溶酶体有几层膜
格兰诺维特-白杨礼赞教学设计
2023年2月21日发(作者：木兰辞注音版)1/25下载文档可编辑
9.4溶酶体(lysosome)
溶酶体是动物细胞中一种膜结合细胞器,含有多种水
解酶类,在细胞内起消化和保护作用,可与吞噬泡或胞
饮泡结合,消化和利用其中的物质。也可以消化自身细
胞破损的细胞器或残片,有利于细胞器的重新组装、成分
的更新及废物的消除。
9.4.1溶酶体的形态结构
■溶酶体的形态
溶酶体是一种异质性(heterogeneous)的细胞器,不
同来源的溶酶体形态、大小,甚至所含有酶的种类都有
很大的不同。溶酶体呈小球状,大小变化很大，直径一
般0.25～0.8μm，最大的可超过1μm,最小的直径只有
25～50nm。图9-36是肝组织的Kupper细胞(肝星形细
胞)中不同大小的溶酶体,该细胞主要是吞噬衰老的红细
胞。
2/25下载文档可编辑
图9-36溶酶体的形态大小
具吞噬作用的肝Kupper细胞中不同大小的溶酶体,图
中示出至少10个不同大小的溶酶体。
■溶酶体膜的稳定性
溶酶体的外被是一层单位膜,内部没有任何特殊的结
构。由于溶酶体中含有各种不同的水解酶类,所以溶酶体
在生活细胞中必须是高度稳定的。溶酶体的稳定性与其
膜的结构组成有关：
3/25下载文档可编辑
●溶酶体膜中嵌有质子运输泵(H+-ATPase),将H+泵
入溶酶体内,使溶酶体中的H+浓度比细胞质中高；同时,
在溶酶体膜上有Cl-离子通道蛋白，可向溶酶体中运输Cl-
离子,两种运输蛋白作用的结果，就等于向溶酶体中运
输了HCl,以此维持溶酶体内部的酸性环境(pH约为
4.6～4.8)。
●溶酶体膜含有各种不同酸性的、高度糖基化膜整合
蛋白,这些膜整合蛋白的功能可能是保护溶酶体的膜免
遭溶酶体内酶的攻击,有利于防止自身膜蛋白的降解。
●溶酶体膜含有较高的胆固醇,促进了膜结构的稳
定。
9.4.2溶酶体的发现与溶酶体的酶类
溶酶体内含有50多种酶类,这些酶的最适pH值是5.0,
故均为酸性水解酶(acidhydrolases)。图9-37是典型
的溶酶体的大小、所含主要酶类及膜中的V-型质子泵等。
酸性磷酸酶是溶酶体的标志酶，正是对这种酶的细胞
定位研究导致溶酶体的发现。
4/25下载文档可编辑
图9-37溶酶体的形态、大小、及所含主要酶类示意
图
■酸性磷酸酶的定位研究与溶酶体的发现
在二十世纪的五十年代初期，ChristiandeDuve和
他的同事在研究亚细胞组分时发现了溶酶体，不过，溶
酶体的发现带有很大的偶然性。
你了解溶酶体的发现过程吗?
