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高尔基体的结构和功能
高尔基体(Golgi body)又称高尔基器(Golgi apparatus)或高尔基复合体(Golgi complex)，是真核细胞内普遍存在的一种细胞器
1898 年，意大利医生Camillo Golgi 用镀银法首次在神经细胞内观察到一种网状结构，命名为内网器(internal reticular apparatus)。后来在很多细胞中相继发现了类似的结构并称之为高尔基体。
直到20世纪50 年代以后随着电子显微镜技术的应用和超薄切片技术的发展，才确证了高尔基体的存在
Camillo Golgi
高尔基体的结构和功能
高尔基体是由大小不一、形态多变的囊泡体系组成的。在不同的细胞中甚至细胞生长的不同阶段都有很大的变化。
（一）高尔基体的形态结构与极性
（二）高尔基体的功能
（一）高尔基体的形态结构与极性
顺面
反面
高尔基体特征性结构：排列较为整齐的扁平膜囊堆叠而成(4-8个)，囊堆构成高尔基体的主体结构
靠近细胞核的一侧，扁囊弯曲成凸面又称形成面(forming face)或顺面(cis face)
面向细胞质膜的一侧常呈凹面(concave)又称成熟面(mature face)或反面(trans face)
（一）高尔基体的形态结构与极性
A.Rambourg的超高压电镜观察结果表明高尔基体是一个复杂的连续的整体结构
高尔基体至少由五个互相联系的部分组成：
顺面膜囊与顺面网状结构(cis Golgi network, CGN)
中间膜囊(medial Golgi)
反面膜囊与反面网状结构(trans Golgi network, TGN)
高尔基体的三个组成部分
（一）高尔基体的形态结构与极性
1、顺面膜囊与顺面网状结构(cis Golgi network, CGN)
CGN接受ER合成的物质，分类转入Golgi中间膜囊，少量返回ER
蛋白质Ser的O-连接糖基化、跨膜蛋白胞质侧酰基化，溶酶体酶上寡糖的磷酸化
高尔基体各部分的功能
去除甘露糖
溶酶体酶糖链磷酸化
（一）高尔基体的形态结构与极性
（一）高尔基体的形态结构与极性
1、顺面膜囊与顺面网状结构(cis Golgi network, CGN)
CGN接受ER合成的物质，分类转入Golgi中间膜囊，少量返回ER
蛋白质Ser的O-连接糖基化、跨膜蛋白胞质侧酰基化，溶酶体酶上寡糖的磷酸化
高尔基体各部分的功能
2、中间膜囊(medial Golgi)
糖基修饰与加工，糖脂的形成，与Golgi有关的多糖的合成
去除甘露糖
加N-乙酰葡萄糖胺
溶酶体酶糖链磷酸化
（一）高尔基体的形态结构与极性
（一）高尔基体的形态结构与极性
1、顺面膜囊与顺面网状结构(cis Golgi network, CGN)
CGN接受ER合成的物质，分类转入Golgi中间膜囊，少量返回ER
蛋白质Ser的O-连接糖基化、跨膜蛋白胞质侧酰基化，溶酶体酶上寡糖的磷酸化
高尔基体各部分的功能
2、中间膜囊(medial Golgi)
糖基修饰与加工，糖脂的形成，与Golgi有关的多糖的合成
3、反面膜囊与反面网状结构(trans Golgi network, TGN)
