细胞生物学/内质网

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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
早在19世纪末,C.Garnier在对动物体内具有旺盛分泌活动的唾液腺和胰腺等组织细胞进行光镜观察时就注意到:该类细胞中存在一个呈现为丝条状形态结构的嗜碱性特化区域。这些丝条状的结构,随着动物的生理及细胞活动状态的不同而处于一种动态的变化过程。亦即,当动物严重饥饿或细胞中形成大瞿酶原颗粒后,丝条状结构减少,甚至消失;当动物进食后或细胞进行活跃的分泌活动时,它又会重新出现。据此,Garnier将此种结构称之为动质(ergastoplasm) , 并推测,其可能与消化液的合成、分泌有关。
1945年,K. R. Porter等人通过对动质的电镜观察首次发现:光镜下呈现丝条状的动质结构,实际 上是聚集、分布于细胞核附近内质区的一些由小泡、小管相互吻合,彼此连接形成的网状结构。他们根据动质这种特殊的胞内区域分布和电镜结构特征,遂将之易名为内质网(endoplasmic reticulum, ER), 并被沿用至今。
1954年,Porter和G. E. Palade等的研究证实:内质网是一类由大小、形态各异的膜性痪泡所构成的细胞器;此后更多的观察研究资料进一步表明,内质网并非仅仅分布于细胞核周围的内质区,而且常常扩展、延伸至靠近细胞膜的外质区;它不仅普遍地存在千几乎所有动物的不同组织细胞类烈,同时也常见于各种植物的绝大多数组织细胞之中。
20世纪60年代以前,对内质网的研究主要着重于其在细胞内的分布状况及形态结构方面。之后,由于同位素标记示踪放射自显影技术、电镜细胞化学和免疫细胞化学等技术的应用,使得对于内质网的功能及与之相关的大分子定位等也有了较为全面的了解。

内质网的形态结构与类型[编辑]

内质网是细胞质内由单位膜围成的三维网状膜系统[编辑]

内质网广泛分布于除成熟红细胞以外的所有真核细胞的胞质中。内质网以平均膜厚度约5~6nm的小管(ER tubule)、小泡(ER vesicle)或扁囊(ER lamina)为其基本“ 结构单位”(unit structure)。这些大小不同、形态各异的膜性管、泡和扁囊,在细胞质中彼此相互连通,构成了一个连续的膜性三维管网结构系统。在整体结构上,可与高尔基复合体、溶酶体等内膜系统的其他组分移行转换;在功能上则与这些结构密切相关。内质网还可向内延伸,与细胞核外膜直接连通。因而,有人认为:核膜是在间期细胞中包裹核物质的内质网的一部分。
在不同的组织细胞中,或同一种细胞的不同发育阶段以及不同生理功能状态下,内质网往往会呈现出其形态结构、数量分布和发达程度的差别。例如,大鼠肝脏细胞中的内质网主要是由一组扁平囊泡(5~10个)层叠排列,并通过它们边缘的小管相互连通而成。这些扁囊的表面附着有很多核糖体颗粒,在连通扁囊的小管周围,经常可见散在的小泡结构。在睾丸间质细胞中的内质网则由众多的分支小管或小泡构筑呈网状结构形式。中国学者宋今丹在电镜标本制作过程中,以高猛酸钾处理细胞,在培养的猴肾上皮细胞中观察到内质网以细胞核为中心向周围铺展的全貌性网状结构。后来人们以交联荧光的抗体标记内质网上的标志性蛋白,于荧光显微镜下观察到:在培养的哺乳动物细胞和生活的植物细胞中,内质网通常围绕细胞核向外周铺展延伸到细胞边缘乃至细胞突起中,形成较密集的复杂网状立体结构形态。横纹肌细胞中的肌质网(sarcoplasmic reticulum)是光面内质网的又一种形态结构存在形式,其在每一个肌原纤维节中连成一网状单位。
一般而言,在不同种生物的同类组织细胞中,它们的内质网基本是相似的。然而,在同一组织细胞中,内质网的数量及结构的复杂程度,则往往与细胞的发育进程成正相关。亦即,与细胞的生长发育相伴,内质网的数量、结构也在逐渐地发生着从少到多、从简单到复杂、从单管少痰的稀疏网状到复管多损的密集网状的变化。

