Lisosoma

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El lisosoma (del griego λύσις  - descomposición y σώμα - cuerpo) es un orgánulo  celular rodeado por una membrana , en cuya cavidad se mantiene un ambiente ácido y hay muchas enzimas hidrolíticas solubles [1] . El lisosoma es responsable de la digestión intracelular de macromoléculas, incluso en la autofagia ; el lisosoma es capaz de secretar su contenido en exocitosis ; el lisosoma también participa en algunas vías de señalización intracelular asociadas con el metabolismo y el crecimiento celular [2] .

El lisosoma es uno de los tipos de vesículas y pertenece al sistema de endomembranas de la célula [3] . Los diferentes tipos de lisosomas se pueden considerar como compartimentos celulares separados .

Los lisosomas fueron descubiertos en 1955 por el bioquímico belga Christian de Duve [4] . Los lisosomas se encuentran en todas las células de los mamíferos, con la excepción de los eritrocitos [5] . En las plantas, las vacuolas están cerca de los lisosomas en términos del método de formación y en parte en términos de funciones . Los lisosomas también están presentes en la mayoría de los protistas (tanto con tipos de nutrición fagotróficos como osmotróficos) y en hongos. Así, la presencia de lisosomas es característica de las células de todos los eucariotas . En procariotas , los lisosomas están ausentes, ya que carecen de fagocitosis y no hay digestión intracelular.

Varias enfermedades hereditarias en humanos, llamadas enfermedades de almacenamiento lisosomal , están asociadas con la disfunción de los lisosomas [6] .

Historial de descubrimientos

En 1949-1952, el bioquímico Christian de Duve y sus alumnos, al estudiar la acción de la insulina en células hepáticas de rata, descubrieron accidentalmente una diferencia inesperada en la actividad de la fosfatasa ácida según el método de aislamiento. Ellos utilizaron la fosfatasa ácida como estándar, el tema principal de su estudio fue la enzima glucosa-6-fosfatasa , que está involucrada en el metabolismo de la insulina. Durante los experimentos, resultó que cuando el contenido celular se fraccionó en una centrífuga, la fosfatasa ácida se asoció con la fracción microsomal, pero mostró solo una décima parte de la actividad en comparación con un extracto celular simple , y después de varios días de almacenamiento de la fracción microsomal en el refrigerador, la actividad de la fosfatasa ácida aumentó. Cuando se descubrió este fenómeno, la primera explicación fue que se había producido algún tipo de error técnico. Sin embargo, la repetición del experimento reproducía invariablemente la imagen original. Esto nos permitió suponer la existencia de unas partículas celulares rodeadas por una membrana, que contienen la enzima en su interior. De 1952 a 1955, se descubrieron varias hidrolasas ácidas más asociadas con la fracción microsomal. En 1955, que se considera el año del descubrimiento de los lisosomas, K. de Duve propuso el nombre de "lisosoma" para un orgánulo celular que está rodeado por una membrana que mantiene un pH bajo y dentro de la cual hay una serie de enzimas que funcionan. óptimamente en un ambiente ácido [7] [8] . En el mismo 1955, el citólogo estadounidense Alex Novikovde la Universidad de Vermont , EE. UU., que dominaba brillantemente la técnica de la microscopía, visitó el laboratorio de C. de Duve y pudo obtener las primeras fotografías electrónicas de estos orgánulos utilizando una preparación de lisosomas parcialmente purificados. Más tarde, en 1961, Alex Novikov, mediante detección histoquímica de fosfatasa ácida y microscopía electrónica , confirmó la localización de esta enzima en los lisosomas [9] [10] . En 1963, el bioquímico belga Henry Hares , quien anteriormente trabajó en el grupo de K. de Duve, descubrió una deficiencia de la enzima lisosomal α-glucosidasa en pacientes con enfermedad de Pompe y sugirió que otras enfermedades genéticas estaban asociadas con la alteración de los lisosomas [11]. ] . Actualmente, más de 50 enfermedades hereditarias están asociadas con la deficiencia lisosomal [12] .

En 1974, por su contribución a la divulgación de la organización estructural y funcional de la célula, K. de Duve fue galardonado con el Premio Nobel de Medicina [13] .

