第十節
內質網和高爾基體

在本章第八節溶酶體中，我們談到溶酶體的出現使得真核細胞可以在細胞內消化吞進的食物顆粒，賦予真核細胞迅速獲得大量營養的能力。溶酶體里面有幾十種消化酶，可以對吞入的原核細胞所有的成分，包括細胞膜、蛋白質、DNA、多糖等等進行降解。在真核細胞中，溶酶體中的這些酶從哪來的？

答案就在真核細胞除了有細胞膜和核膜外，還有一個龐大的細胞內的膜系統，這個系統就是內質網和高爾基體。這個系統的功能之一就是形成要進入溶酶體的消化酶，并且將它們送入溶酶體，還有一個重要功能就是給蛋白質分子加上糖基，并且將它們運送到溶酶體、細胞膜和細胞外。這兩個功能是彼此銜接的，因為進入溶酶體的消化酶都是帶有糖基的。

內質網（endoplasmic reticulum，簡稱ER）和高爾基體（Golgi apparatus，簡稱Golgi）都是真核細胞所特有的，由膜包裹而成的扁平囊狀結構，將其內部的腔和細胞質分開，以執行其特有的功能。雖然它們都是細胞內的膜系統并且功能彼此銜接，但是它們的結構和功能也有所區別（圖3-26）。

內質網是由多重扁平囊平行排列組成的系統，扁平囊之間有膜連接，所以整個內質網的腔是相通的。由于內質網的膜還和細胞核的外膜相連，所以內質網的腔和細胞核兩重膜之間的空間也相通。內質網系統常常延伸到細胞內的大部分空間，可以綿延幾十微米。在電鏡下，內質網還分為糙面內質網（rough ER）和光面內質網（smooth ER）兩種區域，前者因為附有合成蛋白質的核糖體顆粒而顯得粗糙，而光面內質網則沒有核糖體附著。內質網的主要功能之一是讓需要糖基化的蛋白質進入內質網腔或膜，對它們進行剪裁、初步的糖基化、形成二硫鍵（由半胱氨酸側鏈上的“巰基”—SH通過氧化形成的—S—S—鍵），最后折疊成正確的三維結構。

高爾基體由數個凹狀的圓形扁平囊（cisternae）相疊而成，常常位于內質網和細胞膜之間。高爾基體一般含有4~8個扁平囊，每個囊的尺寸比較小，直徑在1微米左右，周緣成泡狀。和內質網的腔是一個整體不同，高爾基體的各個囊之間沒有膜相連，因而囊腔是彼此隔離的。面向內質網的囊接受來自內質網的蛋白質，被稱為高爾基體的“順面”（cis-face），面向細胞膜的囊把蛋白質加工完畢，準備送往它們的目的地，叫做高爾基體的“反面”（trans-face）。高爾基體的主要作用是對來自內質網的蛋白質進行進一步的加工，修改糖鏈，并且對各種蛋白質分子進行分類，再運送到各自的目的地去，例如溶酶體、細胞膜或者分泌到細胞外。由于內質網和高爾基體之間，高爾基體的不同囊之間，以及高爾基體和溶酶體、細胞膜之間都沒有膜連接，蛋白質從內質網到高爾基體的順面，從高爾基體的順面到高爾基體的反面，以及從高爾基體的反面到目的地（溶酶體、細胞膜和細胞外）的轉運都必須通過小囊的方式，將可溶性蛋白質包裹在小囊中，將目的地是細胞膜的膜蛋白分配到小囊的膜中進行運輸。小囊通過內質網膜和高爾基體的膜突起然后分裂而形成，類似酵母細胞的出芽繁殖。這些小囊再通過細胞內的運輸系統（見本章第六節，“真核細胞的骨骼系統和肌肉系統”）到達目的地。高爾基體周圍的泡狀物，就是運輸這些蛋白質的小囊。由于小囊的形成需要磷脂，所以內質網中的光面內質網還有一個重要功能，就是合成磷脂和新的生物膜。

在內質網中形成和加工后的消化酶是如何進入溶酶體的呢？原來要進入溶酶體的消化酶，在內質網中都被加上了糖鏈，在糖鏈中甘露糖的第6位碳原子上加上一個磷酸根。形成的“6-磷酸甘露糖”，這就是進入溶酶體的“路牌”。它被位于高爾基體膜上的“6-磷酸甘露糖受體”識別，酶即與膜聯系在一起。這些蛋白質隨后聚集在反面高爾基體膜的一個小區域內，這部分膜再突起分裂出去形成輸送小囊，運送至溶酶體。小囊的膜與溶酶體的膜融合，將這些蛋白質釋放到溶酶體腔中。

蛋白質糖基化的“車間”和“發送站”