糙面内质网和光面内质网是内质网的两种基本类型[编辑]

根据电子显微镜观察的资料,通常把内质网划分为两种基本类型,即所谓的糙面内质网(rough endoplasmic reticulum, RER)和光面内质网(smooth endoplasmic reticulum, SER)。此外,在某些特殊的正常细胞类型或发生了某种病变的细胞中,内质网也可呈现出其他的结构形态。
1、糙面内质网的主要形态特征是表面有核糖体附着 糙面内质网又称颗粒内质网(granular endoplasmic reticulum, GER), 以其网膜胞质面有核糖体颗粒的附着为主要形态特征,并因此而得名。
在结构形态上,糙面内质网多呈排列较为整齐的扁平囊状;在功能上,糙面内质网主要和外输性蛋白质及多种膜蛋白的合成、加工及转运有关。因此,在具有肽类激素或蛋白分泌功能的细胞中,粗面内质网高度发达;而在肿瘤细胞和未分化细胞中则相对少见。
2、光面内质网呈表面光滑的管泡样网状形态结构 光面内质网也称无颗粒内质网(agranular endoplasmic reticulum, AER)。电镜下呈表面光滑的管、泡样网状形态结构,并常常可见与粗面内质网相互连通。
光面内质网是一种多功能的细胞器。在不同细胞或同一细胞的不同生理时期,其结构形态、胞内空间分布及发达程度差异甚大,并常常表现出完全不同的功能特性。
两种类型的内质网在不同组织细胞中的分布状况各不相同。有的细胞中皆为粗面内质网;有的细胞中全部为光面内质网;还有些细胞中则是二者以不同的比例共存,并且可以随着细胞不同发育阶段或生理功能状态的变化而相互发生类型的转换。

某些特殊组织细胞中存在内质网的衍生结构[编辑]

除了上述两种基本形态结构类型的内质网之外,在某些特殊组织细胞中还存在着一些由内质网局部分化、衍生而来的异拟结构。比如,见于视网膜色素上皮细胞中的髓样体(myeloid body)、出现于生殖细胞、快速增殖细胞、某些哺乳类动物的神经元和松果体细胞以及一些癌细胞中的孔环状片层体(annulate lamellae)等。这些异型结构亦可被看作是内质网的第三种结构类型形式。

内质网的化学组成[编辑]

内质网通常可占到细胞全部膜相结构组成的50%左右;占细胞总体积的10%以上;相当于整个细胞质量的15%~20%。应用超速分级分离的方法,可从细胞匀浆中分离出直径在100nm左右的球囊状封闭小泡,人们称之为微粒体(microsome)。生化分析及体外实验证明:微粒体不仅包含有内质网膜与核糖体两种基本组分,而且可行使内质网的一些基本功能。由此推断:微粒体是细胞匀浆过程中,由破损的内质网碎片所形成的小型密闭囊泡,而非细胞内的固有功能结构组分。通过离心分离技术获得的微粒体包括颗粒型和光滑型两种类型。目前,对内质网的化学特征与生理功能的了解和认识,大多是通过对微粒体的生化、生理分析而获得的。

脂类和蛋白质是内质网的主要化学组成成分[编辑]

同细胞膜等其他膜相结构一样,内质网膜也以脂类和蛋白质为其结构的主要化学组成成分。综合不同动物组织细胞来源的微粒体分析资料显示,内质网膜脂类含量约30%~40%, 蛋白质含量在60%~70%之间。在此仅以大鼠肝细胞和胰腺细胞来源的微粒体为例,来说明内质网的脂类和蛋白质组成情况:
内质网膜的类脂双分子层组成包括磷脂、中性脂、缩酘脂和神经节苷脂等。其中以磷脂含量最多。不同磷脂的百分比含量大致为:卵磷脂55%左右;磷脂酰乙醇胺20% ~25%; 磷脂酰肌醇5%~10%; 磷脂酰丝氨酸5%~10%; 鞘磷脂4%~7%。
内质网膜含有的蛋白质及酶类是非常复杂、多样的。在对大鼠肝细胞与胰腺细胞内质网膜蛋白质进行的十二烷基硫酸钠-聚丙烯酰胺凝胶电泳(SOS-PAGE)分析研究中,可分别观察到33条和30条不同的多肽带纹;它们的相对分子质量大小从15~l5OkD不等。

