细胞生物学/溶酶体

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细胞的内膜系统与囊泡转运 - 内质网 - 高尔基复合体 - 溶酶体 - 过氧化物酶体 - 囊泡与囊泡转运 - 细胞内膜系统与医学的关系
溶酶体(lysosome)是内膜系统的另一种重要结构组分。有关溶酶体可能存在的最早证据资料,是1949年C.de Duve在对大鼠肝组织匀浆细胞组分进行差速离心分离分析研究时意外地获得的。他们在寻找与糖代谢有关的酶时发现,作为对照的酸性磷酸酶活性主要集中在线粒体分离层。引起研究者注意的另一个实验现象是:酸性磷酸酶活性在蒸熘水提取物中高于蔗糖渗透平衡液抽提物;在放置一段时间的抽提物中高于新鲜制品,而且酶的活性与沉淀的线粒体物质无关。由此他们推断:在线粒体分离层组分中可能存在另一种细胞器。这一推断,在1955年由de Duve和A. Novikoff等对鼠肝细胞的电镜观察中得以证实。并因其内含多种水解酶而被命名为溶酶体。

溶酶体的形态结构和化学组成[编辑]

溶酶体是一种具有高度异质性的膜性结构细胞器[编辑]

溶酶体普遍地存在于各类组织细胞之中。电镜下可见系由一层单位膜包裹而成。膜厚约6nm,通常呈球形。其大小差异显著,一般直径为0.2~0.8μm,最小者直径仅0.O5μm, 而最大者直径可达数微米。典型的动物细胞中约含有几百个溶酶体,但是,在不同细胞中溶酶体的数偏差异是巨大的。
一般而言,在溶酶体中可含有60多种能够分解机体中几乎所有生物活性物质的酸性水解酶,这些酶作用的最适pH通常在3.5~5.5。但是,在每一个溶酶体中所含有的酶的种类却是有限的;不同溶酶体中所含有的水解酶亦并非完全相同。也因此而使它们表现出不同的生化或生理性质。总而言之,溶酶体在其形态大小、数量分布、生理生化性质等各方面都表现出了高度的异质性(heterogenous)。

溶酶体的共同特征是含有酸性水解酶[编辑]

尽管溶酶体是一种具有高度异质性的细胞器,但是却也具有许多重要的共性特征:

  1. 所有的溶酶体都是由一层单位膜包裹而成的裂球状结构小体;
  2. 均含有丰富的酸性水解酶,包括蛋白酶、核酸酶、脂酶、糖苷酶、磷酸酶和溶菌酶等多种酶类。其中,酸性磷酸酶是溶酶体的标志酶;
  3. 溶酶体膜中富含两种商度糖基化的穿膜整合蛋白lgpA和lgpB。它们分布在溶酶体膜腔面,可能有利于防止溶酶体所含的酸性水解酶对其自身膜结构的消化分解;
  4. 溶酶体膜上嵌有质子泵,可依赖水解ATP释放出的能量将H+逆浓度梯度地泵入溶酶体中,以形成和维持溶酶体囊腔中酸性的内环境。

溶酶体膜糖蛋白家族具有高度同源性[编辑]

在多种脊椎动物中已鉴定出了一个溶酶体膜糖蛋白家族——溶酶体结合膜蛋白(lysosomal-associated membrane protein, LAMP)或溶酶体整合膜蛋白(lysosomal integral membrane protein, LIMP)。该类蛋白的肽链组成结构包括:一个较短的N-端信号肽序列、一个高度糖基化的腔内区、一个单次跨膜区和一个由10个左右的氨基酸残基组成的C-端胞质尾区。相关的蛋白质克隆实验表明:在不同物种的同类蛋白质及同一物种的不同蛋白质之间,特别是在其功能结构区,具有高度的氨基酸序列组成同源性。
在典型的溶酶体膜糖蛋白结构的糖基化蛋白核心上,连接于蛋白质多肽链中天冬酰胺的寡糖成分可占到糖蛋白重量的50%; 在群糖链的末端均含有唾液酸。这种高度的糖基化使得蛋白质的等电点极低而呈酸性。
溶酶体整合膜蛋白高度保守的C-端胞质尾区区段可能是该类蛋白质从高尔基复合体向溶酶体运输的通用识别信号。因为,如果改变或破坏C-端的结构组成,就会阻止它们向溶酶体的定向转运。这也提示:N-糖基化并非是这些蛋白质必需的转运信号。

溶酶体的形成与成熟过程[编辑]

