高中生物竞赛课件：溶酶体结构、功能及其发生.pptx

溶酶体结构、功能及其发生（一）溶酶体的发现（二）溶酶体的形态结构与类型（三）溶酶体的功能（四）溶酶体的发生（五）溶酶体与疾病（一）溶酶体的发现u1949年，C.de Duve 利用差速离心法分离细胞组分时获得（一）溶酶体的发现u1949年，C.de Duve 利用差速离心法分离细胞组分时获得u1955年，de Duve 和 Novikoff 利用电镜证明溶酶体的存在测定对象：酸性磷酸酶（二）溶酶体的形态结构与类型u溶酶体(lysosome)：由单层膜围绕，内含多种酸性水解酶类的囊泡状细胞器u酸性水解酶：核酸酶、蛋白酶、糖苷酶、酯酶、磷脂酶、硫酸酯酶和磷酸酶u最适pH 5.0 左右u标志酶：酸性磷酸酶膜成分与其他生物膜存在差异：嵌有V型质子泵多种载体蛋白水解产物向外转运膜蛋白高度糖基化防止自身膜蛋白的降解，维持稳定溶 酶 体 类 型u溶酶体存在于所有动物细胞中，植物细胞中有类似功能的细胞器(圆球体、糊粉粒和中央液泡)，微生物(细胞壁和质膜的间隙)u动物细胞中溶酶体数量和形态差异较大，同一细胞中溶酶体大小和形态差异也很大，与溶酶体处于不同生理功能阶段相关u溶酶体是一种异质性细胞器（二）溶酶体的形态结构与类型溶酶体三种类型：初级溶酶体次级溶酶体残质体（二）溶酶体的形态结构与类型初级溶酶体(Primary lysosome):球形，直径0.2-0.5m，内容物均一，不含明显的颗粒物质，外由一层脂蛋白膜围绕次级溶酶体(Secondary lysosome):初级溶酶体与细胞内的自噬泡或异噬泡(胞饮泡或吞噬泡)融合形成的进行消化作用的复合体，分 别 称 之 为 自 噬 溶 酶 体(Autophagolysosome)和 异 噬 溶 酶 体(Heterphagic lysosome)u结构复杂，形态不规则，可达几mu内含多种生物大分子、颗粒、膜片甚至某些细胞器u产生的小分子物质可经膜转运蛋白送入细胞质基质，供细胞代谢利用（二）溶酶体的形态结构与类型残质体(residual body)：次级溶酶体内未被消化的物质残存在溶酶体内形成残质体或称后溶酶体u产生原因：水解酶活性降低消化能力下降u命运：可通过胞吐排出内容物堆积在细胞中，如脂褐质颗粒的形成三、溶酶体（一）溶酶体的发现（二）溶酶体的形态结构与类型（三）溶酶体的功能（四）溶酶体的发生（五）溶酶体与疾病（三）溶酶体的功能 溶酶体的基本功能是细胞内的消化作用，一般可概括成内吞作用、吞噬作用和自噬作用3 种途径内吞作用：可溶性大分子通过质膜包被小窝内化和内吞泡摄入细胞与初级溶酶体结合形成异噬溶酶体被消化（三）溶酶体的功能 溶酶体的基本功能是细胞内的消化作用，一般可概括成内吞作用、吞噬作用和自噬作用3 种途径吞噬作用：破损细胞或病原体及不溶性颗粒物质通过异噬泡形成进入细胞与初级溶酶体结合被消化（三）溶酶体的功能 溶酶体的基本功能是细胞内的消化作用，一般可概括成内吞作用、吞噬作用和自噬作用3 种途径自噬作用：细胞内破损细胞器和批量细胞质形成自噬泡与初级溶酶体结合被消化（三）溶酶体的功能1.消化由胞吞作用进入细胞的内容物2.细胞自噬与生物大分子、损伤的细胞器的降解3.防御功能4.在分泌腺细胞中，溶酶体常常摄入分泌颗粒，参与分泌过程的调节5.程序性死亡后的细胞被周围吞噬细胞溶酶体消化清除6.