内质网含有以葡萄糖-6-磷酸酶为主要标志性酶的诸多酶系[编辑]

内质网膜中含有的酶蛋白至少在30 种以上。根据它们的功能特性,大致可划分为以下几种类型:

  1. 与解毒功能相关的氧化反应电子传递酶系:主要由细胞色素P450、NADPH-细胞色素P450还原酶、细胞色素b5、NADH-细胞色素b5还原酶和NADH-细胞色素c还原酶等组成。
  2. 与脂类物质代谢功能反应相关的酶类:如脂肪酸CoA连接酶、磷脂酸磷酸酶、胆固醇羟基化酶、转磷酸胆碱酶及磷脂转位酶等。
  3. 与碳水化合物代谢功能反应相关的酶类:主要包括葡萄糖-6-磷酸酶、β-葡萄糖醛酸酶、葡萄糖醛酸转移酶和GDP-甘露糖基转移酶等。葡萄糖-6-磷酸酶被视为内质网的主要标志性酶。

此外尚有参与蛋白质加工转运的多种酶类。

网质蛋白是内质网网腔中普谝存在的一类蛋白质[编辑]

网质蛋白(reticulo-plasmin)是普遍存在于内质网网腔中的一类蛋白质。它们的共同特点是在其多肽链的羧基端(C端)均含有一个KDEL(Lys-Asp-Glu-Leu, 即赖氨酸-天冬氨酸-谷氨酸-亮氨酸)或HOEL(His-Asp-Glu-Leu, 即组氨酸-天冬氨酸-谷氨酸-亮氨酸)的4氨基酸序列驻留信号(retention signal)。网质蛋白可通过驻留信号与内质网膜上相应受体的识别结合而驻留于内质网腔不被转运。目 前已知的网质蛋白有:

  1. 免疫球蛋白重链结合蛋白:免疫球蛋白重链结合蛋白(immunoglobulin heavy chain-binding protein)是一类与热激蛋白70(heat shock protein 70, Hsp70)同源的单体非糖蛋白。它们具有阻止蛋白质聚集或发生不可逆变性,并协助蛋白质折叠的重要作用。
  2. 内质蛋白:内质蛋白(endoplasmin)又称葡萄糖调节蛋白94(glucose regulated protein 94), 是一种广泛存在于真核细胞,而且含量十分丰富的二聚体糖蛋白。作为内质网标志性的分子伴侣,被蛋白酶激活后,可参与新生肽链的折叠和转运。而与钙离子的结合,则可能是其所具有的多种重要功能之一。
  3. 钙网蛋白:钙网蛋白(calreticulin)具有一个高亲和性和多个低亲和性的钙离子结合位点,表现出许多与肌质网中集钙蛋白(calsequestrin)共同的特性。其在钙平衡调节、蛋白质折叠和加工、抗原呈递、血管发生及凋亡等生命活动过程中发挥重要的生物学功能作用。
  4. 钙连蛋白:钙连蛋白(calnexin)是一种钙离子依赖的凝集素样伴侣蛋白。它们能够与未完成折叠的新生蛋白质的寡糖链结合,以避免蛋白质彼此的凝集与泛素化(ubiquitination); 阻止折叠尚不完全的蛋白质离开内质网,并进而促使其完全折叠。
  5. 蛋白质二硫键异构酶:存在于内质网腔中的蛋白质二硫键异构酶(protein disulfide isomerase, PDI)可通过催化蛋白质中二硫键的交换以保证蛋白质的正常折叠。

内质网的功能[编辑]

糙面内质网的主要功能是进行蛋白质的合成、加工修饰、分选及转运[编辑]

许多蛋白质都是在糙面内质网中合成的,包括:①外输性或分泌性蛋白质,如肽类激素、细胞因子、抗体、消化酶、细胞外基质蛋白等;②膜整合蛋白质,如膜抗原、膜受体等;③构成细胞器中的驻留蛋白(retention protein), 像定位于糙面内质网、光面内质网、高尔基复合体、溶酶体等各种细胞器中的可溶性驻留蛋白。在此主要以分泌性蛋白为例,介绍在糙面内质网的蛋白质合成过程,并简要说明膜整合蛋白的嵌插机制。

