高尔基复合体与细胞分泌

1、第四节 高尔基复合体与细胞分泌名词解释：潴泡 高尔基复合体 cis网 Trans网 连续分泌 不连续分泌 分拣作用 N-连接寡糖(N-linked oligosaccharides ) 、O-连接寡糖(O-linked oligosaccharides)一、高尔基复合体的形态结构高尔基体顺面的网络结构（cis Golgi network，CGN），是高尔基体的入口区域，接受由内质网合成的物质并分类后转入中间膜囊。高尔基体中间膜囊（medial Gdgi），多数糖基修饰，糖脂的形成以及与高尔基体有关的糖合成均发生此处。高尔基体反面的网络结构（trans Golgi network，TGN），由反

2、面一侧的囊泡和网管组成，是高尔基体的出口区域，功能是参与蛋白质的分类与包装，最后输出。电子显微镜下看到的高尔基器由光滑膜组成，其显著特征是：由扁囊堆叠而成，一般由38个扁囊构成，每个扁囊有一底部，边缘垅起象一摞碟子。扁囊内充满无定形或颗粒状内含物。在腺体细肌中，高尔基体有明显的极性，靠近细胞核的一面为顺面扁囊群，代号CGN，它的扁囊弯曲凸起，又称凸面或形成面；面向细胞膜的一面，为反面扁囊群，代号TGN，它的扁囊凹陷，又称凹面或成熟面；顺反面中间为中间扁囊群，代号MGN。顺面扁囊（CGN）可接受来自内质网新合成的物质，并将其分类后大部分转入高尔基体的中间扁囊，小部分蛋白与脂类再返回内质网，返回内

3、质网的蛋白质具有特定的信号序列KDEL（赖一天冬一谷一亮），它是留驻在内网质内蛋白的特有序列。中间扁囊（MGN）主要是进行糖的合成与修饰，大多数糖基化修饰，糖脂形成及多糖合成都在中间扁囊完成。反面扁囊（TGN）的主要功能是参与蛋白质分类与包装，最后再将蛋白质从高尔基体中运出。从CGNMGNTGN是一条高度有序的流水作业线，CGN接受分选半成品，再转给MGN加工修饰，然后将产品转给TGN，最后由TGN分类包装后运出。因此由顺面反面，逐一推进，渐次发展，每一特征性扁囊都有不同的酶系统，催化不同的酶促反应，完成不同的功能。在高尔基体周缘还有一些大小不等的囊泡nm与内质网膜相近，大囊泡膜厚7.5-8.

4、5nm与质膜相近。因此，从内质网高尔基体质膜的过程中，囊膜在逐渐地加厚，囊中成分也在逐渐的更新。一、高尔基复合体的形态、大小和分布均有很大的差异。二、在大多数脊椎动物细胞中，高尔基复合体为复杂的网状结构。三、在三维空间上，由一摞封闭的紧密叠置在一起的碟形膜围扁囊构成。 高尔基体各部分膜囊具有不同的细胞化学反应：嗜锇反应，经锇酸浸染后，高尔基体的cis面膜囊被特异地染色；焦磷酸硫胺素酶(TPP酶)的细胞化学反应，可特异地显示高尔基体的trans面的12层膜囊；烟酰胺腺嘌呤二核苷磷酸酶(NADP酶)的细胞化学反应，是高尔基体中间几层扁平囊的标志反应；胞嘧啶单核苷酸酶(CMP酶)的细胞化学反应，常常

