本文涵盖了
溶酶体是什么?快速概述
溶酶体是一种小的细胞器回收中心在牢房里。它们是充满消化酶的膜界球体。这些酶可以将进入溶酶体的任何物质(通常是旧的细胞部分)分解成小分子(氨基酸、核苷酸、脂肪酸和糖)，因此细胞可以重复使用这些原料来构建新的细胞器。溶酶体也可以用来消灭入侵的病毒和细菌。
【上图】溶酶体类比:溶酶体是细胞的循环中心。
它储存各种能够分解蛋白质、核酸、碳水化合物和脂类的酶。你也可以说溶酶体就像人的胃。胃是食物被消化和分解吸收的地方。
溶酶体是什么样子的?
溶酶体存在于除红细胞外的几乎所有真核细胞中。溶酶体位于细胞质中。它们在大小和形状上有相当大的变化。在常规细胞中，溶酶体是直径约50-70纳米的球形体。在一个动物细胞中可能存在几百个溶酶体。这些溶酶体太小，在普通光学显微镜下看不见。需要用电子显微镜或荧光显微镜观察和研究溶酶体。
[在图中]溶酶体(红色)和自噬体(绿色)的荧光显微图像。
图片来源:AAT Bioquest。
[在图中]电子显微镜(EM)显示四个深色的次级溶酶体被大量线粒体包围。
图片来源:De组织学
溶酶体在表现出吞噬活性的细胞(如巨噬细胞、中性粒细胞和肾细胞)中特别丰富。在这些细胞中，它们的初级溶酶体更大，直径可达0.5微米，因此在光学显微镜下才可见。
[在图中]甲苯胺蓝色染色的肾小管图片。
大溶酶体(L)在肾细胞中大量存在。(N)为细胞核。
图片来源:De组织学
[在图中]中性粒细胞通过吞噬作用来消灭细菌。
图片来源:Cellcartoons
溶酶体的结构
[本图]溶酶体结构示意图。
溶酶体就像一个由单层脂质双分子膜组成的袋子。细胞膜上有离子突起，可以维持溶酶体的酸性内部环境。袋子里有很多消化酶。
溶酶体是一种膜结合囊泡，含有水解酶，可以将旧的细胞器和蛋白质分解成小分子，如氨基酸。溶酶体的膜类似于细胞膜或内质网(ER)，因为溶酶体是由ER-高尔基体系萌发的。溶酶体周围的膜是至关重要的，以确保这些酶不会泄漏到细胞质，并从内部损害细胞。
一些蛋白质嵌入在溶酶体的膜中，包括v- atp酶，它将质子泵入溶酶体以酸化其pH值。还有几种类型的转运蛋白可以将回收的营养物质(如糖、核酸和氨基酸)从溶酶体输出回细胞质。
[在图中]溶酶体膜上有许多转运蛋白。它们可以向内泵入H+，为水解酶维持酸性环境。相应的转运蛋白也可以将回收的营养物质输出回细胞质。
图片来源:《自然》杂志评论分子细胞生物学。
溶酶体酶与酸性环境
溶酶体含有大约50种不同的降解酶，可以水解蛋白质、DNA、RNA、多糖和脂类。溶酶体消化的产物可以被循环回细胞，以建立新的细胞器。
你可以想象，如果溶酶体以某种方式泄漏或破裂，这些酶可能会对细胞造成巨大损害。幸运的是，这些细胞有一种安全机制，可以限制溶酶体酶只在酸性环境中活跃，而在细胞的其他部分不活跃。
所有溶酶体酶都是酸水解酶．这些消化酶只有在pH值为5的环境中才能正常工作(只有在成熟的溶酶体内部)。与细胞质中的中性pH 7.2相比，pH 5是两个数量级的酸性。即使溶酶体膜破裂，释放的酸性水解酶在细胞质的中性ph值下也会失去活性。这种设计只限制了溶酶体内部的酶活性。
为了维持其酸性内部pH值，溶酶体必须积极浓缩H+离子(质子)．这是通过嵌入溶酶体膜中的质子泵(称为v- atp酶)来完成的。质子泵主动地将质子从细胞质输送到溶酶体中，并且需要以ATP水解的形式消耗能量，因为它在溶酶体内保持大约百倍高的H+浓度。
[在图中]将H+离子泵入溶酶体以维持低pH值(pH值5)环境的v- atp酶图。
内吞作用和溶酶体形成
溶酶体形成(或生物发生)代表了分泌途径(溶酶体蛋白质通过分泌途径被处理)和内吞途径(细胞外分子在细胞表面被吸收)之间的交叉。来自细胞外的物质被内吞作用吸收并装入内吞囊泡，内吞囊泡从质膜上发芽，然后与早期的内小体融合。早期核内体逐渐成熟为晚期核内体，是溶酶体的前体。在核内体成熟过程中，内部pH降低到5.5左右，这在从反式高尔基网络传递溶酶体酸水解酶中起着关键作用。
[在图中]溶酶体是由由反式高尔基网络萌发的转运囊泡与核内体融合形成的。