信号肽指导的分泌性蛋白质在糙面内质网的合成[编辑]

细胞中所有蛋白质的合成,皆起始于细胞质基质中游离的核糖体上。分泌性蛋白多肽链在其合成起始后不久,随核糖体一起附着于糙面内质网上,不断延伸的多肽链穿过内质网膜直至肤链合成完成。那么,这些在起初阶段游离于细胞质基质中的核糖体是如何附着到内质网膜上去的?新生的分泌性蛋白质多肤链又是怎样被转移到内质网网腔中的?研究表明,蛋白质多肤链中的信号肽起重要作用。
(1) 信号肽是指导蛋白多肤链在糙面内质网上合成与穿膜转移的决定因素:根据G.Blobel和D. Sabatini的信号肽假说(signal hypothesis), 指导蛋白多肽链在糙面内质网上进行合成的决定因素,是被合成肽链N-端的一段特殊氨基酸序列,即信号肽(signal peptide, signal sequence)。通过对编码信号肽的DNA、mRNA序列分析以及对氨基酸序列的直接分析,均证明:信号肽普遍地存在于所有分泌 蛋白肽链的氨基端,是一段由不同数目、不同种类的氨基酸组成的疏水氨基酸序列。
除了信号肽的指导性作用之外,核糖体与内质网的结合以及肤链穿越内质网膜的转移,还有赖于细胞质基质中信号识别颗粒(signal recognition particle, SRP)的介导和内质网膜上的信号识别颗粒受体(SRP-receptor, SRP-R )以及被称之为转运体(translocon, translocator)的易位蛋白质(亦称易位子)之协助。这一过程的基本步骤如下:
1) 新生分泌性蛋白质多肽链在细胞质基质中的游离核糖体上起始合成。当新生肽链N端的信号肽被翻译后,可立即被细胞质基质中的SRP识别、结合。所谓SRP是由6个多肽亚单位和1个沉降系数为7S的小分子RNA构成的复合体。其一端与被翻译后的信号肽结合,另一端则结合于核糖体上,从而形成SRP-核糖体复合结构,并可使得翻译暂时终止,肤链的延长受到阻遏。
2) 与信号肤结合的SRP, 识别、结合内质网膜上的SRP-R,并介导核糖体锚泊附着于内质网膜的转运体易位蛋白上。而SRP则从信号肽-核糖体复合体上解离,返回细胞质基质中重复上述过程。此时,暂时被阻遏的肽链延伸又继续进行。
SRP-R是内质网的一种膜整合蛋白。由于该蛋白能够通过与SRP的识别而使得核糖体结合附着于内质网上,因此也称之为停靠蛋白质(docking protein)或船坞蛋白质。
3) 在信号肽的引导下,合成中的肽链,通过由核糖体大亚基的中央管和转运体易位蛋白共同形成的通道,穿膜进入内质网网腔。随之,信号肤序列被内质网膜腔面的信号肽酶切除,新生肽链继续延伸,直至完成而终止。最后,完成肽链合成的核糖体大、小亚基解聚,并从内质网上解离。
转运体是糙面内质网膜上的一种亲水的蛋白通道。其外径大约8.5nm左右,中央孔直径平均为2nm。有学者认为:内质网上的转运体是一种动态结构,并以两种可转化的构象形式存在。即当它和信号肽结合时,处于一种开放的活性状态;在蛋白质多肽链被完全转移之后,则转变为无活性的关闭状态。
有关转运体的存在及其与蛋白质穿膜转运之间的关系,已经获得有力的实验证据支持。处于蛋白转运功能活性状态下的转运体中央孔道,常常被正在通过的延伸中的多肽链所充塞;用嘌呤霉素(puromycin)处理,使新生的多肽链从核糖体上解离释放下来,可用电生理学方法检测出流过转运体中央孔道的离子流。但是,如果用高盐溶液冲洗,使核糖体从内质网膜上脱落时,转运体即处于关闭状态,也就无法检测到内质网膜上转运体孔道的存在。这表明:核糖体的结合,是转运体孔道开放所必须的条件。
