細胞生物學/內質網

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細胞的內膜系統與囊泡轉運 - 內質網 - 高爾基複合體 - 溶酶體 - 過氧化物酶體 - 囊泡與囊泡轉運 - 細胞內膜系統與醫學的關係
早在19世紀末,C.Garnier在對動物體內具有旺盛分泌活動的唾液腺和胰腺等組織細胞進行光鏡觀察時就注意到:該類細胞中存在一個呈現為絲條狀形態結構的嗜鹼性特化區域。這些絲條狀的結構,隨着動物的生理及細胞活動狀態的不同而處於一種動態的變化過程。亦即,當動物嚴重飢餓或細胞中形成大瞿酶原顆粒後,絲條狀結構減少,甚至消失;當動物進食後或細胞進行活躍的分泌活動時,它又會重新出現。據此,Garnier將此種結構稱之為動質(ergastoplasm) , 並推測,其可能與消化液的合成、分泌有關。
1945年,K. R. Porter等人通過對動質的電鏡觀察首次發現:光鏡下呈現絲條狀的動質結構,實際 上是聚集、分佈於細胞核附近內質區的一些由小泡、小管相互吻合,彼此連接形成的網狀結構。他們根據動質這種特殊的胞內區域分佈和電鏡結構特徵,遂將之易名為內質網(endoplasmic reticulum, ER), 並被沿用至今。
1954年,Porter和G. E. Palade等的研究證實:內質網是一類由大小、形態各異的膜性瘓泡所構成的細胞器;此後更多的觀察研究資料進一步表明,內質網並非僅僅分佈於細胞核周圍的內質區,而且常常擴展、延伸至靠近細胞膜的外質區;它不僅普遍地存在千幾乎所有動物的不同組織細胞類烈,同時也常見於各種植物的絕大多數組織細胞之中。
20世紀60年代以前,對內質網的研究主要着重於其在細胞內的分佈狀況及形態結構方面。之後,由於同位素標記示蹤放射自顯影技術、電鏡細胞化學和免疫細胞化學等技術的應用,使得對於內質網的功能及與之相關的大分子定位等也有了較為全面的了解。

內質網的形態結構與類型[編輯]

內質網是細胞質內由單位膜圍成的三維網狀膜系統[編輯]

內質網廣泛分佈於除成熟紅細胞以外的所有真核細胞的胞質中。內質網以平均膜厚度約5~6nm的小管(ER tubule)、小泡(ER vesicle)或扁囊(ER lamina)為其基本「 結構單位」(unit structure)。這些大小不同、形態各異的膜性管、泡和扁囊,在細胞質中彼此相互連通,構成了一個連續的膜性三維管網結構系統。在整體結構上,可與高爾基複合體、溶酶體等內膜系統的其他組分移行轉換;在功能上則與這些結構密切相關。內質網還可向內延伸,與細胞核外膜直接連通。因而,有人認為:核膜是在間期細胞中包裹核物質的內質網的一部分。
在不同的組織細胞中,或同一種細胞的不同發育階段以及不同生理功能狀態下,內質網往往會呈現出其形態結構、數量分佈和發達程度的差別。例如,大鼠肝臟細胞中的內質網主要是由一組扁平囊泡(5~10個)層疊排列,並通過它們邊緣的小管相互連通而成。這些扁囊的表面附着有很多核糖體顆粒,在連通扁囊的小管周圍,經常可見散在的小泡結構。在睾丸間質細胞中的內質網則由眾多的分支小管或小泡構築呈網狀結構形式。中國學者宋今丹在電鏡標本製作過程中,以高猛酸鉀處理細胞,在培養的猴腎上皮細胞中觀察到內質網以細胞核為中心向周圍鋪展的全貌性網狀結構。後來人們以交聯熒光的抗體標記內質網上的標誌性蛋白,於熒光顯微鏡下觀察到:在培養的哺乳動物細胞和生活的植物細胞中,內質網通常圍繞細胞核向外周鋪展延伸到細胞邊緣乃至細胞突起中,形成較密集的複雜網狀立體結構形態。橫紋肌細胞中的肌質網(sarcoplasmic reticulum)是光面內質網的又一種形態結構存在形式,其在每一個肌原纖維節中連成一網狀單位。
一般而言,在不同種生物的同類組織細胞中,它們的內質網基本是相似的。然而,在同一組織細胞中,內質網的數量及結構的複雜程度,則往往與細胞的發育進程成正相關。亦即,與細胞的生長發育相伴,內質網的數量、結構也在逐漸地發生着從少到多、從簡單到複雜、從單管少痰的稀疏網狀到復管多損的密集網狀的變化。

