結構生物化學/細胞器/內質網
內質網是真核細胞中一個廣泛的膜網路，與外核膜連續，由核糖體附著（粗麵）和無核糖體（光面）區域組成。
ER負責製造膜並執行許多其他生物合成功能。
內質網（也稱為 ER）由一個廣泛的膜系統組成，構成許多真核細胞總膜的 50% 以上，由兩個具有不同功能的部分組成：光面內質網和粗麵內質網。內質網由一個膜狀小管和囊泡系統組成，稱為池，這些池由細胞骨架連線在一起。膜將內質網的內部區域與外部區域（細胞質）隔開。內部區域稱為腔，也稱為池腔。 “內質”一詞被定義為“在細胞質內”，而“網狀”一詞的拉丁語定義是“小網”。內質網膜在整個核膜中是連續的。因此，包膜兩層膜之間的區域也與池腔連續。
內質網包含一種稱為伴侶蛋白的質量控制機制。這些特殊的蛋白質會附著在新生蛋白質上，幫助它們摺疊成其天然構象。伴侶蛋白還會將錯誤摺疊的蛋白質保留在 ER 中，以便將其分解。這些錯誤摺疊的蛋白質透過 ER 相關降解 (ERAD) 過程進行降解。這些伴侶蛋白會受到囊性纖維化等遺傳疾病的影響。囊性纖維化是一種遺傳疾病，會導致伴侶蛋白及其錯誤摺疊的蛋白質在 ER 中積累。這種疾病會導致粘液阻塞肺部和消化道，最終導致早逝。
在應激條件下，ER 的正常功能會受到損害，導致蛋白質穩態改變，以及相應的錯誤摺疊蛋白質在 ER 腔中積累。這種情況被稱為 '內質網壓力'。錯誤摺疊和/或未摺疊蛋白質的聚集引發了稱為 '未摺疊蛋白反應' (UPR) 的動態反應過程，它是幾種細胞內訊號通路組合，其主要目的是減少錯誤摺疊蛋白質的負載，以重新建立蛋白質穩態，並以動態方式適應當前需求。此外，UPR 還會對錶達伴侶蛋白、ER 相關降解 (ERAD) 成分和自噬調節因子的基因進行轉錄誘導，使其轉運至細胞質和細胞核。如果參與摺疊、質量控制和運輸的蛋白質上調不足以平衡 ER 穩態，UPR 將透過細胞凋亡消除受損細胞。
UPR（如上所述）由三個應激感測器啟用，這些感測器檢測 ER 中錯誤摺疊或未摺疊蛋白質的積累。這些感測器是
- 肌醇需求酶 1α (IRE1α)：它是一種 I 型跨膜蛋白，具有 N 端腔區域、胞質激酶和 RNase 結構域。其啟用已透過兩種不同的提議模型解釋。第一個模型解釋說，免疫球蛋白結合蛋白 (BiP) 是一種 ER 居住型伴侶蛋白，透過與 IRE1α 結合抑制其寡聚化。然而，錯誤摺疊蛋白質的聚集會導致 BiP 從 IRE1α 上分離，使其能夠與未摺疊蛋白質相互作用，從而寡聚化。第二個模型確認未摺疊蛋白質直接與 IRE1α 的腔域相互作用，誘導其寡聚化。這些機制仍在爭論之中，儘管最近的研究資料表明它們都共同參與 IRE1α 的調控。IRE1α 經歷的寡聚化過程會導致其激酶區域的跨自磷酸化，這反過來又會啟動其 RNase 活性。啟用的 IRE1α 啟動編碼轉錄因子 X 盒結合蛋白 1 (XBP1) 的 mRNA 的可變剪接，導致更穩定的剪接形式的 XBP1 (XBP1s) 的翻譯，這反過來又上調與摺疊、ERAD 和質量控制相關的某些 UPR 相關基因。
- 蛋白激酶 RNA 啟用 (PKR) 樣 ER 激酶 (PERK)：它是一種 I 型跨膜蛋白，既包含胞質激酶域，也包含 N 端腔應激感測域。其啟用透過與 IRE1α 相似的機制進行。啟用的 PERK 有助於減少 ER 中蛋白質的超負荷合成。
- 啟用轉錄因子 6 (ATF6)：它是一種 II 型跨膜蛋白，在基礎條件下與 BiP 相關聯。未摺疊蛋白質的積累引發了 ATF6 從 BiP 上分離，導致單體 ATF6 轉運至高爾基體，最終轉運至細胞核，在那裡它上調 ER 伴侶蛋白和 ERAD 相關基因的轉錄。
