內質網

內質網是由一層單位膜所形成的囊狀、泡狀和管狀結構，並形成一個連續的網膜系統。由於它靠近細胞質的內側，故稱為內質網。 ^[2] 

內質網標誌酶是葡萄糖-6-磷酸酶。 ^[2] 

內質網由KR．Porter等於1945年發現，他們在觀察培養的小鼠成纖維細胞時，發現細胞質內部具有網狀結構，建議叫做內質網(endoplasmic reticulum，ER)，後來發現內質網不僅僅存在於細胞的“內質”部，通常還有質膜和核膜相連，與高爾基體關係密切，且常伴有許多線粒體。

內質網(ER)是細胞質內由膜組成的一系列片狀的囊腔和管狀的腔，彼此相通形成一個隔離於細胞基質的管道系統，為細胞中的重要細胞器。實際上是一個連續的膜囊和膜管網，可分為粗麪內質網(rough endoplasmic reticulum，RER)和滑面內質網(smooth endoplasmic reticulum，SER)兩大部分(粗麪內質網也稱為糙面內質網或顆粒型內質網，滑面內質網也稱為光面內質網或非顆粒型內質網)。

內質網聯繫了細胞核和細胞質、細胞膜這幾大細胞結構，使之成為通過膜連接的整體。內質網負責物質從細胞核到細胞質，細胞膜以及細胞外的轉運過程。 ^[3] 

依據內質網膜外表面是否有核糖體附着，通常將內質網分為粗麪內質網(rough endoplasmic reticulum，RER)和滑面內質網(smooth endoplasmic reticulum，SER)兩種基本類型。 ^[5] 

主要形態特徵為網膜胞質面有核糖體顆粒附着，並由此得名。粗麪內質網在形態上多為排列整齊的扁囊，在功能上，主要與外輸性蛋白質及多種膜蛋白的合成、加工及轉運有關。因此，在具有分泌肽類激素或蛋白質功能的細胞中，粗麪內質網發達，如胰腺細胞、漿細胞等。在未分化或低分化的細胞中相對不發達，如胚胎細胞、腫瘤細胞等。 ^[5] 

電鏡下呈光滑的小管、小泡樣網狀結構，常與粗麪內質網相通。滑面內質網是一種多功能的細胞器。在不同細胞、同一細胞的不同發育階段或不同生理時期，其形態結構、數量、細胞內空間分佈及發達程度差異較大，而且常表現出不同的功能特性。如睾丸間質細胞、卵巢黃體細胞及腎上腺皮質細胞中有大量的滑面內質網，是與其合成類固醇激素的功能有關；肝細胞中豐富的滑面內質網與其減毒功能有關；在平滑肌和橫紋肌中的滑面內質網特化為肌質網，通過儲存及釋放Ca2+調節肌肉收縮。

兩種類型的內質網在不同組織類型的細胞中分佈狀況不同。有的細胞只有粗麪內質網，如胰腺細胞；有的只有滑面內質網，如肌細胞；還有些細胞中二者以不同比例共存，而且隨着細胞的不同發育階段或生理功能狀態的變化發生類型轉換。

內質網除上述兩種基本類型外，在某些特殊組織細胞中存在一些由內質網局部特化、衍生而來的異型結構。如視網膜色素上皮細胞中的髓樣體（myeloid body），在生殖細胞、快速增殖細胞、某些哺乳類動物神經元和松果體細胞，以及一些癌細胞中出現的孔環狀片層體（annulate lamellae）等。 ^[5] 

內質網膜約佔細胞總膜面積的50%，是真核細胞中最多的膜。內質網是內膜構成的封閉的網狀管道系統，具有高度的多型性。粗麪內質網(RER)呈扁平囊狀，排列整齊，膜圍成的空間稱為ER腔，膜外有核糖體附着。SER呈分支管狀或小泡狀，無核糖體附着。肌肉細胞中的內質網是一種特化的滑面內質網(SER)，稱為肌質網，可貯存Ca2+，引起肌肉收縮。細胞不含純粹的RER或SER，它們分別是ER連續結構的一部分。 ^[3] 

ER膜中磷脂佔50%～60%，蛋白質約佔20%，脂類主要成分為磷脂，磷脂酰膽鹼含量較高，鞘磷脂含量較少，沒有或很少含膽固醇。ER約有30多種膜結合蛋白，另有30多種位於內質網腔，這些蛋白的分佈具有異質性，如葡萄糖-6-磷酸酶，普遍存在於內質網，被認為是標誌酶，核糖體結合糖蛋白(ribophorin)只分布在RER，p450酶系只分布在SER。 ^[3] 

