1溶酶體的發現
1949年,比利時布魯塞爾細胞病理學院科學家de Duve將大鼠肝組織勻漿,對各種細胞器進行分離,以期找出與糖代謝的酶有關的細胞器,根據實驗結果推測細胞中還存在一種新的細胞器。1955年,de Duve與Novikof合作,首次用電子顯微鏡觀察到這種細胞器,1956年被定名為溶酶體。他和他的同事——電子顯微鏡專家克洛德和帕拉迪分享了1974年諾貝爾生理學或醫學獎。
2溶酶體的結構
溶酶體是一種由單層膜包被的囊狀結構,且是一種動態結構。在不同類型細胞中,溶酶體的形態、大小不同。一般呈球形小泡,直徑為0.25~0.8μm,內含多種多樣的酸性水解酶,可分解各種外源或內源的大分子物質。因而溶酶體被比喻為細胞內的「酶倉庫」、「消化系統」。
3溶酶體的分類和形成
根據溶酶體完成其生理功能的不同階段,可分為初級溶酶體、次級溶酶體和殘餘體。
溶酶體的形成是一個相當複雜的過程。一般認為,溶酶體裡的酶是經粗面內質網上的核糖體合成後運輸到高爾基體,在此經過加工、分揀與濃縮,被覆外膜,形成囊泡,然後離開高爾基複合體,此時只含水解酶而不含被催化的底物,稱為初級溶酶體。初級溶酶體與細胞內的胞內體、吞噬體和自噬體融合形成複合物,溶酶體中的酸性水解酶發揮作用,將胞內體和吞噬體等逐步消化,此時的溶酶體不僅含有水解酶,而且含有大量被催化的底物,是一種正在進行消化作用的溶酶體,被稱為次級溶酶體。次級溶酶體內的消化作用完成後,酶的活力變得很弱甚至喪失,僅留有未消化的殘渣,稱為殘餘體。
4溶酶體中的酶
①種類
目前已發現溶酶體中的酸性水解酶有60餘種,包括水解蛋白質、糖類、脂類等物質的酶。例如,酸性磷酸酯酶、組織蛋白酶、核糖核酸酶、透明質酸酶、磷酸轉移酶、β-半乳糖苷酶、芳香基硫酸脂酶A和B等。大多數溶酶體裡的酶是糖蛋白,但也有例外,如鼠肝細胞和腎細胞溶酶體裡的酶大部分是脂蛋白。
②來源
溶酶體中的酶與分泌蛋白的形成類似,都是由附著在內質網上的核糖體中合成不成熟的酶,然後在信號肽的引導下進入粗面內質網,經初步加工連接一些糖基團,如葡萄糖、甘露糖和N-乙醯葡萄糖胺等,內質網通過形成囊泡將這些較成熟的酶轉運至高爾基體,經高爾基體的再加工,如將N-乙醯葡萄糖胺殘基移接到甘露糖殘基上等,形成成熟的酶。
③特點
溶酶體的膜蛋白多為糖蛋白,溶酶體膜內表面帶負電荷,所以有助於溶酶體中的酶保持游離狀態,這對行使正常功能和防止細胞自身被消化有著重要意義;
所有水解酶在pH為5左右時活性最佳,但其周圍胞質中pH約為7.2,溶酶體膜上含有一種特殊的轉運蛋白,可以利用ATP水解的能量將細胞質中的H+泵入溶酶體,以維持pH為5;
只有當被水解的物質進入溶酶體內時,溶酶體內的酶類才行使其分解作用。一旦溶酶體膜破損,水解酶逸出,將導致細胞自溶。
5溶酶體的功能
①細胞內消化
對高等動物而言,細胞的營養物質主要來源於血液中的小分子物質,而一些大分子物質則通過胞吞作用進入細胞,例如內吞低密度脂蛋白獲得膽固醇;對一些單細胞真核生物而言,溶酶體的消化作用就更為重要。例如,草履蟲將吞噬進細胞的食物或致病菌等大顆粒物質消化,其中可利用的營養物質,進入細胞質基質用於各項代謝活動,殘渣通過胞吐作用排出。
②自溶作用(細胞凋亡)
通過自溶作用清除發育過程中退化的細胞和死亡的細胞,以保證細胞正常生長和發育。個體發生過程中往往涉及組織或器官的改造或重建,如昆蟲和蛙類的變態發育、足的退化和尾的消失等,這一過程是在基因控制下實現的,稱為細胞編程性死亡(即細胞凋亡),這些註定要消除的細胞以出芽的形式形成凋亡小體,被巨噬細胞吞噬並通過溶酶體消化,從而清除不需要的細胞。
③自體吞噬
清除細胞中無用的大分子、衰老的細胞器等。許多生物大分子的半衰期只有幾小時至幾天,例如肝細胞中線粒體的平均壽命為10d左右,這就需要溶酶體將其吞噬消化。
④防禦作用
所有白細胞均含有溶酶體性質的顆粒,能消滅入侵的微生物,如吞噬細胞可吞入病原體,在溶酶體中將病原體進行處理、殺死或降解。然而,也有一些病源菌(例如,麻風桿菌、結核桿菌等)能耐受溶酶體酶的作用,因而能在巨噬細胞內存活。
⑤參與分泌過程的調節
研究發現,大鼠腦垂體分泌催乳素受到抑制時,溶酶體與細胞內一部分分泌顆粒融合,將其消化降解以消除細胞內過多的激素,這種現象叫做粒溶或分泌自噬。幾乎所有分泌肽類和蛋白質類激素的細胞中都存在粒溶現象,細胞通過這種方式,對激素的分泌量進行有效的調節,如將甲狀腺球蛋白處理成有活性的甲狀腺素等。
⑥形成精子的頂體
精子的頂體,其本質也是一種溶酶體。在受精過程中,頂體中的酶被釋放到細胞外,能消化卵子外周的卵泡細胞和透明帶,形成精子入卵的通道,便於精子進入卵細胞,達到受精的目的。
6溶酶體異常病
①矽肺
二氧化矽塵粒(矽塵)吸入肺泡後被巨噬細胞吞噬,含有矽塵的吞噬小體與溶酶體融合成為次級溶酶體。二氧化矽與溶酶體膜的磷脂或蛋白形成氫鍵,導致巨噬細胞的溶酶體崩解,細胞本身也被破壞,矽塵釋出,後又被其他巨噬細胞吞噬,如此反覆進行。受損或已被破壞的巨噬細胞釋放「致纖維化因子」,並激活成纖維細胞,導致膠原纖維沉積,肺組織纖維化。
②肺結核
結核桿菌不產生內、外毒素,也無莢膜和侵襲性酶。但菌體成分中有硫酸腦苷脂,能抵抗胞內溶酶體的殺傷作用,使結核桿菌在肺泡內大量繁殖,導致巨噬細胞裂解,釋放出的結核桿菌再被吞噬而重複上述過程,最終引起肺組織鈣化和纖維化。
③溶酶體貯積症
因溶酶體內的酶活性不足(主要是酸性水解酶),以及轉運蛋白或溶酶體蛋白加工校正酶的缺乏會引起溶酶體功能缺陷,造成次級溶酶體內相應底物不能被消化,導致底物積蓄,代謝障礙,形成貯積性疾病,稱為溶酶體貯積症。溶酶體貯積症不僅影響機體某個器官的正常功能,也會影響整個機體代謝活動的協調性,引起多種疾病。目前已知此類疾病有40種以上,大致可分為糖原累積病、腦苷脂沉積病、臺-薩氏症候群和黏多糖沉積病等幾大類。
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