細(xì)胞生物學(xué)溶酶體

9.4溶酶體(lysosome)溶酶體是動(dòng)物細(xì)胞中一種膜結(jié)合細(xì)胞器,含有多種水解酶類,在細(xì)胞內(nèi)起消化和保護(hù)作用,可與吞噬泡或胞飲泡結(jié)合,消化和利用其中的物質(zhì)。也可以消化自身細(xì)胞破損的細(xì)胞器或殘片,有利于細(xì)胞器的重新組裝、成分的更新及廢物的消除。9.4.1溶酶體的形態(tài)結(jié)構(gòu)■溶酶體的形態(tài)溶酶體是一種異質(zhì)性(heterogeneous)的細(xì)胞器,不同來(lái)源的溶酶體形態(tài)、大小,甚至所含有酶的種類都有很大的不同。溶酶體呈小球狀,大小變化很大，直徑一般0.25～0.8μm，最大的可超過(guò)1μm,最小的直徑只有25～50nm。圖9-36是肝組織的Kupper細(xì)胞(肝星形細(xì)胞)中不同大小的溶酶體,該細(xì)胞主要是吞噬衰老的紅細(xì)胞。圖9-36溶酶體的形態(tài)大小具吞噬作用的肝Kupper細(xì)胞中不同大小的溶酶體,圖中示出至少10個(gè)不同大小的溶酶體?！鋈苊阁w膜的穩(wěn)定性溶酶體的外被是一層單位膜,內(nèi)部沒(méi)有任何特殊的結(jié)構(gòu)。由于溶酶體中含有各種不同的水解酶類,所以溶酶體在生活細(xì)胞中必須是高度穩(wěn)定的。溶酶體的穩(wěn)定性與其膜的結(jié)構(gòu)組成有關(guān)：●溶酶體膜中嵌有質(zhì)子運(yùn)輸泵(H+-ATPase),將H+泵入溶酶體內(nèi),使溶酶體中的H+濃度比細(xì)胞質(zhì)中高；同時(shí),在溶酶體膜上有Cl-離子通道蛋白，可向溶酶體中運(yùn)輸Cl-離子,兩種運(yùn)輸?shù)鞍鬃饔玫慕Y(jié)果，就等于向溶酶體中運(yùn)輸了HCl,以此維持溶酶體內(nèi)部的酸性環(huán)境(pH約為4.6～4.8)。●溶酶體膜含有各種不同酸性的、高度糖基化膜整合蛋白,這些膜整合蛋白的功能可能是保護(hù)溶酶體的膜免遭溶酶體內(nèi)酶的攻擊,有利于防止自身膜蛋白的降解?！袢苊阁w膜含有較高的膽固醇,促進(jìn)了膜結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定。9.4.2溶酶體的發(fā)現(xiàn)與溶酶體的酶類溶酶體內(nèi)含有50多種酶類,這些酶的最適pH值是5.0,故均為酸性水解酶(acidhydrolases)。圖9-37是典型的溶酶體的大小、所含主要酶類及膜中的V-型質(zhì)子泵等。酸性磷酸酶是溶酶體的標(biāo)志酶，正是對(duì)這種酶的細(xì)胞定位研究導(dǎo)致溶酶體的發(fā)現(xiàn)。圖9-37溶酶體的形態(tài)、大小、及所含主要酶類示意圖■酸性磷酸酶的定位研究與溶酶體的發(fā)現(xiàn)在二十世紀(jì)的五十年代初期，ChristiandeDuve和他的同事在研究亞細(xì)胞組分時(shí)發(fā)現(xiàn)了溶酶體，不過(guò)，溶酶體的發(fā)現(xiàn)帶有很大的偶然性。你了解溶酶體的發(fā)現(xiàn)過(guò)程嗎?■溶酶體的酶溶酶體的酶都有一個(gè)共同的特點(diǎn)∶都是水解酶類，在酸性pH條件下具有最高的活性。溶酶體的酶包括∶蛋白酶、核酸酶、脂酶、糖苷酶等，主要類型的酶列于表9-8。表9-8溶酶體的主要酶類酶天然底物酶天然底物磷酸酶類酸性磷酸酶磷酸單脂酸性磷酸二脂酶磷酸二脂酸性焦磷酸酶ATP，F(xiàn)AD磷脂酸磷酸酶磷脂酸磷酸蛋白磷酸酶磷酸蛋白