■溶酶体的酶
5/25下载文档可编辑
溶酶体的酶都有一个共同的特点∶都是水解酶类，在
酸性pH条件下具有最高的活性。溶酶体的酶包括∶蛋白
酶、核酸酶、脂酶、糖苷酶等，主要类型的酶列于表9-8。
表9-8溶酶体的主要酶类
酶天然底物酶天然底物
磷酸酶类
酸性磷酸酶磷酸单脂酸性磷酸二
脂酶
磷酸二脂
酸性焦磷酸
酶
ATP，FAD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
组织蛋白酶蛋白质胶原酶胶原
肽酶肽
核酸酶
6/25下载文档可编辑
核糖核酸酶RNA脱氧核糖核
酸酶
DNA
脂酶
磷酸脂酶磷脂酯酶脂肪酸酯
β-葡萄糖
脑苷脂酶
葡萄糖脑苷
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
溶菌酶细菌的细胞
壁
■植物溶酶体
●圆球体(spherosome)
是植物细胞中由一层单位膜包裹的含有细微结构的球
形颗粒，直径为0.5～1μm，内含酸性水解酶，相当于动
物细胞的溶酶体。
●植物细胞的液泡(vacuoles)
7/25下载文档可编辑
植物细胞的液泡几乎占据了细胞总体积的90%,它含有
多种水解酶类,并具有与动物细胞的溶酶体酶的类似的
功能。液泡膜上具有H+-ATPase,能够将H+运输到液泡中,
同时在液泡膜上还有一些运输蛋白,帮助液泡行使一些
特殊的功能(图9-38)。
图9-38植物液泡膜的运输系统及液泡内离子和蔗糖
浓度梯度的建立
液泡膜含有两种类型的质子泵:V-型H+-ATPase和单向
焦磷酸水解质子泵。这两种泵可以维持液泡中低pH,并建
立正电动势,促使Cl-和NO3
-从离子通道蛋白进入液泡。通
过H+质子梯度的力,促使Na+、Ca2+和蔗糖从胞质溶胶运
入液泡。
9.4.3溶酶体的类型
8/25下载文档可编辑
由于溶酶体在形态上的多样性和异质性，曾发现各种
不同类型的溶酶体。根据溶酶体处于完成其生理功能的
不同阶段,大致分为以下几种：
■初级溶酶体(primarylysosome)
此类溶酶体是刚刚从反面高尔基体形成的小囊泡,仅
含有水解酶类，但无作用底物，外面只有一层单位膜，
其中的酶处于非活性状态。
■次级溶酶体(secondarylysosome)
此类溶酶体中含有水解酶和相应的底物，是一种将要
或正在进行消化作用的溶酶体。根据所消化的物质来源
不同,分为自噬性溶酶体、异噬性溶酶体。
●自噬性溶酶体(autolysosome)
是一种自体吞噬泡,作用底物是内源性的,即细胞内
的蜕变、破损的某些细胞器或局部细胞质。这种溶酶体
广泛存在于正常的细胞内，在细胞内起“清道夫”作用。
●异噬性溶酶体(heterolysosome)
9/25下载文档可编辑
又称异体吞噬泡,它的作用底物是外源性的,即细胞
经吞噬、胞饮作用所摄入的胞外物质。异噬性溶酶体实
际上是初级溶酶体同内吞泡融合后形成的。
9.4.4溶酶体的功能
溶酶体的主要功能是消化作用(图9-39)。其消化底物
的来源有三种途径:①自体吞噬(autophagy),吞噬的
是细胞内原有的物质;②通过吞噬形成的吞噬体
(phagosome)提供的有害物质;③通过内吞作用
(endocytosis)提供的营养物质。由于吞噬作用和内吞作
用提供的被消化的物质都是来自细胞外,又将这两种来
源的物质消化作用统称为异体吞噬(heterophagy)。
图9-39溶酶体的类型及在细胞消化过程中的作用
10/25下载文档可编辑
图中简示了溶酶体的四种消化作用:A.吞噬作用;B自
噬作用;C.自溶作用;D.细胞外消化作用。
■吞噬作用(phagocytosis)
●吞噬作用
外来的有害物质被吞入细胞后,即形成由膜包裹的吞
噬小体(phagosome),初级溶酶体很快同吞噬体融合形
成次级溶酶体,此时溶酶体中的底物是从细胞外摄取的,
故为异噬性的溶酶体,在异噬性的溶酶体中吞噬物被酶
水解(图9-40)。
图9-40吞噬作用
吞噬作用的第一阶段是细胞质膜上的受体与细菌结合,
然后将被感染的细菌包裹起来形成吞噬体，接着是溶酶
11/25下载文档可编辑
体与吞噬体融合,通过溶酶体酶的作用将被吞噬的细菌
降解。
●吞噬细胞
多细胞的动物具有专门的吞噬细胞，即巨噬细胞
(macrophages)和中性粒细胞(neutrophils)担任机体中
的保护防御任务。
吞噬作用也是细胞获取营养的一种方式,细胞通过内
吞作用将一些营养物质包进内吞体,最后与溶酶体融合,
在溶酶体酶的作用下,将吞进的营养物质消化形成可直
接利用的小分子用于合成代谢。
吞噬作用也包括对衰老的、进入编程死亡的细胞的吞
噬。
■自噬作用(autophagy)
●自噬作用
自噬作用主要是清除降解细胞内受损伤的细胞结构、
衰老的细胞器、以及不再需要的生物大分子等(图9-41)。
12/25下载文档可编辑
图9-41自噬作用
电镜照片所示是衰老的线粒体和过氧化物酶体被包裹
在一个双层膜结构中,该膜来自于内质网。被ER膜包裹
而成的自噬体将会与溶酶体融合,进而被溶酶体酶降解。
●自噬作用的意义
自噬作用对细胞的生命活动有什么意义?
