Направление лекарственных в лизосомы веществ

Существует много причин для целенаправленного введения лекарственных веществ в лизосомы. Наиболее очевидная — исправление некоторых местных расстройств, многие из которых, как мы только что видели, имеют разное происхождение. Но в других случаях лизосомы используются не столько как мишени, сколько как средство терапевтического вмешательства. Большая группа веществ — среди них многие лекарственные препараты, а также ряд красителеи, в частности нейтральный красный — спонтанно направляется в лизосомы, где происходит очень быстрое их накопление до концентрации, в несколько сотен раз превышающей их концентрацию в других частях клетки. Все эти вещества, называемые лизосомотропными, представляют собой слабые основания; они легко проходят сквозь мембраны, включая лизосомальную, в непротонированной, незаряженной и соответственно липофильной форме. Под влиянием кислой среды лизосом эти вещества получают протоны и приобретают один-два положительных заряда, которые не позволяют им пересечь мембрану в обратном направлении.
Этот феномен протонной ловушки не ограничивается лизосомами. Он встречается в эндосомах и в других структурах (некоторые отделы комплекса Гольджи?), сохраняя кислую среду за счет работы протонного насоса, и лежит в основе ряда интересных явлений. Наиболее эффектным является прижизненное (витальное) окрашивание, при котором все эндосомолизосомальное пространство светится подобно созвездию ярких звезд. Известный более сотни лет, этот феномен лишь недавно получил объяснение. Другим примером лизосомотропизма может служить вакуолизация клеток, возникающая в результате -осмотического набухания захваченных структур. Кроме того, многие лизосомотропные вещества препятствуют перевариванию в лизосомах, нейтрализуя местную кислотность, а иногда также подавляя одну или более гидролаз. Такие механизмы лежат в основе ряда токсических эффектов и терапевтических воздействий. Интересным примером может служить антималярийный препарат хлороквин, являющийся выраженным лизосомотропным веществом и накапливающийся, как полагают, в лизосомах малярийного плазмодия; в них-то он и блокирует переваривание гемоглобина — единственного, источника питания плазмодия, живущего в эритроцитах.
Другой путь проникновения в лизосомы — эндоцитоз. Этот способ сулит особенно обнадеживающие перспективы благодаря своей избирательности. Проникновение в клетку путем эндоцитоза регулируется поверхностными рецепторами, которые варьируют от одного клеточного типа к другому. Теперь, когда нам кое-что известно о происходящих в лизосомах процессах, мы можем добавить новую страницу к нашему рассказу. Предположим, мы хотим направить лекарство избирательно к определенному типу клеток — например раковой клетке или патогенному паразиту. Если выбранная нами мишень имеет рецепторы, которых нет или они менее выражены на клетках, которые мы намерены защитить, то осложнений но предвидится. Все, что надо сделать, это прикрепить лекарство к переносчику, который распознается этими рецепторами, причем использовать такую химическую связь, которая расщепляется внутри лизосом. И хотя для этого требуются некоторые дополнительные условия, по существу перед нами концепция, вселяющая надежду, что в будущем в руках ученых могут появиться «волшебные пули».

Питание клетки

Питание клетки: лизосомы и внутриклеточное пищеварение(переваривание)

Основным следствием описанных выше процессов слияния и разделения является возможность временного соединения и разделения содержимого клетки между всеми ограниченными мембранами отсеками, которые могут вовлекаться в указанные процессы. Термином «пространство», или «компартмент», принято обозначать группу отсеков, связанных подобным образом.

