Биохимия лизосом

Биохимия лизосом

Федеральное агентство по образованию

Пензенский государственный педагогический университет

имени В.Г.Белинского

Кафедра биохимии

Курсовая работа на тему:

«Биохимия лизосом»

Выполнила: студентка

группы БХ-31 Цибулькина И.С.

Проверил: Соловьёв В.Б.

Пенза

2009



Оглавление

1.Введение

2.Структура и состав лизосом

3.Образование лизосом

4.Биосинтез и транспорт лизосомных белков

5.Органеллы, образующиеся из лизосом

6.Классификация ферментов, содержащихся в лизосомах

7.Лизосомные болезни накопления

8.Заключение

9.Приложение

10.Список используемой литературы



Введение

Представление о лизосомах связаны с понятием о так называемых «микротельцах», впервые описанных Роденом, в проксимальных канальцах почки, а затем исследованных в печени при различных экспериментальных условиях Рулье и Бернгардом. Эти микротельца, значительно менее многочисленные, чем митохондрии, окружены только одной хорошо выраженной мембраной и содержат тонкозернистое вещество, которое может конденсироваться в центре, образуя непрозрачную гомогенную сердцевину. Эти микротельца часто находят вблизи желчных канальцев. Их выделяли при помощи центрифугирования и отнесли к лизосомам. Рулье и Бернгард показали, что число микротелец значительно увеличивается в печени, регенирующей после гепатэктомии или отравления химическими веществами, которые разрушают печеночные клетки (четыреххлористый углерод), а также при кормлении, возобновленном после голодания.

Термин «лизосома», обозначающий литические частицы, был введен в 1955 году Христианом де Дювом для связанных с мембранами органелл, содержащих пять кислых гидролаз, которые изучались де Дювом и его коллегами на протяжении нескольких лет. В настоящее время о лизосомах накоплено огромное количество сведений, известно около 40 типов различных гидролитических ферментов. Большое внимание уделяется исследованию ряда генетических дефектов ферментов, локализованных в этих органеллах и связанных с ними лизосомных болезней накопления.



1. Структура и состав лизосом

Лизосома (от греч. лэуйт -- растворяю и sфma -- тело), органоид клеток животных и грибов, осуществляющий внутриклеточное пищеварение. Представляет собой окруженный одинарной мембраной пузырек диаметром 0,2-2,0мкм, содержащий как в матриксе, так и в мембране набор гидролитических ферментов (кислая фосфатаза, нуклеаза, катепсин Н (лизосомная аминопептидаза), катепсин А (лизосомная карбоксипептидаза),катепсин В, G, L, НАДФНоксидаза, коллагеназа, глюкуронидаза, глюкозидаза и др. всего около 40 типов), активных в слабокислой среде. Обычно на клетку приходится несколько сотен лизосом. В мембране лизосом находятся АТФ-зависимые протонные насосы вакуольного типа (рис.А). Они обогащают лизосомы протонами, вследствие чего для внутренней среды лизосом рН 4,5-5,0 (в то время как в цитоплазме рН 7,0-7,3). Лизосомные ферменты имеют оптимум рН около 5,0, т. е. в кислой области. При рН, близких к нейтральным, характерным для цитоплазмы, эти ферменты обладают низкой активностью. Очевидно, это служит механизмом защиты клеток от самопереваривания о том случае, если лизосомный фермент, случайно, попадет в цитоплазму.

Строение мембраны лизосом представляет собой комбинацию участков построенных по пластинчатому и мицеллярному типу. Мицеллы находятся в динамичном равновесие с пластинчатыми участками - это равновесие зависит от условий среды. Полярные группы фосфолипидов образуют поверхность мицеллы, а неполярные участки обращены внутрь. Пространство между молекулами липидов занято водой. Мицеллярные участки содержат длинные поры. Эти поры заполнены водой и могут закрываться полярными группами липидов. Подобная организация мембраны обеспечивает проницаемость не только для гидрофильных, но и для гидрофобных веществ.

Химический состав:

Ш Неорганические соединения (Fe3+ , свинец, кадмий, кремний)

Ш Органические соединения (белки, полисахариды, некоторые олигосахариды - сахароза, фосфолипиды - фосфотидилхолин и фосфотидилсерин, жирные кислоты - ненасыщенные, что способствует высокой стабильности мембраны.)

