概述 內質網存在於除哺乳動物成熟的紅細胞外的各種真核細胞中。內質網為由生物膜構成的互相通連的
片層 隙狀或小管狀系統,膜片間的隙狀空間稱為池,通常與細胞外隙和細胞漿基質之間不直接相通。這種細胞內的膜性管道系統一方面構成細胞內物質運輸的通路,另一方面為細胞內各種各樣的酶反應提供廣闊的反應面積。內質網與
核膜 及
細胞膜 相連線。
標誌酶 分類 粗面內質網 在病理狀態下,粗面內質網可發生數量和形態的改變。在蛋白質合成及分泌活性高的細胞(如
漿細胞 、胰腺腺泡細胞、
肝細胞 等)以及細胞再生和病毒感染時,粗面內質網增多。粗面內質網的含量高低也常反映腫瘤細胞的分化程度。相反,在萎縮的細胞(如飢餓時)以及有某種物質貯積的細胞,其粗面內質網則萎縮、減少。當細胞受損時,粗面內質網上的
核蛋白體 往往脫落於胞漿內,粗面內質
內質網與核糖體結構示意圖 網的蛋白合成會下降或消失;當損傷恢復時,其蛋白合成也隨之恢復。
在由各種原因引起的細胞變性和壞死過程中,粗面內質網的池一般出現擴張,較輕的和局限性的擴張只有在電鏡下才能窺見,重度擴張時則在光學顯微鏡下可表現為空泡形成,電鏡下有時可見其中含有中等
電子密度 的絮狀物。在較強的擴張時,粗面內質網同時互相離散,膜上的顆粒呈不同程度的脫失。進而內質網本身可斷裂成大小不等的片段和大小泡。這些改變大多見於細胞水腫時,故病變不僅見於內質網,也同時累及高爾基體、線粒體和胞漿基質,有時甚至還累及溶解體。
光面內質網 光面內質網的功能多種多樣,既參與糖元的合成,又能合成磷脂、
糖脂 以及糖蛋白中的糖成分,此外,還在甾類化合物的合成中起重要的作用,故在合成
甾類激素 的細胞中特別豐富。光面內質網含有脫甲基酶、
脫羧酶 、
脫氨酶 、葡糖醛酸酶以及
混合功能氧化酶 等,因而光面內質網能分解甾體、能滅活藥物和毒物並使其能被排除(如肝細胞)。腸上皮細胞的光面內質網參與脂肪的運輸,心肌細胞的光面內質網(肌漿網)則參與心肌的刺激傳導。
在生理狀態下,隨著細胞功能的升降,光面內質網的數量也呈現相應改變。但亦可出現完全相反的情況,例如在某些疾病(如淤膽)時,從形態結構上看,肝細胞光面內質網顯著增生,但其
混合功能氧化酶 的活性反而下降,這實際上是細胞衰竭的表現。
肝細胞的光面內質網具有
生物轉化 作用,能對一些低分子物質如藥物、毒品、毒物等,進行轉化解毒,並將間接膽紅素轉化為直接
膽紅素 。
許多成癮藥物和嗜好品如
巴比妥類 、吸毒、嗜酒等,可導致肝細胞光面內質網的增生,長期服用口服
避孕藥 、
安眠藥 、抗糖尿病藥等也能導致同樣後果。在HBsAg陽性肝炎時,肝細胞內光面內質網明顯增生,在其管道內形成HBsAg。由於光面內質網的大量增生,這種肝細胞在光學顯微鏡下呈毛玻璃外觀,故有毛玻璃細胞之稱,並可為
地衣紅 (orcein)著染。
在細胞損傷時光面內質網也可出現小管裂解為小泡或擴大為大泡狀。在藥物及某些
芳香族化合物 (主為致癌劑)的影響下,光面內質網有時可在胞漿內形成蔥皮樣層狀結構,即“
副核 ”,可為細胞的適應性反應(結構較松)或為變性性改變(結構緻密)。
發現 由KR. Porter、A. Claude 和 EF. Fullam等人於1945年發現,他們在觀察培養的小鼠成纖維細胞時,發現細胞質內部具有
網狀結構 ,建議叫做內質網endoplasmic reticulum,ER,後來發現內質網不僅僅存在於細胞的“內質”部,通常還有
質膜 和
核膜 相連,並且與高爾基體關係密切,並且常伴有許多線粒體。
內質網 內質網,細胞質內由膜組成的一系列片狀的囊腔和管狀的腔,彼此相通形成一個隔離於
細胞基質 的管道系統,為細胞中的重要
