Vertering door lysosomen

Vrijwel alle cellen van hogere organismen beschikken over een verteringssysteem dat in zijn werking grote overeenkomsten vertoont met het maagdarmstelsel. De cel kan zowel van buiten als vanuit zichzelf materiaal opnemen. Dit materiaal wordt omgeven door een membraan, zodat er blaasjes ontstaan. Deze blaasjes smelten samen met lysosomen, onderdelen van de cel waarin zich verteringsenzymen bevinden. Na de samensmelting vindt vertering van het materiaal plaats. De verteringsprodukten passeren de membraan van het lysosoom en komen dan terecht in de cellulaire vloeistof. Daar zijn ze dan beschikbaar als bouwstenen voor de synthese van macromolekulen of als brandstof.

Afbrekende bolletjes

Lysosomen zijn organellen, ofwel cellulaire structuren die een bepaalde functie in een cel vervullen. De lysosomen zorgen voor de afbraak van macromolekulen. In elektronenmicroscopische preparaten zien we aan lysosomen weinig bijzondere kenmerken. Alleen de omgevende membraan is altijd aanwezig. Vaak zijn het kleine bolletjes met een diameter van ongeveer een halve micrometer. In veel cellen is het gezamenlijke volume van alle lysosomen niet meer dan een half procent van het totale celvolume.
Om hun functie te kunnen uitvoeren, beschikken lysosomen over een kenmerkende enzymatische inhoud. Ze bevatten een grote verscheidenheid aan hydrolasen, enzymen waarmee vrijwel alle soorten van biologische macromolekulen (suikers, eiwitten, vetten, nucleïnezuren) kunnen worden afgebroken. Deze enzymen breken macromolekulen af onder toevoeging van water, volgens de algemene vergelijking R₁R₂ + H₂O ® R₁H + R_2OH.
Lysosomale enzymen werken het beste bij een lage pH, dat wil zeggen een hoge concentratie waterstofionen. Om in het lysosoom een alge pH te verkrijgen, bevindt er zich een pompsysteem in de lysosomale membraan. Dit systeem pompt waterstofionen door de membraan heen naar binnen. De energie die hiervoor nodig is, komt vrij door splitsing van adenosinetrifosfaat (ATP). Zo blijft de pH binnenin het lysosoom op een waarde van ongeveer 5. Dit betekent dat de concentratie waterstofionen in het lysosoom zo’n honderd keer groter is dan in de rest van de cel, waar de pH immers 7 is.
Sommige lysosomale enzymen zijn niet alleen biochemisch aantoonbaar, maar kunnen ook in microscopische preparaten worden gelokaliseerd. Daartoe brengen we deze preparaten in een oplossing van een stof die door het aan te tonen enzym kan worden afgebroken. De oplossing is zodanig samengesteld dat één van de reactieprodukten direct wordt omgezet in een neerslag dat we met een licht- of een elektronenmicroscoop kunnen waarnemen. De plaats van het neerslag in het microscopisch preparaat geeft dus aan waar het betreffende enzym actief is geweest.
De synthese van lysosomale enzymen vindt plaats op ribosomen die zijn verbonden met het endoplasmatisch reticulum, een in de cel gelegen netwerk van membranen. Na passage door verschillende celcompartimenten, waarin de enzymen enkele veranderingen ondergaan, bereiken ze het lysosoom.

Intermezzo De synthese van lysosomale enzymen

De synthese van lysosomale enzymen.

