內(nèi)膜系統(tǒng)與膜運(yùn)輸2

1、9.2.3 粗面內(nèi)質(zhì)網(wǎng)的功能蛋白質(zhì)轉(zhuǎn)運(yùn)粗面內(nèi)質(zhì)網(wǎng)的主要功能是幫助膜結(jié)合核糖體合成的蛋白質(zhì)轉(zhuǎn)運(yùn)。膜結(jié)合核糖體上合成的蛋白質(zhì)與游離核糖體上合成的蛋白質(zhì)去向是不同的,表9-5列出了這兩類核糖體合成的某些蛋白。 表9-5 真核細(xì)胞中膜結(jié)合核糖體和游離核糖體合成的某些蛋白 膜結(jié)合核糖體 游離核糖體分泌蛋白 可溶性胞質(zhì)溶膠蛋白 肽類激素 脂錨定膜蛋白 生長因子 (位于質(zhì)膜的胞質(zhì)面) 消化酶類 外周蛋白 血清蛋白 (質(zhì)膜的胞質(zhì)面) 細(xì)胞外基質(zhì)蛋白 核基因編碼的線粒體蛋白釋放到ER腔中的蛋白 核基因編碼的葉綠體蛋白 RER中的酶類 過氧化物酶體蛋白 高爾基復(fù)合體的酶 核蛋白 溶酶體的酶整合膜蛋白 ER膜的糖蛋

2、白 高爾基體的膜糖蛋白 溶酶體膜糖蛋白 質(zhì)膜糖蛋白 核膜糖蛋白 脂錨定質(zhì)膜蛋白質(zhì)膜的外周蛋白(位于質(zhì)膜的外側(cè)面)由于粗面內(nèi)質(zhì)網(wǎng)上合成的蛋白質(zhì)包括膜蛋白、內(nèi)膜結(jié)構(gòu)的潴泡腔蛋白和分泌到細(xì)胞外的蛋白, 所以必須有極好的運(yùn)輸機(jī)制進(jìn)行分選定位, 這就是信號肽假說。 信號序列的發(fā)現(xiàn)和證實(shí)微粒體實(shí)驗(yàn)在George Palade用離心技術(shù)分離到有核糖體結(jié)合的微粒體,即發(fā)現(xiàn)膜結(jié)合核糖體(membrane-bounded ribosome)之后, 科學(xué)家推測:膜結(jié)合核糖體合成的蛋白質(zhì)首先要進(jìn)入內(nèi)質(zhì)網(wǎng)的腔,然后通過選擇性的分泌過程輸出到細(xì)胞外,而游離核糖體上合成的蛋白質(zhì)則留在細(xì)胞內(nèi)使用。為了研究內(nèi)質(zhì)網(wǎng)上合成的蛋白質(zhì)

3、是否進(jìn)入了內(nèi)質(zhì)網(wǎng)的腔, Colvin Redman 和 David Sabatini用分離的RER小泡(微粒體)進(jìn)行無細(xì)胞系統(tǒng)的蛋白質(zhì)合成, 證明了膜結(jié)合核糖體上合成的蛋白質(zhì)進(jìn)入了微粒體的腔。 如何利用利用微粒體在無細(xì)胞蛋白質(zhì)合成系統(tǒng)中的合成實(shí)驗(yàn)證明膜結(jié)合核糖體合成的蛋白質(zhì)進(jìn)入了微粒體的腔。 Gnter Blobel等的建議為什么有些核糖體合成蛋白質(zhì)時不同內(nèi)質(zhì)網(wǎng)結(jié)合,有些正在合成蛋白質(zhì)的核糖體要同內(nèi)質(zhì)網(wǎng)結(jié)合,并將合成的蛋白質(zhì)插入內(nèi)質(zhì)網(wǎng)?對此,美國洛克菲勒大學(xué)的 Gnter Blobel、David Sabatini 和Bernhard Dobberstein 等于1971年提出兩點(diǎn)建議:分泌蛋

4、白的N-端含有一段特別的信號序列(signal sequence),可將多肽和核糖體引導(dǎo)到ER膜上;多肽通過ER膜上的水性通道進(jìn)入ER的腔中,并推測多肽是在合成的同時轉(zhuǎn)移的。 信號序列存在的直接證據(jù) 1972年,Csar Milstein和他的同事用無細(xì)胞系統(tǒng)研究免疫球蛋白(IgG)輕鏈合成時獲得了信號序列存在的直接證據(jù), 證明Blobel等的建議是正確的。他們用分離純化的核糖體在無細(xì)胞體系中用編碼免疫球蛋白輕鏈的mRNA指導(dǎo)合成多肽,發(fā)現(xiàn)合成的多肽比分泌到細(xì)胞外的成熟的免疫球蛋白在N端有一段多出的肽鏈, 它有20個氨基酸,他們推測,這段肽具有信號作用,使IgG得以通過粗面內(nèi)質(zhì)網(wǎng)并繼而分泌到細(xì)