转运体不仅是新生分泌蛋白质多肽链合成时进入内质网腔的通道,而且还能够利用水解GTP将内质网腔中的损伤蛋白质转运到细胞质溶质中去。
在哺乳动物,内质网转运体主要是由一种与蛋白分泌相关的多肽Sec61p组成的亲水性复合结构体。
(2) 新生多肤链的折叠与装配:多肽链的氨基酸组成和排列顺序,决定了蛋白质的基本理化性质;而蛋白质功能的实现,却打接依赖于多肽链依其特定的方式盘旋、折叠所形成的高级三维空间结构。内质网为新生多肤链的正确折控和装配提供了有利的环境。
在内质网腔中,丰富的氧化型谷胱甘肽(GSSG), 是有利于多肽链上半胱氨酸残基之间二硫键形成的必要条件;附着于网膜腔面的蛋白二硫键异构酶,则使得二硫键的形成及多肽链的折叠速度大大加快。
存在于内质网中的免疫球蛋白重链结合蛋白(BiP)、内质蛋白、钙网蛋白及钙连蛋白等,均能够与折叠错误的多肽和尚未完成装配的蛋白亚单位识别结合,并予以滞留,同时还可促使它们的重新折叠、装配与运输。因此将这类能够帮助多肽链转运、折叠和组装的结合蛋白称做“伴侣”蛋白(chaperone protein)或“分子伴侣”(molecular chaperone)——因它们虽然能够通过与多肽链的识别结合来协助它们的折叠组装和转运,但其本身却并不参与最终产物的形成而得名。作为分子伴侣蛋白的共同特点是在其狻基端有KDEL驻留信号肽,它们能够和内质网膜上的相应受体结合而驻留于网腔(不被转运出去)。正因为这样,因此普遍认为:分子伴侣蛋白也是细胞内蛋白质质批监控的重要因子。内质网腔内未折叠蛋白的积聚,可通过未折叠蛋白反应(unfolded protein response, UPR)使内质网分子伴侣表达升高,从而有利于蛋白质的正确折叠和组装。关于UPR的机制,目前认为内质网腔内积聚的未折叠蛋白,通过活化具有激酶性质的内质网跨膜蛋白等级联反应,促进UPR特异性转录因子与编码内质网分子伴侣基因的启动子结合而上调其表达。
(3) 蛋白质的糖基化:所谓糖基化(glycosylation), 是指单糖或者寡糖与蛋白质之间通过共价键的结合形成糖蛋白的过程。由附着型核糖体合成并经由内质网转运的蛋白质,其中大多数都要被糖基化。发生在糙面内质网中的糖基化主要是寡糖与蛋白质天冬酰胺残基侧链上氨基基团的结合,所以亦称之为N-连接糖基化(N-linked glycosylation)。催化这一过程的糖基转移酶是存在于糙面内质网网膜腔面的一种膜整合蛋白质。
发生在内质网中的蛋白质N-连接糖基化修饰,均开始于一个共同的前体——一种由N-乙酰葡萄糖胺、甘露糖和葡萄糖组成的14寡糖。寡糖首先与内质网膜中的嵌入脂质分子磷酸多萜醇(dolicol)连接并被其活化,然后在糖基转移酶的催化下转移连接到新生肤链中特定三肽序列Asn-X-Ser或Asn-X-Thr(X代表除Pro之外的任何氨基酸)的天冬酰胺残基上。
(4) 蛋白质的胞内运输:山附若型核糖体合成的各种外输性蛋白质,经过在糙面内质网中的修饰加工后最终被内质网膜包裂,并以“出芽”的方式形成膜性小泡而转运。经由糙面内质网的蛋白质胞内运输主要有两个途径:第一条途径是经过在内质网腔的糖基化等作用,以转运小泡的形式进入高尔基复合体,进一步加工浓缩并最终以分泌颗粒的形式被排吐到细胞之外。这也是最为普遍和最为常见的蛋白分泌途径。第二条途径仅见于某些哺乳动物的胰腺外分泌细胞,其大致过程是:来自糙面内质网的分泌蛋白以膜泡形式直接进入一种大浓缩泡,进而发育成酶原颗粒,然后袚排出细胞。通过上述两条不同途径,可见蛋白质分泌的共同特点,即所有分泌蛋白的胞内运输过程,始终是以膜泡形式完全隔离于细胞质基质进行转运的。