2. Образование лизосом

По морфологии выделяют 4 типа лизосом:

1. Первичные лизосомы

2. Вторичные лизосомы

3. Аутофагосомы

4. Остаточные тельца

Первичные лизосомы представляют собой мелкие мембранные пузырьки, заполненные бесструктурным веществом, содержащим набор гидролаз. Маркерным ферментом для лизосом является кислая фосфотаза. Первичные лизосомы настолько мелкие, что их очень трудно отличить от мелких вакуолей на периферии зоны аппарата Гольджи. В дальнейшем первичные лизосомы сливаются с фагоцитарными или пиноцитарными вакуолями и образуют вторичные лизосомы или внутриклеточная пищеварительная вакуоль (рис. Б-3). При этом содержимое первичной лизосомы сливается с содержимым фагоцитарной или пиноцитарной вакуолей, а гидролазы первичной лизосомы получают доступ к субстратам, которые они начинают расщеплять.

Лизосомы могут сливаться друг с другом и таким путем увеличиваться в объеме, при этом усложняется их внутренняя структура. Судьба веществ, попавшивших в лизосомы, заключается в их расщеплении гидролазами до мономеров, мономеры транспортируются через мембрану лизосомы в гиалоплазму, где включаются в различные обменные процессы.

Расщепление и переваривание может идти не до конца. В этом случае в полости лизосом накапливаются непереваренные продукты, и вторичные лизосомы переходят в остаточные тельца (рис. Б-2). Остаточные тельца содержат меньше гидролитических ферментов, в них происходит уплотнение содержимого и его переотработка. Часто в остаточных тельцах наблюдается вторичная структуризация непереваренных липидов, которые образуют сложные слоистые структуры. Происходит отложение пигментных веществ.

Аутофагосомы встречаются в клетках простейших. Они относятся к вторичным лизосомам (рис. Б-1). Но в своем состояние содержат фрагменты цитоплазматических структур (остатки митохондрий, пластид, ЭПР, остатки рибосом, так же могут содержать гранулы гликогена). Процесс образования не ясен, но предполагают, что первичные лизосомы выстраиваются вокруг клеточной органеллы, сливаются друг с другом и отделяют органеллу от соседних участков цитоплазмы. Предполагают, что аутофагоцитоз связан с уничтожением сложных клеточных компонентов. В нормальных условиях число аутофагосом возрастает при метаболических стрессах. При различных повреждениях клеток аутофагоцитозу могут подвергаться целые зоны клеток.

Лизосомы присутствуют в самых разных клетках. Некоторые специализированны клетки, например лейкоциты, содержат их в особенно большом количестве. Интересно, что отдельные виды растений, в клетках которых лизосомы не обнаружены, содержат гидролитические ферменты в клеточных вакуолях, которые поэтому могут выполнять ту же функцию, что и лизосомы. Функция лизосом, по-видимому, лежит в основе таких процессов, автолиз и некроз тканей, когда ферменты освобождаются из этих органелл в результате случайных или «запрограммированных» процессов.

Естественной функцией лизосом является поставка гидролитических ферментов как для внутриклеточного, так и, возможно, для внеклеточного использования; после слияния мембран содержимое лизосом может смешиваться с содержимым фагоцитозных пузырьков, так что процессы гидролиза протекают в пространстве, обособленном от всех областей цитоплазмы, в которых находятся уязвимые для гидролиза внутриклеточные компоненты. Показано, что лизосомные ферменты могут освобождаться и во внеклеточное пространство. Продукты гидролиза могут проникать из органеллы в цитоплазму или выводиться из клетки наружу.

4. Биосинтез и транспорт лизосомных белков

Лизосомные белки синтезируются в ШЭР (рис. В), где они гликозилируются путем переноса олигосахаридных остатков. На последующей стадии, типичной для лизосомных белков, терминальные маннозные остатки (Man) фосфорилируются по C-6 (на схеме справа). Реакция протекает в две стадии. Сначала на белок переносится GlcNAc-фосфат, а затем идет отщепление GlcNAc. Таким образом, лизосомные белки в процессе сортировки приобретают концевой остаток маннозо-6-фосфата (Man-6-P, 2).

