第十二章 细胞内组织和蛋白质分选
内质网
内质网 （ER） 的膜通常占普通动物细胞总膜的一半以上（参见表 12-2）。ER 组织成一个网状迷宫，由分支小管和扁平囊组成，延伸到整个胞质溶胶（图 12-14 和电影 12.2）。小管和囊相互连接，它们的膜与外核膜连续。这个膜系统包含一个称为 ER 腔的内部空间，它与内外核膜之间的空间连续。ER 通常占据总细胞体积的 10% 以上（请参见表 12-1）。
ER 在脂质和蛋白质的生物合成中起着核心作用，ER 腔储存在许多细胞信号反应中动员的细胞内 Ca2+（在第 15 章中讨论）。ER 膜是细胞器许多跨膜蛋白和脂质的产生场所，包括 ER 本身、高尔基体、溶酶体、内体、分泌囊泡、过氧化物酶体和质膜。ER 膜也是线粒体和质体膜的大多数脂质的制造部位。此外，几乎所有将分泌到细胞外部的蛋白质——加上那些发往内质网、高尔基体或溶酶体腔的蛋白质——最初都被输送到内质网腔。
ER 在结构和功能上是多种多样的
虽然 ER 的各种功能对每个细胞都是必不可少的，但它们的相对重要性在单个细胞类型之间差异很大。为了满足不同的功能需求，ER的不同区域变得高度专业化。功能专业化导致 ER 不同部分的比例丰度发生巨大变化。这些变化被观察到为不同类型细胞中不同类型的 ER 膜。视觉上最引人注目的特化是粗糙 ER 和光滑 ER（图 12-15）。粗糙的外观是由于大量参与蛋白质合成的核糖体结合到 ER 的这一部分表面。相比之下，光滑 ER 区域缺乏核糖体，专用于其他 ER 功能，例如脂质的生物合成和代谢。所有细胞都有粗糙和光滑的 ER，但它们的相对丰度在特化细胞中可能会有很大差异。
大多数分泌蛋白是由粗糙 ER 表面的核糖体合成的。因此，专门分泌大量蛋白质的细胞充满了大量的粗 ER。例如，胰腺的外分泌细胞每天在分泌自身重量的消化酶，这解释了为什么粗内质网占这些细胞膜的 60%（参见表 12-2）。同样，分泌抗体的浆细胞和分泌胰岛素的 β 细胞也含有标记扩增的粗 ER。高分泌细胞与大量粗面内质网之间的共存提供了ER是合成分泌蛋白的第一个证据。
与粗略的 ER 相比，平滑 ER 的功能更加多样化，并且可以变得高度专业化。在所有细胞中发现的一种光滑的 ER 称为瞬时 ERtransitional ER，携带新合成蛋白质和脂质的运输囊泡从中萌出并运输到高尔基体。在某些专门的细胞中，光滑的 ER 具有保证其扩展的附加功能。例如，合成类固醇激素的细胞含有突出的光滑内质网，以配合制造胆固醇的酶并对其进行修饰以形成各种类固醇激素（参见图 12-15B）。
肝脏中的主要细胞类型，即肝细胞，也具有增加的平滑 ER 量（参见表 12-2），用于两个不同的目的。肝细胞是产生脂蛋白颗粒的主要部位，脂蛋白颗粒通过血流将脂质输送到身体的其他部位。合成颗粒脂质成分的酶富集在光滑的 ER 膜中。此外，这些膜还含有催化一系列反应的酶，以解毒药物和新陈代谢产生的各种有害化合物。这些解毒反应中研究最广泛的是由细胞色素 P450 酶家族进行的。它们催化一系列反应，在这些反应中，水不溶性药物或代谢物本来会在细胞膜中积累到毒性水平，但水溶性足以离开细胞并随尿液或胆汁排出。
