Lysosom

Übergeordnet
Organell
Untergeordnet
Lysosomenmembran
Lysosom-Glycocalyx
Lumen
Proteinkomplexe
Gene Ontology
QuickGO
Organisation einer typischen eukaryotischen Tierzelle

Lysosomen sind Zellorganellen in tierischen Zellen. Es handelt sich dabei um von einer einfachen Biomembran umschlossene Vesikel mit saurem pH-Wert. Sie enthalten Verdauungsenzyme und werden teilweise im Golgi-Apparat gebildet. Die Funktion der Lysosomen besteht darin, Biopolymere in ihre Monomere zu zersetzen.[1] In Pflanzenzellen wird diese Funktion von den Vakuolen erfüllt.[2][3]

Aufbau

Lysosomen haben einen Durchmesser von 0,1–1,1 μm. Sie enthalten zur intrazellulären Verdauung von Material viele verschiedene hydrolysierende Enzyme wie Proteasen, Nukleasen und Lipasen. Diese Enzyme dienen der Hydrolyse von Proteinen, Polysacchariden, Nucleinsäuren und Lipiden, also aller wichtigen Gruppen von Makromolekülen. Diese erreichen nur eine hohe Aktivität in einer sauren Umgebung mit einem pH von 4,5–5. Dies dient dem Schutz der Zelle bei einem Aufbruch eines Lysosoms. In einem solchen Fall wären die Enzyme im pH-neutralen Milieu des Cytosols 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 zwei Protonen (H+) in die Lysosomen. Die Membranproteine sind auf der Innenseite zum Schutz vor der Selbstverdauung stark glykosyliert.

Entstehung

Die hydrolytischen Enzyme und die Lysosomenmembran werden vom rauen (granulären) 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 (Heterophagie) aber auch zelleigenes (Autophagie) Material. Dies geschieht auch beim programmierten Zelltod.

Verdauung zellfremden Materials

Lysosomen wirken auf mehrere Weisen an der Verdauung auf Zellebene mit. Durch Endozytose entstandene Endosomen verschmelzen mit primären Lysosomen zu sekundären Lysosomen. Bei Protisten wird dies Nahrungsvakuole genannt. In einigen Zelltypen werden Bruchstücke des im Lysosom verdauten zellfremden Materials in Form sogenannter Antigenfragmente durch MHC-II-Rezeptoren an der Zelloberfläche präsentiert. Dieser Vorgang spielt eine wichtige Rolle im Immunsystem. Als Beispiel für menschliche Zellen, die hierzu fähig sind, 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 Zytosols 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 (Apoptose) durch eigene Lysosomenenzyme ist eine wichtige Aufgabe der Lysosomen. Durch Apoptose werden beispielsweise der Schwanz der Kaulquappe bei Amphibien oder die Schwimmhäute zwischen den Fingern des menschlichen Embryos abgebaut.

Erkrankungen mit lysosomaler Beteiligung

Ein Defekt in der Phosphotransferase führt zu einer so genannten lysosomalen Speicherkrankheit. Da keine Markierung mit Mannose-6-Phosphat stattfinden kann, werden die lysosomalen Enzyme nicht sortiert und gelangen unkontrolliert über die Plasmamembran in die extrazelluläre Matrix (I-Zellkrankheit, autosomal rezessiv vererbt). Andere lysosomale Speicherkrankheiten werden durch Defekte lysosomaler Hydrolasen ausgelöst. Dadurch kommt es zur Vermehrung von nicht-abgebautem Material in den Lysosomen (z. B. Morbus Hunter). Meistens sind schwere Krankheitserscheinungen die Folge.

Lysosomale Kumulation von Pharmaka

Schwache Basen mit lipophilen Eigenschaften neigen zur Akkumulation in sauren intrazellulären Kompartimenten wie den Lysosomen. Während die Plasma- und Lysosomenmembranen für die neutralen, ungeladenen Formen solcher Moleküle durchlässig sind, passieren die geladenen, protonierten Formen schwacher Basen die Membranen nicht und kumulieren in Lysosomen. Im Vergleich zum extrazellulären Bereich kann sich dadurch im Lysosom eine 100 bis 1000fach höhere Konzentration der schwachen Basen aufbauen. Dieser Mechanismus wird "Lysosomotropie"[4] oder auch "acid trapping" genannt. Über ein zellbasiertes mathematisches Modell lässt sich die Kumulation lysosomotroper Substanzen berechnen.[5]