內質網是細胞質的膜系統,外與細胞膜相連,內與核膜的外膜相通,將細胞內的各種結構有機地聯結成一個整體,有效地增加細胞內的膜面積,具有承擔細胞內物質運輸的作用。

ER主要功能是合成蛋白質和脂類，分泌性蛋白和跨膜蛋白都是在ER中合成的。ER合成的脂類除滿足自身需要外，還提供給高爾基體、溶酶體、內體、質膜、線粒體、葉綠體等膜性細胞結構。滑面內質網上沒有核糖體附着，所佔比例較少，但功能較複雜，它與脂類、糖類代謝有關,參與糖原和脂類的合成、固醇類激素的合成以及具有分泌等功能。在胃組織的某些細胞的滑面內質網上曾發現有CI的積累，這説明它與HCl的分泌有關。在小腸上皮細胞中，可以觀察到它與運輸脂肪有關。在心肌細胞和骨骼肌細胞內的滑面內質網與傳導興奮的作用有關，在平滑肌細胞內，與Ca2的攝取和釋放有關。粗麪內質網上附着有核糖體，其排列也較滑面內質網規則，功能是合成蛋白質大分子，並把它從細胞輸送出去或在細胞內轉運到其他部位。蛋白質合成旺盛的細胞，粗麪內質網發達。在神經細胞中，粗麪內質網的發達與記憶有關。光滑型內質網的功能與糖類和脂類的合成、解毒、同化作用有關，具有運輸蛋白質的功能。這兩種內質網的比例與細胞的功能有着密切的聯繫，如胰腺細胞中粗麪型內質網特別發達，這與胰腺細胞合成和分泌大量的胰消化酶蛋白有關，在睾丸和卵巢中分泌性激素的細胞中，則滑面型內質網特別發達，這與合成和分泌性激素有關。細胞質中內質網的發達程度與其生命活動的旺盛程度呈正相關。

電鏡下，內質網是由單位膜構成的扁囊(池)和小管，並互相通連。粗麪內質網由扁囊和附着在其外表面的核糖體構成，表面粗糙，細胞核周圍的粗麪內質網可與核膜外層通連。主要功能是合成分泌蛋白質。滑面內質網表面光滑無核糖體附着，主要參與類固醇、脂類的合成與運輸，糖代謝及激素的滅活等。 ^[3] 

蛋白質都是在核糖體上合成的，並且起始於細胞質基質，但是有些蛋白質在合成開始不久後便轉在內質網上合成，這些蛋白質主要有：

①向細胞外分泌的蛋白、如抗體、激素；

②跨膜蛋白，並且決定膜蛋白在膜中的排列方式；

③需要與其它細胞器組合嚴格分開的酶，如溶酶體的各種水解酶；

④需要進行修飾的蛋白，如糖蛋白。

C. Milstein（1972）發現從骨髓瘤細胞提取的免疫球蛋白分子N端要比分泌到細胞外的N端多出一段。G. Blobel和D. Sabatini等根據進一步的實驗，提出了信號假説（Signal hypothesis），認為蛋白質上的信號肽，指導蛋白質轉至內質網上合成。Blobel因此項發現獲1999年諾貝爾生理醫學獎。

①信號肽（signal peptide），是引導新合成肽鏈轉移到內質網上的一段多肽，位於新合成肽鏈的N端，一般16~30個氨基酸殘基，含有6-15個帶正電荷的非極性氨基酸，由於信號肽又是引導肽鏈進入內質網腔的一段序列，又稱開始轉移序列（start transfer sequence）。

②信號識別顆粒（signal recognition particle，SRP），由6種結構不同的多肽組成，結合一個7S RNA，分子量325KD，屬於一種核糖核蛋白(ribonucleoprotein)。SRP與信號序列結合，導致蛋白質合成暫停。

③ SRP受體（SPR receptor），是膜的整合蛋白，為異二聚體蛋白，存在於內質網上，可與SRP特異結合。

④停止轉移序列（stop transfer sequence），肽鏈上的一段特殊序列，與內質網膜的親合力很高，能阻止肽鏈繼續進入內質網腔，使其成為跨膜蛋白質。

⑤轉位因子（translocator），由3-4個Sec61蛋白複合體構成的一個類似炸面圈的結構，每個Sec61蛋白由三條肽鏈組成。

蛋白質轉入內質網合成的過程：

信號肽與SRP結合→肽鏈延伸終止→SRP與受體結合→SRP脱離信號肽→肽鏈在內質網上繼續合成，同時信號肽引導新生肽鏈進入內質網腔→信號肽切除→肽鏈延伸至終止→翻譯體系解散。這種肽鏈邊合成邊向內質網腔轉移的方式，稱為cotranslation。

Preproalbumin

Met-Lys-Trp-Val-Thr-Phe-Leu-Leu-Leu-Leu-Phe-Ile-Ser- Gly-Ser-Ala-Phe-Ser↓Arg．．．

Pre-IgG light chain

Met-Asp-Met-Arg-Ala-Pro-Ala-Gln-Ile-Phe-Gly-Phe-Leu- Leu-Leu-Leu-Phe-Pro-Gly- Thr-Arg-Cys↓Asp．．．

