لیزوزوم و عملکرد آن — به زبان ساده

لیزوزوم‌ ها وزیکول‌های تخصصی در سلول‌ها هستند که با استفاده از آنزیم‌های هیدرولیتیک، درشت مولکول‌ها را هضم ‌می‌کنند. وزیکول‌ها محفظه‌های کوچکی از مایع هستند که توسط یک غشای دو لایه لیپیدی احاطه شده‌اند و در حمل و نقل مولکول‌ها درون سلول نقش دارند. لیزوزوم‌ها فقط در سلول‌های حیوانی یافت ‌می‌شوند. هر سلول انسانی در سیتوپلاسم خود در حدود 300 لیزوزوم را دارد. لیزوزوم ها نه تنها مولکول‌های بزرگ را هضم ‌می‌کنند بلکه آن‌ها مسئول تجزیه و حذف مواد زائد از سلول نیز هستند. لیزوزوم‌ها حاوی بیش از 60 آنزیم مختلف هستند که به آن‌ها امکان ‌می‌دهد، این فرایند‌ها را انجام دهند.

عملکرد لیزوزم

«لیزوزوم‌ها» (Lysosomes) بسیاری از مولکول‌های پیچیده مانند کربوهیدرات‌ها، لیپید‌ها، پروتئین‌ها و اسید‌های نوکلئیک را هضم ‌می‌کنند و مواد حاصل از هضم و تجزیه این ترکیبات توسط سلول برای مصارف دیگر مورد بازیافت قرار می‌گیرد. pH لیزوزوم‌ها اسیدی است (در حدود pH 5) زیرا آنزیم‌های هیدرولیتیک آن‌ها (pH بخش‌های دیگر سلول خنثی است)، در این pH بهتر عمل ‌می‌کنند. آنزیم‌های هیدرولیتیک به طور خاص مولکول‌های بزرگ را از طریق هیدرولیز تجزیه ‌می‌کنند.

فیلم آموزش زیست شناسی سلولی Cell Biology در فرادرس

کلیک کنید

در طی فرآیند هیدرولیز، یک مولکول آب به یک ماده اضافه ‌می‌شود و باعث شکسته شدن آن ‌می‌شود. مانند دستگاه گوارش بدن انسان که مواد غذایی را با استفاده از آنزیم‌ها تجزیه ‌می‌کند، لیزوزوم را ‌می‌توان به عنوان دستگاه گوارش سلول تصور کرد، زیرا باعث تجزیه مولکول‌ها با استفاده از آنزیم‌ها ‌می‌شود.

لیزوزوم‌ها چندین نوع مولکول مختلف را هضم ‌می‌کنند. آن‌ها ‌می‌توانند مولکول‌های غذایی را که وارد سلول ‌می‌شوند به قطعات کوچکتر تجزیه کنند، اگر یک وزیکول درون ریز (وزیکولی که ذرات را به درون سلول ‌می‌آورد) با لیزوزوم‌ها ادغام یا به اصطلاح فیوز شود، لیزوزوم‌ها قادر به گوارش محتویات این وزیکول‌ها هستند.

آن‌ها همچنین ‌می‌توانند اتوفاژی (Autophagy) را انجام دهند، در واقع اتوفاژی هضم اندامک‌های سلولی آسیب دیده و بافت بیمار برای بازیافت یا دفع است. علاوه بر این، لیزوزوم‌ها در فاگوسیتوز (Phagocytosis) نقش دارند، فاگوسیتوز فرایندی است که طی آن یک سلول، مولکول یا ذره‌ای را به منظور تجزیه، در بر می‌گیرد . عمل فاگوسیتوز همچنین به عنوان خوردن سلول شناخته ‌می‌شود. به عنوان مثال، گروهی از گلبول‌های سفید به نام فاگوسیت‌ها هستند که به منظور تجزیه و تخریب پاتوژن‌ها برای دفاع از بدن، باکتری‌های مهاجم را از طریق فاگوسیتوز جذب ‌می‌کنند و باکتری‌ها توسط وزیکول‌هایی محصور شده و با لیزوزوم‌ها فیوز می‌شوند، با ورود باکتری‌ها به درون لیزوزم‌ها، آنزیم‌های هیدرولازی لیزوزوم فعال شده و آن‌ها را تجزیه می‌کنند.

