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Lisosomas y peroxisomas

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a) LISOSOMAS

1. CARACTERÍSTICAS.

Los lisosomas son orgánulos relativamente grandes, formados por el retículo endoplasmático rugoso y luego empaquetadas por el complejo de Golgi. Son orgánulos esféricos rodeados de membrana capaces de realizar el metabolismo o digestión intracelular de macromoléculas de una forma controlada.

Su número y contenido varía en función del tipo de célula y de la actividad celular, siendo muy numerosos en células cuya función primordial es la de defensa. Las enzimas hidrolíticas y proteolíticas que sirven para digerir los materiales de origen externo (heterofagia) o interno (autofagia) que llegan a ellos

Se le conoce como el orgánulo de DUVE y se encuentra en todas las células. El espacio periplásmico de las bacterias desempeña el mismo papel que los lisosomas. Se encuentran en todas las células animales, excepto en los eritrocitos, pero no se ha demostrado su existencia en células vegetales. Sin embargo, en las semillas de vegetales existe material de reserva que se acumulan en forma de gránulos de aleurona. Estos gránulos son lisosomas secundarios que se mantienen sin efectuar la digestión intracelular hasta la germinación, momento en el que se hidratan y las enzimas lisosómicas se activan.

Se aíslan por centrifugación diferencial y presentan un coeficiente de sedimentación intermedio entre mitocondrias y microsomas. El diámetro es de 0.1–1.2 ?m y el grosor de la membrana de 7 a 7.5 nm (parecido a la membrana plasmática).

La membrana es permeable a moléculas de P.m. < 250 Kd (productos de la digestión). Tienen pH en el interior es de 4-4.5 y se forma por acción de una bomba de protones que hay en la membrana.

clip image002 thumb2 Lisosomas y peroxisomas

2. COMPOSICIÓN QUÍMICA.

Tienen alto contenido en hidrolasas ácidas (más de 40). Las enzimas lisosomales son capaces de digerir bacterias y otras sustancias que entran en la célula por fagocitosis, u otros procesos de endocitosis. También reciclan los diferentes orgánulos de la célula, englobándolos, digiriéndolos y liberando sus residuos en el citosol (autofagia). Las enzimas más importantes del lisosoma son:

  • Lipasas, que digiere lípidos;
  • Glucosidasas, que digiere carbohidratos;
  • Proteasas, que digiere proteínas;
  • Nucleasas, que digiere ácidos nucleicos.
GRUPO DE ENZIMAS SUSTRATO NATURAL
FOSFATASAS
Fosfatasa ácida
Fosfodieterasa ácida
La mayoría de las fosfomonoesteres.
Oligonucleótidos y otros fosfodiésteres.
NUCLEASAS
Ribonucleasas ácidas
Desoxirribonucleasas ácidas
RNA
DNA
ENZIMAS QUE HIDROLIZAN POLISACÁRIDOS Y MUCOPOLISACÁRIDOS
Beta-Galactosidasa
Alfa-Glucosidasa
Alfa-Manosidasa
Beta-Glucuronidasa
Lisozima
Hialuronidasa
Arilsulfatasa
Galactósidos
Glucógeno
Manósidos, glucoproteínas
Polisacáridos y mucopolisacáridos
Paredes celulares bacterianas y mucopolisacáridos
Ácidos hialurónicos y condroitin sulfato
Sulfatos orgánicos
PROTEASAS
Catepsinas
Colagenasas
Peptidasas
Proteínas
Colágeno
Péptidos
ENZIMAS QUE DEGRADAN LÍPIDOS
Esterasas
Fosfolipasas
Acil ésteres grasos
Fosfolípidos

Por técnicas histoquímicas se detecta:

  • La fosfatasa ácida se detecta con técnicas de plomo.
  • Los lisosomas:
  • Colorantes vitales: rojo neutro y azul de toluidina.
  • Colorantes fluorescentes: naranja de acridina.