在大多数真核细胞中，ER 的另一个至关重要的功能是从胞质溶胶中隔离 Ca2+。Ca2+ 从ER释放到胞质，及其随后的再摄取，发生在对细胞外信号的许多快速反应中，如第 15 章所述。Ca2+ 泵将 Ca2+ 从细胞溶胶输送到 ER 管腔。ER 中高浓度的 Ca2 + 结合蛋白有助于 Ca2 + 的储存。在某些细胞类型中，ER 的特定区域专门用于 Ca2+ 储存。肌肉细胞具有丰富的、经过修饰的平滑 ER，称为肌浆网。肌浆网对 Ca2+ 的释放和再摄取在每一轮肌肉收缩期间分别触发肌原纤维收缩和松弛（在第 16 章中讨论）。
最后，光滑的 ER 可以特化处用于与其他细胞器密切相关的区域，尤其是线粒体、质体、内体和质膜（图 12-16）。这些细胞器接触位点富含参与并列膜之间关键代谢物通讯或运输的蛋白质。例如，脂质从它们在 ER 中的合成位点到线粒体的转运被认为发生在 ER 线粒体接触位点。ER 与质膜的接触调节质膜磷酸肌醇的水平，质膜磷酸肌醇是参与许多信号通路的脂质（在第 13 章和第 15 章中讨论）。还观察到其他细胞器组合之间的接触，这些很可能也参与脂质和其他代谢物的选择性转移。
为了研究 ER 的功能和生物化学，有必要将其分离。这似乎是一项无望的任务，因为 ER 与细胞质的其他成分错综复杂地交错。幸运的是，当组织或细胞被匀浆破坏时，ER 会分解成片段，这些片段重新密封形成小的（直径为 ∼100-200 nm）封闭囊泡，称为微粒体（图 12-17）。对于生物化学家来说，微粒体代表 ER 的小真实版本，仍然能够进行蛋白质易位、蛋白质糖基化（稍后讨论）、Ca2+ 摄取和释放以及脂质合成。粗糙的微粒体，来源于粗糙的 ER，在其外表面包含核糖体，并包围了 ER 管腔的一小部分。缺乏核糖体的光滑微粒体来源于光滑 ER、质膜、高尔基体、内体和线粒体的囊泡化片段。附着在粗糙微粒体上的核糖体使它们比光滑的微粒体更致密。因此，科学家们使用平衡密度离心来分离粗糙和光滑的微粒（图 12-17）。来自不同细胞器的光滑微粒体可以依据内含蛋白的不同进一步分离。
信号序列首先在输入粗糙ER的蛋白质中发现
ER 在合成时从胞质溶胶中捕获选定的蛋白质。T 蛋白有两种类型：跨膜蛋白，嵌入 ER 膜中，和水溶性蛋白，它们完全穿过 ER 膜转位到 ER 腔。其中一些蛋白质在 ER 中起作用，但许多蛋白质注定要驻留在另一个细胞器中，驻留在质膜中，或分泌到细胞外。所有这些蛋白质，无论其随后的命运如何，最初都通过 ER 信号序列定向到 ER 膜。
信号序列（以及蛋白质分选的信号序列策略）是在分泌的水溶性蛋白质中发现的，这些蛋白质首先跨 ER 膜易位。在关键实验中，将编码分泌蛋白的 mRNA 添加到从细胞中提取的胞质溶胶中。在这种无细胞反应中，胞质溶胶中的核糖体将 mRNA 翻译成比正常分泌蛋白略大的蛋白质（图 12-18）。当在来自粗 ER 的微粒体存在下重复反应时，产生正确大小的蛋白质并位于微粒体内部（图 12-18）。相比之下，编码胞质蛋白的 mRNA 产生正确大小的产物，无论是否存在粗糙的微粒体。信号假说被提出来解释这些观察结果。根据这个模型，分泌蛋白的 mRNA 编码的蛋白质最终比分泌的蛋白质大。有人提出，额外的多肽是将分泌的蛋白质引导到 ER 膜的信号序列。信号序列发挥其功能后，在多肽链完成之前，它被 ER 膜中的信号肽酶切割掉。
