Lysosomes: caractéristiques, structure, fonctions et types

Les lysosomes sont des organites cellulaires entourés de membranes situées à l'intérieur de cellules animales. Ce sont des compartiments présentant un pH acide et riches en enzymes digestives, capables de dégrader tout type de molécule biologique: protéines, glucides et acides nucléiques.

En outre, ils peuvent dégrader les matériaux provenant de l'extérieur de la cellule. Par conséquent, les lysosomes ont de multiples fonctions dans le métabolisme cellulaire et, grâce à sa composition riche en enzymes hydrolytiques, sont souvent appelés "l'estomac" de la cellule.

Les lysosomes sont formés par la fusion de vésicules émergeant de l'appareil de Golgi. La cellule reconnaît certaines séquences qui agissent comme des "marqueurs" sur les enzymes hydrolytiques et les envoie aux lysosomes en formation.

Ces vacuoles sont de forme sphérique et leur taille varie considérablement, constituant une structure cellulaire assez dynamique.

Découverte et perspective historique

Les lysosomes ont été découverts il y a plus de 50 ans par le chercheur Christian de Duve. L'équipe de De Duve menait des expériences faisant appel à la technique de fractionnement subcellulaire, afin d'étudier la localisation de certaines enzymes.

Ce protocole expérimental a permis la découverte des organites, les chercheurs ayant remarqué que la libération d'enzymes hydrolytiques augmentait à mesure qu'ils ajoutaient des composés endommageant les membranes.

Par la suite, l’amélioration des techniques de biologie moléculaire et l’existence de meilleurs équipements, tels que les microscopes électroniques, ont permis de corroborer leur présence. En fait, on pourrait en conclure que les lysosomes occupent 5% du volume intracellulaire.

Peu de temps après sa découverte, il était possible de démontrer la présence d'enzymes hydrolytiques à l'intérieur, transformant le lysosome en une sorte de centre de dégradation. De plus, les lysosomes étaient liés à la vie endocytaire.

Historiquement, les lysosomes étaient considérés comme le point final de l'endocytose, utilisé uniquement pour la dégradation des molécules. De nos jours, il est connu que les lysosomes sont des compartiments cellulaires dynamiques, capables de fusionner avec divers organites supplémentaires.

Caractéristiques

Morphologie des lysosomes

Les lysosomes sont des compartiments uniques de cellules animales qui hébergent diverses enzymes capables d'hydrolyser les protéines et de digérer certaines molécules.

Ce sont des vacuoles de formes sphériques et denses. La taille de la structure est très variée et dépend du matériau précédemment capturé.

Les lysosomes, ainsi que le réticulum endoplasmique et l'appareil de Golgi, font partie du système endomembranaire de la cellule. Bien que ces trois structures soient des réseaux membranaires, elles ne sont pas continues les unes avec les autres.

Les lysosomes contiennent plusieurs enzymes

La principale caractéristique des lysosomes est la batterie d'enzymes hydrolytiques qu'elle contient. Il existe environ 50 enzymes capables de dégrader une large gamme de biomolécules.

Parmi celles-ci figurent les nucléases, les protéases et les phosphatases (qui éliminent les groupes phosphates des mononucléotides, des phospholipides et d’autres composés). En outre, ils contiennent d'autres enzymes responsables de la dégradation des polysaccharides et des lipides.

Logiquement, ces enzymes digestives doivent être spatialement séparées du reste des composants cellulaires pour éviter leur dégradation incontrôlée. Ainsi, la cellule peut "choisir" les composés à éliminer, car elle peut réguler les éléments entrant dans le lysosome.

L'environnement des lysosomes est acide

L'intérieur des lysosomes est acide (près de 4, 8) et les enzymes qu'il contient fonctionnent bien dans ces conditions de pH. Par conséquent, ils sont connus comme hydrolases acides.

Le pH acide caractéristique de ce compartiment cellulaire est maintenu grâce à la présence d'une pompe à protons et d'un canal chlorure dans la membrane. Ensemble, ils transportent l'acide chlorhydrique (HCl) dans le lysosome. La pompe est ancrée dans la membrane de l'organite.

La fonction de ce pH acide est l'activation des différentes enzymes hydrolytiques présentes dans le lysosome et d'éviter autant que possible son activité enzymatique au pH neutre du cytosol.

De cette façon, nous avons déjà deux barrières qui protègent contre une hydrolyse incontrôlée: garder les enzymes dans un compartiment isolé et que ces enzymes fonctionnent bien avec le pH acide de ce compartiment.

Bien que la membrane lysosomique se décompose, la libération des enzymes n'aurait pas beaucoup d'effet, en raison du pH neutre du cytosol.

Fonctions

Les enzymes hydrolytiques dominent la composition interne des lysosomes, raison pour laquelle ils constituent une région importante du métabolisme cellulaire où la digestion des protéines extracellulaires qui pénètrent dans la cellule s'effectue par endocytose, recyclage des organites et protéines cytosoliques.

Nous explorerons ensuite les fonctions les plus importantes des lysosomes: la dégradation des molécules par autophagie et la dégradation par phagocytose.

Autofagia

Qu'est-ce que l'autophagie?