5、胞外。 信號序列的進(jìn)一步證實(shí)G.Blobel、B.Dobberstein、P.Walter和他們的同事在上述發(fā)現(xiàn)的基礎(chǔ)上用分離的微粒體和無細(xì)胞體系進(jìn)行了大量的實(shí)驗(yàn),進(jìn)一步證實(shí)了信號序列的存在及其作用。加與不加RER小泡,產(chǎn)物不同 當(dāng)將分泌蛋白的mRNA在無細(xì)胞體系中進(jìn)行翻譯時, 如果不加粗面內(nèi)質(zhì)網(wǎng)(微粒體), 獲得的翻譯產(chǎn)物比從細(xì)胞中分泌出來的蛋白要長,若添加RER小泡,翻譯的產(chǎn)物長度與從活細(xì)胞分泌的蛋白相同。因此推測信號序列在引導(dǎo)蛋白進(jìn)入內(nèi)質(zhì)網(wǎng)后被切除了,所以成熟的蛋白的N-端沒有信號序列(圖9-16)。 圖9-16 信號序列在分泌蛋白質(zhì)運(yùn)輸中的作用 (a) 在不含RER小泡的無細(xì)胞體系中翻

6、譯分泌蛋白,其N-端有信號序列,故比從細(xì)胞中分泌出來的相同蛋白質(zhì)肽鏈長;(b)在加有RER小泡的無細(xì)胞體系中翻譯分泌蛋白,信號序列在RER小泡中被切除,得到的產(chǎn)物與從細(xì)胞中合成分泌的相同。蛋白水解酶水解實(shí)驗(yàn) 在分泌蛋白進(jìn)行體外翻譯的無細(xì)胞系統(tǒng)中(含有RER小泡)加入蛋白水解酶,并不能使新生肽水解。但同時加入去垢劑,則能將蛋白質(zhì)水解,提示新生肽鏈?zhǔn)沁吅铣蛇呥\(yùn)輸?shù)?因?yàn)槿ス竸┠軌蚱茐膬?nèi)質(zhì)網(wǎng)的膜,使合成的蛋白質(zhì)暴露于蛋白水解酶遭到降解。若無去垢劑,多肽在合成的同時就向內(nèi)質(zhì)網(wǎng)轉(zhuǎn)運(yùn),所以不受蛋白水解酶的影響。多聚核糖體的離體翻譯 從骨髓瘤分離多聚核糖體，用去垢劑處理，使之與內(nèi)質(zhì)網(wǎng)膜分離后，繼續(xù)在無細(xì)胞體

7、系(不含RER小泡)中進(jìn)行翻譯，發(fā)現(xiàn):短時間溫育，即可得到成熟的分泌蛋白(無信號序列),而長時間的溫育，得到的產(chǎn)物N-端有信號序列,這一結(jié)果證明了信號序列的功能。為什么說多聚核糖體是研究內(nèi)質(zhì)網(wǎng)幫助蛋白質(zhì)運(yùn)輸?shù)暮貌牧? 信號序列的一般特征及早期信號假說信號序列的一般特征G.Blobel、B.Dobberstein、P.Walter和他們的同事在研究中還發(fā)現(xiàn)信號序列具有一些共同的特性:長度一般為1535個氨基酸殘基, N-末端含有1個或多個帶正電荷的氨基酸,其后是612個連續(xù)的疏水殘基;在蛋白質(zhì)合成中將核糖體引導(dǎo)到內(nèi)質(zhì)網(wǎng),進(jìn)入內(nèi)質(zhì)網(wǎng)后通常被切除(圖9-17)。 圖9-17 ER跨膜可切除信號的一般