受精过程中的顶体反应1、消化由胞吞作用进入细胞的内容物u细胞的消化器官，为细胞提供营养u葡萄糖、氨基酸和小分子物质可进入细胞后直接利用，但其他物质，如膜组分、胞外基质等需要经过溶酶体消化后利用u单细胞真核生物，如黏菌、变形虫靠吞噬细菌和某些真核微生物生存u多细胞生物降解衰老细胞，如红细胞的清除2、细胞自噬与生物大分子、损伤的细胞器的降解u真核细胞对蛋白存量的调节方式：依赖于泛素和蛋白酶体的降解途径自噬介导的溶酶体降解途径长寿蛋白、受损或需要淘汰的细胞器（清道夫）细胞自噬（Autophagy）:自噬相关基因调控下对细胞内部受损或需要淘汰的物质进行再利用的过程u过程：受损蛋白质或细胞器被双层膜结构的自噬小泡包裹，并与溶酶体（动物中）或液泡（酵母和植物中）融合，将内容物降解后循环利用u正常情况下低水平，营养物质缺乏时作用增强Figure 1|Schematic of autophagy.In mammalian cells,the ULK complex(comprising ULK1/2-Atg13-FIP200-Atg101)is responsible for initiation of autophagy,in response to certain signals.The formation of double-layered membrane within the cytosol requires the action of the Vps34 complex(Vps34-Vps15,Beclin-1-Barkor).The class III PI3K activity of this complex is required for phagophore formation.Next,two conjugation systems add the Atg12-Atg5-Atg16L complex and LC3-II to the elongating membrane.The membrane grows to enwrap a portion of the cytosol,forming an autophagosome.In the final step of the process,lysosomes fuse with the autophagosome,releasing lysosomal hydrolases into the interior,resulting in degradation of the vesicle contentsNat Chem Biol.2011 Jan;7(1):9-17.doi:10.1038/nchembio.500.细胞自噬2、细胞自噬与生物大分子、损伤的细胞器的降解微自噬(microautophagy)巨自噬(macroautophagy)分子伴侣介导的自噬(chaperone mediated autophagy,CMA)细胞自噬的三种形式微自噬：溶酶体或者液泡的膜直接内陷，将细胞质基质中的物质包裹进入溶酶体腔并降解的过程Proc Natl Acad Sci U S A.2005 May 31;102(22):7779-80.2、细胞自噬与生物大分子、损伤的细胞器的降解微自噬(microautophagy)巨自噬(macroautophagy)分子伴侣介导的自噬(chaperone mediated