Lysosomes
I. Mise en évidence (De Duve - 1949 )
L’ activité enzymatique de type phosphatase acide est plus
élevée dans un broyat d’hépatocytes si le fractionnement est
effectué avec de l’eau distillée que s’il est pratiqué avec
précaution dans un tampon isoosmotique. L ’activité
enzymatique est contenue dans des vésicules qui restent
intactes si le broyage est ménagé. L’activité enzymatique est
localisée dans des vésicules bien mises en évidence en
microscopie électronique .
II.
Morphologie et contenu
La taille et la forme des lysosomes est variable ( environ
0.2-0,5 µ). Le contenu est homogène et dense aux électrons .
Les phosphatases acides lysosomales précipitent le phosphate
de plomb ; ceci permet un repérage précis des lysosomes dans
la cellule en ME .Les lysosomes sont limités par une membrane
simple de type bicouche lipidique .
On distinguait classiquement
- des lysosomes primaires ou néoformés, plus petits et peu
perméables, situés dans le TGN.
- des lysosomes secondaires, générés par la fusion des
lysosomes primaires et de vacuoles d’endocytose provenant de
la membrane plasmique ; ces lysosomes sont plus gros et plus
perméables car leur membrane doit laisser sortir le contenu
dégradé par les enzymes ..
Les lysosomes sont présents dans toutes les cellules sauf les
hématies mais en abondance variable. Les lysosomes se
déplacent en permanence dans la cellule grâce à leur liaison
avec le cytosquelette.
Le contenu du lysosome est acide ( pH de 4 à 5) alors que le
pH cytosolique est de 7,2. Ce pH acide est entretenu par une
Na/H ATPase qui fait rentrer le proton dans la vésicule
lysosomale en échange d’un Na, au prix d’une dépense
énergétique sous forme de consommation d’ATP.
La membrane du lysosome contient aussi des transporteurs
protéiques membranaires qui importent les protéines devant
être dégradées ou exportent les produits de dégradation
enzymatique pour qu’ils soient réutilisés par la cellule
Les protéines situées à l’intérieur de la vésicule lysosomale
(essentiellement des enzymes hydrolytiques ou hydrolases qui
agissent en ajoutant une molécule d’eau à une molécule
organique ) sont porteuses de nombreux résidus glucidiques
(glycoprotéines) qui augmentent leur résistance à l’action du
pH bas et à celle des autres hydrolases: A-B + H20 ---> AH +
BOH
On dénombre plus de 40 hydrolases acides (capables de résister
et de fonctionner au pH acide du lysosome). Ces hydrolases
sont inactivées à pH 7; ceci limite les conséquences néfastes
d’une éventuelle fuite dans le cytosol. Les hydrolases
dégradent les composants cellulaires glucidiques, lipidiques,
protéiques ou les acides nucléiques:
- phosphatases acides: coupe une liaison ester phosphorique et
entraîne une déphosphorylation
- sulfatase
- nucléases: RNase, DNase
- polysaccharidases: élaguent des résidus polysaccharidiques (mannosidases
, glucosidases , galactosidases ....)
- lipases, phospholipases, éstérases qui ont pour substrat les
acides gras éstérifiés
- protéases: collagénase, cathepsines B et D ....
- lysozyme : cette enzyme lysosomale dégrade les
muccopolysaccharides des parois bactériennes ; il est sécrété
dans la salive et dans les larmes et agit comme un
antibiotique naturel .
- hyaluronidase: cette enzyme est sécrétée par le macrophage
dans la substance fondamentale du tissu conjonctif; il
dépolymérise l’acide hyaluronique de la substance
intercellulaire et facilite la migration des cellules
inflammatoires.
III.
Formation des lysosomes
Les lysosomes bourgeonnent sous forme de vésicules de la face
trans de l’appareil de Golgi ; la clathrine facilite la
vésiculation . Les lysosomes sont la conséquence de la fusion
de plusieurs vésicules golgiennes; en permanence , le lysosome
reçoit un apport de matériel membranaire et enzymatique
d’origine golgienne. La paroi du lysosome contient des
récepteurs d’arrimage pour les vésicules golgiennes.
L’orientation des glycoprotéines vers leur destination
lysosomale se fait grâce à un signal chimique constitué par le
mannose-6-phosphate. Le récepteur au mannose-6-P a été isolé
et purifié ; il lie les polysaccharides spécifiques à pH 7 et
les libère à pH 5 ; le récepteur est recyclé vers le Golgi par
des vésicules à clathrine.
IV.