5、可显示靠近trans面上的一些膜囊状和管状结构，CMP酶也是溶酶体的标志酶，溶酶体就是在此处分泌产生的。一、嗜锇反应区 顺面潴泡标志二、烟酰胺腺嘌呤二核苷磷酸酶(NADP酶)反应区 中间层潴泡标志三、胞嘧啶单核苷酸酶(CMP酶)反应区 成熟面潴泡标志四、硫胺素焦磷酸酶(TPP酶)反应区 反面潴泡标志高尔基池中含有的寡糖链加工酶：甘露糖转移酶 N-乙酰半乳糖转移酶 N-乙酰葡萄糖胺转移酶 岩藻糖转移酶 半乳糖转移酶 唾液酸转移酶二、 高尔基复合体的功能一、 分泌作用细胞中具有分泌作用的细胞器较多，起主导作用的是高尔基体。20世纪70年代卡罗（Caro）以豚鼠的胰脏腺泡细胞为材料，用3H-亮氨酸进

6、行脉冲标记，发现标记3min后放射自显影的银粒在内质网中，20min后银粒主要出现在高尔基体中，120min后位于分泌囊泡并开始从腺泡细胞顶端释放。该实验说明分泌蛋白从内质网到高尔基体的合成与转运途径。其分泌过程为：ER出芽小囊泡运动CGN鉴别分选MGN修饰加工浓缩包装TGN出芽大囊泡运动质膜外排酶原颗粒的形成（酶原颗粒的形成顺序：）；连续分泌(continuous secretion)；不连续分泌(discontinuous secretion)；蛋白质分拣(sorting)作用内质网驻留蛋白的回运机制：2对分泌部的修饰加工1）切割 某些蛋白前体物质需经过切割才能变成成熟分子。例如胰岛素在糙

7、面内质网含成后，有ABC三个片段，进入高尔基体后期，C段切掉，再由囊泡运出细胞。胰高血糖素、血清蛋白也需要切除一段序列后才有活性。2）羟基化羟基化发生在内质网或高尔基体上，通常苏氨酸、丝氨酸、酪氨酸、脯氨酸很容易发生羟基化，羟化的氨基酸残基有助于链间氢键的形成，稳定蛋白质结构。3）甲基化氨基酸加上甲基具有稳定蛋白质结构的作用。4）酰基化5）糖基化糖基化是高尔基体进行的一种最重要的修饰加工方式。经高尔基体分泌产生的蛋白（水解酶、膜蛋白、分泌蛋白）绝大多数是糖蛋白，这些蛋白通常是在内质网合成蛋白后，又在内质网或高尔基体中发生的糖基化。蛋白质糖基化的意义：使蛋白质折叠成正确构象，用抗生素阻断蛋白质糖

8、基化，可使内质网合成的IgG抗体，由于缺少糖基侧链不能正确折叠而被滞留在内质网中；增加蛋白的稳定性；为蛋白质作标记。在内质网和高尔基体中，蛋白质连接寡糖链的方式有二种： N-连接由糖基转移酶将多萜醇的寡糖链转移到蛋白质上形成蛋白质寡糖链，寡糖链连接连在蛋白质Asn（天门冬酰胺）侧链的氨基因N原子上。研究表明新形成的糖蛋白具有相同的糖链，它是一个由14个残糖基形成的寡糖链，其中有2个N-乙酰葡萄糖胺，9个甘露糖及3个葡萄糖，在内质网腔中这3个葡糖会很快被除去，剩下2个乙酰葡萄糖胺和9个甘露糖。如果糖蛋白去溶酶体就全切去大多数甘露糖，再加上N-乙酰半乳糖；如果糖蛋白分泌到质膜出胞，则保留大多数甘露

9、糖，切掉少部分甘露糖，再加上半乳糖及唾液酸。通常修饰到最后剩下2个乙酰葡萄糖胺和3个甘露糖。糖的供体为核苷糖(nucleotide sugar)，如CMP-唾液酸、GDP-甘露糖、UDP-N-乙酰葡糖胺等。糖分子首先被糖基转移酶转移到膜上的磷酸长醇（dolichol phosphate）分子上，装配成寡糖链。再被寡糖转移酶转到新合成肽链特定序列（Asn-X-Ser或Asn-X-Thr）的天冬酰胺残基上。O-连接O-连接是在羟基化的基础上，由糖基转移酶催化，使蛋白质上酪氨酸、丝氨酸、苏氨酸、脯氨酸侧链的羟基与寡糖共价结合形成O-连接的寡糖糖蛋白。6）磷酸化溶酶体中有几十种酸性水解酶，这些酶需要进

