结构生物化学/细胞器/内质网
内质网是真核细胞中一个广泛的膜网络，与外核膜连续，由核糖体附着（粗面）和无核糖体（光面）区域组成。
ER负责制造膜并执行许多其他生物合成功能。
内质网（也称为 ER）由一个广泛的膜系统组成，构成许多真核细胞总膜的 50% 以上，由两个具有不同功能的部分组成：光面内质网和粗面内质网。内质网由一个膜状小管和囊泡系统组成，称为池，这些池由细胞骨架连接在一起。膜将内质网的内部区域与外部区域（细胞质）隔开。内部区域称为腔，也称为池腔。 “内质”一词被定义为“在细胞质内”，而“网状”一词的拉丁语定义是“小网”。内质网膜在整个核膜中是连续的。因此，包膜两层膜之间的区域也与池腔连续。
内质网包含一种称为伴侣蛋白的质量控制机制。这些特殊的蛋白质会附着在新生蛋白质上，帮助它们折叠成其天然构象。伴侣蛋白还会将错误折叠的蛋白质保留在 ER 中，以便将其分解。这些错误折叠的蛋白质通过 ER 相关降解 (ERAD) 过程进行降解。这些伴侣蛋白会受到囊性纤维化等遗传疾病的影响。囊性纤维化是一种遗传疾病，会导致伴侣蛋白及其错误折叠的蛋白质在 ER 中积累。这种疾病会导致粘液阻塞肺部和消化道，最终导致早逝。
在应激条件下，ER 的正常功能会受到损害，导致蛋白质稳态改变，以及相应的错误折叠蛋白质在 ER 腔中积累。这种情况被称为 '内质网压力'。错误折叠和/或未折叠蛋白质的聚集引发了称为 '未折叠蛋白反应' (UPR) 的动态反应过程，它是几种细胞内信号通路组合，其主要目的是减少错误折叠蛋白质的负载，以重新建立蛋白质稳态，并以动态方式适应当前需求。此外，UPR 还会对表达伴侣蛋白、ER 相关降解 (ERAD) 成分和自噬调节因子的基因进行转录诱导，使其转运至细胞质和细胞核。如果参与折叠、质量控制和运输的蛋白质上调不足以平衡 ER 稳态，UPR 将通过细胞凋亡消除受损细胞。
UPR（如上所述）由三个应激传感器激活，这些传感器检测 ER 中错误折叠或未折叠蛋白质的积累。这些传感器是
- 肌醇需求酶 1α (IRE1α)：它是一种 I 型跨膜蛋白，具有 N 端腔区域、胞质激酶和 RNase 结构域。其激活已通过两种不同的提议模型解释。第一个模型解释说，免疫球蛋白结合蛋白 (BiP) 是一种 ER 居住型伴侣蛋白，通过与 IRE1α 结合抑制其寡聚化。然而，错误折叠蛋白质的聚集会导致 BiP 从 IRE1α 上分离，使其能够与未折叠蛋白质相互作用，从而寡聚化。第二个模型确认未折叠蛋白质直接与 IRE1α 的腔域相互作用，诱导其寡聚化。这些机制仍在争论之中，尽管最近的研究数据表明它们都共同参与 IRE1α 的调控。IRE1α 经历的寡聚化过程会导致其激酶区域的跨自磷酸化，这反过来又会启动其 RNase 活性。激活的 IRE1α 启动编码转录因子 X 盒结合蛋白 1 (XBP1) 的 mRNA 的可变剪接，导致更稳定的剪接形式的 XBP1 (XBP1s) 的翻译，这反过来又上调与折叠、ERAD 和质量控制相关的某些 UPR 相关基因。
- 蛋白激酶 RNA 激活 (PKR) 样 ER 激酶 (PERK)：它是一种 I 型跨膜蛋白，既包含胞质激酶域，也包含 N 端腔应激传感域。其激活通过与 IRE1α 相似的机制进行。激活的 PERK 有助于减少 ER 中蛋白质的超负荷合成。
- 激活转录因子 6 (ATF6)：它是一种 II 型跨膜蛋白，在基础条件下与 BiP 相关联。未折叠蛋白质的积累引发了 ATF6 从 BiP 上分离，导致单体 ATF6 转运至高尔基体，最终转运至细胞核，在那里它上调 ER 伴侣蛋白和 ERAD 相关基因的转录。