اگرچه کارکرد اصلی لیزوزوم‌ها پردازش و بازیافت مواد قدیمی یا مضر است، اما آن‌ها در تعدادی از فرآیندهای بیولوژیکی و عملکردهای دیگر سلولی نیز دخیل هستند.

تحقیقات اخیر حاکی از آن است که لیزوزوم‌ها می‌توانند در عمل سنتز پروتئین نقش داشته باشند. پروتئین‌ها همان چیزی هستند که سلول‌ها را قادر می‌سازند، عملکردهای متنوعی را انجام دهند و از طریق تعامل بین ریبوزوم‌ها و RNA ایجاد می‌شوند. لیزوزوم‌ها ممکن است ارتباطی با متابولیسم سلولی داشته باشند، حداقل در مورد کبد و  کلیه پرندگان این مورد به اثبات رسیده است. آنزیم‌های لیزوزومی در لقاح نیز نقش دارند، زیرا اسپرم آنزیم‌های لیزوزومی را حین عمل لقاح آزاد می‌کند که به آن در نفوذ تخمک‌ها کمک می‌کند.

تصور می‌شود که لیزوزوم‌ها علاوه بر کمک به تخریب سلول‌های استخوانی، در تشکیل این سلول‌ها نیز نقش دارند. آنزیم‌های لیزوزومی توسط استئوکلاست‌ها آزاد می‌شوند که می‌توانند با تخریب ماتریس آلی، سلول‌های استخوان را از بین ببرند.

ساختار لیزوزوم

لیزوزوم‌ها به طور کلی اندامک‌های بسیار کوچکی هستند، اندازه آن‌ها بین ۰٫۱ تا ۰٫۵ میکرومتر اندازه‌گیری شده است، اگرچه گاهی ‌می‌توانند به اندازه ۱٫۲ میکرومتر نیز برسند. لیزوزوم‌ها از ساختارهای ساده‌ای تشکیل شده‌اند، در واقع این کره‌ها از غشای دو لایه لیپید ساخته شده‌اند که محلولی درون خود محصور کرده‌اند و حاوی انواع آنزیم‌های هیدرولازی هستند.

فیلم آموزش بیوشیمی غشا – جامع و با مفاهیم کلیدی در فرادرس

کلیک کنید

لیپید‌هایی که دو لایه غشایی را تشکیل ‌می‌دهند، فسفولیپید‌ها نام دارند. فسفولیپیدها مولکول‌هایی هستند که سر آبگریز و دم آب دوست دارند. بخش آب دوست فسفولیپیدها را گروه فسفات و یک مولکول گلیسرول و دم اسید‌های چرب بخش آبگریز آن‌ها را تشکیل می‌دهند. با توجه به اختلاف در خواص این دو بخش مولکول‌های فسفولیپیدی، فسفولیپید‌ها به طور طبیعی غشاهای دو لایه را وقتی در محلول حاوی آب قرار ‌می‌گیرند، تشکیل ‌می‌دهند. سر‌های گروه فسفات به سمت خارج از لایه حرکت ‌می‌کنند، در حالی که دم اسید‌های چرب در سمت داخل لایه قرار می‌گیرند تا از آب دور شوند.

فسفولیپید‌ها غشا‌های زیادی را در سلول تشکیل ‌می‌دهند، مانند غشای سلولی که کل سلول را احاطه ‌می‌کند، غشای هسته‌ای (یا پاکت هسته‌ای) که هسته را احاطه ‌می‌کند، غشای دستگاه گلژی و شبکه آندوپلاسمی نیز از جنس فسفولیپیدها هستند.

