Кіріспе

Жасуша мембранасы органелласы

Лизосома ( /l//aɪ//s//ə/,/s//oʊ//m/) – көптеген жануарлар жасушаларында кездесетін, бір мембранамен шектелген органелла. Олар – көптеген биомолекулаларды қорытатын гидролиттік ферменттер бар шар тәрізді көпіршіктер. Лизосоманың мембраналық және люмендік ақуыздары ерекше құрамына ие. Люменнің pH (~4,5–5,0) гидролиз процесіне қатысатын ферменттер үшін оңтайлы, асқазанның әрекетіне ұқсас. Полимерлердің ыдырауынан басқа, лизосома жасушаның секреция процестеріне, плазмалық мембрананы жөндеуге, апоптозға, жасушалық сигнализацияға және энергия алмасуына қатысады. Лизосомалар – жасушаның қалдықтарды жою жүйесі ретінде әрекет ететін деградациялық органеллалар, жасушаның ішіндегі және сыртындағы пайдаланылған материалдарды цитоплазмада қорыту арқылы осы қызметті атқарады. Жасушаның сыртынан материал эндоцитоз арқылы сіңіріледі, ал жасушаның ішіндегі материал автофагия арқылы қорытылады. Оларды бельгиялық биолог Кристиан де Дюв ашқан және атаған, ол 1974 жылы физиология немесе медицина саласындағы Нобель сыйлығын алған. Лизосомаларда 60-тан астам әртүрлі фермент және 50-ден астам мембраналық ақуыз бар. Лизосома ферменттері дөңгелек эндоплазмалық торда (rough endoplasmic reticulum) синтезделеді және CLN6 және CLN8 ақуыздарынан тұратын кешен арқылы Гольджи аппаратына экспортталады. Ферменттер Гольджи аппаратынан кішкентай көпіршіктерде лизосомаларға тасымалданады, олар үлкен қышқыл көпіршіктермен бірігіп тұрады. Лизосомаға арналған ферменттер маноза-6-фосфат молекуласымен белгіленеді, осылайша олар қышқылданған көпіршіктерге дұрыс сұрыпталады. 2009 жылы Марко Сардиелло және оның әріптестері лизосомалық ферменттер мен мембраналық ақуыздардың синтезін ядролық гендердің транскрипциясын ынталандыратын транскрипция факторы EB (TFEB) басқаратынын анықтады. Бұл ферменттердің гендеріндегі мутациялар 50-ден астам әртүрлі адам генетикалық ауруларына, олар жиынтығында лизосомалық сақтау аурулары деп аталады, себепші болады. Бұл аурулар оларды ыдырата алмаудың салдарынан белгілі бір субстраттардың жинақталуына әкеледі. Бұл генетикалық ақаулар бірнеше нейродегенеративті аурулармен, қатерлі ісіктермен, жүрек-қан тамырлары ауруларымен және қартаюмен байланысты аурулармен байланысты.

Этимологиясы мен айтылуы

Лизосома сөзі (лизосома - лизис, латын тілінен алынған, "босаңсыту" мағынасын білдіреді, көне грек тілінен λύσις [lúsis] арқылы), және сома – "дене" дегенді білдіреді, нәтижесінде "лизис жасайтын дене" немесе "литтік дене" деген мағына туады. Сын есім түрі лизосомалық. *лиосома және *лиосомалық формалары өте сирек кездеседі; олар префикстің лио түрін пайдаланады, бірақ оқырмандар мен редакторлар көбінесе оларды жай ғана баспа қатесінің қайталануы деп қабылдайды, және бұл көбінесе дұрыс болып келеді.