UPR 感測器的啟用之後是一個四個步驟的過程，在這個過程中，細胞首先嚐試修復受壓的 ER。如果失敗，細胞將進入細胞凋亡的路徑。
該過程的第一步是嘗試減少 ER 上未摺疊蛋白質的數量。這是透過啟用之前介紹的蛋白激酶 RNA 啟用 (PKR) 樣 ER 激酶或 PERK 來完成的。PERK 直接減少所有蛋白質合成的量，以試圖停止難以摺疊的蛋白質的產生。此外，肌醇需求酶 1α (IRE1α) 在此階段透過啟動巨自噬發揮作用，這是一個破壞錯誤摺疊蛋白質以緩解 ER 壓力的過程。
**第二步**重點關注提高蛋白質生產質量和恢復內質網穩態。這可以透過兩種方法實現，順序不重要。首先，轉錄因子XBP1s、ATF6f、ATF4、AXP1s和ATF6f協同作用，透過上調伴侶蛋白活性、蛋白質修飾酶以及內質網和高爾基體的尺寸來提高摺疊和降解能力。第二步是ATF4上調改變內質網氧化還原狀態的基因，為蛋白質摺疊提供更好的環境。這兩步都致力於減少錯誤摺疊蛋白質的數量，提高新蛋白質的構建精度，避免產生更多錯誤摺疊和未摺疊蛋白質。
**第三步**開始將細胞轉變為更容易發生凋亡的狀態。這一步有兩個主要因素，都受到一種名為C/EBP同源蛋白（CHOP）的影響。CHOP位於AFT4的下游，改變整個細胞的氧化還原狀態，使細胞脫離其自然狀態，因此難以正常運作。此外，在嘗試減緩蛋白質合成後，CHOP會進一步增加細胞的蛋白質合成，給細胞帶來更大壓力。這兩個因素都會使細胞對凋亡變得敏感。
**第四步**是細胞凋亡。當內質網壓力導致凋亡時，BCL2蛋白家族發揮作用，將細胞推向凋亡；該家族的所有促凋亡成員都包含BH1、BH2和BH3。特別是BH3會觸發BAX和BAK的啟用。然後，它們會使細胞線粒體的膜通透化，並釋放細胞色素c和凋亡小體。這將細胞帶入凋亡階段。
在討論內質網壓力和人類疾病時，需要認識到，幾乎所有表明內質網壓力與疾病之間存在關聯的資料，要麼是相關性資料，要麼是基於體外證據。相關性資料存在缺陷，因為不能假設相關性總是意味著因果關係；而體外資料也存在缺陷，因為它是一種孤立的研究，而非對所研究生物體的全面觀察。
腫瘤通常會導致其影響的組織缺氧。當這種情況發生時，內質網會啟動壓力反應以適應新的條件。在正常情況下，內質網壓力反應的努力對身體是有益的。然而，這種適應的結果是允許腫瘤細胞複製，從而推動腫瘤生長，而不是在沒有內質網壓力的情況下發生的死亡。科學家認為，參與這一過程的IRE1α-XBP1途徑是一個很有希望的癌症治療靶點。
當血糖水平過高時，會啟動內質網壓力反應。這種反應被認為透過IRE1α降解胰島素mRNA來抑制胰島素基因表達。這種胰島素的下調是2型糖尿病的特徵。
Sung Hoon Back和Randal J. Kaufman在文章“內質網壓力和2型糖尿病”中討論了，由於某些生活方式的改變，2型糖尿病近年來大幅增加。2型糖尿病“的特點是由於脂肪組織、肌肉和肝臟的胰島素抵抗以及/或胰腺β細胞的胰島素分泌受損，導致血糖水平升高”。他們討論了β細胞如何響應肥胖和胰島素抵抗而增加，但這不會永遠持續下去，通常會開始衰竭。β細胞的丟失可能是由於內質網壓力造成的。胰腺β細胞分泌胰島素，這是一種“降低血糖的激素”。胰島素原在內質網中合成，然後儲存在β細胞中，直到血糖水平升高，然後胰島素被釋放。內質網負責很多事情，需要一定的環境，因此當環境改變時，會發生一些壓力反應，試圖保持內質網正常運作。主要的壓力反應被稱為未摺疊蛋白反應（UPR）。UPR包括“內質網尺寸的擴大，摺疊能力的增強，透過轉錄和翻譯控制減少蛋白質合成，以及增加未摺疊或錯誤摺疊蛋白質的清除”。如果這些不起作用，內質網不能恢復穩態，那麼通常會啟用細胞死亡。人們認為，如果壓力嚴重，且未被UPR解決，內質網就會發出凋亡訊號。IRE1α也可以介導細胞死亡途徑。內質網壓力會增加IRE1α的啟用，導致基因剪接增加，從而導致細胞功能障礙和β細胞死亡。