硫酸酯酶芳基硫酸酯酶芳基硫酸酯

蛋白酶和肽酶組織蛋白酶蛋白質(zhì)膠原酶膠原肽酶肽

核酸酶核糖核酸酶RNA脫氧核糖核酸酶DNA脂酶磷酸脂酶磷脂酯酶脂肪酸酯β-葡萄糖腦苷脂酶葡萄糖腦苷脂

糖苷酶α葡萄糖苷酶糖原β葡萄糖苷酶糖蛋白β-半乳糖苷酶糖脂、糖蛋白溶菌酶細(xì)菌的細(xì)胞壁■植物溶酶體●圓球體(spherosome)是植物細(xì)胞中由一層單位膜包裹的含有細(xì)微結(jié)構(gòu)的球形顆粒，直徑為0.5～1μm，內(nèi)含酸性水解酶，相當(dāng)于動(dòng)物細(xì)胞的溶酶體。●植物細(xì)胞的液泡(vacuoles)植物細(xì)胞的液泡幾乎占據(jù)了細(xì)胞總體積的90%,它含有多種水解酶類,并具有與動(dòng)物細(xì)胞的溶酶體酶的類似的功能。液泡膜上具有H+-ATPase,能夠?qū)+運(yùn)輸?shù)揭号葜?同時(shí)在液泡膜上還有一些運(yùn)輸?shù)鞍?幫助液泡行使一些特殊的功能(圖9-38)。圖9-38植物液泡膜的運(yùn)輸系統(tǒng)及液泡內(nèi)離子和蔗糖濃度梯度的建立液泡膜含有兩種類型的質(zhì)子泵:V-型H+-ATPase和單向焦磷酸水解質(zhì)子泵。這兩種泵可以維持液泡中低pH,并建立正電動(dòng)勢(shì),促使Cl-和NO3-從離子通道蛋白進(jìn)入液泡。通過(guò)H+質(zhì)子梯度的力,促使Na+、Ca2+和蔗糖從胞質(zhì)溶膠運(yùn)入液泡。9.4.3溶酶體的類型由于溶酶體在形態(tài)上的多樣性和異質(zhì)性，曾發(fā)現(xiàn)各種不同類型的溶酶體。根據(jù)溶酶體處于完成其生理功能的不同階段,大致分為以下幾種：■初級(jí)溶酶體(primarylysosome)此類溶酶體是剛剛從反面高爾基體形成的小囊泡,僅含有水解酶類，但無(wú)作用底物，外面只有一層單位膜，其中的酶處于非活性狀態(tài)。■次級(jí)溶酶體(secondarylysosome)此類溶酶體中含有水解酶和相應(yīng)的底物，是一種將要或正在進(jìn)行消化作用的溶酶體。根據(jù)所消化的物質(zhì)來(lái)源不同,分為自噬性溶酶體、異噬性溶酶體?！褡允尚匀苊阁w(autolysosome)是一種自體吞噬泡,作用底物是內(nèi)源性的,即細(xì)胞內(nèi)的蛻變、破損的某些細(xì)胞器或局部細(xì)胞質(zhì)。這種溶酶體廣泛存在于正常的細(xì)胞內(nèi)，在細(xì)胞內(nèi)起“清道夫”作用。●異噬性溶酶體(heterolysosome)又稱異體吞噬泡,它的作用底物是外源性的,即細(xì)胞經(jīng)吞噬、胞飲作用所攝入的胞外物質(zhì)。異噬性溶酶體實(shí)際上是初級(jí)溶酶體同內(nèi)吞泡融合后形成的。9.4.4溶酶體的功能溶酶體的主要功能是消化作用(圖9-39)。其消化底物的來(lái)源有三種途徑:①自體吞噬(autophagy),吞噬的是細(xì)胞內(nèi)原有的物質(zhì);②通過(guò)吞噬形成的吞噬體(phagosome)提供的有害物質(zhì);③通過(guò)內(nèi)吞作用(endocytosis)提供的營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)。