UPR 传感器的激活之后是一个四个步骤的过程，在这个过程中，细胞首先尝试修复受压的 ER。如果失败，细胞将进入细胞凋亡的路径。
该过程的第一步是尝试减少 ER 上未折叠蛋白质的数量。这是通过激活之前介绍的蛋白激酶 RNA 激活 (PKR) 样 ER 激酶或 PERK 来完成的。PERK 直接减少所有蛋白质合成的量，以试图停止难以折叠的蛋白质的产生。此外，肌醇需求酶 1α (IRE1α) 在此阶段通过启动巨自噬发挥作用，这是一个破坏错误折叠蛋白质以缓解 ER 压力的过程。
**第二步**重点关注提高蛋白质生产质量和恢复内质网稳态。这可以通过两种方法实现，顺序不重要。首先，转录因子XBP1s、ATF6f、ATF4、AXP1s和ATF6f协同作用，通过上调伴侣蛋白活性、蛋白质修饰酶以及内质网和高尔基体的尺寸来提高折叠和降解能力。第二步是ATF4上调改变内质网氧化还原状态的基因，为蛋白质折叠提供更好的环境。这两步都致力于减少错误折叠蛋白质的数量，提高新蛋白质的构建精度，避免产生更多错误折叠和未折叠蛋白质。
**第三步**开始将细胞转变为更容易发生凋亡的状态。这一步有两个主要因素，都受到一种名为C/EBP同源蛋白（CHOP）的影响。CHOP位于AFT4的下游，改变整个细胞的氧化还原状态，使细胞脱离其自然状态，因此难以正常运作。此外，在尝试减缓蛋白质合成后，CHOP会进一步增加细胞的蛋白质合成，给细胞带来更大压力。这两个因素都会使细胞对凋亡变得敏感。
**第四步**是细胞凋亡。当内质网压力导致凋亡时，BCL2蛋白家族发挥作用，将细胞推向凋亡；该家族的所有促凋亡成员都包含BH1、BH2和BH3。特别是BH3会触发BAX和BAK的激活。然后，它们会使细胞线粒体的膜通透化，并释放细胞色素c和凋亡小体。这将细胞带入凋亡阶段。
在讨论内质网压力和人类疾病时，需要认识到，几乎所有表明内质网压力与疾病之间存在关联的数据，要么是相关性数据，要么是基于体外证据。相关性数据存在缺陷，因为不能假设相关性总是意味着因果关系；而体外数据也存在缺陷，因为它是一种孤立的研究，而非对所研究生物体的全面观察。
肿瘤通常会导致其影响的组织缺氧。当这种情况发生时，内质网会启动压力反应以适应新的条件。在正常情况下，内质网压力反应的努力对身体是有益的。然而，这种适应的结果是允许肿瘤细胞复制，从而推动肿瘤生长，而不是在没有内质网压力的情况下发生的死亡。科学家认为，参与这一过程的IRE1α-XBP1途径是一个很有希望的癌症治疗靶点。
当血糖水平过高时，会启动内质网压力反应。这种反应被认为通过IRE1α降解胰岛素mRNA来抑制胰岛素基因表达。这种胰岛素的下调是2型糖尿病的特征。
Sung Hoon Back和Randal J. Kaufman在文章“内质网压力和2型糖尿病”中讨论了，由于某些生活方式的改变，2型糖尿病近年来大幅增加。2型糖尿病“的特点是由于脂肪组织、肌肉和肝脏的胰岛素抵抗以及/或胰腺β细胞的胰岛素分泌受损，导致血糖水平升高”。他们讨论了β细胞如何响应肥胖和胰岛素抵抗而增加，但这不会永远持续下去，通常会开始衰竭。β细胞的丢失可能是由于内质网压力造成的。胰腺β细胞分泌胰岛素，这是一种“降低血糖的激素”。胰岛素原在内质网中合成，然后储存在β细胞中，直到血糖水平升高，然后胰岛素被释放。内质网负责很多事情，需要一定的环境，因此当环境改变时，会发生一些压力反应，试图保持内质网正常运作。主要的压力反应被称为未折叠蛋白反应（UPR）。UPR包括“内质网尺寸的扩大，折叠能力的增强，通过转录和翻译控制减少蛋白质合成，以及增加未折叠或错误折叠蛋白质的清除”。如果这些不起作用，内质网不能恢复稳态，那么通常会激活细胞死亡。人们认为，如果压力严重，且未被UPR解决，内质网就会发出凋亡信号。IRE1α也可以介导细胞死亡途径。内质网压力会增加IRE1α的激活，导致基因剪接增加，从而导致细胞功能障碍和β细胞死亡。