TGN内pH比Golgi其他部位低
TGN是蛋白分选的枢纽区，也是蛋白包装形成网格蛋白/AP包被膜泡的发源地之一
“晚期”的蛋白质修饰(Gal唾液酸化、Tyr硫酸化、蛋白水解加工)
“瓣膜”作用，保证物质单向转运
去除甘露糖
加N-乙酰葡萄糖胺
硫酸化
溶酶体酶糖链磷酸化
溶酶体 质膜 分泌泡
加唾液酸
（一）高尔基体的形态结构与极性
（一）高尔基体的形态结构与极性
1、高度动态的细胞器
高尔基体的特点
2、极性细胞器，在细胞中往往有比较恒定的位置与方向，物质从一侧输入，另一侧输出
（一）高尔基体的形态结构与极性
高尔基体的标志化学反应
嗜锇反应(顺面膜囊)
焦磷酸硫胺素酶(TPP酶)反应(反面的1～2 层膜囊)
胞嘧啶单核苷酸酶(CMP酶)和酸性磷酸酶反应(反面膜囊状和反面管网结构)
烟酰胺腺嘌呤二核苷磷酸酶(NADP酶)反应(中间几层)
反映高尔基体的生化极性
高尔基体结构组织及膜囊间蛋白质转运的两种模型
膜泡运输模型 膜囊成熟模型
（一）高尔基体的形态结构与极性
①膜泡运输模型(vesicular transport model)
Golgi膜囊群主体是相对稳态的结构，膜囊自身更新和各部膜囊生化极性(特征酶和驻留蛋白变化)通过不同类型转运膜泡在相邻膜囊间顺向(顺→反)和反向(反→顺)有序转移实现
②膜囊成熟模型(cisternal maturation model)
Golgi膜囊群主体是动态的结构，源自ER的泡管结构先形成Golgi CGN，膜囊从顺面→反面渐次成熟并迁移，不当转移的膜囊特异酶类或驻留蛋白通过反向COPI转运膜泡没收
（一）高尔基体的形态结构与极性
二、高尔基体
高尔基体是由大小不一、形态多变的囊泡体系组成的。在不同的细胞中甚至细胞生长的不同阶段都有很大的变化。
（一）高尔基体的形态结构与极性
（二）高尔基体的功能
（二）高尔基体的功能
高尔基体是细胞内大分子加工转运的枢纽
对ER合成的蛋白质进行加工、分类与包装，然后定向转运
ER合成的一部分脂质向细胞质膜和溶酶体膜等部位运输
高尔基体还是细胞内糖类合成的工厂
内质网
高尔基体
晚期内体
溶酶体
早期内体
细胞外
分泌囊泡
（二）高尔基体的功能
1. 高尔基体与细胞的分泌活动
2. 蛋白质的糖基化及其修饰
3. 蛋白酶的水解和其他加工过程
1. 高尔基体与细胞的分泌活动
(一)观察高尔基体分泌活动的实验
脉冲标记试验
用3H-亮氨酸对胰腺细胞进行脉冲标记
3 min后，放射自显影银粒位于ER
20 min后，银粒位于Golgi
120 min后，银粒位于分泌泡并开始在细胞顶端释放
分泌性蛋白在细胞内的合成与转运过程是通过高尔基体完成的
1. 高尔基体与细胞的分泌活动
其他研究方法
1. 放射自显影
2. 荧光蛋白标记
疱疹性口炎病毒，能表达VSVG蛋白，将其连上GFP
VSVG具有一种温度突变型，在宿主细胞中表达时，温度在40℃以上时，蛋白不能离开内质网，温度降低到32℃是，蛋白离开内质网进入高尔基体
为何利用温度突变型？
单个蛋白分子产生的荧光量弱，若将蛋白聚集在一起，统一离开内质网，使蛋白运动同步化，容易跟踪较强的荧光信号
1. 高尔基体与细胞的分泌活动
(二)高尔基体TGN区的三种分选途径
(1)溶酶体酶的包装与分选途径
6- 磷酸甘露糖（M6P）标记
(2)可调节性分泌途径
