张君奇高尔基体的功能3

高尔基体的结构与生物功能及最新研究进展1·形态结构

图1烟草根尖细胞高尔基体的电镜照片

高尔基复合体由平行排列的扁平膜囊、大囊泡和小囊泡等三种膜状结构所组成。它有两个面：形成面和成熟面，来自内质网的蛋白质和脂从形成面逐渐向成熟面转运（图2）。

图2高尔基体的膜囊结构及其排列

高尔基体的顺面是囊泡结构，靠近粗面内质网，中间部分是扁平膜囊，反面也是囊泡结构。

●扁平膜囊（saccules）是高尔基复合体的主体部分。一般由3～10层扁平膜囊平行排列在一起组成一个扁平膜囊堆（stack of saccules），每层膜囊之间的距离为150～300？，每个扁平囊是由两个平行的单位膜构成，膜厚6～7nm.

●小泡（vesicle）在扁平囊的周围有许多小囊泡，直径400-800？。这些小囊泡较多地集中在高尔基复合体的形成面。一般认为它是由附近的粗面内质网出芽形成的运输泡。它们不断地与高尔基体的扁平膜囊融合，使扁平膜囊的膜成分不断得到补充。

●液泡（vacuoles）多见于扁平膜囊扩大之末端，可与之相连。直径0.1-0.5微米，泡膜厚约80。

■高尔基体的极性

●结构上的极性：高尔基体的结构可分为几个层次的区室；①靠近内质网的一面称为顺面（cis face），或称形成面（forming face）；②高尔基体中间膜囊（medial Golgi）；③靠近细胞质膜的一面称为反面高尔基网络（trans Golgi network，TGN）。

●功能上的极性：高尔基体执行功能时是“流水式”操作，上一道工序完成了，才能进行下一道工序。

■数量和分布

●数量

生物体中高尔基复合体的数量不等，平均为每细胞20个。在低等真核细胞中，高尔基复合体有时只有1～2个，有的可达一万多个。在分泌功能旺盛的细胞中，高尔基复合体都很多。如胰腺外分泌细胞、唾液腺细胞和上皮细胞等。而肌细胞和淋巴细胞中高尔基复合体较少见。

●分布

高尔基复合体只存在于真核细胞中，原核细胞中则无。在一定类型的细胞中，高尔基复合体的位置比较恒定，如外分泌细胞中高尔基体常位于细胞核上方，其反面朝向细胞质膜；神经细胞的高尔基体有很多膜囊堆分散于细胞核的周围。

2·高尔基体的功能

高尔基体的主要功能是参与细胞的分泌活动，将内质网合成的多种蛋白质进行加工、分类与包装，并分门别类地运送到细胞的特定部位或分泌到细胞外。内质网上合成的脂类一部分也要通过高尔基体向细胞质膜等部位运输。因此，高尔基体是细胞内物质运输的交通枢纽。

■蛋白质和脂的运输

高尔基复合体位于内质网和质膜之间，是膜结合核糖体合成的蛋白质的分选和运输的中间站。

● ER与高尔基体顺面间的蛋白质运输

除了内质网结构和功能蛋白质外，其他由内质网合成的蛋白质都是通过小泡转运到高尔基体的顺面，小泡与顺面高尔基体网络融合之后，转运的蛋白质进入高尔基体腔，这

是内质网与高尔基体间的主流运输。偶尔也有从高尔基体各个部位形成的小泡沿微管回流到内质网（图3）。

图3 高尔基体和ER间的双向运输的模型

从ER出芽形成的小泡到高尔基体顺面称为正向运输，从高尔基体形成的小泡都可独立地通过微管运回ER。

●内质网滞留信号（ER retention signal）

内质网的结构和功能蛋白的羧基端的一个四肽序列：Lys-Asp-Glu-Leu-COO-，即KDEL 信号序列是内质网的滞留信号。

KDEL信号在高尔基复合体各个部分的膜上都有相应的受体。如果ER滞留蛋白质在出芽时被错误地包进分泌泡而离开了ER，高尔基复合体膜上的这种信号受体蛋白就会与逃出的ER蛋白结合，并形成小泡，将这些ER蛋白"押送"回到ER（图4）。

图4 KDEL信号及其受体维持ER蛋白的稳定

内质网腔蛋白的羧基端都有KDEL信号序列，是ER滞留信号。KDEL受体主要位于高尔基体的顺面膜囊和ER到高尔基体顺面运输小泡上。主要作用是识别KDEL信号并与之结合，然后将结合的ER蛋白运回ER.

●蛋白质从顺面高尔基网络向反面高尔基网络运输

从ER分泌出来的小泡同顺面高尔基网络融合后成为高尔基体的一个部分，然后经过中间膜囊出芽形式分泌小泡（又称穿梭小泡）逐步向反面高尔基体网络转运，转运时，分泌小泡与高尔基体膜囊的融合和出芽都是发生在两侧（图5），该过程伴随有蛋白质的各种

加工。

图5 穿梭小泡从顺面高尔基体网络向反面高尔基体网络移动

上述关于分泌蛋白在高尔基体顺面网络和反面网络之间的运输，长期以来只是一种推测。后来由James Rothman 和Lelio Orci通过无细胞蛋白质合成体系获得了实验证明。

James Rothman 和Lelio Orci怎样通过实验证明高尔基体的中间膜囊具有蛋白质转运和加工的作用？

■蛋白质的糖基化

●N-连接糖基化的修饰

蛋白质的N-连接糖基化是在内质网中进行的，而对糖基的修饰则是在高尔基体中完成的。

对于进入到高尔基体的糖蛋白来说，形成高甘露糖基寡聚糖侧链所需的修饰比较简单，只要切除3 分子的葡萄糖即可（图6），这一过程是在RER中完成的。

图6 高甘露糖侧链的修饰

而形成复合寡聚糖则比较复杂，要切除5分子甘露糖，加上2分子N-乙酰葡萄糖胺、2分子半乳糖、2分子唾液酸（图7），有时还要加上岩藻糖。

图7 哺乳动物高尔基体中进行的N-连接糖基化修饰过程

● O-连接的糖基化（O-linked glycosylation）

高尔基体中进行的另一种蛋白质的糖基化是O-连接的糖基化，将糖链转移到多肽链的丝氨酸、苏氨酸或羟赖氨酸的羟基的氧原子上。

■蛋白聚糖（proteoglycan）的合成

除了蛋白质的糖基化以外，高尔基体中也可以进行多糖的合成。动物细胞中合成的多糖主要是透明质酸，这是一种氨基聚糖，是细胞外基质的主要成分。植物细胞壁中的几种多糖，包括半纤维素、果胶也是在高尔基体中合成的。

■蛋白原的水解

胰岛素是在胰岛B细胞中合成的，刚从内质网合成的多肽在N- 末端有信号肽链，

称前胰岛素原（preproinsulin），相对分子质量为12，000.随后在内质网的信号肽酶的作用下，切除信号肽，成为胰岛素原（proinsulin），相对分子质量9，000，含84个氨基酸。运输到高尔基体后，通过蛋白酶的水解作用，生成一个分子由51个氨基酸残基组成的胰岛素和一个分子C肽（图8）。

图8 胰岛素分子的加工成熟和运输

■蛋白质的分选

●高尔基体反面网络的功能是进行蛋白质的分选（图9）。