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溶酶体

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溶酶体消化进入细胞的物质,并回收细胞内的物质。第一步显示物质通过质膜进入食物泡,这一过程称为胞吞作用。在第二步中,随着食物泡离开质膜,具有活性水解酶的溶酶体出现。第三步是溶酶体与食物泡融合,水解酶进入食物泡。在最后一步,第四步,水解酶消化食物颗粒。[4]

溶酶体(lysosome /ˈlaɪsəˌsoʊm/)是一种在很多动物细胞中发现的膜结合细胞器[1]。它们是球形囊泡,含有的水解酶可以分解多种生物分子。溶酶体的膜蛋白和内腔蛋白都有特定的组成。内腔水解酶最适的pH约为4.5–5.0[2] ,类似于胃的活动。除了降解聚合物,溶酶体还参与各种细胞过程,包括分泌、质膜修复、细胞信号转导和能量代谢。[3]

溶酶体作为细胞的废物处理系统,从细胞内外消化着细胞质中废弃或未被利用的物质。细胞外的物质通过内吞作用被吸收,而细胞内的物质通过自噬作用被消化。[4] 细胞器的大小差异很大——较大的细胞器可能是较小细胞器的10倍以上。[5] 它们是由比利时生物学家克里斯汀·德·迪夫发现并命名的,他最终获得了1974年诺贝尔生理医学奖。

溶酶体已知含有60多种不同的酶,有50多种膜蛋白。[6][7] 溶酶体的酶在粗面内质网中合成。酶是从高尔基体的小囊泡中导入的,而小囊泡是与较大的酸性囊泡融合。溶酶体固有的酶被分子甘露糖6-磷酸特异性标记,因此它们能被正确地分类到酸化囊泡中。[8][9]

溶酶体酶的合成由核基因控制。这些酶的基因突变导致了30多种不同的人类遗传疾病,这些疾病统称为溶酶体贮积症。这些疾病是由于特定底物无法被分解而累积所导致的。这些遗传缺陷与几种神经退行性疾病、癌症、心血管疾病和衰老相关疾病有关。[10]

溶酶体不应与脂质体或胶束混淆。

1 发现编辑

各种囊泡结构的透射电镜图。溶酶体用“Ly”表示。由于它们是酸性的,因此被染成了黑色;在图片的上部,可以观察到高尔基体,相对于溶酶体来说,它们位于细胞膜的远端。

比利时鲁汶大学生理化学实验室主席克里斯汀·德·迪夫一直在研究胰腺激素胰岛素在肝细胞中的作用机制。到1949年,他和他的团队已经专注于葡萄糖6-磷酸酶,这是糖代谢中的第一种关键酶,也是胰岛素的靶标。他们已经怀疑这种酶在调节血糖水平中发挥了关键作用。然而,即使在一系列实验之后,他们也没能从细胞提取物中纯化和分离出z这种酶。因此,他们尝试了一种更为复杂的细胞分离方法,通过这种方法,细胞成分根据它们的大小用离心法分离。

他们成功地从微粒体中检测到了酶的活性。这是偶然发现溶酶体的关键一步。他们使用标准酶——酸性磷酸酶来评估这种酶的活性,发现活性仅为预期值的10%。一天,他们对冷藏五天的纯化细胞组分的酶活性进行测定。令人惊讶的是,酶活性增加到了新鲜样品的正常水平。无论重复评估多少次,结果都是一样的,并得出结论:膜状屏障限制了酶对其底物的可及性,并且酶能够在几天后扩散(并与其底物发生反应)。他们将这种膜状屏障描述为“被膜包围并含有酸性磷酸酶的囊状结构”。[11]

很明显,这种酶来自细胞的膜状结构,而且这种膜状结构肯定是细胞器,1955年德·杜瓦将它们命名为“溶酶体”,以反映它们的消化特性。[12] 同年,佛蒙特大学的亚历克斯·诺维克夫(Alex B. Novikoff)参观了德·杜瓦的实验室,并成功获得了这种新细胞器的第一张电子显微照片。利用酸性磷酸酶的染色方法,德·杜瓦和诺维克夫利用光镜和电镜研究证实了溶酶体水解酶的位置[13][14],德·杜瓦因这一发现获得了1974年诺贝尔生理医学奖。

起初,德·杜瓦将细胞器称为细胞的“自杀袋”或“自杀囊”,因为它们可能在细胞凋亡中扮演了重要角色。[15] 然而,现在已经得出结论,它们在细胞死亡中仅起次要作用。[16]