8、結(jié)構(gòu)早期的信號假說1975年, G.Blobel和 B.Dobberstein 根據(jù)對信號序列的研究成果,正式提出了信號假說(signal hypothesis),要點(diǎn)是:(1)分泌蛋白的合成始于細(xì)胞質(zhì)中的游離核糖體;(2)合成的N-端信號序列露出核糖體后,靠自由碰撞與內(nèi)質(zhì)網(wǎng)膜接觸,然后靠N-端信號序列的疏水性插入內(nèi)質(zhì)網(wǎng)的膜;(3)蛋白質(zhì)繼續(xù)合成,并以袢環(huán)形式穿過內(nèi)質(zhì)網(wǎng)的膜;(4)如果合成的是分泌的蛋白,除了信號序列被信號肽酶切除外,全部進(jìn)入內(nèi)質(zhì)網(wǎng)的腔,若是膜蛋白,則由一個或多個停止轉(zhuǎn)移信號將蛋白質(zhì)錨定在內(nèi)質(zhì)網(wǎng)膜上。信號假說證明: 基因重組實(shí)驗(yàn)信號假說提出后得到許多實(shí)驗(yàn)的支持,其中最有力的一項(xiàng)

9、實(shí)驗(yàn)結(jié)果是雜合蛋白研究的結(jié)果。黑猩猩的-球蛋白是一種在游離核糖體上合成并存在于胞質(zhì)溶膠中的可溶性蛋白,科學(xué)家在編碼該蛋白的基因上接上一段編碼E.coli分泌蛋白-半乳糖透性酶(-lactamase)的信號序列DNA, 然后將該基因加入到無細(xì)胞的轉(zhuǎn)錄和翻譯體系中,并加入從狗組織中分離的ER膜,研究結(jié)果發(fā)現(xiàn),雜合蛋白出現(xiàn)在ER腔中,而且信號序列被切除了。這一研究結(jié)果不僅證實(shí)了信號假說的正確性,也揭示了信號序列的一個重要特性:信號序列沒有特異性,并且原核生物的信號序列在真核生物中也是有效的。l Blobel 于1972年提出信號序列的建議、1975年正式提出信號假說,揭示了細(xì)胞中不同蛋白質(zhì)在合成后是

10、如何找到自己的工作崗位的秘密,發(fā)現(xiàn)了蛋白質(zhì)與生具來的“地址簽”。這一發(fā)現(xiàn)開辟了一個全新的醫(yī)學(xué)、細(xì)胞生物學(xué)和生物技術(shù)學(xué)的研究領(lǐng)域,基于他的貢獻(xiàn),使他獲得了1999年諾貝爾醫(yī)學(xué)獎。 新蛋白復(fù)合物的發(fā)現(xiàn)與信號假說的補(bǔ)充信號識別顆粒(signal recognition partical, SRP)1981年,發(fā)現(xiàn)了信號識別顆粒(signal recognition partical, SRP),是一種核糖核酸蛋白復(fù)合體,沉降系數(shù)為11S，含有分子量為72kd、68kDa、54kDa、19kDa、14kDa及9kDa的6條多肽和一個7S(長約300個核苷酸)的scRNA(圖9-18), 它的作用是識別

11、信號序列,并將核糖體引導(dǎo)到內(nèi)質(zhì)網(wǎng)上。 圖9-18 信號識別顆粒(SRP)的組成?？康鞍?(docking protein, DP) 即SRP在內(nèi)質(zhì)網(wǎng)膜上的受體蛋白,它能夠與結(jié)合有信號序列的SRP牢牢地結(jié)合,使正在合成蛋白質(zhì)的核糖體?？康絻?nèi)質(zhì)網(wǎng)上來。 蛋白質(zhì)共翻譯轉(zhuǎn)運(yùn)的機(jī)理:信號假說新信號假說的基本內(nèi)容補(bǔ)充修改后的信號假說比早期的信號假說更為合理, 這一假說的核心內(nèi)容是: 核糖體同內(nèi)質(zhì)網(wǎng)的結(jié)合受制于mRNA中特定的密碼序列(可以翻譯成信號肽)，具有這種密碼序列的新生肽才能連同核糖體一起附著到內(nèi)質(zhì)網(wǎng)膜的特定部位。因此，核糖體同內(nèi)質(zhì)網(wǎng)的結(jié)合是功能性結(jié)合，具有功能性和暫時性，并受時間和空間的限制。正是

12、由于這種結(jié)合保證了新合成蛋白的矢量釋放。信號序列的兩個基本作用是:通過與SRP的識別和結(jié)合, 引導(dǎo)核糖體與內(nèi)質(zhì)網(wǎng)結(jié)合; 通過信號序列的疏水性,引導(dǎo)新生肽跨膜轉(zhuǎn)運(yùn)。圖9-19是修改后的信號假說的主要內(nèi)容。 圖9-19膜結(jié)合核糖體體的蛋白質(zhì)合成與轉(zhuǎn)運(yùn)補(bǔ)充修改后的信號假說的要點(diǎn)是什么?SRP、SRP受體功能的離體鑒定任何假說都要經(jīng)受得起實(shí)驗(yàn)的檢驗(yàn)。假說中的SRP、SRP受體的功能都已有體外實(shí)驗(yàn)的證明。請你設(shè)計一個離體實(shí)驗(yàn)證明SRP和SRP受體的功能信號肽跨膜的能量來源研究證明SRP受體和SRP都是G蛋白,它們不僅將合成蛋白質(zhì)的核糖體引導(dǎo)到內(nèi)質(zhì)網(wǎng), 而且通過GTP-GDP的交換, 將內(nèi)質(zhì)網(wǎng)膜中的易位子