Ашылу

Бельгиядағы Лувен католик университетінің физиологиялық химия зертханасында Кристиан де Дюве инсулиннің бауыр жасушаларындағы әрекет ету механизмін зерттеді. 1949 жылға қарай ол және оның командасы қант метаболизмінің алғашқы маңызды ферменті және инсулиннің нысаны болып табылатын глюкоза-6-фосфатаза деп аталатын ферментке назар аударды. Олар бұл ферменттің қандағы қант деңгейін реттеуде маңызды рөл атқаратынын күдіктенді. Бірақ бірнеше тәжірибеден кейін де олар ферментті тазалап, жасушалық экстракттан бөліп ала алмады. Сондықтан олар жасуша компоненттерін олардың мөлшеріне қарай центрифуга арқылы бөлуге негізделген жасушаларды бөлшектеудің күрделі әдісін сынап көрді. Олар микросомалық фракциядан фермент белсенділігін анықтауға қол жеткізді. Бұл лизосомалардың кездейсоқ ашылуындағы шешуші қадам болды. Бұл фермент белсенділігін бағалау үшін олар стандартталған фермент – қышқыл фосфатазаны пайдаланды және белсенділігі күтілген мәннің 10% ғана екенін анықтады. Бір күні бес күн бойы тоңазытқышта сақталған тазартылған жасуша фракцияларының фермент белсенділігі өлшенді. Кереметі, фермент белсенділігі жаңа үлгідегіден қалыпты деңгейге дейін өсті. Олар бұл бағалауды неше рет қайталаса да, нәтиже бірдей болды, бұл ферменттің субстратына қолжетімділігін мембрана тәрізді кедергі шектеді және ферменттер бірнеше күннен кейін таралып (субстраттарымен әрекеттесе алады) деген қорытындыға келдірді. Олар бұл мембрана тәрізді кедергіні "мембранамен қоршалған және құрамында қышқыл фосфатаза бар қап тәрізді құрылым" деп сипаттады. Бұл жасушалық фракциядан алынған фермент мембраналық фракциялардан шыққандығы анық болды, олар жасуша органеллалары еді, ал 1955 жылы Де Дюве оларды ас қорыту қасиеттерін көрсететін "лизосомалар" деп атады. Сол жылы Вермонт университетінен Алекс Б. Новиков Де Дюве зертханасына келіп, жаңа органелланың алғашқы электрондық микрофотоларын сәтті алды. Де Дюве мен Новиков қышқыл фосфатазаға бояу әдісін қолданып, лизосомалардың гидролиттік ферменттерінің орналасқан жерін жарық және электрондық микроскопиялық зерттеулер арқылы растады. Де Дюве осы жаңалық үшін 1974 жылы физиология немесе медицина саласындағы Нобель сыйлығын алды. Бастапқыда Де Дюве органеллаларды жасушалардың "өлім қаптары" немесе "өзіне қол жұмсау қаптары" деп атаған, олардың апоптоздағы болжамды рөліне байланысты. Бірақ содан бері олар жасуша өліміне аз ғана үлес қосатыны анықталды.

Функциясы мен құрылымы

Лизосомалар әртүрлі ферменттерді қамтиды, бұл жасушаға пептидтер, нуклеин қышқылы, көмірсулар және липидтер (лизосомалық липаза) сияқты әртүрлі биомолекулаларды ыдыратуға мүмкіндік береді. Бұл гидролиз үшін жауапты ферменттер оңтайлы жұмыс істеу үшін қышқыл ортаны қажет етеді. Полимерлерді ыдырату қабілетімен қатар, лизосомалар басқа органеллалармен бірігіп, ірі құрылымдарды немесе жасушалық қалдықтарды қорытуға қабілетті; фагосомалармен ынтымақтастық арқылы олар автофагияны жүзеге асырып, зақымдалған құрылымдарды тазартады. Сол сияқты, олар макрофагтардың фагоцитозы кезінде вирус бөлшектерін немесе бактерияларды ыдырата алады. Лизосомалардың мөлшері 0,1 мкм-ден 1,2 мкм-ге дейін ауытқиды. pH шамамен ~4,5–5,0 диапазонында, лизосомалардың ішкі ортасы, сәл сілтілі цитозолмен (pH 7,2) салыстырғанда қышқыл. Лизосомалық мембрана цитозолды, демек, жасушаның қалған бөлігін лизосома ішіндегі ыдырату ферменттерінен қорғайды. Жасуша цитозолға түсетін лизосомалық қышқыл гидролазалардан да қорғалған, себебі бұл ферменттер pH-қа сезімтал және цитозолдың сілтілі ортасында тиімді жұмыс істемейді немесе мүлдем жұмыс істемейді. Бұл лизосомадан гидролиздік ферменттер ағып кеткен жағдайда цитозольдік молекулалар мен органеллалардың жойылмауын қамтамасыз етеді. Лизосома протондық сорғылар мен хлорид иондық каналдар арқылы мембрана арқылы цитозолдан протонды (H+ иондарын) сору арқылы pH айырмашылығын сақтайды. Вакуолярлы АТФазалар протонды тасымалдау үшін жауапты, ал хлорид иондарының кері тасымалын ClC 7 Cl−/H+ антипортер жүзеге асырады. Осылайша тұрақты қышқыл орта сақталады. Ол әртүрлі субстраттарға қатысты ферменттерді импорттау арқылы ыдыратудың жан-жақты қабілетін алады; катепсиндер гидролиздік ферменттердің басты класы болып табылады, ал лизосомалық альфа-глюкозидаза көмірсуларға, ал лизосомалық қышқыл фосфатаза фосфолипидтердің фосфат топтарын босатуға жауапты. Соңғы зерттеулер лизосомалардың жасуша ішіндегі кальцийдің көзі ретінде де қызмет ететінін көрсетеді.

