高爾基體的結(jié)構(gòu)和功能

高爾基體(Golgibody)又稱高爾基器(Golgiapparatus)或高爾基復(fù)合體(Golgicomplex)，是真核細胞內(nèi)普遍存在的一種細胞器

1898年，意大利醫(yī)生CamilloGolgi用鍍銀法首次在神經(jīng)細胞內(nèi)觀察到一種網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，命名為內(nèi)網(wǎng)器(internalreticularapparatus)。后來在很多細胞中相繼發(fā)現(xiàn)了類似的結(jié)構(gòu)并稱之為高爾基體。

直到20世紀(jì)50年代以后隨著電子顯微鏡技術(shù)的應(yīng)用和超薄切片技術(shù)的發(fā)展，才確證了高爾基體的存在CamilloGolgi高爾基體的結(jié)構(gòu)和功能

高爾基體是由大小不一、形態(tài)多變的囊泡體系組成的。在不同的細胞中甚至細胞生長的不同階段都有很大的變化。（一）高爾基體的形態(tài)結(jié)構(gòu)與極性（二）高爾基體的功能（一）高爾基體的形態(tài)結(jié)構(gòu)與極性順面反面高爾基體特征性結(jié)構(gòu)：排列較為整齊的扁平膜囊堆疊而成(4-8個)，囊堆構(gòu)成高爾基體的主體結(jié)構(gòu)靠近細胞核的一側(cè)，扁囊彎曲成凸面又稱形成面(formingface)或順面(cisface)面向細胞質(zhì)膜的一側(cè)常呈凹面(concave)又稱成熟面(matureface)或反面(transface)（一）高爾基體的形態(tài)結(jié)構(gòu)與極性A.Rambourg的超高壓電鏡觀察結(jié)果表明高爾基體是一個復(fù)雜的連續(xù)的整體結(jié)構(gòu)高爾基體至少由五個互相聯(lián)系的部分組成：順面膜囊與順面網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)(cisGolginetwork,

CGN)中間膜囊(medialGolgi)反面膜囊與反面網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)(transGolginetwork,

TGN)高爾基體的三個組成部分（一）高爾基體的形態(tài)結(jié)構(gòu)與極性1、順面膜囊與順面網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)(cisGolginetwork,

CGN)CGN接受ER合成的物質(zhì)，分類轉(zhuǎn)入Golgi中間膜囊，少量返回ER蛋白質(zhì)Ser的O-連接糖基化、跨膜蛋白胞質(zhì)側(cè)?；?，溶酶體酶上寡糖的磷酸化高爾基體各部分的功能去除甘露糖溶酶體酶糖鏈磷酸化（一）高爾基體的形態(tài)結(jié)構(gòu)與極性（一）高爾基體的形態(tài)結(jié)構(gòu)與極性1、順面膜囊與順面網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)(cisGolginetwork,

CGN)CGN接受ER合成的物質(zhì)，分類轉(zhuǎn)入Golgi中間膜囊，少量返回ER蛋白質(zhì)Ser的O-連接糖基化、跨膜蛋白胞質(zhì)側(cè)酰基化，溶酶體酶上寡糖的磷酸化高爾基體各部分的功能2、中間膜囊(medialGolgi)糖基修飾與加工，糖脂的形成，與Golgi有關(guān)的多糖的合成去除甘露糖加N-乙酰葡萄糖胺溶酶體酶糖鏈磷酸化（一）高爾基體的形態(tài)結(jié)構(gòu)與極性（一）高爾基體的形態(tài)結(jié)構(gòu)與極性1、順面膜囊與順面網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)(cisGolginetwork,

CGN)CGN接受ER合成的物質(zhì)，分類轉(zhuǎn)入Golgi中間膜囊，少量返回ER蛋白質(zhì)Ser的O-連接糖基化、跨膜蛋白胞質(zhì)側(cè)?；?，溶酶體酶上寡糖的磷酸化高爾基體各部分的功能2、中間膜囊(medialGolgi)糖基修飾與加工，糖脂的形成，與Golgi有關(guān)的多糖的合成3、反面膜囊與反面網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)(transGolginetwork,