糙面內質網和光面內質網是內質網的兩種基本類型[編輯]

根據電子顯微鏡觀察的資料,通常把內質網劃分為兩種基本類型,即所謂的糙面內質網(rough endoplasmic reticulum, RER)和光面內質網(smooth endoplasmic reticulum, SER)。此外,在某些特殊的正常細胞類型或發生了某種病變的細胞中,內質網也可呈現出其他的結構形態。
1、糙面內質網的主要形態特徵是表面有核糖體附着 糙面內質網又稱顆粒內質網(granular endoplasmic reticulum, GER), 以其網膜胞質面有核糖體顆粒的附着為主要形態特徵,並因此而得名。
在結構形態上,糙面內質網多呈排列較為整齊的扁平囊狀;在功能上,糙面內質網主要和外輸性蛋白質及多種膜蛋白的合成、加工及轉運有關。因此,在具有肽類激素或蛋白分泌功能的細胞中,粗面內質網高度發達;而在腫瘤細胞和未分化細胞中則相對少見。
2、光面內質網呈表面光滑的管泡樣網狀形態結構 光面內質網也稱無顆粒內質網(agranular endoplasmic reticulum, AER)。電鏡下呈表面光滑的管、泡樣網狀形態結構,並常常可見與粗面內質網相互連通。
光面內質網是一種多功能的細胞器。在不同細胞或同一細胞的不同生理時期,其結構形態、胞內空間分佈及發達程度差異甚大,並常常表現出完全不同的功能特性。
兩種類型的內質網在不同組織細胞中的分佈狀況各不相同。有的細胞中皆為粗面內質網;有的細胞中全部為光面內質網;還有些細胞中則是二者以不同的比例共存,並且可以隨着細胞不同發育階段或生理功能狀態的變化而相互發生類型的轉換。

某些特殊組織細胞中存在內質網的衍生結構[編輯]

除了上述兩種基本形態結構類型的內質網之外,在某些特殊組織細胞中還存在着一些由內質網局部分化、衍生而來的異擬結構。比如,見於視網膜色素上皮細胞中的髓樣體(myeloid body)、出現於生殖細胞、快速增殖細胞、某些哺乳類動物的神經元和松果體細胞以及一些癌細胞中的孔環狀片層體(annulate lamellae)等。這些異型結構亦可被看作是內質網的第三種結構類型形式。

內質網的化學組成[編輯]

內質網通常可佔到細胞全部膜相結構組成的50%左右;占細胞總體積的10%以上;相當於整個細胞質量的15%~20%。應用超速分級分離的方法,可從細胞勻漿中分離出直徑在100nm左右的球囊狀封閉小泡,人們稱之為微粒體(microsome)。生化分析及體外實驗證明:微粒體不僅包含有內質網膜與核糖體兩種基本組分,而且可行使內質網的一些基本功能。由此推斷:微粒體是細胞勻漿過程中,由破損的內質網碎片所形成的小型密閉囊泡,而非細胞內的固有功能結構組分。通過離心分離技術獲得的微粒體包括顆粒型和光滑型兩種類型。目前,對內質網的化學特徵與生理功能的了解和認識,大多是通過對微粒體的生化、生理分析而獲得的。

脂類和蛋白質是內質網的主要化學組成成分[編輯]

同細胞膜等其他膜相結構一樣,內質網膜也以脂類和蛋白質為其結構的主要化學組成成分。綜合不同動物組織細胞來源的微粒體分析資料顯示,內質網膜脂類含量約30%~40%, 蛋白質含量在60%~70%之間。在此僅以大鼠肝細胞和胰腺細胞來源的微粒體為例,來說明內質網的脂類和蛋白質組成情況:
內質網膜的類脂雙分子層組成包括磷脂、中性脂、縮酘脂和神經節苷脂等。其中以磷脂含量最多。不同磷脂的百分比含量大致為:卵磷脂55%左右;磷脂醯乙醇胺20% ~25%; 磷脂醯肌醇5%~10%; 磷脂醯絲氨酸5%~10%; 鞘磷脂4%~7%。
內質網膜含有的蛋白質及酶類是非常複雜、多樣的。在對大鼠肝細胞與胰腺細胞內質網膜蛋白質進行的十二烷基硫酸鈉-聚丙烯醯胺凝膠電泳(SOS-PAGE)分析研究中,可分別觀察到33條和30條不同的多肽帶紋;它們的相對分子質量大小從15~l5OkD不等。

