Atlas de histología vegetal y animal

Metchnikoff y sus colaboradores articularon a finales del siglo XIX la idea de que el material fagocitado era digerido en compartimentos intracelulares acidificados. Estos compartimentos fueron descubiertos por C de Duve en 1955 y denominados lisosomas. Los lisosomas aparecen en todas las células eucariotas. Se diferencian de los endosomas porque no poseen receptores para la manosa 6-fosfato y por poseer un pH más ácido. Los lisosomas son orgánulos donde se produce la degradación de moléculas que provienen vía endocitosis o del interior celular a partir de autofagia. Recientemente, a los lisosomas se les atribuye además el papel de sensores del estado metabólico de la célula y participan en la reparación de daños en la membrana plasmática.

1. Estructura y composición

Son corpúsculos generalmente esféricos de dimensiones variables, con un contenido heterogéneo (Figura 1), de unos 100 a 150 nm de diámetro, con una unidad de membrana, y pueden llegar a representar el 5 % del volumen celular dependiendo de la tasa de digestión que se esté llevando en la célula. El pH interno de los lisosomas es ácido, en torno a 5, y es en ese valor donde las enzimas degradativas que contienen en su interior muestran su máxima actividad, por lo que se llaman hidrolasas ácidas. Este pH tan bajo se consigue gracias a bombas de protones que hay en sus membranas (v-ATPasa: bomba de protones vacuolar), las cuales introducen protones en el lisosoma acidificando su interior. La membrana de los lisosomas protege al resto de la célula de esta acidez destructora. Esta protección se cree que se lleva a cabo por la capa de glúcidos unidos a las proteínas de la membrana lisosomal que recubre la superficie interna, y que forma una especie de "glicocálix lisosomal", que se caracteriza por presentar los azúcares muchos más compactados y de tan sólo unos 8 nm de espesor. Es decir, los glúcidos asociados a la monocapa interna actuaría como barrera para impedir el contacto entre las enzimas degradativas y los lípidos y proteínas que forma la membrana lisosomal. Pero si ésta se rompiese, el pH citoplasmático, próximo a 7,2, sería disminuiría la actividad de estas enzimas.

Los lisosomas son heterogéneos en morfología y contenido, y ocupan diferentes posiciones en la célula. Hay dos poblaciones de lisosomas en la célula: perinucleares y periféricos. Los lisosomas perinucleares tienen una acidez mayor que los periféricos. Los lisosomas periféricos participan en la reparación de membrana y controlar la disponibilidad de nutrientes mediante su asociación con mTORC1. Durante una hambruna, los lisosomas periféricos se dirigen hacia la zona perinuclear donde realizan labores de autofagia. Por tanto, los autofagosomas también han de dirigirse hacia el núcleo para fusionarse con los lisosomas perinucleares.

Los lisosomas reciben distintos nombres según el estado de degradación de las moléculas que contienen: primarios, secundarios y cuerpos residuales. Los cuerpos residuales contienen material que ya no puede ser degradado y quedan almacenados en el interior celular o, como veremos más adelante, se fusionan con la membrana plasmática expulsando dicho material el medio extracelular. Cualquier defecto en alguna de las enzimas que existen en los lisosomas puede acarrear graves consecuencias, puesto que los productos que ellas deberían degradar quedarían almacenados en la célula como productos residuales. Por ejemplo, la enfermedad de la glucogenosis tipo II. En estos individuos la β-glucosidasa, que cataliza la degradación del glucógeno, está ausente y por ello hay grandes cúmulos de glucógeno en los órganos, que suelen ser letales.

Una gran parte del material que degradan los lisosomas llega por endocitosis, pasando por los endosomas hasta los lisosomas. Las vesículas de endocitosis convergen en los endosomas tempranos, estos se convierten en endosomas tardíos por maduración. Durante este proceso, las proteínas no destinadas a los lisosomas son recicladas, o bien al aparato de Golgi o hacia la membrana plasmática. Son los endosomas tardíos los que se fusionan con los lisosomas. En ocasiones no se produce fusión completa entre ambos, sino que se establece un puente de comunicación que tras intercambiar las moléculas se cierra. El contenido también puede llegar por la fusión de los autofagosomas (con contenido intracelular) con los lisosomas.