10、行磷酸化，带上磷酸基，蛋白质和酶的磷酸化与去磷酸化是一个重要的生化过程，它是一种分子开关，控制着某些主要酶的活化与钝化。 7）硫酸化硫酸化的蛋白质主要是蛋白聚糖，在高尔基体中，许多蛋白聚糖、氨基聚糖要发生硫酸化作用，在酶的催化下，将3-磷酸酰苷-5-磷酸硫酸的硫酸根转移到肽链的酪氨酸的羟基上。通过二硫键可以稳定蛋白的结构。3合成多糖及糖蛋白示踪试验证明，高尔基体是多糖和糖蛋白的合成场所及分泌场所，例如动物上皮细胞、软骨细胞分泌的糖被、粘多糖来自高尔基体，植物细胞分泌的纤维素、果胶质也是在高尔基体中合成的。 4对细胞壁形成与加厚的作用 植物细胞壁形成时由高尔基体、内质网小泡将果胶质、糖蛋白运至细

11、胞中央，排列在赤道板上构成成膜体，再形成细胞板。细胞壁加厚时，高尔基体小泡将内含物排放在细胞质膜外，积累在质膜与细胞壁之间，并产生一种酶使细胞壁、内含物溶解，细胞壁由此加厚。二、蛋白质和脂类的糖基化1、蛋白质的糖基化修饰主要在糙面内质网和高尔基复合体中进行2、N-连接寡糖(N-linked oligosaccharides ) 、O-连接寡糖(O-linked oligosaccharides)3、蛋白质糖基化有多种作用：保护蛋白质不被水解酶降解；起运输信号作用，引导蛋白质被包装到运输泡中，抵达目的细胞器；在细胞表面形成糖萼，其细胞识别和保护质膜的作用。高尔基复合体对糖蛋白添加糖链的加工过程:

12、三、蛋白质的加工改造加工方式可分为以下三种类型1、 直接酶解切除新生蛋白原中的N-端或中间或两端的氨基酸序列, 使之成为具有生物活性的蛋白质，如胰岛素和血清蛋白等；2、 新生蛋白原中含有多个氨基酸序列相同的区段, 经酶解加工后, 形成多个序列相同的具有活性的多肽链, 如神经肽等;3、 新生蛋白原中含有数种不同的信号序列, 经过不同的加工方式, 可形成多种不同的活性多肽链，同时增加了分子的多样性四、细胞内的膜泡运输1、从内质网向高尔基复合体的膜泡运输2、分泌小泡的外排运输分泌小泡的运输主要有三条途径：3、内吞小泡的运输五、膜的转化高尔基体是细胞内大分子运输的一个重要交通枢纽。它的主要功能是将内质

13、网含成的各种蛋白进行加工、分类、包装，然后把它们运到胞外或细胞的特定部位。 1分泌作用细胞中具有分泌作用的细胞器较多，起主导作用的是高尔基体。20世纪70年代卡罗（Caro）以豚鼠的胰脏腺泡细胞为材料，用3H-亮氨酸进行脉冲标记，发现标记3min后放射自显影的银粒在内质网中，20min后银粒主要出现在高尔基体中，120min后位于分泌囊泡并开始从腺泡细胞顶端释放。该实验说明分泌蛋白从内质网到高尔基体的合成与转运途径。其分泌过程为：ER出芽小囊泡运动CGN鉴别分选MGN修饰加工浓缩包装TGN出芽大囊泡运动质膜外排 2对分泌部的修饰加工1）切割 某些蛋白前体物质需经过切割才能变成成熟分子。例如胰岛