信号肽指导的穿膜驻留蛋白插入转移的可能机制[编辑]

穿膜驻留蛋白,尤其是多次穿膜蛋白的插入转移,远比可溶性分泌蛋白的转移过程更为复杂。
(1) 单次穿膜蛋白插入转移的机制:单次穿膜蛋白插入内质网膜有两种可能的机制:
一是新生肽链共翻译插入(cotranslation insertion)机制。此机制比较简单。一些新生的单次穿膜驻留蛋白既含有位于肽链N-端的起始转移信号肽,同时还含有存在于多肽链中的一段由特定氨基酸序列组成的疏水区段一停止转移序列(slop transfer sequence)。该序列与内质网膜有极高的亲和性,可与内质网膜脂双层结合。在由信号肽引导的肽链转移过程中,当停止转移序列进入转运体并与其相互作用时,转运体即由活性状态转换为钝化状态而终止肽链的转移;N-端起始转移信号肽从转运体上解除释放;停止转移序列形成单次跨膜α-螺旋结构区,使得蛋白肽链的C-端滞留于细胞质一侧。
二是由内信号肽(internal signal peptide)介导的内开始转移肽(internal start-transfer peptide)插入转移机制。所谓内信号肽,即位于多肽链中间的信号肽序列。内信号肽具有与N端信号肽同样的功能。随着合成肽链的延长,当内信号肽序列被合成并到达转运体时,即被保留在类脂双分子层中,成为单次跨膜的α-螺旋结构。在由内信号肽引导的插入转移过程中,插入的内开始转移肽能够以方向不同的两种形式进入转运体。如果在内信号肤疏水核心氨基端有比其羧基端更多的带正电荷氨基酸序列组成,这时插入的方向为羧基端进入内质网腔面;反之则其插入方向相反。
(2) 多次穿膜蛋白质的转移插入:多次穿膜蛋白质的转移插入过程虽然远比单次跨膜蛋白要复杂得多,但是其基本机制是大致相同的。在多次穿膜蛋白肽链上,常常有两个或者两个以上的疏水性开始转移肤结构序列和停止转移肽结构序列。一般认为,多次跨膜蛋白是以内信号肽作为其开始转移信号的。

糙面内质网是蛋白质分选的起始部位[编辑]

蛋白质的合成都是从胞质中游离的核糖体上开始的,如果待合成蛋白质N端无信号肽,那么它们将继续在胞质中的游离核糖体上合成,直至合成结束。通过这种方式合成的胞内蛋白包括:①非定位分布的细胞质溶质驻留蛋白;②定位性分布的胞质溶质蛋白,它们同其他成分一起装配形成特定的复合体(或细胞器),如中心粒及中心粒周围物质;③细胞核中的核蛋白(nucleoprotein), 如构成染色质的组蛋白、非组蛋白及核基质蛋白等,它们通过核孔复合体转运入核;④线粒体、质体等半自主性细胞器所必须的核基因组编码蛋白。
一旦待合成蛋白的N端有信号肽序列,通过信号肽,在翻译的同时进入内质网,然后经过各种加工和修饰,使不同去向的蛋白质带上不同的标记,最后经过高尔基复合体反面网络进行分拣,包装到不同类型的小泡,并运送到目的地,包括内质网、高尔基复合体、溶酶体、细胞质膜、细胞外和核膜等。该过程称为蛋白质分选。因此,信号肽被视为蛋白质分选的初始信号。从膜结合型核糖体合成蛋白 质角度来看,可以说糙面内质网是蛋白质分选的起始部位。
除信号肽等信号序列之外,信号斑(signal patch)也是重要的蛋白质分选转运信号。信号斑是指新生蛋白质多肽链合成后折叠时,在其表面由特定氨基酸序列形成的三维功能结构。与信号肽的区别是:①构成信号斑的氨基酸残基(或序列片段)往往相间排列存在于蛋白质多肤链中,彼此相距较远;②在完成蛋白质的分拣、转运引导作用后通常不会被切除而得以保留;③信号斑可识别某些以特异性糖残基为标志的酶蛋白,并指导它们的定向转运。

