Google+ Λυσοσώματα: βομβιστές αυτοκτονίας στο εσωτερικό του κυττάρου ή ρυθμιστές της ομοιόστασής του; : Biology4u.gr

Λυσοσώματα: βομβιστές αυτοκτονίας στο εσωτερικό του κυττάρου ή ρυθμιστές της ομοιόστασής του;

Έχει καταχωριστεί στις κατηγορίες: ΑΦΙΕΡΩΜΑΤΑ από στις 18 Ιουνίου 2014

lysosomeΑν στο μη βιολόγο επισκέπτη της σελίδας απαριθμούσαν εκφράσεις και λέξεις όπως: σάκος αυτοκτονίας, αυτοφαγία ή αυτόλυση, είναι αμφίβολο αν η… απευκταία σημασία τους, οδηγούσε την σκέψη του στο κύτταρο και στα οργανίδιά του. Εντούτοις αυτές είναι οι λέξεις που έχουν χρησιμοποιηθεί για να προσδιορίσουν τις λειτουργίες για τις οποίες είναι ικανό ένα από τα σημαντικά οργανίδια του κυττάρου. Ο λόγος λοιπόν για τα λυσοσώματα, τα οργανίδια που έλαβαν το όνομά τους, όταν ο ερευνητής που έπεσε τυχαία πάνω τους, διαπίστωσε την ικανότητά τους να προκαλούν λύση, δηλαδή διάσπαση, των μακρομορίων. Όμως πριν προχωρήσουμε στην ενδιαφέρουσα ιστορία της ανακάλυψης των λυσοσωμάτων, είναι σκόπιμο να αναφερθούμε στη δομή και τη λειτουργία τους.

Η ταυτότητα των λυσοσωμάτων

Τα λυσοσώματα αντιπροσωπεύουν μια ποικιλόμορφη ομάδα οργανιδίων που απαντώνται στα ζωικά κύτταρα, (με την εξαίρεση των ερυθρών αιμοσφαιρίων), και αποτελούν σάκους που περιβάλλονται από στοιχειώδη μεμβράνη. Στην πιο απλή μορφή τους μοιάζουν με πυκνά σφαιρικά κυστίδια. Όμως τόσο η μορφή τους όσο και το μέγεθός τους ποικίλουν, καθώς εξαρτώνται από τη μορφή και το μέγεθος των ουσιών που έχουν εισαχθεί στο εσωτερικό τους. Το κοινό χαρακτηριστικό όλων αυτών των κυστιδίων είναι η ικανότητά τους να διασπούν υλικά που αποτελούν συστατικά του κυτταροπλάσματος ή έχουν εξωκυτταρική προέλευση. 

Την ικανότητά τους αυτή την οφείλουν σε έναν αριθμό από περισσότερα από 50 διαφορετικά ένζυμα, που χαρακτηρίζονται υδρολυτικά, διότι με τη συμβολή του νερού, μπορούν να διασπούν κάθε είδος μακρομορίου (πρωτεΐνες, νουκλεϊκά οξέα, λίπη και πολυσακχαρίτες). Όλα αυτά τα ένζυμα είναι ενεργά υπό την προϋπόθεση ότι το pH του περιβάλλοντος στο οποίο βρίσκονται είναι όξινο (γύρω στο 5), κάτι που συμβαίνει στο εσωτερικό των λυσοσωμάτων, αλλά όχι στο κυτταρόπλασμα που το pH είναι ουδέτερο (γύρω στο 7,2). Έτσι ακόμη και αν η μεμβράνη των λυσοσωμάτων διερρηγνύετο, το γεγονός δεν θα είχε επίπτωση στο κύτταρο, καθώς τα υδρολυτικά ένζυμα που θα απελευθερώνονταν στο κυτταρόπλασμα θα ήταν ανενεργά. Τα υδρολυτικά ένζυμα των λυσοσωμάτων, αλλά και η μεμβράνη τους, είναι προϊόντα του  Αδρού Ενδοπλασματικού Δικτύου 