14、素在糙面内质网含成后，有ABC三个片段，进入高尔基体后期，C段切掉，再由囊泡运出细胞。胰高血糖素、血清蛋白也需要切除一段序列后才有活性。2）羟基化羟基化发生在内质网或高尔基体上，通常苏氨酸、丝氨酸、酪氨酸、脯氨酸很容易发生羟基化，羟化的氨基酸残基有助于链间氢键的形成，稳定蛋白质结构。3）甲基化氨基酸加上甲基具有稳定蛋白质结构的作用。4）酰基化5）糖基化糖基化是高尔基体进行的一种最重要的修饰加工方式。经高尔基体分泌产生的蛋白（水解酶、膜蛋白、分泌蛋白）绝大多数是糖蛋白，这些蛋白通常是在内质网合成蛋白后，又在内质网或高尔基体中发生的糖基化。蛋白质糖基化的意义： 使蛋白质折叠成正确构象，用抗生素阻断

15、蛋白质糖基化，可使内质网合成的IgG抗体，由于缺少糖基侧链不能正确折叠而被滞留在内质网中； 增加蛋白的稳定性； 为蛋白质作标记。在内质网和高尔基体中，蛋白质连接寡糖链的方式有二种： N-连接由糖基转移酶将多萜醇的寡糖链转移到蛋白质上形成蛋白质寡糖链，寡糖链连接连在蛋白质Asn（天门冬酰胺）侧链的氨基因N原子上。研究表明新形成的糖蛋白具有相同的糖链，它是一个由14个残糖基形成的寡糖链，其中有2个N-乙酰葡萄糖胺，9个甘露糖及3个葡萄糖，在内质网腔中这3个葡糖会很快被除去，剩下2个乙酰葡萄糖胺和9个甘露糖。如果糖蛋白去溶酶体就全切去大多数甘露糖，再加上N-乙酰半乳糖；如果糖蛋白分泌到质膜出胞，则保

16、留大多数甘露糖，切掉少部分甘露糖，再加上半乳糖及唾液酸。通常修饰到最后剩下2个乙酰葡萄糖胺和3个甘露糖。O-连接O-连接是在羟基化的基础上，由糖基转移酶催化，使蛋白质上酪氨酸、丝氨酸、苏氨酸、脯氨酸侧链的羟基与寡糖共价结合形成O-连接的寡糖糖蛋白。6）磷酸化溶酶体中有几十种酸性水解酶，这些酶需要进行磷酸化，带上磷酸基，蛋白质和酶的磷酸化与去磷酸化是一个重要的生化过程，它是一种分子开关，控制着某些主要酶的活化与钝化。 7）硫酸化硫酸化的蛋白质主要是蛋白聚糖，在高尔基体中，许多蛋白聚糖、氨基聚糖要发生硫酸化作用，在酶的催化下，将3-磷酸酰苷-5-磷酸硫酸的硫酸根转移到肽链的酪氨酸的羟基上。通过二硫

17、键可以稳定蛋白的结构。3合成多糖及糖蛋白示踪试验证明，高尔基体是多糖和糖蛋白的合成场所及分泌场所，例如动物上皮细胞、软骨细胞分泌的糖被、粘多糖来自高尔基体，植物细胞分泌的纤维素、果胶质也是在高尔基体中合成的。 4对细胞壁形成与加厚的作用 植物细胞壁形成时由高尔基体、内质网小泡将果胶质、糖蛋白运至细胞中央，排列在赤道板上构成成膜体，再形成细胞板。细胞壁加厚时，高尔基体小泡将内含物排放在细胞质膜外，积累在质膜与细胞壁之间，并产生一种酶使细胞壁、内含物溶解，细胞壁由此加厚。第四节 高尔基复合体的来源两种观点:一、由内质网或核膜产生的小泡转化而来；二、由原有高尔基复合体分裂而来。第五节 溶酶体与过氧化