光面内质网是作为胞内脂类物质合成主要场所的多功能细胞器[编辑]

光面内质网是细胞内脂类合成的重要场所。然而,不同细胞类型中的光面内质网,因其化学组成上的某些差异及所含酶的种类不同,常常表现出完全不同的功能作用。
1、光面内质网参与脂质的合成和转运 脂类合成是光面内质网最为重要的功能之一。经由小肠吸收的脂肪分解物甘油、甘油一酯和脂肪酸,进入细胞之后,在内质网中可被重新合成为甘油三酯。一般认为,在光面内质网合成的脂类常常会与糙面内质网来源的蛋白质结合形成脂蛋白,然后经由高尔基复合体分泌出去。比如,在正常肝细胞中合成的低密度脂蛋白(low-density lipoprotein, LDL)和极低密度脂蛋白(very-low-density lipoprotein, VLDL) 等物质,被分泌后可携带、运输血液中的胆固醇和甘油三酯以及其他脂类到脂肪组织。如果阻断脂蛋白经由高尔基复合体的运输途径,就会造成脂类在内质网中的积聚引起脂肪肝。
在类固醇激素分泌旺盛的细胞,其发达的光面内质网中存在着与类固醇代谢密切相关的关键酶。这说明,脂肪的合成、类固醇的代谢是在光面内质网中进行的。
除线粒体特有的两种磷脂外,细胞所需要的全部膜脂几乎都是由内质网合成的。内质网脂质合成的底物来源于细胞质基质;催化脂质合成的相关酶类是定位于内质网膜上的膜镶嵌蛋白;脂质合成起始并完成于内质网膜的胞质侧,其主要过程是:

  1. 首先是脂酰基转移酶(acyl transferase)催化脂酰辅酶A (fatty acyl CoA)与甘油-3-磷酸反应,把2个脂肪酸链转移、结合到甘油-3-磷酸分子上形成磷脂酸(phosphatidic acid);
  2. 继而在磷酸酶的作用下,使磷脂酸去磷酸化生成双酰甘油;
  3. 然后再由胆碱磷酸转移酶(choline phosphotransferase)催化,在双酰甘油上添加结合一个极性基团,最终形成由一个极性头部基团和两条脂肪酸链疏水尾部构成的双亲性脂类分子。