Signos de lisosomas

Los lisosomas son heterogéneos en forma, tamaño, características ultraestructurales y citoquímicas. En las células animales, los lisosomas suelen tener un tamaño inferior a 1 µm, aunque en algunos tipos de células, como los macrófagos , los lisosomas pueden tener un tamaño superior a unas pocas micras . Los lisosomas, por regla general, tienen una forma esférica, ovalada, a veces tubular [14] . El número de lisosomas varía desde uno (gran vacuola en muchas células vegetales y fúngicas) hasta varios cientos o miles (en células animales). Los lisosomas de los animales no suelen representar más del 5 % del volumen intracelular [15] .

Uno de los signos de los lisosomas es la presencia en ellos de una serie de enzimas ( hidrolasas ácidas ) que pueden descomponer proteínas , carbohidratos , lípidos y ácidos nucleicos . Las enzimas de los lisosomas incluyen catepsinas ( proteasas tisulares ), ribonucleasa ácida , fosfolipasa , etc. Además, los lisosomas contienen enzimas que pueden escindir grupos sulfato (sulfatasas) o fosfato (fosfatasa ácida ) de moléculas orgánicas. En total, la cavidad del lisosoma contiene alrededor de 60 enzimas hidrolíticas ácidas solubles [2] .

Los lisosomas se caracterizan por una reacción ácida del medio interno , lo que asegura el funcionamiento óptimo de las hidrolasas lisosomales [14] . Normalmente , el pH en los lisosomas es de aproximadamente 4,5-5, es decir, la concentración de protones en ellos es dos órdenes de magnitud mayor que en el citoplasma. Esto está garantizado por el transporte activo de protones, que se lleva a cabo por la ATPasa de protones de bomba de proteínas integrada en las membranas de los lisosomas [15] . Además de la bomba de protones, las proteínas transportadoras se incorporan a la membrana del lisosoma para el transporte al citoplasma de los productos de hidrólisis de macromoléculas: aminoácidos , azúcares, nucleótidos , lípidos [16] .

La alta actividad de la fosfatasa ácida se utilizó anteriormente como uno de los marcadores de los lisosomas. Actualmente, la presencia de glicoproteínas de membrana específicas, LAMP1 y LAMP2 , se considera un marcador más fiable . Están presentes en la membrana de los lisosomas y los endosomas tardíos , pero están ausentes en las membranas de otros compartimentos de vacuomas .

Formación de lisosomas y sus tipos

Los lisosomas se forman a partir de vesículas (vesículas) separadas del aparato de Golgi y vesículas ( endosomas ) en las que entran sustancias durante la endocitosis [17] . Las membranas del retículo endoplásmico participan en la formación de autolisosomas ( autofagosomas ) . Todas las proteínas de los lisosomas se sintetizan en ribosomas "sésiles" en el lado externo de las membranas del retículo endoplásmico y luego pasan a través de su cavidad y a través del aparato de Golgi .

No existe una clasificación y nomenclatura generalmente aceptada para las diferentes etapas de maduración y tipos de lisosomas . Hay lisosomas primarios y secundarios . Los primeros se forman en la región del aparato de Golgi , contienen enzimas en estado inactivo, mientras que los segundos contienen enzimas activas. Normalmente , las enzimas de los lisosomas se activan cuando se baja el pH. Entre los lisosomas, también se pueden distinguir los heterolisosomas (que digieren el material que ingresa a la célula desde el exterior, por fago o pinocitosis) y los autolisosomas (que destruyen las propias proteínas u orgánulos de la célula). La clasificación más utilizada de los lisosomas y sus compartimentos asociados es la siguiente:

1. Endosoma temprano  : entran vesículas endocíticas (pinocíticas). Desde el endosoma temprano, los receptores que han renunciado (debido al bajo pH) a su carga regresan a la membrana externa.
2. Endosoma tardío  : vesículas con material absorbido durante la pinocitosis y vesículas del aparato de Golgi con hidrolasas ingresan desde el endosoma temprano. Los receptores de manosa-6-fosfato regresan del endosoma tardío al aparato de Golgi.
3. Lisosoma : vesículas con una mezcla de hidrolasas y material digerido ingresan  desde el endosoma tardío.
4. Fagosoma  : entran partículas más grandes (bacterias, etc.) absorbidas por fagocitosis. Los fagosomas generalmente se fusionan con los lisosomas.
5. El autofagosoma  es una porción del citoplasma rodeada por dos membranas, que generalmente incluye algunos orgánulos y se forma durante la macroautofagia. Se fusiona con el lisosoma.
6. Los cuerpos multivesiculares  , generalmente rodeados por una sola membrana, contienen vesículas más pequeñas rodeadas por una sola membrana en su interior. Formado por un proceso similar a la microautofagia (ver más abajo), pero contiene material obtenido del exterior. En las vesículas pequeñas, los receptores de la membrana externa (p. ej., los receptores del factor de crecimiento epidérmico) suelen permanecer y luego se degradan. Según la etapa de formación, corresponden al endosoma temprano. Se ha descrito la formación de cuerpos multivesiculares rodeados por dos membranas por brotación de la envoltura nuclear.
7. Cuerpos residuales (telolisosomas)  : vesículas que contienen material no digerido (en particular, lipofuscina ). En las células normales, se fusionan con la membrana externa y abandonan la célula por exocitosis . Con el envejecimiento o la patología se acumulan.

Funciones de los lisosomas

Las funciones de los lisosomas son:

• digestión de sustancias o partículas captadas por la célula durante la endocitosis (bacterias, otras células).
• La autofagia  es la destrucción de estructuras innecesarias para la célula, por ejemplo, durante la sustitución de orgánulos viejos por otros nuevos, o la digestión de proteínas y otras sustancias producidas dentro de la propia célula.
• autólisis  : autodigestión de una célula que conduce a su muerte (a veces, este proceso no es patológico, sino que acompaña el desarrollo del organismo o la diferenciación de algunas células especializadas). Ejemplo: cuando un renacuajo se convierte en rana, los lisosomas de las células de la cola lo digieren: la cola desaparece y las sustancias formadas durante este proceso son absorbidas y utilizadas por otras células del cuerpo.
• disolución de estructuras externas (ver, por ejemplo, osteoclastos )

Digestión intracelular y participación en el metabolismo

En muchos protistas y en animales con digestión intracelular , los lisosomas están involucrados en la digestión de los alimentos capturados por endocitosis. En este caso, los lisosomas se fusionan con las vacuolas digestivas. En los protistas, los restos de alimentos no digeridos generalmente se eliminan de la célula cuando la vacuola de alimentos se fusiona con la membrana externa.

Muchas células de animales en las que predomina la digestión cavitaria (por ejemplo, los cordados) reciben nutrientes del líquido intercelular o del plasma sanguíneo mediante pinocitosis. Estas sustancias también están implicadas en el metabolismo celular tras su digestión en los lisosomas. Un ejemplo bien estudiado de tal participación de los lisosomas en el metabolismo es la producción de colesterol por parte de las células. El colesterol, transportado en la sangre como LDL , ingresa a las vesículas pinocíticas después de que la LDL se une a los receptores de LDL en la membrana. Los receptores regresan a la membrana desde el endosoma temprano y la LDL ingresa al lisosoma. Después de eso, la LDL se digiere y el colesterol liberado ingresa al citoplasma a través de la membrana del lisosoma.

Indirectamente, los lisosomas están involucrados en el metabolismo, proporcionando desensibilización de las células a los efectos de las hormonas. Con la acción prolongada de la hormona sobre la célula, algunos de los receptores que se unen a la hormona ingresan a los endosomas y luego se degradan dentro de los lisosomas. La reducción del número de receptores reduce la sensibilidad de la célula a la hormona.

Autofagia

Se distinguen comúnmente dos tipos de autofagia: microautofagia y macroautofagia. En la microautofagia, al igual que en la formación de cuerpos multivesiculares, se forman invaginaciones del endosoma o membrana del lisosoma, que luego se separan en forma de vesículas internas, en ellas solo entran sustancias sintetizadas en la propia célula. De esta manera, la célula puede digerir las proteínas cuando falta energía o material de construcción (por ejemplo, durante la inanición). Pero los procesos de microautofagia también ocurren en condiciones normales y generalmente son indiscriminados. A veces, los orgánulos también se digieren durante la microautofagia; Así, en levaduras se han descrito microautofagia de peroxisomas y microautofagia parcial de núcleos, en los que la célula permanece viable .