В мембранах аппарата Гольджи имеются молекулы-рецепторы, специфичные для Man-6-P-остатков и за счет этого специфически узнающие и селективно связывающие лизосомные белки (3). Локальное накопление этих белков происходит с помощью клатрина. Этот белок позволяет вырезать и транспортировать подходящие мембранные фрагменты в составе транспортных везикул к эндолизосомам (4), которые затем созревают с образованием первичных лизосом (5) в заключение от Man-6-P отщепляется фосфатная группа (6).

Man-6-P-рецепторы используются вторично в процессе рецикла. Снижение рН в эндолизосомах приводит к диссоциации белков от рецепторов (7). Затем рецепторы с помощью транспортных везикул переносятся обратно в аппарат Гольджи (8).



5. Органеллы, образуемые из лизосом

В некоторых дифференцированных клетках лизосомы могут выполнять специфические функции, образуя дополнительные органеллы. Все дополнительные функции связаны с секрецией веществ.

Органеллы	Клетки	Функции
Меланосомы	меланоциты, ретинальный и пигментный эпителий	образование, хранение и транспорт меланина
Тромбоцитные гранулы	тромбоциты, мегакариоциты	освобождение АТФ, АДФ, серотонина и кальция
Ламелярные тельца	эпителий легких типа II, цитотоксические Т	хранение и секреция сурфактанта необходимого для работы легких
Лизирующие гранулы	лимфоциты, NK клетки	разрушение клеток инфицированных вирусом или опухолевы
ГКГ класс II	дендритные клетки, В лимфоциты, макрофаги и др.	Изменение и представление антигенов для CD4+ T лимфоцитов для иммунной регуляции
Базофильные гранулы	базофилы, mast клетки	запускают высвобождение гистаминов и других воспалительных стимулов
Азурофильные гранулы	нейтрофилы, эозинофилы	высвобождают микробицидные и воспалительные агенты
Остеокластые гранулы	остеокласты	разрушение костей
Тельца Вейбеля-Палладе	эндотелиальные клетки	созревание и регулируемый выброс фактора Виллебрандта в кровь
а-гранулы тромбоцитов	Тромбоциты, мегакариоциты	выброс фибриногена и фактора Виллебрандта для адгезии тромбоцитов и свертывания крови

6. Классификация ферментов, содержащихся в лизосомах

Ферменты, содержащиеся в лизосомах, относятся к классу гидролаз. Они ускоряют реакции расщепления органических соединений при участии воды. В зависимости от характера субстрата, подвергающегося гидролизу, гидролазы делятся на подклассы:

1. Эстеразы, ускоряющие реакции гидролиза сложных эфиров спиртов с органическими и неорганическими кислотами. Важнейшими подподклассами эстераз являются гидролазы эфиров карбоновых кислот и фосфатазы. В качестве представителя первого подподкласса рассмотрим липазу. Липаза ускоряет гидролиз внешних, т.е. а-сложноэфирных, связей в молекулах триацилглицеринов (жиров). Фосфатазы катализируют гидролиз фосфорных эфиров. Особенно широко распространены фосфатазы, действующие на сложные эфиры фосфорной кислоты углеводов, например глюкозо-1-фосфотаза. Действие фосфатаз проявляется в широком спектре рН от 3 до 9, поэтому выделяют щелочную и кислую фосфатазы. Нас интересует в данном случае кислая фосфатаза, являющаяся маркерным ферментом лизосом. Большинство из них обладает широкой субстратной специфичностью.

2. Пептид - гидролазы, ускоряющие реакции гидролиза белков, пептидов и других соединений, содержащих пептидные связи. Специфичность протеолитических ферментов определяется природой аминокислотных боковых групп, находящихся по соседству с гидролизуемой связью. Также важной характеристикой специфичности пептидаз является положение гидролизуемой связи; по этому признаку различают две главные группы пептидаз. Экзопептидазы - это ферменты подгруппы 3.4.11 - 15, для действия которых требуется либо свободная концевая аминогруппа (аминопептидазы), либо свободная концевая карбоксильная группа (карбоксипептидазы). Остальные пептидазы, или эндопептидазы, гидролизуют определенные связи внутри цепи; действие некоторых из них тормозится, если около гидролизуемой связи находится свободная концевая группа. Катепсины (от гр. kathepso - перевариваю), протеолитические ферменты из группы эндопептидаз. Локализованы в лизосомах клеток животных. Осуществляют внутриклеточное переваривание белков. Обладают широкой специфичностью, оптимум активности - при слабокислом значении рН.

