Lisosomi: caratteristiche, struttura, funzioni e tipi

I lisosomi sono organuli cellulari circondati da membrane che si trovano all'interno delle cellule animali. Sono compartimenti che presentano un pH acido e sono ricchi di enzimi digestivi, in grado di degradare qualsiasi tipo di molecola biologica: proteine, carboidrati e acidi nucleici.

Inoltre, possono degradare il materiale dall'esterno della cella. Pertanto, i lisosomi hanno molteplici funzioni nel metabolismo cellulare e, grazie alla sua composizione ricca di enzimi idrolitici, sono spesso chiamati "lo stomaco" della cellula.

I lisosomi sono formati dalla fusione di vescicole che emergono dall'apparato di Golgi. La cellula riconosce determinate sequenze che fungono da "etichette" sugli enzimi idrolitici e le invia ai lisosomi in formazione.

Questi vacuoli sono di forma sferica e le loro dimensioni variano considerevolmente, essendo una struttura cellulare abbastanza dinamica.

Scoperta e prospettiva storica

I lisosomi sono stati scoperti più di 50 anni fa dal ricercatore Christian de Duve. La squadra di De Duve stava conducendo esperimenti che coinvolgono la tecnica di frazionamento subcellulare, al fine di indagare sulla posizione di alcuni enzimi.

Questo protocollo sperimentale ha permesso la scoperta degli organelli, poiché i ricercatori hanno notato che il rilascio di enzimi idrolitici aumentava con l'aggiunta di composti che danneggiavano le membrane.

Successivamente, il miglioramento delle tecniche di biologia molecolare e l'esistenza di apparecchiature migliori, come i microscopi elettronici, sono riusciti a corroborare la loro presenza. In realtà, si può concludere che i lisosomi occupano il 5% del volume intracellulare.

Tempo dopo la sua scoperta, è stato possibile dimostrare la presenza di enzimi idrolitici all'interno, trasformando il lisosoma in una sorta di centro di degradazione. Inoltre, i lisosomi erano correlati alla vita endocitica.

Storicamente, i lisosomi erano considerati il ​​punto finale dell'endocitosi, usato solo per la degradazione delle molecole. Al giorno d'oggi, è noto che i lisosomi sono compartimenti cellulari dinamici, in grado di fondersi con una varietà di organelli aggiuntivi.

lineamenti

Morfologia dei lisosomi

I lisosomi sono compartimenti unici di cellule animali che ospitano una varietà di enzimi in grado di idrolizzare le proteine ​​e digerire determinate molecole.

Sono vacuoli di forme sferiche e dense. La dimensione della struttura è molto varia e dipende dal materiale che è stato precedentemente catturato.

I lisosomi, insieme al reticolo endoplasmatico e all'apparato di Golgi, fanno parte del sistema endomembrana della cellula. Sebbene queste tre strutture siano reti di membrane, non sono continue l'una con l'altra.

I lisosomi contengono più enzimi

La principale caratteristica dei lisosomi è la batteria di enzimi idrolitici all'interno. Esistono circa 50 enzimi in grado di degradare una vasta gamma di biomolecole.

Tra questi ci sono le nucleasi, le proteasi e le fosfatasi (che rimuovono i gruppi fosfato di mononucleotidi, fosfolipidi e altri composti). Inoltre, contengono altri enzimi responsabili della degradazione dei polisaccaridi e dei lipidi.

Logicamente, questi enzimi digestivi devono essere separati spazialmente dal resto dei componenti cellulari per evitare il loro degrado incontrollato. Così la cellula può "scegliere" i composti che devono essere eliminati, dal momento che può regolare gli elementi che entrano nel lisosoma.

L'ambiente dei lisosomi è acido

L'interno dei lisosomi è acido (vicino a 4.8) e gli enzimi che contiene funzionano bene a questa condizione di pH. Pertanto, sono noti come idrolasi acide.

La caratteristica del pH acido di questo compartimento cellulare è mantenuta grazie alla presenza di una pompa protonica e di un canale del cloruro nella membrana. Insieme trasportano l'acido cloridrico (HCl) nel lisosoma. La pompa si trova ancorata nella membrana dell'organo.

La funzione di questo pH acido è l'attivazione dei vari enzimi idrolitici presenti nel lisosoma ed evitare - per quanto possibile - la sua attività enzimatica al pH neutro del citosol.

In questo modo, abbiamo già due barriere che funzionano come protezione dall'idrolisi incontrollata: mantenere gli enzimi in un compartimento isolato e che questi enzimi funzionano bene al pH acido di questo compartimento.

Sebbene la membrana del lisosoma si rompa, il rilascio degli enzimi non avrebbe molto effetto - a causa del pH neutro del citosol.

funzioni

La composizione interna di un lisosoma è dominata dagli enzimi idrolitici, motivo per cui sono una regione importante del metabolismo cellulare in cui la digestione delle proteine ​​extracellulari che entrano nella cellula viene effettuata mediante endocitosi, il riciclo di organelli e proteine ​​citosoliche.

Successivamente, esploreremo in profondità le funzioni più importanti dei lisosomi: la degradazione delle molecole da parte dell'autofagia e la degradazione da parte della fagocitosi.

autofagia

Cos'è l'autofagia?

Un meccanismo che riesce a catturare proteine ​​cellulari è chiamato autofagia "mangia te stesso". Questo evento aiuta a mantenere l'omeostasi cellulare, degradando le strutture cellulari che non sono più necessarie e contribuisce al riciclo degli organelli.