溶酶体的酶在粗面内质网(RER)中合成，并输出到细胞高尔基体．酶以小泡的形式从高尔基体运输出来。用于溶酶体的酶被特定地标记为分子——”甘露糖6-phosphate(就像运输标签一样)，这样它们就会被正确地分类到酸化的囊泡中。这些酶被甘露糖-6-磷酸受体识别反式高尔基网络．酸化的囊泡与晚期的核内体融合，酸性的内部pH使水解酶与甘露糖-6-磷酸受体分离。因此，水解酶被释放到核内体的腔内，而受体最终循环到高尔基体。晚期的核内体在获得完整的酸水解酶时成熟为溶酶体。
溶酶体的功能
溶酶体通过消化细胞内外的物质来充当细胞的废物处理系统。来自细胞外的物质通过内吞作用或吞噬作用被吸收，而来自细胞内的物质通过自噬作用被消化。
细胞吃和消化-内吞和吞噬
细胞从外部吸收物质有两种方式:吞噬作用而且内吞作用．大多数细胞例行地进行内吞作用。靠近或位于细胞膜表面的分子可被细胞膜内陷内化而形成囊泡，称为囊泡核内体．
[在图中]吞噬作用vs.内吞作用。
吞噬作用是常见的单细胞真核细胞吞噬较大的食物颗粒。吞噬作用需要细胞延伸其假足来包围颗粒，并将其带入细胞内作为食物囊泡。内吞作用不像吞噬作用那样涉及细胞形状的剧烈变化。相反，内吞作用启动细胞膜的局部凹陷以产生核内体。
正如我们上面提到的，核内体可能是溶酶体的前体。溶酶体是可重复使用的细胞器。当新的核内体形成时，现有的溶酶体可以与其融合形成核内体。在内溶酶体中，溶酶体酶降解内吞作用的内容物。在此之后，溶酶体可以再次被重用。
[在图中]溶酶体的主要功能之一是消化由内吞作用从外界吸收的物质。
吞噬作用由特化细胞(如巨噬细胞)进行，吞噬大的细胞外颗粒，如死细胞或外来入侵者(如细菌)。内化的颗粒与溶酶体融合降解。氨基酸和核苷酸，溶酶体消化的产物，被回收回细胞合成新的细胞成分。
细胞“自食”和自噬
在前一节中，我们提到溶酶体可以回收不需要的旧细胞部分。然而，细胞如何决定在溶酶体中回收什么?
”自噬(又名“自食”)是细胞缺乏营养供应的生物过程。当细胞感觉到环境变得更具挑战性或营养来源减少时，细胞就会启动自噬。为了获得营养，细胞必须回收一些现有的蛋白质和细胞器，尤其是功能失调的细胞器。
我们的细胞标记功能错误的蛋白质的方式是在坏蛋白质上贴上“垃圾标签”，作为“这个家伙应该被回收”的指示。细胞中的“垃圾标签”是一种叫做泛素．一组酶通过在坏蛋白质上添加泛素标签来执行泛素化的作用。
[在图中]细胞不断地筛选功能失调的蛋白质。
一旦坏蛋白质被发现，它们将被标记为泛素(Ub)标签进行降解。
细胞在自噬开始的时候会检查它们的库存，把坏的蛋白质分类，然后给它们贴上“垃圾标签”。Nest，这些负责自噬的酶会看到这些“垃圾标签”，并建立“垃圾袋”来容纳细胞垃圾。这些“垃圾袋”是自噬体由特殊的脂质形成的囊泡组成。
的自噬体将细胞垃圾带到溶酶体中，形成自溶酶体，在自溶酶体中，溶酶体酶将细胞垃圾分解成原料。在此之后，细胞可以获得营养物质或有成分来构建新的蛋白质和细胞器。
【图中】自噬过程。
(1)一旦细胞开始自噬，特殊的脂质成分(称为吞噬团)被招募到标记的坏蛋白质/细胞器附近进行回收。(2)越来越多phagophores聚集在蜂窝垃圾周围。吞噬体组装成一个完整的囊泡，称为自噬体。(4)与溶酶体融合，消化酶分解内容物。(5)不良蛋白质/细胞器被循环利用，作为细胞使用的原料。
有时，甚至整个细胞器都可以被装入自噬体中进行循环利用。例如，降解坏线粒体的特殊自噬被命名为“mitophagy．”
2016年，诺贝尔生理学或医学奖授予了日本细胞生物学家大隅良典博士。他的发现为我们理解细胞自噬的根本重要性开辟了道路。现在，我们已经知道许多疾病，包括癌症、阿尔茨海默病和帕金森病，都可能是自噬功能失调的结果。
[在图中]2016年诺贝尔生理学或医学奖授予大隅良典(Yoshinori Ohsumi)，表彰他“对自噬机制的发现”。
图片来源:诺贝尔奖。
溶酶体的作用可能比我们知道的要大