3. TIPOS DE LISOSOMAS.

3.1. LISOSOMAS PRIMARIOS.

Son lisosomas recién formados que todavía no han intervenido en ningún proceso de digestión. Los lisosomas primarios son orgánulos derivados del sistema de endomembranas (RER y aparato de Golgi). Las hidrolasas son sintetizadas en el reticulo endoplasmatico rugoso y viajan hasta el aparato de Golgi por transporte vesicular. Allí sufren una glicosilación terminal (proceso químico en el que se adiciona un carbohidrato a otra molécula) de la cual resultan con cadenas glucídicas ricas en manosa-6-fosfato (manosa-6-P).

clip image004 thumb Lisosomas y peroxisomas

La manosa-6-P es el marcador molecular, la «estampilla» que dirige a las enzimas hacia la ruta de los lisosomas. Las enzimas lisosomales son reconocidas y marcadas selectivamente al añadirles manosa-6-fosfato (M6P) al N-oligosacárido añadido en el RE durante su paso por el cis Golgi.

clip image006 thumb Lisosomas y peroxisomas

Su función es diversa:

  • Originan lisosomas secundarios (autofagia y heterofagia).
  • Pueden verter su contenido directamente al exterior como en la remodelación del hueso y el cartílago.
  • El acrosoma del espermatozoide es un lisosoma especial que contiene hialuronidasa, proteasa y abundante fosfatasa ácida.

3.2. LISOSOMAS SECUNDARIOS.

Son orgánulos de morfología variable que están implicados en procesos de digestión celular. Son el resultado de la fusión de un lisosoma primario y una vacuola. Según el material implicado de denominan:

  •  Fagolisosomas, vacuolas digestivas, heterofágicas o heterolisosomas. Proceden de un lisosoma primario que se fusiona con una partícula proveniente del exterior.
  •  Endosomas tardíos o cuerpos multivesiculares, que proceden de la fusión de un lisosoma primario y una vesícula grande procedente de la endocitosis (endosomas tempranos).
  •  Autofagolisosomas, vacuolas autofágicas, autolisosoma o citolisosoma, que proceden de la fusión de un lisosoma primario con distintas partes de la célula.

clip image008 thumb Lisosomas y peroxisomas

Una vez realizada la digestión, el material degradado atravesará la membrana lisosomal y será aprovechado por la célula. Lo que queda del lisosoma secundario después de la absorción es un cuerpo residual que contiene desechos no digeribles que en algunos casos se exocitan y en otros no, acumulándose en el citosol a medida que la célula envejece, llegando a producir la muerte celular. También presentan actividad de fosfatasa ácida. Ej.:

  •  Figuras de mielina: aparecen en autolisosomas y son producto de la degradación de fosfolipoproteínas. Se acumula la fracción lipídica en capas concéntricas monomoleculares.
  •  Lipofuchina: Pigmento pardo que resulta de la oxidación no enzimática de los lípidos. Aparece en células alteradas o viejas, como neuronas y células musculares cardíacas.
  •  Pigmentos biliares, ferritina, etc.

4. FUNCIONES.

4.1. FUNCIONES DE LAS VACUOLAS HETEROFÁGICAS.

  • Nutrición por digestión intracelular (protozoos).
  • Defienden contra agresiones patógenas de virus y bacterias englobados.
  • Formación de hormonas tiroideas a partir del coloide captado.
  • Reabsorción de proteínas, como en el riñón. Las proteínas que se han filtrado, son recogidas por las células que tapizan el TCP y degradadas por sus lisosomas.

4.2. AUTOFAGIA.

  • Digestión intracelular de sustratos endógenos que han de estar siempre rodeados de membrana (autofagosoma). Su origen puede ser diverso: a partir del REL, aparato de Golgi o por fusión de vesículas de pinocitosis que rodean el material a englobar.
  • Destruyen los componentes celulares que no son necesarios.
  • Destruyen las zonas lesionadas de la célula y limitan la extensión del proceso degenerativo.
  • Aseguran la nutrición intracelular en condiciones desfavorables.
  • Regulan el control de secreción (crinofagia). Degrada los gránulos de secreción que no son vertidos fuera de la célula.
  • Intervienen en muchos procesos del desarrollo, como en la metamorfosis.