●吞噬过程
被吞噬的细胞器和生物大分子先要被内质网的膜包裹
起来形成自噬泡(autophagicvacuole,图9-42),然后
与初级溶酶体融合形成次级溶酶体,即自噬性的溶酶体,
融合后的底物被溶酶体酶消化。
13/25下载文档可编辑
图9-42自体吞噬泡形成的机制
内质网形成一个双膜的杯形结构(a,b),衰老的细胞器
(线粒体)从杯口进入(c),然后封口(d),形成双膜的小
泡。小泡与成熟的溶酶体融合(e),或与来自溶酶体分泌
小泡融合(f),溶酶体的酶降解融合泡中的底物(g)。
■自溶作用(autolysis)
自溶作用是细胞的自我毁灭(cellular
self-destruction),即溶酶体将酶释放出来将自身细
胞降解。在正常情况下,溶酶体的膜是十分稳定的,不会
对细胞自身造成伤害。
14/25下载文档可编辑
如果细胞受到严重损伤,造成溶酶体破裂,那么细胞
就会在溶酶体酶的作用下被降解,如某些红细胞常会有
这种情况发生。
在多细胞生物的发育过程中，自溶对于形态建成具有
重要作用。
■细胞外的消化作用(extracellulardigestion)
溶酶体除了在细胞内具有消化作用外，也可以将水解
酶释放到细胞外消化细胞外物质。如精子头部的顶端质
膜下方有一膜包裹的囊状结构,称为顶体(acrosome),
是一种特殊的溶酶体,在受精过程中,通过顶体反应,
将顶体中的溶酶体的酶释放到细胞外(图9-43),消化卵
外膜滤泡细胞,使精子抵达卵子质膜,卵子和精子的细
胞质膜相互融合,达到受精的目的。
图9-43顶体反应
15/25下载文档可编辑
(a)海胆精子前端的顶体,正好位于细胞核的前面;(b)
当精子的质膜与卵细胞周围物质接触时,精子释放出顶
体中溶酶体的酶,消化卵细胞外的物质,使精子得以与卵
细胞接触。
9.4.5溶酶体的生物发生
溶酶体的形成是一个相当复杂的过程,涉及的细胞器
有内质网、高尔基体和内体等。比较清楚的是甘露糖-6-
磷酸途径(mannose6-phosphatesortingpathway)：溶
酶体的酶类在内质网上起始合成,跨膜进入内质网的腔,
在顺面高尔基体带上甘露糖6-磷酸标记后在高尔基体反
面网络形成溶酶体分泌小泡,最后还要通过脱磷酸才成
为成熟的溶酶体(图9-44)。
16/25下载文档可编辑
图9-44溶酶体的酶寻靶过程、涉及的细胞器及机理
大多数溶酶体的酶在寡糖链上含有甘露糖,在顺面高
尔基网络转变成甘露糖-6-磷酸。新形成的溶酶体的酶通
过高尔基复合体,在高尔基体反面网络与膜受体结合后
被包进溶酶体分泌小泡,通过出芽形成自由的分泌泡。通
过H+-质子泵调节溶酶体分泌小泡中的pH,使溶酶体的酶
同受体脱离,受体再循环,溶酶体酶脱磷酸后成为成熟
的初级溶酶体。
■溶酶体酶蛋白的M6P标记
17/25下载文档可编辑
研究发现，溶酶体的酶上都有一个特殊的标记∶6-磷
酸甘露糖(mannose6-phosphate,M6P)。这一标记是溶
酶体酶合成后在粗面内质网和高尔基体通过糖基化和磷
酸化添加上去的。
●糖基化
溶酶体酶蛋白在膜旁核糖体上合成，进入内质网后进
行N-连接糖基化,经加工后形成带有8个甘露糖残基和
2个N-乙酰葡萄糖胺残基的糖蛋白转运到高尔基体。
●信号斑(signalpatch)
信号斑是溶酶体酶蛋白多肽形成的一个特殊的三维结
构,它是由三段信号序列构成的,可被磷酸转移酶特异
性识别(图9-45)。
图9-45信号斑
溶酶体蛋白的多肽上有三段信号序列,通过折叠,三
个信号序列相互靠近形成信号斑结构。
●甘露糖磷酸化的酶