Lysosomale enzymen zijn eiwitten waaraan ketens van suikermolekulen zijn gekoppeld. Ze worden aangemaakt in het ruw endoplasmatisch reticulum (RER). Dit is een organel dat bestaat uit platte blazen (cisternen), omgeven door een membraan, met aan de buitenkant ribosomen. Ribosomen zijn min of meer bolvormige organellen met een diameter van circa 25 nanometer. Aan deze ribosomen vindt de eigenlijke eiwitsynthese plaats, waarbij aminozuren aaneen worden gekoppeld tot een eiwitketen.
De eiwitten worden in eerste instantie aan de buitenzijde van de membranen van het RER gesynthetiseerd, maar al tijdens de synthese worden ze door deze membraan heen naar het inwendige van het RER getransporteerd. Daar wordt aan het eiwit een korte suikerketen bevestigd. Van het RER worden kleine blaasjes afgesnoerd die het gesynthetiseerde eiwit transporteren naar een ander celorganel, het Golgi-apparaat. Het Golgi-apparaat bestaat uit vier tot zes platte, enigszins gebogen blazen (cisternen) waarvan de membranen geen ribosomen dragen.

We onderscheiden aan het Golgi-apparaat een importzijde en een exportzijde. De transportblaasjes die afkomstig zijn van het RER, versmelten met de eerste cisterne aan de importzijde. Vervolgens doorlopen de eiwitten alle cisternen van import- naar exportzijde. Bij deze verplaatsing vindt het transport steeds plaats door afsnoering van een blaasje van de ene cisterne, gevolgd door versmelting met de volgende. Tijdens hun weg door het Golgi-apparaat ondergaan de eiwitten verschillende veranderingen, waaronder toevoeging en afsplitsing van suikermolekulen. Sommige lysosomale enzymen krijgen daarbij een kermerkende verbinding in de suikerketen, namelijk mannose-6-fosfaat.

Aan de exportzijde van het Golgi-apparaat worden de eiwitten overgedragen aan een systeem van onderling samenhangende blaasjes en buisjes, het trans-Golgi-netwerk. In de membranen daarvan bevinden zich receptormolekulen, die een binding kunnen aangaan met de mannose-6-fosfaatgroep. Zo isoleren de receptormolekulen de lysosomale enzymen uit het totale mengsel van eiwitten dat in het netwerk aanwezig is. Hierna worden de lysosomale enzymen afgesnoerd in blaasjes, waarvan de inhoud uiteindelijk in lysosomen terechtkomt.
Einde Intermezzo

Heterofagie en autofagie

Een celmembraan (1) omsluit het cytoplasma van een dierlijke cel. De kern (3), omgeven door een kernmembraan met poriën (2), bevat DNA. Ribosomen (8) vertalen informatie uit het DNA in enzymen en andere eiwitten. Sommige eiwitten worden binnen de membranen van het endoplasmatische reticulum (7) gebracht en vandaar naar het Golgi-apparaat (9) getransporteerd. Daar treedt sortering voor eindbestemming op. Lysosomen (10) zorgen voor de afbraakprocessen in de cel. In de mitochondriën (6) levert verbranding van voedingsstoffen de nodige energie voor de cel. Centriolen (11) spelen een rol bij de celdeling. Microtubuli en microfilamenten (12) vormen het celskelet.

Een deel van de stoffen die in lysosomen worden afgebroken, is afkomstig van buiten de cel. Deze stoffen komen via endocytose in de cel terecht. De celmembraan stulpt zich daarbij om de stoffen heen. Als de celmembraan zich sluit, liggen de opgenomen stoffen in een ruimte binnen de cel, die is omgeven door een membraan: het endosoom. Vaak hechten de op te nemen stoffen in de eerste fase van dit proces aan receptormolekulen in de celmembraan. Het endosoom versmelt vervolgens met een lysosoom, waarna de vertering kan beginnen. We noemen de opname in het lysosomale systeem van materiaal dat van buiten de cel afkomstig is, heterofagie.
Daarnaast kan ook celeigen materiaal in lysosomen voorkomen. Aanvankelijk beschouwde men dit als een uitzonderlijke situatie, maar later bleek dat voor vrijwel alle cellen het optreden van deze zogenoemde autofagie eerder regel dan uitzondering is. Bij autofagie wordt in eerste instantie een deel van de celinhoud omsloten door een membraan. Het blaasje dat zo ontstaat noemen we autofagosoom. Recent onderzoek ondersteunt de hypothese dat de membraan van het autofagosoom afkomstig is van het ruw endoplasmatisch reticulum. Met antilichamen die zich specifiek hechten aan membraaneiwitten van het ruw endoplasmatisch reticulum, is namelijk aangetoond dat in de membranen van autofagosomen dezelfde eiwitten voorkomen als in het ruw endoplasmatisch reticulum. Het door membraanomsluiting gevormde autofagosoom verkrijgt de voor vertering noodzakelijke enzymen door versmelting met een lysosoom, dat deze enzymen reeds bevat, waardoor er een zo genoemd autolysosoom ontstaat.