لیزوزوم‌ها با جوانه زدن از دستگاه گلژی تشکیل ‌می‌شوند و آنزیم‌های هیدرولیتیک درون آن‌ها در شبکه آندوپلاسمی ساخته ‌می‌شوند. آنزیم‌هایی که در شبکه آندوپلاسمی ساخته می‌شوند با مولکول مانوز ۶- فسفات نشان دار‌ می‌شوند و درون وزیکول‌هایی به دستگاه گلژی منتقل شده و سپس در لیزوزوم‌ها بسته بندی ‌می‌شوند.

در لیزوزوم‌ها انواع مختلفی از آنزیم‌ها شامل پروتئاز‌ها، آمیلاز‌ها، نوکلئاز‌ها، لیپاز‌ها و اسید فسفاتاز‌ها وجود دارند. معمولاً آنزیم‌ها براساس مولکولی که آن را تجزیه ‌می‌کنند، نامگذاری می‌شوند. به عنوان مثال، پروتئاز‌ها، پروتئین‌ها را تجزیه ‌می‌كنند و نوکلئازها اسید‌های نوكلئیك را می‌شکنند، آمیلاز‌ها نیز نشاسته‌ها را به قندهای ساده تجزیه ‌می‌کنند.

تصاویر زیر یک ساختار ساده از لیزوزوم و تصویری دقیق‌تر از ساختار دو لایه فسفولیپید است.

لیپوزوم‌ها ساختارهایی هستند که نباید با لیزوزوم‌ها اشتباه گرفته شوند، در واقع لیپوزوم‌ها، وزیکول‌های مصنوعی هستند که مانند همه وزیکول‌ها از جمله لیزوزوم‌ها از دو لایه فسفولیپید تشکیل شده‌اند. لیپوزوم‌ها در پزشکی، تولیدات آرایشی و بهداشتی و همچنین صنایع غذایی کاربردهای فراروانی دارند. در پزشکی برای دارورسانی هدفمند از لیپوزوم‌ها به عنوان حامل دارو استفاده می‌شود.

بیماری‌های ذخیره‌‌ای لیزوزومی

برخی از اختلالات متابولیک ارثی ‌می‌توانند باعث نقص در عملکرد صحیح لیزوزوم‌ها شوند. به این اختلالات بیماری‌های ذخیره‌ای لیزوزو‌می (Lysosomal Storage Diseases) ‌یا LSD گفته ‌می‌شود. تاکنون در حدود ۵۰ نوع بیماری ذخیره‌ای لیزوزومی در انسان شناسایی شده است.

اما این بیماری‌ها به ندرت در افراد مشاهده می‌شود و نرخ ابتلا افراد به هر یک از این بیماری‌ها اغلب در حدود ۱ در هر ۱۰۰ هزار نفر است. با این حال، به عنوان یک گروه، بیماری های ذخیره‌ای لیزوزومی ۱ در هر ۵۰۰۰ تا ۱۰۰۰۰ تولد رخ ‌می‌دهند. LSDs معمولاً هنگا‌می ‌رخ ‌می‌دهد که فرد در خصوص یک آنزیم کمبود داشته باشد که مولکول‌های بزرگی مانند پروتئین‌ها یا لیپید‌ها را تجزیه ‌می‌کند. از آنجا که سلول‌های بدن فرد فاقد آنزیم است، مولکول‌های بزرگ نمی‌توانند تجزیه شوند و در نهایت آن‌ها درون سلول باقی مانده و متجمع می‌شوند که در آخر می‌توانند سلول را از بین ببرند.

بیشتر بیماری‌های ذخیره‌ای لیزوزومی در یک الگوی مغلوب اتوزومال به ارث ‌می‌رسند. این بدان معنی است که ‌می‌توان با یک کپی از آلل بدون جهش (یک آلل غالب)، آلل دارای جهش را پوشاند وآلل جهش یافته که موجب این بیماری‌ها می‌شوند در یکی از کروموزوم‌های اتوزومالی قرار دارند، کروموزوم‌های اتوزومال در واقع تمام کرووزوم‌های هر سلول به جز کروموزوم‌های جنسی X و Y را شامل می‌شوند.