13、(translocon)通道打開, 讓信號序列與之結(jié)合(圖9-20)。GTP 水解作為信號序列轉(zhuǎn)運(yùn)的能量來源。 圖9-20 GTP在蛋白質(zhì)轉(zhuǎn)運(yùn)中的作用 膜蛋白的共翻譯轉(zhuǎn)運(yùn)機(jī)理在粗面內(nèi)質(zhì)網(wǎng)上合成的蛋白質(zhì)有兩類:分泌蛋白和膜蛋白,膜蛋白的共翻譯轉(zhuǎn)運(yùn)較為復(fù)雜,首先它要靠疏水區(qū)滯留在內(nèi)質(zhì)網(wǎng)上,另外膜蛋白分單次跨膜和多次跨膜;還有膜蛋白在膜上的定向問題,即羧基端和氨基端位于內(nèi)質(zhì)網(wǎng)膜的內(nèi)側(cè)(內(nèi)質(zhì)網(wǎng)腔面)還是外側(cè)(胞質(zhì)溶膠一側(cè)),還是位于同一側(cè)。起始轉(zhuǎn)移信號(start-transfer signal)蛋白質(zhì)氨基末端的信號序列除了作為信號被SRP識別外, 還具有起始穿膜轉(zhuǎn)移的作用。在蛋白質(zhì)共翻譯轉(zhuǎn)運(yùn)過程中,

14、信號序列的N-端始終朝向內(nèi)質(zhì)網(wǎng)的外側(cè),插入蛋白質(zhì)轉(zhuǎn)運(yùn)通道后與通道內(nèi)的信號序列結(jié)合位點(diǎn)(受體)結(jié)合,其后的肽序列是以袢環(huán)的形式通過運(yùn)輸通道。內(nèi)含信號序列(internal signal sequence) 與單次跨膜蛋白內(nèi)含信號序列又稱內(nèi)含信號肽(internal signal peptides),它不位于N-末端,但具信號序列的作用,故稱為內(nèi)含信號序列。它可作為蛋白質(zhì)共翻譯轉(zhuǎn)移的信號被SRP識別,同時它也是起始轉(zhuǎn)移信號。由于內(nèi)含信號序列是不可切除的,又是疏水性,所以它是膜蛋白的一部分,如果共翻譯轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白質(zhì)中只有一個內(nèi)含信號序列,那么合成的蛋白就是單次跨膜蛋白(圖9-21)。 圖9-21 內(nèi)含信

15、號序列與單次跨膜蛋白的整合 內(nèi)含信號序列首先作為信號序列與SRP一起將核糖體附著到內(nèi)質(zhì)網(wǎng),然后作為起始轉(zhuǎn)移信號與蛋白質(zhì)轉(zhuǎn)運(yùn)通道結(jié)合引導(dǎo)新生肽的轉(zhuǎn)移。在與轉(zhuǎn)運(yùn)通道結(jié)合過程中,始終保持具有較多正電荷氨基酸的一端朝向胞質(zhì)溶膠一側(cè),由于它不能被切除,所以合成的是膜蛋白。(a) 內(nèi)含信號序列作為起始轉(zhuǎn)移信號,在保持信號序列中具有較多正電荷氨基酸一端朝向胞質(zhì)溶膠面的情況下與羧基端的臂形成環(huán),插入到轉(zhuǎn)運(yùn)通道中。(b)作用方式與(a)相同,只是內(nèi)含信號序列中含較多正電荷一端與氨基端相反,所以要進(jìn)行調(diào)整,在跨膜時保持正電荷一端朝向胞質(zhì)溶膠面。 停止轉(zhuǎn)移肽(stop-transfer peptide)與單次跨膜蛋