（regulated secretion）
特化类型的分泌细胞
(3)组成型分泌途径
（constitutive secretion）
所有真核细胞，均可通过分泌泡连续分泌某些蛋白质至细胞表面
1. 高尔基体与细胞的分泌活动
(1)溶酶体酶的包装与分选途径
6- 磷酸甘露糖(M6P)标记
溶酶体酶在ER合成时起始N-连接糖基化修饰
Golgi的N-乙酰葡糖胺磷酸转移酶和磷酸葡糖苷酶催化下，Man残基磷酸化形成6-磷酸甘露糖
只发生于溶酶体酶，酶的多个位点可形成M6P，增加与受体的亲和力，与其他蛋白分离并起到局部浓缩作用
1. 高尔基体与细胞的分泌活动
(1)溶酶体酶的包装与分选途径
6- 磷酸甘露糖(M6P)标记
标记的溶酶体酶与受体结合(M6P受体)(高尔基体TGN区)
出芽方式形成网格蛋白/AP包被膜泡
脱包被(再循环)
转至晚期内体
解离
1. 高尔基体与细胞的分泌活动
(1)溶酶体酶的包装与分选途径——(M6P)标记
Normal and I-Cell Disease Transport Pathways for Hydrolytic Enzymes
N-乙酰葡糖胺磷酸转移酶单基因突变，不能形成M6P，酶不被受体识别，不能转运到溶酶体中
（二）高尔基体的功能
1. 高尔基体与细胞的分泌活动
2. 蛋白质的糖基化及其修饰
3. 蛋白酶的水解和其他加工过程
2. 蛋白质的糖基化及其修饰
大多数质膜或膜脂的糖基化修饰和与高尔基体有关多糖的合成，主要发生在高尔基体
溶酶体酶、多数质膜膜蛋白和可溶性分泌蛋白都是糖蛋白
细胞质基质和细胞核中的多数蛋白缺少糖基化修饰
（1）蛋白质糖基化类型及修饰
（2）蛋白聚糖在高尔基体中组装
（3）蛋白质糖基化特点及其生物学意义
2. 蛋白质的糖基化及其修饰
（1）蛋白质糖基化类型及修饰
N -连接糖基化与O -连接糖基化的比较
N -连接糖基化与之直接结合的糖是N -乙酰葡糖胺
O -连接糖基化与之直接结合的糖是N -乙酰半乳糖胺
2. 蛋白质的糖基化及其修饰
（1）蛋白质糖基化类型及修饰
N-连接寡糖的核心糖基是在ER装配然后转移到高尔基体的
N-连接寡糖进一步加工修饰在高尔基体完成
1. cis-高尔基膜囊切除3个Man(顺面膜囊)
图5-14 脊椎动物细胞糖蛋白N-连接寡糖在高尔基体各膜囊区间的加工过程
2. 蛋白质的糖基化及其修饰
（1）蛋白质糖基化类型及修饰
2、4. 中间膜囊再附加3个GlcNAc；
3. 移除2个Man残基；
5. 附加1个海藻糖；
图5-14 脊椎动物细胞糖蛋白N-连接寡糖在高尔基体各膜囊区间的加工过程
2. 蛋白质的糖基化及其修饰
（1）蛋白质糖基化类型及修饰
6. trans高尔基膜囊再加3个半乳糖；
7. 每个半乳糖残基连上一个N-乙酰神经氨酸，完成N-连接寡糖的加工
图5-14 脊椎动物细胞糖蛋白N-连接寡糖在高尔基体各膜囊区间的加工过程
2. 蛋白质的糖基化及其修饰
（1）蛋白质糖基化类型及修饰
所有成熟的N-连接的寡糖链都含有2个N-乙酰葡糖胺和3个Man，根据结构特征可分为：
高甘露糖N-连接寡糖：只含N-乙酰葡萄糖和甘露糖
复杂的N-连接寡糖：含N-乙酰葡萄糖、甘露糖、岩藻糖、半乳糖、唾液酸
O-连接糖基化在糖基转移酶作用下每次加上1个单糖，最后加上唾液酸（高尔基体反面膜囊和TGN）