5. PATOLOGÍA LISOSOMAL.

5.1. ENFERMEDADES DE ALMACENAMIENTO LISOSOMAL (TESAUROSIS).

Está alterado el contenido enzimático de los lisosomas (origen congénito), provocando la no degradación y acumulación de metabolitos en el interior de la célula. Se clasifican en función del carácter bioquímico del metabolito acumulado:

5.1.1. ESFINGOLIPIDOSIS. Se acumulan esfingolípidos por un bloqueo enzimático en su vía de degradación. La mayoría de ellas provocan alteraciones en el SNC:

ENFERMEDAD CARACTERÍSTICAS
Enfermedad de GAUCHER Déficit en beta-glucocerebrosidasa. Es la más frecuente en clínica y se hereda con carácter autosómico recesivo. Se almacena un glucocerebrósido que procede de las membranas celulares
Enfermedad de NIEMAMM-PICK Déficit en esfingomielinidanasa. Acumulación de esfingomileina.
Enfermedad de FABRY Déficit en alfa-galactosidasa y se transmite de forma recesiva ligada al sexo. Hay acumulación de trihexacilceramida.
Enfermedad de TAY-SACHS Deficiencia en N-ACETILGALACTOSIDA (hexaminidasa A). Se acumula el gangliósido GM2 preferentemente en el SNC.
Enfermedad de SANDHOFF Déficit de hexaminidasa A y B. Hay acumulación de GM2 y GA2 en todo el organismo.
Enfermedad de FABER (lipogranulomatosis de Faber) Deficiencia en ceramidasa ácida. Afecta a articulaciones, cartílagos, y sistema respiratorio. Se acumula ceramida.
Enfermedad de KRABBE (leucodistrofia globoide) Deficiencia en beta-galactosidasa. Hay acumulación de galactocerebrósido.
Leucodistrofia metacromática Deficiencia en arilsulfatasa A. Hay acumulación de lactosil-sulfato.
Gangliosidosis generalizada Deficiencia en beta-galactosidasa. Hay acumulación de GM1.
Enfermedad de WOLMAN Deficiencia en lipasa ácida; se acumulan TG y ésteres de colesterol. No suele afectar al SNC

Estas enfermedades se diagnostican en glóbulos blancos y fibroblastos.

5.1.2. MUCOPOLISACARIDOSIS. Hay acumulación de mucopolisacáridos (GAG)en diferentes tejidos (tejido conectivo, hueso, corazón y SNC). Cada enzima lisosomal es específica de cada tipo de enlace, y la intensidad de la alteración depende del grado de deficiencia enzimática o de la enzima desaparecida, ya que los GAG varían en su distribución tisular y en su tasa de recambio. Todas son autosómicas recesivas, excepto el síndrome de Hunter que está ligado al cromosoma X. Se diagnostica en glóbulos blancos donde se encuentran los gránulos de ALDER.

ENFERMEDAD CARACTERÍSTICAS
Síndrome de HURLER Déficit en iduronidasa. Se expulsa por orina heparan-sulfato y dermatan-sulfato.
Síndrome de HUNTER Déficit en iduronato-sulfatasa. Se expulsa por orina hepran-sulfato y dermatan-sulfato.
Síndrome de SANFILIPPO Déficit en HEPARAN-N-SULFATASA. Se expulsa por orina heparan-sulfato.
Síndrome de MORQUIO Déficit en hexaminasa-6-sulfatasa. Se expulsa por orina queratan-sulfato.
Síndrome de MORATEAUX-LAMY Déficit en arilsulfatasa B. Se expulsa por orina dermatan-sulfato.

