内质网
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內质网（英語：Endoplasmic reticulum, ER）是在真核生物细胞運輸系統的一部分，並具有許多其他重要功能，例如蛋白質折疊。它是一種由兩個亞單位組成的細胞器－粗糙內質網（Rough Endoplasmic Reticulum, RER）和光滑內質網（Smooth Endoplasmic Reticulum, SER）。內質網存在於大多數真核細胞中，並形成一個相互連接的網絡，該網絡由扁平的、膜包裹的扁囊狀結構（稱為扁囊Cisterna，位於粗糙內質網中）和細管狀結構（位於光滑內質網中）組成。內質網的膜與核膜外膜相連。红细胞和精子中不存在內質網。
內质网联系了细胞核、细胞质和细胞膜这几大细胞構造。（它內與細胞核（核膜外膜）相連），但外部並不與細胞膜連接。內质网负责物质从细胞核到细胞质、细胞膜以及细胞外的转运过程。因為細胞內質網膜與細胞核外膜是相連的，因此內質網空腔與核周腔（perinuclear space）是共通，且細胞可以靠內質網的膜來快速調節細胞核的大小。粗糙內质网上附着有大量核糖体，合成膜蛋白和分泌蛋白。光面內质网上无核糖体，为细胞內外醣类和脂类的合成和转运场所。
1897年，查爾斯·加尼耶（Charles Garnier）透過光學顯微鏡觀察到內質網，並首創了「ergastoplasm」一詞。[1][2] 1945年，基思·R·波特（Keith R. Porter）、阿尔伯特·克劳德（Albert Claude）與厄內斯特·F·富拉姆（Ernest F. Fullam）首次透過電子顯微鏡觀察到內質網的網狀膜結構。[3]
结构
內质网的大体结构是由细胞骨架支撑的囊结构。它的內层与核膜相连，由磷脂双分子层形成一个独立于细胞质基质封闭的空间。
粗面内质网
在病理状态下，粗面內质网或糙面內質網（rough endoplasmic reticulum）可发生量和形态的改变。在蛋白质合成及分泌活性高的细胞（如浆细胞、胰腺腺泡细胞、肝细胞等）以及细胞再生和病毒感染时，粗面內质网增多。粗面內质网的含量高低也常反映肿瘤细胞的分化程度。相反，在萎缩的细胞（如饥饿时）以及有某种物质贮积的细胞，其粗面內质网则萎缩、减少。当细胞受损时，粗面內质网上的核糖体往往脱落于胞浆內，粗面內质网的蛋白合成会下降或消失；当损伤恢复时，其蛋白合成也随之恢复。在由各种原因引起的细胞变性和坏死过程中，粗面內质网的扁囊一般出现扩张，较轻的和局限性的扩张只有在电子显微镜下才能窥见，重度扩张时则在光学显微镜下可表现为空泡形成，电子显微镜下有时可见其中含有中等电子密度的絮状物。在较强的扩张时，粗面內质网同时互相离散，膜上的颗粒呈不同程度的脱失。进而內质网本身可断裂成大小不等的片段和大小泡。这些改变大多见于细胞水肿时，故病变不仅见于內质网，也同时累及高尔基体、线粒体和细胞质基质，有时甚至还累及溶酶体。
光面内质网
光面內质网或滑面內质网（Smooth ER，缩写：SER）的功能多种多样，既参与糖原的合成，又能合成磷脂、糖脂以及糖蛋白中的糖成分，此外，还在甾类化合物的合成中起重要的作用，故在合成甾类激素的细胞中特别丰富。光面內质网含有脱甲基酶、脱羧酶、脱氨酶、葡糖醛酸酶以及混合功能氧化酶等，因而光面內质网能分解甾体、能灭活药物和毒物并使其能被排除（如肝细胞）。肠上皮细胞的光面內质网参与脂肪的运输，心肌细胞的光面內质网（肌浆网）则参与心肌的刺激传导。在生理状态下，随着细胞功能的升降，光面內质网的数量也呈现相应改变。但亦可出现完全相反的情况，例如在某些疾病（如淤胆）时，从形态结构上看，肝细胞光面內质网显著增生，但其混合功能氧化酶的活性反而下降，这实际上是细胞衰竭的表现。肝细胞的光面內质网具有生物转化作用（biotransformation），能对一些低分子物质如药物、毒品、毒物等，进行转化解毒，并将间接胆红素转化为直接胆红素。许多成瘾药物和嗜好品如巴比妥类药物、毒品、酒等，可导致肝细胞光面內质网的增生，长期服用口服避孕药、安眠药、抗糖尿病药等也能导致同样后果。在乙肝表面抗原阳性（乙型肝炎）时，肝细胞內光面內质网明显增生，在其管道內形成乙肝表面抗原。由于光面內质网的大量增生，这种肝细胞在光学显微镜下呈毛玻璃外观，故有毛玻璃细胞之称，并可为地衣红（orcein）著染。在细胞损伤时光面內质网也可出现小管裂解为小泡或扩大为大泡状。在药物及某些芳香族化合物（主为致癌剂）的影响下，光面內质网有时可在胞浆內形成葱皮样层状结构，即“副核”，可为细胞的适应性反应（结构较松）或为变性性改变（结构致密）。可在肝臟細胞協助解毒，在肌肉細胞貯存钙离子。