autophagy,CMA)细胞自噬的三种形式巨自噬：细胞在相关信号的刺激下，底物蛋白或细胞器被一种双层膜的结构包裹，形成直径400-900nm大小的自噬小泡，外膜与溶酶体膜融合，释放所包裹的底物到溶酶体降解的过程Proc Natl Acad Sci U S A.2005 May 31;102(22):7779-80.2、细胞自噬与生物大分子、损伤的细胞器的降解微自噬(microautophagy)巨自噬(macroautophagy)分子伴侣介导的自噬(chaperone mediated autophagy,CMA)细胞自噬的三种形式分子伴侣介导的自噬：溶酶体通过Hsp70等分子伴侣识别并结合带有”KFERQ”(Lys-Phe-Glu-Arg-Gln)氨基酸序列的底物蛋白进行降解的过程（持续饥饿状态下为细胞提供能量，在氧化性损伤保护、维持细胞内环境稳定方面发挥作用）Proc Natl Acad Sci U S A.2005 May 31;102(22):7779-80.大隅良典3、防御功能u动物中有几种吞噬细胞，位于肝、脾和其他血管通道中，清除抗原抗体复合物及吞噬的细菌、病毒等入侵者，同时不断清除衰老死亡的细胞和血管中的颗粒物质u部分微生物可抑制吞噬泡的酸化而抑制溶酶体酶的活性在吞噬泡内繁殖（麻风分枝杆菌、利什曼原虫）u病毒借助受体介导的胞吞作用侵入宿主细胞，利用内体酸性环境将核衣壳释放到细胞质中，实现繁殖4、在分泌腺细胞中，溶酶体常常摄入分泌颗粒，参与分泌过程的调节甲状腺素甲状腺球蛋白甲状腺滤泡细胞 Na/I协同转运蛋白碘化三碘甲状腺氨酸5、程序性死亡后的细胞被周围吞噬细胞溶酶体消化清除6、受精过程中的顶体反应特化的溶酶体三、溶酶体（一）溶酶体的发现（二）溶酶体的形态结构与类型（三）溶酶体的功能（四）溶酶体的发生1、依赖于6-磷酸甘露糖的溶酶体酶分选途径2、不依赖于6-磷酸甘露糖的溶酶体酶分选途径1、依赖于6-磷酸甘露糖的溶酶体酶分选途径1、依赖于6-磷酸甘露糖的溶酶体酶分选途径1、依赖于6-磷酸甘露糖的溶酶体酶分选途径N-乙酰葡糖胺磷酸转移酶溶酶体酶单糖二核苷酸UDP-GlcNAc1、溶酶体酶被N-乙酰葡糖胺磷酸转移酶识别依赖于信号斑（溶酶体酶上的特殊三维结构）N-乙酰葡糖胺磷酸转移酶还能结合单糖二核苷酸1）形成M6P标志1、依赖于6-磷酸甘露糖的溶酶体酶分选途径N-乙酰葡糖胺磷酸转移酶溶酶体酶单糖二核苷酸UDP-GlcNAc2、N-乙酰葡糖胺磷酸转移酶催化UDP-GlcNAc上的GlcNAc-P转移到高甘露糖寡糖链上的甘露糖残基上1）形成M6P标志1、依赖于6-磷酸甘露糖的溶酶体酶分选途径释放N-乙酰葡糖胺磷酸转移酶溶酶体酶单糖二核苷酸UDP-GlcNAc3、溶酶体酶从N-乙酰葡糖胺磷酸转移酶上释放1）形成M6P标志1、依赖于6-磷酸甘露糖的溶酶体酶分选途径释放磷酸葡糖苷酶N-乙酰葡糖胺磷酸转移酶溶酶体酶单糖二核苷酸UDP-GlcNAcM6P标志4、磷酸葡糖苷酶去除溶酶体酶末端的GlcNAc，暴露出磷酸基团，形成M6P标志（高尔基体中间膜囊）1）形成M6P标志1、依赖于6-磷酸甘露糖的溶酶体酶分选途径2）溶酶体酶的分选2）溶酶体酶的分选1、依赖于6-磷酸甘露糖的溶酶体酶分选途径溶酶体酶被转运到高尔基体TGN区M6P与M6P受体结合出芽形成转运膜泡(外面包被有网格蛋白/AP复合物)2）溶酶体酶的分选1、依赖于6-磷酸甘露糖的溶酶体酶分选途径脱包被，转至前溶酶体（载有溶酶体酶的脱包被转运膜泡与晚期内体融合而形成，膜上具有质子泵，腔内酸性 