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1、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
2、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u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uA.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u高尔基体至少由五个互相联系的部分组成：顺面膜囊
3、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 networ
4、k,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
5、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
6、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1.嗜锇反应(顺面膜囊)2.焦磷酸硫胺素酶(TPP酶)反应(反面的12 层膜囊)3.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)4.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
7、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
8、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ER20 min后，银粒位于Golgi120 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
9、2.荧光蛋白标记u疱疹性口炎病毒，能表达VSVG蛋白，将其连上GFPuVSVG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？u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）
10、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u溶酶体酶在ER合成时起始N-连接糖基化修饰uGolgi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u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
11、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 EnzymesN-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u溶酶体酶、多数质膜膜蛋白和可溶性分泌蛋白都是糖蛋白u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
12、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uN-连接寡糖的核心糖基是在ER装配然后转移到高尔基体的 uN-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
13、、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u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-
14、乙酰葡萄糖、甘露糖、岩藻糖、半乳糖、唾液酸uO-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）uER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u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u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u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u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
15、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
16、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
17、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-亲脂素-黑色素细胞刺激素-黑色素细胞刺激素-内啡肽-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）