Autophagie, Heterophagie und Endosomen
Wie Lysosomen und Endosomen zelleigenes und zellfremdes Material abbauen und welche Zellen dafür besonders viele Lysosomen besitzen.
Das Wichtigste in Kürze
- Das Lysosomen-Endosomen-System baut zelleigenes Material (Autophagie) und zellfremdes Material wie Bakterien und Xenobiotika (Heterophagie) ab.
- Bei der Mitophagie umschließt ein Phagophor ein altes Mitochondrium, das entstehende Autophagosom verschmilzt mit einem Lysosom.
- Endocytierte Makromoleküle gelangen über das Endosom ins Lysosom, phagozytierte Bakterien über das Phagosom ins Phagolysosom.
- Phagolysosom, Endolysosom und Autophagolysosom sind sekundäre Lysosomen; Lysosomen fusionieren nie mit dem membranlosen Proteasom.
- Viele Lysosomen besitzen Makrophagen, neutrophile Granulozyten, dendritische Zellen, Hepatozyten und Zellen der proximalen Nierentubuli; reife Erythrozyten haben keine.
Worum es geht
Lysosomen verdauen Material, das aus der Zelle selbst stammt oder von außen aufgenommen wurde. Über Endosomen, Phagosomen und Autophagosomen erreicht dieses Material das Lysosom. Das Wissen hilft in der Pharmazie etwa beim Verständnis, wie Fresszellen Bakterien beseitigen und wie die Niere filtrierte Proteine verwertet.
Zelleigenes und zellfremdes Material
Lysosomen sind die Verdauungsorgane der Zelle. Ihre sauren Hydrolasen zerlegen Proteine, Nucleinsäuren, Lipide und Kohlenhydrate in ihre Bausteine. Die Herkunft des Materials spielt dabei keine Rolle. Lysosomen verdauen zelleigene und zellfremde Stoffe gleichermaßen. Danach unterscheidet man zwei Abbauwege.
Heterophagie
Bei der Heterophagie baut die Zelle Material ab, das von außen stammt. Dazu gehören Bakterien, aufgenommene Makromoleküle und Xenobiotika. Das sind körperfremde Stoffe, etwa manche Arzneistoffe. Sie gelangen über Endocytose oder Phagocytose in die Zelle und von dort ins Lysosom.
Autophagie
Bei der Autophagie verdaut die Zelle eigene Bestandteile. Das betrifft nicht mehr benötigte Proteine und ganze Organellen. Ein typisches Beispiel sind überalterte Mitochondrien. Ihren Abbau nennt man Mitophagie.
Eine flache Membranzisterne, der Phagophor, umwächst das Organell. Sie schließt sich zum Autophagosom mit Doppelmembran. Dieses verschmilzt mit einem Lysosom zum Autophagolysosom, in dem der Inhalt abgebaut wird. Die Bausteine kehren ins Cytosol zurück und werden wiederverwendet. Die Zelle betreibt so einen Recyclinghof für ihre eigenen Altteile.
Wird im Examen gerne gefragt: Lysosomen bauen zelleigenes Material (Autophagie, etwa alte Mitochondrien) und zellfremdes Material (Heterophagie, etwa Bakterien und Xenobiotika) ab. Achte darauf, das Lysosomen-Endosomen-System nie auf nur eine Herkunft zu beschränken.
Endocytose und Phagolysosom
Was die Zelle per Endocytose aufnimmt, landet nicht direkt im Lysosom. Die Endocytosevesikel verschmelzen zuerst mit einem Endosom.
Ein Endosom ist ein membranumschlossenes Kompartiment, das Endocytosevesikel aufnimmt und ihren Inhalt sortiert. Rezeptoren kehren von hier zur Plasmamembran zurück, abzubauende Fracht wandert weiter zum Lysosom.
Aus dem frühen Endosom entsteht ein spätes Endosom. Es ist saurer und erhält lysosomale Enzyme aus dem Golgi-Apparat. Verschmilzt es mit einem Lysosom, entsteht ein Endolysosom. Dort zerlegen die Hydrolasen die aufgenommenen Makromoleküle.
Phagocytose
Größere Partikel wie Bakterien nehmen Fresszellen durch Phagocytose auf. Die Zellmembran umfließt das Bakterium und schnürt es als Phagosom ab. Lysosomen fusionieren mit dem Phagosom. Im entstehenden Phagolysosom wird das Bakterium verdaut. Unverdauliche Reste bleiben als Residualkörper in der Zelle zurück.
