溶酶体研究进展

溶酶体的研究进展

摘要：溶酶体是动物细胞中重要的细胞器, 其存在的完整性与动物生理病理均密切相关。溶酶体是真核细胞中为单层膜所包围的细胞质结构，内部pH 4～5，含丰富的水解酶，具有细胞内的消化功能。新形成的初级溶酶体经过与多种其他结构反复融合，形成具有多种形态的有膜小泡，并对包裹在其中的分子进行消化。因此，溶酶体具有溶解或消化的功能，为细胞内的消化器官。

关键词：溶酶体; 细胞器; 生命活动

一、前言

溶酶体( Lysosome) 于20 世纪50 年代被发现,经过半个世纪的研究, 发现其在动物大多数门中存在。植物的液泡也可被认为是一种溶酶体。单细胞的原生动物也具有与高等动物十分相似的溶酶体,其功能是作为细胞内的消化管道。只有原核生物没有溶酶体。典型的细胞中含有约数百个溶酶体, 直径介于几百纳米至几个微米之间, 在不同的细胞类型中, 其数量和形态有很大差异, 即使在同一种细胞中, 其大小、形态也不尽相同( 异质性细胞器) 。利用密度梯度离心可分离出较高纯度的溶酶体, 通过对酸性磷酸酶的组织化学染色, 可进行光镜和电镜观察, 目前还可以利用免疫亲和抗体或荧光染料进行原位观察。

二、溶酶体的结构与功能

溶酶体最外层为单层脂膜,7 ～10 nm 厚,其磷脂成分与质膜接近,而与其他细胞器膜组成不同,这可能是由于质膜与溶酶体膜融合的结果。一般认为,溶酶体膜主要是从高尔基体出芽生成,再与细胞内的吞噬泡融合。鞘磷脂可通过胆固醇与膜紧密结合稳定溶酶体,可能是其与胆固醇结合影响了膜的流动性,形成了有利于膜稳定的结构。溶酶体膜与细胞其他膜结构上的不同之处在于溶酶体膜上有V型H+-ATPase,通过水解ATP将质子转运到溶酶体内,以维持其酸性环境;膜上含有多种转运蛋白,可将有待降解的生物大分子转运进溶酶体,并将水解的产物转运出去;膜内表面含有大量糖链,可以防止其被水解酶水解,膜外表面带负电荷,主要为唾液酸,可能与膜融合的识别有关。

溶酶体内部pH比胞液的pH低大约2个单位,该酸性环境不仅有利于维持其水解酶活性, 还有利于催化酶的水解过程。碱性物质可以升高溶酶体内的pH,抑制其对蛋白质的降解。低pH也是多种生物大分子跨溶酶体膜转运的调控因素之一,溶酶体的大多数转运体系都对跨膜pH 梯度敏感。溶酶体的质子漏出(质子梯度改变)会影响其他离子的通透平衡, 进而影响溶酶体的渗透稳定性。此外,V型H+-ATPase抑制剂( Bafilomycin A 或Concanamycin A1)

可引起凋亡,而F型H+-ATPase抑制剂寡霉素( Oligomycin)则无此作用。

溶酶体内Ca2+含量约为400μmol,比胞液的浓度高很多,升高溶酶体内pH可以使其Ca2+浓度下降,因此溶酶体也被认为是细胞内的钙库。GPN通过选择性渗透膨胀,使溶酶体通透,细胞内Ca2+浓度上升了近10倍。该现象是否会对细胞的钙离子信号途径产生影响尚有待进一步研究。此外,溶酶体膜可保证其内部金属离子的富集,这些金属离子如Fe3+产生的自由基可加速溶酶体内物质的降解。溶酶体内含有约60 种水解酶,大多是糖蛋白。可溶性的酶多以阴离子复合形式存在, 结合性酶多以水溶性多聚阳离子复合形式结合于带负电的膜上(在溶酶体内低于pH 5 的环境下),并不水解所结合的膜脂分