5.1.3. GLUCOGENOSIS (alteración en el metabolismo del glucógeno). La enfermedad de POMPE es una deficiencia en glucosidasa ácida.

5.2. LIBERACIÓN DEL CONTENIDO LISOSÓMICO.

Las enzimas lisosomales salen al citoplasma y producen la digestión del material circundante. Es debido a la fagocitosis de ciertas partículas que son capaces de romper la membrana de los lisosomas secundarios.

ENFERMEDAD CARACTERÍSTICAS
Silicosis Se captan partículas de sílice que provoca lesión en el pulmón
Asbestosis Se captan partículas de amianto que provocan lesión en el pulmón
Gota Se captan cristales de ácido úrico que provocan lesión en el cartílago articular
Artritis reumatoide Hay IgM dirigida contra la IgG que produce una labilización de la membrana lisosomal y salida de hidrolasas que lesionan el cartílago
Enfermedad de Chadiack-Streinbrink-Higashi Hay una alteración en los lisosomas que tienden a fusionarse y formar lisisomas gigantes que luego se rompen.
Enfermedad de las células I Se liberan las enzimas al exterior celular.
Las vitaminas A y D a dosis altas Son tóxicas porque labilizan la membrana lisosomal

6. MICROSOMAS.

Los microsomas son fragmentos del RE que forman pequeñas vesículas. Las vesículas derivadas del RE rugosos están cubiertas por ribosomas, estas pueden separarse de vesículas similares derivadas del REL o de otras membranas.

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B) PEROXISOMAS.

Los peroxisomas son orgánulos citoplasmáticos muy comunes en forma de vesículas que contienen oxidasas y catalasas. Estas enzimas cumplen funciones de detoxificación celular.

Los peroxisomas han prevalecido desde su aparición como adaptación contra los continuos efectostóxicos a los que se expone una célula que mantiene un metabolismo aerobio y produce accidentalmente especies reactivas del oxígeno (ROS). Estas especies químicas reaccionan rápidamente con elementos fundamentales para la estabilidad celular como el ADN, de ahí que se les atribuya un papel crítico en el envejecimiento y la pérdida del control del ciclo celular que puede desembocar en tumores y cáncer. En particular, las ROS puede desequilibrar el estado de reducción del citoplasma, lo que provocaría un bloqueo de la cadena transportadora de electrones mitocondrial y la parada transitoria en la producción de energía.

1. CARACTERÍSTICAS.

  • Pequeñas vesículas 0,15 a 1,5 m delimitadas por membrana sencilla que usualmente contienen una fina matriz granular
  • Presentes en todas las células eucariontes, excepto en eritrocitos.
  • Contienen enzimas (oxidasas) en su matriz. No contienen hidrolasas ácidas y sí enzimas oxidativas.
  • Fueron descubiertos por DUVE.

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El aislamiento es difícil porque:

  • Su membrana es muy frágil y hay que hacer un homogeneizado suave.
  • Su densidad es parecida a la de los lisosomas.
  • Están en baja proporción y hace falta mucho material biológico.

Se usan dos técnicas:

a) Modificar la densidad de los lisosomas al inyectar una sustancia que se capture por endocitosis y pase a los lisosomas secundarios.

b) Aumentar el numero de peroxisomas al tratar al animal con sustancias que bajen la tasa de triglicéridos y colesterol en sangre. Estos lípidos pasan a las células y son metabolizados en los peroxisomas.

La membrana tiene de 6 a 8 nm y a veces se continua con el REL. Contiene: 30% de lípidos y 70% de proteínas. En la membrana hay transportadores de electrones: Cyt b5 y su reductasa.

2. TIPOS DE PEROXISOMAS.

2.1. PEROXISOMA: 0.5-1.7 micras de diámetro. Contiene un:

a) Elemento constante: membrana y matriz.

b) Elemento inconstante:

  • Nucleoide: actividad de urato oxidasa (uricasa).
  • Placa marginal en la periferia.

