细胞超微结构概论：第8章 内质网

第八章第八章 内质网内质网 由PorterPorter、ClaudeClaude和FullamFullam等人于1945年发现，他们在体外培养小鼠成纤维细胞时得到了薄层生长细胞，这种培养的细胞不需要进行切片就可以在电子显微镜下进行观察，从而得到第一张培养细胞的电镜照片。观察发现薄层生长细胞的细胞质不是均质的，其中可见有一些形状和大小略有不同的网状结构，并集中在内质中，所以建议称作内质网。原核生物没有内质网，由细胞质膜代行其功能。后来发现内质网不仅仅存在于细胞的“内质”部，通常还与质膜和核膜相连，并且与高尔基体关系密切，并且常伴有许多线粒体。内质网是由一层单位膜形成的囊状、泡状和管状结构，并形成一个连续的网膜系统。由于它靠近细胞质的内侧，故称为内质网。膜厚50一60A,内腔是连通的。内质网通常占有细胞膜系统的一半左右，占细胞体积的10%以上。内质网在细胞质中一般呈连续的网状，但这种连续性和形状不是固定不变的。在细胞周期中，一个时期可能是一些连续的小管或小囊泡，而在另一个时期有可能是不连续的。同时，内质网对细胞的生理变化相当敏感，在不正常或服药的情况下，如饥饿、缺氧、辐射 患肝炎、服用激素等，均可使肝细胞的ER囊泡化。一、形态结构一、形态结构 根据内质网上是否附有核糖体，将内质网分为两类：糙面内质网和光面内质网。由于内质网是一种封闭的囊状、泡状和管状结构，它就有两个面，内质网的外表面称为胞质溶胶面，内表面称为潴泡面。糙面内质网多呈大的扁平潴泡，在电镜下观察排列极为整齐。它是核糖体和内质网共同构成的复合结构，普遍存在于合成分泌蛋白的细胞中；越是分泌旺盛的细胞（如浆细胞)越多，未分化和肿瘤细胞中较少。其主要功能是合成分泌蛋白、多种膜蛋白和酶蛋白。糙面内质网与细胞核的外层膜相连通。RER的形态 无核糖体附着的内质网称为光面内质网，通常为小的管状和小的泡状，耐扁平状，广泛存在于各种类型的细胞中，包括合成胆固醇的内分泌腺细胞、肌细胞、肾细胞等。光面内质网是脂类合成的重要场所，它往往作为出芽的位点，将内质网上合成的脂类转运到高尔基体。SER的形态 光面内质网和糙面内质网在细胞中的分布是不同的：有的细胞中只有RER，如胰腺外分泌细胞；有的细胞只有SER，如平滑肌、横纹肌细胞；有的细胞中既含有RER，又含有SER。ER膜中含大约60%的蛋白和40%的脂类，脂类主要成分为磷脂，磷脂酰胆碱含量较高，鞘磷脂含量较少，没有或很少含胆固醇。ER约有30多种膜结合蛋白，另有30多种位于内质网腔，这些蛋白的分布具有异质性，如：葡糖-6-磷酸酶，普遍存在于内质网，被认为是 标志酶，核糖体结合糖蛋白只分布在RER，P450酶系只分布在SER。二、化学组成ER主要功能是合成蛋白质和脂类，分泌性蛋白和跨膜蛋白都是在ER中合成的。ER合成的脂类除满足自身需要外，还提供给高尔基体、溶酶体、内体、质膜、线粒体、叶绿体等膜性细胞结构。三、功能 细胞中的蛋白质都是在核糖体上合成的，并都是起始于细胞质基质之中。有些蛋白质刚起始合成不久便转移至内质网膜上，继续进行蛋白质合成。在糙面内质网上，多肽链一边延伸一边穿过内质网膜进入内质网腔中，以这类方式合成的蛋白质主要包括：1.向细胞外分泌的蛋白质（如抗体、激素）向细胞外分泌的蛋白，如胰腺细胞分泌的酶、浆细胞分泌的抗体、小肠杯状细胞分泌的粘蛋白、内分泌腺分泌的多肽类激素以及胞外基质成分等。这类蛋白质常以分泌泡的形式通过细胞的胞吐作用输送到细胞外，而且这种蛋白运输的方式也利于分泌过程的调控。（一）蛋白质合成（一）蛋白质合成2.