Las membranas de los lisosomas contienen cientos de proteínas integrales y asociadas, entre las que se encuentran transportadores, diversas bombas y canales iónicos. Los lisosomas contienen transportadores de membrana específicos que van a permitir que los productos de la degradación, tales como aminoácidos, azúcares, nucleótidos, puedan ser transportados al citosol. También en la membrana del lisosoma hay canales que permiten el paso de iones como el potasio, sodio, cloro y calcio. El movimiento de estos iones crean un potencial de membrana en la membrana lisosomal de unos -40 a -20 mV en reposo. Este potencial ayuda a regular el gradiente de protones, y otras actividades lisosomales. El ion mas abundante en el interior del lisosoma es el sodio.

El número de lisosomas que posee una célula puede cambiar según las necesidades celulares. Por ejemplo, durante la escasez de alimentos las células incrementan el número de lisosomas para degradar el interior celular, o durante la división celular para que las células hijas tengan un número de lisosomas adecuado. La generación o regeneración de nuevos lisosomas, o incrementar el tamaño de los existentes, requiere una coordinación entre la síntesis proteica y el tráfico vesicular.

Los lisosomas han de regenerarse tras el proceso fusión con endosomas o autofagosomas, y de la degradación del contenido, para mantener un conjunto funcional de lisosomas en la célula. Por ejemplo, durante la autofagia intensa el número de lisosomas disminuye enormemente tras 4 horas de privación de alimentos, pero crecen de nuevo a las 11 h. Se ha comprobado que se generan nuevos lisosomas por tubulación de las membranas de los autofagolisosomas (tras la fusión con autofagosomas) y autolisosomas (tras la fusión con endosomas). En la formación de estos túbulos participa el citoesqueleto y las proteínas motoras quinesinas y en sus extremos se generan vesículas mediadas por el fosfoinosítido PtdIns(4,5)P2 y los complejo adaptadores AP2 y AP4, los cuales reclutan clatrina. Una vez liberadas las vesículas se irán acidificando hasta convertirse en lisosomas maduros. Estas vesículas se llaman protolisosomas, porque madurarán a lisosomas funcionales. A este proceso se le llama regeneración de lisosomas (en inglés ALR: autophagic lysosome reformation). Un proceso similar ocurre tras la fusión de los fagosomas, procedentes de la fagocitosis, con los lisosomas.

Para la generación de nuevos lisosomas se tienen que transcribir genes lisosomales y de autofagia. Estos genes son activados por los factores de transcripción TFEB y TFE3. Estos factores pueden ser fosforilados y defosforilados, lo que hace que salgan o entren al núcleo, respectivamente. Para activar los genes lisosomales han de entrar al núcleo. Los genes que producen proteínas lisosomales, desde hidrolasas ácidas hasta transportadores de membrana, tienen un motivo común en su promotor que se conoce como CLEAR. Éste es la diana de factores como TFEB..

2. Hidrolasas ácidas

A los lisosomas han de llegar las hidrolasas ácidas encargadas de la degradación. Se han encontrado aproximadamente 60 tipos de enzimas lisosomales que degradan proteínas (proteasas), lípidos (lipasas), sacáridos (glicosilasas) y nucleótidos (nucleasas). Éstas enzimas se sintetizan en el retículo endoplasmático y se empaquetan en vesículas en el TGN del aparato de Golgi, las cuales se fusionarán con los endosomas tardíos y desde ahí llegan a los lisosomas (Figura 2). En el aparato de Golgi se añade a las enzimas lisosomales un grupo glucídico fosfatado, la manosa-6-fosfato, que es reconocido por un receptor en el TGN del aparato de Golgi. La interacción del dominio citosólico de este receptor con la cubierta de clatrina permite englobar al receptor más la hidrolasa en vesículas que se dirigirán hacia los endosomas tardíos, y desde ahí hasta los lisosomas. Cuando alguna de estas hidrolasas están mutadas los lisosomas no pueden degradar ese molécula concreta y se producen diversas enfermedades según la acumulación de productos determinados. Cuando se acumulan lípidos hay además daños colaterales en mitocondrias y una inhibición de la autofagia.

Otras proteínas lisosomales no requieren la fosforilación de las manosas para ir a los lisosomas. Estas proteínas son las integrales de la membrana. Estas proteínas contienen una secuencia de aminoácidos de destino que se encuentra en la cara citosólica de la proteína.

