细胞生物学/高尔基复合体

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细胞的内膜系统与囊泡转运 - 内质网 - 高尔基复合体 - 溶酶体 - 过氧化物酶体 - 囊泡与囊泡转运 - 细胞内膜系统与医学的关系
1898年,意大利学者C. Golgi用银染技术对猫头鹰脊髓神经节进行光镜观察时首次发现:在细胞核周围的细胞质基质中,存在一种嗜银的网状结构,并称之为内网器(internal reticular apparatus)。此后,在多种细胞中也相继发现了类似的结构。后来的学者,为了纪念高尔基,就用高尔基体(Golgi body)取代了内网器这一名称。
20世纪50年代,随着电子显微镜及其超薄切片技术的应用和发展,不仅证明了高尔基体的真实存在,而且使得人们对其有了新的、更为深入和清楚的认识;并根据高尔基体在电镜下的亚显微形态结构特点,将之更名为高尔基复合体(Golgi complex)。

高尔基复合体的形态结构[编辑]

高尔基复合体是由三种不同类型的膜性囊泡组成的细胞器[编辑]

电镜观察表明,高尔基复合体是一种膜性的囊、泡结构复合体。在其整体形态上,不同囊、泡具有明显的极性分布特征。据此,将高尔基复合体划分为三个组成部分:

  1. 扁平囊泡 现统称为潴泡(cisterna), 是高尔基复合体中最具特征的主体结构组分。通常,每3~8个略呈弓形弯曲的扁平囊泡整齐地排列层叠在一起,构成高尔基复合体的主体结构——高尔基体堆(Golgi slack)。呈扁平状的高尔基潴泡囊腔宽约15~20nm; 相邻囊间距20~30nm。其凸面朝向细胞核,称之为顺面(cis-face)或形成面(forming face); 凹面侧向细胞膜,称作反面(trans-face)或成熟面(mature face)。形成面膜厚约6nm, 与内质网膜厚度相近似;成熟面膜厚约8nm, 与细胞膜厚度相近。
  2. 小囊泡 现统称为小泡(vesicle), 聚集分布于高尔基复合体形成面,是一些直径为40~80nm的膜泡结构,包括两种类型:相对较多的一类为表面光滑的小泡;较小的一类是表面有绒毛样结构的有被小泡(coated vesicle)。一般认为这些小型囊泡是由其附近的糙面内质网芽生、分化而来,并通过这种形式把内质网中的蛋白质转运到高尔基复合体中来。因此,也被称作为运输小泡(transfer vesicle)。它们可通过相互融合,形成扁平状高尔基潴泡。一方面完成了从内质网向高尔基复合体的物质转运;另一方面,也使扁平状高尔基渚泡的膜结构及其内含物不断地得以更新和补充。
  3. 大囊泡 现统称为液泡(vacuole), 直径为0.1~0.5μm, 是见于高尔基复合体成熟面的分泌小泡(secretory vesicle)。系由扁平状高尔基潴泡末端膨大、断离而形成。不同分泌小泡在电镜下所显示的不同电子密度,可能是它们不同成熟程度的反映。

高尔基复合体具有显著的极性[编辑]

无论是常规的电镜观察图像,还是应用重金属选择性浸染新技术结合多角度观察、拍摄图像重组的高尔基复合体三维结构模型以及单克隆抗体免疫电镜技术的研究,均显示高尔基复合体具有明显的极性形态结构特征。
构成高尔基复合体主体的湘泡,从形成面到成熟面可呈现为典型的扁平囊状、管状或管、囊复合形式等不同的结构形态;各层膜囊的标志化学反应及其所执行的功能亦不尽相同。因此,现在一般将高尔基复合体膜握层依次划分为顺面高尔基网(cis -Golgi network)、高尔基中间膜囊(medial Golgi stack)和反面高尔基网(trans -Golgi network)等三个具有其各自功能结构特征的组成部分。
顺面高尔基网靠近内质网一侧,呈连续分支的管网状结构,显示嗜锇反应的化学特征。一般认为,该结构区域的功能有两个:第一是分选来自内质网的蛋白质和脂类,并将其大部分转入到高尔基中间膜囊,小部分重新送返内质网而成为驻留蛋白;第二是进行蛋白质修饰的O-连接糖基化以及穿膜蛋白在细胞质基质侧结构域的酰基化。所谓0-连接糖基化与发生在内质网中的N-连接糖基化不同,其寡糖连接部位是蛋白质多肽链中丝氨酸等氨基酸残基侧链的OH基团。
高尔基中间膜囊是位于顺面高尔基网状结构和反面高尔基网状结构之间的多层间隔囊、管结构复合体系。除与顺面网状结构相邻的一侧对NADP酶反应微弱外,其余各层均有较强的反应。中间膜囊的主要功能是进行糖基化修饰和多糖及糖脂的合成。
高尔基反面网状结构朝向细胞膜一侧,在其形态结构和化学特性上具有不同细胞间的差异性和多样性。该结构的主要功能是对蛋白质进行分选,最终使得经过分选的蛋白质,或被分泌到细胞外,或被转运到溶酶体。另外,某些蛋白质的修饰作用也是在此进行和完成的。比如蛋白质酪氨酸残基的硫酸化、半乳糖α-2,6位的唾液酸化及蛋白质的水解等。