膜的整合蛋白 细胞膜上的膜蛋白及内质网、高尔基体和溶酶体膜上的膜蛋白等都具有方向性，其方向性在内质网上合成时就已确定，在以后的转运过程中，其拓扑学特性始终保持不变。3.构成细胞器中的可溶性驻留蛋白 有些驻留蛋白需要与其他细胞组分严格隔离，如溶酶体与植物液泡中的酸性水解酶类；内质网、高尔基体和胞内体中固有的蛋白以及其他有重要生物活性的蛋白，在合成后进入内质网，便于与其他细胞组分进一步区分，也有利于对它们的加工与活化。4.需要进行修饰的蛋白，如糖蛋白。有些蛋白质在合成后需要进行修饰与加工，这是由内质网及高尔基体中一系列酶来完成的。细胞质基质中合成的蛋白质与内质网上合成的蛋白质各具有自己的特点，内质网则为这些蛋白质准确有效地到达目的地提供了必要的条件。C.Milstein（1972）发现从骨髓瘤细胞提取的免疫球蛋白分子N端要比分泌到细胞外的N端多出一段。G.Blobel和D.Sabatini等根据进一步的实验，提出了信号假说（Signal hypothesis），认为蛋白质上的信号肽，指导蛋白质转至内质网上合成。Blobel因此项发现获1999年诺贝尔生理医学奖。蛋白质转入内质网合成至少涉及5种成分：信号肽，是引导新合成肽链转移到内质网上的一段多肽，位于新合成肽链的N端，一般1630个氨基酸残基，含有6-15个带正电荷的非极性氨基酸，由于信号肽又是引导肽链进入内质网腔的一段序列，又称开始转移序列。信号识别颗粒（SRP），由6种结构不同的多肽组成，结合一个7S RNA，分子量325KD，属于一种核糖核蛋白。SRP与信号序列结合，导致蛋白质合成暂停。SRP受体，是膜的整合蛋白，为异二聚体蛋白，存在于内质网上，可与SRP特异结合。停止转移序列，肽链上的一段特殊序列，与内质网膜的亲合力很高，能阻止肽链继续进入内质网腔，使其成为跨膜蛋白质。转位因子，由3-4个Sec61蛋白复合体构成的一个类似炸面圈的结构，每个Sec61蛋白由三条肽链组成。信号肽与SRP结合肽链延伸终止SRP与受体结合SRP脱离信号肽肽链在内质网上继续合成，同时信号肽引导新生肽链进入内质网腔信号肽切除肽链延伸至终止翻译体系解散。这种肽链边合成边向内质网腔转移的方式，称为co-translation。蛋白质转入内质网合成的过程：蛋白质转移到内质网上合成的过程 内质网合成构成细胞所需要的包括磷脂和胆固醇在内的几乎全部的膜脂，其中最主要的磷脂是磷脂酰胆碱(卵磷脂)。合成磷脂所需要的3种酶都定位在内质网膜上，其活性部位在膜的细胞质基质一侧。合成磷脂的底物来自细胞质基质，反应的第一步是增大膜面积；第二、三两步确定新合成磷脂的种类。除磷脂酰胆碱外，其他几种磷脂，如磷脂酰乙醇氨、磷脂酰丝氨酸以及磷脂酰肌醇等都以类似的方式合成。在内质网膜上合成的磷脂几分钟后就由细胞质基质侧转向内质网腔面，其转位速度比自然转位速度高105倍，可能是借助一种磷脂转位因子或称转位酶的帮助来完成的。这种因子对含胆碱的磷脂要比对含丝氨酸、乙醇胺和肌醇的磷脂转位能力强，因此磷脂酰胆碱更容易转到内质网膜的腔面。（二）脂质的合成 合成的磷脂由内质网向其他膜的转运主要有两种方式：一种是以出芽的方式转运到高尔基体、溶酶体和细胞膜上；另一种方式是凭借一种水溶性的载体蛋白，称为磷脂转换蛋白(PEP)在膜之间转移磷脂。其转运模式是，首先PEP与磷脂分子结合形成水溶性的复合物进入细胞质基质，通过自由扩散，直至遇到靶膜时，PEP将磷脂释放出来，并安插在膜上，结果是磷脂从含量高的膜转移到缺少磷脂的膜上，即从磷脂合成部位转移到线粒体或过氧化物酶体膜上。可能线粒体和过氧化物酶体是唯一缺少磷脂的细胞器。