2.2. MICROPEROXISOMAS: 0.15-0.25 micras de diámetro.

  • Membrana como la del REL y esta en continuidad con ella.
  • Contiene túbulos y fibrillas y no contiene nucleoide y placa marginal.
  • Están en alta proporción en las células que sintetizan esteroides.

2.3. EQUIPO ENZIMÁTICO.

  •  Enzimas axidativas: utilizan el oxígeno molecular para oxidar a los sustratos. Liberan peróxido de hidrógeno como metabolitos secundario, que es degradado por la catalasa.
  •  Catalasa: es la enzima más abundante (40% del total). Transforma el peróxido de hidrógeno en agua y oxígeno.
  •  Peroxidasa: Descompone el peróxido de hidrógeno y oxida a un sustrato.
  •  Enzimas que degradan los ácidos grasos en un proceso análogo a la beta oxidación, hasta AcCoA. Los electrones captados son cedidos al Cyt b5.
  •  D-aa-oxidasas flavínicas (desaminación axidativa).
  •  Enzimas que degradan el ácido úrico:
SUSTRATO ENZIMA PRODUCTO
Ácido úrico URICASA Alantoina
Alantoina ALANTOINASA Ácido alantoico
Ácido alantoico ALANTOICASA Urea + ácido glioxílico
Urea UREASA Agua + amonio

2.4. FUNCIONES.

  • Metabolismo del ácido glioxílico y fotorrespiración en vegetales.
  • Degradación de ácidos grasos, aminoácidos y ácido úrico. También alcohol en hígado y riñón.
  • Biosíntesis de lípidos: Colesterol y Dolicol
  • En el Hígado: Síntesis de ácidos Biliares
  • Síntesis de plasmalógenos

Estos procesos generan peróxido de hidrógeno (H2O2), como producto secundario y su acumulación en la célula puede resultar perjudicial, debido a su alta capacidad oxidativa inespecífica. Por ello, en los peroxisomas está presente otra enzima, la catalasa, que se encarga de catalizar la ruptura de peróxido de H dando como resultado oxígeno más agua.

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2.5. FORMACIÓN DE LOS PEROXISOMAS.

La biogénesis o formación del peroxisoma se produce por síntesis “de novo” (aparecen nuevos peroxisomas) y por proliferación (se multiplican los ya existentes).

  • La membrana se forman a partir del RE.
  • Sus proteínas de membrana y enzimas se ensamblan en ribosomas libres (polirribosomas libres).
  • Las proteínas completas son transportadas a la membrana del peroxisoma
  • Se replican por división (similar a mitocondrias)

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Las proteínas implicadas en la biogénesis del peroxisoma y en el transporte de las proteínas peroxisomales se llaman peroxinas y están codificadas por los genes PEX. Se conocen hasta el momento 15 genes PEX.

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2.6. ENFERMEDADES PEROXISOMALES

Se trata de enfermedades hereditarias autosómicas recesivas poco frecuentes caracterizadas por alteraciones en el cerebro, riñones, hígado y esqueleto. Son todas enfermedades que se asocian con alteraciones profundas y son letales en plazos variables.

Se conocen más de 25 enfermedades relacionadas con la disfunción de las actividades enzimáticas de los peroxisomas, conocidas como anomalías de la biogénesis de peroxisomas (PBD).

  • Adrenoleucodistrofia ligada al cromosoma X (enfermedad de Lorenzo)
  • Síndrome de Zellweger (alteración en la síntesis de la proteína D-bifuncional, del transporte a la matriz de los peroxisomas de la acil-CoA oxidasa)
  • Enfermedad infantil de Refsum

La más grave es la enfermedad de Zellweger, debida a la ausencia de peroxisomas funcionales, ya que fallan los mecanismos de importación de los enzimas al interior del peroxisoma. Otras enfermedades son causadas por el error de un solo enzima o por defectos en los componentes del transporte de la membrana peroxisomal.

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