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Lysosomen, Endosomen und Peroxisomen bilden das Entsorgungs- und Logistiksystem der Zelle, wobei sie spezialisierte Kompartimente für den Abbau von Makromolekülen und die Entgiftung bereitstellen.
Nachdem der Golgi-Apparat Proteine sortiert hat, werden spezialisierte Vesikel abgeschnürt, die zu Lysosomen reifen. Diese fungieren als der 'Magen' der Zelle und enthalten etwa 40 verschiedene Arten von sauren Hydrolasen – Enzyme wie Proteasen (Abbau von Proteinen) oder Lipasen (Abbau von Lipiden), die nur in einem sauren Milieu optimal arbeiten.
Das saure Milieu innerhalb der Lysosomen (pH-Wert von ca. 4,5 bis 5,0) wird durch Protonenpumpen (V-Typ-ATPasen) in der Membran aufrechterhalten, die unter ATP-Verbrauch H⁺-Ionen ins Innere befördern. Dieser niedrige pH-Wert dient als Schutzmechanismus: Sollte ein Lysosom platzen, verlieren die Enzyme im neutralen Zytosol (pH ~7,2) ihre Aktivität und verdauen die Zelle nicht unkontrolliert von innen.
Bevor Stoffe in Lysosomen abgebaut werden, passieren sie oft die Endosomen. Man unterscheidet frühe Endosomen, die nahe der Zellmembran liegen und als Sortierstation für endozytiertes Material dienen, und späte Endosomen, die tiefer in der Zelle liegen. Durch Ansäuerung und Aufnahme von Enzymen reifen späte Endosomen schließlich zu funktionellen Lysosomen heran.
Ein weiterer wichtiger Abbauweg ist die Autophagie ('Selbstfressen'). Hierbei werden zelleigene, beschädigte Organellen oder Proteinkomplexe in eine Doppelmembran eingeschlossen (Autophagosom) und mit Lysosomen verschmolzen, um deren Bestandteile zu recyceln.
Im Gegensatz zu Lysosomen gehören Peroxisomen (auch Microbodies genannt) nicht zum klassischen Endomembransystem, da sie sich durch Teilung vermehren oder direkt aus dem ER abgeschnürt werden können. Ihre Hauptaufgabe ist die Entgiftung der Zelle, insbesondere durch den Abbau von Wasserstoffperoxid (H₂O₂).
Peroxisomen enthalten das Enzym Katalase, welches das zellgiftige H₂O₂, das bei verschiedenen Oxidationsreaktionen entsteht, in Wasser und Sauerstoff spaltet. Ohne diesen Schutz würden freie Radikale die Zellstrukturen massiv schädigen.
Zusätzlich spielen Peroxisomen eine zentrale Rolle im Fettstoffwechsel. Sie führen die β-Oxidation von sehr langkettigen Fettsäuren durch, um diese für die weitere Energiegewinnung in den Mitochondrien vorzubereiten. Auch die Synthese von Plasmalogenen (wichtige Lipide für die Myelinscheiden der Nerven) beginnt hier.
