Lysosom

Die Lysosomen enthalten zur intrazellulären Verdauung von Material viele verschiedene hydrolysierende Enzyme, wie Proteasen, Nukleasen und Lipasen. Diese erreichen nur im sauren Milieu eine hohe Aktivität. Dadurch ist sichergestellt, dass Enzyme, die aus beschädigten Lysosomen in das Zytosol gelangen, keine wichtigen zellulären Bestandteile abbauen.

Das Innere (Lumen) von Lysosomen hat einen pH-Wert von unter 5, der aktiv durch eine V-Typ-ATPase aufrechterhalten wird. Sie transportiert unter Hydrolyse von einem ATP-Molekül 2 Protonen in das Lysosom. Die Membran der Lysosomen besitzt eine spezifische Proteinausstattung. Auf der Innenseite (E-Seite) sind die Membranproteine zum Schutz vor den Enzymen stark glykosyliert.

Die lysosomalen Enzyme werden im endoplasmatischen Retikulum (ER) während des cotranslationalen Proteintransports synthetisiert und in das ER-Lumen transferiert. Anschließend werden sie in Transportvesikel verpackt und über den vesikulären Transport zu den Lysosomen gebracht. Auf diesem Weg passieren sie auch den Golgi-Apparat. An diesem Organell wird entschieden, ob ein Protein über die Exozytose sekretiert oder zu anderen Kompartimenten transportiert wird.

Damit lysosomale Enzyme in die richtigen Vesikel gepackt werden, findet im Golgi-Apparat eine Markierung statt. Im Fall der Hydrolasen ist der Marker bekannt: Das Kohlenhydrat Mannose, das bereits im ER durch die N-Glykosylierung an die Proteine gebunden wurde, wird im cis-Golgi-Apparat phosphoryliert. Zwei Enzyme katalysieren diese Modifikation: Eine Phosphotransferase erkennt, dass es sich um ein lysosomales Enzym handelt und heftet N-Acetylglucosamin-1-Phosphat an ein oder zwei Mannosereste. Das zweite Enzym schneidet den N-Acetylglucosamin-Rest ab, womit die Markierung abgeschlossen ist.

Im trans-Golgi-Apparat werden die Mannose-6-Phosphat-Gruppen (M6P-Gruppen) schließlich von M6P-Rezeptorproteinen erkannt. Die Bindung an diese Transmembranproteine "sortiert" die Hydrolasen in Vesikel, die anschließend zu den Lysosomen gebracht werden.

Im Zytoplasma verschmelzen die primären Lysosomen mit endozytotischen Vesikeln oder Phagosomen zu sog. sekundären Lysosomen. Man kann mehrere Formen von sekundären Lysosomen unterscheiden:

• Lysosom + endozytotische Vesikel = Heterolysosom (> in normalen Körperzellen)
• Lysosom + Phagosom = Phagolysosom oder Heterophagolysosom (> in Makrophagen)
• Lysosom + Autophagosom = Autophagolysosom

Im Heterolysosom trennen sich die M6P-Rezeptoren wieder von ihren Liganden und werden wiederverwendet.

Ein Defekt in der Phosphotransferase führt zu einer sogenannten lysosomalen Speicherkrankheit. Da keine Markierung mit M6P stattfinden kann, werden die lysosomalen Enzyme nicht sortiert und gelangen unkontrolliert in die extrazelluläre Matrix (I-Zellkrankheit). Andere lysosomale Speicherkrankheiten werden bei Defekten von lysosomalen Hydrolasen ausgelöst. Dadurch kommt es zur Vermehrung von nicht abgebautem Material in den Lysosomen. Meistens sind schwere Krankheitserscheinungen die Folge.