Ενδοκυττάρωση, Φαγοκυττάρωση και Αυτοφαγία

Τα ευκαρυωτικά κύτταρα είναι ικανά να εισάγουν στο εσωτερικό τους μακρομόρια και διάφορα σωμάτια, από το εξωκυτταρικό περιβάλλον με μια διακριτή διαδικασία που ο Christian de Duve, o ερευνητής που ανεκάλυψε τα λυσοσώματα, ονόμασε ενδοκυττάρωση.  

lysosome functionΑν το εισαγόμενο υλικό αντιπροσωπεύει σωματίδια τροφής, βακτήρια κ.α΄. η ενδοκυττάρωση χαρακτηρίζεται φαγοκυττάρωση, ενώ αν αντιπροσωπεύει μακρομόρια ή γενικότερα υγρά συστατικά χαρακτηρίζεται πινοκυττάρωση. Η ενδοκυττάρωση είναι μια σύνθετη διαδικασία καθώς περιλαμβάνει τον σχηματισμό ενός λυσοσώματος και στη συνέχεια την εκδήλωση της δράσης του. Τα λυσοσώματα λοιπόν προέρχονται από κυστίδια που έχουν αποσπαστεί από το σύμπλεγμα Golgi και περιέχουν υδρολυτικά ένζυμα. Για να γίνει όμως ένα τέτοιο κυστίδιο λυσόσωμα, πρέπει να συντηχθεί με ένα ενδόσωμα, δηλαδή με ένα άλλο κυστίδιο, με το οποίο η πλασματική μεμβράνη εγκόλπωσε και εισήγαγε στο εσωτερικό του κυττάρου, ένα υλικό εξωκυτταρικής προελεύσεως. Χάρη στη δράση των υδρολυτικών ενζύμων στο εσωτερικό του δημιουργημένου πλέον λυσοσώματος,  γίνεται η  πέψη, δηλαδή η διάσπαση των μακρομορίων του εισαχθέντος υλικού. (Με την αντίστροφη διαδικασία, που χαρακτηρίζεται εξωκυττάρωση, το κύτταρο απομακρύνει άχρηστα ή επιβλαβή υλικά από το εσωτερικό του ή υλικά που προορίζονται για εξωκυτταρική χρήση).

Στη φαγοκυττάρωση εξειδικευμένα κύτταρα, όπως λ.χ. τα μακροφάγα, εγκολπώνουν βακτήρια, κυτταρικά υπολείμματα ή γερασμένα κύτταρα, προκειμένου να τα διασπάσουν και να τα απομακρύνουν από τον οργανισμό. Στην περίπτωση αυτή τα σωμάτια που προκύπτουν μετά τη σύντηξη του λυσοσώματος με το κυστίδιο στο οποίο έχει παγιδευτεί το εισαχθέν σωμάτιο (χαρακτηρίζεται φαγόσωμα) είναι ανομοιόμορφα, καθώς το σχήμα τους και το μέγεθός τους καθορίζεται από το υλικό που έχουν εισαγάγει και χαρακτηρίζονται φαγολυσοσώματα. H διαδικασία στο επίπεδο των μονοκύτταρων οργανισμών λειτουργεί ως μέθοδος εισαγωγής τροφής (σωματίδια ή μικρότεροι μονοκύτταροι οργανισμοί) που αφού εγκολπωθεί από την πλασματική μεμβράνη, διασπάται με τη βοήθεια των λυσοσωμάτων.