Viele klinisch eingesetzte Medikamente sind schwache Basen und kumulieren in Lysosomen. Darüber lassen sich verschiedene pharmakologische Eigenschaften solcher Medikamente erklären. So liegt die Gewebekonzentration lysosomotroper Medikamente deutlich über der Plasmakonzentration; und die Halbwertszeit im Gewebe ist höher als im Plasma; als Beispiele seien hier Haloperidol,[6] Levomepromazin[7] oder Amantadin[8] genannt. Zu den hohen Gewebekonzentrationen und langen Gewebehalbwertszeiten trägt neben der lysosomalen Akkumulation auch die Lipophilie der Substanzen und deren Absorption in fetthaltigen Gewebestrukturen bei. Wichtige lysosomale Enzyme, wie die saure Sphingomyelinase, können durch lysosomal akkumulierte Medikamente gehemmt werden.[9][10] Solche Substanzen werden FIASMAs genannt. Dieses Akronym leitet sich von der englischen Bezeichnung Functional Inhibitor of Acid SphingoMyelinAse ab;[11] zu dieser Substanzgruppe gehören z.B. Fluoxetin, Sertralin oder Amitriptylin.

Literatur

  • Bruce Alberts u. a.: Molecular Biology of the Cell. 4. Auflage. Garland Science, New York 2002, ISBN 0-8153-4072-9.
  • Neil A. Campbell, Jane B. Reece: Biologie. 6. Auflage. Spektrum, Heidelberg 2003, ISBN 3-8274-1352-4.

Einzelnachweise

  1. W.K.Purves, et al.: Biologie, 7. Auflage, Spektrum Akademischer Verlag, 2006, ISBN 3-8274-1630-2, S. 89
  2. De DN, CSIRO (Australia): Plant cell vacuoles: an introduction CSIRO Publishing, 2000. ISBN 0-643-06254-8. S. 259
  3. UniProt-Suchergebnis: Lysosomale Proteine nach Taxon aufgeschlüsselt
  4. C. de Duve, T. de Barsy, B. Poole, A. Trouet, P. Tulkens, F. van Hoof. Lysosomotropic agents. Biochem. Pharmacol. 23:2495-2531, 1974. PMID 4606365
  5. S. Trapp, G. Rosania, R. W. Horobin, J. Kornhuber. Quantitative modeling of selective lysosomal targeting for drug design. Eur.Biophys.J. 37 (8):1317-1328, 2008. PMID 18504571
  6. J. Kornhuber, A. Schultz, J. Wiltfang, I. Meineke, C. H. Gleiter, R. Zöchling, K. W. Boissl, F. Leblhuber, P. Riederer. Persistence of haloperidol in human brain tissue. Am.J.Psychiatry 156:885-890, 1999. PMID 10360127
  7. J. Kornhuber, H. Weigmann, J. Röhrich, J. Wiltfang, S. Bleich, I. Meineke, R. Zöchling, S. Hartter, P. Riederer, C. Hiemke. Region specific distribution of levomepromazine in the human brain. J.Neural Transm. 113:387-397, 2006. PMID 15997416
  8. J. Kornhuber, G. Quack, W. Danysz, K. Jellinger, W. Danielczyk, W. Gsell, P. Riederer. Therapeutic brain concentration of the NMDA receptor antagonist amantadine. Neuropharmacology 34:713-721, 1995. PMID 8532138
  9. J. Kornhuber, P. Tripal, M. Reichel, L. Terfloth, S. Bleich, J. Wiltfang, E. Gulbins. Identification of new functional inhibitors of acid sphingomyelinase using a structure-property-activity relation model. J.Med.Chem. 51:219-237, 2008. PMID 18027916
  10. J. Kornhuber, M. Muehlbacher, S. Trapp, S. Pechmann, A. Friedl, M. Reichel, C. Mühle, L. Terfloth, T. W. Groemer, G. M. Spitzer, K. R. Liedl, E. Gulbins, P. Tripal. Identification of novel functional inhibitors of acid sphingomyelinase. PLoS ONE 6 (8):e23852, 2011. PMID 21909365
  11. J. Kornhuber, P. Tripal, M. Reichel, C. Mühle, C. Rhein, M. Muehlbacher, T. W. Groemer, E. Gulbins. Functional inhibitors of acid sphingomyelinase (FIASMAs): a novel pharmacological group of drugs with broad clinical applications. Cell.Physiol.Biochem. 26:9-20, 2010. PMID 20502000

