Endosomen sind membrangebundene Vesikel, die über eine komplexe Familie von Prozessen gebildet werden, die gemeinsam als Endozytose bezeichnet werden und im Zytoplasma praktisch jeder tierischen Zelle vorkommen. Der grundlegende Mechanismus der Endozytose ist das Gegenteil dessen, was während der Exozytose oder der zellulären Sekretion auftritt. Es beinhaltet die Invagination (Faltung nach innen) der Plasmamembran einer Zelle, um Makromoleküle oder andere Materie zu umgeben, die durch die extrazelluläre Flüssigkeit diffundieren. Die eingekreisten Fremdstoffe werden dann in die Zelle gebracht und nach einem Abklemmen der Membran (Knospung genannt) in einem sackartigen Vesikel an das Zytoplasma abgegeben. Die Größe der Vesikel variiert, und solche mit einem Durchmesser von mehr als 100 Nanometern werden typischerweise als Vakuolen bezeichnet.

Drei primäre Mechanismen der Endozytose, die von einer typischen Zelle gezeigt werden, sind in Abbildung 1 dargestellt. Ganz links in der Abbildung ist die rezeptorvermittelte Endozytose dargestellt, die die spezifischste Form des endozytischen Prozesses darstellt. Durch rezeptorvermittelte Endozytose können aktive Zellen signifikante Mengen bestimmter Moleküle (Liganden) aufnehmen, die an Rezeptorstellen binden, die sich von der Zytoplasmamembran in die die Zelle umgebende extrazelluläre Flüssigkeit erstrecken. Diese Rezeptorstellen sind üblicherweise entlang beschichteter Gruben in der Membran gruppiert, die auf ihrer zytoplasmatischen Oberfläche mit einer borstenartigen Ansammlung von Hüllproteinen ausgekleidet sind. Es wird angenommen, dass die Hüllproteine eine Rolle bei der Vergrößerung der Grube und der Bildung eines Vesikels spielen. Wie in Abbildung 1 gezeigt, können Vesikel, die durch rezeptorvermittelte Endozytose erzeugt werden, zusätzlich zu Liganden andere Moleküle internalisieren, obwohl die Liganden normalerweise in höherer Konzentration in die Zelle gebracht werden.

Ein weniger spezifischer Mechanismus der Endozytose ist die Pinozytose, die im mittleren Abschnitt von Abbildung 1 dargestellt ist. Durch Pinozytose kann eine Zelle Flüssigkeitströpfchen aus der extrazellulären Flüssigkeit aufnehmen. Alle gelösten Stoffe, die sich in den Tröpfchen außerhalb der Zelle befinden, können in den durch diesen Prozess gebildeten Vesikeln eingeschlossen werden, wobei diejenigen, die in der größten Konzentration in der extrazellulären Flüssigkeit vorhanden sind, auch in den Membransäcken am stärksten konzentriert werden. Pinozytäre Vesikel neigen dazu, kleiner zu sein als Vesikel, die durch andere endozytäre Prozesse erzeugt werden.Die letzte Art der Endozytose, die als Phagozytose bezeichnet wird (siehe Abbildung 1), ist wahrscheinlich die bekannteste Art und Weise, wie eine Zelle Fremdmaterialien importieren kann. In vielen schulwissenschaftlichen Labors beobachten Kinder Amöben unter dem Mikroskop und beobachten, wie die einzelligen Organismen fressen, indem sie Pseudopodien ausstrecken und alle Nahrungspartikel umkreisen, die sie auf ihren Wegen finden. Dieses Verschlingen und anschließende Verpacken der Partikel in Vesikel, die normalerweise groß genug sind, um korrekt als Vakuolen bezeichnet zu werden, ist Phagozytose. Obwohl häufig mit Amöben assoziiert, wird Phagozytose von vielen Organismen praktiziert. Bei den meisten vielzelligen Tieren fungieren Phagozytenzellen hauptsächlich als Körperabwehr und nicht als Mittel zur Nahrungsgewinnung. Zum Beispiel phagozytieren Leukozyten im menschlichen Körper häufig Protozoen, Bakterien, abgestorbene Zellen und ähnliche Materialien, um Infektionen oder andere Probleme abzuwehren.

Nach der Freisetzung in das Zytoplasma können sich mehrere kleine Vesikel, die durch Endozytose erzeugt werden, zu einer einzigen Einheit zusammenschließen. Dieses Endosom funktioniert im Allgemeinen auf zwei Arten. Am häufigsten transportieren Endosomen ihren Inhalt in einer Reihe von Schritten zu einem Lysosom, das anschließend die Materialien verdaut. In anderen Fällen werden Endosomen jedoch von der Zelle verwendet, um verschiedene Substanzen zwischen verschiedenen Teilen der äußeren Zellmembran zu transportieren. Diese letztere Funktion ist besonders wichtig bei Epithelzellen, wie sie die äußere Hautschicht bilden, weil sie Polarität aufweisen (eine Seite der Zelle unterscheidet sich von der anderen Seite). In Abbildung 2 ist ein Fluoreszenz-Digitalbild einer einzelnen afrikanischen grünen Affennierenfibroblastenzelle (CV-1-Linie) dargestellt, die mit einem fluoreszierenden Protein transfiziert wurde, das an eine Targeting-Aminosäuresequenz für Endosomen (grün) fusioniert ist. Der Kern, die Plasmamembran und die Endosomenkomponenten sind in der Abbildung markiert.

Ein Endosom, das dazu bestimmt ist, seinen Inhalt auf ein Lysosom zu übertragen, durchläuft im Allgemeinen mehrere Änderungen auf seinem Weg. In seiner ursprünglichen Form, wenn die Struktur oft als frühes Endosom bezeichnet wird, enthält das spezialisierte Vesikel ein einzelnes Kompartiment. Im Laufe der Zeit finden jedoch chemische Veränderungen im Vesikel statt und die das Endosom umgebende Membran faltet sich ähnlich wie die Invagination der Plasmamembran in sich zusammen. In diesem Fall wird die Membran jedoch nicht abgeklemmt. Folglich wird eine Struktur mit mehreren Kompartimenten gebildet, die als multivesikuläres Endosom bezeichnet wird. Das multivesikuläre Endosom ist eine Zwischenstruktur, in der weitere chemische Veränderungen, einschließlich eines signifikanten Abfalls des pH-Werts, stattfinden, wenn sich das Vesikel zu einem späten Endosom entwickelt.Obwohl späte Endosomen in der Lage sind, viele Proteine und Fette abzubauen, wird ein Lysosom benötigt, um alle darin enthaltenen Materialien vollständig zu verdauen. Häufig wird der Inhalt von späten Endosomen durch Fusion (Zusammenfügen) ihrer Membranen zu einem Lysosom transportiert. Unter bestimmten Umständen können späte Endosomen durch zusätzliche chemische und strukturelle Modifikationen weiter zu Lysosomen heranreifen, wobei in diesem Fall keine Fusion erforderlich ist, um die Verdauung abzuschließen.