細胞器 。實際上是一個連續的膜囊和膜管網,可分為粗面內質網和
滑面內質網 兩大部分。
內質網聯繫了細胞核和細胞質、細胞膜這幾大
細胞結構 ,使之成為通過膜連線的整體。內質網負責物質從細胞核到細胞質,細胞膜以及細胞外的轉運過程。
粗面內質網上附著有大量核糖體,合成
膜蛋白 和
分泌蛋白 。光面內質網上無核糖體,為細胞內外糖類和脂類的合成和轉運場所。內質網細胞質中由膜圍成的分支小管、小囊或扁平囊狀結構連通而成的管道系統,其
周緣 常分離出一種小泡狀結構。
電鏡 下觀察,內質網膜厚度約為5~6納米,按形態結構的不同分為兩個區域:一是
粗面內質網 ,多為扁平囊狀結構,膜上含有兩種
核糖體 親合蛋白,因而在膜的細胞質面上附著有核糖體;一是滑面內質網,多呈網狀分布的小管,膜的細胞質面上不附著核糖體。滑面內質網不僅在一定部位與粗面內質網相連通,而且有的與質膜或核
外膜 相聯。內質網擴大了細胞質內的膜面積,在內質網膜上附有的多種酶,為生命活動的各種
化學反應 的正常進行創造有利條件。粗面內質網不僅是核糖體的支架,而且是在核糖體上合成的分泌蛋白的運輸通道。此外,能夠對核糖體合成的
多肽鏈 進行一定的改造,或用於自身的裝配和生成。滑面內質網具有
解毒 、合成脂類和分解
糖元 的功能,還參與分泌性蛋白的運輸過程。
粗面內質網 粗面內質網又叫做顆粒型內質網,常見於蛋白質合成旺盛的細胞中。粗面內質網大多為扁平的囊,少數為
球形 或管泡狀的囊。在靠近核的部分,囊泡可以與核的外膜連線。粗面內質網的表面所附著的核糖體(也叫
核糖核蛋白體 )是合成蛋白質的場所,新合成的蛋白質就進入內質網的囊腔內。粗面內質網既是新合成的蛋白質的運輸通道,又是核糖體附著的支架。滑面內質網又稱為非顆粒性內質網。滑面內質網的囊壁表面光滑,沒有核糖體附著。滑面內質網的形狀基本上都是分支小管及小囊,有時小管排列得非常緊密,以同心圓形式圍繞在分泌顆粒和線粒體的周圍。因此,滑面內質網在切面中所看到的形態,與粗面內質網有明顯的不同。
光面內質網 滑面內質網與蛋白質的合成無關,可是它的功能卻更為複雜,它可能參與
糖元 和脂類的合成、固醇類激素的合成以及具有分泌等功能。在胃組織的某些細胞的滑面內質網上曾發現有Cl-的積累,這說明它與
HCl 的分泌有關。在小腸上皮細胞中,可以觀察到它與運輸脂肪有關。在
心肌細胞 和骨骼肌細胞內的滑面內質網,可能與傳導興奮的作用有關在
平滑肌細胞 內,卻發現它與Ca2+的攝取和釋放有關。
形態與組成 內質網膜約占細胞總膜面積的一半,是
真核細胞 中最多的膜。內質網是
內膜 構成的封閉的網狀管道系統。具有高度的
多型性 。粗面內質網(RER)呈扁平囊狀,排列整齊,膜圍成的空間稱為ER腔(lumen),膜外有
核糖體 附著。SER呈分支管狀或小泡狀,無核糖體附著。肌肉細胞中的內質網是一種特化的滑面內質網(SER),稱為
肌質網 ,可貯存Ca2+,引起肌肉收縮。細胞不含純粹的RER或SER,它們分別是ER連續結構的一部分。ER主要功能是合成蛋白質和脂類,分泌性蛋白和跨膜蛋白都是在ER中合成的。ER合成的脂類除
內質網形態結構
ER膜中磷脂約占50~60%,蛋白質約占20%,脂類主要成分為磷脂,
磷脂醯膽鹼 含量較高,
鞘磷脂 含量較少,沒有或很少含膽固醇。ER約有30多種膜結合蛋白,另有30多種位於內質網腔,這些蛋白的分布具有異質性,如:
葡糖-6-磷酸 酶,普遍存在於內質網,被認為是
標誌酶 ,
核糖體 結合
糖蛋白 (ribophorin)只分布在RER,
P450酶系 只分布在SER。
ER的功能 內質網的功能
內質網是指細胞質中一系列囊腔和細管,彼此相通,形成一個隔離於
