細(xì)胞生物學(xué)課件：第七章-高爾基復(fù)合體與細(xì)胞分泌

第七章

高爾基復(fù)合體與細(xì)胞分泌

1898年，Golgi（意大利醫(yī)生）用銀染法，在貓頭鷹和貓的神經(jīng)細(xì)胞內(nèi)靠近核的位置，觀察到大的黑色網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，命名為內(nèi)網(wǎng)器。20世紀(jì)50年代電鏡的出現(xiàn)，使得在細(xì)胞超微結(jié)構(gòu)研究中可直接觀察到細(xì)胞組分，才最終確認(rèn)了高爾基體的存在和結(jié)構(gòu)。為紀(jì)念高爾基將其定名為高爾基體，它是細(xì)胞內(nèi)膜系統(tǒng)的一部分。高爾基體在細(xì)胞內(nèi)的分布第一節(jié)高爾基復(fù)合體的形態(tài)結(jié)構(gòu)高爾基復(fù)合體是由單層單位膜圍成的扁囊和管網(wǎng)堆在一起形成的高度有極性的細(xì)胞器。常分布于內(nèi)質(zhì)網(wǎng)與細(xì)胞膜之間，呈弓形或半球形。凸出的一面對(duì)著內(nèi)質(zhì)網(wǎng)稱為形成面（formingface）或順面（cisface），膜較薄約6nm，與內(nèi)質(zhì)網(wǎng)的厚度接近，暗-明-暗三層式單位膜結(jié)構(gòu)不明顯。凹進(jìn)的一面對(duì)著質(zhì)膜稱為成熟面（matureface）或反面（transface），膜較厚約10nm。順面和反面都有一些或大或小的運(yùn)輸小泡。分布：只存在于真核細(xì)胞中,原核細(xì)胞中無。常分布于內(nèi)質(zhì)網(wǎng)與質(zhì)膜之間。高爾基復(fù)合物的這種分布是由微管決定的。（用秋水仙素處理細(xì)胞，阻斷微管形成導(dǎo)致高爾基復(fù)合物的彌散性分布；去掉秋水仙素后，很快又能恢復(fù)原狀）在分散高爾基體（成摞存在的潴泡）周圍的細(xì)胞質(zhì)基質(zhì)中缺乏核糖體、線粒體、葉綠體等細(xì)胞器，特稱為高爾基基質(zhì)。數(shù)量：細(xì)胞類型不同，高爾基堆體數(shù)量差異很大，可由1個(gè)到幾千摞不等。特點(diǎn):

具有極性物質(zhì)運(yùn)輸具極性；順面反面位置具極性；順面近核，反面靠近質(zhì)膜結(jié)構(gòu)具極性；靠細(xì)胞核的面，潴泡彎曲呈凸面——形成面（FormingFace,cis順面）；遠(yuǎn)離核的面，潴泡呈凹面——成熟面（MaturingFace,trans反面）。Golgi體的結(jié)構(gòu)分區(qū):順面潴泡(CisCisternae)，中間潴泡(MedialCisternae)，反面潴泡(TransCisternae)。各區(qū)在成分、厚度上具有極性，此極性與高爾基復(fù)合體的功能有關(guān)。無論在cis面，還是trans面，都在頂面部位存在一特殊區(qū)域，在此區(qū)域中，小管和潴泡連接成網(wǎng)，此謂高爾基網(wǎng)。根據(jù)所處位置分為順面高爾基網(wǎng)和反面高爾基網(wǎng)。順面反面順面高爾基網(wǎng)順面潴泡中間潴泡反面潴泡反面高爾基網(wǎng)高爾基小泡近核分泌泡順面中間反面高爾基體的形態(tài)和結(jié)構(gòu)