Attraverso questo fenomeno si verifica la formazione di vescicole chiamate autofagosomi. Queste sono piccole regioni del citoplasma o altri compartimenti cellulari, dal reticolo endoplasmatico che si fondono con i lisosomi.

Entrambi gli organelli hanno la capacità di fondere, poiché sono delimitati da una membrana plasmatica di natura lipidica. È analogo tentare di unire due bolle di sapone: ne stai formando una più grande.

Dopo la fusione, il contenuto enzimatico del lisosoma è responsabile della degradazione dei componenti che si trovavano all'interno dell'altra vescicola formata. La cattura di queste molecole sembra essere un processo che manca di selettività, causando la degradazione delle proteine ​​localizzate nel citosol a lunga vita.

Autophagy e periodi di digiuno

Nella cellula, l'evento di autofagia sembra essere regolato dalla quantità di nutrienti disponibili.

Quando l'organismo sperimenta una carenza di nutrienti o sperimenta periodi di digiuno prolungati, vengono attivati ​​i percorsi di degradazione. In questo modo, la cellula degrada le proteine ​​che non sono essenziali e realizza il riutilizzo di alcuni organelli.

Sapendo che i lisosomi svolgono un ruolo importante durante i periodi di digiuno, è aumentato l'interesse dei ricercatori in detti organelli.

Autofagia e sviluppo di organismi

Oltre alla loro partecipazione attiva a periodi di basso contenuto nutrizionale, i lisosomi svolgono un ruolo importante durante lo sviluppo di alcuni lignaggi di esseri organici.

In alcuni casi, lo sviluppo implica il rimodellamento totale dell'organismo, il che implica che determinati organi o strutture debbano essere eliminati durante il processo. Nella metamorfosi degli insetti, ad esempio, il contenuto idrolitico dei lisosomi contribuisce al rimodellamento dei tessuti.

Endocitosi e fagocitosi

L'endocitosi e la fagocitosi hanno un ruolo nel prendere elementi esterni alle cellule e il loro successivo degrado.

Durante la fagocitosi, alcune cellule - come i macrofagi - sono responsabili di ingestione o degradazione di particelle di dimensioni considerevoli, come batteri o detriti cellulari.

Queste molecole vengono ingerite da un vacuolo fagocitario, chiamato fagosoma, che, come nel caso precedente, si fonderà con i lisosomi. La fusione dà origine al rilascio di enzimi digestivi all'interno del fagosoma e alla degradazione dei proventi delle particelle.

Tipi di lisosomi

Alcuni autori distinguono questo compartimento in due tipi principali: tipo I e tipo II. I lisosomi di tipo I o primari sono coinvolti nella conservazione di enzimi idrolitici, mentre i lisosomi secondari sono correlati ai processi di catalisi.

Formazione di lisosomi

La formazione dei lisosomi inizia con l'assorbimento di molecole dall'esterno da vescicole endocitiche. Questi ultimi sono fusi con altre strutture chiamate endosomi precoci.

Successivamente, i primi endosomi subiscono un processo di maturazione e danno luogo a endosomi tardivi.

Un terzo componente appare nel processo di formazione: le vescicole di trasporto. Questi contengono idrolasi acide dalla rete trans dell'apparato di Golgi. Entrambe le strutture - le vescicole di trasporto e gli endosomi tardivi - si uniscono e si trasformano in un lisosoma, dopo aver acquisito l'insieme di enzimi lisosomiali.

Durante il processo, il riciclo dei recettori di membrana avviene attraverso il riciclaggio degli endosomi.

Le idrolasi acide sono separate dal recettore del fosfato mannosio-6 durante il processo di fusione degli organelli che danno origine ai lisosomi. Questi recettori entrano di nuovo nella rete trans del Golgi.

Differenze tra endosomi e lisosomi

La confusione è comune tra i termini endosomi e lisosoma. I primi sono compartimenti cellulari circondati da lisosomi simili a membrane. Tuttavia, la distinzione cruciale tra i due organelli è che i lisosomi non hanno recettori di mannosio-6-fosfato.

Oltre a queste due entità biologiche, ci sono altri tipi di vescicole. Uno di questi sono i vacuoli, il cui contenuto è principalmente acqua.

Le vescicole di trasporto, come suggerisce il nome, partecipano allo spostamento di sostanze in altre posizioni nella cellula. Le vescicole secretorie, d'altra parte, eliminano il materiale di scarto o i prodotti chimici (come quelli che partecipano alle sinapsi dei neuroni).

Malattie associate

Negli esseri umani, le mutazioni nei geni che codificano per gli enzimi del lisosoma sono associate a più di 30 malattie congenite. Queste patologie sono incluse nel termine "malattie da deposito lisosomiale".

Sorprendentemente, molte di queste condizioni derivano dal danneggiamento di un singolo enzima lisosomiale.

Negli individui affetti, la conseguenza di avere un enzima non funzionale all'interno dei lisosomi è l'accumulo di prodotti di scarto.

La più comune alterazione del deposito lisosomiale è nota come malattia di Gaucher ed è associata a una mutazione nel gene che codifica per l'enzima responsabile dei glicolipidi. Come un fatto curioso, la malattia mostra una frequenza abbastanza alta tra la popolazione ebraica, colpita da 1 per 2.500 individui.