溶酶體中消化酶轉運的例子也顯示出蛋白質的糖基化對于真核細胞的意義。原核細胞里面的蛋白質是很少帶糖基的，例如在大腸桿菌中測到的帶糖基的蛋白質只有十來個，也還沒有發展出專門的細胞內的膜系統來給蛋白質加糖基。雖然許多細菌的外面包裹有由肽聚糖組成的細胞壁（見第二章第十三節，圖2-34），但是那主要是由多糖分子組成的結構，肽鏈只有幾個氨基酸單位長，主要起聯系糖鏈的作用，并不是真正的蛋白質。而許多真核細胞的蛋白質分子上面都帶有糖基，或是單個糖基，或是結構復雜的糖鏈。

許多真核細胞的蛋白質分子上帶有糖基這一現象，和真核細胞生理活動的復雜性有關。真核細胞里面的蛋白質種類遠多于原核細胞，執行的功能也多得多，完全依靠蛋白質自己的肽鏈在許多情況下已經不夠了，而需要糖基的幫助。糖基能夠增加蛋白質的穩定性，沒有糖基，許多蛋白質不能夠卷曲成正確的三維結構，或者會在細胞中被迅速降解。許多蛋白質的活性也與它上面的糖基有關，例如核糖核酸酶的活性就因為上面有糖基而大大提高。由于糖基是高度溶于水的，蛋白質帶上糖基也可以增加它的溶解度，例如血漿中的蛋白質基本上都是帶糖基的。在多細胞生物中，蛋白質上面的糖基在分子之間的識別和相互作用中也起重要作用，例如與免疫有關的蛋白質如抗體和補體分子基本上都帶有糖基；胰島素受體和胰島素之間的相互作用也需要受體上面的糖基；生長激素、甲狀旁腺激素、黃體激素、紅細胞生長激素等蛋白質分子都帶有糖基。

從上面的介紹可以看出，真核細胞中有三大類蛋白質分子是需要糖基化的，也都走囊泡運輸這條路，那就是進入溶酶體的水解酶、被分泌到細胞外的蛋白質（例如前面談到的血漿中的蛋白質、抗體、具有激素功能的蛋白質）和細胞表面的蛋白質（例如細胞表面的受體）。所有這三大類帶糖基的蛋白質都是不進入細胞質的，所以需要特殊的環境來合成這些蛋白質和給這些蛋白質分子加上糖基，并且將它們分別送到自己的目的地。這個環境就是內質網和高爾基體以及它們內部的腔。這些腔和外面的細胞質是不相通的，可以含有專門給各種蛋白質加上糖基并且進行修飾的酶。

蛋白質的糖基化是一個多形式、多步驟的復雜過程，需要幾十種酶的作用。從內質網到高爾基體，從高爾基體的順面到反面，腔內所含的酶都不同，以便對蛋白質上的糖鏈依次進行加工。蛋白質糖基化的方式有許多種，涉及13種不同的單糖和蛋白質中的8種氨基酸殘基，但是其中最主要的是連在天冬酰胺殘基上的糖基和連在絲氨酸或蘇氨酸殘基上的糖基。前者是與天冬酰胺側鏈氨基上的氮原子相連，叫做N-糖基化（N-linked glycosylation）；后者與絲氨酸或蘇氨酸側鏈羥基上的氧原子相連，叫做O-糖基化（O-linked glycosylation）。N-糖基一般較大、較復雜，常常是十幾個單糖連成的分支的糖鏈。O-糖基一般比較短小，多數只含1~4個單糖。組成這些糖基的單糖不像淀粉或纖維素那樣都是葡萄糖（glucose，簡稱Glc），而是還有多種單糖和它們的衍生物，例如半乳糖（galactose，簡稱Gal）、甘露糖（mannose，簡稱Man）、海藻糖（fucose，簡稱Fuc）、N-乙酰半乳糖胺（N-acetylgalactosamine，簡稱GalNAc）、N-乙酰葡萄糖胺（N-acetylglucosamine，簡稱GlcNAc）、唾液酸（sialic acid）等。糖鏈也不像蛋白質的肽鏈那樣是線性的，而是像樹枝那樣可以分支，分支上又可以再分支。不同類型的細胞含有的糖基化酶不同，所以往糖鏈上加糖單位的數量、種類、順序不同，再加上同一個蛋白質分子還可以連上多個糖鏈，最后形成的糖蛋白種類極其龐大，使得每種細胞的表面都有自己特有的糖蛋白結構（圖3-27）。

蛋白質被加上糖基后，會被高爾基體分配到不同的地方去。進入溶酶體的水解酶和被分泌到細胞外的蛋白質都是溶于水的，被裝在小囊泡的內部再被運輸到溶酶體中或者細胞外。而細胞表面的蛋白質屬于膜蛋白，是不溶于水的，這些分子在腔內的部分被糖基化后，仍然停留在膜上，在運輸小囊形成時進入小囊的膜內，通過小囊與細胞膜的融合進入細胞膜，呈現于細胞表面（參看圖3-26）。