高爾基體的功能隔區(qū)：高爾基體順面的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)（cisGolginetwork，CGN）：是高爾基體的入口區(qū)域。高爾基體中間膜囊（medialGolgi）：與高爾基體有關(guān)的糖合成均發(fā)生此處。高爾基體反面的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)（transGolginetwork，TGN）:高爾基體的出口區(qū)域，參與蛋白質(zhì)的分類與包裝，最后輸出。第二節(jié)高爾基復(fù)合體的化學(xué)組成利用細(xì)胞分部分離技術(shù)對(duì)高度純化的高爾基復(fù)合體進(jìn)行生化分析，發(fā)現(xiàn)其化學(xué)組成介于內(nèi)質(zhì)網(wǎng)和質(zhì)膜之間，是介于內(nèi)質(zhì)網(wǎng)和質(zhì)膜之間的一種過渡性細(xì)胞器。蛋白質(zhì)含量約60%，脂類約40%。脂類主要為膽固醇和磷脂，還有少量糖脂。細(xì)胞的各種膜均有其特有的標(biāo)志酶，在純化后的高爾基復(fù)合體中濃度比較高的酶有幾種糖基轉(zhuǎn)移酶和硫胺素焦磷酸酶。其中最典型的為糖基轉(zhuǎn)移酶，是高爾基復(fù)合體的標(biāo)記酶。糖基轉(zhuǎn)移酶的作用是催化蛋白和脂類發(fā)生糖基化，生成糖蛋白和糖脂。高爾基復(fù)合體的潴泡具有4種標(biāo)志細(xì)胞化學(xué)反應(yīng)區(qū)：煙酰胺腺嘌呤二核苷磷酸酶（NADP酶）反應(yīng)區(qū)：可特異性顯示中間潴泡，是中間潴泡的標(biāo)志反應(yīng)。嗜鋨反應(yīng)區(qū)：用餓酸染色時(shí)，高爾基復(fù)合體順面的1-2個(gè)潴泡發(fā)生特異性著色，即嗜鋨反應(yīng)是順面潴泡的標(biāo)志反應(yīng)。胞嘧啶單核苷酸酶（CMP酶）反應(yīng)區(qū)：顯示高爾基復(fù)合體反面上的一些潴泡和管狀結(jié)構(gòu)。CMP酶也是溶酶體的標(biāo)志酶，預(yù)示著CMP酶特異性反應(yīng)的潴泡和管狀結(jié)構(gòu)區(qū)為溶酶體的形成部位。硫胺素焦磷酸酶（TPP酶）反應(yīng)區(qū)：特異性顯示高爾基復(fù)合體反面的1-2個(gè)潴泡，為反面潴泡的標(biāo)志反應(yīng)。第三節(jié)高爾基復(fù)合體的功能高爾基復(fù)合體在內(nèi)膜系統(tǒng)中處于中介地位，它的主要功能是參與細(xì)胞分泌活動(dòng)，在對(duì)細(xì)胞內(nèi)合成物質(zhì)的加工、修飾、分選、包裝和運(yùn)輸中具有重要作用。許多重要大分子的運(yùn)輸和分泌都要通過高爾基復(fù)合體，因而高爾基復(fù)合體的膜也要不斷地進(jìn)行連續(xù)轉(zhuǎn)變。一、高爾基復(fù)合體與細(xì)胞分泌活動(dòng)