18、物酶体一、溶酶体的结构1955年de Duve与Novikoff首次发现溶酶体（lysosome）。它是单层膜围绕、内含多种酸性水解酶类的囊泡状细胞器，其主要功能是进行细胞内消化。具有异质性，形态大小及内含的水解酶种类都可能有很大的不同，标志酶为酸性磷酸酶。根据完成其生理功能的不同阶段可分为初级溶酶体（primary lysosome），次级溶酶体（secondary lysosome）和残体（residual body）。1、初级溶酶体直径约0.20.5um膜厚7.5nm，内含物均一，无明显颗粒，是高尔基体分泌形成的（图6-27）。含有多种水解酶，但没有活性，只有当溶酶体破裂，或其它物质进入

19、，才有酶活性。其水解酶包括蛋白酶，核酸酶、脂酶、磷酸酶、硫酸酯酶、磷脂酶类，已知60余种，这些酶均属于酸性水解酶，反应的最适PH值为5左右，溶酶体膜虽然与质膜厚度相近，但成分不同，主要区别是：膜有质子泵，将H+泵入溶酶体，使其PH值降低。膜蛋白高度糖基化，可能有利于防止自身膜蛋白降解。图6-27 初级溶酶体 引自2、次级溶酶体这些都是消化泡（图6-28），正在进行或完成消化作用的溶酶体，内含水解酶和相应的底物，可分为异噬溶酶体（phagolysosome）和自噬溶酶体（autophagolysosome），前者消化的物质来自外源，后者消化的物质来自细胞本身的各种组分。图6-28 次级溶酶体 引

20、自3、残体又称后溶酶体（post-lysosome）已失去酶活性，仅留未消化的残渣故名，残体可通过外排作用排出细胞，也可能留在细胞内逐年增多，如肝细胞中的脂褐质（图6-29）。图6-29 肝细胞中的脂褐质 引自细胞生物学超微结构图谱1989二、溶酶体的功能溶酶体的主要作用消化作用，是细胞内的消化器官，细胞自溶，防御以及对某些物质的利用均与溶酶体的消化作用有关。细胞内消化：对高等动物而言细胞的营养物质主要来源于血液中的水分子物质，而一些大分子物质通过内吞作用进入细胞，如内吞低密脂蛋白获得胆固醇，对一些单细胞真核生物，溶酶体的消化作用就更为重要了。细胞凋亡：个体发生过程中往往涉及组织或器官的改造或

21、重建，如昆虫和蛙类的变态发育等等。这一过程是在基因控制下实现的，称为程序性细胞死亡，注定要消除的细胞以出芽的形式形成凋亡小体，被巨噬细胞吞噬并消化。自体吞噬：清除细胞中无用的生物大分子，衰老的细胞器等，如许多生物大分子的半衰期只有几小时至几天，肝细胞中线粒体的平均寿命约10天左右。防御作用：如巨噬细胞可吞入病原体，在溶酶体中将病原体杀死和降解。参与分泌过程的调节，如将甲状腺球蛋白降解成有活性的甲状腺素。形成精子的顶体：顶体相当于一个化学钻，可溶穿卵子的皮层，使精子进入卵子。三、溶酶体的发生初级溶酶体是在高尔基体的trans面以出芽的形式形成的，其形成过程如下。内质网上核糖体合成溶酶体蛋白进入内

22、质网腔进行N-连接的糖基化修饰进入高尔基体Cis面膜囊N-乙酰葡糖胺磷酸转移酶识别溶酶体水解酶的信号斑将N-乙酰葡糖胺磷酸转移在12个甘露糖残基上在中间膜囊切去N-乙酰葡糖胺形成M6P配体与trans膜囊上的受体结合选择性地包装成初级溶酶体。四、溶酶体与疾病1矽肺二氧化硅尘粒（矽尘）吸入肺泡后被巨噬细内吞噬，含有矽尘的吞噬小体与溶酶体合并成为次级溶酶体。二氧化硅的羟基与溶酶体膜的磷脂或蛋白形成氢键，导致吞噬细胞溶酶体崩解，细胞本身也被破坏，矽尘释出，后又被其他巨噬细内吞噬，如此反复进行。受损或已破坏的巨噬细胞释放“致纤维化因子”，并激活成纤维细胞，导致胶原纤维沉积，肺组织纤维化。2肺结核结核杆