Пищеварительные расстройства клетки

Пищеварительные расстройства клетки

Диспепсия, повышенная кислотность, запор и другие расстройства пищеварения — удел всего человечества, источник малоприятного состояния дискомфорта страдающих этим людей, а также весьма прибыльной индустрии по производству обезболивающих препаратов. И все же эти неприятности — ничто по сравнению с болезнями пищеварения, поражающими клетки. Сейчас, когда исследователи-медики перешли на субклеточный и молекулярный уровни изучения, обнаружилось, что очень многие болезни — не что иное, как проявления того или иного пищеварительного расстройства, поражающего определенные клетки.Как мы уже имели возможность убедиться, большинство наших клеток страдает от «запора», который нельзя рассматривать как болезнь, ибо это естественное состояние клетки. Вместе с тем это и серьезный недостаток, делающий наши лизосомы весьма уязвимыми из-за риска оказаться перегруженными непереваренными веществами. Наиболее драматические примеры перегрузки лизосом можно увидеть у детей, страдающих генетическим дефицитом какого-то лизосомального фермента. В настоящее время известно более 25 таких дефицитов. Они составляют группу генетических болезней накопления (хранения), примером которых может быть хорошо изученная болезнь Тея — Сакса1. При каждой из них наблюдается’ выраженный дефицит лизосомального фермента. В результате лизосомы переполняются веществами, которые не могут быть переварены из-за отсутствия соответствующего фермента; они постепенно разбухают и достигают огромных размеров, в итоге приводя к смерти клетки. К счастью, такие болезни накопления в лизосомах встречаются редко, но они причиняют большие страдания: больные дети часто страдают выраженной задержкой умственного развития и умирают в раннем возрасте.
Помимо генетических дефектов перегрузку лизосом могут вызывать и многие другие причины. Она наблюдается при артериосклерозе, встречается как серьезное осложнение при некоторых болезнях почек и может быть вызвана лекарственными препаратами. Чем больше мы узнаем об этом, тем очевиднее становится, что перегрузка лизосом является наиболее частой клеточной патологией, лежащей в основе многочисленных болезней. В какой-то степени этот процесс универсален и неизбежно сопровождает старение, ибо не существует иного пути, по которому могла бы пойти клетка, чтобы полностью избежать попадания в лизосомальный компартмент неперевариваемой молекулы. Попав в лизосому, молекула не может выйти из нее снова. Следовательно, со временем лизосомы наполняются остатками молекул.
При некоторых патологических состояниях силы, которые предотвращают внеклеточный выход содержимого лизосом, разрушаются. Такое может случиться, например, при попытке клетки поглотить очень крупные объекты (например, агрегаты антиген — антитело) или плоскую поверхность, как, например, безальную мембрану, случайно покрытую аутоантителами (антитела против эндогенных составных компонентов). Открытые эндоцитарные инвагинации (впячивания) сливаются с лизосомами, что позволяет содержимому лизосом вытекать во внеклеточное пространство. В результате описываемого патологического процесса развивается тяжелейшая эрозия внеклеточных структур, которая наблюдается при ревматоидном артрите и некоторых других аутоиммунных болезнях. Этот факт свидетельствует о том, что клеточный «запор», несмотря на многие его недостатки, необходим.
Другой часто наблюдаемый лизосомальный синдром развивается при некоторых повреждениях лизосомальной мембраны. Все еще не понятно, какое волшебство делает мембрану лизосом устойчивой к перевариванию. Если же лизосомальная мембрана все-таки «сдается», то расположенная рядом с лизосомой цитоплазма подвергается ферментативной атаке. В результате могут развиться выраженные повреждения клетки вплоть до ее смерти. Подагра, асбестоз и силикоз (болезнь «черных» легких у шахтеров) — примеры состояний, при которых, по-видимому, про-исходят подобные повреждения.
И наконец, несколько слов о роли лизосом в развитии некоторых инфекций. В какой-то степени большинство интенсивно протекающих инфекций можно рассматривать как результат нарушения лизосомальной защиты. Иначе говоря, микроорганизм становится патогенным, если он способен избежать разрушения в лизосомах. В этом отношении наши бактериальные враги обладают удивительной изобретательностью. Достаточно незначительного промаха нашей иммунной системы, не дающей сигнала тревоги, и микроорганизм, не будучи покрытым антителами, ускользает от фагоцитоза. Другие микроорганизмы подавляют слияние эндосом с лизосомами (вспомните туберкулезную бациллу) или, подобно возбудителю лепры, устойчивы к лизосомальному разрушению. Третьи ускользают от разрушения, разрывая мембрану эндосом или лизосом при помощи экзотоксина (секретируемого токсического вещества). Наиболее вероломные микроорганизмы «позволяют» себя у бить и затем осуществляют «посмертное мщение», отравляя организм эндотоксином (токсическим веществом эндогенного происхождения), который образуется в результате переваривания в лизосомах их клеточной стенки.