16、白 單次跨膜蛋白的形成除了與含有內(nèi)含信號序列有關(guān)外,終止轉(zhuǎn)移肽也與單次跨膜蛋白的形成相關(guān)。 因停止轉(zhuǎn)移信號的作用而形成單次跨膜的蛋白,那么該蛋白在結(jié)構(gòu)上只有一個停止轉(zhuǎn)移信號序列,沒有內(nèi)含轉(zhuǎn)移信號,但在N-端有一個信號序列作為轉(zhuǎn)移起始信號(圖9-22)。 圖9-22 終止轉(zhuǎn)移信號與單次跨膜蛋白的形成 該蛋白在N-末端信號序列的作用下進(jìn)行共翻譯轉(zhuǎn)運(yùn),當(dāng)停止轉(zhuǎn)移信號進(jìn)入通道后,與通道內(nèi)的結(jié)合位點(diǎn)相互作用,使通道轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白失活,從而停止蛋白質(zhì)的轉(zhuǎn)運(yùn)。由于N-末端的信號序列是可切除的,信號序列被切除后形成單次跨膜蛋白。二次跨膜蛋白與多次跨膜蛋白所謂二次跨膜就是在蛋白質(zhì)中有兩個跨膜的疏水區(qū),多次跨膜則有多個

17、起始跨膜信號與多個停止轉(zhuǎn)移信號,它們的形成與內(nèi)含信號序列和終止轉(zhuǎn)移信號相關(guān)。如果是二次跨膜,則含有一個內(nèi)含信號序列和一個停止轉(zhuǎn)移信號(圖9-23)。 圖9-23 二次跨膜蛋白的形成 內(nèi)含信號序列形成一個跨膜區(qū),停止轉(zhuǎn)移序列形成一個跨膜區(qū),二者相加就成為二次跨膜蛋白。在了解了二次跨膜形成的方式之后,不難推測多次跨膜蛋白的形成一定含有多個內(nèi)含信號序列和多個停止轉(zhuǎn)移信號。根據(jù)信號假說, 膜蛋白(單次和多次跨膜)是怎樣形成的? Bip在ER蛋白的轉(zhuǎn)移和裝配中的作用研究發(fā)現(xiàn)進(jìn)入內(nèi)質(zhì)網(wǎng)腔中的蛋白質(zhì)片段很快被一些稱為Bip的蛋白結(jié)合。Bip蛋白是重鏈結(jié)合蛋白 (heavy-chain binding pro

18、tein) 的簡稱,因?yàn)樗軌蛲琁gG抗體的重鏈結(jié)合。Bip是一類,屬于Hsp70分子伴侶家族,在內(nèi)質(zhì)網(wǎng)中有兩個作用。 Bip同進(jìn)入內(nèi)質(zhì)網(wǎng)的未折疊蛋白質(zhì)的疏水氨基酸結(jié)合，防止多肽鏈不正確地折疊和聚合(圖9-24)。 圖9-24 Bip在ER腔中的作用 Bip與轉(zhuǎn)運(yùn)到ER中蛋白的疏水部分結(jié)合,防止蛋白質(zhì)的變性或降解,使其正確地折疊。結(jié)合有蛋白質(zhì)的Bip在ATP水解后釋放被結(jié)合的蛋白,如果釋放的蛋白仍然是未折疊的,Bip將重新與這種蛋白結(jié)合。Bip還可幫助兩種不同的蛋白共同裝配。 Bip的第二個作用是防止新合成的蛋白質(zhì)在轉(zhuǎn)運(yùn)過程中變性或斷裂。通過重組DNA技術(shù),將酵母中編碼Bip蛋白的基因突變成溫

19、度敏感型后，當(dāng)提高細(xì)胞培養(yǎng)溫度時，Bip的功能就會喪失，蛋白質(zhì)向ER的轉(zhuǎn)移也會停止，推測由于Bip功能的喪失，導(dǎo)致蛋白質(zhì)在ER中的聚集，抑制了新生肽向ER的轉(zhuǎn)移。 蛋白質(zhì)在內(nèi)質(zhì)網(wǎng)中的修飾 新生肽進(jìn)入ER腔之后除了要進(jìn)行正確的折疊之外，還要經(jīng)過各種不同的修飾之后才能運(yùn)送到其它的部位。 N-連接糖基化(N-linked glycosylation)糖基化的第一步是將一個14糖的核心寡聚糖添加到新形成多肽鏈的天冬氨酸上，其氨基酸的特征序列是Asn-X-Ser/Thr(X代表任何一種氨基酸), 由于糖是同天冬酰胺的自由NH2連接，所以將這種糖基化稱為N-連接的糖基化(圖9-25)。 圖9-25 正在E

