Lysosomen, Endosomen und Exosomen

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Lysosomen – Struktur, Enzymkomplement und Funktionen

Struktur der Lysosomen

Lysosomen sind kleine, membranumhüllte Vesikel, die in eukaryotischen Zellen eine zentrale Rolle bei der Verdauung und Recycling zelleigener sowie zellfremder Substanzen spielen. Sie werden vom Golgi-Apparat abgeschnürt. Die umgebende Membran dient dabei nicht nur als Schutzschicht, sondern ermöglicht auch die Aufrechterhaltung eines hoch sauren pH-Wertes im Inneren, der für die Aktivität ihrer Enzyme notwendig ist.

Überblick über die Zelle. Nummer 10 zeigt ein Lysosom.1

Enzymkomplement der Lysosomen

Lysosomen enthalten eine Vielzahl an hydrolytischen Enzymen, die Biomoleküle bei einem optimalen pH-Wert von etwa 4 bis 4,5 abbauen können. Dazu gehören:

  • Proteasen und Peptidasen: Diese Enzyme spalten Proteine und Peptide in kleinere Fragmente oder einzelne Aminosäuren.
  • Nucleasen: Sie zerlegen Nukleinsäuren wie DNA und RNA in ihre Bausteine.
  • Lipasen: Diese Enzyme spalten Lipide in Glycerol und freie Fettsäuren.
  • Glykosidasen: Sie hydrolysieren die Bindungen von Zuckerstrukturen in Glykoproteinen oder Polysacchariden.

Diese Enzyme sind spezialisiert darauf, sowohl zelleigenes Material (Autophagie) als auch zellfremdes Material (Heterophagie) effizient abzubauen. Phosphatasen, die Phosphorsäureester spalten, tragen ebenfalls zum Abbau bei, obwohl sie im Gegensatz zu Synthetasen und Ligasen nicht an synthetischen oder Ligationstätigkeiten beteiligt sind, die typischerweise nicht in Lysosomen stattfinden.

Die Enzyme innerhalb der Lysosomen sind stark auf ihre Aufgaben spezialisiert und werden nicht in Prozessen wie der β-Oxidation oder der Atmungskette eingesetzt. Ihre Aktivität ist streng auf das Innere der Lysosomen beschränkt, da das umgebende Zytoplasma einen neutralen pH hat, an dem diese Enzyme nicht funktional sind.

Funktionen der Lysosomen

Die Hauptfunktionen von Lysosomen umfassen:

Autophagie

Lysosomen sind entscheidend für den Abbau und Recycling zelleigener Strukturen, etwa beschädigter oder alternder Zellorganellen wie Mitochondrien. Dies ist wesentlich für die Erhaltung der Zellgesundheit und -funktionalität.

Heterophagie

Darüber hinaus spielen Lysosomen eine wichtige Rolle beim Abbau von Materialien, die von außen aufgenommen werden, etwa durch Endozytose oder Phagozytose. Die Verschmelzung von Lysosomen mit Endosomen führt zur Bildung von Endolysosomen, und die Fusion mit Phagosomen ermöglicht die Formung von Phagolysosomen für den Abbau zellfremden Materials wie Bakterien.

Immunabwehr und Antigenpräsentation

Lysosomen tragen zur Immunabwehr bei, indem sie zellfremdes Material abbauen, das für die Antigenpräsentation relevant sein kann. Der detaillierte Abbau von Bakterien oder Viren innerhalb von Phagolysosomen ermöglicht die Generierung von Peptiden, die dann durch MHC-Moleküle an der Zelloberfläche präsentiert werden und so eine adaptive Immunantwort initiieren können.

Besonderes Augenmerk des IMPP

Das IMPP fragt besonders gerne nach der Rolle von Lysosomen bei der Autophagie und ihrer Bedeutung für die Aufrechterhaltung der zellulären Homöostase. Versteht die spezifischen Funktionen der in Lysosomen enthaltenen Enzyme und ihre Aktivierung durch den sauren pH-Wert.

Abschließend ist hervorzuheben, dass die Glykosylierung der Membranproteine und die Anwesenheit von Aminosäure-Transportern kritisch für die Funktion der Lysosomen sind, da sie zum Schutz der Enzyme vor Selbstverdauung und zur effizienten Nutzung der Verdauungsprodukte beitragen.

Zusammenfassung

  • Lysosomenstruktur: Kleine, membranumhüllte Vesikel, abgeschnürt vom Golgi-Apparat, mit einer sauren pH-Umgebung im Inneren, die entscheidend für die Enzymaktivität ist.
  • Enzymkomplement der Lysosomen: Beinhalten hydrolytische Enzyme wie Proteasen, Nucleasen, Lipasen und Glykosidasen, die sowohl zelleigenes Material (Autophagie) als auch zellfremdes Material (Heterophagie) abbauen.
  • Hauptfunktionen: Autophagie unterstützt den Abbau beschädigter Zellorganellen zur Erhaltung der zellulären Homöostase; Heterophagie befasst sich mit dem Abbau von externen Materialien durch Prozesse wie Endozytose und Phagozytose.
  • Immunabwehr durch Lysosomen: Spielen eine Rolle bei der Immunabwehr durch Abbau von zellfremdem Material und die Präsentation von Antigenen auf der Zelloberfläche, was zur Initiierung einer adaptiven Immunantwort führt.
  • Bedeutung des sauren pH-Werts: Der saure pH-Wert innerhalb der Lysosomen ist kritisch für die Aktivierung und Funktion ihrer spezialisierten Enzyme, da diese außerhalb dieser Bedingungen nicht funktional sind.

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Footnotes

  1. Credits Überblick über die Zelle. Nummer 10 zeigt ein Lysosom. Grafik: MesserWoland and Szczepan1990, Biological cell, CC BY-SA 3.0↩︎