細胞質基質 的管道系統。它是細胞質的膜系統,外與細胞膜相連,內與核膜的外膜相通,將細胞中的各種結構連成一個整體,具有承擔細胞內物質運輸的作用。內質網能有效地增加細胞內的膜面積,內質網能將細胞內的各種結構有機地聯結成一個整體。滑面內質網上沒有核糖體附著,這種內質網所占比例較少,但功能較複雜,它與脂類、糖類代謝有關。粗面內質網上附著有核糖體,其排列也較滑面內質網規則,功能主要與蛋白質的合成有關。這兩種內質網的比例與細胞的功能有著密切的聯繫,如胰腺細胞中粗面型內質網特別發達,這與胰腺細胞合成和分泌大量的胰消化酶蛋白有關,在睪丸和卵巢中分泌性激素的細胞中,則滑面型內質網特別發達,這與合成和分泌性激素有關。細胞質中內質網的發達程度與其生命活動的旺盛程度呈正相關。電鏡下,內質網是由
單位膜 構成的扁囊(池)和小管,並互相通連。粗面內質網由扁囊和附著在其外表面的核糖體構成,表面粗糙,細胞核周圍的粗面內質網可與核膜外層通連。主要功能是合成
分泌蛋白質 。滑面內質網表面光滑無核糖體附著,主要參與
類固醇 、脂類的合成與運輸,糖代謝及激素的滅活等。
內質網——整體結構 (一)蛋白質加工
蛋白質都是在核糖體上合成的,並且起始於細胞質基質,但是有些蛋白質在合成開始不久後便轉在內質網上合成,這些蛋白質主要有:
①向細胞外分泌的蛋白、如抗體、激素;
②跨膜蛋白,並且決定膜蛋白在膜中的排列方式;
③需要與其它細胞器組合嚴格分開的酶,如溶酶體的各種水解酶;
④需要進行修飾的蛋白,如糖蛋白。
C. Milstein(1972)發現從
骨髓瘤細胞 提取的免疫球蛋白分子N端要比分泌到細胞外的N端多出一段。G. Blobel和D. Sabatini等根據進一步的實驗,提出了
信號假說 (Signal hypothesis),認為蛋白質上的
信號肽 ,指導蛋白質轉至內質網上合成。Blobel因此項發現獲1999年諾貝爾生理醫學獎。
蛋白質轉入內質網合成至少涉及5種成分:
①信號肽(signal peptide),是引導新合成
肽鏈 轉移到內質網上的一段多肽,位於新合成肽鏈的N端,一般16~30個
胺基酸 殘基,含有6-15個帶正電荷的非
極性 胺基酸,由於信號肽又是引導肽鏈進入內質網腔的一段序列,又稱
開始轉移序列 (start transfer sequence)。
②
信號識別顆粒 (signal recognition particle,SRP),由6種結構不同的
多肽 組成,結合一個7S RNA,
分子量 325KD,屬於一種
核糖核蛋白 (ribonucleoprotein)。SRP與
信號序列 結合,導致蛋白質合成暫停。
③ SRP受體(SPR receptor),是膜的
整合蛋白 ,為異二聚體蛋白,存在於內質網上,可與SRP特異結合。
④
停止轉移序列 (stop transfer sequence),
肽鏈 上的一段特殊序列,與內質網膜的
親合力 很高,能阻止肽鏈繼續進入內質網腔,使其成為跨
膜蛋白質 。
⑤
轉位因子 (translocator),由3-4個Sec61蛋白複合體構成的一個類似炸面圈的結構,每個Sec61蛋白由三條肽鏈組成。
蛋白質轉入內質網合成的過程:
信號肽與SRP結合→肽鏈延伸終止→SRP與受體結合→SRP脫離信號肽→肽鏈在內質網上繼續合成,同時信號肽引導新生肽鏈進入內質網腔→信號肽切除→肽鏈延伸至終止→翻譯體系解散。這種肽鏈邊合成邊向內質網腔轉移的方式,稱為co-translation。
Preproalbumin
Met-Lys-Trp-Val-Thr-Phe-Leu-Leu-Leu-Leu-Phe-Ile-Ser- Gly-Ser-Ala-Phe-Ser↓Arg...