由于吞噬作用和內(nèi)吞作用提供的被消化的物質(zhì)都是來(lái)自細(xì)胞外,又將這兩種來(lái)源的物質(zhì)消化作用統(tǒng)稱為異體吞噬(heterophagy)。圖9-39溶酶體的類型及在細(xì)胞消化過(guò)程中的作用圖中簡(jiǎn)示了溶酶體的四種消化作用:A.吞噬作用;B自噬作用;C.自溶作用;D.細(xì)胞外消化作用?！鐾淌勺饔?phagocytosis)●吞噬作用外來(lái)的有害物質(zhì)被吞入細(xì)胞后,即形成由膜包裹的吞噬小體(phagosome),初級(jí)溶酶體很快同吞噬體融合形成次級(jí)溶酶體,此時(shí)溶酶體中的底物是從細(xì)胞外攝取的,故為異噬性的溶酶體,在異噬性的溶酶體中吞噬物被酶水解(圖9-40)。圖9-40吞噬作用吞噬作用的第一階段是細(xì)胞質(zhì)膜上的受體與細(xì)菌結(jié)合,然后將被感染的細(xì)菌包裹起來(lái)形成吞噬體，接著是溶酶體與吞噬體融合,通過(guò)溶酶體酶的作用將被吞噬的細(xì)菌降解?！裢淌杉?xì)胞多細(xì)胞的動(dòng)物具有專門的吞噬細(xì)胞，即巨噬細(xì)胞(macrophages)和中性粒細(xì)胞(neutrophils)擔(dān)任機(jī)體中的保護(hù)防御任務(wù)。吞噬作用也是細(xì)胞獲取營(yíng)養(yǎng)的一種方式,細(xì)胞通過(guò)內(nèi)吞作用將一些營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)包進(jìn)內(nèi)吞體,最后與溶酶體融合,在溶酶體酶的作用下,將吞進(jìn)的營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)消化形成可直接利用的小分子用于合成代謝。吞噬作用也包括對(duì)衰老的、進(jìn)入編程死亡的細(xì)胞的吞噬?！鲎允勺饔?autophagy)●自噬作用自噬作用主要是清除降解細(xì)胞內(nèi)受損傷的細(xì)胞結(jié)構(gòu)、衰老的細(xì)胞器、以及不再需要的生物大分子等(圖9-41)。圖9-41自噬作用電鏡照片所示是衰老的線粒體和過(guò)氧化物酶體被包裹在一個(gè)雙層膜結(jié)構(gòu)中,該膜來(lái)自于內(nèi)質(zhì)網(wǎng)。被ER膜包裹而成的自噬體將會(huì)與溶酶體融合,進(jìn)而被溶酶體酶降解?！褡允勺饔玫囊饬x自噬作用對(duì)細(xì)胞的生命活動(dòng)有什么意義?●吞噬過(guò)程被吞噬的細(xì)胞器和生物大分子先要被內(nèi)質(zhì)網(wǎng)的膜包裹起來(lái)形成自噬泡(autophagicvacuole,圖9-42),然后與初級(jí)溶酶體融合形成次級(jí)溶酶體,即自噬性的溶酶體,融合后的底物被溶酶體酶消化。圖9-42自體吞噬泡形成的機(jī)制內(nèi)質(zhì)網(wǎng)形成一個(gè)雙膜的杯形結(jié)構(gòu)(a,b),衰老的細(xì)胞器(線粒體)從杯口進(jìn)入(c),然后封口(d),形成雙膜的小泡。小泡與成熟的溶酶體融合(e),或與來(lái)自溶酶體分泌小泡融合(f),溶酶體的酶降解融合泡中的底物(g)?！