Значение биодеградации

Большинство исследователей живого преисполнены глубокого восхищения биосинтезом, этой удивительной способностью живых организмов, включая даже простейших бактерий, производить сотни специфических веществ, многие из которых настолько сложны, что даже современная наиболее сложная химическая технология не в состоянии их воспроизвести. В противовес биосинтезу биодеградация видится как естественный и неминуемый «путь всего живого», рок, постоянно угрожающий «чудотворно хрупкой» фабрике цитоплазмы; она представляется скорее как угроза жизни, нежели жизненная функция.
В самом деле, биосинтез представляет собой поистине замечательное явление, и значительную часть нашего путешествия мы посвятим рассмотрению его ключевых энергетических и информационных аспектов. Однако биодеградация, будучи значительно проще биосинтеза, как теперь начинает выясняться, не менее важна. Не появись соответствующие гидролазы приблизительно в тот же период, что и первые белки, нуклеиновые кислоты, полисахариды и другие биополимеры, не было бы биосферы, а существовала бы только «пластосфера». Не было бы ни адаптации, ни дифференцйровки, ни эволюции, ни самой жизни. «Фабрика жизни» на самом деле отнюдь не хрупкая. Она в значительной степени образована очень прочными молекулами, которые при нормальных условиях не менее прочны, чем полистирол или поливинилхлорид. Переваривание, как мы уже видели, происходит только в присутствии соответствующих катализаторов.
Следовательно, биодеградация — незаменимый, жизненно необходимый процесс. Между тем по самой своей природе она одновременно и угрожает жизни. Столь узкую тропинку -между жизнью и смертью нельзя вверять случайному процессу. И действительно, биодеградация представляет собой четко контролируемую активность, охраняемую искусной сетью защитной обороны. Таков урок, который мы выносим после посещения этого пленительного лизосомального компартмента, позволяющего каким-то образом снабдить грубый и неразборчивый распад веществ необходимым разделением и провести его в удивительно безопасных условиях. А теперь мы должны найти выход из лизосом.