Pre-IgG light chain
Met-Asp-Met-Arg-Ala-Pro-Ala-Gln-Ile-Phe-Gly-Phe-Leu- Leu-Leu-Leu-Phe-Pro-Gly- Thr-Arg-Cys↓Asp...
Prelysozyme
Met-Arg-Ser-Leu-Leu-Ile-Leu-Val-Leu-Cys-Phe-Leu- Pro-Leu-Ala-Ala-Leu-Gly↓Lys...
(二)蛋白質的修飾與加工
包括
糖基化 、
羥基化 、醯基化、
二硫鍵 形成等,其中最主要的是糖基化,幾乎所有內質網上合成的蛋白質最終被糖基化。糖基化的作用是: ①使蛋白質能夠抵抗消化酶的作用;②賦予蛋白質傳導信號的功能;③某些蛋白只有在糖基化之後才能正確摺疊。
糖基一般連線在4種胺基酸上,分為2種:
O-連線的糖基化(O-linked glycosylation): 與Ser、Thr和Hyp的OH連線,連線的糖為半乳糖或
N-乙醯半乳糖胺 ,在
高爾基體 上進行O-連線的糖基化。
N-連線的糖基化(N-linked glycosylation): 與天冬醯胺殘基的NH2連線,糖為N-乙醯
葡糖胺 。
內質網上進行的為N-連線的糖基化。糖的供體為核苷糖(nucleotide sugar),如CMP-
唾液酸 、GDP-
甘露糖 、UDP-N-乙醯葡糖胺等。糖分子首先被
糖基轉移酶 轉移到膜上的磷酸長醇(dolichol phosphate)分子上,裝配成
寡糖鏈 。再被寡糖轉移酶轉到新合成肽鏈特定序列(Asn-X-Ser或Asn-X-Thr)的天冬醯胺殘基上。
COP II介導由內質網輸出的
膜泡運輸 ,這種膜泡由內質網的排出位點(exit sites)以出芽的方式排出,內質網的排出位點沒有結合核糖體,
隨機分布 在內質網上。不同的蛋白質在內質網腔中停留的時間不同,主要取決於蛋白質完成正確摺疊和組裝的時間,這一過程是在屬於hsp70家族的
ATP酶 的作用下完成的,需要消耗能量。有些無法完成正確摺疊的蛋白質被輸出內質網,轉入溶酶體中降解掉,大約90%的新合成的
T細胞受體 亞單位和
乙醯膽鹼受體 都被降解掉,而從未到達靶細胞膜。
ER的應激反應 內質網的應激反應,即在某些情況下,鈣穩態失衡,出現錯誤蛋白質或未摺疊蛋白質過度堆積、固醇和脂質等水平失調而啟動的應激機制,從而影響特定基因表達。如果內質網功能持續紊亂,那么細胞就會最終啟動凋亡程式。ER的應激反應簡稱ERS,大題可以分為未摺疊蛋白應答反應(UPR)、內質網超負荷反應(EOR)、膽固醇調節級聯反應(SREBP)三種。每一種的機理都十分複雜。這裡大概簡單介紹。
未摺疊蛋白應答反應(URP) 哺乳動物細胞內有3中ER跨膜蛋白,它們分別是需要肌醇酶1(IRE1)、PKR類似的內質網激酶(PEKR)、活性轉錄因子6(ATF6),它們在URP途徑中共同協作完成反應過程。它們在正常條件下均與調控蛋白Bip/GRP78(以下以Bip舉例)形成穩定複合物,在內質網蛋白質異常過度堆積後,它們與Bip解離,引發3條不同的途徑執行UPR。
