Cellen – lysosomen

Lysosomen
Een lysosoom is een organel in de cel. Lysosomen zijn met vocht gevulde blaasjes, die zorgen voor de afbraakprocessen in de cel. Het lysosoom membraan bestaat uit dubbele fosfolipiden en eiwitten, net als het celmembraan. Een cel kan enkele honderden lysosomen bevatten. Lysosomen kunnen snel beschadigen, wat kan leiden tot verschillende ziekten.

Lysosomale enzymen
Lysosomen bevatten verteringsenzymen (lysosomale enzymen), die in de cel zelf door het endoplasmatisch reticulum (ER) en het golgi-apparaat zijn gemaakt. De opbouw (synthese) van de lysosomale enzymen vindt plaats op de ribosomen, die aanwezig zijn aan de buitenkant van het ruw endoplasmatisch reticulum (ER). Al tijdens de opbouw worden ze door het membraan heen naar de binnenkant van het ruw ER vervoerd. Daar wordt aan het eiwit een korte suikerketen vastgemaakt. Vanuit het glad ER worden kleine transportblaasjes afgesnoerd, die het opgebouwde (gesynthetiseerde) eiwit vervoeren naar het golgi-apparaat.
De transportblaasjes, die afkomstig zijn van het ER, versmelten met de eerste cisterne aan de invoerkant (ciszijde) van het golgi-apparaat. Vervolgens doorlopen de eiwitten alle cisternen naar de uitvoerkant (transzijde). Bij deze verplaatsing vindt het transport steeds plaats door afsnoering van een blaasje van de ene cisterne, gevolgd door versmelting met de volgende. Tijdens de verplaatsing ondergaan de enzymen verschillende veranderingen, zoals de toevoeging en afsplitsing van suikermoleculen. Lysosomale enzymen zijn eiwitten, waaraan ketens van suikermoleculen zijn gekoppeld. Sommige lysosomale enzymen krijgen daarbij een kenmerkende verbinding in de suikerketen toegevoegd, het mannose-6-fosfaat.
Aan de transzijde (uitvoerkant) van het golgi-apparaat komen de eiwitten in contact met de receptor-moleculen, die een binding kunnen aangaan met de mannose-6-fosfaatgroep. Zo isoleren de receptor-moleculen de lysosomale enzymen uit het totale mengsel van eiwitten, dat aanwezig is. Daarna worden de lysosomale enzymen afgesnoerd in endosomen. Een endosoom is een klein transportblaasje, omgeven door een lipide membraan in het cytoplasma.
Het endosoom versmelt vervolgens met een lysosoom, waarna de afbraakprocessen kunnen beginnen.

Autofagie en heterofagie
De opname van celeigen materiaal in lysosomen noemen we autofagie. Bij autofagie wordt een deel van de inhoud van de cel omsloten door een membraan. Het blaasje dat zo ontstaat, noemen we een autofagosoom. Het autofagosoom verkrijgt de verteringsenzymen door versmelting met een lysosoom, dat deze enzymen reeds bevat en heet dan autolysosoom.
De opname van materiaal door lysosomen, dat van buiten de cel afkomstig is, heet heterofagie. De stoffen komen via endocytose in de cel terecht. Het celmembraan stulpt zich daarbij om de stoffen heen. De, op te nemen, stoffen hechten zich aan receptor-moleculen in het celmembraan. Als het celmembraan zich sluit, liggen de opgenomen stoffen in een ruimte binnen de cel, dat is omgeven door een membraan: het endosoom. Het endosoom versmelt vervolgens met een lysosoom.