內質網含有以葡萄糖-6-磷酸酶為主要標誌性酶的諸多酶系[編輯]

內質網膜中含有的酶蛋白至少在30 種以上。根據它們的功能特性,大致可劃分為以下幾種類型:

  1. 與解毒功能相關的氧化反應電子傳遞酶系:主要由細胞色素P450、NADPH-細胞色素P450還原酶、細胞色素b5、NADH-細胞色素b5還原酶和NADH-細胞色素c還原酶等組成。
  2. 與脂類物質代謝功能反應相關的酶類:如脂肪酸CoA連接酶、磷脂酸磷酸酶、膽固醇羥基化酶、轉磷酸膽鹼酶及磷脂轉位酶等。
  3. 與碳水化合物代謝功能反應相關的酶類:主要包括葡萄糖-6-磷酸酶、β-葡萄糖醛酸酶、葡萄糖醛酸轉移酶和GDP-甘露糖基轉移酶等。葡萄糖-6-磷酸酶被視為內質網的主要標誌性酶。

此外尚有參與蛋白質加工轉運的多種酶類。

網質蛋白是內質網網腔中普諞存在的一類蛋白質[編輯]

網質蛋白(reticulo-plasmin)是普遍存在於內質網網腔中的一類蛋白質。它們的共同特點是在其多肽鏈的羧基端(C端)均含有一個KDEL(Lys-Asp-Glu-Leu, 即賴氨酸-天冬氨酸-穀氨酸-亮氨酸)或HOEL(His-Asp-Glu-Leu, 即組氨酸-天冬氨酸-穀氨酸-亮氨酸)的4胺基酸序列駐留信號(retention signal)。網質蛋白可通過駐留信號與內質網膜上相應受體的識別結合而駐留於內質網腔不被轉運。目 前已知的網質蛋白有:

  1. 免疫球蛋白重鏈結合蛋白:免疫球蛋白重鏈結合蛋白(immunoglobulin heavy chain-binding protein)是一類與熱激蛋白70(heat shock protein 70, Hsp70)同源的單體非糖蛋白。它們具有阻止蛋白質聚集或發生不可逆變性,並協助蛋白質摺疊的重要作用。
  2. 內質蛋白:內質蛋白(endoplasmin)又稱葡萄糖調節蛋白94(glucose regulated protein 94), 是一種廣泛存在於真核細胞,而且含量十分豐富的二聚體糖蛋白。作為內質網標誌性的分子伴侶,被蛋白酶激活後,可參與新生肽鏈的摺疊和轉運。而與鈣離子的結合,則可能是其所具有的多種重要功能之一。
  3. 鈣網蛋白:鈣網蛋白(calreticulin)具有一個高親和性和多個低親和性的鈣離子結合位點,表現出許多與肌質網中集鈣蛋白(calsequestrin)共同的特性。其在鈣平衡調節、蛋白質摺疊和加工、抗原呈遞、血管發生及凋亡等生命活動過程中發揮重要的生物學功能作用。
  4. 鈣連蛋白:鈣連蛋白(calnexin)是一種鈣離子依賴的凝集素樣伴侶蛋白。它們能夠與未完成摺疊的新生蛋白質的寡糖鏈結合,以避免蛋白質彼此的凝集與泛素化(ubiquitination); 阻止摺疊尚不完全的蛋白質離開內質網,並進而促使其完全摺疊。
  5. 蛋白質二硫鍵異構酶:存在於內質網腔中的蛋白質二硫鍵異構酶(protein disulfide isomerase, PDI)可通過催化蛋白質中二硫鍵的交換以保證蛋白質的正常摺疊。

內質網的功能[編輯]

糙面內質網的主要功能是進行蛋白質的合成、加工修飾、分選及轉運[編輯]

許多蛋白質都是在糙面內質網中合成的,包括:①外輸性或分泌性蛋白質,如肽類激素、細胞因子、抗體、消化酶、細胞外基質蛋白等;②膜整合蛋白質,如膜抗原、膜受體等;③構成細胞器中的駐留蛋白(retention protein), 像定位於糙面內質網、光面內質網、高爾基複合體、溶酶體等各種細胞器中的可溶性駐留蛋白。在此主要以分泌性蛋白為例,介紹在糙面內質網的蛋白質合成過程,並簡要說明膜整合蛋白的嵌插機制。