Un mécanisme qui parvient à capturer les protéines cellulaires est appelé autophagie "mange toi-même". Cet événement contribue au maintien de l'homéostasie cellulaire en dégradant les structures cellulaires devenues inutiles et contribue au recyclage des organites.

Ce phénomène entraîne la formation de vésicules appelées autophagosomes. Ce sont de petites régions du cytoplasme ou d'autres compartiments cellulaires, du réticulum endoplasmique qui fusionnent avec les lysosomes.

Les deux organites ont la capacité de fusionner, car ils sont délimités par une membrane plasmique de nature lipidique. C'est comme si vous essayiez de joindre deux bulles de savon - vous en formez une plus grande.

Après la fusion, le contenu enzymatique du lysosome est responsable de la dégradation des composants qui se trouvaient à l'intérieur de l'autre vésicule formée. La capture de ces molécules semble être un processus qui manque de sélectivité, provoquant la dégradation des protéines situées dans le cytosol à vie longue.

Périodes d'autophagie et de jeûne

Dans la cellule, l’autophagie semble être régulée par la quantité de nutriments disponibles.

Lorsque l'organisme subit une carence en nutriments ou des périodes de jeûne prolongées, les voies de dégradation sont activées. De cette façon, la cellule dégrade les protéines qui ne sont pas essentielles et permet la réutilisation de certains organites.

Sachant que les lysosomes jouent un rôle important pendant les périodes de jeûne, l'intérêt des chercheurs pour cet organite a augmenté.

Autophagie et développement des organismes

En plus de leur participation active à des périodes de faible contenu nutritionnel, les lysosomes jouent un rôle important lors du développement de certaines lignées d'êtres organiques.

Dans certains cas, le développement implique le remodelage total de l'organisme, ce qui implique que certains organes ou structures doivent être éliminés au cours du processus. Dans la métamorphose des insectes, par exemple, le contenu hydrolytique des lysosomes contribue au remodelage des tissus.

Endocytose et phagocytose

L'endocytose et la phagocytose jouent un rôle dans la prise d'éléments extérieurs aux cellules et leur dégradation ultérieure.

Au cours de la phagocytose, certaines cellules, telles que les macrophages, sont responsables de l'ingestion ou de la dégradation de particules de taille considérable, telles que des bactéries ou des débris cellulaires.

Ces molécules sont ingérées par une vacuole phagocytaire, appelée phagosome, qui, comme dans le cas précédent, va fusionner avec des lysosomes. La fusion provoque la libération d'enzymes digestives à l'intérieur du phagosome et la dégradation des particules se poursuit.

Types de lysosomes

Certains auteurs distinguent ce compartiment en deux types principaux: le type I et le type II. Les lysosomes de type I ou primaires sont impliqués dans le stockage des enzymes hydrolytiques, tandis que les lysosomes secondaires sont liés aux processus de catalyse.

Formation de lysosomes

La formation de lysosomes commence par l’absorption de molécules de l’extérieur par les vésicules endocytiques. Ces derniers sont fusionnés avec d'autres structures appelées endosomes précoces.

Plus tard, les endosomes précoces subissent un processus de maturation et donnent naissance à des endosomes tardifs.

Une troisième composante apparaît dans le processus de formation: les vésicules de transport. Ceux-ci contiennent des hydrolases acides provenant du réseau trans de l'appareil de Golgi. Les deux structures - les vésicules de transport et les endosomes tardifs - se fondent et se transforment en un lysosome, après avoir acquis l'ensemble des enzymes lysosomales.

Au cours du processus, le recyclage des récepteurs membranaires s'effectue par le biais du recyclage des endosomes.

Les hydrolases acides sont séparées du récepteur mannose-6 phosphate au cours du processus de fusion des organites à l'origine des lysosomes. Ces récepteurs entrent à nouveau dans le réseau trans du Golgi.

Différences entre les endosomes et les lysosomes

La confusion est commune entre les termes endosomes et lysosome. Les premiers sont des compartiments cellulaires entourés de lysosomes ressemblant à des membranes. Cependant, la distinction cruciale entre les deux organites est que les lysosomes sont dépourvus de récepteurs mannose-6-phosphate.

Outre ces deux entités biologiques, il existe d'autres types de vésicules. L'un d'eux est les vacuoles, dont le contenu est principalement constitué d'eau.

Les vésicules de transport, comme leur nom l'indique, participent au déplacement de substances vers d'autres emplacements de la cellule. Les vésicules de sécrétion, en revanche, éliminent les déchets ou les produits chimiques (tels que ceux qui participent aux synapses des neurones).

Maladies associées

Chez l'homme, les mutations dans les gènes codant pour les enzymes lysosomiennes sont associées à plus de 30 maladies congénitales. Ces pathologies sont incluses dans le terme "maladies à dépôt lysosomal".

De manière surprenante, beaucoup de ces conditions résultent de lésions d'une seule enzyme lysosomale.

Chez les personnes touchées, la présence d'une enzyme non fonctionnelle dans les lysosomes a pour conséquence l'accumulation de déchets.

La modification de dépôt lysosomale la plus courante est connue sous le nom de maladie de Gaucher et est associée à une mutation du gène qui code pour l'enzyme responsable des glycolipides. Curieusement, la maladie montre une fréquence assez élevée parmi la population juive, touchée à 1 sur 2 500 personnes.