Lysosomen: Funktionen, Pathologien und zelluläre Prozesse

Lysosomen: Funktionen und zelluläre Prozesse

Die Lysosomen sind essentielle Zellorganellen, die für den Abbau und das Recycling zellulärer Materialien verantwortlich sind. Ihre Hauptfunktionen umfassen:

Verdauungsprodukte und Wiederverwendung

Die Mehrzahl der Stoffe, die von Lysosomen verdaut werden (sowohl in Heterolysosomen als auch in Autolysosomen oder Sekundärlysosomen), werden genutzt und gelangen durch Membranporen ins Hyaloplasma, wo sie wiederverwendet werden.

Ausscheidung

Unverdautes Material, das in den Lysosomen verbleibt, kann außerhalb der Zelle durch einen Mechanismus der Exozytose eliminiert werden (zelluläre Mikrodefäkation). Manchmal ist die Zelle jedoch nicht in der Lage, diese Rückstände auszuscheiden und behält sie bis zu ihrem Tod.

Restkörper

Ein Restkörper ist eine Vakuole, die aus einem Heterolysosom oder Autolysosom entsteht und in der unverdaute Rückstände für die lysosomalen Enzyme verbleiben. Je nach Art des Rückstands beobachten wir verschiedene Formen:

Myelinfiguren

Myelinfiguren bilden sich aufgrund von Veränderungen im Abbau von Phospholipoproteinen. Der Proteinanteil der Phospholipoproteine wird vollständig verdaut, während die Lipidfraktion nur teilweise verdaut wird. Myelin-ähnliche Figuren werden aus Monoschichten gebildet, die parallel zueinander, oft spiralförmig oder in konzentrischen Lamellen angeordnet sind.

Lipofuszin

Lipofuszin ist ein braunes Pigment. Es entsteht durch die enzymatische Oxidation von Lipiden.

Lysosomale Pathobiologie

Lysosomale Pathologien können angeboren sein (wenn die Membran, der Inhalt oder die Funktion beeinträchtigt ist) oder erworben (wenn sich die Membran, der Inhalt oder die Funktion ändert).

Angeborene Erkrankungen

Chédiak-Steinbrinck-Higashi-Syndrom

Bestimmte Gene sind für die Synthese der Lysosomenmembran verantwortlich. Bei Personen mit dieser Krankheit ist der Enzymgehalt der Lysosomen abnorm, und ihre Membranen neigen dazu, mit denen anderer zu verschmelzen, was zur Bildung riesiger Lysosomen mit unregelmäßigen Konturen führt. Bei der Typ-I-Erkrankung fehlen dem Lysosom Proteine oder diese sind verändert, die für die Erkennung von Organellen zuständig sind, und die Membran wird fehlgeleitet, anstatt zu den Endosomen zu gelangen.

Thesaurismosen (Speicherkrankheiten)

Das Fehlen eines oder mehrerer Enzyme verursacht die Akkumulation des Produkts in Lysosomen. Manchmal nimmt dieses Produkt einen anderen Stoffwechselweg, um ein Produkt zu akkumulieren, das normalerweise nicht in der Zelle produziert wird, z.B. Morbus Pompe. Von Geburt an bestehen klinische Manifestationen einer systemischen Erkrankung. Der Tod tritt oft spät im ersten Lebensjahr ein. Aus anatomischer Sicht sind Kardiomegalie, Muskelhypotonie, Muskelhypertrophie und Makroglossie festzustellen.

Beispiele für Speicherkrankheiten

• Niemann-Pick-Krankheit
• Gaucher-Krankheit
• Tay-Sachs-Krankheit
• Fabry-Krankheit
• Hurler-Syndrom

Erworbene Erkrankungen

Pneumokoniose

Die Pneumokoniose ist eine Lungenerkrankung, die durch das Einatmen von Kohlenstaub, Silizium, Beryllium, Zinn oder Zink verursacht wird. Sie ist durch das Auftreten von Lungenläsionen gekennzeichnet, die zu Atemnot führen. Entzündliche Gewebereaktionen sind sehr wichtig und führen zu Schäden in den Bronchien und einer sklerosierenden Reaktion des Lungenparenchyms. Die wichtigste Form ist die Silikose. Der zelluläre Mechanismus ist wie folgt: Kristalline Siliziumdioxidstrukturen werden von Alveolarmakrophagen phagozytiert. Da keine Enzyme vorhanden sind, die sie zerstören könnten, reichert sich das Siliziumdioxid an. Zelltrümmer werden von neuen Makrophagen phagozytiert, was letztendlich bei den Patienten zu Fibrose und Lungenversagen führt.