18/25下载文档可编辑
将磷酸基团添加到溶酶体酶的甘露糖的第六位碳上的
反应是由两种酶催化的，一种酶是N-乙酰葡萄糖胺磷酸
转移酶(N-acetyglucosaminephosphotransferase)，另
一个酶是N-乙酰葡萄糖苷酶,功能是释放N-乙酰葡萄糖
胺(46)。
图9-46溶酶体酶蛋白信号斑与磷酸化酶相互作用
顺面高尔基体中的N-乙酰葡萄糖胺磷酸转移酶有两个
功能位点,一个识别位点能够识别信号斑并与之结合；催
化位点与高甘露糖N-连接的寡聚糖以及UDP-GlcNAc结
合。
●磷酸化反应
反应中磷酸基的供体是UDPN-乙酰葡萄糖胺
(N-acetyglucosamine，GlcNAc),甘露糖残基磷酸化的
位点是第六位碳原子(图9-47)。每个溶酶体酶蛋白至少
有一个甘露糖残基被磷酸化。
溶酶体酶蛋白M6P标记是怎样形成的?
19/25下载文档可编辑
图9-47溶酶体酶蛋白甘露糖残基磷酸化的生化反应
■溶酶体酶的M6P分选途径
这一途径的两个关键是:M6P标记和M6P受体蛋白。
●M6P受体蛋白(M6Preceptorprotein)
M6P受体蛋白是反面高尔基网络上的膜整合蛋白,能
够识别溶酶体水解酶上的M6P信号并与之结合,从而将
溶酶体的酶蛋白分选出来。
M6P受体蛋白主要存在于高尔基体的反面网络，但在一
些动物细胞的质膜中发现有很多M6P受体蛋白的存在,
这是细胞的一种保护机制,可防止溶酶体的酶不正确地
分泌到细胞外。
20/25下载文档可编辑
●分选过程
图9-48综合了溶酶体酶的甘露糖6-磷酸分选途径和
溶酶体形成的主要过程。
溶酶体酶前体从粗面内质网转移到顺面高尔基体,并
进行甘露糖残基的磷酸化。在反面高尔基网络,磷酸化的
酶同M6P受体结合,通过该受体将溶酶体的酶包装到由纤
维状网格蛋白包被的小泡中,然后网格蛋白外被很快解
体。无包被的运输小泡很快与次级内体融合,由于次级
内体中pH呈酸性,致使磷酸化的酶与M6P受体脱离,接
着脱磷酸。通过次级内体的分选作用.溶酶体的酶进入
从次级内体出芽形成的运输小泡,接着同溶酶体融合完
成溶酶体酶的传递过程。而受体重新回到高尔基体再利
用。为简化起见,图中只标出酶蛋白的一个糖基化位点,
实际上大多数糖蛋白具有多个糖基化的位点。M6P受体也
位于细胞质膜中,它能够同偶尔分泌到细胞外磷酸化的
21/25下载文档可编辑
溶酶体酶结合,并形成由网格蛋白包被的运输泡,最后
同样被传递给溶酶体。
溶酶体的酶是如何经M6P分选途径进行分选的?
●影响M6P分选的因素
Brown和Farquhar发现用胺离子(NH4
+)处理细胞能够
干扰溶酶体的分选机制。当溶酶体中胺离子浓度升高时
会使溶酶体中的pH升高,这样,溶酶体的酶就不能同
M6P受体脱离,从而影响了M6P受体回到高尔基体再循
环。其结果,由于高尔基体反面网络中M6P受体的不足,
溶酶体的酶就会分泌到细胞外而不是被包装到溶酶体分
泌小泡。如果解除NH4
+的作用,使M6P受体得以释放和再
循环,溶酶体的分选恢复正常。
●M6P分选途径的特点:
①M6P作为分选信号;②包埋在高尔基体中的受体能
够被网格蛋白包装成分泌小泡;③出芽形成的溶酶体酶
的运输小泡只同酸性的次级内体融合;④通过次级内体
的分选作用使受体再循环。
■M6P分选途径的发现
22/25下载文档可编辑
M6P分选途径是通过对一类遗传病:称为溶酶体贮积
症(lysosomalstoragediseases)的研究发现的，此类
遗传病是由于溶酶体中缺少一种或几种酶所致。
如何根据溶酶体贮积症研究M6P分选途径?