2 功能和结构编辑

溶酶体含有多种酶,使细胞能够分解它吞噬的各种生物分子,包括肽、核酸、碳水化合物和脂质(溶酶体脂肪酶)。负责这种水解的酶需要在酸性环境才能获得最佳活性。

溶酶体除了能够分解聚合物之外,还能够与其他细胞器融合,消化大型结构或细胞碎片;通过与吞噬体的合作,它们能够进行自噬,清除受损的结构。同样,它们能够分解巨噬细胞吞噬的病毒颗粒或细菌。

溶酶体的大小从0.1μm到1.2μm不等。[17] 与微碱性胞浆(pH 7.2)相比,溶酶体内部呈酸性,pH值在4.5-5.0之间。溶酶体膜保护胞浆,进而保护细胞的其余部分免受溶酶体中降解酶的影响。此外,细胞还受到保护,免受任何排入胞浆的溶酶体酸性水解酶的影响,因为这些酶对pH敏感,在胞浆的碱性环境中不起作用或根本不起作用。这确保了在水解酶从溶酶体中泄漏的情况下,细胞质分子和细胞器不会被破坏。

溶酶体通过细胞膜质子泵和氯离子通道从胞浆中泵入质子(氢离子)来维持其pH差异。液泡ATPases负责质子的运输,而氯离子的反向运输由ClC-7cl/H+反向转运体完成。这样,就保持了稳定的酸性环境。[18][19]

它通过引入对不同底物具有特异性的酶来获得其多功能降解能力;组织蛋白酶是水解酶的主要种类,而溶酶体α-葡萄糖苷酶负责碳水化合物,溶酶体酸性磷酸酶是释放磷脂磷酸基团所必需的。

3 形成编辑

色表示的是溶酶体,它作为T细胞内分选的终点。AP2对于囊泡的形成是必需的,而甘露糖-6受体是将水解酶分泌到溶酶体管腔中所必需的。

动物细胞的许多成分通过转移到膜内或嵌入膜的部分而被回收。例如,在胞吞作用(更具体地说,巨胞饮作用)中,细胞质膜的一部分收缩形成囊泡,最终与细胞内的细胞器融合。如果没有主动补充,质膜的尺寸会不断减小。据认为溶酶体参与这种动态膜交换系统,并由内体逐渐成熟过程来形成的。[20][21]

溶酶体蛋白的产生表明了一种溶酶体的维持方法。溶酶体蛋白基因在细胞核中转录。mRNA转录物离开细胞核进入细胞质,并在那里被核糖体翻译。新生肽链转移到粗面内质网中,在那里被修饰。溶酶体可溶性蛋白质通过CLN8介导的COPII包被的囊泡募集离开内质网,[22] 进入高尔基体。在高尔基体中,一个特定的溶酶体标记——甘露糖6-磷酸——被添加到肽中。这些标记的存在允许高尔基体中甘露糖6-磷酸受体的结合,这种现象对于正确包装进入溶酶体系统的囊泡至关重要。[23]

离开高尔基体后,溶酶体中充满酶的囊泡与晚期内体融合,后者是一种相对酸性的细胞器,其pH约为5.5。这种酸性环境导致溶酶体酶与甘露糖6-磷酸受体分离。然后,酶被装入囊泡中,以便进一步运输到已建立的溶酶体中。[23] 晚期内体本身最终可以成长为一种成熟的溶酶体,这可以通过溶酶体向内体运输内体膜成分这一过程来证明。[20]

4 病原体进入编辑

霍乱病原体通过内吞作用进入细胞的示意图。

溶酶体作为胞吞作用的终点,也是防止病原体在降解前到达细胞质的保障。病原体经常劫持胞吞途径,如胞饮作用,以便进入细胞。溶酶体通过水解病原体复制策略所需的生物分子来防止其轻易进入细胞;溶酶体活性降低会导致病毒感染性增加,包括艾滋病毒。[24] 此外,AB5毒素如霍乱劫持了胞内体途径,同时避免了被溶酶体降解。[24]

5 临床意义编辑

溶酶体涉及一组遗传缺陷,或被称为溶酶体贮积症的突变,这是由一种酶的功能障碍引起的先天性代谢缺陷。新生儿的发病率估计为五千分之一,真实数字预计会更高,因为许多病例可能未被诊断或误诊。这种疾病的主要原因是缺乏酸性水解酶。其他情况是由于溶酶体膜蛋白的缺陷,不能运输酶,非酶可溶性溶酶体蛋白。这种疾病的最初影响是内体-自噬-溶酶体系统内特定大分子或单体化合物的积累。[25] 这导致异常的信号通路、钙稳态、脂质生物合成和降解以及胞内运输,最终导致致病性疾病。受影响最大的器官是大脑、内脏、骨骼和软骨。[25][26]