Rôle des
lysosomes
A.
rôle de nettoyage cellulaire :
autophagie . Les organites subcellulaires sont en permanent
renouvellement : la durée de vie d’une mitochondrie dans le
foie est de 10 jours environ ; au delà elle est enveloppée
dans une membrane provenant probablement du réticulum (autophagosome)
; le phagosome fusionne ensuite avec les lysosomes pour donner
un autophagolysosome; des fantômes de mitochondries sont
visibles dans les lysosomes en ME .Quand un rat est traité par
du phénobarbital , le réticulum lisse des cellules hépatiques
s’hypertrophie ; dés que la stimulation cesse , le réticulum
en excès est dégradé par les lysosomes.Les lysosomes assurent
un remodelage cellulaire permanent . Quand le têtard subit sa
transformation en grenouille suite à la sécrétion des hormones
thyroïdiennes, les cellules de la queue sont détruites suite à
un message programmé dans le code génétique grâce aux
lysosomes qu’elle contiennnent: phénomène d’apoptose. Ce
phénoméne débute par l’activation d’endonucléases qui
tronçonnent l’ADN (formation d’échelles - ladder- sur l’électrophorése),
la chromatine se condense, les noyaux deviennent pycnotiques
et se fragmentent. La membrane plasmique est détruite en
dernier et le fantôme cellulaire est digéré par les cellules
voisines. Le phénomène d’apoptose (différent de la nécrose)
est très ubiquitaire (mort des cellules privées de nourriture,
mort induite par les agents anticancéreux ou la radiothérapie,
privation hormonale du tissu prostatique...
B.
cellules spécialisées dans la
phagocytose : Les lysosomes sont très abondants dans les
macrophages et polynucléaires. Si on stimule des macrophages
par des endotoxines (composant des parois bactériennes ) ou du
BCG , le nombre des lysosomes augmente .Les bactéries sont
ingérées dans des phagososomes qui fusionnent avec les
lysosomes. Les lysosomes des macrophages dégradent en partie
les antigénes ingérés; certaines parties des antigènes seront
recyclées vers la membrane plasmique où elles seront en
contact avec les lymphocytes ----> rôle majeur dans
l’établissement de la mémoire immunitaire (cellules
présentatrices de l'antigène: CPA).
C.
nourriture de la cellule : endocytose
et pinocytose les lysosomes assurent la digestion cellulaire
des substrats captés par endocytose et libérent les molécules
élémentaires dans le cytosol pour les synthèses ultérieures.
Les substances à ingérer sont captés par des récepteurs
membranaires au niveau des puits recouverts (coated pits); les
vésicules sont internalisées et fusionnent avec les lysosomes
; sous l’influence du pH lysosomal acide, les récepteurs se
séparent du ligand qui subit l’action des hydrolases ; les
récepteurs sont recyclés vers la membrane sous forme de
vésicules (ex: capture des lipoprotéines plasmatique ,
endocytose et dégradation lysosomale qui assure la fourniture
de la cellule en cholestérol).
D.
tri des substances qui transitent dans
la cellule : Les hormones thyroïdiennes (T3 et T4 ) sont
accumulées dans les vésicules thyroïdiennes liées à une énorme
protéine, la thyroglobuline. Lors de la stimulation de la
thyroïde par la TSH hypophysaire, la thyroglobuline et les
hormones sont endocytées à nouveau dans la cellule puis
dégradées par les lysosomes qui permettent la libération des
hormones à l’autre pôle de la cellule .Les immunoglobulines
traversent facilement la cellule intestinale de la muqueuse du
nouveau-né sans être dégradées. Par contre, d’autres molécules
protéiques (ex : peroxydase de raifort ) sont dégradées par
les lysosomes dés qu’elles pénètrent dans la cellules. Les
mécanismes exacts qui conduisent une protéine à sa destruction
ou à son transit sans modification ne sont pas encore bien
connus ( rôle des ubiquitines et heat shock protéin ). La non
dégradation de certaines protéines par le tube digestif et
leur passage dans l’organisme serait à l’origine de certaines
allergies digestives (maladie coeliaque par intolérance au
gluten, allergie aux protéines du lait de vache...)
E.
rôle des lysosomes dans l’infection
virale : Les virus se lient à la membrane plasmique sur
un récepteur et sont internalisés ; les vésicules membranaires
contenant les virus se lient aux lysosomes qui pèlent le virus
de ses enveloppes et libèrent l’acide nucléique viral dans la
cellule.