3. Funciones

La función degradativa de los lisosomas es esencial para la célula. Las hidrolasas ácidas degradan las moléculas que llegan a los lisosomas desde el interior y exterior celular. Esta actividad degradativa no está siempre dirigida a obtener energía y “ladrillos” moleculares sino que también sirven para otros propósitos, tales como sensores de energía y metabólicos, la eliminación de componentes celulares dañados, terminación de las señales mitóticas, secreción, reparación de la membrana plasmática, eliminación de patógenos intracelulares e intracelulares y remodelación de tejidos y células.

Degradación

Hay tres vías por las que llegan a los lisosomas las moléculas que se tienen que degradar (Figura 3).

a) Los lisosomas son considerados como la estación final de la vía endocítica. En ellos se degradan las moléculas solubles que provienen del exterior celular. Hay un gran flujo de moléculas disueltas que entran englobadas en vesículas de endocitosis. El contenido de estas vesículas formará el contenido de los endosomas, primero tempranos y luego tardíos, y posteriormente se degradará al entrará en contacto con las hidrolasas ácidas cuando se fusionan los endosomas tardíos y los lisosomas.

También se degradan en los lisosomas parte las moléculas que componen la membrana plasmática. Para que las proteínas integrales de la membrana plasmática sean dirigidas a los lisosomas se ha de producir una ubiquitinación de su parte citosólica, es decir, la adición de una molécula denominada ubiquitina. Ello es necesario para que las proteínas de membrana interaccionen con la maquinaria de reparto que se encuentran en los endosomas y no vuelvan a la membrana citoplasmática en vesículas de reciclado. Las interacciones con diversos complejos proteicos mantienen a las proteínas ubiquitinadas en zonas limitadas de la membrana endosomal, que poseen una cubierta en la que está presente la clatrina. Todo ello hace que sean retenidas en los endosomas tempranos, después en los cuerpos multivesiculares / endosomas tardíos, y finalmente en los lisosomas, donde se degradan. Este mecanismo afecta a receptores, transportadores, canales, etcétera. Los receptores que no son ubiquitinados, pero sí endocitados, cuando llegan a los endosomas tempranos suelen reciclarse hacia la membrana celular. En cuanto a los lípidos de membrana que han de ser degrados, éstos son incluidos en vesículas internas que se forman en los cuerpos multivesiculares, que son endosomas tardíos que se fusionarán con los lisosomas.

b) Las partículas obtenidas por fagocitosis siguen una vía intracelular propia. Las partículas como bacterias o restos celulares quedan en el interior celular englobadas por membrana formando un compartimento que madurará y se convertirá en el denominado fagosoma. La degradación de estas partículas se produce cuando se fusionan los fagosomas con los lisosomas.

c) Una tercera vía de llegada de moléculas a los lisosomas es la autofagia. Es un proceso ubicuo por el que los orgánulos deteriorados o material interno celular son eliminados. Los lisosomas participan en los diferentes tipos de autofagia. En la macroautofagia membranas internas engloban material citoplasmático que va a ser degradado formándose un compartimento denominado macroautofagosoma. Este compartimento se fusionará con lisosomas y el material que contiene será degradado.

Sensor metabólico

Los lisosomas no sólo son lugares de degradación sino que participan en la percepción del estado metabólico de la célula. La población de lisosomas perinuclear está más involucrada en la degradación, pero la más periférica está más relacionada con la percepción de la disponibilidad de recursos. Esta población periférica también participa en la reparación de la membrana plasmática tras roturas.

mTOR (en inglés: target of rapamycin) es una quinasa de serina/treonina muy conservada evolutinamente. Hay dos isoformas: mTORC1 y mTORC2. mTORC1 regula el crecimiento y la división celular, y responde a bajos niveles de nutrientes, señales de crecimiento o energía en la célula, equilibrando anabolismo (síntesis) y catabolismo (degradación). La localización de esta proteína en la superficie del lisosoma es crítica para su función. En la membrana del lisosoma hay sensores que detectan el nivel de aminoácidos dentro y fuera del lisosoma. mTORC1 está activada en condiciones de abundancia de alimento. Cuando hay escasez de alimento nTORC1 es inactivada y se inicia el proceso de macroautofagia (degradación de material interno para obtener energía mediante englobamiento por membranas). La inactivación de mTORC1 produce en primer lugar la activación de los genes que disparan la macroautofagia y en segundo lugar el desplazamiento de los lisosomas periféricos hacia el interior celular para que éstos se unan a los autofagosomas (grandes compartimentos que acaban de englobar material interno celular) y producir así la degradación de su contenido para obtener energía.