Weblinks

Wiktionary Wiktionary: Lysosom – Bedeutungserklärungen, Wortherkunft, Synonyme, Übersetzungen

Ähnliche Artikel wie "Lysosom"

24.04.2019
Genetik | Fischkunde
Lang lebe Nemo! – Neues Tiermodell für die Alternsforschung?
Clownfische können im Aquarium über 20 Jahre alt werden.

Diese Artikel könnten dir auch gefallen

Die letzten News

22.01.2021
Ethologie | Primatologie
Befreundete Schimpansen kämpfen gemeinsam gegen Rivalen
Menschen kooperieren in großen Gruppen miteinander, um Territorien zu verteidigen oder Krieg zu führen.
22.01.2021
Ökologie | Neobiota
Invasion: Bedrohung durch den Afrikanischen Krallenfrosch wesentlich größer als gedacht
Ein internationales Forscherteam um die beiden Herpetologen Philipp Ginal und Dennis Rödder vom Zoologischen Forschungsmuseum Koenig – Leibniz-Institut für Biodiversität der Tiere (ZFMK, Museum Koenig) nutzen einen neuen Ansatz zur Abschätzung des invasiven Potenzials einer Art.
22.01.2021
Neurobiologie
Grösse von Nervenverbindungen bestimmt Stärke des Signals
Nervenzellen kommunizieren miteinander via Synapsen.
22.01.2021
Mykologie | Land-, Forst- und Viehwirtschaft
Getreidelagerung: Naturstoffe wirksamer als chemische Insektizide
Senckenberg-Wissenschaftler Thomas Schmitt hat die Wirksamkeit von Kieselerde und einem parasitischen Pilz als Schutz vor Schadinsekten an Getreide im Vergleich zu einem chemischen Insektizid untersucht.
22.01.2021
Biotechnologie | Insektenkunde
Bioinspirierte Robotik: Von Libellen lernen
Forschungsteam der Uni Kiel entschlüsselt Fangapparat der aquatischen Jäger.
20.01.2021
Genetik | Evolution
Was das Genom des Lungenfischs über die Landeroberung der Wirbeltiere verrät
Das vollständig sequenzierte Genom des Australischen Lungenfisches ist das größte sequenzierte Tiergenom und hilft, den Landgang der Wirbeltiere besser zu verstehen.
20.01.2021
Zoologie | Ethologie
Weniger gestresst: Hochrangige Hyänenmännchen haben bei Weibchen beste Chancen
Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler des Leibniz-Instituts für Zoo- und Wildtierforschung (Leibniz-IZW) haben herausgefunden, dass die Interaktion mit anderen Männchen für rangniedrige Tüpfelhyänenmännchen "stressiger" ist als für hochrangige.
18.01.2021
Zytologie | Entwicklungsbiologie
Die ersten Löwen-Embryonen aus eingefrorenen Eizellen
E
18.01.2021
Mikrobiologie | Biochemie | Biotechnologie
Mikroorganismus baut Phenol unter extremen Bedingungen ab
Forschende vom Leibniz-Institut DSMZ in Braunschweig haben den Abbau von Phenol durch Saccharolobus solfataricus charakterisiert.
18.01.2021
Physiologie | Land-, Forst- und Viehwirtschaft
Methanausstoß von Milchkühen messen
Wissenschaftler des Instituts für Nutztierbiologie Dummerstorf haben ein neues Verfahren zur Vorhersage des Methanausstoßes einer Milchkuh entwickelt.
18.01.2021
Zoologie | Genetik | Ethologie
Berliner Igel bilden keine genetisch isolierten Bestände
Igel leben sowohl auf dem Lande als auch in größeren Städten.
16.01.2021
Botanik | Taxonomie
Die einzigartige Flora Neukaledoniens
Sieben neue Arten der Hundsgiftgewächse (Apocynaceae) haben Forscher*innen der Universität Bayreuth in Neukaledonien entdeckt. Auf den Spuren des britischen Entdeckers James Cook untersuchten sie im Frühjahr 2019 die Flora auf der Inselgruppe im Südwestpazifik.