鲎匀茏饔?autolysis)自溶作用是細(xì)胞的自我毀滅(cellularself-destruction),即溶酶體將酶釋放出來(lái)將自身細(xì)胞降解。在正常情況下,溶酶體的膜是十分穩(wěn)定的,不會(huì)對(duì)細(xì)胞自身造成傷害。如果細(xì)胞受到嚴(yán)重?fù)p傷,造成溶酶體破裂,那么細(xì)胞就會(huì)在溶酶體酶的作用下被降解,如某些紅細(xì)胞常會(huì)有這種情況發(fā)生。在多細(xì)胞生物的發(fā)育過(guò)程中，自溶對(duì)于形態(tài)建成具有重要作用?！黾?xì)胞外的消化作用(extracellulardigestion)溶酶體除了在細(xì)胞內(nèi)具有消化作用外，也可以將水解酶釋放到細(xì)胞外消化細(xì)胞外物質(zhì)。如精子頭部的頂端質(zhì)膜下方有一膜包裹的囊狀結(jié)構(gòu),稱為頂體(acrosome),是一種特殊的溶酶體,在受精過(guò)程中,通過(guò)頂體反應(yīng),將頂體中的溶酶體的酶釋放到細(xì)胞外(圖9-43),消化卵外膜濾泡細(xì)胞,使精子抵達(dá)卵子質(zhì)膜,卵子和精子的細(xì)胞質(zhì)膜相互融合,達(dá)到受精的目的。圖9-43頂體反應(yīng)(a)海膽精子前端的頂體,正好位于細(xì)胞核的前面;(b)當(dāng)精子的質(zhì)膜與卵細(xì)胞周圍物質(zhì)接觸時(shí),精子釋放出頂體中溶酶體的酶,消化卵細(xì)胞外的物質(zhì),使精子得以與卵細(xì)胞接觸。9.4.5溶酶體的生物發(fā)生溶酶體的形成是一個(gè)相當(dāng)復(fù)雜的過(guò)程,涉及的細(xì)胞器有內(nèi)質(zhì)網(wǎng)、高爾基體和內(nèi)體等。比較清楚的是甘露糖-6-磷酸途徑(mannose6-phosphatesortingpathway)：溶酶體的酶類在內(nèi)質(zhì)網(wǎng)上起始合成,跨膜進(jìn)入內(nèi)質(zhì)網(wǎng)的腔,在順面高爾基體帶上甘露糖6-磷酸標(biāo)記后在高爾基體反面網(wǎng)絡(luò)形成溶酶體分泌小泡,最后還要通過(guò)脫磷酸才成為成熟的溶酶體(圖9-44)。圖9-44溶酶體的酶尋靶過(guò)程、涉及的細(xì)胞器及機(jī)理大多數(shù)溶酶體的酶在寡糖鏈上含有甘露糖,在順面高爾基網(wǎng)絡(luò)轉(zhuǎn)變成甘露糖-6-磷酸。新形成的溶酶體的酶通過(guò)高爾基復(fù)合體,在高爾基體反面網(wǎng)絡(luò)與膜受體結(jié)合后被包進(jìn)溶酶體分泌小泡,通過(guò)出芽形成自由的分泌泡。通過(guò)H+-質(zhì)子泵調(diào)節(jié)溶酶體分泌小泡中的pH,使溶酶體的酶同受體脫離,受體再循環(huán),溶酶體酶脫磷酸后成為成熟的初級(jí)溶酶體?！鋈苊阁w酶蛋白的M6P標(biāo)記研究發(fā)現(xiàn)，溶酶體的酶上都有一個(gè)特殊的標(biāo)記∶6-磷酸甘露糖(mannose6-phosphate,M6P)。這一標(biāo)記是溶酶體酶合成后在粗面內(nèi)質(zhì)網(wǎng)和高爾基體通過(guò)糖基化和磷酸化添加上去的?！