相关性证据表明，在患有阿尔茨海默病、帕金森病、ALS、亨廷顿病和克雅氏病的死者体内存在内质网压力标志物。然而，科学家认识到，内质网反应在神经退行性疾病中的作用将非常难以确定。
对持续的内质网压力和UPR的详细研究对于完全了解某些疾病至关重要，例如癌症、糖尿病、神经退行性疾病（包括阿尔茨海默病、帕金森病和肌萎缩侧索硬化症）和炎症性疾病。这些疾病的共同点是异常的细胞内和/或细胞外蛋白质聚集体和包涵体的积累。因此，通过对UPR压力传感器所遵循的酶促途径进行细致研究，可以为上述疾病开发新的药理学干预措施。
将内质网 (ER) 描述为“粗糙”是因为该细胞器上布满了核糖体。这些位于粗面内质网上的核糖体用于合成注定要插入细胞膜或从细胞中转运出去的蛋白质。ER上的核糖体和细胞质中的核糖体之间的差异主要在于核糖体合成的蛋白质的目的地。对于通过ER核糖体进行的蛋白质合成，蛋白质的合成方式与通过mRNA翻译正常合成蛋白质的方式相同。蛋白质合成后，被称为“翻译后修饰”，它会进入内质网腔，即细胞器的内部隔室。虽然新合成的肽的二级结构（即β折叠和α螺旋）几乎在翻译时就立即形成，但它的三级结构直到进入腔体才会开始形成，在那里它将在伴侣蛋白的帮助下开始折叠成特定的三维构象[1]。正是在粗面内质网腔内，在氨基酸和糖之间形成了N-连接和O-连接的糖苷键，因此这个过程被称为“糖基化”，新形成的蛋白质被称为“糖蛋白”。
内质网通过囊泡来转运蛋白质。囊泡是包裹着蛋白质的膜包被的结构。在囊泡的表面，有一些被称为COPI和COPII的包被蛋白。COPII蛋白使囊泡可以被送往高尔基体，而COPI蛋白使囊泡可以返回粗面内质网。从高尔基体内部，蛋白质再次被包装成囊泡，并被转运到细胞膜。到达膜后，囊泡本身会与膜融合并成为膜的一部分，因为囊泡是由相同的磷脂双层膜组成的。其蛋白质内容物要么停留在膜上（如果它要作为膜蛋白发挥作用），要么被分泌到细胞外[1]。
光面内质网不同于其“粗糙”的对应物，它不包装蛋白质。相反，它在膜的范围内进行各种代谢反应。功能范围从碳水化合物代谢、脂质合成（例如油脂、新的膜磷脂和类固醇）甚至药物解毒。药物解毒通常是通过在药物分子中添加羟基来完成的。这使得它们在水中的溶解度更高，因此更容易从体内排出。光面内质网的另一个重要功能是储存钙离子。这对肌肉收缩至关重要。当肌肉细胞受到神经脉冲的刺激时，钙离子会涌入细胞质，引发肌肉收缩。
在结构上，光面内质网与细胞的核膜不连续。光面内质网参与磷脂的合成。
1. 蛋白质在这个细胞器中被折叠和修饰。
2. 内质网 (ER) 的腔内体积几乎等于细胞外部。这支持了内质网从细胞膜进化而来的观点。
3. 内质网包含一个与胞质溶胶明显不同的环境，在溶质和蛋白质组成方面。这是因为这种环境有利于内质网作为“中转站”的作用；蛋白质在离开细胞之前，会在该细胞器中被包装和修饰。内质网也被用作蛋白质分泌前的检查点，在蛋白质被允许离开细胞之前，检查蛋白质质量和折叠和修饰的准确性。