信號肽指導的分泌性蛋白質在糙面內質網的合成[編輯]

細胞中所有蛋白質的合成,皆起始於細胞質基質中游離的核糖體上。分泌性蛋白多肽鏈在其合成起始後不久,隨核糖體一起附着於糙面內質網上,不斷延伸的多肽鏈穿過內質網膜直至膚鏈合成完成。那麼,這些在起初階段游離於細胞質基質中的核糖體是如何附着到內質網膜上去的?新生的分泌性蛋白質多膚鏈又是怎樣被轉移到內質網網腔中的?研究表明,蛋白質多膚鏈中的信號肽起重要作用。
(1) 信號肽是指導蛋白多膚鏈在糙面內質網上合成與穿膜轉移的決定因素:根據G.Blobel和D. Sabatini的信號肽假說(signal hypothesis), 指導蛋白多肽鏈在糙面內質網上進行合成的決定因素,是被合成肽鏈N-端的一段特殊胺基酸序列,即信號肽(signal peptide, signal sequence)。通過對編碼信號肽的DNA、mRNA序列分析以及對胺基酸序列的直接分析,均證明:信號肽普遍地存在於所有分泌 蛋白肽鏈的氨基端,是一段由不同數目、不同種類的胺基酸組成的疏水胺基酸序列。
除了信號肽的指導性作用之外,核糖體與內質網的結合以及膚鏈穿越內質網膜的轉移,還有賴於細胞質基質中信號識別顆粒(signal recognition particle, SRP)的介導和內質網膜上的信號識別顆粒受體(SRP-receptor, SRP-R )以及被稱之為轉運體(translocon, translocator)的易位蛋白質(亦稱易位子)之協助。這一過程的基本步驟如下:
1) 新生分泌性蛋白質多肽鏈在細胞質基質中的游離核糖體上起始合成。當新生肽鏈N端的信號肽被翻譯後,可立即被細胞質基質中的SRP識別、結合。所謂SRP是由6個多肽亞單位和1個沉降系數為7S的小分子RNA構成的複合體。其一端與被翻譯後的信號肽結合,另一端則結合於核糖體上,從而形成SRP-核糖體複合結構,並可使得翻譯暫時終止,膚鏈的延長受到阻遏。
2) 與信號膚結合的SRP, 識別、結合內質網膜上的SRP-R,並介導核糖體錨泊附着於內質網膜的轉運體易位蛋白上。而SRP則從信號肽-核糖體複合體上解離,返回細胞質基質中重複上述過程。此時,暫時被阻遏的肽鏈延伸又繼續進行。
SRP-R是內質網的一種膜整合蛋白。由於該蛋白能夠通過與SRP的識別而使得核糖體結合附着於內質網上,因此也稱之為停靠蛋白質(docking protein)或船塢蛋白質。
3) 在信號肽的引導下,合成中的肽鏈,通過由核糖體大亞基的中央管和轉運體易位蛋白共同形成的通道,穿膜進入內質網網腔。隨之,信號膚序列被內質網膜腔面的信號肽酶切除,新生肽鏈繼續延伸,直至完成而終止。最後,完成肽鏈合成的核糖體大、小亞基解聚,並從內質網上解離。
轉運體是糙面內質網膜上的一種親水的蛋白通道。其外徑大約8.5nm左右,中央孔直徑平均為2nm。有學者認為:內質網上的轉運體是一種動態結構,並以兩種可轉化的構象形式存在。即當它和信號肽結合時,處於一種開放的活性狀態;在蛋白質多肽鏈被完全轉移之後,則轉變為無活性的關閉狀態。
有關轉運體的存在及其與蛋白質穿膜轉運之間的關係,已經獲得有力的實驗證據支持。處於蛋白轉運功能活性狀態下的轉運體中央孔道,常常被正在通過的延伸中的多肽鏈所充塞;用嘌呤黴素(puromycin)處理,使新生的多肽鏈從核糖體上解離釋放下來,可用電生理學方法檢測出流過轉運體中央孔道的離子流。但是,如果用高鹽溶液沖洗,使核糖體從內質網膜上脫落時,轉運體即處於關閉狀態,也就無法檢測到內質網膜上轉運體孔道的存在。這表明:核糖體的結合,是轉運體孔道開放所必須的條件。
