I lisosomi: caratteristiche, struttura e funzioni

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Caratteristiche

I lisosomi sono organuli citoplasmatici delimitati da membrana che contengono differenti enzimi idrolitici. Questi enzimi sono in grado di degradare tutti i polimeri biologici proteine, acidi nucleici, lipidi e polisaccaridi. I lisosomi rappresentano il sistema digestivo della cellula, degradando sia materiale proveniente dall’esterno della cellula sia componenti cellulari non più utili. Questi organuli si trovano in tutte le cellule eucariote sono particolarmente abbondanti nelle cellule che mostrano attività fagocitaria come i macrofagi, leucociti e neutrofili. I lisosomi sono vescicole a membrana limitata. La membrana che li circonda ha tre caratteristiche:

  • Separa gli enzimi idrolitici dal citosol;
  • Ospita proteine di trasporto e indirizza le idrolasi nel lisosoma;
  • Contiene una pompa ATP-dipendente per mantenere l’ambiente acido all’interno del lisosoma.

La scoperta

I lisosomi sono stati descritti negli anni ’50 dal biochimico belga Christian De Duve (1917-2013) (Fig. 1), a cui nel 1974 fu conferito il premio Nobel. Nello stesso anno fondò l’Istituto di patologia cellulare e molecolare a Bruxelles. Successivamente scoprì i perossisomi organuli sede di processi metabolici che coinvolgono il perossido di idrogeno. A lui si deve anche il termine di autofagia. La ricerca di De Duve era incentrata sul ruolo dell’insulina e del glucagone, notò come l’attività dell’enzima 6-fosfatasi negli epatociti del fegato era associata ad una frazione cellulare ottenuta in seguito a centrifugazione, chiamata microsoma. I microsomi contenevano vescicole del reticolo endoplasmatico. De Duve ed i suoi collaboratori conclusero che questi enzimi erano racchiusi in un organello, che chiamarono lisosoma.

Christian De Duve all'Università Rockefeller di New York. 
[Fonte: https://www.pnas.org]
Figura 1 – Christian De Duve all’Università Rockefeller di New York.
[Fonte: https://www.pnas.org]

Struttura

I lisosomi appaiono come corpi densi nel citosol, hanno una forma tondeggiante a volte tubulare ed un diametro compreso tra i 0,2-1µm. La dimensione ed il numero possono aumentare drasticamente per esempio in un accumulo di materiale non digerito. I lisosomi sono delimitati da un singolo strato fosfolipidico di 7-10nm. Una caratteristica della membrana lisosomiale è il suo alto contenuto di carboidrati dovuto a proteine di membrana fortemente glicosilate. La glicosilazione è una modificazione della struttura della proteina ad opera dell’ apparato di Golgi. E’ importante perché protegge la membrana del lisosoma dall’attacco degli enzimi. Anche se la natura e l’attività degli enzimi variano a seconda del tipo di cellula le più comuni sono le proteasi, nucleasi, lipasi, fosfolipasi, glicosidasi e fosfatasi. Questi enzimi appartengono alla classe delle idrolasi acide e necessitano di un pH basso (4.5-5.0) per svolgere la propria attività in maniera ottimale (Fig. 2) e (Fig. 3).

Il contenuto acido all'interno del lisosoma viene mantenuto da una pompa protonica che trasporta attivamente protoni dal citosol ai lisosomi. [Fonte: https://sciencedirect.com]
Figura 2 – Il contenuto acido all’interno del lisosoma viene mantenuto da una pompa protonica che trasporta attivamente protoni dal citosol ai lisosomi. [Fonte: https://sciencedirect.com]
Lisosomi estratti dalle cellule HeLa trattati con un precursore coinvolto nella sintesi dell'etilene (ormone delle piante). [Fonte:https://researchgate.com]
Figura 3 – Lisosomi estratti dalle cellule HeLa trattati con un precursore coinvolto nella sintesi dell’etilene (ormone delle piante). [Fonte:https://researchgate.com]

Funzioni

I lisosomi non sono semplici organelli cellulari, sono considerati i regolatori dell’omeostasi cellulare. Partecipano a molti processi cellulari tra cui:

Le funzioni appena elencate influenzano la capacità dei lisosomi di muoversi nel citoplasma.

Autofagia

Uno dei tanti processi coinvolti nello smaltimento dei lisosomi è l’autofagia (Fig. 4).

E’ un processo finemente regolato. E’ importante nel ricambio fisiologico degli organelli cellulari come le vescicole del reticolo endoplasmatico, i mitocondri, i lisosomi ed è essenziale per la rimozione di materiale biologico che si può accumulare sia nel corso dell’invecchiamento sia in condizioni patologiche (condizioni che favoriscono l’alterazione della conformazione tridimensionale delle proteine). Questi eventi consentono alla cellula di sopravvivere.

Meccanismo di Autofagia. [Fonte: https://cell.com]
Figura 4 – Meccanismo di Autofagia. [Fonte: https://cell.com]

L’autofagia viene classificata in:

  • macroautofagia: componenti cellulari con porzioni di citoplasma, organuli in eccesso, aggregati di proteine e patogeni vengono trasferiti all’interno di vescicole a doppia membrana che prendono il nome di autofagosomi.
  • microautofagia: abbiamo il manifestarsi di invaginazioni a livello della membrana lisosomiale e queste componenti cellulari vengono racchiuse nei lisosomi dove verranno distrutti.
  • autofagia mediata da proteine chaperon: non si ha la formazione di vescicole, non abbiamo autofagosomi ma le proteine che verranno degradate vengono riconosciute da un Chaperon HSC70. Quest chaperon utilizza un’altra proteina di membrana detta LAMP-2A ed infine inviate al lisosoma.

Inoltre, l’autofagia ha un ruolo estremamente importante durante le condizioni di carenza e biodisponibilità del ferro. L’autofagia è in grado di legare selettivamente la ferritina. La ferritina è una proteina in grado di legare il ferro all’interno della cellula. Il meccanismo che porta alla degradazione delle ferritina prende il nome di ferritinofagia. Questo processo è mediato dal recettore NCOA4. Questo recettore lega la ferritina e l’autofagosoma in formazione e di conseguenza l’autofagosoma si fonderà con il lisosoma. Grazie all’azione degli enzimi lisosomiali il ferro ritornerà disponibile.

Fonti

  • Appunti di patologia generale del prof.re Sutti
  • Biologia della cellula di Roberto Colombo ed Ettore Olmo edi-ermes

Crediti immagini

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