Ohne eine funktionierende Müllabfuhr würde sich jede Stadt binnen kürzester Zeit in eine Müllhalde verwandeln und Chaos würde ausbrechen. Zu einer funktionierenden Müllabfuhr gehören unter anderem die Abholung und der Transport, die Zerkleinerung und das Recyclen von Abfällen.
Auch in lebenden Zellen gib es ein geregeltes System, welches die Zellen von unerwünschten Stoffen und anfallende Abfallprodukten befreit. Lysosomen sind hierbei sozusagen als "Müllabfuhr, Recyclinghof und Mülldeponie" an Verdauungs- und Transportprozessen innerhalb der Zellen beteiligt.
Lysosomen – Definition
Es kommt vor, dass bestimmt Makromoleküle oder sogar ganze Organellen von der Zelle nicht mehr benötigt werden. Diese sind aus wichtigen Rohstoffen aufgebaut und ist es essenziell, dass die Rohstoffe durch Zerkleinerung erneut nutzbar gemacht werden.
Wenn Schadstoffe oder Pathogene in die Zelle gelangen, müssen diese unschädlich gemacht werden. Dies erreicht die Zelle, indem diese verdaut werden. An den genannten Zerkleinerungs- und Verdauungsprozessen in Tierzellen sind Lysosomen maßgeblich beteiligt.
Lysosomen sind die Verdauungsorganellen von tierischen Zellen. Es handelt sich um unregelmäßig geformte, meist rundliche Kompartimente, welche durch eine Biomembran umhüllt sind. Durch eingelagerte Enzyme sind Lysosome in der Lage, die meisten biologischen Makromoleküle in ihrem Inneren zu verdauen.
Lysosomen der Pflanzenzellen
Als Lysosomen werden in der Regel nur die Verdauungsorganellen von tierischen Zellen bezeichnet. Auch Pflanzenzellen besitzen Kompartimente, die ähnlichen Funktionen wie die Lysosomen übernehmen. Hierbei handelt es sich sogenannte Vakuolen, welche Verdauungsenzyme enthalten.
Vakuolen sind Zellorganellen der Pflanzenzellen. Es handelt sich um große Kompartimente, die in der Regel mit Flüssigkeit gefüllt und von einer Biomembran umhüllt sind.
Die Hauptfunktion von Vakuolen ist die Aufrechterhaltung des Zellinnendrucks (Tugor). Neben der Hauptfunktion übernehmen Vakuolen Funktionen wie die Speicherung von Nährstoffen und die Verdauung von Makromolekülen (äquivalent zum Lysosom).
Lysosom – Aufbau
Der grundlegende Aufbau der Lysosomen ist simpel. Es handelt sich um überwiegend kugelförmige und durch ein Biomembran umhüllte Zellorganellen.
In ihrer Form und Größe sind Lysosomen dennoch sehr divers. Der Durchmesser von Lysosom liegt im Bereich von 100 nm bis 1 μm. Aufgrund der nicht einheitlichen Morphologie sind Lysosomen unter dem Mikroskop teilweise nur schwer als solche zu identifizieren.
Wie schon erwähnt befinden sich im Inneren der Lysosomen Verdauungsenzyme, welche für den Abbau von biologischen Makromolekülen zuständig sind. Lysosomen werden daher auch als "Magen der Zelle" bezeichnet.
Enzyme der Lysosomen
Lysosomen enthalten zahlreiche membrangebundene und freie Enzyme. Zum Großteil handelt es sich hierbei um Hydrolasen wie Proteinasen, Lipasen, Nukleasen, Glykosidasen und Phosphatasen. Sie ermöglichen den enzymatischen Abbau (Verdauung) von nahezu allen biologischen Makromolekülen.
Hydrolasen sind Enzyme, welche Spaltungen von Molekülen unter Freisetzung von Wasser katalysieren. Spaltung dieser Art werden hydrolytische Spaltungen genannt. Zu den Hydrolasen gehören unter anderem:
- Proteinasen (Spalten Proteine, indem sie die Bindung innerhalb von Peptidketten auflösen.)
- Lipasen (Spalten Fettsäuren und sind für die Verdauung von Fetten (Lipiden) zuständig.)
- Nukleasen (Spalten Nukleinsäuren wie DNA- und RNA-Moleküle.)
- Glykosidasen (Spalten langkettige Zuckermoleküle.)
- Phosphatasen (Katalysieren die Abspaltung von Phosphorsäure)
Die im Lysosom enthalten Enzyme haben gemeinsam, dass sie optimal in einem sauren Milieu arbeiten (Aktivitätsoptimum im sauren Bereich). Der pH-Wert im Inneren den Lysosomen liegt daher zwischen 4 und 5.