子,但酸性鞘磷脂酶除外。许多癌细胞的溶酶体酶含量增高可能与侵害组织有关。在老年有机体的细胞中, 溶酶体酶含量增高, 以去除有缺陷的蛋白质。溶酶体内的蛋白水解酶(Cathepsin)是研究最为深入的水解酶。根据其不同水解位点,可分为B、C、H、F、K、L、O、S、V、W、X(半胱氨酸)和D、E(天冬氨酸)及G(丝氨酸)等。它们均为酸性水解酶,但在中性条件下也具有部分活性。Cathepsins均以酶原形式合成,可被其他蛋白水解酶活化,或在酸性条件下自水解活化。活化的Cathepsin B和L在溶酶体中浓度高达1 mmol / L,占其蛋白含量的20%。这些水解酶不仅参与了溶酶体内部的蛋白水解活动, 其释放到胞液中或分泌到细胞外会引发各种细胞病变,进而对机体产生广泛影响。

传统上认为溶酶体的功能就是消化各种生物大分子,包括各种病原微生物,如巨噬细胞的溶酶体可将吞噬进来的病菌或异源物质隔离并消化。后来,逐渐发现了溶酶体的其他重要功能。在动物发育、衰老及组织更新过程中,细胞通过溶酶体发生的自吞噬作用,可将蛋白及细胞器消化。在胞吞过程中,溶酶体参与了胆固醇的代谢和受体的内化等重要细胞活动。一些细胞中的溶酶体除了具备典型溶酶体的生物学功能外,还承担着存储、转运和分泌一些生物物质的功能,因而被称为分泌型溶酶体( Secretory lysosome),如黑色素细胞分泌黑色素,破骨细胞对骨组织的再吸收,自然杀伤细胞向靶细胞分泌蛋白水解酶,巨噬细胞和B淋巴细胞的抗原呈递等。研究还发现,溶酶体参与了受钙离子调控的细胞膜修复。

三、溶酶体完整性与生命活动的相关性

溶酶体损伤程度与细胞死亡的方式有一定的相关性:较低程度的损伤可引发细胞凋亡或凋亡样死亡,而严重的损伤可导致细胞坏死。大量实验证实,不仅直接作用于溶酶体的因素可导致细胞死亡,一些典型的凋亡刺激,如死亡受体TNF和p53介导的凋亡也通过溶酶体发生。

溶酶体的提取物可以水解Bid,后者作用于线粒体,导致细胞色素C释放,并活化Caspase。敲除小鼠Bid基因后,溶酶体无法使线粒体释放细胞色素C。溶酶体还参与了自吞噬型细胞死亡(Autophagic cell death):细胞质或细胞器碎片被膜包绕，形成自吞噬体( Autophagosome),与溶酶体融合形成自吞噬溶酶体( Autophagolysosome),表现为细胞内形成空泡溶酶体水解酶可将自吞噬体内的大分子水解。自吞噬作用可以由饥饿触发,以产生细胞生存所必需的营养。在缺乏营养的情况下,敲除自吞噬基因或抑制自吞噬体的形成或融合会导致细胞死亡,此时抑制溶酶体质子泵也会产生类似结果。

溶酶体完整性异常与疾病发生的相关性:作为细胞内重要的细胞器,溶酶体与多种疾病的发生密切相关。最早发现与溶酶体相关的疾病是溶酶体储留病,其特征是内部积留了大量水解底物或产物,原因是溶酶体的一些酶突变或缺失,如神经酰氨酶( Farber disease)、酸性鞘磷脂酶( Niemann-Pick disease)、氨基己糖酯酶( Tay-Sacks disease)缺失的患者脑组织内储留了超过正常100～300倍的神经节苷脂。溶酶体膜转运蛋白异常也会因无法及时将水解产物运出而导致储留病,如唾液酸转运子和半胱氨酸转运子突变可导致Salla病。

溶酶体失稳不仅使其丧失了正常生理功能,还会导致水解酶的释放。神经系统中,神经细胞内吞作用的加强和溶酶体失稳是老年性痴呆( Alzheimer disease, AD)的早期症状。AD 中可溶性Aβ蛋白具有神经毒性,其两性结构可以结合在膜上,在AD的病理发生中起重要作用。Aβ刺激细胞增加溶酶体的数量和体积,神经细胞退变前,溶酶体和酸性水解酶增多,存在大量结构异常的溶酶体。异常溶酶