相關性證據表明，在患有阿爾茨海默病、帕金森病、ALS、亨廷頓病和克雅氏病的死者體記憶體在內質網壓力標誌物。然而，科學家認識到，內質網反應在神經退行性疾病中的作用將非常難以確定。
對持續的內質網壓力和UPR的詳細研究對於完全瞭解某些疾病至關重要，例如癌症、糖尿病、神經退行性疾病（包括阿爾茨海默病、帕金森病和肌萎縮側索硬化症）和炎症性疾病。這些疾病的共同點是異常的細胞內和/或細胞外蛋白質聚集體和包涵體的積累。因此，透過對UPR壓力感測器所遵循的酶促途徑進行細緻研究，可以為上述疾病開發新的藥理學干預措施。
將內質網 (ER) 描述為“粗糙”是因為該細胞器上佈滿了核糖體。這些位於粗麵內質網上的核糖體用於合成註定要插入細胞膜或從細胞中轉運出去的蛋白質。ER上的核糖體和細胞質中的核糖體之間的差異主要在於核糖體合成的蛋白質的目的地。對於透過ER核糖體進行的蛋白質合成，蛋白質的合成方式與透過mRNA翻譯正常合成蛋白質的方式相同。蛋白質合成後，被稱為“翻譯後修飾”，它會進入內質網腔，即細胞器的內部隔室。雖然新合成的肽的二級結構（即β摺疊和α螺旋）幾乎在翻譯時就立即形成，但它的三級結構直到進入腔體才會開始形成，在那裡它將在伴侶蛋白的幫助下開始摺疊成特定的三維構象[1]。正是在粗麵內質網腔內，在氨基酸和糖之間形成了N-連線和O-連線的糖苷鍵，因此這個過程被稱為“糖基化”，新形成的蛋白質被稱為“糖蛋白”。
內質網透過囊泡來轉運蛋白質。囊泡是包裹著蛋白質的膜包被的結構。在囊泡的表面，有一些被稱為COPI和COPII的包被蛋白。COPII蛋白使囊泡可以被送往高爾基體，而COPI蛋白使囊泡可以返回粗麵內質網。從高爾基體內部，蛋白質再次被包裝成囊泡，並被轉運到細胞膜。到達膜後，囊泡本身會與膜融合併成為膜的一部分，因為囊泡是由相同的磷脂雙層膜組成的。其蛋白質內容物要麼停留在膜上（如果它要作為膜蛋白髮揮作用），要麼被分泌到細胞外[1]。
光面內質網不同於其“粗糙”的對應物，它不包裝蛋白質。相反，它在膜的範圍內進行各種代謝反應。功能範圍從碳水化合物代謝、脂質合成（例如油脂、新的膜磷脂和類固醇）甚至藥物解毒。藥物解毒通常是透過在藥物分子中新增羥基來完成的。這使得它們在水中的溶解度更高，因此更容易從體內排出。光面內質網的另一個重要功能是儲存鈣離子。這對肌肉收縮至關重要。當肌肉細胞受到神經脈衝的刺激時，鈣離子會湧入細胞質，引發肌肉收縮。
在結構上，光面內質網與細胞的核膜不連續。光面內質網參與磷脂的合成。
1. 蛋白質在這個細胞器中被摺疊和修飾。
2. 內質網 (ER) 的腔內體積幾乎等於細胞外部。這支援了內質網從細胞膜進化而來的觀點。
3. 內質網包含一個與胞質溶膠明顯不同的環境，在溶質和蛋白質組成方面。這是因為這種環境有利於內質網作為“中轉站”的作用；蛋白質在離開細胞之前，會在該細胞器中被包裝和修飾。內質網也被用作蛋白質分泌前的檢查點，在蛋白質被允許離開細胞之前，檢查蛋白質質量和摺疊和修飾的準確性。