轉運體不僅是新生分泌蛋白質多肽鏈合成時進入內質網腔的通道,而且還能夠利用水解GTP將內質網腔中的損傷蛋白質轉運到細胞質溶質中去。
在哺乳動物,內質網轉運體主要是由一種與蛋白分泌相關的多肽Sec61p組成的親水性複合結構體。
(2) 新生多膚鏈的摺疊與裝配:多肽鏈的胺基酸組成和排列順序,決定了蛋白質的基本理化性質;而蛋白質功能的實現,卻打接依賴於多肽鏈依其特定的方式盤旋、摺疊所形成的高級三維空間結構。內質網為新生多膚鏈的正確折控和裝配提供了有利的環境。
在內質網腔中,豐富的氧化型穀胱甘肽(GSSG), 是有利於多肽鏈上半胱氨酸殘基之間二硫鍵形成的必要條件;附着於網膜腔面的蛋白二硫鍵異構酶,則使得二硫鍵的形成及多肽鏈的摺疊速度大大加快。
存在於內質網中的免疫球蛋白重鏈結合蛋白(BiP)、內質蛋白、鈣網蛋白及鈣連蛋白等,均能夠與摺疊錯誤的多肽和尚未完成裝配的蛋白亞單位識別結合,並予以滯留,同時還可促使它們的重新摺疊、裝配與運輸。因此將這類能夠幫助多肽鏈轉運、摺疊和組裝的結合蛋白稱做「伴侶」蛋白(chaperone protein)或「分子伴侶」(molecular chaperone)——因它們雖然能夠通過與多肽鏈的識別結合來協助它們的摺疊組裝和轉運,但其本身卻並不參與最終產物的形成而得名。作為分子伴侶蛋白的共同特點是在其狻基端有KDEL駐留信號肽,它們能夠和內質網膜上的相應受體結合而駐留於網腔(不被轉運出去)。正因為這樣,因此普遍認為:分子伴侶蛋白也是細胞內蛋白質質批監控的重要因子。內質網腔內未摺疊蛋白的積聚,可通過未摺疊蛋白反應(unfolded protein response, UPR)使內質網分子伴侶表達升高,從而有利於蛋白質的正確摺疊和組裝。關於UPR的機制,目前認為內質網腔內積聚的未摺疊蛋白,通過活化具有激酶性質的內質網跨膜蛋白等級聯反應,促進UPR特異性轉錄因子與編碼內質網分子伴侶基因的啟動子結合而上調其表達。
(3) 蛋白質的糖基化:所謂糖基化(glycosylation), 是指單糖或者寡糖與蛋白質之間通過共價鍵的結合形成糖蛋白的過程。由附着型核糖體合成並經由內質網轉運的蛋白質,其中大多數都要被糖基化。發生在糙面內質網中的糖基化主要是寡糖與蛋白質天冬醯胺殘基側鏈上氨基基團的結合,所以亦稱之為N-連接糖基化(N-linked glycosylation)。催化這一過程的糖基轉移酶是存在於糙面內質網網膜腔面的一種膜整合蛋白質。
發生在內質網中的蛋白質N-連接糖基化修飾,均開始於一個共同的前體——一種由N-乙醯葡萄糖胺、甘露糖和葡萄糖組成的14寡糖。寡糖首先與內質網膜中的嵌入脂質分子磷酸多萜醇(dolicol)連接並被其活化,然後在糖基轉移酶的催化下轉移連接到新生膚鏈中特定三肽序列Asn-X-Ser或Asn-X-Thr(X代表除Pro之外的任何胺基酸)的天冬醯胺殘基上。
(4) 蛋白質的胞內運輸:山附若型核糖體合成的各種外輸性蛋白質,經過在糙面內質網中的修飾加工後最終被內質網膜包裂,並以「出芽」的方式形成膜性小泡而轉運。經由糙面內質網的蛋白質胞內運輸主要有兩個途徑:第一條途徑是經過在內質網腔的糖基化等作用,以轉運小泡的形式進入高爾基複合體,進一步加工濃縮並最終以分泌顆粒的形式被排吐到細胞之外。這也是最為普遍和最為常見的蛋白分泌途徑。第二條途徑僅見於某些哺乳動物的胰腺外分泌細胞,其大致過程是:來自糙面內質網的分泌蛋白以膜泡形式直接進入一種大濃縮泡,進而發育成酶原顆粒,然後袚排出細胞。通過上述兩條不同途徑,可見蛋白質分泌的共同特點,即所有分泌蛋白的胞內運輸過程,始終是以膜泡形式完全隔離於細胞質基質進行轉運的。