Τα λυσοσώματα είναι επίσης υπεύθυνα για την αντιμετώπιση καταστάσεων στις οποίες τα κύτταρα δεν εφοδιάζονται με επαρκή θρεπτικά συστατικά ώστε να στρέφονται στην κατανάλωση των δικών τους μακρομορίων, προκειμένου να επιβιώσουν. Με τη διαδικασία αυτή, που χαρακτηρίζεται αυτοφαγία, το κύτταρο μπορεί να θυσιάσει κυτταροπλασματικά συστατικά, ακόμη και ολόκληρα οργανίδια (λ.χ. μιτοχόνδρια), προκειμένου να εξασφαλίσει υλικά και ενέργεια, για την παραγωγή κρίσιμων για την επιβίωσή του μακρομορίων. Με την αυτοφαγία εξασφαλίζεται επίσης η ανανέωση των μακρομορίων και η απομάκρυνση φθαρμένων οργανιδίων.

autophagyΌταν ένα κυτταρικό οργανίδιο πρόκειται να αυτοφαγωθεί, είτε για λόγους που σχετίζονται με την έλλειψη διαθέσιμης τροφής, είτε διότι έχει φθαρεί, περιβάλλεται από μια  διπλή μεμβράνη και έτσι εγκλωβίζεται σε ένα κυστίδιο (χαρακτηρίζεται αυτοφαγόσωμα). Η σύντηξη του αυτοφαγοσώματος με ένα λυσόσωμα (αυτολυσόσωμα) θα προκαλέσει λύση των συστατικών του εγκλωβισμένου οργανιδίου, και έτσι θα απελευθερωθούν στο κυτταρόπλασμα μονομερή προκειμένου να καλυφθούν ενεργειακές ανάγκες ή να χρησιμοποιηθούν σε βιοσυνθέσεις. Χάρη στην αυτοφαγία, ένα ηπατικό κύτταρο αυτοανανεώνει το 50% των μακρομορίων του, εβδομαδιαίως.

Απόπτωση: Ο προγραμματισμένος κυτταρικός θάνατος

Ο Christian de Duve ο ερευνητής που ανακάλυψε τα λυσοσώματα τα είχε χαρακτηρίσει «σάκους αυτοκτονίας»  προκειμένου να υπογραμμίσει την ισχυρή υδρολυτική δράση του περιεχομένου τους. Σήμερα, η δυνατότητα να προκαλέσουν τα λυσοσώματα λύση του κυτταροπλάσματος, θεωρείται πιθανή μόνο στην περίπτωση που καταστραφεί ένας μεγάλος αριθμός τους, οπότε υπάρχει εκτεταμένη διαρροή του περιεχομένου τους στο κυτταρόπλασμα.

Επίσης η διαδεδομένη άποψη της δεκαετίας του 70 (την οποία μαθαίναμε ως φοιτητές) πως η αποκοπή της ουράς του γυρίνου κατά την ανάπτυξη του βατράχου ή η καταστροφή των μεσοδακτύλιων μεμβρανών κατά τη μορφογένεση των άκρων στα θηλαστικά (συμπεριλαμβανομένου του ανθρώπου) ήταν αποτέλεσμα αυτόλυσης, λόγω της δράσης των λυσοσωμάτων, έχει πλέον εγκαταλειφθεί. Αντίθετα πιστεύεται πως οι διαδικασίες αυτές είναι αποτέλεσμα της απόπτωσης, δηλαδή προγραμματισμένου κυτταρικού θανάτου. 

fingerwebs

Με την απόπτωση αφαιρούνται τα κύτταρα του μεσοδακτύλιου ιστού, ώστε να διαγραφούν, μεμονωμένα, τα δάκτυλα. Στη φωτογραφία, που παρουσιάζει το άκρο ενός ποντικού, οι περιοχές που απομακρύνονται έχουν φθορίζον ανοικτό πράσινο χρώμα.

Σήμερα ερευνάται εντατικά ο ρόλος των λυσοσωμάτων στον προγραμματισμένο κυτταρικό θάνατο, και οι απόψεις που διατυπώνονται εκτείνονται από την άποψη ότι τα λυσοσώματα δρουν δευτερογενώς, εξαλείφοντας τα προϊόντα του προγραμματισμένου κυτταρικού θανάτου, ως την άποψη ότι υπάρχει ένα ιδιαίτερο «αποπτωτικό μονοπάτι» στο οποίο καθοριστική συμμετοχή έχουν τα λυσοσώματα.