第一條途徑最先發現於酵母菌當中,IRE1為跨膜蛋白,膜外與Bip結合,膜內含有可以切割Hac1mRNA的部位(RNA內切酶活性)。過度蛋白質堆積的時候,Bip與IRE1分離與堆積的蛋白質結合,同時IRE1趨向於二聚體(二聚化)並交叉
磷酸化 ,即兩個單體各帶有一個Pi分子。接著IRE1將Hac1mRNA的內含子切下,留下並連線外顯子,外顯子連線組成新的mRNA,進一步翻譯形成轉錄因子Hac1,該因子進入核內激活編碼ER分子伴侶的基因,新合成的ER分子伴侶協助蛋白質摺疊,緩解危機。
第二條途徑是PERK和IRE1類似地進行二聚化和交叉磷酸化,Bip與其解離。同時PERK使得翻譯起始因子eIF2α發生磷酸化,使得後者不能完成GTP和GDP之間的交換作用,暫緩蛋白質的合成,對應激反應起到幫助作用。另外有研究表明此行為還會激活JNK,P38信號途徑,通過轉錄因子如ATF4誘導相關基因上調。
第三條途徑通過內質網跨膜蛋白ATF6完成的,它原本與 內質網膜共價 結合,應激反應時先轉入高爾基體,被S1P和S2P蛋白酶裂解激活,激活後的ATF6進入細胞核內,激活編碼Bip/GRP78和XBP-1等基因,產生相應的mRNA進而進行調控。
EOR和SREBP反應 內質網超負荷反應(EOR)
細胞除了用UPR應對錯誤蛋白過度堆積於內質網,還會啟動其他機制來應對緊急情況,比如激活細胞核因子NF-kB來引發EOR反應,最終產生對前炎性細胞因子,進而激活細胞存活、凋亡、細胞炎症反應和細胞分化等相關信號途徑。
膽固醇調節級聯反應(SREBP)
該反應主要涉及三種蛋白:固醇調控元件結合蛋白(SREBP)、insig-1(2)和SCAP。當膽固醇水平過高時,insig-1(2)和SCAP-SREBP複合物結合,將後者錨定在內質網膜上,抑制膽固醇的合成。當膽固醇水平降低時,SCAP-SREBP複合物被釋放到高爾基體上,SREBP在兩個位點被S1P和S2P蛋白酶切割,從而使SREBP的N端
結構域 bHLH得以釋放,釋放後的它稱作核-SREBP,成為活性因子,進入核內調控靶基因。
ERS引發的細胞凋亡程式 在應激反應依然無法調節,持續的不平衡狀態出現後,細胞會啟動凋亡程式。一般認為細胞凋亡程式是和鈣穩態失調引起的,而內質網的另一重要功能是儲存鈣離子。在ERS反應的某些信號刺激下,內質網膜上IP3R通道開放,致使大量鈣離子外流,高水平的鈣離子與需鈣蛋白酶結合導致calpain酶原大小亞基水解而被活化,活化的calpain可以裂解多種蛋白質底物,比如裂解vinculin而破壞細胞骨架穩定性,使細胞凋亡,還可以剪下Bcl-xL使其由抗凋亡變為促凋亡。活化的calpain還可以轉移至內質網,在幾個切割位點切割caspase-12酶原,使其活化,作為細胞凋亡的重要水解酶而發揮作用。
ER的其它功能 合成膜脂 : 大多數膜只是完全在內質網中合成的,例外的情況包括:①鞘磷脂是在內質網上開始合成的,但完成於
高爾基體 ;②某些線粒體和
葉綠體 獨有的膜脂是駐留在這些細胞器中的