信號肽指導的穿膜駐留蛋白插入轉移的可能機制[編輯]

穿膜駐留蛋白,尤其是多次穿膜蛋白的插入轉移,遠比可溶性分泌蛋白的轉移過程更為複雜。
(1) 單次穿膜蛋白插入轉移的機制:單次穿膜蛋白插入內質網膜有兩種可能的機制:
一是新生肽鏈共翻譯插入(cotranslation insertion)機制。此機制比較簡單。一些新生的單次穿膜駐留蛋白既含有位於肽鏈N-端的起始轉移信號肽,同時還含有存在於多肽鏈中的一段由特定胺基酸序列組成的疏水區段一停止轉移序列(slop transfer sequence)。該序列與內質網膜有極高的親和性,可與內質網膜脂雙層結合。在由信號肽引導的肽鏈轉移過程中,當停止轉移序列進入轉運體並與其相互作用時,轉運體即由活性狀態轉換為鈍化狀態而終止肽鏈的轉移;N-端起始轉移信號肽從轉運體上解除釋放;停止轉移序列形成單次跨膜α-螺旋結構區,使得蛋白肽鏈的C-端滯留於細胞質一側。
二是由內信號肽(internal signal peptide)介導的內開始轉移肽(internal start-transfer peptide)插入轉移機制。所謂內信號肽,即位於多肽鏈中間的信號肽序列。內信號肽具有與N端信號肽同樣的功能。隨着合成肽鏈的延長,當內信號肽序列被合成併到達轉運體時,即被保留在類脂雙分子層中,成為單次跨膜的α-螺旋結構。在由內信號肽引導的插入轉移過程中,插入的內開始轉移肽能夠以方向不同的兩種形式進入轉運體。如果在內信號膚疏水核心氨基端有比其羧基端更多的帶正電荷胺基酸序列組成,這時插入的方向為羧基端進入內質網腔面;反之則其插入方向相反。
(2) 多次穿膜蛋白質的轉移插入:多次穿膜蛋白質的轉移插入過程雖然遠比單次跨膜蛋白要複雜得多,但是其基本機制是大致相同的。在多次穿膜蛋白肽鏈上,常常有兩個或者兩個以上的疏水性開始轉移膚結構序列和停止轉移肽結構序列。一般認為,多次跨膜蛋白是以內信號肽作為其開始轉移信號的。

糙面內質網是蛋白質分選的起始部位[編輯]

蛋白質的合成都是從胞質中游離的核糖體上開始的,如果待合成蛋白質N端無信號肽,那麼它們將繼續在胞質中的游離核糖體上合成,直至合成結束。通過這種方式合成的胞內蛋白包括:①非定位分佈的細胞質溶質駐留蛋白;②定位性分佈的胞質溶質蛋白,它們同其他成分一起裝配形成特定的複合體(或細胞器),如中心粒及中心粒周圍物質;③細胞核中的核蛋白(nucleoprotein), 如構成染色質的組蛋白、非組蛋白及核基質蛋白等,它們通過核孔複合體轉運入核;④線粒體、質體等半自主性細胞器所必須的核基因組編碼蛋白。
一旦待合成蛋白的N端有信號肽序列,通過信號肽,在翻譯的同時進入內質網,然後經過各種加工和修飾,使不同去向的蛋白質帶上不同的標記,最後經過高爾基複合體反面網絡進行分揀,包裝到不同類型的小泡,並運送到目的地,包括內質網、高爾基複合體、溶酶體、細胞質膜、細胞外和核膜等。該過程稱為蛋白質分選。因此,信號肽被視為蛋白質分選的初始信號。從膜結合型核糖體合成蛋白 質角度來看,可以說糙面內質網是蛋白質分選的起始部位。
除信號肽等信號序列之外,信號斑(signal patch)也是重要的蛋白質分選轉運信號。信號斑是指新生蛋白質多肽鏈合成後摺疊時,在其表面由特定胺基酸序列形成的三維功能結構。與信號肽的區別是:①構成信號斑的胺基酸殘基(或序列片段)往往相間排列存在於蛋白質多膚鏈中,彼此相距較遠;②在完成蛋白質的分揀、轉運引導作用後通常不會被切除而得以保留;③信號斑可識別某些以特異性糖殘基為標誌的酶蛋白,並指導它們的定向轉運。