Prelysozyme

Met-Arg-Ser-Leu-Leu-Ile-Leu-Val-Leu-Cys-Phe-Leu- Pro-Leu-Ala-Ala-Leu-Gly↓Lys．．．

包括糖基化、羥基化、酰基化、二硫鍵形成等，其中最主要的是糖基化，幾乎所有內質網上合成的蛋白質最終被糖基化。

糖基化的作用是： ①使蛋白質能夠抵抗消化酶的作用；②賦予蛋白質傳導信號的功能；③某些蛋白只有在糖基化之後才能正確摺疊。

糖基一般連接在4種氨基酸上，分為2種：

O-連接的糖基化（O-linked glycosylation）：與Ser、Thr和Hyp的OH連接，連接的糖為半乳糖或N-乙酰半乳糖胺，在高爾基體上進行O-連接的糖基化。

N-連接的糖基化（N-linked glycosylation）：與天冬醯胺殘基的NH2連接，糖為N-乙酰葡糖胺。

內質網上進行的為N-連接的糖基化。糖的供體為核苷糖(nucleotide sugar)，如CMP-唾液酸、GDP-甘露糖、UDP-N-乙酰葡糖胺等。糖分子首先被糖基轉移酶轉移到膜上的磷酸長醇（dolichol phosphate）分子上，裝配成寡糖鏈。再被寡糖轉移酶轉到新合成肽鏈特定序列（Asn-X-Ser或Asn-X-Thr）的天冬醯胺殘基上。

COP Ⅱ介導由內質網輸出的膜泡運輸，這種膜泡由內質網的排出位點（exit sites）以出芽的方式排出，內質網的排出位點沒有結合核糖體，隨機分佈在內質網上。不同的蛋白質在內質網腔中停留的時間不同，主要取決於蛋白質完成正確摺疊和組裝的時間，這一過程是在屬於hsp70家族的ATP酶的作用下完成的，需要消耗能量。有些無法完成正確摺疊的蛋白質被輸出內質網，轉入溶酶體中降解掉，大約90%的新合成的T細胞受體亞單位和乙酰膽鹼受體都被降解掉，而從未到達靶細胞膜。 ^[3] 

1.合成膜脂

大多數膜脂是完全在內質網中合成的，例外的情況包括：

①鞘磷脂是在內質網上開始合成的，但完成於高爾基體；

②某些線粒體和葉綠體獨有的膜脂是駐留在這些細胞器中的酶催化合成的。ER合成的膜脂以膜泡運輸的方式轉運至高爾基體，溶酶體和質膜上，或借磷脂轉移蛋白（phospholipid transfer protein，PTP）形成水溶性複合物，轉至其他膜上。

2.解毒作用

SER中的p450酶系屬於單加氧酶（monooxygenase），又稱為多功能氧化酶 (mixed function oxidase)、羥化酶(hydroxylase)，因其還原態的吸收峯在450nm處，故此命名。主要分佈在SER中，但也存在於質膜、線粒體、高爾基體、過氧化物酶體、核膜等細胞器的膜中，具有解毒作用，通常可將脂溶性有毒物質，代謝為水溶性物質，使有毒物質排出體外。有時也會將致癌物代謝為活性致癌物。p450種類繁多，但都是與其他輔助成分組成一個呼吸鏈來實現其功能，呼吸鏈中的P450還原酶實際就是一種黃素蛋白。p450催化O2分子中的一個原子加到底物分子上使之羥化，另一個氧原子被NADH或NADPH提供的氫還原生成水，在此氧化過程中無高能磷酸化合物生成。

3.甾體類激素的合成

在生殖腺和腎上腺的內分泌細胞中，SER、線粒體，可能還有高爾基體上的一些酶共同參與甾體類激素的合成。

4.調節血糖濃度

使葡糖6-磷酸水解為磷酸和葡萄糖，釋放糖至血液中。細胞中的糖元可被酶轉化為葡糖1-磷酸，再轉變為葡糖6-磷酸，但由於膜對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後才能通過質膜，進入血液。

5.形成一些特殊結構

如肌細胞中的SER特化成的肌質網可儲存鈣離子，作為細胞內信號物質。

6.支撐作用

內質網是細胞內最豐富的膜，形成了一種網絡結構，提供機械支撐作用，併成為細胞質中酶附着的支架。

7.轉送作用

內質網可通過出芽來運送合成物，其中光面內質網尤為突出。 ^[3] 