20、R中合成蛋白質(zhì)的N-連接糖基化 羥基化(hydroxylation) 除了N-連接糖基化以外，新生肽的脯氨酸和賴氨酸要進(jìn)行羥基化，形成羥脯氨酸和羥賴氨酸，不過這種反應(yīng)只是在少數(shù)蛋白上發(fā)生。在合成膠原的細(xì)胞中,脯氨酸和賴氨酸羥基化則是一個主要的反應(yīng)。 形成脂錨定蛋白新合成的蛋白質(zhì)除了成為跨膜蛋白或ER腔中的游離蛋白外，還會通過?；珽R膜上的糖脂結(jié)合,將自己錨定在ER膜上。圖9-26是新合成的ER蛋白被信號肽酶從ER上切割之后,立即通過羧基端與已存在于ER膜上的糖基磷脂酰肌醇共價結(jié)合,形成脂錨定蛋白的簡化過程。形成的脂錨定糖蛋白通過進(jìn)一步的運(yùn)輸成為質(zhì)膜外側(cè)的膜蛋白。 圖9-26 蛋白質(zhì)附著到糖

21、基磷脂酰肌醇成為脂錨定蛋白翻譯后跨ER膜運(yùn)輸某些蛋白質(zhì)也可通過翻譯后跨ER膜運(yùn)輸,由于這些蛋白的信號序列太短而無法與SRP相互作用, 它們主要是靠分子伴侶維持非折疊狀態(tài)進(jìn)行跨膜轉(zhuǎn)運(yùn)。關(guān)于翻譯后跨ER膜運(yùn)輸?shù)脑敿?xì)機(jī)理還不太清楚。9.3 高爾基復(fù)合體(Golgi complex)高爾基復(fù)合體又稱高爾基器(Golgi apparatus)或高爾基體,是意大利科學(xué)家Camillo Golgi在1898年發(fā)現(xiàn)的,它是普遍存在于真核細(xì)胞中的一種細(xì)胞器。高爾基復(fù)合體與細(xì)胞的分泌功能有關(guān), 能夠收集和排出內(nèi)質(zhì)網(wǎng)所合成的物質(zhì), 它也是凝集某些酶原顆粒的場所, 參與糖蛋白和粘多糖的合成。高爾基復(fù)合體與溶酶體的形成

22、有關(guān), 并參與細(xì)胞的胞飲和胞吐過程。9.3.1 高爾基體的形態(tài)結(jié)構(gòu)和極性 形態(tài)結(jié)構(gòu) 電子顯微鏡所觀察到的高爾基體最富有特征性的結(jié)構(gòu)是由一些( 通常是48個) 排列較為整齊的扁平膜囊(saccules)堆疊在一起, 構(gòu)成了高爾基體的主體結(jié)構(gòu)。扁囊多呈弓形, 也有的呈半球形或球形。均由光滑的膜圍繞而成, 膜表面無核糖體顆粒附著(圖9-27)。 圖9-27 煙草根尖細(xì)胞高爾基體的電鏡照片高爾基復(fù)合體由平行排列的扁平膜囊、大囊泡和小囊泡等三種膜狀結(jié)構(gòu)所組成。它有兩個面:形成面和成熟面,來自內(nèi)質(zhì)網(wǎng)的蛋白質(zhì)和脂從形成面逐漸向成熟面轉(zhuǎn)運(yùn)(圖9-28)。 圖9-28 高爾基體的膜囊結(jié)構(gòu)及其排列高爾基體的順面是

23、囊泡結(jié)構(gòu),靠近粗面內(nèi)質(zhì)網(wǎng),中間部分是扁平膜囊, 反面也是囊泡結(jié)構(gòu)。 扁平膜囊(saccules) 是高爾基復(fù)合體的主體部分。一般由310層扁平膜囊平行排列在一起組成一個扁平膜囊堆(stack of saccules),每層膜囊之間的距離為150300, 每個扁平囊是由兩個平行的單位膜構(gòu)成, 膜厚67nm。 小泡(vesicle) 在扁平囊的周圍有許多小囊泡, 直徑400800。這些小囊泡較多地集中在高爾基復(fù)合體的形成面。一般認(rèn)為它是由附近的粗面內(nèi)質(zhì)網(wǎng)出芽形成的運(yùn)輸泡.它們不斷地與高爾基體的扁平膜囊融合, 使扁平膜囊的膜成分不斷得到補(bǔ)充。 液泡(vacuoles) 多見于扁平膜囊擴(kuò)大之末端, 可