Lysosomale verteringsprodukten

Al het materiaal dat in de lysosomen terechtkomt, of het nu is verkregen via heterofagie of via autofagie, kan in principe worden afgebroken tot zijn bouwstenen. Dat zijn bijvoorbeeld aminozuren, suikers, vetzuren en stikstofhoudende basen. Deze verteringsprodukten kunnen de lysosomale membraan passeren en worden dan weer gebruikt in de stofwisseling van de cel. Ze dienen dan bijvoorbeeld als bouwstenen voor de synthese van eiwitten en vetten of, in de mitochondriën, als brandstof om energie te leveren. Hier komt de overeenkomst tussen lysosomale vertering en het functioneren van het maagdarmstelsel duidelijk tot uiting. In beide systemen worden macromolekulaire voedingsstoffen afgebroken tot hun bouwstenen, bij de spijsvertering gevolgd door opname door de cellen van de darmwand, bij de lysosomale vertering gevolgd door rechtstreeks transport vanuit de lysosomen naar het cytoplasma.

In elektronenmicroscopische opnamen kunnen we autofagosomen herkennen omdat er zich nog herkenbare organellen in bevinden. Maar doordat onder normale omstandigheden het opgenomen materiaal volledig tot de molekulaire bouwstenen wordt afgebroken, is een lysosoom waarin celeigen materiaal aanwezig is na enige tijd niet meer van andere lysosomen te onderscheiden. In cellen van een rattelever kunnen we een autofagosoom gemiddeld niet langer dan ongeveer een kwartier herkennen.

Het is niet duidelijk of er bij de opname van celeigen materiaal in lysosomen enige selectie optreedt. Enerzijds zijn er aanwijzingen dat bij autofagie celeiwitten die buiten de celorganellen zijn gelegen, bij autofagie zonder onderscheid worden aangepakt. Anderzijds zijn er ten aanzien van de opname van celorganellen wel degelijk verschillen waargenomen. Het inzicht in kenmerken die zouden kunnen leiden tot voorkeur voor autofagie van bijvoorbeeld beschadigde of verouderde organellen, ontbreekt vooralsnog.

Vertering tijdens vasten

Bij nachtdieren, zoals ratten en muizen, is overdag in diverse organen het totale volume va

Om inzicht te krijgen in de functie van autofagie, is het van belang om te weten wanneer autofagie optreedt en hoe de cel het proces reguleert. In de beginperiode van de studie van lysosomen was vooral opgevallen dat autofagie vaak op uitgebreide schaal voorkomt wanneer cellen ingrijpende fysiologische veranderingen ondergaan. Zo bleek dat autofagie in vele weefsels een belangrijke rol speelt tijdens de ontwikkeling van organen, met name in cellen die een specialisatie doormaken. Autofagie bleek ook van betekenis bij de fysiologische teruggang van een orgaan, bijvoorbeeld zoals deze optreedt in de melkklier van de rat na spenen van de jongen. Inmiddels heerst echter de overtuiging dat autofagie niet beperkt is tot bijzondere omstandigheden, maar dat autofagie deel uitmaakt van het normale metabolisme van iedere cel. Hij staat daarbij in dienst van de vervanging van cytoplasmabestanddelen.