TGN)TGN內(nèi)pH比Golgi其他部位低TGN是蛋白分選的樞紐區(qū)，也是蛋白包裝形成網(wǎng)格蛋白/AP包被膜泡的發(fā)源地之一“晚期”的蛋白質(zhì)修飾(Gal唾液酸化、Tyr硫酸化、蛋白水解加工)“瓣膜”作用，保證物質(zhì)單向轉(zhuǎn)運去除甘露糖加N-乙酰葡萄糖胺硫酸化溶酶體酶糖鏈磷酸化

溶酶體質(zhì)膜分泌泡加唾液酸（一）高爾基體的形態(tài)結(jié)構(gòu)與極性（一）高爾基體的形態(tài)結(jié)構(gòu)與極性1、高度動態(tài)的細胞器高爾基體的特點2、極性細胞器，在細胞中往往有比較恒定的位置與方向，物質(zhì)從一側(cè)輸入，另一側(cè)輸出（一）高爾基體的形態(tài)結(jié)構(gòu)與極性高爾基體的標(biāo)志化學(xué)反應(yīng)嗜鋨反應(yīng)(順面膜囊)焦磷酸硫胺素酶(TPP酶)反應(yīng)(反面的1～2層膜囊)胞嘧啶單核苷酸酶(CMP酶)和酸性磷酸酶反應(yīng)(反面膜囊狀和反面管網(wǎng)結(jié)構(gòu))煙酰胺腺嘌呤二核苷磷酸酶(NADP酶)反應(yīng)(中間幾層)反映高爾基體的生化極性高爾基體結(jié)構(gòu)組織及膜囊間蛋白質(zhì)轉(zhuǎn)運的兩種模型

膜泡運輸模型

膜囊成熟模型（一）高爾基體的形態(tài)結(jié)構(gòu)與極性①膜泡運輸模型(vesiculartransportmodel)Golgi膜囊群主體是相對穩(wěn)態(tài)的結(jié)構(gòu)，膜囊自身更新和各部膜囊生化極性(特征酶和駐留蛋白變化)通過不同類型轉(zhuǎn)運膜泡在相鄰膜囊間順向(順→反)和反向(反→順)有序轉(zhuǎn)移實現(xiàn)②膜囊成熟模型(cisternalmaturationmodel)Golgi膜囊群主體是動態(tài)的結(jié)構(gòu)，源自ER的泡管結(jié)構(gòu)先形成GolgiCGN，膜囊從順面→反面漸次成熟并遷移，不當(dāng)轉(zhuǎn)移的膜囊特異酶類或駐留蛋白通過反向COPI轉(zhuǎn)運膜泡沒收（一）高爾基體的形態(tài)結(jié)構(gòu)與極性二、高爾基體