Гетерофагия

Захват и переваривание внеклеточных материалов называется гетерофагией . Эту способность мы унаследовали от наших далеких одноклеточных предков, которые первыми научились преследовать живую добычу, убивать ее и переваривать внутри клетки. Гетерофагия представляет собой основной механизм пищеварения у простейших одноклеточных организмов и низших беспозвоночных и сохраняется почти в неизменном виде у лейкоцитов, в функцию которых входит преследование и уничтожение не-прошеных гостей.
Однако между свободно живущими простейшими и лейкоцитами имеется принципиальная разница. Для простейших одноклеточных организмов эндоцитоз — вопрос жизни и смерти. Само их существование зависит от ежедневного захвата бактерий. Что же касается лейкоцитов, то они живут в богатой жирами жидкости, полной Сахаров, аминокислот и других мелких молекул, которые можно использовать непосредственно, без предварительного переваривания. Лейкоциты в гетерофагии не нуждаются. Наоборот, гетерофагия их убивает. Лейкоциты созданы таким образом, что только раз в жизни они могут наесться вволю. Они образуются в костном мозгу, загружаются лизосомальными гидролазами и другим смертоносным оружием и затем отправляются на поиски врага. При встрече с ним они пожирают столько врагов, сколько в силах съесть, после чего умирают, превращенные естественным отбором в самоубийственных обжор во благо человеческого организма. До роковой встречи лейкоциты питаются в основном мелкими молекулами, которые они захватывают из окружающей среды посредством различных транспортных систем, расположенных в их плазматической мембране. Лейкоциты в основном осмотрофические , тогда как свободно живущие простейшие одноклеточные — фаготрофические.
Клетки человека и вообще клетки большинства многоклеточных организмов в основном осмотрофические. Для них эндоцитоз и лизосомальное переваривание не имеют такого жизненного значения, как для низших организмов — для последних эти процессы представляют собой единственно возможный способ получения питательных веществ. Однако даже у высших организмов гетерофагия выполняет определенные пищеварительные функции, поскольку некоторые пищевые продукты, в частности железо или холестерин, доставляющиеся белками, используются только после поглощения и переработки последних.
Следует добавить, что в многоклеточных организмах гетерофагия приспособлена к широкому кругу функций, служащих скорее организму в целом, а не отдельным клеткам. С примером подобной адаптации — иммунной защитой — мы уже встречались у лейкоцитов. Сходная деятельность наблюдается у макрофагов, представляющих собой группу клеток, разбросанных по всем тканям и характеризующихся чрезвычайно выраженной и неразборчивой фагоцитарной активностью. Макрофаги также участвуют в защите организма, но помимо этого выполняют роль основных «чистильщиков» и «мусорщиков». Мы находим их в легких, где они беспрестанно чистят поверхность альвеол, подбирают частицы пыли, сажи, смолы, поглощают бактерии, вирусы и любые другие вещества, принесенные вдыхаемым воздухом. Все, что они не могут переварить, откладывается в их лизосомах, и, когда лизосомы наполняются, макрофаги, завершив свою миссию, сморщиваются и умирают, а затем с мокротой удаляются из организма.Другие клетки действуют более избирательно и при помощи своих эндоцитарных рецепторов удаляют из окружающей среды специфические молекулы. Как правило, функция, обеспеченная такой активностью, есть регуляция посредством разрушения. Например, многие гормоны посту-пают в клетки путем эндоцитоза и разрушаются в лизосомах только после связывания с поверхностными рецепторами и «извлечения» (запуска) внутриклеточных эффектов. Таким образом, будучи одновременно чувствительным прибором и «эндоцитарной ловушкой», рецептор как запускает, так и лимитирует гормональную активность.
Гетерофагия участвует также в обновлении и перестройке нерастворимых внеклеточных структур. Так, кости содержат клетки, названные остеокластами , которые, подобно кротам, заняты тем, что прорывают туннели и галереи через костный матрикс. С этой целью они. секретируют кислые и лизосомальные ферменты в слепой конец туннеля; таким образом они растворяют кристаллы гидрокси апатита (комплекс фосфата кальция и гидроксида), составляющего основную часть минералов кости, и демонтируют каркас из коллагеновых волокон, формирующий органический матрикс ткани. Весь этот процесс завершается фагоцитозом и внутриклеточным перевариванием обломков. Восстановление разрушенной ткани происходит при помощи клеток-строителей, названных остеобластами , которые создают новые костные элементы, или трабекулы .
Иногда эндоцитоз используется для возвращения веществ. Именно так происходит с белками, которые просочились через почки. Проходя через почечные канальца, они реабсорбируются, перерабатываются и превращаются в аминокислоты. Удивительный пример возвращения обнаруживается в некоторых клетках, в частности в фибробластах, производящих большую часть коллагена и других компонентов соединительной ткани. На поверхности этих клеток имеется специальный рецептор для лизосомальных ферментов, которые таким образом удаляются из вне-клеточной среды, где они могут причинить вред организму, и возвращаются в лизосомы, где они приносят пользу. Такие же рецепторы встречаются и внутри клетки, где они выполняют ключевую роль в механизме, посредством которого вновь синтезированные лизосомальные ферменты переносятся к месту их назначения .
Случается даже, что гетерофагия служит толчком к синтетической активности. Это происходит, например, в щитовидной железе, когда в результате переработки тироглобулина в лизосомах образуется гормон тироксин. Тироглобулин представляет собой йодированный белок, образованный клетками щитовидной железы и выделенный ими в общий внеклеточный резервуар; при соответствующей стимуляции он вновь захватывается и перерабатывается этими же клетками.
Приведенные примеры иллюстрируют удивительное функциональное разнообразие гетерофагии. Возникнув изначально в качестве мощных помощников в процессе питания, лизосомы в ходе эволюции приобрели чрезвычайно ценное свойство, на основании которого были созданы бесчисленные функциональные варианты. Но это только одна сторона медали.