In sommige kliercellen treedt een bijzondere vorm van autofagie op. Het produkt dat deze cellen uitscheiden ligt in de cel gereed in de vorm van zogenoemde secretiekorrels. Wanneer er sprake is van een overschot aan secretiekorrels, breekt de cel deze korrels via autofagie af, waarbij hij de bouwstenen van het secretiemateriaal weer terugwint.

Autofagie speelt een belangrijke rol bij vasten. Wanneer er geen suikers uit voeding meer beschikbaar zijn, moet het lichaam zelf glucose produceren als brandstof voor de hersencellen en de rode bloedcellen. Deze cellen zijn namelijk, in tegenstelling tot andere cellen in het lichaam, absoluut afhankelijk van glucose voor hun energieproduktie en ze hebben geen eigen voorraad. De enige manier waarop het lichaam de vereiste hoeveelheid glucose kan produceren is door omzetting in de lever van aminozuren in glucose. De levercellen verkrijgen de benodigde aminozuren door de afbraak van eigen eiwit via autofagie. Daarnaast vindt ook eiwitafbraak in de spieren plaats. De aldaar geproduceerde aminozuren worden via het bloed naar de lever vervoerd om ook in glucose te worden omgezet.

Insuline en glucagon

De eiwitafbraak via autofagie in geïsoleerde levercellen van de rat kan oplopen tot bijna 4% van het celeiwit per uur. De aanwezigheid van aminozuren remt deze afbraak. Het hormoon glucagon stimuleert autofagie en daardoor ook de eiwitafbraak.

Autofagie in levercellen staat onder invloed van twee hormonen die afkomstig zijn uit de alvleesklier: insuline, met een remmend effect, en glucagon, dat stimulerend werkt. Verder hangt de mate van autofagie in levercellen af van de aminozuurconcentratie rondom de cellen, waarbij hoge aminozuurconcentraties de autofagie remmen. Vertering van celeigen bestanddelen kan zo de negatieve effecten van een tekortschietende spijsvertering verminderen. Immers, bij vasten daalt de aminozuurconcentratie in het bloed en de produktie van glucagon door de alvleesklier neemt dan toe. Beide factoren stimuleren de autofagie in de lever en zo de glucoseproduktie ten behoeve van de hersenen.

De regulering van autofagie is vooral bestudeerd met behulp van levercellen van de rat. Levercellen hebben het voordeel dat ze ook als suspensie van geïsoleerde cellen geschikt zijn voor onderzoek. De snelheid van autofagie heeft men onderzocht met behulp van gelabelde macromolekulen. Bij afwezigheid van aminozuren in de vloeistof buiten de cellen, kan de afbraak van intracellulair eiwit via autofagie oplopen tot maar liefst vier procent per uur.
In het levende dier hebben onderzoekers ook respectabele afbraaksnelheden vastgesteld. Bij ratten en muizen gaat in de loop van twee dagen vasten bijna de helft van het eiwit in levercellen door autofagie verloren. In dit kader is het eveneens begrijpelijk dat men in rattelever door nauwkeurige analyse van grote series elektronenmicroscopische preparaten een dag-nachtritme in autofagie heeft kunnen vaststellen. De top van de autofagie ligt midden op de dag, want dan hebben ratten (nachtdieren) al urenlang niets meer gegeten. Tenslotte bleek bij de bestudering van de factoren die autofagie in levercellen reguleren, dat de vorming van autofagosomen energie vereist.