16.01.2021
Taxonomie | Fischkunde
Neue Fischgattung aus Indien: Der Kiemenschlitzaal
Senckenberg-Wissenschaftler Ralf Britz hat gemeinsam mit internationalen Kolleg*innen eine neue Fischgattung beschrieben.
16.01.2021
Anthropologie
Wo man lebt, prägt das Verhalten
Je nachdem, wo auf der Welt sie leben, organisieren Menschen aus Jäger- und Sammlergesellschaften sich ihr Leben zum Beispiel bei der Nahrungssuche, Fortpflanzung, Betreuung des Nachwuchses und sogar hinsichtlich ihres sozialen Umfelds ähnlich wie Säugetier- und Vogelarten, mit denen sie ihren Lebensraum teilen.
16.01.2021
Ökologie | Biochemie
Wie Pflanzen Abwehrgifte bilden ohne sich selbst zu schaden
In einer neuen Studie klären Forschende des Max-Planck-Instituts für chemische Ökologie und der Universität Münster die Biosynthese und genaue Wirkungsweise von Diterpen-Glykosiden in wilden Tabakpflanzen auf.
13.01.2021
Zoologie | Ethologie | Meeresbiologie
Kegelrobben fressen Seehunde, Schweinswale – und ihre Artgenossen
Kegelrobben (Halichoerus grypus) sind Deutschlands größte freilebende Raubtiere. Viele Feriengäste kennen das Bild, wenn sie auf Helgoland am Strand oder in anderen Nordseeregionen auf Sandbänken liegen – friedlich nebeneinander oder neben Seehunden.
12.01.2021
Botanik | Ökologie | Insektenkunde
Schmetterling beweist: Karpaten waren in der Eiszeit teilweise bewaldet
Senckenberg-Wissenschaftler haben die Rückzugsorte des Tagfalters Erebia aethiops während der letzten Eiszeit in Europa untersucht.
12.01.2021
Mikrobiologie | Biochemie
Bakterium produziert pharmazeutische Allzweckwaffe
Ein Wirkstoff aus den Blättern einer Zierpflanze gilt seit einigen Jahren als möglicher Vorreiter einer neuen Gruppe potenter Medikamente.
11.01.2021
Zoologie | Physiologie | Video
Neon-grünes Leuchten beim Wüstengecko
Forschende der Zoologischen Staatssammlung München (SNSB-ZSM), der LMU und der Hochschule München haben entdeckt, dass der Wüstengecko Pachydactylus rangei aus Namibia unter UV-Licht stark neon-grün fluoreszierende Streifen an den Körperseiten und um die Augen zeigt.
11.01.2021
Ethologie | Land-, Forst- und Viehwirtschaft
Ziegen mögen Denksport
Wissenschaftler untersuchten in einem Deutsch-Schweizer Projekt die Lernfähigkeit von Ziegen.
09.01.2021
Ethologie | Neurobiologie
Schlaf für Erholung des Gehirns unersetzlich
Forscher*innen des Universitätsklinikums Freiburg weisen erstmals direkt nach, dass während des Schlafens im Gehirn aktive Erholungsprozesse ablaufen, die sich nicht durch Ruhe ersetzen lassen. Die Erkenntnisse sind relevant für optimale Leistung.
07.01.2021
Ökologie | Biodiversität
Starker Rückgang einer einst zahlreichen Tierart
Eine erneute Untersuchung der Puku-Antilopen im Kasanka Nationalpark in Sambia dokumentiert einen starken Rückgang.
07.01.2021
Ethologie | Video | Primatologie
Guineapaviane grunzen mit Akzent
Vokales Lernen führt zur Anpassung der Lautstruktur in einer mehrstufigen Pavian-Gesellschaft.
07.01.2021
Klimawandel | Meeresbiologie
Das neue Gesicht der Antarktis
Die Antarktis könnte künftig ergrünen und von neuen Arten besiedelt werden. Andererseits dürften Spezies verschwinden.
07.01.2021
Klimawandel | Meeresbiologie | Neobiota
Biodiversitäts-Kollaps im östlichen Mittelmeer
Ein internationales Forschungsteam unter der Leitung von Paolo G.