Werking lysosoom
De cel verteert haar eigen celproducten in de lysosomen. Bijna alle cellen beschikken over een verteringssysteem, dat in de werking lijkt op dat van het maagdarmstelsel in ons lichaam.
Een cel kan zowel vanuit de cel als van buiten de cel materiaal opnemen bij autofagie en heterofagie. De lysosomen breken ook beschadigde of dode cellen af. Celorganellen, die versleten zijn en moeten worden afgebroken, komen ook terecht in het lysosoom. Dit materiaal wordt voorzien van een membraan, zodat er endosomen (blaasjes) ontstaan. Deze endosomen smelten samen met lysosomen, waarin zich de verteringsenzymen bevinden.
De lysosomen bevatten een grote verscheidenheid aan hydrolasen (enzymen) waarmee vrijwel alle soorten van grote moleculen (suikers, eiwitten, vetten, koolhydraten en nucleïnezuren) kunnen worden afgebroken en hergebruikt. Als de lysosomen versmelten met de endosomen, breken de spijsverteringsenzymen in het lysosoom het voedsel af door middel van hydrolyse. Hydrolyse betekent dat er water verbruikt wordt bij dit afbraakproces. De enzymen kunnen waterstofbruggen verbreken bij polypeptideketens, waardoor het enzym organische stoffen kan afbreken. Al het materiaal, dat in de lysosomen terechtkomt via autofagie of heterofagie, kan in principe worden afgebroken tot bouwstenen. Deze bouwstenen zijn bijvoorbeeld aminozuren, suikers, stikstofhoudende basen en vetzuren.
Deze bouwstenen kunnen het lysosomale membraan passeren en komen dan rechtstreeks terecht in het cytoplasma. Ze worden dan weer gebruikt in de stofwisseling van de cel als bouwstenen voor de synthese van eiwitten en vetten of, in de mitochondriën, als brandstof om energie te leveren.
Hier is de overeenkomst tussen de lysosomale vertering en het functioneren van het maagdarmstelsel duidelijk te zien. In beide systemen worden voedingsstoffen afgebroken tot bouwstenen. Bij de spijsvertering (maagdarmstelsel) worden de bouwstoffen opgenomen door de cellen van de darmwand en bij de lysosomale vertering (lysosomen) worden de bouwstenen rechtstreeks vervoerd vanuit de lysosomen naar het cytoplasma.
Lichaamsvreemde stoffen, die niet afgebroken kunnen worden, worden opgeslagen of afgescheiden in de cel.