Құрылу

Жануарлар жасушаларының көптеген құраушылары мембрананың ішіне немесе оның бөліктеріне енгізілу арқылы қайта пайдаланылады. Мысалы, эндоцитоз (әсіресе макропиноцитоз) кезінде жасушаның плазмалық мембранасының бір бөлігі жасуша ішіндегі органелламен бірігіп, көпіршіктер құрайды. Егер белсенді толықтыру болмаса, плазмалық мембрананың мөлшері үздіксіз кеми түседі. Лизосомалар осы динамикалық мембраналық алмасу жүйесіне қатысады деп саналады және эндосомалардан біртіндеп жетілу процесі арқылы қалыптасады. Лизосомалық ақуыздардың өндірісі лизосомаларды сақтаудың бір жолын ұсынады. Лизосомалық ақуыз гендері ядрода транскрипция факторы EB (TFEB) бақылауымен жүзеге асырылатын процесс арқылы транскрипцияланады. Гольги аппаратынан шыққаннан кейін лизосомалық ферменттерге толы көпіршіктер pH шамамен 5,5 болатын салыстырмалы түрде қышқыл органелла – кешіккен эндосомамен бірігеді. Бұл қышқыл орта лизосомалық ферменттердің манноза-6-фосфат рецепторларынан бөлінуіне себеп болады. Ферменттер одан әрі лизосомаларға тасымалдану үшін көпіршіктерге жиналады. Сонымен қатар, холера токсині сияқты AB5 токсиндері лизосомалық ыдыраудан қашады, эндосомалық жолды иеленеді. Лизосомалық сақтау ауруларын (LSD) емдеуге арналған тікелей медициналық емделмеушілік бар. Ең көп таралған LSD – Гаушер ауруы, ол глюкоцереброзидаза ферментінің жетіспеушілігінен туындайды. Осының салдарынан фермент субстраты – май қышқылы глюкозилцерамид, әсіресе ақ қан жасушаларында жиналып, семізек, бауыр, бүйрек, өкпе, ми және сүйек кемігіне әсер етеді. Ауру көкжиектер, шаршау, анемия, төмен қан тромбоциттері, остеопороз, бауыр мен семізек бездің үлғаюымен сипатталады. 2017 жылғы мәліметтер бойынша, 50-60 белгілі LSD-нің 8-іне фермент алмастыру терапиясы қолжетімді. Лизосомалық сақтау ауруының ең ауыр және сирек кездесетін түрі – инклюзиялық жасуша ауруы. Метахроматикалық лейкодистрофия – лизосомалық сақтаудың тағы бір ауруы, ол сфинголипидтер метаболизміне де әсер етеді. Дисфункционалдық лизосома белсенділігі қартаю биологиясымен және Альцгеймер, Паркинсон және жүрек-қан тамырлары аурулары сияқты жасқа байланысты аурулармен тығыз байланысты.

Лизосомаларда кездесетін әртүрлі ферменттер

+№Кезек № ферменттеріСубстрат 1ФосфаттарA Қышқыл фосфатазаФосфомоноэстерлерБ Қышқыл фосфодиэстеразаОлигонуклеотидтер және фосфодиэстераза2Нүклеазалар A Қышқыл рибонуклеазаРНКБ Қышқыл дезоксирибонуклеазаДНК3Полисахаридтер / мукополисахаридтер гидролиздеуші ферменттерA β-ГалактозидазаГалактозидтерB α-ГлюкозидазаГликогенC α-МаннозидазаМаннозидтер, гликопротеиндерD β-ГлюкуронидазаПолисахаридтер және мукополисахаридтерE ЛизозимдерБактериялық жасуша қабырғалары және мукополисахаридтерF ГиалуронидазаГиалурон қышқылы, хондроитин сульфаттарыH АрилсульфатазаОрганикалық сульфаттар4ПротеазаларA Катепсин(дер)АқуыздарB КоллагеназаКоллагенC ПептидазаПептидтер5Липидтерді ыдыратушы ферменттер A ЭстеразаМайлы ацил эстерлеріB ФосфолипазаФосфолипидтер6СульфатазаларA Арилсульфатаза (A, B және G)O және N сульфат эстерлеріB Глюкозамин (N ацетил) 6 сульфатаза/GNSГликозаминогликандарC Идуронат 2 сульфатаза/IDS O және N сульфат эстерлері