Gicht

Die Gicht ist ähnlich wie der vorherige Fall, aber hier akkumulieren sich Harnsäurekristalle in den Gelenken.

Veränderte Funktion

Eine Gruppe von Mikroorganismen, die in die Zelle gelangen, kann die normale Funktion des lysosomalen Komplexes verändern. Zum Beispiel können einige die Wände der endozytischen Vakuole lysieren (z.B. bei Trypanosomiasis), andere hemmen die Fusion von Lysosomen (z.B. bei Tuberkulose), während wieder andere die Kapsel zerstören, die sie umgibt, und so ihre pathogene Kapazität entfalten (einige Viren), oder die Membran der Lysosomen lysieren (z.B. Streptokokken).

Synthese lysosomaler Enzyme

Lysosomale Enzyme werden im Endoplasmatischen Retikulum (ER) mit einem Signalpeptid synthetisiert. Nach der Entfernung des Signalpeptids unterliegen diese Enzyme der N-Glykosylierung. In den Zisternen des Cis-Golgi-Apparats wird die Oligosaccharidkette der Wirkung von zwei Enzymen unterzogen (N-Acetylglucosamin-Transferase und N-Acetylglucosaminidase), wodurch sie einige Mannosereste verlieren. Die Mannose-6-Phosphat-Reste dienen als spezifische Markierung. Die Trans-Seite des Golgi-Apparats (TGN) besitzt Rezeptoren für phosphorylierte Mannose (Mannose-6-Phosphat, M6P), die fest an die Enzyme binden. Von dieser Seite aus bilden sich Vesikel, die mit Clathrin und Adaptin bedeckt sind und die "primären Lysosomen" oder "Prälysosomen" darstellen.

Rolle der Heterophagie

Heterophagie ist der Abbau von Material, das von der Zelle aufgenommen wird, entweder durch Phagozytose oder durch Endozytose.

Phagosomenbildung und -reifung

Phagosomen sind Vakuolen, die als Ergebnis eines Prozesses (Phagozytose) entstehen, bei dem Makrophagen oder Leukozyten Fremdkörper, nekrotische Zelltrümmer oder Mikroorganismen aufnehmen. In der Nähe der Phagosomenmembran werden verschiedene Proteine gebildet, die an der Bildung und Reifung von Phagosomen beteiligt sind: MARCKS, PKC und Myosin I. Die Invagination, die sich zunächst in dem Bereich bildet, der zum zukünftigen Phagosom führt, hängt von Aktinfilamenten (MF) und Myosin I ab. Die nächste Phase ist die Fusion mit Prälysosomen, primären Lysosomen oder bereits vorhandenen sekundären Lysosomen, was zu Phagolysosomen oder Heterophagolysosomen führt. Endozytotische Vakuolen verlieren ihre Clathrin-Beschichtung und verschmelzen mit frühen Endosomen (peripher oder extern), was das Recycling von Rezeptoren zur Plasmamembran ermöglicht.

Funktionen der Heterophagie in der Zelle

Durch diesen Mechanismus der Heterophagie werden in der Zellfunktion folgende Aufgaben erfüllt:

• Verteidigung: Leukozyten verschlingen und zerstören Mikroorganismen während der Entzündungsreaktion. Makrophagen phagozytieren ebenfalls Mikroorganismen, Zelltrümmer und Fremdkörper und verdauen sie.
• Zellersatz: Alte oder defekte Zellen, wie z.B. Erythrozyten, die eine Halbwertszeit von etwa 120 Tagen haben, werden von Makrophagen in Milz, Leber oder Knochenmark erkannt und phagozytiert.
• Proteinabsorption: Proteine, die die glomeruläre Filtrationsrate passieren (z.B. Albumin), werden von Tubuluszellen (TCP-Zellen) durch Endozytose zurückgewonnen.
• Glykoproteinkatabolismus: Veränderte Glykoproteine werden von Hepatozyten aus dem Verkehr gezogen.
• Cholesterinstoffwechsel: LDL wird durch Endozytose aufgenommen, und in den Lysosomen wird Cholesterin freigesetzt.
• Sekretion von Schilddrüsenhormonen: Schilddrüsenhormone werden von den Follikelzellen der Schilddrüse produziert. Dieselben Zellen sind für die Phagozytose von Thyreoglobulin-Fragmenten verantwortlich, und im Verdauungsprozess werden T3 und T4 freigesetzt.
• Verarbeitung bestimmter Hormone: Peptidhormone werden von Lysosomen aufgenommen und abgebaut, um ihre aktiven Formen freizusetzen.
• Erneuerung von Photorezeptor-Discs: Die äußeren Segmente der Photorezeptoren werden von den Pigmentepithelzellen der Retina phagozytiert und von Lysosomen verarbeitet.