فیلم آموزش سیتوژنتیک + مفاهیم کلیدی در فرادرس

کلیک کنید

بیماری تای ساکس (Tay-Sachs Disease) یکی از نمونه‌های شناخته شده بیماری‌های ذخیره‌ای لیزوزومی است که به صورت ژنتیکی به ارث ‌می‌رسد. به دلیل عملکرد نامناسب آنزیم هگزوزامینیداز آ (Hexosaminidase A)، گلیکولیپید‌ها در مغز ساخته ‌می‌شوند و عملکرد طبیعی آن را مختل ‌می‌کنند. این امر باعث ‌می‌شود سلول‌های عصبی تجزیه شده و عملکرد جسمی و روانی فرد به تدریجی از بین برود. برای بیماری تای ساکس تاکنون هیچ درمانی شناسایی نشده و کودکان مبتلا به این بیماری تا سن چهار سالگی جان خود را از دست می‌دهند.

علاوه بر موارد اتوزومال بیماری‌های ذخیره‌ای لیزوزومی، چندین نوع از این بیماری‌ها نیز شناسایی شدند که نحوه وراثت آن‌ها وابسته به کروموزوم X است، به این معنی که برخی از بیماری‌های لیزوزومی به دلیل جهش در کروموزوم X رخ ‌می‌دهند. یکی از این LSD‌ها بیماری فابری (Fabry) است. بیماری فابری در جمعیت‌های مختلف به ندرت مشاهده می‌شود، به طوری که 1 در هر 40000-120،000 تولد زنده این بیماری ممکن است ایجاد شود. افراد مبتلا به بیماری فابری در آنزیم آلفا گالاکتوزیداز A کمبود دارند و این باعث ‌می‌شود که «گلیکولیپید گلوبوتریاسیلر آمید» (Glycolipid Globotriaosylceramide) در بدن ایجاد شود.

علائم این بیماری شامل خستگی، دردو سوزش در اندام‌ها یا درد کلی بدن، وزوز گوش، حالت تهوع، عوارض قلبی و کلیوی و برجستگی‌های روی پوست به نام «آنژیوکراتوما» (Angiokeratomas) هستند. جهش عامل بیماری فابری روی کروموزوم X قرار دارد، اما زنانی که تنها یک نسخه از ژن جهش یافته دارند، علائم بیماری را نشان ‌می‌دهند. از آنجا که مردان فقط یک کروموزوم X دارند، علائم آن‌ها شدیدتر است. امید به زندگی برای مبتلایان به این بیماری در مردان تا سن 58٫2 و در زنان 75٫4 برآورده شده است.

اصطلاحات مرتبط با لیزوزوم

• وزیکول (Vesicle): محفظه کوچکی از لایه فسفولیپیدی در سلول است که ‌می‌تواند مولکول‌ها را به بخش‌های مختلف سلول منتقل کند.
• بیماری‌های ذخیره سازی لیزوزو‌می ‌(LSDs): گروهی حدود 50 اختلال ژنتیکی که در آن‌ها عملکرد لیزوزو‌می‌ غیر‌طبیعی است و اغلب با کمبود یا کارکرد نامناسب یک آنزیم در ارتباط هستند.
• اتوفاژی (Autophagy): تخریب اجزا و ترکیبات غیرضروری یا اجزایی از سلول که عملکرد مناسب ندارند را اتوفاژی می‌گویند.
• آنزیم هیدرولیتیک (Hydrolytic Enzyme): آنزیم‌ها یا پروتئین‌هایی که واکنش شیمیایی مربوط به هیدرولیز را تسریع ‌می‌کند، تحت عنوان آنزیم‌های هیدرولیتیکی شناخته می‌شوند.