Η ιστορία της ανακάλυψης των λυσοσωμάτων

Η ανακάλυψη των λυσοσωμάτων πιστώνεται στον Christian de Duve, τον Βέλγο κυτταρολόγο και βιοχημικό και έγινε το 1949, κατά την πρόοδο της έρευνάς του για το μεταβολισμό των υδατανθράκων στο ήπαρ ποντικών. Η ανακάλυψη αυτή που περιλαμβάνεται στις συμπτωματικές ανακαλύψεις (τις γνωστές serentipities για τις οποίες το b4u, έχει αφιερώσει σχετικό άρθρο) έγινε όταν ο de Duve αποφάσισε να υιοθετήσει τη μέθοδο της κυτταρικής κλασμάτωσης με υπερφυγοκέντρηση που είχε επινοήσει ο Albert Claude, προκειμένου να μελετήσει τη δράση του ενζύμου φωσφατάση της 6-φωσφορικής γλυκόζης. Όπως μάλιστα, χαρακτηριστικά είχε γράψει αργότερα: «Αυτό που τελικά ψάχναμε, ήταν να εντοπίσουμε τη θέση του ενζύμου φωσφατάση της 6-φωσφορικής γλυκόζης για το οποίο σκεφτόμαστε ότι θα μπορούσε να μας παράσχει ενδείξεις για το μηχανισμό της δράσης, ή της απουσίας της δράσης, της γλυκόζης στα ηπατικά κύτταρα».

Στην προσπάθεια αυτή ο de Duve και η ερευνητική ομάδα του αξιοποιώντας τη μέθοδο της κυτταρικής κλασμάτωσης με υπερφυγοκέντρηση, αρχικά βρήκε, ότι το ένζυμο συσχετιζόταν με μικροσωματικά σωμάτια, (ο αναγνώστης μπορεί να ανατρέξει στο άρθρο για τα μιτοχόνδρια προκειμένου να πληροφορηθεί για τα μικροσωμάτια της διαφορικής υπερφυγοκέντρησης) και μάλιστα ότι μπορούσε να χρησιμοποιηθεί ως δείκτης για τα σωμάτια αυτά. Κατά τη διάρκεια των ερευνών τους πήραν εκχυλίσματα ηπατικών κυττάρων ποντικού, τα ανέμιξαν με απεσταγμένο νερό και υπέβαλλαν το μίγμα σε φυγοκέντρηση, σε υψηλή ταχύτητα. Ενώ λοιπόν παρατήρησαν αυξημένη δραστικότητα του ενζύμου στα εκχυλίσματα, όταν προσπάθησαν να το απομονώσουν αντιμετώπισαν ένα αναπάντεχο πρόβλημα: Ενώ λάμβαναν το ένζυμο στο παραλαμβανόμενο από την υπερφυγοκέντρηση ίζημα, ήταν αδύνατο να το διαλύσουν εκ νέου. 

Αντί λοιπόν να συνεχίσουν να δουλεύουν με κυτταρικά εκχυλίσματα, αποφάσισαν να εφαρμόσουν μια ηπιότερη μέθοδο κλασμάτωσης του κυττάρου με υπερφυγοκέντρηση. Η μέθοδος στηρίχτηκε στο διαχωρισμό των διαφόρων συστατικών του κυττάρου με βάση το μέγεθος και την πυκνότητά τους. Πιο συγκεκριμένα οι ερευνητές αφού προκάλεσαν διάρρηξη των ηπατικών κυττάρων, υπέβαλλαν τα δείγματα που πήραν σε υπερφυγοκέντρηση εντός ενός μέσου που περιείχε σακχαρόζη. Έτσι κατάφεραν να ανιχνεύσουν τη δραστηριότητα του ενζύμου, στο κλάσμα του κυττάρου που χαρακτηρίζεται μικροσωμικό. Τότε λοιπόν ήταν που στην ιστορία μπήκε η συμπτωματική ανακάλυψη.