F.
rôle des lysosomes dans le remodelage
osseux : les ostéoclastes sont des cellules spécialisées
dans la destruction osseuse qui dérivent des macrophages; ces
cellules excrètent le contenu de leurs lysosomes dans l’espace
qui les sépare de l’os. Une action excessive des ostéoclastes
provoque une surdestruction osseuse avec risque de fractures
et d’hypercalcémie (hyperparathyroidie, myélome, métastases
osseuses des cancers). Les biphosphonates inhibent
efficacement l’activité ostéoclastique.
G.
La fonction des lysosomes peut être
perturbée par des bases faibles qui s’accumulent dans
la lumière lysosomale (chloroquine); ces bases élèvent le pH
et perturbent l’action des hydrolases ou le largage des
enzymes apportées par les vésicules à récepteurs mannose-6-P.
Quand une substance ne peut être dégradée par les lysosomes,
elle s’accumule sous la forme de grains denses de pigments (lipofucsine)
ou de phospholipides (figures myéliniques). Ces grains peuvent
être éliminer par exocytose (défécation cellulaire) ou
persiter jusqu’à la mort cellulaire (abondance des
lipofucsines dans les cellules sénescentes)
V.
Pathologie de la fonction lysosomale
A.
déficit du transfert des hydrolases du Golgi vers les lysosomes : les
hydrolases sont acheminées vers le lysosome grâce à un message
chimique constitué par le mannose-6-P. En fait le résidu
mannose-6-P n’est pas greffé de façon directe dans le Golgi
sur le polysaccharide des glycoprotéines; il y a d’abord
greffe d’un glucide activé ( UDP-N-acétylglucosamine) sur un
mannose grâce à une N-acetylglucosamine phosphotransférase ;
le résidu N-acetylglucosamine est élagué par une
phosphoglucosidase ce qui aboutit à la création du
mannose-6-P. Si un individu est déficient en
N-acetylglucosamine phosphotransférase , la formation du
mannose-6-P ne peut se réaliser ; le transfert des hydrolases
vers les lysosomes ne s’effectue pas; du matériel non dégradé
par les lysosomes s’accumule dans la cellule : maladie des
inclusions intracellulaires ; c’est une maladie récessive rare
qui ne s’exprime que chez les homozygotes.
B.
déficit enzymatique en hydrolases
lysosomales. Ces maladies sont appelées maladies de
surcharge ou thésaurismoses:
B.1. maladie de Tay - Sachs : déficit génétique en
ß-hexosaminidase qui dégrade le ganglioside GM2 ; ce
ganglioside est normalement produit dans la membrane plasmique
des cellules nerveuses et dégradé par les lysosomes: le
Ceramide-glucose-galactose-N-acetyl-Neuraminique(NANA) est
dégradé normalement par une ß-hexosaminidase. La maladie
lysosomale provoque une accumulation de ganglioside GM2
conduisant à la débilité et à la mort vers l’âge de 5 ans.
B.2. maladie de Hurler : déficit en alpha-iduronidase (enzyme qui dégrade un composant muccopolysaccharidique ou glycosaminoglycane de la substance fondamentale du tissu conjonctif); le polysaccharide non dégradé s’accumule dans les lysosomes du tissu conjonctif (fibroblastes) et provoque des malformations osseuses, un retard de croissance et une débilité.
B.3. il existe de nombreuses autres maladies liées à un
déficit en hydrolase lysosomale : déficit en glycosidase (
glycogénose cardiomusculaire de Pompe ) , déficit en
phospholipase ( maladie de Nieman-Pick ) , déficit en
cérébrosidase ( maladie de Gaucher ).
B.4. Dans la maladie de Chediak-Higashi,
le contenu enzymatique est normal mais il y a une modification
de la membrane lysosomale; les lysosomes fusionnent entre eux
pour former des lysosomes géants et irréguliers peu
fonctionnels qui provoquent un déficit immunitaire sévère et
la mort .
C.
Certaines substances ne peuvent pas
être dégradées par les lysosomes même chez les sujets
normaux
C.1. silice : silicose des mineurs ; la silice détruit la membrane des lysosomes et permet la fuite des enzymes qui provoque une réaction destructrice et inflammatoire des poumons.
C.2. acide urique: ici aussi réaction inflammatoire due à la lyse des lysosomes par les cristaux d’acide urique --> crise de goutte.
C.3. médicaments : amiodarone (accumulation pulmonaire)...
C.4. bacille de Koch du fait de sa résistance à l’acidité
lysosomale.
D.
La membrane lysosomale est détruite
par de nombreux facteurs : anoxie (syndrome d’écrasement
des membres, infarctus ), chaleur, médicaments, toxines
bactériennes: les streptocoques entraînent la lyse de la paroi
lysosomale. Les corticoïdes agissent en partie en stabilisant
la membrane lysosomale.
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