肌质网
肌质网（Sarcoplasmic Reticulum 缩写SR）是肌细胞中的一种特化的光面内质网，內部储存了大量的钙离子，和肌肉之收縮有關，見肌小節。此細胞器與光滑內質網之間唯一的結構差異在於其膜結合蛋白和管腔內遊離蛋白的組成。這種根本性的差異決定了它們的功能：內質網合成分子，而肌质网儲存鈣離子，並在肌肉纖維受到刺激時將其泵入肌漿。[4][5] 鈣離子從肌质网釋放後，與利用ATP的收縮蛋白相互作用，使肌纖維縮短。肌质网在興奮-收縮耦聯中發揮著重要作用。[6]
功能
内质网具有许多一般功能，包括在称为潴泡的囊中折叠蛋白质分子，以及将合成的蛋白质在囊泡中运输到高尔基体。粗面内质网也参与蛋白质合成。新合成蛋白质的正确折叠是由几种内质网分子伴侣蛋白实现的，包括蛋白质二硫键异构酶 (PDI)、ERp29、Hsp70家族成 BiP/Grp78、钙联结蛋白、钙网蛋白和肽酰脯氨酰异构酶家族。只有正确折叠的蛋白质才能从粗面内质网运输到高尔基体 - 未折叠的蛋白质会引起未折疊蛋白反應，作为内质网中的应激反应。氧化还原反应调节、钙调节、葡萄糖缺乏和病毒感染[7]或蛋白质过度表达[8]可导致内质网应激反应（ER应激），这是一种蛋白质折叠减慢的状态，导致未折叠蛋白质增加。这种应激正在成为缺氧/缺血、胰岛素抵抗和其他疾病的潜在损伤原因。[9]
臨床意義
胰島β細胞中增加且超過生理範圍的內質網壓力會干擾正常的胰島素分泌，導致高胰島素血症[10]，進而引發人類肥胖相關的外周胰島素抵抗。[11] 人類臨床試驗亦指出，肥胖所引起的胰島素分泌增加與外周胰島素抵抗之間存在因果關係。[12]
XBP1蛋白质的異常會導致內質網壓力反應增強，進而增加對發炎過程的易感性，甚至可能與阿茲海默症有關。[13] 在結腸中，XBP1的異常已被證實與克隆氏症等發炎性腸道疾病有關。[14]
未折疊蛋白反應（UPR）是一種與內質網相關的細胞壓力反應。[15] 當內質網腔內未摺疊或錯誤摺疊的蛋白質累積時，UPR會被活化。 UPR的功能是透過停止蛋白質翻譯、降解錯誤折疊的蛋白質以及激活信號通路來恢復細胞的正常功能，這些信號通路最終會增加參與蛋白質折疊的分子伴侶的產生。 UPR的持續過度活化與朊毒體病以及其他幾種神經退化性疾病有關，抑制UPR可能成為治療這些疾病的策略。[16]
参考文献
- ^ Garnier, C. Les filaments basaux des cellules glandulaires. Note préliminaire. Bibliographie Anatomique. 1897, 5: 278–289. OCLC 493441682.
- ^ Buvat, R. Electron Microscopy of Plant Protoplasm. International Review of Cytology Volume 14 14. 1963: 41–155. ISBN 978-0-12-364314-8. PMID 14283576. doi:10.1016/S0074-7696(08)60021-2.
- ^ Porter KR, Claude A, Fullam EF. A study of tissue culture cells by electron microscopy: methods and preliminary observations. The Journal of Experimental Medicine. March 1945, 81 (3): 233–46. PMC 2135493
. PMID 19871454. doi:10.1084/jem.81.3.233.