裉腔苊阁w酶蛋白在膜旁核糖體上合成，進(jìn)入內(nèi)質(zhì)網(wǎng)后進(jìn)行N-連接糖基化,經(jīng)加工后形成帶有8個(gè)甘露糖殘基和2個(gè)N-乙酰葡萄糖胺殘基的糖蛋白轉(zhuǎn)運(yùn)到高爾基體?！裥盘?hào)斑(signalpatch)信號(hào)斑是溶酶體酶蛋白多肽形成的一個(gè)特殊的三維結(jié)構(gòu),它是由三段信號(hào)序列構(gòu)成的,可被磷酸轉(zhuǎn)移酶特異性識(shí)別(圖9-45)。圖9-45信號(hào)斑溶酶體蛋白的多肽上有三段信號(hào)序列,通過(guò)折疊,三個(gè)信號(hào)序列相互靠近形成信號(hào)斑結(jié)構(gòu)。●甘露糖磷酸化的酶將磷酸基團(tuán)添加到溶酶體酶的甘露糖的第六位碳上的反應(yīng)是由兩種酶催化的，一種酶是N-乙酰葡萄糖胺磷酸轉(zhuǎn)移酶(N-acetyglucosaminephosphotransferase)，另一個(gè)酶是N-乙酰葡萄糖苷酶,功能是釋放N-乙酰葡萄糖胺(46)。圖9-46溶酶體酶蛋白信號(hào)斑與磷酸化酶相互作用順面高爾基體中的N-乙酰葡萄糖胺磷酸轉(zhuǎn)移酶有兩個(gè)功能位點(diǎn),一個(gè)識(shí)別位點(diǎn)能夠識(shí)別信號(hào)斑并與之結(jié)合；催化位點(diǎn)與高甘露糖N-連接的寡聚糖以及UDP-GlcNAc結(jié)合。●磷酸化反應(yīng)反應(yīng)中磷酸基的供體是UDPN-乙酰葡萄糖胺(N-acetyglucosamine，GlcNAc),甘露糖殘基磷酸化的位點(diǎn)是第六位碳原子(圖9-47)。每個(gè)溶酶體酶蛋白至少有一個(gè)甘露糖殘基被磷酸化。溶酶體酶蛋白M6P標(biāo)記是怎樣形成的?圖9-47溶酶體酶蛋白甘露糖殘基磷酸化的生化反應(yīng)■溶酶體酶的M6P分選途徑這一途徑的兩個(gè)關(guān)鍵是:M6P標(biāo)記和M6P受體蛋白?！馦6P受體蛋白(M6Preceptorprotein)M6P受體蛋白是反面高爾基網(wǎng)絡(luò)上的膜整合蛋白,能夠識(shí)別溶酶體水解酶上的M6P信號(hào)并與之結(jié)合,從而將溶酶體的酶蛋白分選出來(lái)。M6P受體蛋白主要存在于高爾基體的反面網(wǎng)絡(luò)，但在一些動(dòng)物細(xì)胞的質(zhì)膜中發(fā)現(xiàn)有很多M6P受體蛋白的存在,這是細(xì)胞的一種保護(hù)機(jī)制,可防止溶酶體的酶不正確地分泌到細(xì)胞外。●分選過(guò)程圖9-48綜合了溶酶體酶的甘露糖6-磷酸分選途徑和溶酶體形成的主要過(guò)程。溶酶體酶前體從粗面內(nèi)質(zhì)網(wǎng)轉(zhuǎn)移到順面高爾基體,并進(jìn)行甘露糖殘基的磷酸化。在反面高爾基網(wǎng)絡(luò),磷酸化的酶同M6P受體結(jié)合,通過(guò)該受體將溶酶體的酶包裝到由纖維狀網(wǎng)格蛋白包被的小泡中,然后網(wǎng)格蛋白外被很快解體。無(wú)包被的運(yùn)輸小泡很快與次級(jí)內(nèi)體融合,由于次級(jí)內(nèi)體中pH呈酸性,致使磷酸化的酶與M6P受體脫離,接著脫磷酸。通過(guò)次級(jí)內(nèi)體的分選作用.溶酶體的酶進(jìn)入從次級(jí)內(nèi)體出芽形成的運(yùn)輸小泡,接著同溶酶體融合完成溶酶體酶的傳遞過(guò)程。