■内体(endosome)
内体有初级内体(earlyendosome)和次级内体(late
endosome)之分,内体的主要特征是酸性的、不含溶酶体
酶的小囊泡。初级内体是由于细胞的内吞作用而形成的
含有内吞物质的膜结合的细胞器。
次级内体中的pH呈酸性,且具有分拣作用。内体膜上
具有ATPase-H+质子泵，利用H+质子的浓度，保证了内
部pH的酸性(图9-49)。
图9-49溶酶体酶运输小泡与次级内体的融合及次级
内体的分选作用
23/25下载文档可编辑
■溶酶体形成的非M6P途径
M6P途径是溶酶体酶分选的主要途径,但不是惟一的途
径,这主要是通过对一种遗传病的研究发现的。
●粘脂病(mucolipidosis)是一种遗传病,这种病人
不能使甘露糖磷酸化。病人的成纤维细胞中含有很多细
胞质小泡，小泡中有大量的未被消化的大分子,这些大
分子在正常情况下是由溶酶体降解的。由于甘露糖不被
磷酸化,意味着大多数溶酶体酶不能正确地进入溶酶体。
●非磷酸化的溶酶体酶
在粘脂病的病人细胞的溶酶体中发现有未被磷酸化的
水解酶,推测这些酶是通过非M6P依赖性的分选途径进
入溶酶体的。这种推测从I-细胞病人的肝细胞溶酶体酶
分析中得到证实。I-细胞病人的肝细胞中溶酶体的酶也
没有M6P标记,但是能够进入溶酶体,这就说明这些溶酶
体必然是通过非M6P依赖的途径进入溶酶体的，但机理
尚不清楚。
●非M6P途径的可能方式
两种可能:一是作为膜蛋白,合成时就插在膜上；另一
种可能就是作为前体合成并结合在膜上,进入溶酶体膜
后水解释放到溶酶体腔中。
24/25下载文档可编辑
请举例说明溶酶体酶进入溶酶体的非M6P途径的可能
方式。
■溶酶体与疾病
已知有不少疾病与溶酶体有关,如贮积症(storage
diseases)、I-细胞病、矽肺、类风湿性关节炎等。
●矽肺病(silicosis)
●Ⅱ型糖原贮积症(glycogenstoragediseasetype
Ⅱ)是最早发现的贮积症。由于常染色体上的一个隐性
基因突变，造成了溶酶体缺乏α�葡萄糖苷酶，缺少
了这种酶的溶酶体不能把肝细胞中或肌细胞中过剩的糖
原进行水解而大量积累在溶酶体内，造成溶酶体超载。
此病多发于婴儿，表现为肌肉无力，心脏增大，心力衰
竭,通常于两周内死亡。
●休克(shock)在休克中，由于组织缺血、缺氧，影
响了供能系统，造成膜的不稳定，引起溶酶体酶的外漏，
造成细胞与机体的损伤。溶酶体的酶外漏的可能机理是：
由于缺氧，引起细胞pH值的下降，酸性水解酶活化，水
解溶酶体的膜,使膜漏增强，最终导致溶酶体膜破裂，
溶酶体酶释放，使细胞组织自溶；而三羧酸循环的受阻
影响细胞氧化磷酸化的过程，ATP减少，功能不足，钠泵
25/25下载文档可编辑
失灵，组织内渗透压下降，导致溶酶体膜的通透性增高，
酶释放，组织自溶。因此，在抢救休克病人时，临床上
采用大剂量的糖皮质类固醇，以稳定溶酶体的膜。
（学习的目的是增长知识，提高能力，相信一分耕耘一分收
获，努力就一定可以获得应有的回报）