pH6.0）M6P与M6P受体分离，同时M6P去磷酸化2）溶酶体酶的分选1、依赖于6-磷酸甘露糖的溶酶体酶分选途径M6P受体的去向：1）M6P受体存在于前溶酶体中，通过出芽形成新的转运膜泡，重新转移到高尔基体TGN区（主流途径）2）一部分受体可转移到细胞质膜上2）溶酶体酶的分选1、依赖于6-磷酸甘露糖的溶酶体酶分选途径问题：分选效率低，部分M6P标志的溶酶体酶通过运输小泡直接分泌到细胞外解决：细胞质膜上存在依赖于Ca2+的M6P受体，与胞外溶酶体酶结合，在网格蛋白/AP协助下通过受体介导的胞吞作用转运至前溶酶体中溶酶体发生过程1、依赖于6-磷酸甘露糖的溶酶体酶分选途径三、溶酶体（一）溶酶体的发现（二）溶酶体的形态结构与类型（三）溶酶体的功能（四）溶酶体的发生1、依赖于6-磷酸甘露糖的溶酶体酶分选途径2、不依赖于6-磷酸甘露糖的溶酶体酶分选途径2、不依赖于6-磷酸甘露糖的溶酶体酶分选途径u正常淋巴细胞中，如细胞毒性T淋巴细胞和NK细胞的溶酶体中，既含有溶酶体酶，也含有水溶性蛋白穿孔素(perforin)和粒酶(granzyme)，溶酶体酶通过依赖于M6P的途径进入溶酶体，但穿孔素和粒酶通过不依赖于M6P的途径进入溶酶体，细胞受到外界刺激后，这类溶酶体会像分泌泡一样释放内含物，杀伤靶细胞，又称这类溶酶体为分泌溶酶体(secretory lysosome)u酸性磷酸酶的分选：合成时为跨膜蛋白，经高尔基体转运到细胞表面，依赖于胞质侧部分Tyr残基信号，从细胞表面再转运到溶酶体，在胞质中巯基蛋白酶和溶酶体中天冬氨酸蛋白酶作用下成为可溶性的酶溶酶体酶的加工常常发生在进入溶酶体以后三、溶酶体（一）溶酶体的发现（二）溶酶体的形态结构与类型（三）溶酶体的功能（四）溶酶体的发生（五）溶酶体与疾病（五）溶酶体与疾病1、溶酶体储积症(lysosomal storage diseases)：溶酶体缺乏某种水解酶，导致相应的底物不能被降解而积蓄在溶酶体内泰-萨克斯病病因:己糖胺酶A先天性缺失导致:不能降解神经节苷脂GM2，患儿智力迟钝、失明，一般在26死亡I细胞病病因:N-乙酰葡糖氨磷酸转移酶缺乏导致:M6P不能形成，溶酶体内底物积蓄形成很大的包含体2、溶酶体膜稳定性下降，水解酶外溢导致的相关疾病，如矽肺、类风湿性关节炎等二氧化硅吸入肺泡，被巨噬细胞吞噬后进入溶酶体中，导致巨噬细胞溶酶体崩解。四、过氧化物酶体 过氧化物酶体(peroxisome)又称微体(microbody)，是由单层膜围绕的内含一种或几种氧化酶类的异质性细胞器。在真核细胞中普遍存在，动物中称为过氧化物酶体，植物叶片中叫过氧化物酶体，根和种子中叫乙醛酸循环体1.过氧化物酶体与溶酶体的区别2.过氧化物酶体的功能3.过氧化物酶体的发生鼠肝细胞超薄切片所显示的过氧化物酶体和其他细胞 器如线粒体等1.过氧化物酶体与溶酶体的区别u过氧化物酶体和初级溶酶体的形态与大小类似，但过氧化物酶体中的尿酸氧化酶等常形成晶格状结构，可作为电镜下识别的主要特征u密度不同，通过密度梯度离心可分离过氧化物酶体和溶酶体1.过氧化物酶体与溶酶体的区别特征溶酶体微体形态大小多呈球形，直径0.2-0.5m，无酶晶体球形，哺乳动物细胞中直径多在0.15-0.25m，内常有酶的晶体酶种类酸性水解酶含有氧化酶类pH5.0左右7.0左右是否需要O2不需要需要功能细胞内的消化作用多功能发生酶在rER合成，经高尔基体出芽形成 酶在细胞质基质中合成，经组装与分裂形成识别的标志酶酸性磷酸酶过氧化氢酶1.