспечивается лизосомами, образованными путем слияния первичных лизосом с аутофагосомами, вторичными лизосомами, содержащими старые органеллы, молекулы и пр. Такие лизосомы назы- вается аутолизосомы (рис.81).

Рис.81. Аутолизосомы: расщепляют старые органеллы пу -

тем аутофагии: две аутофагические вакуоли в клетках печени

крысы: А - содержит две митохондрии (М) и эндоплазматичес -

кую сеть (ЭПС); Б – митохондрию и лизосому (Л) (Из: Де Дюв, 1987)

Следовательно, в клетке различают несколько видов лизосом (рис.82):

1. Первичные лизосомы – это везикулы (100 нм), только что отделившиеся от транс-поверхности комплекса Гольджи и содержащие кислые гидролазы;

2. Вторичные лизосомы – образуется путем слияния первичных лизосом с ранними эндосомами (фагосомами). Различают гетеролизосомы (фаголизосомы) и аутофагосомы. Гетеролизосомы переваривают материал, поступивщий из внеклеточного пространства. Аутофагосомы переваривают собственные структуры клетки, устаревшие, поврежденные или выполнившие свою функцию.

3. Остаточные тельца или телолизосомы – это вторичные лизосо- мы, в которых процесс переваривания завершен. В них отсутствуют гидролазы и содержатся непереваренные остатки. К остаточным тельцам относятся также вторичные лизосомы, в которых накопление непереваренных веществ происходит вследствие их старения. Функции лизосом

Рис.82. Образование и виды лизосом клетки: 1 –гетерофагосома; 2 - первичная лизосома; 3 – вторичная лизосома (гетеролизосома); 4,5 – аутофагосома (Из: Де Дюв, 1987)

С функционированием лизосом у человека связано возникновение множества болезней:

1 - болезни накопления мукополисахаридов или генетические болезни накопления (табл.14), обусловленные мутациями некоторых генов. Эти болезни связаны с дефицитом определенных лизосомных ферментов, связанным с мутацией их генов и наследуются как аутосомно-рецессивные признаки. В результате вещества, которые должны перевариваются этими ферментами не расщепляются и накапливаются в лизосоме (рис.83,Б); она постепенно набухает, достигает огромных размеров, что и приводит к гибели клетки.

Мукополисахариды (глюкозамингликаны) относятся к мембран- ным липидам, которые постоянно обновляются, заменяясь на новые. Старые молекулы должны быть расщеплены в лизосомах. Но, вследствие дефицита соответствующих лизосомных ферментов, их расщепление не происходит и они накапливаются в клетке (рис.84) и межклеточных пространствах, что приводит к гибели клетки, деградации тканей и гибели организма до десятилетнего возраста. Известно более 10 лизосомных ферментов, дефицит которых способен вызвать мукополисахаридоз.

Таблица 14

Лизосомные болезни накопления (Из: Фаллер, Шилдс,2004)

2 - болезни, связанные с нарушениям сортировки и транспорта лизосомных ферментов - гидролаз. Эти болезни наследуются также как аутосомно-рецессивные признаки. В процессе сортировки в аппарате Гольджи у некоторых лизосомных гидролаз не формируется адресная метка – М-6-Ф (маннозо-6-фосфат); М-6-Ф-рецепторы мембран аппарата Гольджи не могут с ними связаться и ферменты не поступают в лизосому, а в составе секреторных пузырьков удаляются из клетки. Так развивается болезнь I-клеток (ot inclusion - включения). Ее развитие связано с отсутствием в лизосомах не менее 8 ферментов, которые обнаруживаются в неправильном месте: в крови и моче больных. Нарушение транспорта этих ферментов обусловлено недостаточным уровнем у больных фосфотрансферазы – фермента, который обеспечивает образование адресной метки – М-6-Ф у соответствующих гидролаз клеток соединительной ткани. Без нее эти гидролазы не поступают в лизосомы и процесс переваривания глюкозамингликанов (мукополисахаридов) не происходит; лизосомы оказываются переполненными этими веществами, а их обмен в клетках нарушается. У больного наблюдается задержка развития и деформация скелета. Различают 2 типа болезни I-клеток; муколипидоз II и муколипидоз III. Кроме болезни I-клеток, нарушения транспортировки гидролаз приводит к развитию атеросклероза и ожирения.

Рис.83. Три основных лизосомных синдрома, приводящих