这些实验强调了如何通过将必要的细胞成分（如 mRNA、胞质溶胶和微粒体）混合在一起，在无细胞系统中重构复杂的细胞过程（如 ER 输入）。通过以不同的方式组合组成部分，早在可以直接对其 mRNA 进行测序之前，就推断出分泌蛋白上信号序列的存在。事实证明，这种无细胞系统易于操作对于识别、纯化和研究负责 ER 输入的分子机制的各种成分是必不可少的。后来建立了类似的系统来解剖蛋白质进出细胞核的运输、蛋白质输入线粒体和叶绿体以及囊泡运输。
信号识别粒子SRP将 ER 信号序列引导至 ER处的特定受体
ER 信号序列由至少两个成分引导至 ER 膜：与信号序列结合的信号识别粒子 （SRP） 和 ER 膜中的 SRP 受体。SRP 是一个大型综合体;在动物细胞中，它由与单个 RNA 分子结合的六条不同的多肽链组成（图 12-19A）。这个蛋白质靶向机制出现在进化的早期并且一直被保守。
ER 信号序列的氨基酸序列差异很大，但每个序列的中心都有 8 个或更多非极性氨基酸（参见图 12-13）。SRP 如何特异性结合这么多不同的序列？答案来自一种 SRP 蛋白的结构，它表明信号序列结合位点是一个富含蛋氨酸的大疏水口袋（图 12-19B）。由于蛋氨酸具有未支链的柔性侧链，因此该口袋具有足够的可塑性，可以容纳各种大小和形状的不同疏水信号序列。
在真核细胞中，SRP 是一种铰链棒状结构，可以包裹在大核糖体亚基上（图 12-19C）。SRP包含信号肽结合口袋的末端位于核糖体隧道附近，新制造的多肽通过该隧道出现。这使得 SRP 能够在信号序列从核糖体中出现时参与信号序列。一旦 SRP 与信号序列结合，SRP 的另一端就可以在大核糖体亚基和小核糖体亚基之间的界面处结合（图 12-19D）。这是翻译延伸因子结合的同一位点，因此 SRP 参与的核糖体翻译蛋白质的速度会比正常情况慢。较慢的翻译可能使核糖体有足够的时间在多肽完成之前与 ER 膜结合，从而确保蛋白质不会释放到胞质溶胶中。这种安全装置对于分泌型和溶酶体水解酶可能特别重要，它们可能会对胞质溶胶造成严重破坏;然而，分泌大量水解酶的细胞需要额外的预防措施，即其胞质溶胶中含有高浓度的水解酶抑制剂。
当信号序列结合时，SRP 暴露了 SRP 接收的结合位点（参见图 12–19D），该受体是粗面 ER 膜中的跨膜蛋白复合物。SRP 与其受体的结合使 SRP-核糖体复合体到 ER 膜中未占据的蛋白质易位子protein translocator 。在核糖体隧道附近结合的 SRP 部分移动到不同的部位，允许易位子占据这个位置。然后释放 SRP 和 SRP 受体，蛋白质合成全速恢复。现在与翻译核糖体紧密结合的转运体将生长的多肽链转移过膜（图 12-20）
这个共翻译转移过程产生了两个空间上独立的核糖体种群。附着在 ER 膜胞质侧的膜结合核糖体参与当前跨 ER 膜易位的蛋白质的合成。未附着在任何膜上的游离核糖体合成由核基因组编码的所有其他蛋白质。膜结合核糖体和游离核糖体在结构和功能上相同。T hey 的区别仅在于它们在任何给定时间制造的蛋白质。由于许多核糖体可以与单个 mRNA 分子结合，因此通常会形成多核糖体。如果 mRNA 编码具有 ER 信号序列的蛋白质，则多核糖体会附着在 ER 膜上，由多个生长的多肽链上的信号序列引导。与这种 mRNA 分子相关的单个核糖体在完成翻译并与游离核糖体库混合时可以返回胞质溶胶。然而，mRNA 本身仍然通过