过氧化物酶体与溶酶体的区别2.过氧化物酶体的功能 异质性细胞器，不同生物的细胞中，甚至单细胞生物的不同个体中所含酶的种类及其行使的功能都有所不同培养条件过氧化物酶体特征含糖培养液体积小含甲醇培养液体积增大，数量增多，可占细胞质体积的80%以上含脂肪酸培养液发达，可把脂肪分解为乙酰辅酶A酵母细胞在不同条件下培养2.过氧化物酶体的功能过氧化物酶体所含酶类 直接利用分子氧的细胞器，常含有两种酶；两种酶催化的反应相互偶联(可形成一个简单的呼吸链，但不起能量转换的作用)，使细胞免受H2O2毒害依赖于黄素(FAD)的氧化酶：将底物氧化降解，并产生H2O2过氧化氢酶(标志性酶)：将H2O2分解，形成水和氧气(含量占过氧化物酶体蛋白总量的40%)2.过氧化物酶体的功能动物细胞中：参与脂肪酸的-氧化具有解毒作用，过氧化氢酶利用H2O2将酚、甲醛、甲酸和醇等有害物质氧化，饮入的酒精1/2是在微体中氧化为乙醛植物细胞中：参与光呼吸，将光合作用的副产物乙醇酸氧化为乙醛酸和过氧化氢在萌发的种子中，进行脂肪酸-氧化，产生乙酰辅酶A，经乙醛酸循环，由异柠檬酸裂解为乙醛酸和琥珀酸，加入三羧酸循环，因涉及乙醛酸循环，又称乙醛酸循环体3.过氧化物酶体的发生2层意义1.过氧化物酶体中包含各种组分，特别是蛋白质如何进入过氧化物酶体？过氧化物酶体膜蛋白和可溶性的基质蛋白均由细胞核基因编码，主要在细胞质基质中合成，然后分选转运到过氧化物酶体中2.细胞器本身如何形成的？3.过氧化物酶体的发生细胞器的发生途径一是细胞内已有的成熟过氧化物酶体经分裂增殖而产生子代细胞器二是在细胞内从头开始组装(de novo)分 裂 增 殖从头组装3.过氧化物酶体的发生细胞内从头开始组装(de novo)三个阶段在ER起始装配，形成过氧化物酶体雏形成熟的过氧化物酶体分裂增殖主要生化事件膜蛋白的输入基质蛋白的输入3.过氧化物酶体的发生细胞内从头开始组装(de novo)三个阶段1、在ER起始装配，形成过氧化物酶体雏形内 质 网 膜 上 合 成 Pex3和Pex16，并插入到膜上招募Pex19，形成特殊区域内质网出芽衍生出前体膜泡膜蛋白掺入(膜蛋白具有靶向序列，通过与胞质受体Pex19结合，在Pex3和Pex16的辅助下插入质膜)膜蛋白的输入3.过氧化物酶体的发生2、成熟的过氧化物酶体u基质蛋白的要求:具有过氧化物酶体引导信号(peroxisomal targeting signal,PTS)，包括PTS1和PTS2PTS1为Ser-Lys-Leu(SKL)，存在于多数基质蛋白的C端 PTS2为Arg/Lys-Leu/Ile-5X-His/Gln-Leu，存在于某些基质蛋白N端前2030个氨基酸基质蛋白的输入3.过氧化物酶体的发生2、成熟的过氧化物酶体u基质蛋白的要求:具有过氧化物酶体引导信号PTS1和PTS2基质蛋白的输入u蛋白输入的要求：具有胞质受体(Pex5和Pex7)u蛋白输入的途径：至少由6种peroxin组装而成的易位体带有PTS1和PTS2信号序列的基质蛋白分别与胞质受体Pex5和Pex7结合，再与膜受体Pex14结合，经易位体形成的通道进入腔内,Pex5和Pex7释放货物，返回细胞质重复使用转运折叠好的蛋白信号序列不切除需消耗ATP3.过氧化物酶体的发生3、成熟过氧化物酶体分裂增殖分裂过程依赖Pex11