科学家们承认，他们还不完全了解溶酶体。溶酶体可能不仅仅是细胞储存消化酶的地方。事实上，科学家最近发现溶酶体是细胞中感知营养水平是否正常或过低的中心。如果溶酶体感知到食物储存有危险，它们可以向细胞核发送信息，激活相应的基因来调节细胞代谢。
溶酶体的发现
溶酶体(来源于希腊语:lysis，松开，soma，身体)是由比利时细胞学家Christian René de Duve在20世纪50年代发现的。德迪夫因发现溶酶体和其他被称为过氧化物酶体的细胞器而被授予1974年诺贝尔生理学或医学奖。
[在图中]1974年诺贝尔生理学或医学奖被共同授予阿尔伯特·克劳德、克里斯蒂安·德·迪夫和乔治·e·帕拉德，以表彰他们在细胞生物学方面的工作，特别是对细胞器、溶酶体、过氧酶体和核糖体的发现。
图片来源:诺贝尔奖。
最初，De Duve将溶酶体称为细胞的“自杀袋”或“自杀囊”，因为它们在细胞凋亡中的假设作用。然而，后来得出的结论是，它们在细胞死亡中只起很小的作用。
不要与溶酶体——过氧化物酶体、蛋白酶体、液泡、溶菌酶和脂质体相混淆
有一些生物学术语有时会与溶酶体混淆。让我们看看它们到底是什么:
过氧物酶体是另一种膜结合细胞器，可能具有与溶酶体相似的大小和球形。然而，过氧化物酶体更像是细胞中的化学实验室，并进行许多特定的氧化还原(还原-氧化)反应。
蛋白酶体是一种蛋白质复合物，通过蛋白质水解降解不需要的或受损的蛋白质。我们不把蛋白酶体称为细胞器。
液泡是一种膜结合的细胞器，主要在植物细胞中起储存空间的作用。有时液泡可能含有消化酶，执行溶酶体功能。
溶菌酶是一种存在于身体分泌物中的酶，如眼泪、唾液和牛奶。它的作用是通过破坏细菌细胞壁作为抗菌剂。溶菌酶与溶酶体无关。
脂质体是一种由脂质双分子层膜组成的人造球形囊泡。脂质体被大量研究用于药物和疫苗的输送。
[在图中]溶酶体、过氧化物酶体、蛋白酶体、液泡、溶菌酶、脂质体代表图。
植物细胞有溶酶体吗?
溶酶体被认为是动物细胞独有的。然而，这一声明引起了争议。自20世纪70年代以来，植物细胞的发现开始挑战这一定义。植物液泡的结构和功能比以前认为的要多样化得多。一些液泡含有自己的水解酶，并执行经典的溶酶体活动，这相当于自噬。因此，这些液泡被认为发挥了动物溶酶体的作用。然而，植物液泡中的酶与动物的溶酶体不同。此外，植物细胞缺乏吞噬功能。因此，植物细胞中的液泡与动物细胞中的溶酶体相等的观点并不被普遍接受。
溶酶体储存障碍
在人类中，遗传密码中的错误占了50多个溶酶体储存障碍．这些疾病大多是由单一溶酶体酶的缺陷引起的。由于缺乏一定的酶活性，未降解的物质积聚在受影响个体的溶酶体内并引起疾病。
溶酶体疾病的严重程度取决于哪些细胞、组织和器官积聚了最多的有毒分子。许多溶酶体疾病会影响心脏、肾脏、脾脏、肝脏和/或骨骼。这些疾病中约有一半还会影响中枢神经系统，包括大脑和脊髓。溶酶体疾病是慢性和进行性的，这意味着它们会随着时间的推移而恶化。患有这些疾病的人可能会有限制生命的症状和明显缩短的寿命。
[在图中]大约有50种溶酶体疾病。在每个细胞中，不同类型的分子在溶酶体中聚集，破坏正常的细胞功能。
图片来源:Avrobio。
例如,高歇氏病(最常见的溶酶体疾病)由编码糖脂分解所需溶酶体酶的基因突变引起。脂肪物质积聚在脾脏和肝脏，导致这些器官肿大，并影响其功能。脂肪物质还会在骨组织中积聚，削弱骨骼，增加骨折的风险。
一个有趣的例外是细胞疾病(包涵细胞病)，这是由高尔基体中甘露糖-6-磷酸催化溶酶体酶标记第一步的酶缺乏引起的。其结果是溶酶体酶无法被纳入溶酶体。分泌的溶酶体酶存在于i细胞疾病患者的血液中，而他们的溶酶体是空的。
总结
- 溶酶体是一种充满消化酶的膜界球体，在细胞中起回收中心的作用。
- 溶酶体酶将进入溶酶体的任何物质分解成原料，如氨基酸、核苷酸、脂类和糖，因此细胞可以重新利用这些原料来构建新的细胞器。
- 溶酶体内部是一个酸性环境(pH值5)，它可以激活消化酶。这些酶在细胞质(pH值7)中不能活跃。这是细胞内的一种安全机制，以防溶酶体以某种方式泄漏或破裂。
参考文献
“溶酶体”英国细胞生物学学会