3. Нуклеазы, ускоряющие реакции расщепления фосфодиэфирных связей в полинуклеотидной цепи нуклеиновых кислот с образованием моно - и олигонуклеотидов. Концевые мононуклеотиды отщепляются экзонуклеазами, расщепление внутри полинуклеотидной цепи осуществляется эндонуклеазами. Нуклеазы могу расщеплять РНК (рибонуклеазы) и ДНК (дезоксирибонуклеазы) либо те и другие (т.е. неспецифичные нуклеазы). Нуклеазы широко распространены в природе и играют важную роль в распаде и синтезе нуклеиновых кислот. Нуклеазы характеризуется широкой и перекрывающейся специфичностью; классификация этих ферментов весьма трудна и протиречива.

4. Гликозидазы, ускоряющие реакции гидролиза гликозидов, в том числе углеводов. В зависимости от того, на какой пространственный изомер (а или в) действует фермент, его относят к а- или в-гликозидазам. Таким образом, гликозидазы обладают ярко выраженной пространственной специфичностью, которая определяется конфигурацией каждой - СНОН-групп. Кроме гликозидов субстратами, на которые распространяется действие тех или иных гликозидаз, являются олиго - и полисахариды. Ферменты этой большой и важной группы расщепляют в основном субстраты, в молекуле которых не содержится заряженных групп. В этих субстратах доминирующую роль играет расположение гидроксильных групп и атомов водорода. Как правило, гликозидазы проявляют высокую степень специфичности по отношению к определенному моносахаридному кольцу; однако присоединенная агликоновая группа также может оказывать более или менее заметное влияние. В некоторых случаях (например, у нуклеозидаз) это влияние агликона бывает выражено сильнее, чем влияние моносахаридного компонента. Инозиназа, например, гидролизует гипоксантинрибозид, но не действует на ксантинрибозид.

5. Гидролазы, действующие на С - N-связи, отличающиеся от пептидных, т.е. ускоряют гидролиз амидов кислот. Из них важную роль в организме играют уреаза, аспарагиназа и глутаминаза. Уреаза ускоряет гидролиз мочевины до NH3 и СО2. Аспарагиназа и глутаминаза ускоряют гидролиз амидов дикарбоновых аминокислот - аспарагиновой и глутаминовой. К гидролазам, действующим на С - N-связи, отличающиеся от пептидных, кроме амидаз относятся ферменты, катализирующие гидролиз С - N-связей в линейных амидинах. К их числу принадлежит аргиназа.

7. Лизосомные болезни накопления

Концепция лизосомных болезней накопления сложилась в результате изучения гликогеноза II типа (Помпе). Факт накопления гликогена в лизосомах вследствие недостаточности a-глюкозидазы, а также данные, полученные при исследовании других аномалий, позволили Эру определить врожденную лизосомную болезнь как такое состояние, при котором: 1) определяется недостаточность какого-либо одного лизосомного фермента и 2) внутри связанных с лизосомами вакуолей появляются необычные отложения (субстрат). Это определение можно видоизменить, включив в него дефекты одиночных генов, влияющие на один лизосомный фермент или более, и тем самым распространить на такие болезни, как муколипидозы и мно-жественная сульфатазная недостаточность. Определение можно расширить и далее с тем, чтобы оно распространялось на недостаточность и других белков, необходимых для функционирования лизосом (активирующие ферменты разрушения сфинголипидов). Данные биохимических и генетических исследований свидетельствуют о том, что эти активирующие белки принимают участие в гидролизе некоторых субстратов.