Лизосомальное пространство

Лизосомы, число которых в одной клетке достигает нескольких сотен, образуют типичное пространство. Случайному наблюдателю это родство лизосом далеко не всегда очевидно. Дело в том, что разнообразие и полиморфизм — наиболее характерные черты лизосомального компартмента. Встречаются лизосомы всевозможных форм и размеров; особым разнообразием отличается их внутренняя структура. Это разнообразие отражено в морфологической терминологии. Имеется множество терминов для обозначения частиц, которые нам сейчас известны как лизосомы. Среди них: плотные тельца, остаточные тельца, миелиновые тельца, мультивезикулярные тельца, цитосомы и цитосегресомы и многие, многие другие. Терминология патологических образований еще более многочисленна, так как многие из видоизмененных внутриклеточных включений, наблюдаемые в пораженных тканях, также являются лизосомами.
Однако, как только мы обратимся к их биологической функции, выяснится, что все они — места, где перевариваются поступающие в клетку вещества. И тогда нам станет понятной их структурная гетерогенность: содержимое лизосом составляют в основном вещества в процессе переваривания и непереваренные остатки. Если исследовать несколько сотен взятых наугад желудков, то обнаружится, что их содержимое тоже значительно варьирует в зависимости от того, когда и что ел хозяин того или иного желудка. Но, поняв, что разнообразное содержимое желудка и является его характерной чертой, можно без особого труда определить, что рассматриваемый орган во всех случаях идентичен. Разнообразие его содержимого может даже оказаться диагностическим фактором. Аналогичное явление наблюдается и в биологии клетки. Сейчас, рассматривая в электронный микроскоп частичку, окруженную однослойной мембраной, с беспорядочной внутренней структурой, исследователь знает, по предшествующему опыту, что, по-видимому, перед ним лизосома.
С точки зрения химии переваривать пищу означает подвергнуть ее гидролизу, т. е. при помощи воды расщепить различные связи, посредством которых соединены строительные блоки естественных природных макромолекул. В качестве примера можно привести пептидные связи, соединяющие аминокислоты в белках, гликозидные связи, соединяющие сахара в полисахаридах, и эфирные связи между кислотами и спиртами. По большей части эти связи весьма устойчивы и разрываются только при жестких условиях температуры и значениях рН (кислая или щелочная среда). Живые организмы не в состоянии ни создать, ни выдержать подобные условия, а между тем пищу они переваривают без труда. И делают это с помощью особых катализаторов — гидролитических ферментов, или гидролаз, которые секретируются в пищеварительные полости.
Гидролазы — специфические катализаторы. Каждая из них расщепляет только строго определенный тип химической связи. | Поскольку пища обычно состоит из многих компонентов с разнообразными химическими связями, для пищеварения необходимо одновременное согласованное или последовательное участие различных ферментов. И действительно, пищеварительные соки,секретируемые в желудочно-кишечным тракт, содержат большое число различных гидролаз, что позволяет человеческому организму усваивать множество сложных пищевых продуктов растительного и животного происхождения. Однако эта способность ограничена. Например, как уже упоминалось в гл. 2, человеческий организм не в состоянии переваривать целлюлозу.
Эти основные положения относятся, по существу, и к лизосомам. В каждой лизосоме мы находим целую коллекцию различных гидролаз — идентифицировано более 50 видов, — которые в совокупности способны полностью или почти полностью переваривать многие из основных природных веществ, включая белки, полисахариды, липиды, нуклеиновые кислоты и их комбинации и производные. Однако, как и желудочно-кишечный тракт человека, лизосомы характеризуются некоторыми ограничениями в своей переваривающей способности.
Хотя лизосомальные переваривающие ферменты и влияют на многочисленные химические связи и вещества, все они имеют одно общее свойство: лучше всего они работают в слегка кислой среде, имея оптимум при кислых значениях рН между 3,5 и 5,0. Именно в силу этого в лизосомах, как и в эндосомах, из которых они произошли, с помощью протонного насоса поддерживается кислая среда (см. гл. 4).
Лизосомальное пространство занимает центральное место в структуре (организации) клетки. По путям, приносящим в ли- зосому вещества для переваривания, идут материалы не только из внеклеточного пространства, но и из самой клетки. Продукты переваривания составляют основную часть выносящего потока. Кроме того, лизосомальное пространство особыми путями связано также с подразделом клеточной экспортной индустрии, который снабжает его необходимыми ферментами (см. гл. 6). Как и следовало ожидать для ограниченного мембраной пространства, для его связей с другими отделами используются два транспортных средства: «проникновение» всех веществ, способных пересечь мембрану (при необходимости с помощью специальных насосов или пермеаз), и везикулярный транспорт для всех остальных веществ.
До сих пор не ясно, каким образом лизосомальному пространству клеток удается избежать саморазрушения. Подобно другим биомембранам, лизосомальная мембрана состоит из белков и фосфОлипидов, которые в принципе могут быть переварены ферментами лизосом. В самом деле, когда участки мембраны отделяются в ходе аутофагической сегрегации (см. с. 83), они полностью разрушаются. В то же время, находясь в составе лизосомальной оболочки, они резистентны к перевариванию. Более того, они создают на редкость прочную броню, которая эффективно защищает окружающую цитоплазму от разрушающего действия содержимого лизосомального компартмента. Ключ к этой загадке пока не найден. Можно только предположить, что поверхностные компоненты, возможно гликопротеиды, выстилающие внутреннюю поверхность лизосомальной мембраны, уложены таким образом, что их химические связи становятся недосягаемыми для гидролаз, к которым они чувствительны. Можно также предположить, что эта особая конформация поддерживается метаболическими системами, расположенными в прилегающей к лизосоме цитоплазме; она нарушается,’ когда связь с цитоплазмой прерывается.
Разумеется, такое объяснение—отнюдь не объяснение. Оно скорее напоминает ответ одного персонажа комедии Мольера «Мнимый больной». Когда во время шуточного экзамена его спросили, почему опий действует как снотворное, будущий врач торжественно (и по-латыни, чтобы это звучало более научно) ответил: «Потому что опий обладает свойством вызывать сон, природа которого состоит в том, чтобы вызывать отупление чувств». Право же, мы мало чем от него отличаемся, когда утверждаем (с такой же глубиной), что лизосомальная мембрана резистентна к перевариванию потому, что «выстилающая ее поверхность имеет резистентную по отношению к ферментам конформацию». К сожалению, это действительно все, что нам пока известно.