24、與之相連。直徑0.10.5微米, 泡膜厚約80。 高爾基體的極性結(jié)構(gòu)上的極性:高爾基體的結(jié)構(gòu)可分為幾個層次的區(qū)室; 靠近內(nèi)質(zhì)網(wǎng)的一面稱為順面(cis face), 或稱形成面(forming face)；高爾基體中間膜囊(medial Golgi); 靠近細(xì)胞質(zhì)膜的一面稱為反面高爾基網(wǎng)絡(luò) (trans Golgi network，TGN)。功能上的極性:高爾基體執(zhí)行功能時是“流水式”操作,上一道工序完成了,才能進(jìn)行下一道工序。為什么說高爾基體是一種極性細(xì)胞器? 數(shù)量和分布數(shù)量生物體中高爾基復(fù)合體的數(shù)量不等,平均為每細(xì)胞20個。在低等真核細(xì)胞中, 高爾基復(fù)合體有時只有12個，有的可達(dá)一萬多個。在

25、分泌功能旺盛的細(xì)胞中, 高爾基復(fù)合體都很多。如胰腺外分泌細(xì)胞、唾液腺細(xì)胞和上皮細(xì)胞等。而肌細(xì)胞和淋巴細(xì)胞中高爾基復(fù)合體較少見。 分布 高爾基復(fù)合體只存在于真核細(xì)胞中, 原核細(xì)胞中則無。在一定類型的細(xì)胞中, 高爾基復(fù)合體的位置比較恒定,如外分泌細(xì)胞中高爾基體常位于細(xì)胞核上方，其反面朝向細(xì)胞質(zhì)膜；神經(jīng)細(xì)胞的高爾基體有很多膜囊堆分散于細(xì)胞核的周圍。 高爾基體的化學(xué)組成 蛋白質(zhì) 從蛋白質(zhì)含量看, 高爾基復(fù)合體高于內(nèi)質(zhì)網(wǎng)和質(zhì)膜: 質(zhì)膜的蛋白質(zhì)含量為 40%, 內(nèi)質(zhì)網(wǎng)的蛋白質(zhì)含量為20%, 而高爾基體的蛋白質(zhì)含量占60%。 脂從總磷脂看, 高爾基體介于內(nèi)質(zhì)網(wǎng)和質(zhì)膜之間(表9-6)。 表9-6 內(nèi)質(zhì)網(wǎng)、高爾

26、基復(fù)合體和質(zhì)膜的磷脂組成 膜類型 總磷脂 磷脂類型 神經(jīng)鞘 磷脂酰 磷脂酰 磷脂酰絲氨 膽固醇 磷 脂 膽 堿 乙醇胺 酸磷脂肌醇 粗面內(nèi)質(zhì)網(wǎng) 61% 3.4 47.8 36.8 5.6 0.12 高爾基體 45% 14.2 31.4 36.5 4.7 0.47 細(xì)胞質(zhì)膜 40% 19.2 32.0 34.4 4.6 0.51酶類高爾基復(fù)合體的膜上含有豐富的酶類,如糖基轉(zhuǎn)移酶、磺化糖基轉(zhuǎn)移酶、氧化還原酶、磷酸酶、激酶、甘露糖苷酶、磷脂酶等。但在膜上的分布并不均一(表9-7)。高爾基復(fù)合體的標(biāo)志酶是糖基轉(zhuǎn)移酶。 表9-7 高爾基體不同區(qū)室酶的分布比較 酶 順面 中間膜囊 反面脂肪?；D(zhuǎn)移酶 +甘

27、露糖苷酶 +乙酰葡萄糖胺轉(zhuǎn)移酶 +甘露糖苷酶 +NADPase +磷酸酶 +腺苷酸環(huán)化酶 + + +5核苷酶 + + +酸性磷酸酶 +核苷二磷酸酶 +唾液酸轉(zhuǎn)移酶 +硫胺素焦磷酸酶 +半乳糖基轉(zhuǎn)移酶 +9.3.2 高爾基體的功能 高爾基體的主要功能是參與細(xì)胞的分泌活動, 將內(nèi)質(zhì)網(wǎng)合成的多種蛋白質(zhì)進(jìn)行加工、分類與包裝, 并分門別類地運(yùn)送到細(xì)胞的特定部位或分泌到細(xì)胞外。內(nèi)質(zhì)網(wǎng)上合成的脂類一部分也要通過高爾基體向細(xì)胞質(zhì)膜等部位運(yùn)輸。因此, 高爾基體是細(xì)胞內(nèi)物質(zhì)運(yùn)輸?shù)慕煌屑~。 蛋白質(zhì)和脂的運(yùn)輸 高爾基復(fù)合體位于內(nèi)質(zhì)網(wǎng)和質(zhì)膜之間, 是膜結(jié)合核糖體合成的蛋白質(zhì)的分選和運(yùn)輸?shù)闹虚g站。 ER與高爾基體順面間