Лизосомные болезни накопления объединяют большинство болезней накопления липидов, мукополисахаридозы, муколипидозы, болезни накопления гликопротеинов и другие. Недостаточность ферментов имеет аутосомно-рецессивную основу, за исключением мукополисахаридоза II (МПС II) Хантера, который наследуется как сцепленный с Х-хромосомой рецессивный признак, и болезни Фабри, которая сцеплена с Х-хромосомой и часто проявляется у женщин. Органами-мишенями оказываются обычные места разрушения той или иной макромолекулы. Например, у лиц с нарушением процесса разрушения миелина в процесс вовлекается белое вещество головного мозга, при нарушении процесса разрушения гликолипидов стромы эритроцитов развивается гепатоспленомегалия, а при нарушении процесса разрушения вездесущих мукополисахаридов -- генерализованное повреждение тканей. Накапливающийся материал часто вызывает висцеромегалию или макроцефалию, но может развиться и вторичная атрофия, особенно мозга и мышц. Вообще симптоматика соответствующих болезней обусловливается повреждающим действием накапливающихся веществ, но часто неясно, каким именно образом они вызывают гибель или дисфункцию клеток. Все эти болезни прогрессируют, и многие из них заканчиваются смертью в детском или юношеском возрасте. Для окончательного диагноза наиболее важны результаты определения конкретных ферментов в сыворотке, лейкоцитах или культивируемых фибробластах кожи; соответствующие тесты выбирают, исходя из клиники заболевания. Эти болезни имеют широкие фенотипические колебания, причем многие из них связаны с возрастом, т. е. различают инфантильные, ювенильные и взрослые их формы. Кроме того, при болезнях, обусловленных дефектом одиночного гена, возможны различные сочетания висцеральных, костных и неврологических аномалий.

Отдельные заболевания

Сфинголипозы.

gmi-ганглиозидоз. Смгганглиозидоз обусловлен недостаточностью р-галактозидазы. Инфантильная форма болезни проявляется уже при рождении или вскоре после него (отставание развития, судорожные припадки, грубые черты лица, отеки, гепатоспленомегалия, макроглоссия, вишнево-красные пятна на сетчатке и явный мукополисахаридозоподобный множественный дизостоз). Смерть наступает обычно в возрасте 1--2 лет. Ювенильная форма характеризуется более поздним началом, большей продолжительностью жизни (более 5 лет), неврологическими нарушениями и судорогами и менее тяжелыми повреждениями скелета и глаз. При взрослой форме часто отмечают спондилоэпифизарную дисплазию, сходную с таковой при МПС IV, помутнение роговицы и нормальный интеллект. Могут быть выражены спастичность мышц и атаксия с незначительными костными аномалиями. Существуют изоферменты р-галактозидазы, и разнообразие фенотипов связано с различными мутациями одного и того же структурного гена. Все формы Смгганглиозидоза наследуются как аутосомный рецессивный признак.

GM2-ганглиозидоз. Болезнь (или синдром) Тея-Сакса -- сравнительно часто встречающаяся врожденная аномалия метаболизма: доказано уже несколько тысяч случаев заболевания. Несмотря на то что по клинике этот синдром напоминает болезнь Сендхоффа, генетически они различаются: в первом случае отмечена недостаточность гексозаминидазы А, а во втором -- гексозаминидаз А и В. Еще один вид патологии (АВ-вариант GM2-ганглиозидоза) характеризуется нормальной активностью гексозаминидаз А и В. Он обусловлен недостаточностью белкового фактора (активатор), необходимого для реализации активности фермента по отношению к природному субстрату. Клинические признаки всех вариантов болезни, проявляющихся в младенчестве (инфантильные формы), сходны и заключаются в отставании развития, что становится явным в возрасте 3--6 мес., и последующей быстро прогрессирующей неврологической симптоматике. Подозрения на болезнь вызывают макроцефалия, судорожные припадки, вишнево-красные пятна на сетчатке и резко выраженная реакция (чрезмерный испуг) на звук. Диагноз подтверждается результатами определения ферментов. В большинстве случаев недостаточность гексаминидазы, проявляющаяся позднее (ювенильная форма), характеризуется деменцией, судорожными припадками и глазными симптомами, а у некоторых больных развиваются атипичные дегенеративные изменения в спинном мозге и мозжечке. У некоторых больных с ювенильной и взрослой формой появляются признаки атрофии мышц спинального происхождения.

Страницы: 1, 2