高爾基體的主要功能之一是形成和包裝分泌物，將內(nèi)質(zhì)網(wǎng)合成的蛋白質(zhì)和脂質(zhì)進(jìn)一步加工、濃縮、運(yùn)輸，形成各種分泌顆粒，運(yùn)送到胞外。為檢驗(yàn)酶原顆粒等分泌物的合成部位、運(yùn)輸途徑和高爾基復(fù)合體的功能，1969年Caro和Palade用放射性示蹤試驗(yàn)，證實(shí)了細(xì)胞內(nèi)分泌蛋白從合成到釋放出細(xì)胞的全過程。實(shí)驗(yàn)：豚鼠胰腺組織放射性自顯影顯示酶原顆粒的合成部位、運(yùn)輸途徑以及高爾基復(fù)合體的功能。豚鼠胰腺組織浸入含有3H-亮氨酸溶液中，3min后發(fā)現(xiàn)放射性標(biāo)記主要集中在糙面內(nèi)質(zhì)網(wǎng)區(qū)域，表明3H-亮氨酸已經(jīng)摻入到內(nèi)質(zhì)網(wǎng)合成的蛋白中；20min后放射性標(biāo)記主要集中在鄰近高爾基復(fù)合體的內(nèi)質(zhì)網(wǎng)區(qū)、高爾基池中及高爾基復(fù)合體本身的分泌泡中，說明蛋白由內(nèi)質(zhì)網(wǎng)運(yùn)往高爾基體，在高爾基體區(qū)包上膜成為酶原顆粒；117min后放射性標(biāo)記出現(xiàn)在近細(xì)胞頂端的酶原顆粒以及釋放到細(xì)胞外的分泌物中，說明酶原顆粒移到細(xì)胞頂部同質(zhì)膜融合，將其內(nèi)容物放到細(xì)胞外。結(jié)果：酶原顆粒的形成順序如下：A、蛋白質(zhì)在糙面內(nèi)質(zhì)網(wǎng)合成。B、新合成的蛋白質(zhì)由內(nèi)質(zhì)網(wǎng)運(yùn)往高爾基復(fù)合體。C、在高爾基區(qū)蛋白質(zhì)被包上了膜，成了酶原顆粒的內(nèi)容物。D、新合成的酶原顆粒移至細(xì)胞頂部，隨后同細(xì)胞質(zhì)膜融合，并將內(nèi)容物釋放到胰腺細(xì)胞外?；撞抠|(zhì)膜結(jié)合在ER膜上的多核糖體轉(zhuǎn)運(yùn)小泡高爾基復(fù)合體轉(zhuǎn)運(yùn)小泡細(xì)胞外空間頂端質(zhì)膜核分泌物形成后，如果隨即被排出細(xì)胞，這種分泌方式稱為連續(xù)分泌(continuoussecretion)，又稱恒定型分泌(constitutivesecretion)，是一種不受調(diào)控的分泌方式。如果先在分泌顆粒中貯存一段時(shí)間，待需要時(shí)再分泌至細(xì)胞外，稱為不連續(xù)分泌(discontinuoussecretion)，是一種受調(diào)控的分泌方式。分泌顆粒同質(zhì)膜融合，開口將分泌物排出，而有些膜蛋白便整合到質(zhì)膜上成為質(zhì)膜蛋白。這部分分泌顆粒的膜同質(zhì)膜融合后，質(zhì)膜又可內(nèi)陷形成小泡，返回高爾基區(qū)，重新被用來運(yùn)送分泌產(chǎn)物。因此，一部分膜可在高爾基復(fù)合體與質(zhì)膜之間進(jìn)行穿梭載運(yùn)。高爾基復(fù)合體的反面高爾基網(wǎng)對(duì)蛋白還有分揀作用（sorting)，可根據(jù)蛋白所帶有的分揀信號(hào)，將不同命運(yùn)的蛋白質(zhì)分揀開，并以膜泡形式運(yùn)輸至靶部位，如溶酶體酶。植物細(xì)胞含有果膠質(zhì)和纖維素的細(xì)胞壁物質(zhì)也是在高爾基復(fù)合體上進(jìn)行加工和包裝的。高爾基復(fù)合體在植物細(xì)胞壁的形成過程中具有重要作用。二、蛋白質(zhì)和脂類的糖基化及其修飾在糙面內(nèi)質(zhì)網(wǎng)上合成的蛋白質(zhì)，大部分都要進(jìn)行糖基化修飾而形成糖蛋白，糖蛋白中的寡糖鏈在細(xì)胞內(nèi)蛋白質(zhì)的分揀和運(yùn)送中具有一定作用。蛋白質(zhì)的糖基化修飾主要在糙面內(nèi)質(zhì)網(wǎng)和高爾基復(fù)合體中進(jìn)行。高爾基復(fù)合體中有多種糖基轉(zhuǎn)移酶和加工寡糖鏈的酶，催化蛋白質(zhì)和脂類的糖基化并對(duì)蛋白的寡糖鏈按順序依次修飾。

特征

N-連接

O-連接合成部位粗面內(nèi)質(zhì)網(wǎng)高爾基體合成方式合成好的寡糖鏈一次連接一個(gè)個(gè)單糖加上去與之結(jié)合的氨基酸殘基天冬酰胺