Аутофагия

Помимо гетерофагии клетки занимаются и аутофагией, иными словами, «поедают» и переваривают небольшие кусочки своего собственного вещества . Это происходит не только тогда, когда они лишены пищи и вынуждены обходиться собственными ресурсами, но и тогда, когда в изобилии снабжаются питательными веществами. Удивительна скорость этого саморазрушения. Обычной клетке печени, например, требуется меньше недели для разрушения большей части своего содержимого.
О том, что такой процесс происходит, трудно предположить, даже изучая клетку с помощью тончайших морфологических и химических методов. Клетка печени может жить в течение многих лет, и все это время ее структура и химический состав мало изменяются. Интенсивный молекулярный обмен, происходящий за этим внешне неизменным фасадом, обнаружился только тогда, когда в распоряжении исследователей появились изотопы и с их помощью удалось отличить химически идентичные молекулы друг от друга. Тогда и обнаружилось, что клетки постоянно разрушают и восстанавливают свои составные части с удивительной быстротой. Клетки напоминают те старые дома, которые на первый взгляд кажутся такими же, какими они были в момент их строительства, хотя на самом деле их столько раз ремонтировали, что от первоначальных оконных рам, черепицы или даже кирпичей и досок почти ничего не сохранилось. Но процесс, который для дома может длиться столетиями, укладывается в дни для живой клетки.
Кругооборот , как назван этот процесс молекулярного обновления, представляет собой тонко отрегулированный процесс. Каждая составная часть клетки имеет свою собственную характерную среднюю продолжительность жизни. Молекулы белка, например, в зависимости от их структуры живут от нескольких часов до нескольких дней. Из этого следует, что для каждого вида белка существуют специфичные скорости синтеза и распада и, чтобы клетка оставалась неповрежденной, они должны быть идеально сбалансированы. То же характерно и для большинства других клеточных компонентов, за исключением ДНК, которая полностью не заменяется, хотя и подвергается местным повреждениям и восстановлениям.
Для разрушения своих собственных составных частей клетки нуждаются в процессах переваривания в такой же степени, как и при разрушении экзогенных веществ аналогичной сложной природы. В обеспечении переваривающей активности клетки принимают участие несколько различных систем. Среди них лизосомы, которые служат своеобразной «свалкой» и местом для удаления множества внутриклеточных материалов, главным образом крупных объектов, таких, как целые участки цитоплазмы, митохондрии, кластеры рибосом и фрагменты мембран, отделившиеся от эндоплазматического ретикулума. Эти объекты проникают в лизосомальный компартмент, пользуясь одним из трюков «с закрытой комнатой» (гл. 4), что по существу аналогично механизму отделения цитоплазматических почек от клеток. При почковании участок цитоплазмы, выступающий из клетки, отделяется от нее в результате прогрессирующего сужения и окончательного отделения соединяющего их мостика посредством цысмембранного слияния. Возможно, похожий механизм воздействует на каплю цитоплазмы, ко-торая вдается в просвет лизосомы; в итоге почка отделяется в просвет лизосомального компартмента, становясь Жертвой клеточной — аутофагии. Множественные аналогичные события приводят к образованию характерных структур, описанных морфологами как мультивезикулярные тельца.