高爾基體是由大小不一、形態(tài)多變的囊泡體系組成的。在不同的細胞中甚至細胞生長的不同階段都有很大的變化。（一）高爾基體的形態(tài)結(jié)構(gòu)與極性（二）高爾基體的功能（二）高爾基體的功能高爾基體是細胞內(nèi)大分子加工轉(zhuǎn)運的樞紐對ER合成的蛋白質(zhì)進行加工、分類與包裝，然后定向轉(zhuǎn)運ER合成的一部分脂質(zhì)向細胞質(zhì)膜和溶酶體膜等部位運輸高爾基體還是細胞內(nèi)糖類合成的工廠內(nèi)質(zhì)網(wǎng)高爾基體晚期內(nèi)體溶酶體早期內(nèi)體細胞外分泌囊泡（二）高爾基體的功能1.高爾基體與細胞的分泌活動2.蛋白質(zhì)的糖基化及其修飾3.蛋白酶的水解和其他加工過程1.高爾基體與細胞的分泌活動(一)觀察高爾基體分泌活動的實驗脈沖標(biāo)記試驗用3H-亮氨酸對胰腺細胞進行脈沖標(biāo)記3min后，放射自顯影銀粒位于ER20min后，銀粒位于Golgi120min后，銀粒位于分泌泡并開始在細胞頂端釋放分泌性蛋白在細胞內(nèi)的合成與轉(zhuǎn)運過程是通過高爾基體完成的1.高爾基體與細胞的分泌活動其他研究方法1.放射自顯影2.熒光蛋白標(biāo)記皰疹性口炎病毒，能表達VSVG蛋白，將其連上GFPVSVG具有一種溫度突變型，在宿主細胞中表達時，溫度在40℃以上時，蛋白不能離開內(nèi)質(zhì)網(wǎng)，溫度降低到32℃是，蛋白離開內(nèi)質(zhì)網(wǎng)進入高爾基體為何利用溫度突變型？單個蛋白分子產(chǎn)生的熒光量弱，若將蛋白聚集在一起，統(tǒng)一離開內(nèi)質(zhì)網(wǎng)，使蛋白運動同步化，容易跟蹤較強的熒光信號1.高爾基體與細胞的分泌活動(二)高爾基體TGN區(qū)的三種分選途徑(1)溶酶體酶的包裝與分選途徑6-磷酸甘露糖（M6P）標(biāo)記(2)可調(diào)節(jié)性分泌途徑（regulatedsecretion）特化類型的分泌細胞(3)組成型分泌途徑（constitutivesecretion）所有真核細胞，均可通過分泌泡連續(xù)分泌某些蛋白質(zhì)至細胞表面1.高爾基體與細胞的分泌活動(1)溶酶體酶的包裝與分選途徑6-磷酸甘露糖(M6P)標(biāo)記溶酶體酶在ER合成時起始N-連接糖基化修飾Golgi的N-乙酰葡糖胺磷酸轉(zhuǎn)移酶和磷酸葡糖苷酶催化下，Man殘基磷酸化形成6-磷酸甘露糖只發(fā)生于溶酶體酶，酶的多個位點可形成M6P，增加與受體的親和力，與其他蛋白分離并起到局部濃縮作用1.高爾基體與細胞的分泌活動(1)溶酶體酶的包裝與分選途徑6-磷酸甘露糖(M6P)標(biāo)記標(biāo)記的溶酶體酶與受體結(jié)合(M6P受體)(高爾基體TGN區(qū))出芽方式形成網(wǎng)格蛋白/AP包被膜泡脫包被(再循環(huán))轉(zhuǎn)至晚期內(nèi)體解離1.高爾基體與細胞的分泌活動(1)溶酶體酶的包裝與分選途徑——(M6P)標(biāo)記Normaland

I-CellDiseaseTransportPathwaysforHydrolyticEnzymesN-乙酰葡糖胺磷酸轉(zhuǎn)移酶單基因突變，不能形成M6P，酶不被受體識別，不能轉(zhuǎn)運到溶酶體中（二）高爾基體的功能1.高爾基體與細胞的分泌活動2.蛋白質(zhì)的糖基化及其修飾3.蛋白酶的水解和其他加工過程2.蛋白質(zhì)的糖基化及其修飾

大多數(shù)質(zhì)膜或膜脂的糖基化修飾和與高爾基體有關(guān)多糖的合成，主要發(fā)生在高爾基體溶酶體酶、多數(shù)質(zhì)膜膜蛋白和可溶性分泌蛋白都是糖蛋白細胞質(zhì)基質(zhì)和細胞核中的多數(shù)蛋白缺少糖基化修飾（1）蛋白質(zhì)糖基化類型及修飾（2）蛋白聚糖在高爾基體中組裝

（3）蛋白質(zhì)糖基化特點及其生物學(xué)意義2.蛋白質(zhì)的糖基化及其修飾（1）蛋白質(zhì)糖基化類型及修飾N-連接糖基化與O-連接糖基化的比較

N-連接糖基化與之直接結(jié)合的糖是N-乙酰葡糖胺O-連接糖基化與之直接結(jié)合的糖是N-乙酰半乳糖胺2.蛋白質(zhì)的糖基化及其修飾（1）蛋白質(zhì)糖基化類型及修飾N-連接寡糖的核心糖基是在ER裝配然后轉(zhuǎn)移到高爾基體的

N-連接寡糖進一步加工修飾在高爾基體完成1.

cis-高爾基膜囊切除3個Man(順面膜囊)圖5-14

脊椎動物細胞糖蛋白N-連接寡糖在高爾基體各膜囊區(qū)間的加工過程2.蛋白質(zhì)的糖基化及其修飾（1）蛋白質(zhì)糖基化類型及修飾2、4.