23、菌不产生内、外毒素，也无荚膜和侵袭性酶。但是菌体成分硫酸脑苷脂能抵抗胞内的溶菌杀伤作用，使结核杆菌在肺泡内大量生长繁殖，导致巨噬细胞裂解，释放出的结核杆菌再被吞噬而重复上述过程，最终引起肺组织钙化和纤维化。 3各类贮积症贮积症（storage disease）是由于遗传缺陷引起的，由于溶酶体的酶发生变异，功能丧失，导致底物在溶酶体中大量贮积，进而影响细胞功能，常见的贮积症主要有以下几类。台-萨氏综合征（Tay-Sachs diesease）：要叫黑蒙性家族痴呆症，溶酶体缺少氨基已糖酯酶A（-N-hexosaminidase），导致神经节甘脂GM2积累（图6-30），影响细胞功能，造成精神痴呆，

24、26岁死亡。患者表现为渐进性失明、病呆和瘫痪，该病主要出现在犹太人群中。图6-30 台-萨氏综合征神经元中同心圆状的溶酶体 引自细胞生物学超微结构图谱1989II型糖原累积病（Pompe病）：溶酶体缺乏-1,4-葡萄糖苷酶，糖原在溶酶体中积累，导致心、肝、舌肿大和骨骼肌无力。属常染色体缺陷性遗传病，患者多为小孩，常在两周岁以前死亡。Gaucher病：又称脑苷脂沉积病,是巨噬细胞和脑神经细胞的溶酶体缺乏- 葡萄糖苷酶造成的。大量的葡萄糖脑苷脂沉积在这些细胞溶酶体内,巨噬细胞变成Gaucher 细胞，患者的肝、脾、淋巴结等肿大，中枢神经系统发生退行性变化，常在1 岁内死亡。细胞内含物病（inclu

25、sion-cell disease，I-cell disease）：一种更严重的贮积症，是N-乙酰葡糖胺磷酸转移酶单基因突变引起的。由于基因突变，高尔基体中加工的溶酶体前酶上不能形成M6P分选信号，酶被运出细胞（default pathway）。这类病人成纤维细胞的溶酶体中没有水解酶，导致底物在溶酶体中大量贮积，形成所谓的“包涵体（inclusion）”。另外这类病人肝细胞中有正常的溶酶体，说明溶酶体形成还具有M6P之外的途径。4类风湿性关节炎溶酶体膜很易脆裂，其释放的酶导致关节组织损伤和发炎 。五、过氧化物酶体过氧化物酶体（peroxisome）又称微体（microbody），由J. Rho

26、din（1954）首次在鼠肾小管上皮细胞中发现。是一种具有异质性的细胞器，在不同生物及不同发育阶段有所不同。直径约0.21.5um，通常为0.5um，呈圆形，椭圆形或哑呤形不等，由单层膜围绕而成（图6-31）。共同特点是内含一至多种依赖黄素（flavin）的氧化酶和过氧化氢酶（标志酶），已发现40多种氧化酶，如L-氨基酸氧化酶，D-氨基酸氧化酶等等，其中尿酸氧化酶（urate oxidase）的含量极高，以至于在有些种类形成酶结晶构成的核心（图6-32）。图6-31 人肝细胞过氧化物酶体（Ps，没有尿酸氧化酶结晶） 引自细胞生物学超微结构图谱1989 图6-32 烟草叶肉细胞的过氧化物酶体（中央具有尿酸氧化酶形成的晶体状核心）各类氧化酶的共性是将底物氧化后，生成过氧化氢。RH2+O2R+H2