- ^ Toyoshima C, Nakasako M, Nomura H, Ogawa H. Crystal structure of the calcium pump of sarcoplasmic reticulum at 2.6 A resolution. Nature. June 2000, 405 (6787): 647–55. Bibcode:2000Natur.405..647T. PMID 10864315. S2CID 4316039. doi:10.1038/35015017.
- ^ Goodman SR. Medical Cell Biology 3rd. Academic Press. 2007-11-26: 69. ISBN 978-0-08-091931-7.
- ^ Martini F, Nath J, Bartholomew E. Fundamentals of Anatomy and Physiology 10th. Pearson. 2014. ISBN 978-0-321-90907-7.
- ^ Xu C, Bailly-Maitre B, Reed JC. Endoplasmic reticulum stress: cell life and death decisions. The Journal of Clinical Investigation. October 2005, 115 (10): 2656–64. PMC 1236697 . PMID 16200199. doi:10.1172/JCI26373.
- ^ Kober L, Zehe C, Bode J. Development of a novel ER stress based selection system for the isolation of highly productive clones. Biotechnology and Bioengineering. October 2012, 109 (10): 2599–611. PMID 22510960. S2CID 25858120. doi:10.1002/bit.24527.
- ^ Ozcan U, Cao Q, Yilmaz E, Lee AH, Iwakoshi NN, Ozdelen E, Tuncman G, Görgün C, Glimcher LH, Hotamisligil GS. Endoplasmic reticulum stress links obesity, insulin action, and type 2 diabetes. Science. October 2004, 306 (5695): 457–61. Bibcode:2004Sci...306..457O. PMID 15486293. S2CID 22517395. doi:10.1126/science.1103160.
- ^ Yong, Jing; Johnson, James D.; Arvan, Peter; Han, Jaeseok; Kaufman, Randal J. Therapeutic opportunities for pancreatic β-cell ER stress in diabetes mellitus. Nature Reviews Endocrinology. August 2021, 17 (8): 455–467. PMC 8765009 . PMID 34163039. doi:10.1038/s41574-021-00510-4.
- ^ van Vliet, Stephan; Koh, Han-Chow E.; Patterson, Bruce W.; Yoshino, Mihoko; LaForest, Richard; Gropler, Robert J.; Klein, Samuel; Mittendorfer, Bettina. Obesity Is Associated With Increased Basal and Postprandial β-Cell Insulin Secretion Even in the Absence of Insulin Resistance. Diabetes. 1 October 2020, 69 (10): 2112–2119. PMC 7506835 . PMID 32651241. doi:10.2337/db20-0377.
- ^ Mittendorfer, Bettina; Patterson, Bruce W.; Smith, Gordon I.; Yoshino, Mihoko; Klein, Samuel. β Cell function and plasma insulin clearance in people with obesity and different glycemic status. Journal of Clinical Investigation. 1 February 2022, 132 (3). PMC 8803344 . PMID 34905513. doi:10.1172/JCI154068. 已忽略未知参数
|article-number=(帮助) - ^ Casas-Tinto S, Zhang Y, Sanchez-Garcia J, Gomez-Velazquez M, Rincon-Limas DE, Fernandez-Funez P. The ER stress factor XBP1s prevents amyloid-beta neurotoxicity. Human Molecular Genetics. June 2011, 20 (11): 2144–60. PMC 3090193 . PMID 21389082. doi:10.1093/hmg/ddr100.
- ^ Kaser A, Lee AH, Franke A, Glickman JN, Zeissig S, Tilg H, Nieuwenhuis EE, Higgins DE, Schreiber S, Glimcher LH, Blumberg RS. XBP1 links ER stress to intestinal inflammation and confers genetic risk for human inflammatory bowel disease. Cell. September 2008, 134 (5): 743–56. PMC 2586148 . PMID 18775308. doi:10.1016/j.cell.2008.07.021.
- ^ Walter, Peter. Peter Walter's Short Talk: Unfolding the UPR. iBiology.
- ^ Moreno JA, Halliday M, Molloy C, Radford H, Verity N, Axten JM, Ortori CA, Willis AE, Fischer PM, Barrett DA, Mallucci GR. Oral treatment targeting the unfolded protein response prevents neurodegeneration and clinical disease in prion-infected mice. Science Translational Medicine. October 2013, 5 (206): 206ra138. PMID 24107777. S2CID 25570626. doi:10.1126/scitranslmed.3006767.