中間膜囊再附加3個GlcNAc；3.

移除2個Man殘基；5.

附加1個海藻糖；圖5-14

脊椎動物細胞糖蛋白N-連接寡糖在高爾基體各膜囊區(qū)間的加工過程2.蛋白質(zhì)的糖基化及其修飾（1）蛋白質(zhì)糖基化類型及修飾6.

trans高爾基膜囊再加3個半乳糖；7.

每個半乳糖殘基連上一個N-乙酰神經(jīng)氨酸，完成N-連接寡糖的加工圖5-14

脊椎動物細胞糖蛋白N-連接寡糖在高爾基體各膜囊區(qū)間的加工過程2.蛋白質(zhì)的糖基化及其修飾（1）蛋白質(zhì)糖基化類型及修飾所有成熟的N-連接的寡糖鏈都含有2個N-乙酰葡糖胺和3個Man，根據(jù)結(jié)構(gòu)特征可分為：高甘露糖N-連接寡糖：只含N-乙酰葡萄糖和甘露糖復(fù)雜的N-連接寡糖：含N-乙酰葡萄糖、甘露糖、巖藻糖、半乳糖、唾液酸O-連接糖基化在糖基轉(zhuǎn)移酶作用下每次加上1個單糖，最后加上唾液酸（高爾基體反面膜囊和TGN）ER和高爾基體中所有與糖基化及寡糖加工的有關(guān)的酶都是膜整合蛋白，活性部位位于腔面高爾基體中的糖基化反應(yīng)底物為核苷酸單糖，通過反向協(xié)同運輸從基質(zhì)運到腔內(nèi)寡糖鏈的合成和加工過程類似“裝配流水線”2.蛋白質(zhì)的糖基化及其修飾（2）蛋白聚糖在高爾基體中組裝由一個或多個糖胺聚糖

(glycosaminoglycan)結(jié)合到核心蛋白的Ser殘基上，直接與Ser羥基結(jié)合的不是N-乙酰半乳糖胺而是木糖蛋白聚糖多為胞外基質(zhì)成分硫酸軟骨素2.蛋白質(zhì)的糖基化及其修飾（3）蛋白質(zhì)糖基化特點及其生物學(xué)意義特點：

糖蛋白質(zhì)中寡糖鏈的合成與修飾都沒有模板，是依靠不同的糖基轉(zhuǎn)移酶，在細胞的不同間隔經(jīng)歷復(fù)雜加工過程完成的（寡糖鏈排列的多樣性本身可作為一種“指紋”→糖化學(xué)的研究）2.蛋白質(zhì)的糖基化及其修飾（3）蛋白質(zhì)糖基化特點及其生物學(xué)意義糖蛋白質(zhì)的寡糖鏈可促進蛋白質(zhì)折疊和增強糖蛋白穩(wěn)定性糖基化使蛋白帶有不同標(biāo)記，利于高爾基體進行分選與包裝，保證糖蛋白從rER至高爾基體膜囊單向轉(zhuǎn)移(M6P)細胞內(nèi)一些負責(zé)糖鏈合成與加工的酶類均由管家基因編碼；細胞表面、細胞外基質(zhì)密集存在的寡糖鏈，直接介導(dǎo)細胞間的雙向通訊，或參與分化、發(fā)育等多種過程多羥基糖側(cè)鏈還影響蛋白水溶性及蛋白所帶電荷的性質(zhì)進化上的意義，寡糖鏈的剛性限制其他大分子接近細胞表面的膜蛋白，形成保護性外被（二）高爾基體的功能1.高爾基體與細胞的分泌活動2.蛋白質(zhì)的糖基化及其修飾3.蛋白酶的水解和其他加工過程3.蛋白酶的水解和其他加工過程TGN膜上結(jié)合有蛋白水解酶，特異水解常常發(fā)生在一對堿性氨基酸(Arg-Arg或Lys-Arg)的C端（1）蛋白質(zhì)在高爾基體中酶解加工的幾種類型（2）不同多肽采用不同加工方式的原因（3