Der pH-Wert ist ein Maß dafür, wie sauer oder alkalische eine wässrige Lösung ist. Er reicht von einer Skala von 0 (sauer) bis 12 (alkalisch). Ein pH-Wert von 7 entspricht einem neutralen Milieu, wie es beispielsweise bei Wasser der Fall ist.
Wie niedrig der pH-Wert einer Lösung ist, ist von der Konzentration von Hydroniumionen (H3O+) bzw. Protonen (H+-Ionen) abhängig. Je höher die Konzentration, desto niedriger ist der pH-Wert und desto saurer ist die Lösung.
Das saure Milieu der Lysosomen wird durch Protonenpumpen (H+-ATPase) in ihrer Membran aufrechterhalten. Diese pumpen Protonen (H+-Ionen) unter Spaltung von ATP aus dem Cytoplasma in das Innere der Lysosomen.
Neben Protonenpumpen befinden sich weiter Membranproteine im Zellmembran der Lysosomen, welche den Transport von Nährstoffen und Molekülen in das Cytoplasma ermöglichen.
Synthese von Lysosomen
Bevor ein funktionsfähiges Lysosom entstehen kann, müssen im Voraus die lysosomalen Enzyme gebildet werden. Diese werden an den Ribosomen des rauen endoplasmatischen Retikulum (raues ER) synthetisiert. Anschließend werden die gebildeten Enzyme in Vesikel gebunden und zum Golgi-Apparat transportiert.
Detailliertes Wissen zur Proteinbiosynthese am Ribosomen und am rauen ER kannst Du Dir durch StudySmarter Erklärungen zu diesen Thematiken aneignen.
Am Golgi-Apparat werden nun die Verdauungsenzyme gezielt in einem Vesikel zusammengeführt. So entstehen die sogenannten primären Lysosomen.
Als primäre Lysosomen werden fertig synthetisierte Lysosomen bezeichnet, welche noch nicht mit zu verdauenden Material fusioniert sind.
Die primären Lysosomen lösen sich vom Golgi-Apparat ins Cytoplasma und stehen jetzt für anstehende Verdauungsprozesse bereit. Nachdem primäre Lysosomen mit Vesikeln fusionieren, welche zu verdauendes Material enthalten, werden sie als sekundäre Lysosomen bezeichnet.
Sekundäre Lysosomen sind fusioniert Kompartimente (Vesikel), welche die lysosomalen Enzyme und die zu verdauenden Stoffe in sich tragen.
Einen detaillierten Überblick zum Ablauf des Verdauungsprozesses erhältst Du in einem späteren Abschnitt dieser Erklärung.
Lysosom – Funktion und Aufgaben
Du hast schon gelernt, dass die grundlegende Funktion von Lysosomen darin besteht, biologische Makromoleküle innerhalb der Zelle abzubauen bzw. zu verdauen (= intrazelluläre Verdauung). Es ist wichtig, dass die Verdauung innerhalb der Zelle in einem abgegrenzten Kompartiment stattfindet, damit die anderen Kompartimente der Zelle von den lysosomalen Enzymen geschützt sind.
Wichtig! Zu verdauende Makromoleküle können extrazellulärer (zellfremdes Material) oder intrazellulärer (zelleigenes Material) Herkunft sein. Je nachdem woher das verdaute Material stammt und welchen Zweck eine Verdauung mittels Lysosomen hat, kann zwischen verschiedenen Funktionen der Lysosomen unterschieden werden.
Intrazelluläre Verdauung beschreibt den enzymatischen Abbau von zelleigenem oder zellfremdem Material durch Lysosomen.
Verdauung von zellfremdem Material
Wenn zellfremdes Material durch Lysosomen abgebaut wird, spricht man von Heterophagie. Zellfremde Stoffe werden von der Zelle durch Phagozytose aufgenommen. Es handelt sich hierbei beispielsweise um Nahrungspartikel, Zellgifte oder Pathogene wie Bakterien.
Bei der Aufnahme durch Phagozytose werden die Stoffe beim Eintreten durch die Membran umhüllt und somit in einem Vesikel eingeschlossen. Diese Vesikel werden Phagosomen genannt. Im Anschluss fusioniert sich das primäre Lysosom mit dem Phagosom zum sekundären Lysosom. Im Fall der Heterophagie werden die sekundären Lysosomen auch Heterophagolysosomen genannt.
Die Fusionierung führt dazu, dass die lysosomalen Enzyme und das zu verdauende Material zusammengeführt werden und die Abbauprozesse beginnen können. Verwertbare Moleküle bzw. Nährstoffe werden über die Membran des Lysosoms ans Cytoplasma abgegeben.