没有直接的药物治疗来治愈LSD。[27] 最常见的LSD是高雪氏病,这是由于葡糖脑苷脂酶缺乏引起的。因此,导致酶底物——脂肪酸葡糖神经酰胺——积累(特别是在白细胞中),这反过来影响脾、肝、肾、肺、脑和骨髓。这种疾病的特点是瘀伤、疲劳、贫血、血小板减少、骨质疏松和肝脾肿大。[28][29] 截至2017年,酶替代疗法可用于治疗50-60种已知LDS中的8种。[30]

溶酶体贮积症中最严重也是最少发现的是包涵体细胞病。[31]

异染性脑白质营养不良是另一种溶酶体贮积症,也会影响鞘脂代谢。

5.1 溶酶体向性

具有亲脂性的弱碱积聚在酸性细胞内隔室中,如溶酶体。虽然血浆和溶酶体膜对中性和不带电荷的弱碱物质是可渗透的,但带电荷的质子化弱碱物质无法渗透生物膜并在溶酶体中积累。溶酶体中的浓度可能比胞外浓度高100到1000倍。这种现象被称为溶酶体向性,[32] “酸捕获”或“质子泵”效应。[33] 亲溶酶体化合物的累积量可以通过基于细胞的数学模型来估计。[34]

临床批准的药物中很大一部分是具有亲溶酶体特性的亲脂性弱碱。这解释了这些药物的许多药理学特性,例如较的组织-血液浓度梯度或较长的组织消除半衰期;已经在氟哌啶醇、[35] 左美丙嗪[36] 和金刚烷胺等药物中发现了这些性质。[37] 然而,较高的组织浓度和较长的消除半衰期也可以用药物对脂肪组织结构的亲脂性和吸收来解释。重要的溶酶体酶,如酸性鞘磷脂酶,可能被溶酶体积累的药物抑制。[38][39]这些化合物被称为酸性鞘磷脂酶功能抑制剂(functional inhibitor of acid sphingomyelinase;FIASMA),[40] 包括例如氟西汀、舍曲林或阿米替林。

氨溴索是一种临床使用的亲溶酶体药物,因其粘痰溶解作用而用于治疗痰咳。氨溴索通过中和溶酶体的pH和从酸性钙库中释放钙来触发溶酶体的胞吐。[41] 大概由于这个原因,氨溴索还被发现能改善某些溶酶体源性疾病(如帕金森病或溶酶体储存疾病)的细胞功能。[42][43]

5.2 系统性红斑狼疮

溶酶体功能受损在系统性红斑狼疮中十分突出,可防止巨噬细胞和单核细胞降解中性粒细胞胞外陷阱[44] 和免疫复合物。[45][46][47] 降解内化免疫复合物的失败源于慢性mTORC2活性,这损害溶酶体酸化[48] 结果,溶酶体中的免疫复合物循环到巨噬细胞表面,导致多个狼疮相关病理上游的核抗原积聚。[45][49][50]

6 植物学上的争议编辑

根据科学惯例,溶酶体一词仅适用于动物的囊状细胞器,液泡一词适用于植物、真菌和藻类(有些动物细胞也有液泡)。自20世纪70年代以来,植物细胞的发现开始挑战这一定义。人们发现植物液泡在结构和功能上比以前认为的要多样化得多。[51][52] 一些液泡含有自己的水解酶,并表现出典型的溶酶体活性,即自噬。[53][54][55] 因此,这些液泡被视为完成了动物溶酶体的作用。根据德杜瓦的描述,“只有当被认为是直接或间接参与细胞内消化的系统的一部分时,溶酶体一词才描述一个生理单位”,一些植物学家强烈认为这些液泡是溶酶体。[56] 然而,这并没有被普遍接受,因为液泡严格来说与溶酶体不相似,例如在它们的特异性酶和吞噬功能的缺乏方面。[57] 液泡不具有分解代谢活性,也不像溶酶体那样经历胞吐作用。[58]

7 词源和发音编辑

溶酶体“lysosome”(/ˈlaɪzəzoʊm/ /ˈlaɪsoʊsoʊm/)是一个新拉丁文词,是lyso-(指lysisand,来源于拉丁文lysis,意为“松开、解开”,起源于古希腊文λύσις)和-some(来源于soma,意为“身体”)的组合,意思是“分离体或裂解体”。其形容词形式是lysosomallyosomelyosomal形式非常罕见;它们的前缀是lyo-,但经常被读者和编辑认为只是作者轻率地复制了错别字,这种情况无疑是常见的。

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