光面內質網是作為胞內脂類物質合成主要場所的多功能細胞器[編輯]

光面內質網是細胞內脂類合成的重要場所。然而,不同細胞類型中的光面內質網,因其化學組成上的某些差異及所含酶的種類不同,常常表現出完全不同的功能作用。
1、光面內質網參與脂質的合成和轉運 脂類合成是光面內質網最為重要的功能之一。經由小腸吸收的脂肪分解物甘油、甘油一酯和脂肪酸,進入細胞之後,在內質網中可被重新合成為甘油三酯。一般認為,在光面內質網合成的脂類常常會與糙面內質網來源的蛋白質結合形成脂蛋白,然後經由高爾基複合體分泌出去。比如,在正常肝細胞中合成的低密度脂蛋白(low-density lipoprotein, LDL)和極低密度脂蛋白(very-low-density lipoprotein, VLDL) 等物質,被分泌後可攜帶、運輸血液中的膽固醇和甘油三酯以及其他脂類到脂肪組織。如果阻斷脂蛋白經由高爾基複合體的運輸途徑,就會造成脂類在內質網中的積聚引起脂肪肝。
在類固醇激素分泌旺盛的細胞,其發達的光面內質網中存在着與類固醇代謝密切相關的關鍵酶。這說明,脂肪的合成、類固醇的代謝是在光面內質網中進行的。
除線粒體特有的兩種磷脂外,細胞所需要的全部膜脂幾乎都是由內質網合成的。內質網脂質合成的底物來源於細胞質基質;催化脂質合成的相關酶類是定位於內質網膜上的膜鑲嵌蛋白;脂質合成起始並完成於內質網膜的胞質側,其主要過程是:

  1. 首先是脂醯基轉移酶(acyl transferase)催化脂醯輔酶A (fatty acyl CoA)與甘油-3-磷酸反應,把2個脂肪酸鏈轉移、結合到甘油-3-磷酸分子上形成磷脂酸(phosphatidic acid);
  2. 繼而在磷酸酶的作用下,使磷脂酸去磷酸化生成雙醯甘油;
  3. 然後再由膽鹼磷酸轉移酶(choline phosphotransferase)催化,在雙醯甘油上添加結合一個極性基團,最終形成由一個極性頭部基團和兩條脂肪酸鏈疏水尾部構成的雙親性脂類分子。