Exocitosis

Se ha creído tradicionalmente que los lisosomas tienen una intercomunicación muy limitada en la ruta vesicular cuando se comparan con cualquier otro compartimento membranoso, y se han considerado como un compartimento terminal. Durante los últimos años se han ido acumulando evidencias acerca de otra función de los lisosomas: su capacidad de participar en una exocitosis regulada. Por ejemplo, en el hígado se secretan enzimas lisosómicas a la bilis. También se ha observado la exocitosis de orgánulos con características similares a los lisosomas como es el caso de los melanocitos (los gránulos de melanina que pasarán a los queratinocitos que darán el color moreno a la piel). El acrosoma de los espermatozoides, una vesícula cargada de numerosas enzimas hidrolíticas, se libera durante la fecundación. Se ha propuesto desde hace tiempo que las células eucariotas son capaces de eliminar las sustancias que no pueden degradas más y esto sería posible si los lisosomas terminan por expulsar su material cuando se fusionan con la membrana plasmática. En las células de mamíferos donde sólo se produce secreción constitutiva se ha visto que bajo ciertas condiciones pueden realizar exocitosis regulada, por ejemplo, por una elevación de la concentración de calcio intracelular, lo cual ocurre, por ejemplo, durante las pequeñas roturas de la membrana citoplasmática, como vimos en el apartado dedicado a las membranas (Asimetría y reparación).

4. Orgánulos relacionados

Algunas células tienen orgánulos que se pueden relacionar con los lisosomas (LRO: lysosomal related organules) por su composición molecular y características fisiológicas, o son directamente lisosomas modificados. Entre ellos están los melanosomas de los melanocitos, gránulos azurófilos y basófilos de los leucocitos y mastocitos, gránulos líticos de los linfocitos T, gránulos densos de los megacariocitos, cuerpos lamelares de las células tipo II del pulmón, cuerpo Weibel-Palade de las células entoteliales y gránulos de los osteoclastos. La función de la mayoría de estos orgánulos es liberar contenido cuando la célula recibe ciertos estímulos.

Las levaduras no poseen múltiples lisosomas sino una o unas pocas estructuras conocidas como vacuolas. A pesar de ello, estas vacuolas y los lisosomas comparten muchas características como hidrolasas ácidas, transportadores de membrana y bombas de protones. Las vacuolas en levaduras son capaces de almacenar una gran cantidad de aminoácidos, lo que es importante para la fisiología de las levaduras. Este almacén le permite soportar momentos de baja cantidad de alimentos. Pero además, durante la falta de alimentos, las levaduras pueden aumentar la concentración de aminoácidos en las vacuolas mediante autofagia.

5. Patologías

Se han detectado más de 60 enfermedades asociadas a los lisosomas. Fallos en las hidrolasas o permeasas llevan a enfermedades severas denominadas desórdenes de almacenamiento lisosomales, que conllevan funcionamiento anómalo del metabolismo, neurodegeneración, e inhibición severa del crecimiento. Por ejemplo, la enfermedad de Niemann-Pick tipo C se debe a la ausencia de transportadores de colesterol (NPCI y NPCII) que lleva a una acumulación de colesterol en los lisosomas. Durante el envejecimiento se produce una pérdida progresiva de la actividad lisosomal que parece contribuir a los problemas asociados a la edad.

• Bibliografía ↷

  • Bibliografía

    Delevoye C, Marks MS, Raposo G. 2019. Lysosome-related organelles as functional adaptations of the endolysosomal system. Current opinion in cell biology. 59: 147-158.

    Perera RM, Zoncu Z. 2016. The lysosome as a regulatory hub. Annual review of cell and developemental biology. 32: 223-253. doi: 10.1146/annurev-cellbio-111315-125125.

    Yang C, Wang X. 2021. Lysosome biogenesis: regulation and function. Journal of cell biology. 220: e2021020001. https://doi.org/10.1083/jcb.202102001