溶酶体的形成是一个由内质网和高尔基复合体共同参与,集胞内物质合成加工、包装、运输及结构转化为一体的复杂而有序的过程。就目前的普遍认识,以溶酶体酶蛋白在附着型多聚核糖体上的合成为起始,溶酶体的形成主耍经历以下儿个大的阶段:
1、酶蛋白的N-糖基化与内质网转运 合成的酶蛋白前休进入内质网网腔,经过加工、修饰,形成N-连接的甘露糖糖蛋白;再被内质网以出芽的形式包裹形成膜性小泡,转送运输到高尔基复合体的形成面。
2、酶蛋白在高尔基复合体内的加工与转移 在高尔基复合体形成面囊腔内磷酸转移酶与N-乙酰葡萄糖胺磷酸糖苷酶的催化下,寡糖链上的甘露糖残基磷酸化形成甘露糖-6-磷酸(mannose-6-phosphate, M-6-P) , 此乃溶酶体水解酶分选的重 要识别信号。
3、酶蛋白的分选与转运 当带有M-6-P标记的溶酶体水解酶前体到达高尔基复合体成熟面时,被高尔基复合体网膜囊腔面的受体蛋白所识别、结合,随即触发高尔基复合体局部出芽和网膜外胞质面网格蛋白的组装,并最终以表面覆有网格蛋白的有被小泡(coated vesicle)形式与高尔基复合体囊膜断离。
以M-6-P为标志的溶酶体酶分选机制是目前了解比较清楚的一条途径,但并非溶 酶体酶分选的唯一途径。有实验提示,在某些细胞中可能还存在着非M-6-P依赖的其他分选机制。
4、内体性溶酶体的形成与成熟 断离后的有被小泡,很快脱去网格蛋白外被形成表面光滑的无被运输小泡,它们与细胞质内的晚期内体(也称晚期内吞体)融合,形成内体性溶酶体。
内体(endosome), 是由细胞的胞吞作用形成的一类异质性脱衣被膜泡,依其发生阶段而分为早期内体(early endosome)和晚期内体。所谓早期内体是指经由胞吞作用入胞后最初的脱衣被膜泡,其囊腔中含有胞吞物质,是一个pH和细胞外液大致相当的碱性内环境。
晚期内体是相对于早期内体而言。当早期内体通过分拣、分离出带有质膜受体的 再循环内体(recycling endosome)后,即完成了从早期内体向晚期内体的转化,而再循环内体则返回并重新融入到质膜中。
由早期内体分化形成的晚期内体相对靠近于细胞核一侧,它们和来源于高尔基复合体的那些含有酸性水解酶的运输小泡融合之后,在其战膜上质子泵的作用下,将胞质中的H+泵入,使其腔内pH从7.4左右下降到6.0以下。在改变了的酸性内环境条件下,溶酶体酶前体从与之结合的M-6-P膜受体上解离,并通过去磷酸化而成熟;同时,膜M-6-P受体则出芽形成运输小泡,重新回到高尔基复合体成熟面的网膜上。经历这些系列变化之后,最终形成内体性溶酶体。

溶酶体的类型[编辑]

关于溶酶体类型的划分,目前存在两种不同的分类体系,分别介绍如下:

溶酶体以其功能状态的不同可区分为三种基本类型[编辑]

根据溶酶体的不同发育阶段和生理功能状态,一般将之划分为初级溶酶体、次级溶酶体和三级溶酶体三种基本类型。
1、初级溶酶体 初级溶酶体(primary lysosome)是指通过其形成途径刚刚产生的溶酶体。所以,也有原溶酶体(proto-lysosome)、前溶酶体(prelysosome)之称。
初级溶酶体膜厚约6nm,在形态上一般为不含有明显颗粒物质的透明圆球状。但是,在不同的细胞类型或者在同一细胞类型的不同发育时期,可呈现为电子致密度较高的颗粒小体或带有棘突的小泡。初级溶酶体囊腔中的酶通常处于非活性状态,因此也有入称之为无活性溶酶体(inactive lysosome)。
2、次级溶酶体 当初级溶酶体经过成熟,接受来自细胞内、外的物质,并与之发生相互作用时,即成为次级溶酶体(secondary lysosome)。因此,所谓的次级溶酶体,实质上是溶酶体的一种功能作用状态,故又被称作消化泡(digestive vacuole)。
次级溶酶体体积较大,外型多不规则,袭腔中含有正在被消化分解的物质颗粒或残损的膜碎片。依据次级溶酶体中所含作用底物之性质和来源的不同,又把次级溶酶体分为不同的类型,给予不同的称谓:
(l)自噬溶酶体(autophagolysosome):又称自体吞噬泡(autophagic vacuole) , 是由初级溶酶体融合自噬体(autophagosome)后形成的一类次级溶酶体,其作用底物主要是细胞内衰老蜕变或残损破碎的细胞器(如损害的内质网、线粒体等)或糖原颗粒等其他胞内物质。
(2)异噬溶酶体(heterophagic lysosome):又称异体吞噬泡(heterophagic vacuole), 是由初级溶酶体与细胞通过胞吞作用所形成的异噬体(heterophagolysosome, 包括吞噬体与吞饮体小泡)相互融合而成的次级溶酶体,其作用底物源于外来异物。
(3)吞噬溶酶体(phagolysosome): 是由吞噬细胞吞入胞外病原体或其他外来较大的颗粒性异物所形成的吞噬体与初级溶酶体融合而成的次级溶酶体。由于吞噬溶酶体与异噬溶酶体的作用底物均为细胞外来物,因此,二者之间并无本质上的区别。
3、三级溶酶体 三级溶酶体(tertiary lysosome)又称后溶酶体(post-lysosome)或终末溶酶体(telolysosome), 是指次级溶酶体在完成对绝大部分作用底物的消化、分解作用之后,尚会有一些不能被消化、分解的物质残留于其中,随着酶活性的逐渐降低以至最终消失,进入了溶酶体生理功能作用的终末状态。此时又被易名为残余体(residual body)。这些残余体,有些可通过细胞的排遗作用,以胞吐的方式被清除、释放到细胞外去;有些则可能会沉积于细胞内而不被外排。例如,常见于脊椎动物和人类神经细胞、肝细胞、心肌细胞内的脂褐质(lipofuscin);见于肿瘤细胞、某些病毒感染细胞、大肺泡细胞和单核吞噬细胞中的髓样结构(myelin figure)及含铁小体(siderosome)。它们会随个体年龄的增长而在细胞中累积。
不同的残余体,不仅形态差异明显,而且也有不同的内含残留物质。脂褐质是由单位膜包裹的非规则形态小体,内含脂滴和电子密度不等的深色调物质。含铁小体内部充满电子密度较高的含铁颗粒,颗粒直径约为50~60nm。当机体摄入大量铁质时,在肝、肾等器官组织的巨噬细胞中常会出现许多含铁小体。髓样结构之大小差异在0.3~3μm 之间。其最显著的特征是内含板层状、指纹状或同心层状排列的膜性物质。
溶酶体的类型是相对于溶酶体的功能状态而人为划分的;不同的溶酶体类型,只是同一种功能结构不同功能状态的转换形式。

