Lysosom

Lysosomen sind winzige (0,1-1μm), von einer Membran umschlossene Zellorganellen in Eukaryoten. Die Bläschen werden vom Golgi-Apparat gebildet und enthalten hydrolytische Enzyme und Phosphatasen. Ihre Hauptfunktion besteht darin, aufgenommene Fremdstoffe mittels der in ihnen enthaltenen Enzyme zu verdauen. Bei Pflanzen nehmen Zellsaftvakuolen die Aufgaben der Lysosomen wahr.

Aufbau

Die Lysosomen enthalten zur intrazellulären Verdauung von Material viele verschiedene hydrolysierende Enzyme, wie Proteasen, Nukleasen und Lipasen. Diese Enzyme dienen der Hydrolyse von Proteinen, Polysacchariden, Lipiden und Nucleinsäuren, also aller wichtigen Gruppen von Makromolekülen. Diese erreichen nur eine hohe Aktivität bei saurem Milieu ungefähr bei pH 5. Dies dient dem Schutz der Zelle bei einem Aufbruch eines Lysosoms. In einem solchen Fall wären die Enzyme im pH neutralen Millieu des Cytosol inaktiv. Dies ist ein Beispiel für die Wichtigkeit der Kompartimentierung innerhalb der Zelle. Der niedrige pH-Wert innerhalb der Lysosomen wird durch die Lysosomenmembran aufrecht gehalten. Lysosomen sind von einer Membran mit spezifischer Proteinausstattung umgeben. Eine V-Typ-ATPase transportiert pro ATP-Molekül 2 Protonen (H⁺)in die Lysosomen. Die Membranproteine sind auf der Innenseite zum Schutz stark glykosyliert.

Entstehung

Die hydrolytischen Enzyme und die Lysosomenmembran werden vom rauhen endoplasmatischen Retikulum gebildet und zum Golgi-Apparat transportiert. Die lysosomalen Enzyme erfahren im trans-Golgi-Apparat eine Sortierung und werden gezielt in Vesikel verpackt und zu den späten Endosomen transportiert. Im Fall der Hydrolasen ist ein spezifisches Signal bekannt: Mannose-6-Phosphat-Gruppen (M6P) an ausschließlich Stickstoff-gekoppelten Oligosacchariden. Diese Modifikation findet im cis-Golgi-Apparat statt und wird von zwei Enzymen katalysiert: Eine Phosphotransferase erkennt, dass es sich um ein lysosomales Enzym handelt und heftet N-Acetylglucosamin-1-Phosphat an ein oder zwei Mannosereste; das zweite Enzym schneidet den N-Acetylglucosamin-Rest ab, womit die Markierung durchgeführt ist.

Im trans-Golgi-Apparat werden die M6P-Reste von membranintegralen M6P-Rezeptoren erkannt. Im späten Endosom trennen sich die M6P-Rezeptoren bei PH 6 wieder von ihren Liganden und werden rezyklisiert.

Es gibt auch einen M6P unabhängigen Transportweg in die Lysosomen, z. B. bei den Membranproteinen der Lysosomen. Der Mechanismus ist nicht bekannt.

Aufgaben

Lysosomen verdauen zellfremdes aber auch zelleigenes Material. Dies geschieht auch beim programmierten Zelltod.

Verdauung zellfremden Materials

Lysosomen wirken auf mehrere Weisen an der Verdauung auf Zellebene mit. Durch Phagocytose entstandene Endosomen verschmilzt mit einem primären Lysosom zu einem sekundären Lysosom. Bei Protisten wird dies Nahrungsvakuole genannt. Als Beispiel für eine menschliche Zelle, die hierzu fähig ist, sind die Makrophagen zu nennen.

Verdauung zelleigenen Materials

Die Lysosomen verwerten nicht nur zellfremdes, sondern auch zelleigenes Material. Dies nennt man Autophagie. Hierbei werden Organellen oder Teile des Cytosols durch die Lysosomenenzyme zerlegt und wiederverwertet. Auf diese Weise erneuert sich die Zelle mit Hilfe der Lysosomen selbst. In einer menschlichen Leberzelle werden pro Woche die Hälfte aller Makromoleküle auf diese Weise zerlegt.

Programmierter Zelltod

Auch der programmierte Zelltod durch eigene Lysosomenenzyme ist eine wichtige Aufgabe der Lysosomen. Lysosomen bauen beispielsweise den Schwanz der Kaulquappe oder die Schwimmhäute des menschlichen Embryos ab.

Erkrankungen mit lysosomaler Beteiligung

Ein Defekt in der Phosphotransferase führt zu einer so genannten lysosomalen Speicherkrankheit. Da keine Markierung mit M6P stattfinden kann, werden die lysosomalen Enzyme nicht sortiert und gelangen unkontrolliert über die PM in die extrazelluläre Matrix (I-Zellkrankheit, autosomal rezessiv). Andere lysosomale Speicherkrankheiten werden bei Defekten von lysosomalen Hydrolasen ausgelöst. Dadurch kommt es zur Vermehrung von nicht-abgebauten Material in den Lysosomen (z. B. Morbus Hunter). Meistens sind schwere Krankheitserscheinungen die Folge.

Weblinks

Literatur

Alberts, B. et. al.: Molecular Biology of the Cell. Garland Science, 4. Auflage, 2002. ISBN 0815340729.
Campbell, N.; u. a.: Biologie. 6. Aufl., Spektrum Akademischer Verlag April 2003, Heidelberg. ISBN 3827413524

Zellbiologie

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