4. 蛋白质如何在内质网中折叠和修饰：当蛋白质第一次进入内质网时，它会被一个通常位于蛋白质 N 端的信号序列识别。该序列被内质网膜表面上的一个称为信号识别颗粒 (SPR) 的受体识别。然后，该分子被引导到内质网膜中的一个称为 Sec61 易位子的孔中，在那里它被允许穿过进入内质网。蛋白质折叠的一个有趣事实是，当一些蛋白质穿过内质网时，在进入内质网腔之前，它们只是多肽链。蛋白质的折叠实际上有时完全在内质网腔内发生！因此，值得注意的是，当多肽序列进入内质网腔并受到其氨基酸侧链修饰的影响时，这会改变蛋白质的折叠方式。因此，这些修饰会影响折叠，而折叠有时也会影响修饰。对此有一些例外，例如具有大型胞质结构域的跨膜蛋白。这些蛋白质在腔内和细胞的胞质溶胶内折叠。一旦蛋白质完全易位到内质网腔中，它就会完成它所需的折叠和修饰。如果该蛋白质是多亚基复合物的一部分，那么内质网将组装该蛋白质使其成为天然的寡聚结构。内质网腔中酶催化的修饰极大地帮助了蛋白质的成熟，并使其更接近其最终的预期结果。一旦完成，完成的蛋白质就会被放入一个运输囊泡中，该囊泡从内质网芽生并继续其旅程，去往高尔基体或分泌。一些没有被正确修饰的蛋白质可能会因此被靶向降解，并可能离开内质网被胞质溶胶中的酶降解。
5. UPR（上面提到）由三个应激传感器激活，这些传感器检测内质网中错误折叠或未折叠蛋白质的积累。这些传感器是
- 肌醇需求酶 1α (IRE1α)：它是一种 I 型跨膜蛋白，具有 N 端腔区域、胞质激酶和 RNase 结构域。其激活已通过两种不同的提议模型解释。第一个模型解释说，免疫球蛋白结合蛋白 (BiP) 是一种 ER 居住型伴侣蛋白，通过与 IRE1α 结合抑制其寡聚化。然而，错误折叠蛋白质的聚集会导致 BiP 从 IRE1α 上分离，使其能够与未折叠蛋白质相互作用，从而寡聚化。第二个模型确认未折叠蛋白质直接与 IRE1α 的腔域相互作用，诱导其寡聚化。这些机制仍在争论之中，尽管最近的研究数据表明它们都共同参与 IRE1α 的调控。IRE1α 经历的寡聚化过程会导致其激酶区域的跨自磷酸化，这反过来又会启动其 RNase 活性。激活的 IRE1α 启动编码转录因子 X 盒结合蛋白 1 (XBP1) 的 mRNA 的可变剪接，导致更稳定的剪接形式的 XBP1 (XBP1s) 的翻译，这反过来又上调与折叠、ERAD 和质量控制相关的某些 UPR 相关基因。
- 蛋白激酶 RNA 激活 (PKR) 样 ER 激酶 (PERK)：它是一种 I 型跨膜蛋白，既包含胞质激酶域，也包含 N 端腔应激传感域。其激活通过与 IRE1α 相似的机制进行。激活的 PERK 有助于减少 ER 中蛋白质的超负荷合成。
- 激活转录因子 6 (ATF6)：它是一种 II 型跨膜蛋白，在基础条件下与 BiP 相关联。未折叠蛋白质的积累引发了 ATF6 从 BiP 上分离，导致单体 ATF6 转运至高尔基体，最终转运至细胞核，在那里它上调 ER 伴侣蛋白和 ERAD 相关基因的转录。
Braakman, Ineke 和 Neil J. Bulleid。 “哺乳动物内质网中的蛋白质折叠和修饰。” 生物化学年度回顾 80.1（2010）：110301095147058。 印刷。
Woehlbier, U.，Hetz, C. 通过 UPRosome 调节应激反应：生死攸关。生化科学趋势，2011 年 6 月，第 36 卷，第 6 期。
Back, Sung H.，Kaufman, Randal J. “内质网应激和 2 型糖尿病”。安努。雷夫。生物化学。2012. 81:767–93