高尔基复合体在不同的组织细胞中呈现不同的分布形式[编辑]

高尔基复合体在不同的组织细胞中具有不同的分布特征。例如,在神经细胞中的高尔基复合体一般是围绕细胞核分布;在输卵管内皮、肠上皮黏膜、甲状腺和胰腺等具有生理极性的细胞中,其常常在细胞核附近趋向于一极分布;在肝细胞中,则沿胆小管分布在细胞边缘;在精、卵等少数特殊类型的细胞和绝大多数无脊椎动物的某些细胞中,可见到高尔基复合体呈分散的分布状态。另有研究结果 显示,在非极性的动物间期细胞中,高尔基复合体往往位于中心粒附近。如果用秋水仙碱处理细胞,高尔基复合体会失去原有的典型结构特征,并出现弥散性分布;去除秋水仙碱后,其又能够很快恢复到原来的结构和分布状态。这表明:高尔基复合体在中心粒附近的分布与微管相关。
此外,高尔基复合体的数量和发达程度,也因细胞的生长、发育分化程度和细胞的功能类型不同而存在较大的差异,并且会随着细胞的生理状态而变化。一般而言,在分化发育成熟且具有旺盛分泌功能活动的细胞中,高尔基复合体较为发达。

高尔基复合体的化学组成[编辑]

脂类是高尔基复合体膜的基本成分[编辑]

作为一种膜性结构细胞器,脂类是高尔基复合体结构最基本的化学组分。从大鼠肝细胞分离的高尔基复合体,其脂类总含量约45%;大量的分析资料表明,高尔基复合体膜的脂类成分含量介于质膜与内质网膜之间。

高尔基复合体含有以糖基转移酶为标志的多种酶蛋白体系[编辑]

在细胞不同结构区域中,酶的分布种类及含量,往往反映着该结构区域的主要功能特性。一般认为,糖基转移酶(glycosyltransferase)是高尔基复合体中最具特征性的酶。它们主要参与糖蛋白和糖脂的合成。
同时,在高尔基复合体中还存在着其他的一些重要的酶类,它们是:①包括NADH-细胞色素c还原酶和NADPH-细胞色素还原酶的氧化还原酶;②以5'-核苷酸酶、腺苷三磷酸酶、硫胺素焦磷酸酶为主体的磷酸酶类;③参与磷脂合成的溶血卵磷脂酰基转移酶和磷酸甘油磷脂酰转移酶;④由磷脂酶A1与磷脂酶A2组成的磷脂酶类;⑤酪蛋白磷酸激酶;⑥α-甘露糖苷酶等。
根据J. E. Rothman等人近些年来的研究报道:通过密度梯度离心技术可分离出3种不同密度的高尔基复合体碎片;而每一种密度的碎片都分别与一组酶相关联。密度最大者含有磷酸转移酶,它们能催化磷酸酶与溶酶体蛋白的结合;中等密度者含有甘露糖甘酶和N-乙酰葡萄糖胺转移酶;而半乳糖基转移酶及唾液酸基转移酶则主要存在于低密度碎片。这也证明了在高尔基复合体中至少具有3种不同结构和功能分化的高尔基膜损。也正是基于此研究结果,Rothman等人提出了高尔基复合体叠层存在生化区隔化或房室化的新观点。
此后的免疫细胞化学电镜技术研究分析发现: N-乙酰葡萄糖胺转移酶Ⅰ只存在于高尔基体叠层中央的2~3个扁囊中;半乳糖基转移酶也仅存于反面扁囊中;而磷酸转移酶则几乎可以肯定地存在于顺面扁囊之中。这一发现,为高尔基复合体叠层的生化区隔化或房室化提供了新的证据。
高尔基复合体中含有极为丰富的蛋白质和较为多样的酶类。凝胶电泳分析显示,高尔基复合体蛋白的组成含量和复杂程度亦介于内质网和细胞膜之间,其中一些蛋白质与内质网是相同的。因此,有理由推断:高尔基复合体是构成质膜和内质网之间相互联系的一种过渡性细胞器。

高尔基复合体的功能[编辑]

作为内膜系统的主要结构组成之一,高尔基复合体不仅和内膜系统其他结构组分一起构成了胞内物质转运的特殊通道,而且也是胞内物质合成、加工的重要场所。其主要的功能作用如下。

高尔基复合体是细胞内蛋白质运输分泌的中转站[编辑]