絲氨酸、蘇氨酸、羥脯氨酸，羥賴氨酸最終長度

5-25個(gè)糖殘基一般1～4個(gè)糖殘基，最多5-6個(gè)第一個(gè)糖殘基

N—乙酰葡萄糖胺N—乙酰半乳糖胺等N-連接與O-連接的寡糖比較

蛋白質(zhì)糖基化的作用：1、起運(yùn)輸信號(hào)的作用，引導(dǎo)蛋白被包裝到運(yùn)輸泡中，抵達(dá)目的細(xì)胞器；2、影響蛋白構(gòu)象，幫助蛋白正確折疊，增加其穩(wěn)定性，保護(hù)蛋白質(zhì)不被水解酶降解；3、在細(xì)胞表面形成糖萼，起細(xì)胞識(shí)別和保護(hù)質(zhì)膜的作用。三、高爾基復(fù)合體對(duì)蛋白的分揀作用反面高爾基網(wǎng)可根據(jù)蛋白所帶的分揀信號(hào)，將不同命運(yùn)的蛋白分揀開來，以膜泡形式運(yùn)輸至靶部位。

分揀信號(hào)：糙面內(nèi)質(zhì)網(wǎng)上合成的蛋白的最終命運(yùn)是由其氨基酸序列決定的，這個(gè)序列就是分揀信號(hào)。內(nèi)質(zhì)網(wǎng)合成蛋白經(jīng)高爾基體依次加工修飾后以分泌蛋白、溶酶體酶、內(nèi)質(zhì)網(wǎng)駐留蛋白運(yùn)送到相應(yīng)部位，執(zhí)行特定功能。

內(nèi)質(zhì)網(wǎng)駐留蛋白回運(yùn)機(jī)制：高爾基潴泡膜上的內(nèi)質(zhì)網(wǎng)駐留蛋白受體捕捉內(nèi)質(zhì)網(wǎng)駐留蛋白，集中到順面高爾基網(wǎng)中，以膜泡形式運(yùn)回內(nèi)質(zhì)網(wǎng)腔，內(nèi)質(zhì)網(wǎng)腔內(nèi)離子條件的改變使駐留蛋白與受體分離，受體可循環(huán)利用。駐留蛋白的回運(yùn)是沿微管進(jìn)行的。四、蛋白質(zhì)的加工改造在糙面內(nèi)質(zhì)網(wǎng)上合成的蛋白質(zhì)有些是無生物活性的前體物，稱為蛋白原(proprotein)。蛋白原經(jīng)過加工改造才能具有生物活性。加工方式：（1）直接酶解切除新生蛋白原中的N-端或中間或兩端的氨基酸序列，使之成為具有生物活性的蛋白質(zhì)，如胰島素和血清蛋白等。胰島素分子的加工過程｛內(nèi)質(zhì)網(wǎng)高爾基體（2）新生蛋白原中含有多個(gè)氨基酸序列相同的區(qū)段，經(jīng)酶解加工后，形成多個(gè)序列相同的具有活性的多肽鏈，如神經(jīng)肽等。如：ABCDEFGABCDPORYSABCDHGRSXGSABCDLJEIGSNV（3）新生蛋白原中含有數(shù)種不同的信號(hào)序列，經(jīng)過不同的加工方式，可形成多種不同的活性多肽鏈，同時(shí)增加了分子的多樣性。第四節(jié)高爾基復(fù)合體與膜泡運(yùn)輸

高爾基復(fù)合體在胞內(nèi)運(yùn)輸、分泌小泡的外排、內(nèi)吞小泡的運(yùn)輸過程中均具有重要作用。其G蛋白對(duì)高爾基復(fù)合體膜泡運(yùn)輸具有調(diào)控作用。一、高爾基復(fù)合體參與胞內(nèi)膜泡運(yùn)輸?shù)念愋湍壳鞍l(fā)現(xiàn)的三類與膜泡運(yùn)輸有關(guān)的有被小泡：1.籠形蛋白包被小泡介導(dǎo)從高爾基體反面網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)質(zhì)膜和胞內(nèi)體、溶酶體和植物液胞的運(yùn)輸，需成籠蛋白、銜接蛋白、縊斷蛋白和伴侶蛋白參與。2.COPII包被小泡介導(dǎo)從內(nèi)質(zhì)網(wǎng)高爾基體的運(yùn)輸；3.COPI包被小泡負(fù)責(zé)將蛋白從高爾基體內(nèi)質(zhì)網(wǎng)。在從糙面內(nèi)質(zhì)網(wǎng)高爾基體分泌泡細(xì)胞表面的物質(zhì)轉(zhuǎn)運(yùn)中也行使非選擇性批量運(yùn)輸功能。二、膜泡運(yùn)輸?shù)亩ㄏ蜻\(yùn)輸小泡擁有表面標(biāo)志，可根據(jù)其來源和所攜帶的貨物的種類識(shí)別它們，而靶膜又帶有識(shí)別適當(dāng)標(biāo)志的受體，從而保證了相互間識(shí)別與定位的專一性。主要受兩種蛋白的控制：