Primäre und sekundäre Lysosomen
Ein Lysosom, das sich frisch vom trans-Golgi-Netzwerk abgeschnürt hat, heißt primäres Lysosom. Es enthält Enzyme, hat aber noch nichts verdaut. Sobald es mit einem Vesikel voller Abbaugut verschmilzt, wird es zum sekundären Lysosom. Phagolysosom, Endolysosom und Autophagolysosom sind also alle sekundäre Lysosomen. Sie unterscheiden sich nur in der Herkunft ihres Inhalts.
Anders als das Lysosom ist das Proteasom ein cytosolischer Proteinkomplex ohne Membran, der ubiquitinmarkierte Proteine abbaut. Lysosomen verschmelzen deshalb nur mit membranumhüllten Partnern wie Endosomen, Phagosomen und Autophagosomen, nie mit Proteasomen.
Antigenpräsentation
Der lysosomale Abbau dient auch der Abwehr. Fresszellen zerlegen die Proteine aufgenommener Erreger in Peptidfragmente. Diese Fragmente werden auf MHC-II-Moleküle geladen und an der Zelloberfläche als Antigene präsentiert. So tragen die Abbauprodukte zellfremden Materials zur Immunantwort bei. Wie T-Helferzellen diese Komplexe erkennen, erklärt die Seite zu den T-Lymphozyten.
Lysosomenreiche Zellen
Lysosomen gehören zur Grundausstattung tierischer Zellen. Ihre Zahl richtet sich aber nach der Aufgabe. Viele Lysosomen besitzt eine Zelle, wenn sie viel aufnimmt und abbaut. Zwei Gruppen stechen hervor: phagozytierende Zellen und resorbierende Epithelien.
| Zelltyp | Grund für viele Lysosomen |
|---|---|
| Makrophagen | phagozytieren Erreger, Zelltrümmer und gealterte Zellen |
| Neutrophile Granulozyten | phagozytieren und verdauen Bakterien |
| Dendritische Zellen | phagozytieren Antigene und präsentieren sie über MHC-II |
| Epithelzellen der proximalen Nierentubuli | nehmen filtrierte Proteine per Endocytose auf und bauen sie ab |
| Hepatozyten | nehmen viele Stoffe aus dem Blut auf und haben einen hohen Umsatz eigener Bestandteile |
Das Gegenbeispiel ist der reife Erythrozyt. Bei seiner Reifung verliert er Zellkern und alle Organellen, also auch die Lysosomen. Lysosomen kommen daher nicht in sämtlichen Zellen in großer Zahl vor. In Pflanzenzellen übernimmt vor allem die Zentralvakuole die lytische Aufgabe.
Quiz
Aussage 1
Peptidfragmente lysosomal verdauter Erreger können über MHC-II-Moleküle an der Zelloberfläche präsentiert werden.
So tragen Abbauprodukte zellfremden Materials zur Immunantwort bei.
Aussage 2
Überalterte Mitochondrien werden von einer Doppelmembran umschlossen und nach Fusion mit einem Lysosom abgebaut.
Das ist die Mitophagie: Der Phagophor bildet ein Autophagosom mit Doppelmembran, das mit einem Lysosom verschmilzt.
Aussage 3
Epithelzellen der proximalen Nierentubuli enthalten zahlreiche Lysosomen.
Sie nehmen filtrierte Proteine per Endocytose auf und bauen sie lysosomal ab.
Aussage 4
Zum Proteinabbau verschmelzen Lysosomen mit Proteasomen.
Das Proteasom ist ein cytosolischer Proteinkomplex ohne Membran. Lysosomen fusionieren mit Endosomen, Phagosomen und Autophagosomen.
Aussage 5
Ein Phagolysosom ist ein primäres Lysosom, weil es direkt aus dem Golgi-Apparat stammt.
Primär ist nur das frisch abgeschnürte Lysosom ohne Abbaugut. Das Phagolysosom entsteht durch Fusion mit einem Phagosom und ist ein sekundäres Lysosom.
Aussage 6
Lysosomen bauen ausschließlich Material ab, das von außerhalb der Zelle stammt.
Lysosomen verdauen auch zelleigenes Material wie alte Mitochondrien (Autophagie), nicht nur zellfremdes (Heterophagie).
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