酶催化 合成的。ER合成的膜脂以膜泡運輸的方式轉運至高爾基體,溶酶體和質膜上,或借磷脂轉移蛋白(phospholipid transfer protein,PTP)形成
水溶性 複合物,轉至其他膜上。
解毒作用 :SER中的P450酶系屬於
單加氧酶 (monooxygenase),又稱為多功能
氧化酶 (mixed function oxidase)、
羥化酶 (hydroxylase),因其還原態的吸收峰在450nm處,故名。主要分布在SER中,但也存在於質膜、
線粒體 、
高爾基體 、
過氧化物酶體 、核膜等細胞器的膜中,具有解毒作用,通常可將
脂溶性 有毒物質,代謝為水溶性物質,使有毒物質排出體外。有時也會將
致癌物 代謝為活性致癌物。P450種類繁多,但都是與其他輔助成分組成一個
呼吸鏈 來實現其功能,呼吸鏈中的P450
還原酶 實際就是一種
黃素蛋白 。P450催化O2分子中的一個原子加到
底物 分子上使之羥化,另一個
氧原子 被NADH或NADPH提供的氫還原生成水,在此氧化過程中無
高能磷酸化合物 生成。
蛋白質轉移到內質網上合成的過程 甾體類激素的合成: 在生殖腺和腎上腺的內分泌細胞中,SER、線粒體,可能還有高爾基體上的一些酶共同參與甾體類激素的合成。
調節血糖濃度: 使葡糖6-磷酸水解為磷酸和葡萄糖,釋放糖至血液中。細胞中的糖元可被酶轉化為葡糖1-磷酸,再轉變為葡糖6-磷酸,但由於膜對
磷酸化 的糖是高度不通透的,葡糖6-磷酸只有在
去磷酸化 以後才能通過質膜,進入血液。
形成一些特殊結構: 如肌細胞中的SER特化成的肌質網可儲存
鈣離子 ,作為細胞內信號物質。
支撐作用: 內質網是細胞內最豐富的膜,形成了一種網路結構,提供機械支撐作用,並成為細胞質中酶附著的支架。
轉送作用:內質網可通過出芽來運送合成物,其中光面內質網尤為突出。
病變 細胞質的改變:滑面內質網和粗面內質網
一、滑面內質網
1、滑面內質網增生滑面內質網與產生固醇物質,解毒、激素滅活等功能有關,如解毒作用增強,
肝細胞 內滑面內質網增多,
腎上腺皮質 瘤內滑面內質網也多。
2、肌漿網水腫肌漿網亦屬滑面內質網,與肌肉收縮及鈣離子釋放回收有關。肌細胞缺氧,中毒時,肌漿網可出現水腫。
二、粗面內質網
1、粗面內質網擴張、囊泡化正常粗面內質網系由膜形成扁池,腔很窄,在
細胞水腫 時,液體入腔內使之擴張,並形成小泡,在肝炎時肝細胞氣球樣變中也可見到。
2、粗面內質網脫粒粗面內質網扁池膜旁有核糖體依附,在粗面內質網腫脹同時膜表面核糖體脫落。也有的粗面內質網膜表面核糖體脫落,但扁池不擴張。
3、粗面內質網板層在內分泌細胞及
胚胎 肝細胞內出現短而緊密排列粗面內質網,在內分泌腫瘤及肝癌中也可見到。
4、同心圓膜性小體有三種:第一種粗面內質網呈同心圓板層排列;第二種是滑面膜雙層呈同心圓排列;第三種是在滑面間夾有
糖原 。
5、粗面內質網池內隔離粗面內質網扁池擴張,帶有核糖體的膜突入擴張的池內,切面如像島狀膜性小管小泡游離在池內。
6、粗面內質網對合池平行兩片粗面內質網緊密靠攏,內側面核糖體消失。也可有三片或多片,稱三合池或多合池。