通過以上過程合成的極性甘油二脂雙親媒性脂類物質,藉助於翻轉酶(flippase)的作用,很快被轉向內質網腔面;最終再被輸送到其他的膜上。
就目前所知,脂質由內質網向其他膜結構的轉運主要有兩種形式:一是以出芽小泡的形式轉運到高爾基複合體、溶酶體和質膜;一是以水溶性的磷脂交換蛋白(phospholipid exchange protein, PEP)作為載體,與之結合形成複合體進入細胞質基質,通過自由擴散,到達缺少磷脂的線粒體和過氧化物酶體膜上。
體外實驗顯示:每一種磷脂交換蛋白只能專一性地識別一種磷脂,以單分子形式,從內質網膜提取並進行膜間的磷脂分子載運轉移。
2、光面內質網參與糖原的代謝 內質網參與了糖原的分解過程。肝細胞中光面內質網上存在與碳水化合物代謝反應功能相關的酶類,主要包含葡萄糖-6-磷酸酶、β-葡萄糖醛酸酶、葡萄糖醛酸轉移酶和GDP-甘露糖基轉移酶等。在肝細胞光面內質網胞質面附着的糖原顆粒可被糖原磷酸化酶(glycogenphospho1ylase)降解,形成1-磷酸葡萄糖,然後在細胞質溶膠中的磷酸葡萄糖變位酶(phosphoglucomutase)的作用下轉化為6-磷酸葡萄糖。最後,被光面內質網網腔面上的葡萄糖-6-磷酸酶催化,發生去磷酸化;去磷酸化後的葡萄糖,更易於透過脂質雙層膜,然後經由內質網被釋放到血液中。
至於內質網是否也參與了糖原的合成過程,目前還存在着截然不同的兩種觀點。認為內質網參與糖原合成的觀點指出:在肝細胞中,糖原顆粒常與光面內質網伴存,當糖原顆粒量多時,光面內質網被遮蓋而不易辨認;在動物被禁食幾天後,糖原減少,光面內質網明顯,提示糖原的合成似與光面內質網有關。但另一些研究發現,光面內質網上無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)中的葡萄糖基與糖原引物的非還原端分支上的葡萄糖基聚合,從而延長糖鏈;UDPG並不與內質網膜結合,而是結合在糖原顆粒上。此外,如果把UDPG加到引物糖原上,便可參與糖原的合成。這說明糖原的合成與光面內質網無關。
3、光面內質網是細胞解毒的主要場所 肝臟是機體中外源性、內源性毒物及藥物分解解毒的主要器官組織。肝臟的解毒作用主要由肝細胞中的光面內質網來完成。在肝細胞光面內質網上,含有豐富的氧化及電子傳遞酶系,包括細胞色素p450、NADPH-細胞色素P450還原酶、細胞色素b5、NADH-細胞色素b5還原酶、NADPH-細胞色素c還原酶等。其解毒的基本機制是:在電子傳遞的氧化還原過程中,通過催化多種化合物的氧化或羥化,一方面,使得毒物、藥物的毒性作用被鈍化或者破壞;另一方 面,則由於羥化作用而增強了化合物的極性,使之更易於排泄。當然,這種氧化作用也可能會使某些物質的毒性增強。
內質網電子傳遞鏈與線粒體電子傳遞鏈的不同之處是:其一,鏈的組成比線粒體較短;其二,它所催化的反應,實質上都是在作用物分子中加入一個氧原子。因此,有人也把內質網電子傳遞鏈酶系稱作羥化酶或加單氧酶(monooxygenase) 系。還有人稱之為混合功能氧化酶(mixed function oxidase)。
4、光面內質網是肌細胞Ca2+的儲存場所 在肌細胞中,十分發達的光面內質網特化為一種特殊的結構——肌質網。
通常狀況下,肌質網網膜上的Ca2+-ATP酶把細胞質基質中的Ca2+泵入網腔儲存起來;當受到神經衝動的刺激或者細胞外信號物質的作用時,即可引起Ca2+向細胞質基質的釋放。
在肌質網腔中存在的鈣結合蛋白濃度為30~lOOmg/ml; 每個鈣結合蛋白分子可與30個左右的Ca2+結合,這就使得內質網中的Ca2+濃度高達3mmol/L。內質網中高濃度的Ca2+和鈣離子結合蛋白的存在,還能夠阻止內質網運輸小泡的形成。這說明,Ca2+濃度的變化,可能對運輸小泡的形成具有一定的調節作用。
5、光面內質網與胃酸、膽汁的合成與分泌密切相關 在胃壁腺上皮細胞中,光面內質網可使Cl-與H+結合生成HCl;在肝細胞中,光面內質網不僅能夠合成膽鹽,而且,可通過葡萄糖酢酸轉移酶的作用,使非水溶性的膽紅素顆粒形成水溶性的結合膽紅素。

內質網應激[編輯]

內質網是有極強穩態系統的膜性細胞器。在各種生理病理條件下,如缺氧、氧化應激、病毒感染、營養不足、化學藥物等均可擾亂內質網穩態,導致內質網內Ca2+平衡紊亂、未摺疊或錯誤摺疊蛋白在內質網腔中積累聚集,形成內質網應激(endoplasmic reticulum stress, ERS)。適度的內質網應激有利於細胞在外界刺激下恢復細胞的內穩定,是真核細胞的一種自我保護性反應,而長時間或嚴重的內質網應激會導致內質網功能受損,導致細胞凋亡。
內質網應激主要激活三條信號通路:未摺疊蛋白反應、內質網超負荷反應(ER overload response, EOR)和固醇調節級聯反應(sterol regulatory element binding protein, SREBP)。前兩者均是蛋白質加工紊亂所致,SREBP的激活則是在內質網表面合成的膽固醇損耗所致。
目前研究發現內質網應激與多種疾病相關,例如動脈粥樣硬化、非酒精性脂肪肝、潰瘍性結腸炎、糖尿病、心血管疾病、骨質疏鬆症、腫瘤、神經退行性疾病如阿爾茨海默病和帕金森病等。