每种PEP只能识别一种磷脂，推测磷脂酰丝氨酸就是以这种方式转移到线粒体膜上，然后脱羧基而产生磷脂酰乙醇胺，而磷脂酰胆碱则不加任何修饰地转移到线粒体膜上。包括糖基化、羟基化、酰基化、二硫键形成等，其中最主要的是糖基化，几乎所有内质网上合成的蛋白质最终被糖基化。糖基化的作用是：使蛋白质能够抵抗消化酶的作用；赋予蛋白质传导信号的功能；某些蛋白只有在糖基化之后才能正确折叠。（三）蛋白质的修饰与加工（三）蛋白质的修饰与加工N-连接的糖基化 肽链的合成仅需要几十秒钟至几分钟，而新合成的多肽在内质网停留的时间往往长达几十分钟。不同的蛋白质在内质网停留的时间长短不一，这在很大程度上取决于合成蛋白正确折叠所需要的时间。有些多肽还要进一步装配成寡聚体。不能正确折叠的畸形肽链或未装配成寡聚体的蛋白质亚单位，不论在内质网膜上还是在内质网腔中，一般都不能进入高尔基体。这类多肽一旦被识别，便从内质网腔转至细胞质基质，进而被蛋白酶体所降解。它们的半寿期约为20一3O min，有些只有5min。（四）新生肽链的折叠、组装和运输（四）新生肽链的折叠、组装和运输 在内质网狭小的腔隙中常常同时有多种蛋白质大量合成。多肽链疏水核心之间的相互作用，侧链基团之间的相互作用，尤其是内质网腔是一种非还原性的环境，极易形成二硫键，这些都对肽链的正确折叠带来了很大困难。内质网中有一种蛋白二硫键异构酶，它附着在内质网膜腔面上，可以切断二硫键，形成自由能最低的蛋白构象，以帮助新合成的蛋白重新形成二硫键并处于正确折叠的状态。没有这种酶，新合成的蛋白也可以正确折叠，但它的存在大大加快了这一过程。折叠好的蛋白质，内部往往有个疏水的核心，未折叠的蛋白质由于疏水核心的外露，即使在很低的浓度下，也很容易发生聚集，甚至与其他未折叠的蛋白形成复合物。内质网含有一种结合蛋白（Bip），可以识别不正确折叠的蛋白或未装配好的蛋白亚单位，并促进它们重新折叠与装配。一旦这些蛋白形成正确构象或装配完成，便与Bip分离，进入高尔基体。蛋白二硫键异构酶和Bip等蛋白都具有4肽信号以保证它们滞留在内质网中，并维持很高的浓度。Bip还可同Ca2+结合，可能通过Ca2+与带负电的磷脂头部基团相互作用，使Bip结合到内质网膜上。最近证明Bip属于热休克蛋白70家族的新成员，遍布在细胞内质网中。它们在进化上非常保守。解毒作用：SER中的P450酶系属于单加氧酶，又称为多功能氧化酶、羟化酶，因其还原态的吸收峰在450nm处，故名。主要分布在SER中，但也存在于质膜、线粒体、高尔基体、过氧化物酶体、核膜等细胞器的膜中，具有解毒作用，通常可将脂溶性有毒物质，代谢为水溶性物质，使有毒物质排出体外。有时也会将致癌物代谢为活性致癌物。P450种类繁多，但都是与其他辅助成分组成一个呼吸链来实现其功能，呼吸链中的P450还原酶实际就是一种黄素蛋白。P450催化O2分子中的一个氧原子加到底物分子上使之羟化，另一个氧原子被还原生成水，在此氧化过程中无高能磷酸化合物生成。（五）（五）ERER的其它功能的其它功能甾体类激素的合成：在生殖腺和肾上腺的内分泌细胞中，SER、线粒体，可能还有高尔基体上的一些酶共同参与甾体类激素的合成。调节血糖浓度：使葡糖-6-磷酸水解为磷酸和葡萄糖，释放糖至血液中。细胞中的糖元可被酶转化为葡糖-1-磷酸，再转变为葡糖-6-磷酸，但由于膜对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后才能通过质膜，进入血液。形成一些特殊结构：如肌细胞中的SER特化成的肌质网可储存钙离子，作为细胞内信号物质。支撑作用：内质网是细胞内最丰富的膜，形成了一种网络结构，提供机械支撑作用，并成为细胞质中酶附着的支架。