28、的蛋白質(zhì)運(yùn)輸除了內(nèi)質(zhì)網(wǎng)結(jié)構(gòu)和功能蛋白質(zhì)外, 其他由內(nèi)質(zhì)網(wǎng)合成的蛋白質(zhì)都是通過小泡轉(zhuǎn)運(yùn)到高爾基體的順面, 小泡與順面高爾基體網(wǎng)絡(luò)融合之后, 轉(zhuǎn)運(yùn)的蛋白質(zhì)進(jìn)入高爾基體腔, 這是內(nèi)質(zhì)網(wǎng)與高爾基體間的主流運(yùn)輸。偶爾也有從高爾基體各個部位形成的小泡沿微管回流到內(nèi)質(zhì)網(wǎng)(圖9-29)。 圖9-29 高爾基體和ER間的雙向運(yùn)輸?shù)哪Ｐ蛷腅R出芽形成的小泡到高爾基體順面稱為正向運(yùn)輸,從高爾基體形成的小泡都可獨(dú)立地通過微管運(yùn)回ER。為什么偶爾會出現(xiàn)高爾基體蛋白向內(nèi)質(zhì)網(wǎng)運(yùn)輸? 有什么意義?內(nèi)質(zhì)網(wǎng)滯留信號(ER retention signal)內(nèi)質(zhì)網(wǎng)的結(jié)構(gòu)和功能蛋白的羧基端的一個四肽序列:Lys-Asp-Glu-Le

29、u-COO-，即KDEL信號序列是內(nèi)質(zhì)網(wǎng)的滯留信號。KDEL信號在高爾基復(fù)合體各個部分的膜上都有相應(yīng)的受體。如果ER滯留蛋白質(zhì)在出芽時被錯誤地包進(jìn)分泌泡而離開了ER, 高爾基復(fù)合體膜上的這種信號受體蛋白就會與逃出的ER蛋白結(jié)合,并形成小泡, 將這些ER蛋白押送回到ER(圖9-30)。 圖9-30 KDEL信號及其受體維持ER蛋白的穩(wěn)定內(nèi)質(zhì)網(wǎng)腔蛋白的羧基端都有KDEL信號序列,是ER滯留信號。KDEL受體主要位于高爾基體的順面膜囊和ER到高爾基體順面運(yùn)輸小泡上。主要作用是識別KDEL信號并與之結(jié)合,然后將結(jié)合的ER蛋白運(yùn)回ER。 蛋白質(zhì)從順面高爾基網(wǎng)絡(luò)向反面高爾基網(wǎng)絡(luò)運(yùn)輸從ER分泌出來的小泡同順

30、面高爾基網(wǎng)絡(luò)融合后成為高爾基體的一個部分，然后經(jīng)過中間膜囊出芽形式分泌小泡(又稱穿梭小泡)逐步向反面高爾基體網(wǎng)絡(luò)轉(zhuǎn)運(yùn),轉(zhuǎn)運(yùn)時,分泌小泡與高爾基體膜囊的融合和出芽都是發(fā)生在兩側(cè)(圖9-31)，該過程伴隨有蛋白質(zhì)的各種加工。 圖9-31 穿梭小泡從順面高爾基體網(wǎng)絡(luò)向反面高爾基體網(wǎng)絡(luò)移動上述關(guān)于分泌蛋白在高爾基體順面網(wǎng)絡(luò)和反面網(wǎng)絡(luò)之間的運(yùn)輸,長期以來只是一種推測。后來由James Rothman 和Lelio Orci通過無細(xì)胞蛋白質(zhì)合成體系獲得了實(shí)驗(yàn)證明。James Rothman 和Lelio Orci怎樣通過實(shí)驗(yàn)證明高爾基體的中間膜囊具有蛋白質(zhì)轉(zhuǎn)運(yùn)和加工的作用? 蛋白質(zhì)的糖基化N-連接糖基化的修飾蛋白質(zhì)的N-連接糖基化是在內(nèi)質(zhì)網(wǎng)中進(jìn)行的, 而對糖基的修飾則是在高爾基體中完成的。對于進(jìn)入到高爾基體的糖蛋白來說, 形成高甘露糖基寡聚糖側(cè)鏈所需的修飾比較簡單, 只要切除3 分子的葡萄糖即可(圖9-32), 這一過程是在RER中完成的。 圖9-32 高甘露糖側(cè)鏈的修飾而形成復(fù)合寡聚糖則比較復(fù)雜, 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