En la macroautofagia, una región del citoplasma (que a menudo contiene algunos orgánulos) está rodeada por un compartimento de membrana similar a la cisterna del retículo endoplásmico. Como resultado, esta área está separada del resto del citoplasma por dos membranas. Este autofagosoma luego se fusiona con un lisosoma y su contenido se digiere. Aparentemente, la macroautofagia tampoco es selectiva, aunque a menudo se enfatiza que con su ayuda, la célula puede deshacerse de los orgánulos "caducados" (mitocondrias, ribosomas, etc.).

El tercer tipo de autofagia es dependiente de chaperonas. Con este método, se produce el transporte dirigido de proteínas parcialmente desnaturalizadas desde el citoplasma a través de la membrana del lisosoma hasta su cavidad.

Autolisis

Las enzimas del lisosoma a menudo se liberan cuando se destruye la membrana del lisosoma . Por lo general, se inactivan en el ambiente neutral del citoplasma. Sin embargo, con la destrucción simultánea de todos los lisosomas de la célula, puede ocurrir su autodestrucción, la autólisis. Hay autólisis patológica y normal. Una variante común de la autolisis patológica es la autolisis tisular post-mortem.

Normalmente, los procesos de autólisis acompañan a muchos fenómenos asociados al desarrollo del organismo ya la diferenciación de las células. Así, la autolisis celular se describe como un mecanismo de destrucción de tejidos en larvas de insectos durante la metamorfosis completa , así como durante la reabsorción de la cola en un renacuajo. Es cierto que estas descripciones se refieren a un período en el que aún no se han establecido las diferencias entre apoptosis y necrosis , y en cada caso se requiere averiguar si la apoptosis, no asociada con la autólisis, realmente subyace a la degradación de un órgano o tejido.

En las plantas, la autólisis va acompañada de la diferenciación de células que funcionan después de la muerte (por ejemplo, traqueidas o segmentos vasculares). La autólisis parcial también ocurre durante la maduración de las células del floema , segmentos de los tubos cribosos.

Importancia clínica

A veces, debido al mal funcionamiento de los lisosomas, se desarrollan enfermedades de almacenamiento , en las que las enzimas no funcionan o lo hacen mal debido a mutaciones. Ejemplos de enfermedades de almacenamiento lisosomal son la enfermedad de Gaucher , la enfermedad de Pompe, la enfermedad de Tay-Sachs . En total, se conocen más de 50 enfermedades hereditarias asociadas a la disfunción del lisosoma [12] .

El daño a los lisosomas de las células necróticas, incluidos los granulocitos , da lugar a un proceso inflamatorio [18] .

Véase también

• vacuola
• fagocitosis
• pinocitosis
• endocitosis
• Enfermedades de depósito lisosomal
• Lipofuscinosis cerosa de neuronas