而受體重新回到高爾基體再利用。為簡(jiǎn)化起見(jiàn),圖中只標(biāo)出酶蛋白的一個(gè)糖基化位點(diǎn),實(shí)際上大多數(shù)糖蛋白具有多個(gè)糖基化的位點(diǎn)。M6P受體也位于細(xì)胞質(zhì)膜中,它能夠同偶爾分泌到細(xì)胞外磷酸化的溶酶體酶結(jié)合,并形成由網(wǎng)格蛋白包被的運(yùn)輸泡,最后同樣被傳遞給溶酶體。溶酶體的酶是如何經(jīng)M6P分選途徑進(jìn)行分選的?●影響M6P分選的因素Brown和Farquhar發(fā)現(xiàn)用胺離子(NH4+)處理細(xì)胞能夠干擾溶酶體的分選機(jī)制。當(dāng)溶酶體中胺離子濃度升高時(shí)會(huì)使溶酶體中的pH升高,這樣,溶酶體的酶就不能同M6P受體脫離,從而影響了M6P受體回到高爾基體再循環(huán)。其結(jié)果,由于高爾基體反面網(wǎng)絡(luò)中M6P受體的不足,溶酶體的酶就會(huì)分泌到細(xì)胞外而不是被包裝到溶酶體分泌小泡。如果解除NH4+的作用,使M6P受體得以釋放和再循環(huán),溶酶體的分選恢復(fù)正常?！馦6P分選途徑的特點(diǎn):①M(fèi)6P作為分選信號(hào);②包埋在高爾基體中的受體能夠被網(wǎng)格蛋白包裝成分泌小泡;③出芽形成的溶酶體酶的運(yùn)輸小泡只同酸性的次級(jí)內(nèi)體融合;④通過(guò)次級(jí)內(nèi)體的分選作用使受體再循環(huán)?！鯩6P分選途徑的發(fā)現(xiàn)M6P分選途徑是通過(guò)對(duì)一類遺傳病:稱為溶酶體貯積癥(lysosomalstoragediseases)的研究發(fā)現(xiàn)的，此類遺傳病是由于溶酶體中缺少一種或幾種酶所致。如何根據(jù)溶酶體貯積癥研究M6P分選途徑?■內(nèi)體(endosome)內(nèi)體有初級(jí)內(nèi)體(earlyendosome)和次級(jí)內(nèi)體(lateendosome)之分,內(nèi)體的主要特征是酸性的、不含溶酶體酶的小囊泡。初級(jí)內(nèi)體是由于細(xì)胞的內(nèi)吞作用而形成的含有內(nèi)吞物質(zhì)的膜結(jié)合的細(xì)胞器。次級(jí)內(nèi)體中的pH呈酸性,且具有分揀作用。內(nèi)體膜上具有ATPase-H+質(zhì)子泵，利用H+質(zhì)子的濃度，保證了內(nèi)部pH的酸性(圖9-49)。圖9-49溶酶體酶運(yùn)輸小泡與次級(jí)內(nèi)體的融合及次級(jí)內(nèi)體的分選作用■溶酶體形成的非M6P途徑M6P途徑是溶酶體酶分選的主要途徑,但不是惟一的途徑,這主要是通過(guò)對(duì)一種遺傳病的研究發(fā)現(xiàn)的?！裾持?mucolipidosis)是一種遺傳病,這種病人不能使甘露糖磷酸化。病人的成纖維細(xì)胞中含有很多細(xì)胞質(zhì)小泡，小泡中有大量的未被消化的大分子,這些大分子在正常情況下是由溶酶體降解的。由于甘露糖不被磷酸化,意味著大多數(shù)溶酶體酶不能正確地進(jìn)入溶酶體。●非磷酸化的溶酶體酶在粘脂病的病人細(xì)胞的溶酶體中發(fā)現(xiàn)有未被磷酸化的水解酶,推測(cè)這些酶是通過(guò)非M6P依賴性的分選途徑進(jìn)入溶酶體的。這