Autofagie bij celbeschadiging

In het bovenstaande is steeds gesproken over het optreden van autofagie in normaal functionerende cellen. Maar in vele laboratoriumexperimenten is ook vastgesteld dat er een toename van autofagie is bij celbeschadiging. Zo is er een verhoogde mate van autofagie na bestraling, na tijdelijke onderbreking van de bloedvoorziening en na velerlei soorten van vergiftiging. Het is verleidelijk om te veronderstellen dat autofagie onder dergelijke omstandigheden deel uitmaakt van een overlevingsmechanisme, waarbij de cel in verhoogd tempo beschadigde bestanddelen vervangt. Er zijn echter nog onvoldoende gegevens beschikbaar om te kunnen concluderen dat autofagie inderdaad zo functioneert.
Er zijn aanwijzingen dat ook beperking van autofagie van nut kan zijn, in het bijzonder bij snel delende en snel groeiende cellen. Zo draagt een verminderde autofagie waarschijnlijk bij aan de snelle herstelgroei van de lever nadat een deel van het orgaan chirurgisch is verwijderd. Het is denkbaar dat in bepaalde gevallen een vermindering van de autofagie ook de onstuimige groei van kankercellen bevordert.

Lysosomale stapelingsziekten

Bij vertering door lysosomen blijven onder ideale omstandigheden geen resten over. Toch ontstaan vaak zogenaamde restlichaampjes. Dit zijn lysosomen waarin slecht verteerbare stoffen liggen opgehoopt, wellicht afkomstig van de opname van celvreemd materiaal dat niet of slechts langzaam kan worden afgebroken. Lysosomale stapelingsziekten kenmerken zich door een buitensporige ophoping van restlichaampjes. Door een genetisch defect zijn bij deze ziekten één of meer essentiële enzymen niet in actieve vorm in de lysosomen aanwezig. Het gevolg is dat de natuurlijke substraten van deze enzymen zich ophopen in de lysosomen. Voor het organisme is dat doorgaans fataal.

De eerste lysosomale stapelingsziekte die als zodanig werd herkend, was de ziekte van Pompe. Deze ziekte kenmerkt zich door de verzwakking van alle spieren. In ernstige gevallen leidt deze in het eerste levensjaar al tot de dood. Bij microscopisch onderzoek vond men dat de lysosomen in de cellen van vele organen waren gevuld met glycogeenpartikels. Glycogeen is een koolhydraat dat bij normale autofagie in kleine hoeveelheden in de lysosomen komt en daar wordt afgebroken tot glucosemolekulen door het enzym zure a-glucosidase. Bij de ziekte van Pompe is er echter een gebrek aan dit enzym, zodat de lysosomen al spoedig overvol raken met glycogeen.

De meest voorkomende lysosomale stapelingsziekte bij de mens is de ziekte van Gaucher. Daarbij vindt er in de lysosomen van macrofagen, een celtype dat is gespecialiseerd in fagocytose, ophoping plaats van een bepaald lipide, het glucocerebroside. Dit is het gevolg van een erfelijk defect, waardoor het enzym glucocerebrosidase niet goed functioneert. Kenmerkende symptomen van de ziekte zijn de buitensporige milt- en leververgroting en de verzwakking van de botstructuur, waardoor spontaan botbreuken kunnen optreden. Recentelijk bleek dat de ziekte van Gaucher te behandelen is door intraveneuze toediening van glucocerebrosidase uit menselijke placenta’s. Er is echter een groot aantal placenta’s nodig om voldoende enzym voor de behandeling van één patiënt te winnen. Biotechnologische produktie van het enzym is thans ook mogelijk. Hierbij worden in een laboratoriumopstelling DNA-fragmenten met de genetische informatie voor het enzym in gastheercellen gebracht, waarna die als producenten van het enzym gaan functioneren.

Het valt te verwachten dat in de nabije toekomst sommige lysosomale stapelingsziekten met gentherapie kunnen worden behandeld. Bij een erfelijk defect van een lysosomaal enzym, wordt dan de correcte genetische informatie voor dit enzym met behulp van een virus in de cellen van het lichaam gebracht. Zo tekent zich een weg af waarlangs resultaten van fundamenteel laboratoriumonderzoek in de patiëntenzorg kunnen worden toegepast.