4. 蛋白質如何在內質網中摺疊和修飾：當蛋白質第一次進入內質網時，它會被一個通常位於蛋白質 N 端的訊號序列識別。該序列被內質網膜表面上的一個稱為訊號識別顆粒 (SPR) 的受體識別。然後，該分子被引導到內質網膜中的一個稱為 Sec61 易位子的孔中，在那裡它被允許穿過進入內質網。蛋白質摺疊的一個有趣事實是，當一些蛋白質穿過內質網時，在進入內質網腔之前，它們只是多肽鏈。蛋白質的摺疊實際上有時完全在內質網腔內發生！因此，值得注意的是，當多肽序列進入內質網腔並受到其氨基酸側鏈修飾的影響時，這會改變蛋白質的摺疊方式。因此，這些修飾會影響摺疊，而摺疊有時也會影響修飾。對此有一些例外，例如具有大型胞質結構域的跨膜蛋白。這些蛋白質在腔內和細胞的胞質溶膠內摺疊。一旦蛋白質完全易位到內質網腔中，它就會完成它所需的摺疊和修飾。如果該蛋白質是多亞基複合物的一部分，那麼內質網將組裝該蛋白質使其成為天然的寡聚結構。內質網腔中酶催化的修飾極大地幫助了蛋白質的成熟，並使其更接近其最終的預期結果。一旦完成，完成的蛋白質就會被放入一個運輸囊泡中，該囊泡從內質網芽生並繼續其旅程，去往高爾基體或分泌。一些沒有被正確修飾的蛋白質可能會因此被靶向降解，並可能離開內質網被胞質溶膠中的酶降解。
5. UPR（上面提到）由三個應激感測器啟用，這些感測器檢測內質網中錯誤摺疊或未摺疊蛋白質的積累。這些感測器是
- 肌醇需求酶 1α (IRE1α)：它是一種 I 型跨膜蛋白，具有 N 端腔區域、胞質激酶和 RNase 結構域。其啟用已透過兩種不同的提議模型解釋。第一個模型解釋說，免疫球蛋白結合蛋白 (BiP) 是一種 ER 居住型伴侶蛋白，透過與 IRE1α 結合抑制其寡聚化。然而，錯誤摺疊蛋白質的聚集會導致 BiP 從 IRE1α 上分離，使其能夠與未摺疊蛋白質相互作用，從而寡聚化。第二個模型確認未摺疊蛋白質直接與 IRE1α 的腔域相互作用，誘導其寡聚化。這些機制仍在爭論之中，儘管最近的研究資料表明它們都共同參與 IRE1α 的調控。IRE1α 經歷的寡聚化過程會導致其激酶區域的跨自磷酸化，這反過來又會啟動其 RNase 活性。啟用的 IRE1α 啟動編碼轉錄因子 X 盒結合蛋白 1 (XBP1) 的 mRNA 的可變剪接，導致更穩定的剪接形式的 XBP1 (XBP1s) 的翻譯，這反過來又上調與摺疊、ERAD 和質量控制相關的某些 UPR 相關基因。
- 蛋白激酶 RNA 啟用 (PKR) 樣 ER 激酶 (PERK)：它是一種 I 型跨膜蛋白，既包含胞質激酶域，也包含 N 端腔應激感測域。其啟用透過與 IRE1α 相似的機制進行。啟用的 PERK 有助於減少 ER 中蛋白質的超負荷合成。
- 啟用轉錄因子 6 (ATF6)：它是一種 II 型跨膜蛋白，在基礎條件下與 BiP 相關聯。未摺疊蛋白質的積累引發了 ATF6 從 BiP 上分離，導致單體 ATF6 轉運至高爾基體，最終轉運至細胞核，在那裡它上調 ER 伴侶蛋白和 ERAD 相關基因的轉錄。
Braakman, Ineke 和 Neil J. Bulleid。 “哺乳動物內質網中的蛋白質摺疊和修飾。” 生物化學年度回顧 80.1（2010）：110301095147058。 印刷。
Woehlbier, U.，Hetz, C. 透過 UPRosome 調節應激反應：生死攸關。生化科學趨勢，2011 年 6 月，第 36 卷，第 6 期。
Back, Sung H.，Kaufman, Randal J. “內質網應激和 2 型糖尿病”。安努。雷夫。生物化學。2012. 81:767–93