早在20世纪60年代中期,G. E. Palade和J. D. Jamieson等人,运用放射性同位素标记示踪技术,注射3H标记的亮氨酸于豚鼠胰腺细胞,3分钟后,3H-亮氨酸即出现于内质网中;约20分钟后,从内质网进入到高尔基复合体;120分钟后,3H-亮氨酸出现、存在于细胞顶端的分泌泡中并开始释放。该实验清楚地显示了分泌蛋白在细胞内的合成及其转运途径。此后的研究进而证明,除了外输性分泌蛋白之外,胞内溶酶体中的酸性水解酶蛋白、多种细胞膜蛋白以及胶原纤维等细胞外基质成分也都是经由高尔基复合体进行定向转送和运输的。因此,可以说高尔基复合体是细胞内蛋白质运输分泌的中转站。
外源性分泌蛋白具有连续分泌(continuous secretion)和非连续分泌(discontinuous secretion)两种不同的排放形式。前者又称恒定型分泌(constitutive secretion), 是指外输性蛋白质在其分泌泡形成之后,随即排放出细胞的分泌形式;而后者则是先储存于分泌泡中,需要时再排放到细胞外的分泌形式。

高尔基复合体是胞内物质加工合成的重要场所[编辑]

1、糖蛋白的加工合成 内质网合成并经由高尔基复合体转送运输的蛋白质,绝大多数都是经过糖基化修饰加工合成的糖蛋白,主要包括N-连接糖蛋白和O-连接糖蛋白两种类型。前者,其糖链合成与糖基化修饰始于内质网,完成于高尔基复合体;后者,则主要或完全是在高尔基复合体中进行和完成的。O-连接糖基化寡糖链结合的蛋白质多肽链中的氨基酸残基通常有丝氨酸、苏氨酸和酪氨酸 (或胶原纤维中的羟赖氨酸与羟脯氨酸)。除了蛋白聚糖外,几乎所有O-连接寡糖中与氨基酸残基侧链OH直接结合的第一个糖基都是N-乙酰半乳糖胺(蛋白聚糖中第一个糖基通常是木糖);组成O-连接寡糖链中的单糖组分,是在糖链的合成过程中一个个地添加上去的。
将细胞置于含有用3H标记的甘露糖培养基中短期培养,然后进行放射自显影示踪测定发现:银染颗粒仅出现于内质网中;用3H-N-乙酰葡萄糖胺培养标记,银粒在内质网和高尔基复合体中同时出现;而用半乳糖和3H-唾液酸糖标记培养,则只在高尔基复合体中发现了银粒的存在。这说明,甘露糖、N-乙酰葡萄糖胺位于糖蛋白寡聚糖链的核心,存在于内质网腔;而半乳糖、唾液酸则位于寡糖链的远端,存在于高尔基复合体中。因此,高尔基复合体不仅具有对于内质网来源的蛋白质的修饰加工作用,而且还是糖蛋白中多(寡)糖组分及分泌性多糖类合成的场所。
在糖蛋白的形成过程中,对糖蛋白中寡糖链的修饰加工,是高尔基复合体的主要功能之一。由内质网转运而来的糖蛋白,在进入高尔基复合体后,其寡糖链末端区的寡糖基往往要被切去,与此同时,再添加上新的糖基,比如UDP-半乳糖、UDP-葡萄糖和UDP-唾液酸等。
蛋白质糖基化的重要意义在于:①糖基化对蛋白质具有保护作用,使它们免滥水解酶的降解;②糖基化具有运输信号的作用,可引导蛋白质包装形成运输小泡,以便进行蛋白质的靶向运输;③糖基化形成细胞膜表面的糖被,在细胞膜的保护、识别以及通讯联络等生命活动中发挥重要作用。
2、蛋白质的水解加工 对蛋白质的水解修饰,是高尔基复合体物质加工修饰功能的另一种体现形式。某些蛋白质或酶,只有在高尔基复合体中被特异性地水解后,才能够成熟或转变为其作用的活性存在形式。例如人胰岛素,在内质网中是以由86个氨基酸残基组成,含有A、B两条肽链和起连接作用的C肤所构成的胰岛素原的形式而存在。当它被转运到高尔基复合体时,在水解切除C肽后才 成为有活性的胰岛素。还有,胰高血糖素、血清白蛋白等的成熟,也都是经过在高尔基复合体中的切除修饰完成的。
此外,业已证实,溶酶体酸性水解酶的磷酸化、蛋白聚糖类的硫酸化等,均在高尔基复合体的转运过程中发生和完成。

高尔基复合体是胞内蛋白质的分选和膜泡定向运输的枢纽[编辑]

高尔基复合体在细胞内蛋白质的分选和膜泡的定向运输中具有极为重要的枢纽作用。其可能的机制是:通过对蛋白质的修饰、加工,使得不同的蛋白质带上了可被高尔基复合体网膜上专一受体识别的分选信号,进而选择、浓缩,形成不同去向的运输和分泌小泡。这些分泌小泡的运输主要有三条可能的途径和去向:①经高尔基复合体单独分拣和包装的溶酶体酶,以有被小泡的形式被转运到溶酶体;②分泌蛋白以有被小泡的形式运向细胞膜或被分泌释放到细胞外;③以分泌小泡的形式暂时性地储存于细胞质中,在有需要的情况下,再被分泌释放到细胞外去。