Endocytose
Bij heterofagie maakt de cel gebruik van endocytose om grote moleculen op te kunnen nemen van buiten de cel. Daarbij stulpt het celmembraan in en wordt een vast deeltje of druppels vloeistof van buiten de cel ingekapseld in een endosoom (transportblaasje) of in een fagosoom. Het endosoom snoert zich vervolgens af van het binnenste celmembraan met de inhoud en en komt terecht in het cytoplasma van de cel. Het fagosoom vormt binnen de cel een holte, waarin de omsloten vaste deeltjes buiten het cytoplasma veilig opgeslagen worden. Een lysosoom kan versmelten met een endosoom, dat door endocytose, pinocytose of fagocytose is gevormd.
Er zijn drie manieren van endocytose:
• pinocytose
Deze opname van vloeibare stoffen gebeurt in vrijwel alle levende cellen. Hierbij stulpt het celmembraan in en worden druppels vloeistof met daarin opgeloste stoffen, zoals suikers en eiwitten, van buiten de cel ingekapseld in een transportblaasje: het endosoom. Het endosoom snoert zich vervolgens af van het binnenste celmembraan met de inhoud en komt terecht in het cytoplasma van de cel.
• fagocytose
Fagocytose is het proces van inkapseling en vernietiging van vaste deeltjes, bijvoorbeeld dode celresten en bacteriën. Door fagocytose kan een fagocyt (granulocyt, macrofaag, mestcel) vaste deeltjes in de cel opnemen. Hierbij stulpt het celmembraan in en wordt een vast deeltje (zoals van cellen of bacteriën) van buiten de cel ingekapseld in het fagosoom. Het fagosoom vormt binnen de cel een holte, waarin de omsloten deeltjes buiten het cytoplasma veilig opgeslagen worden. Nadat het fagosoom gevormd is, fuseert het fagosoom met een lysosoom om zo een fagolysosoom te vormen. Door de afgifte van enzymen (proteases) door het lysosoom naar het fagosoom kunnen de eiwitten worden afgebroken, zodat de onderdelen door de cel kunnen worden hergebruikt. Als de enzymen hun werk hebben gedaan, blijven er nog afvalstoffen over. Deze worden samen in een secretieblaasje verpakt en via exocytose afgegeven naar de extracellulaire matrix in het weefsel buiten de cel. De fagocyt is nu een antigeen presenterende cel.
• receptor-gemedieerde endocytose
Hierbij stulpt het celmembraan in en wordt een virusdeeltje van buiten de cel ingekapseld in een transportblaasje: het endosoom. Het endosoom snoert zich vervolgens af van het binnenste celmembraan met de inhoud en komt terecht in het cytoplasma van de cel. Het virusdeeltje wordt beschermd door twee membranen, dat van het virus zelf en dat van het endosoom. Nu moet het virus ontsnappen uit het endosoom. Als het endosoom in het cytoplasma van de cel zit, wordt de zuurgraad in erin verlaagd. Het eiwit in het membraan van het virus verandert en dit zorgt ervoor, dat het membraan van het virus kan versmelten met het membraan van het endosoom. Hierdoor komt de inhoud van het virusdeeltje (het genetische materiaal) vrij in het binnenste van de cel (het cytoplasma). Daar kan het genetische materiaal zich vermenigvuldigen en worden afgelezen en vertaald naar capside-eiwitten en naar virale membraaneiwitten. Nu gaan nieuwe virusdeeltjes worden gevormd, die ook uit de gastheercel willen ontsnappen. Het nieuw gemaakte genetische materiaal vormt eerst samen met de capside-eiwitten van het virus nieuwe nucleocapsiden. De nucleocapsiden worden naar het membraan van de cel vervoerd. Op het membraan van de cel bevinden zich de nieuwe membraaneiwitten van het virus.  De nucleocapsiden duwen zichzelf vervolgens naar buiten door het membraan heen en nemen zo een stukje van het celmembraan met daarop de nieuwe virale membraaneiwitten mee. Zo kunnen uit een gastheercel veel nieuwe virusdeeltjes voortkomen. Deze virusdeeltjes kunnen weer een nieuwe gastheercellen infecteren, waardoor een virusinfectie zich in korte tijd kan verspreiden.

Exocytose
Bij exocytose vervoert een cel stoffen (moleculen) naar het celmembraan of de extracellulaire matrix van het weefsel. Het proces van exocytose verloopt via het golgi-apparaat. De af te geven stoffen worden bij het golgi-apparaat verpakt in secretieblaasjes (vesicles). De blaasjes worden naar het celmembraan vervoerd. Daar smelt een secretieblaasje samen met het celmembraan. De stoffen worden vervolgens buiten de cel afgegeven.

Endosomen
Het endosoom is een transportblaasje (vesicle), dat is omgeven door een lipidemembraan in het cytoplasma. De taak van het endosoom is om een vast deeltje of druppels vloeistof van buiten de cel in te kapselen en de inhoud over te brengen naar het lysosoom voor afbraak. Het endosoom versmelt vervolgens met een lysosoom, waarna de vertering kan beginnen.

Lysosomale stapelingsziekten
Bij de afbraak door lysosomen horen geen resten over te blijven. Toch ontstaan vaak restlichaampjes. Dit zijn slecht verteerbare stoffen, waarschijnlijk de resten van celvreemd materiaal, dat niet of maar langzaam kan worden afgebroken. Door een genetisch defect zijn één of meer essentiële enzymen niet in actieve vorm in de lysosomen aanwezig. Bij een extreme ophoping van restlichaampjes kunnen stapelingsziekten ontstaan.