Notas

1. ↑ Alberts et al., 2013 , pág. 1196.
2. ↑ 1 2 Settembre C. et al. Señales del lisosoma: un centro de control para la limpieza celular y el metabolismo energético. (Inglés)  // Nat. Rvdo. mol. biología celular - 2013. - Vol. 14.- Pág. 283-296. -doi : 10.1038/ nrm3565 .
3. ↑ Brighouse A., Dacks JB, Field MC La evolución de la proteína Rab y la historia del sistema de endomembranas eucariotas  //  Ciencias biológicas celulares y moleculares. - 2010. - Vol. 67, núm. 20 _ - Pág. 3449-3465. -doi : 10.1007 / s00018-010-0436-1 . Archivado desde el original el 6 de enero de 2015.
4. ↑ De Duve C. El lisosoma cumple cincuenta  //  Nature cell biology. - 2005. - vol. 7, núm. 9 _ - Pág. 847-849.
5. ↑ Lüllmann-Rauch R. Historia y morfología del lisosoma // Lysosomes / P. Saftig. - Springer EE. UU., 2005. - P. 1-16. - ISBN 978-0-387-25562-0 .
6. ↑ Platt FM, Boland B., van der Spoel AC Trastornos de almacenamiento lisosomal: El impacto celular de la disfunción lisosomal  //  The Journal of cell biology. - 2012. - vol. 199 , núm. 5 . — pág. 723-734 . -doi : 10.1083/ jcb.201208152 .
7. ↑ De Duve C. et al. estudios de fraccionamiento de tejidos. 6. Patrones de distribución intracelular de enzimas en tejido de hígado de rata  (inglés)  // Biochemical Journal. - 1955. - vol. 60, núm. 4 . - Pág. 604-617.
8. ↑ Bainton D.F. El descubrimiento de los  lisosomas . - 1981. - vol. 91. - Pág. 66-76.
9. ↑ Essner E., Novikoff AB Localización de la actividad de la fosfatasa ácida en los lisosomas hepáticos mediante microscopía electrónica  //  The Journal of biophysical and biochemical cytology. - 1961. - vol. 9, núm. 4 . — Pág. 773-784 .
10. ↑ Castro-Obregon S. El descubrimiento de los lisosomas y la autofagia  //  Educación de la naturaleza. - 2010. - Vol. 3, núm. 9 _ — Pág. 49.
11. ↑ Hers Deficiencia de HG α-glucosidasa en la enfermedad generalizada de almacenamiento de glucógeno (enfermedad de Pompe  )  // Biochemical Journal. - 1963. - vol. 86 , núm. 1 . — P. 11-16 . — PMID 13954110 .
12. ↑ 1 2 la Marca G. Lysosomals // Guía del médico para el diagnóstico, tratamiento y seguimiento de enfermedades metabólicas hereditarias / N. Blau, M. Duran, KM Gibson, CD Vici. - Springer Berlín Heidelberg, 2014. - Pág. 785-793. - ISBN 978-3-642-40336-1 .
13. ↑ El Premio Nobel de Fisiología o Medicina 1974  . premio nobel.org. Nobel Media AB 2014. Consultado el 3 de enero de 2015. Archivado desde el original el 15 de octubre de 2012.
14. ↑ 1 2 Appelqvist H. et al. El lisosoma: de la bolsa de basura al objetivo terapéutico potencial  (inglés)  // Journal of molecular cell biology. - 2013. - Vol. 5, núm. 4 . — pág. 214-226 . -doi : 10.1093 / jmcb/mjt022 .
15. ↑ 1 2 Luzio JP, Pryor PR, Bright NA Lisosomas: fusión y función   // Nat . Rvdo. mol. biología celular - 2007. - vol. 8.- Pág. 622-632. -doi : 10.1038/ nrm2217 .
16. ↑ Chentsov Yu. S. Introducción a la biología celular. Libro de texto para universidades / Yu. S. Chentsov. - 4to. - M. : ICC "Akademkniga", 2004. - 495 p.
17. ↑ Saftig P., Klumperman J. Biogénesis de lisosomas y proteínas de membrana lisosomal: el tráfico se encuentra con la función  // Nat. Rvdo. mol. biología celular - 2009. - Vol. 10.- Pág. 623-635. doi : 10.1038 / nrm2745 . Archivado desde el original el 24 de diciembre de 2012.
18. ↑ Tel L.Z., Lysenkov S.P., Sharipova N.G., Shastun S.A. Fisiopatología y fisiología en preguntas y respuestas. — 2 vol. - M. : Agencia de Información Médica, 2007. - S. 67. - 512 p.

Literatura

• Chentsov Yu. S. Citología con elementos de patología celular: libro de texto para universidades y facultades de medicina. - M. : MIA, 2010. - 361 p. - 4000 copias.  - ISBN 978-5-9986-0013-5 .
• Biología molecular de la célula: en 3 volúmenes / B. Alberts, A. Johnson, D. Lewis y otros - M.-Izhevsk: Centro de Investigación "Dinámica Regular y Caótica", Instituto de Investigación Informática, 2013. - T. II . - S. 1196-1208. — 992 pág. - ISBN 978-5-4344-0112-8 .
• Cells / B. Lewin y col.- M. : BINOM. Laboratorio del Conocimiento, 2011. - S.  179 -235. — 951 pág. — (El mejor libro de texto extranjero). — ISBN 978-5-94774-794-2 .

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