通过以上过程合成的极性甘油二脂双亲媒性脂类物质,借助于翻转酶(flippase)的作用,很快被转向内质网腔面;最终再被输送到其他的膜上。
就目前所知,脂质由内质网向其他膜结构的转运主要有两种形式:一是以出芽小泡的形式转运到高尔基复合体、溶酶体和质膜;一是以水溶性的磷脂交换蛋白(phospholipid exchange protein, PEP)作为载体,与之结合形成复合体进入细胞质基质,通过自由扩散,到达缺少磷脂的线粒体和过氧化物酶体膜上。
体外实验显示:每一种磷脂交换蛋白只能专一性地识别一种磷脂,以单分子形式,从内质网膜提取并进行膜间的磷脂分子载运转移。
2、光面内质网参与糖原的代谢 内质网参与了糖原的分解过程。肝细胞中光面内质网上存在与碳水化合物代谢反应功能相关的酶类,主要包含葡萄糖-6-磷酸酶、β-葡萄糖醛酸酶、葡萄糖醛酸转移酶和GDP-甘露糖基转移酶等。在肝细胞光面内质网胞质面附着的糖原颗粒可被糖原磷酸化酶(glycogenphospho1ylase)降解,形成1-磷酸葡萄糖,然后在细胞质溶胶中的磷酸葡萄糖变位酶(phosphoglucomutase)的作用下转化为6-磷酸葡萄糖。最后,被光面内质网网腔面上的葡萄糖-6-磷酸酶催化,发生去磷酸化;去磷酸化后的葡萄糖,更易于透过脂质双层膜,然后经由内质网被释放到血液中。
至于内质网是否也参与了糖原的合成过程,目前还存在着截然不同的两种观点。认为内质网参与糖原合成的观点指出:在肝细胞中,糖原颗粒常与光面内质网伴存,当糖原颗粒量多时,光面内质网被遮盖而不易辨认;在动物被禁食几天后,糖原减少,光面内质网明显,提示糖原的合成似与光面内质网有关。但另一些研究发现,光面内质网上无催化糖原合成的糖原合酶(glycogen synthase), 糖原合酶的功能是催化尿苷二磷酸葡萄糖(UDPG)中的葡萄糖基与糖原引物的非还原端分支上的葡萄糖基聚合,从而延长糖链;UDPG并不与内质网膜结合,而是结合在糖原颗粒上。此外,如果把UDPG加到引物糖原上,便可参与糖原的合成。这说明糖原的合成与光面内质网无关。
3、光面内质网是细胞解毒的主要场所 肝脏是机体中外源性、内源性毒物及药物分解解毒的主要器官组织。肝脏的解毒作用主要由肝细胞中的光面内质网来完成。在肝细胞光面内质网上,含有丰富的氧化及电子传递酶系,包括细胞色素p450、NADPH-细胞色素P450还原酶、细胞色素b5、NADH-细胞色素b5还原酶、NADPH-细胞色素c还原酶等。其解毒的基本机制是:在电子传递的氧化还原过程中,通过催化多种化合物的氧化或羟化,一方面,使得毒物、药物的毒性作用被钝化或者破坏;另一方 面,则由于羟化作用而增强了化合物的极性,使之更易于排泄。当然,这种氧化作用也可能会使某些物质的毒性增强。
内质网电子传递链与线粒体电子传递链的不同之处是:其一,链的组成比线粒体较短;其二,它所催化的反应,实质上都是在作用物分子中加入一个氧原子。因此,有人也把内质网电子传递链酶系称作羟化酶或加单氧酶(monooxygenase) 系。还有人称之为混合功能氧化酶(mixed function oxidase)。
4、光面内质网是肌细胞Ca2+的储存场所 在肌细胞中,十分发达的光面内质网特化为一种特殊的结构——肌质网。
通常状况下,肌质网网膜上的Ca2+-ATP酶把细胞质基质中的Ca2+泵入网腔储存起来;当受到神经冲动的刺激或者细胞外信号物质的作用时,即可引起Ca2+向细胞质基质的释放。
在肌质网腔中存在的钙结合蛋白浓度为30~lOOmg/ml; 每个钙结合蛋白分子可与30个左右的Ca2+结合,这就使得内质网中的Ca2+浓度高达3mmol/L。内质网中高浓度的Ca2+和钙离子结合蛋白的存在,还能够阻止内质网运输小泡的形成。这说明,Ca2+浓度的变化,可能对运输小泡的形成具有一定的调节作用。
5、光面内质网与胃酸、胆汁的合成与分泌密切相关 在胃壁腺上皮细胞中,光面内质网可使Cl-与H+结合生成HCl;在肝细胞中,光面内质网不仅能够合成胆盐,而且,可通过葡萄糖酢酸转移酶的作用,使非水溶性的胆红素颗粒形成水溶性的结合胆红素。

内质网应激[编辑]

内质网是有极强稳态系统的膜性细胞器。在各种生理病理条件下,如缺氧、氧化应激、病毒感染、营养不足、化学药物等均可扰乱内质网稳态,导致内质网内Ca2+平衡紊乱、未折叠或错误折叠蛋白在内质网腔中积累聚集,形成内质网应激(endoplasmic reticulum stress, ERS)。适度的内质网应激有利于细胞在外界刺激下恢复细胞的内稳定,是真核细胞的一种自我保护性反应,而长时间或严重的内质网应激会导致内质网功能受损,导致细胞凋亡。
内质网应激主要激活三条信号通路:未折叠蛋白反应、内质网超负荷反应(ER overload response, EOR)和固醇调节级联反应(sterol regulatory element binding protein, SREBP)。前两者均是蛋白质加工紊乱所致,SREBP的激活则是在内质网表面合成的胆固醇损耗所致。
目前研究发现内质网应激与多种疾病相关,例如动脉粥样硬化、非酒精性脂肪肝、溃疡性结肠炎、糖尿病、心血管疾病、骨质疏松症、肿瘤、神经退行性疾病如阿尔茨海默病和帕金森病等。