溶酶体以其形成过程的不同可区分为两大类型[编辑]

近年来,基于对溶酶体形成过程的认识,又有人提出了新的溶酶体分类体系。根据这一分类体系,溶酶体被划分为内体性溶酶体(endolysosome, 也称内溶酶体)和吞噬性溶酶体两大类型。前者,被认为是由高尔基复合体芽生的运输小泡并入经由细胞胞吞(饮)作用形成的内体晚期阶段即晚期内体(late endosome)所形成;后者则是由内体性溶酶体和自噬体或异噬体相互融合而成。

溶酶体的功能[编辑]

溶酶体内含60多种酸性水解酶,具有对几乎所有生物分子的强大消化分解能力。溶酶体的一切细胞生物学功能,无不建立在这种对物质的消化和分解作用基础之上。

溶酶体能够分解胞内的外来物质及清除衰老、残损的细胞器[编辑]

溶酶体能够通过形成异噬性溶酶体和自噬性溶酶体的不同途径,及时地对经胞吞(饮)作用摄入的外来物质或细胞内衰老、残损的细胞器进行消化,使之分解成为可被细胞重新利用的小分子物质,并透过溶酶体膜释放到细胞质基质,参与细胞的物质代谢。这不仅使可能影响细胞正常生命活动的外来异物和丧失了功能的衰老、残损的细胞器得以清除,有效地保证了细胞内环境的相对稳定,也有利于细胞器的更新替代。

溶酶体具有物质消化与细胞营养功能[编辑]

溶酶体作为细胞内具有消化功能的细胞器,在细胞饥饿状态下,可通过分解细胞内的一些对于细胞生存并非必需的生物大分子物质,为细胞的生命活动提供营养和能噩,维持细胞的基本生存。事实上,在原生动物,其从外界摄入的各种营养物质,就是完全依赖溶酶体的分解消化作用才被细胞有机体吸收利用的。

溶酶体是机体防御保护功能的组成部分[编辑]

细胞防御是机体免疫防御系统的重要组成部分,而溶酶体强大的物质消化和分解能力则是细胞实现其免疫防御功能的基本保证和基本机制。通常,在巨噬细胞中均具有发达的溶酶体,被吞噬的细菌或病毒颗粒,最终都是在溶酶体的作用下而得以杀灭,并被分解消化的。

溶酶体参与某些腺体组织细胞分泌过程的调节[编辑]

溶酶体常常在某些腺体组织细胞的分泌活动过程中发挥着重要的作用。例如,储存于甲状腺腺体内腔中的甲状腺球蛋白,首先要通过吞噬作用进入分泌细胞内,在溶酶体中水解成甲状腺素,然后才被分泌到细胞外。

溶酶体在生物个体发生与发育过程中起重要作用[编辑]

溶酶体的重要功能不仅体现在细胞生命活动之始终,而且也体现于整个生物个体的发生和发育过程。
对于有性生殖生物而言,如果说受精卯是生命个体发育的开始,那么生殖配子的形成就是个体发生的前提。在动物精子中,溶酶体特化为其头部最前端的顶体(acrosome) , 当精子与卵子相遇、识别、接触时,稍子释放顶体中的水解酶,溶解、消化围绕卵细胞的滤泡细胞及卵细胞外被,从而为精核的入 卵受精打开一条通道。
在无尾两栖类动物个体的变态发育过程中,其幼体尾巴的退化、吸收;脊椎动物生长发育过程中骨组织的发生及骨质的更新;哺乳动物子宫内膜的周期性萎缩、断乳后乳腺的退行性变化、衰老红细胞的清除以及某些特定的细胞编程性死亡等,都离不开溶酶体的作用。