На ранних стадиях после аутофагической сегрегации пойманные в ловушку цитоплазматические объекты, находясь внутри мембранного заточения, еще могут быть идентифицированы. Вначале они окружены двумя мембранами, что соответствует только что описанному механизму почкования. Затем мембрана, окружающая изолированную почку, разрушается. По мере переваривания содержимое почки становится неузнаваемым. Термином «аутофагическая вакуоль» принято обозначать все структуры, которые можно идентифицировать по наличию вышеописанных характерных черт, возникающих при аутофагии. Показано, что помимо лизосом в начальном механизме сегрегации могут участвовать другие меморанные структуры. Возникающие таким образом аутофагические вакуоли вначале могут не содержать пищеварительных ферментов; они приобретают их при последующем слиянии с лизосомами.
Сталкиваясь с объемом саморазрушения, происходящего в живой клетке, интересно бы понять, каковы выгоды столь дорогостоящей активности. Вероятно, в своей примитивной форме аутофагия, как и гетерофагия, служила для обеспечения пищеварительной функции: она обеспечивала выживание организма при голодании и эволюционировала в высокоэффективный процесс, в ходе которого клеточные компоненты разрушались по мере уменьшения потребности в них. Благодаря аутофагии клетка длительное время может существовать без пищи. Она прогрессивно использует собственные вещества, но так разумно, что остается организованной и способной функционировать в течение длительного времени. Это также .справедливо и для организмов. Узники гитлеровских лагерей смерти, превратившиеся в ходячие скелеты, выжили за счет расходования белков из второстепенных для организма мышц, чтобы снабжать питательными веществами жизненно важные органы — сердце, мозг и кровь. Многие из них поправились на удивление быстро, как только вновь получили питательные вещества, нужные для восстановления тканей.
Аутофагия остается первичным клеточным ответом при недостатке пищи у большинства современных живых организмов, включая высших животных, у которых она может быть также стимулирована гормонами, в частности глюкагоном, активирующим мобилизацию резервов организма. Но, очевидно, самоподдержание едва ли объясняет непрерывный и интенсивный обмен составных частей клетки, которые отменно питаются большую часть времени. Основные преимущества, получаемые клетками от аутофагии, заключаются в их омоложении и адаптивности.
Благодаря кругообороту клетки постоянно замещают свои составные части на аналогичные новые и таким образом достигают своеобразной «вечной молодости». Возьмем к примеру клетки мозга пожилого человека. Эти клетки работали в течение десятилетий, однако бйльшая часть их митохондрий, рибосом, мембран и других органелл не старше одномесячного возраста. За все годы своего существования клетки разрушали и обновляли составляющие их молекулы сотни, тысячи, а некоторые даже свыше 100 000 раз. Однако происходившие события оставляют некоторый след в виде нарастающего накопления в лизосомах бурых непереваренных остатков. Этот так называемый пигмент старения, или липофусцин, выдает возраст клетки. Возможно, это один из недостатков работы клетки (результат не совсем идеальной работы лизосом), что в конечном итоге лишает ее способности оставаться вечно юной, — если, как предполагают, перегрузка лизосом связана с процессом старения клетки (см. ниже).
Вторым важным преимуществом аутофагии следует считать адаптивность. Разрушенная часть клетки может быть замещена не только идентичной, но в случае необходимости другой, более подходящей для данного момента. Одни изменения возникают на какое-то время в ответ на те или иные изменения окружающей среды; другие являются частью фундаментального процесса дифференцировки и развития клетки.
В клетках желез наблюдается особый вид аутофагии, так называемая кринофагия . Кринофагия осуществляется путем прямого слияния секреторных гранул с лизосомами (цис-слияние) и приводит к разрушению секреторного материала. Она представляет собой важный регуляторный механизм .