SNAREs:

提供特異性，催化膜泡與靶膜融合。靶膜：t-

SNARE；膜泡v-SNARE

Rabs:

與其它蛋白一起共同調(diào)控膜泡與靶膜之間的接觸與融合（P102-103）。三、高爾基體參與胞內(nèi)膜泡運(yùn)輸?shù)耐緩?、從內(nèi)質(zhì)網(wǎng)向高爾基復(fù)合體的膜泡運(yùn)輸在內(nèi)質(zhì)網(wǎng)上合成的蛋白質(zhì)，以COPП有被小泡的方式被運(yùn)送到高爾基復(fù)合體進(jìn)行加工、分揀和包裝。在內(nèi)質(zhì)網(wǎng)上進(jìn)入膜泡的蛋白質(zhì)必須是已正確折疊和正確組裝的，那些未完全包裝好或錯(cuò)誤折疊的蛋白質(zhì)不能進(jìn)入運(yùn)輸膜泡，還需要留在內(nèi)質(zhì)網(wǎng)腔中。錯(cuò)誤折疊的蛋白需在分子伴侶蛋白BiP協(xié)助下修正，若仍不能折疊成正確構(gòu)象，蛋白獎(jiǎng)被降解掉。注：BiP在蛋白的正確折疊變化中僅起輔助作用，起決定作用的還是蛋白的一級(jí)肽鏈。COPII小泡2、分泌小泡的外排運(yùn)輸分泌小泡運(yùn)輸三種途徑：溶酶體酶經(jīng)高爾基復(fù)合體的單獨(dú)分揀和包裝，以有被小泡的形式運(yùn)往溶酶體。分泌蛋白被包裝成分泌泡，以衣被小泡的形式運(yùn)往細(xì)胞質(zhì)膜或分泌到細(xì)胞外。其余的部分蛋白質(zhì)被包裝成分泌小泡后，暫時(shí)貯存在細(xì)胞質(zhì)中，一旦需要，再被釋放到細(xì)胞外。3、從高爾基體向內(nèi)質(zhì)網(wǎng)的膜泡運(yùn)輸

除了自內(nèi)質(zhì)網(wǎng)向高爾基體方向的運(yùn)輸外，還存在由高爾基體向內(nèi)質(zhì)網(wǎng)方向的膜泡運(yùn)輸，以COP1有被小泡的形式沿微管進(jìn)行。COPI小泡四、膜的轉(zhuǎn)化高爾基復(fù)合體在厚度和化學(xué)組成上均介于內(nèi)質(zhì)網(wǎng)膜和細(xì)胞質(zhì)膜之間。新的膜在內(nèi)質(zhì)網(wǎng)上合成后，被轉(zhuǎn)移到高爾基復(fù)合體，經(jīng)過充分修飾后，在外排過程中高爾基復(fù)合體小泡同細(xì)胞質(zhì)膜融合，修飾過的膜即加入到細(xì)胞質(zhì)膜中。故高爾基復(fù)合體的的膜在形成面近似于內(nèi)質(zhì)網(wǎng)膜，而在成熟面則近似于細(xì)胞質(zhì)膜，中間的潴泡膜則呈逐漸過渡形態(tài)。

膜流：細(xì)胞的各種膜性結(jié)構(gòu)相互聯(lián)系和轉(zhuǎn)移現(xiàn)象。

內(nèi)質(zhì)網(wǎng)－高爾基復(fù)合體－細(xì)胞質(zhì)膜五、高爾基復(fù)合體與溶酶體的形成在許多類型的細(xì)胞中，高爾基復(fù)合體參與初級(jí)溶酶體的形成。

溶酶體的各種水解酶