Nach dem Verdauungsprozess werden die anfallenden Abfallprodukte mittels Exozytose aus der Zelle befördert. Hierbei fusioniert das Lysosom mit der abgrenzenden Zellmembran, wodurch der Inhalt des Lysosoms in den Extrazellularraum abgegeben wird.
Vertiefende Informationen zu den Stofftransportprozessen Phagozytose und Exozytose erhältst Du in gesonderten StudySmarter Erkärungen zu diesen Thematiken.
Heterophagie bei Einzellern (Nahrungsaufnahme)
Bei eukaryotischen Einzellern nimmt die Heterophagie durch Lysosomen eine gesonderte Stellung ein. Einzeller wie Amöben nehmen Nahrungspartikel durch Phagozytose auf. Die Nahrungspartikel werden mittels Lysosomen verdaut.
Die durch die Verdauung gewonnen Nährstoffe werden durch das sekundäre Lysosom an die Zelle abgegeben und anfallende Abfallprodukte werden anschließend durch Exocytose aus der Zelle transportiert.
Heterophagie bei Säugetieren (Immunabwehr)
Bei Säugetieren dient die Heterophagie durch Lysosomen nicht zur Ernährung der Zellen. Sie spielt jedoch eine wichtige Rolle bei der Immunabwehr. Sogenannte Fresszellen (z. B. Makrophagen) nehmen potenziell gefährliche Mikroorganismen durch Phagozytose in sich auf. Anschließend fusioniert das Phagosom mit einem primären Lysosom.
Die Mikroorganismen werden in der Regel durch den niedrigen pH-Wert der Lysosomen inaktiviert und anschließend durch die lysosomalen Enzyme abgebaut.
Verdauung von zelleigenem Material
Werden zelleigene Stoffe durch Lysosomen abgebaut, spricht man von Autophagie. Hierbei werden zelleigene Strukturen wie Organellen und Membranbestandteile verdaut. Die Autophagie spielt eine wichtige Rolle bei der Erneuerung von Zellstrukturen.
Des Weiteren kann Autophagie durch Lysosomen zur Energiegewinnung genutzt werden. Die Zellen mobilisieren Energie, indem sie eigene Organellen verstoffwechseln. Besonders bei Nährstoffmangel ist eine erhöhte Abbaurate von zelleigenen Organellen zu beobachten.
Zum Abbau von zelleigenen Organellen werden diese von einem Vesikel eingeschlossen. Anschließend fusioniert der Vesikel mit einem primären Lysosom zum sekundären Lysosom. Im Fall der Autophagie wird das sekundäre Lysosom auch Autophagolysosom genannt.
Wie bei der Heterophagie beginnt nun der Verdauungsprozess. Daran angeschlossen findet die Abgabe der Nährstoffe an die Zelle und die Exozytose der Abfallprodukte statt.
Besondere Funktionen von Lysosomen
Neben der intrazellulären Verdauung übernehmen Lysosomen weitere spezielle Funktionen. Lysosomale Enzyme aktivieren bestimmte Vorstufen von Hormonen und Enzymen (z. B. Hormone der Schilddrüse).
Des Weiteren spielen Lysosomen eine Rolle beim physiologischen und entwicklungsbedingten Zelltod (Apoptose). Hierbei handelt es sich um einen programmierten Zelltod, welcher für den gezielten Abbau von unnötigen Zellen und Gewebe zuständig ist (unter anderem der Abbau von unbefruchteten Eizellen).
Das Akrosom von Spermien stammt von Lysosomen ab. Die Akrosomenreaktion ermöglicht den Spermien das Eindringen in die Eizelle, um diese zu befruchten. Hierbei handelt es sich um eine lysosomale Reaktion.
Lysosom - Das Wichtigste
- Lysosomen sind die Verdauungsorganellen von tierischen Zellen. Es handelt sich um unregelmäßig geformte, meist rundliche Kompartimente, welche durch eine Biomembran umhüllt sind.
- Lysosome enthalten eine Reihe von hydrolytischen Verdauungsenzymen, welche eine Verdauung von nahezu allen biologischen Makromolekülen ermöglichen.
- Das Äquivalent zu Lysosomen in Pflanzenzellen sind Vakuolen, welche ähnliche Verdauungsenzyme wie die Lysosomen enthalten können.
- Die Enzyme der Lysosomen werden am rauen ER synthetisiert und am Golgi-Apparat zum Lysosomen zusammengeführt.
- Die Hauptfunktion von Lysosomen ist die Verdauung bzw. der Abbau von zellfremden (Nahrungspartikel, Zellgifte und Pathogen) und zelleigenen (Organellen und Membranbestandteile) Materialien (=intrazelluläre Verdauung).
Nachweise
- Buselmaier; Haussig (2018). Biologie für Mediziner. Springer.
- Karp (2005). Molekulare Zellbiologie. Springer.
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