Лизосомотропизм

Липофильді қасиеттері бар әлсіз негіздер лизосомалар сияқты қышқыл ортадағы жасушаішілік бөлімдерде жиналады. Плазмалық және лизосомалық мембраналар әлсіз негіздердің бейтарап және зарядталмаған түрлеріне өткізгіш болғанымен, зарядталған протонды түрлері биомембраналар арқылы өте алмайды және лизосомалар ішінде жиналады. Лизосомалардағы концентрация жасуша сыртындағы концентрациядан 100-ден 1000 есе жоғары деңгейге жете алады. Бұл құбылыс лизосомотропизм, «қышқыл тұтқындау» немесе «протондық сорғы» эффектісі деп аталады. Лизосомотроптық қосылыстардың жинақталу мөлшерін бағалау үшін жасушалық математикалық модельді пайдалануға болады. Клиникалық жағдайда қолданылатын дәрілердің көп бөлігі липофильді әлсіз негіздер болып табылады және лизосомотроптық қасиеттерге ие. Бұл осы дәрілердің бірқатар фармакологиялық қасиеттерін түсіндіреді, мысалы, тіндердегі қанға қарағанда жоғары концентрация градиенттері немесе тіндерден ұзақ шығарылу кезеңі; бұл қасиеттер галоперидол, левомепромазин және амантадин сияқты дәрілерде кездеседі. Дегенмен, тіндердегі жоғары концентрация және ұзақ шығарылу кезеңі липофильділікпен және дәрінің майлы тіндерге сіңуімен де түсіндіріледі. Лизосомада жинақталған дәрілер лизосомалық маңызды ферменттерді, мысалы, қышқыл сфингомиелиназаны тежеуі мүмкін. Мұндай қосылыстар FIASMAs (қышқыл сфингомиелиназаның функционалдық ингибиторы) деп аталады және мысалы, флуоксетин, сертралин немесе амитриптилин сияқты препараттарды қамтиды. Амброксол – клиникалық қолданыстағы лизосомотроптық препарат, ол муколитикалық әсері арқасында өнімді жөтелді емдеу үшін қолданылады. Амброксол лизосомалық pH-ты бейтараптандыру және қышқыл кальций қорынан кальцийді босату арқылы лизосомалардың экзоцитозын күшейтеді. Осы себепті, Амброксол Паркинсон ауруы немесе лизосомалық сақтау аурулары сияқты лизосомалық генезі бар кейбір ауруларда жасушалық функцияларды жақсартатыны анықталды.

Жүйелік эрифематоздық қызыл түктік

Лизосомалардың бұзылған функциясы жүйелі қызыл жегіде айқын байқалады, бұл макрофагтар мен моноциттерге нейтрофильдердің клеткадан тыс тұзақтарын және иммундық кешендерді ыдыратуға кедерес келтіреді. Ішке сіңген иммундық кешендерді ыдырата алмаудың себебі – лизосомалардың қышқылдануын нашарлататын созылмалы mTORC2 белсенділігі. Осының салдарынан лизосомадағы иммундық кешендер макрофагтардың бетіне қайта оралып, қызыл жегімен байланысты бірнеше патологиялардың алдындағы ядролық антигендердің жиналуына алып келеді.

Ботаникадағы дау

Ғылыми конвенция бойынша лизосома термині осы везикулярлы органеллаларға жануарларда ғана қолданылады, ал вакуоль термині өсімдіктерде, саңырауқұлақтар мен балдырларда қолданылады (кейбір жануарлар жасушаларында да вакуольдер болады). 1970 жылдардан бері өсімдік жасушаларында жасалған жаңа ашылымдар бұл анықтамаға күдік тудыра бастады. Өсімдік вакуольдерінің құрылымы мен функциясы бұрынғыдан әлдеқайда әртүрлі екені анықталды. Кейбір вакуольдерде өздерінің гидролиттік ферменттері болады және классикалық лизосомалық қызметті, яғни автофагияны атқарады. Сондықтан бұл вакуольдер жануарлар лизосомасының қызметін атқарады деп саналады. Де Дювтің "лизосома термині тек қана клеткаішілік қорытуға тікелей немесе жанама қатысы бар жүйенің құрамы ретінде қарастырылғанда ғана физиологиялық бірлікті сипаттайды" деген сипаттамасына сүйене отырып, кейбір ботаниктер осы вакуольдер лизосомалар екенін қатты дәлелдеді. Дегенмен, бұл барлыққа бірдей қабылданбады, себебі вакуольдер лизосомалардан мүлдем өзгеше, мысалы, олардың ерекше ферменттері және фагоциттік функцияларының жоқтығы. Вакуольдерде катаболикалық белсенділік болмайды және лизосомалар сияқты экзоцитозға түспейді.