Очищение лизосом

В кишечнике конечные продукты пищеварения (переваривания) «очищаются» в результате кишечной абсорбции: они удаляются клетками слизистой, обычно при помощи активных насосов, и попадают в кровеносное русло. Нечто подобное происходит и в лизосомах. Различные мелкие молекулы, образовавшиеся в процессе переваривания, диффундируют или переносятся через лизосомальную мембрану в цитоплазму, где их используют метаболические системы клетки. Вполне вероятно, что очищение лизосом происходит не. без участия специальных систем переносчиков, расположенных в мембране, но они пока не охарактеризованы.
Но что случается, если переваривания не происходит или оно неполное и не достигает той стадии, на которой его продукты могут быть очищены? Что, к примеру, происходит, если клетки захватывают устойчивый к перевариванию материал или если они страдают какой-либо недостаточностью пищеварения?
У большинства простейших организмов и низших беспозвоночных подобные ситуации не вызывают особых последствий, так как их клетки обладают способностью избавляться от содержимого своих старых лизосом, попросту выбрасывая его в окружающую среду. Этот процесс, образно названный клеточной «дефекацией» (очищением), зависит от экзоцитоза. У высших животных многие клетки, вернее большая их часть, по-видимому, неспособны опорожнять свои лизосомы таким образом. Они, так сказать, находятся в состоянии хронического «запора». Как мы увидим дальше, именно этот серьезный недостаток лежит в основе многочисленных патологических состояний, связанных с перегрузкой лизосом. Альтернатива, к сожалению, столь же плоха, а возможно даже хуже, что следует из патологии: выброс содержимого лизосомы в окружающие ткани вызывает значительное повреждение внеклеточных структур ферментами лизосом, которые выходят вместе с непереваренными остатками. Можно предположить, что описанное клеточное опорожнение подавлялось в ходе естественного отбора, в результате чего эволюция развивалась в направлении все большей многоклеточной организации.

Снабжение лизосом ферментами

Лизосомальные гидролазы, как и все ферменты, представляют собой белки. Следовательно, они сами повторяют путь всех других белков, проникающих в лизосомы, и должны быть переварены соответствующими протеолитическими ферментами. Тот факт, что они выполняют свою работу должным образом, свидетельствует о медленном процессе протеолитического переваривания. Это не должно нас удивлять, ибо без устойчивых к перевариванию ферментов не могли бы существовать и сами лизосомы. Что же касается природы этой устойчивости, то, судя по всему, в ее основе лежит способность ферментов сохраняться в плотно упакованной форме в кислой среде, преобладающей в их естественной среде обитания. Как правило, белковая нить должна быть хотя бы частично расплетена, или денатурирована (гл. 2), чтобы стать доступной для протеолитических ферментов. Многие белки денатурируются в кислой среде. Очевидно, лизосомальные ферменты представляют собой исключение, чем и объясняется их жизнеспособность в лизосомальной среде.Они, разумеется, не вечны и должны 5 замещаться по мере разрушения. Чтобы выяснить, как именно происходит такое замещение, мы должны проникнуть в другой отдел клетки, ее экспортный компартмент, одной из функций которого является производство лизосомальных ферментов. Это мы сделаем в следующей главе, а сейчас нам остается только наблюдать конечную стадию доставки ферментов в лизосому. Как и следовало ожидать, вновь образованные ферменты прибывают в мембранной упаковке и проникают в лизосомальное пространство посредством слияния мембран (чисслияние). Такие свежие ! упаковки ферментов называют первичными, или девственными, лизосомами в отличие от активно переваривающих вторичных лизосом.