ER和高尔基体中所有与糖基化及寡糖加工的有关的酶都是膜整合蛋白，活性部位位于腔面
高尔基体中的糖基化反应底物为核苷酸单糖，通过反向协同运输从基质运到腔内
寡糖链的合成和加工过程类似“装配流水线”
2. 蛋白质的糖基化及其修饰
（2）蛋白聚糖在高尔基体中组装
由一个或多个糖胺聚糖 (glycosaminoglycan)结合到核心蛋白的Ser残基上，直接与Ser羟基结合的不是N-乙酰半乳糖胺而是木糖
蛋白聚糖多为胞外基质成分
硫酸软骨素
2. 蛋白质的糖基化及其修饰
（3）蛋白质糖基化特点及其生物学意义
特点：
糖蛋白质中寡糖链的合成与修饰都没有模板，是依靠不同的糖基转移酶，在细胞的不同间隔经历复杂加工过程完成的（寡糖链排列的多样性本身可作为一种“指纹”→糖化学的研究）
2. 蛋白质的糖基化及其修饰
（3）蛋白质糖基化特点及其生物学意义
糖蛋白质的寡糖链可促进蛋白质折叠和增强糖蛋白稳定性
糖基化使蛋白带有不同标记，利于高尔基体进行分选与包装，保证糖蛋白从 rER 至高尔基体膜囊单向转移(M6P)
细胞内一些负责糖链合成与加工的酶类均由管家基因编码；细胞表面、细胞外基质密集存在的寡糖链，直接介导细胞间的双向通讯，或参与分化、发育等多种过程
多羟基糖侧链还影响蛋白水溶性及蛋白所带电荷的性质
进化上的意义，寡糖链的刚性限制其他大分子接近细胞表面的膜蛋白，形成保护性外被
（二）高尔基体的功能
1. 高尔基体与细胞的分泌活动
2. 蛋白质的糖基化及其修饰
3. 蛋白酶的水解和其他加工过程
3. 蛋白酶的水解和其他加工过程
TGN膜上结合有蛋白水解酶，特异水解常常发生在一对碱性氨基酸(Arg-Arg或Lys-Arg)的C端
（1）蛋白质在高尔基体中酶解加工的几种类型
（2）不同多肽采用不同加工方式的原因
（3）硫酸化作用（3’磷酸腺苷-5’-磷酸硫酸作为硫酸根供体，发生于蛋白聚糖的Tyr）
（1）蛋白质在高尔基体中酶解加工的几种类型
无生物活性的蛋白原(proprotein)进入高尔基体后，切除N端或两端的序列形成成熟多肽。如胰岛素、胰高血糖素及血清蛋白等
清蛋白原
弗林蛋白酶
胰岛素原
（1）蛋白质在高尔基体中酶解加工的几种类型
（1）蛋白质在高尔基体中酶解加工的几种类型
无生物活性的蛋白原(proprotein)进入高尔基体后，切除N端或两端的序列形成成熟多肽。如胰岛素、胰高血糖素及血清蛋白等
含有多个相同氨基酸序列的前体，在高尔基体中被水解形成同种有活性的多肽，如神经肽等（仅由5个氨基酸残基组成）
同一种蛋白质前体在不同的细胞中可能以不同的方式加工，产生不同种类的多肽，增加了细胞信号分子的多样性
增加细胞信号分子的多样性
垂体前叶细胞中
垂体中叶细胞中
促肾上腺皮质激素
β-亲脂素
β-黑色素细胞刺激素
α-黑色素细胞刺激素
β-内啡肽
γ-亲脂素
前阿黑皮素
（1）蛋白质在高尔基体中酶解加工的几种类型
（2）不同多肽采用不同加工方式的原因
确保小肽分子的有效合成。有些多肽分子太小，在核糖体上难以有效的合成，如神经肽
弥补缺少包装并转运到分泌泡中的必要信号
有效地防止活性物质在合成它的细胞内提前起作用（胰岛素）

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