leaselessΟι ερευνητές χρησιμοποιούσαν το ένζυμο όξινη φωσφατάση, ως ένζυμο ελέγχου των πειραμάτων τους. Προς έκπληξή τους η δραστικότητα του ενζύμου, ήταν το 1/10 της δραστικότητας που είχε το ίδιο ένζυμο όταν χρησιμοποιούσαν εκχυλίσματα κυττάρων. Ώσπου μια μέρα ένας επιστήμονας αφού πήρε μερικά κλάσματα τα τοποθέτησε στο ψυγείο. Πέντε ημέρες μετά όταν επανέλαβαν τη μέτρηση της δραστικότητας του ενζύμου στα κλάσματα αυτά τους περίμενε μια ακόμη μεγαλύτερη έκπληξη: Η δραστικότητα του ενζύμου δεν ήταν το 1/10 της αναμενόμενης, αλλά η κανονική. Όσες φορές κι αν επανέλαβαν το πείραμα πάντοτε τα φρέσκα δείγματα παρουσιάζαν μειωμένη στο 1/10  τη δραστικότητα του ενζύμου και κανονική όταν τη μετρούσαν σε κλάσματα που είχαν παραμείνει για πέντε ημέρες στο ψυγείο. Έτσι το μόνο λογικό συμπέρασμα ήταν ότι το ένζυμο πρέπει να βρίσκεται στο εσωτερικό μιας μεμβρανώδους δομής που εμποδίζει την πρόσβασή του στο υπόστρωμα. Οπότε, όταν το κλάσμα αφηνόταν 5 ημέρες να ηρεμήσει, δινόταν ο καιρός στο ένζυμο να διαχυθεί από τη μεμβράνη, να συναντήσει το υπόστρωμά του και να το οξειδώσει. Έτσι διετύπωσαν την υπόθεση ότι η όξινη φωσφατάση βρίσκεται «σε μια σακοειδή δομή που περιβάλλεται από μεμβράνη».

Το 1955, δηλαδή 5 περίπου χρόνια αργότερα,  είχαν ανακαλυφθεί και άλλα υδρολυτικά ένζυμα που η δράση τους μπορούσε να ερμηνευθεί με την αποδοχή του εντοπισμού τους εντός σακοειδών μεμβρανωδών δομών, όπως συμβαίνει με την όξινη φωσφατάση. Προφανώς λοιπόν η επιστημονική κοινότητα βρισκόταν μπροστά στην ανακάλυψη ενός οργανιδίου με λυτικές ιδιότητες, που για το λόγο αυτό ο de Duve, ονόμασε λυσόσωμα. 

Την ίδια χρονιά, ο Alex Novikoff, ένας έμπειρος επιστήμονας στην ηλεκτρονική μικροσκοπία από το Πανεπιστήμιο του Βερμόντ, επισκέφθηκε το εργαστήριο του de Duve του και καταπιάστηκε με τη λήψη των πρώτων φωτογραφιών των λυσοσωμάτων με το ηλεκτρονικό μικροσκόπιο.  Μαζί με τον de Duve, επιβεβαίωσαν τον εντοπισμό της όξινης φωσφατάσης στα λυσοσώματα, χρησιμοποιώντας μιας μέθοδο χρώσης της που την έκανε ορατή στο οπτικό και στο ηλεκτρονικό μικροσκόπιο.

Στον Christian de Duve απενεμήθη το Βραβείο Νόμπελ Φυσιολογίας το 1974, σε αναγνώριση της συμβολής του στην ανακάλυψη των λυσοσωμάτων.

 

Το άρθρο είναι προϊόν συλλογής και επεξεργασίας πληροφοριών από τις ακόλουθες πηγές:

http://www.ncbi.nlm.nih.gov/books/NBK9953/

https://www.britannica.com/nobelprize/article-9052307

http://kops.ub.uni-konstanz.de/bitstream/handle/urn:nbn:de:bsz:352-opus-82975/guicciardi_04.pdf?sequence=1

http://www.nature.com/scitable/topicpage/the-discovery-of-lysosomes-and-autophagy-14199828

Ετικέτες: ,

Ο σχολιασμός έχει κλείσει