細胞質的改變：滑面內質網和粗麪內質網

1、滑面內質網增生滑面內質網與產生固醇物質，解毒、激素滅活等功能有關，如解毒作用增強，肝細胞內滑面內質網增多，腎上腺皮質瘤內滑面內質網也多。

2、肌漿網水腫 肌漿網亦屬滑面內質網，與肌肉收縮及鈣離子釋放回收有關。肌細胞缺氧，中毒時，肌漿網可出現水腫。

1、粗麪內質網擴張、囊泡化 正常粗麪內質網系由膜形成扁池，腔很窄，在細胞水腫時，液體入腔內使之擴張，並形成小泡，在肝炎時肝細胞氣球樣變中也可見到。

2、粗麪內質網脱粒 粗麪內質網扁池膜旁有核糖體依附，在粗麪內質網腫脹同時膜表面核糖體脱落。也有的粗麪內質網膜表面核糖體脱落，但扁池不擴張。

3、粗麪內質網板層 在內分泌細胞及胚胎肝細胞內出現短而緊密排列粗麪內質網，在內分泌腫瘤及肝癌中也可見到。

4、同心圓膜性小體 有三種：第一種粗麪內質網呈同心圓板層排列；第二種是滑面膜雙層呈同心圓排列；第三種是在滑面間夾有糖原。

5、粗麪內質網池內隔離 粗麪內質網扁池擴張，帶有核糖體的膜突入擴張的池內，切面如像島狀膜性小管小泡遊離在池內。

6、粗麪內質網對合池 平行兩片粗麪內質網緊密靠攏，內側面核糖體消失。也可有三片或多片，稱三合池或多合池。 ^[6] 

內質網的應激反應，即在某些情況下，鈣穩態失衡，出現錯誤蛋白質或未摺疊蛋白質過度堆積、固醇和脂質等水平失調而啓動的應激機制，從而影響特定基因表達。如果內質網功能持續紊亂，那麼細胞就會最終啓動凋亡程序。ER的應激反應簡稱ERS，大體可以分為未摺疊蛋白應答反應（UPR）、內質網超負荷反應（EOR）、膽固醇調節級聯反應（SREBP）三種。

未摺疊蛋白應答反應（UPR） ^[7] 

哺乳動物細胞內有3種ER跨膜蛋白，它們分別是需要肌醇酶1（IRE1）、PKR類似的內質網激酶（PEKR）、活性轉錄因子6（ATF6），它們在URP途徑中共同協作完成反應過程。它們在正常條件下均與調控蛋白Bip/GRP78（以下以Bip舉例）形成穩定複合物，在內質網蛋白質異常過度堆積後，它們與Bip解離，引發3條不同的途徑執行UPR。

第一條途徑最先發現於酵母菌當中，IRE1為跨膜蛋白，膜外與Bip結合，膜內含有可以切割Hac1mRNA的部位（RNA內切酶活性）。過度蛋白質堆積的時候，Bip與IRE1分離與堆積的蛋白質結合，同時IRE1趨向於二聚體（二聚化）並交叉磷酸化，即兩個單體各帶有一個Pi分子。接着IRE1將Hac1mRNA的內含子切下，留下並連接外顯子，外顯子連接組成新的mRNA，進一步翻譯形成轉錄因子Hac1，該因子進入核內激活編碼ER分子伴侶的基因，新合成的ER分子伴侶協助蛋白質摺疊，緩解危機。

第二條途徑是PERK和IRE1類似地進行二聚化和交叉磷酸化，Bip與其解離。同時PERK使得翻譯起始因子eIF2α發生磷酸化，使得後者不能完成GTP和GDP之間的交換作用，暫緩蛋白質的合成，對應激反應起到幫助作用。另外有研究表明此行為還會激活JNK，P38信號途徑，通過轉錄因子如ATF4誘導相關基因上調。

第三條途徑通過內質網跨膜蛋白ATF6完成的，它原本與 內質網膜共價結合，應激反應時先轉入高爾基體，被S1P和S2P蛋白酶裂解激活，激活後的ATF6進入細胞核內，激活編碼Bip/GRP78和XBP-1等基因，產生相應的mRNA進而進行調控。 ^[6] 

細胞除了用UPR應對錯誤蛋白過度堆積於內質網，還會啓動其他機制來應對緊急情況，比如激活細胞核因子NF-kB來引發EOR反應，最終產生對前炎性細胞因子，進而激活細胞存活、凋亡、細胞炎症反應和細胞分化等相關信號途徑。

該反應主要涉及三種蛋白：固醇調控元件結合蛋白（SREBP）、insig-1(2)和SCAP。當膽固醇水平過高時，insig-1(2)和SCAP-SREBP複合物結合，將後者錨定在內質網膜上，抑制膽固醇的合成。當膽固醇水平降低時，SCAP-SREBP複合物被釋放到高爾基體上，SREBP在兩個位點被S1P和S2P蛋白酶切割，從而使SREBP的N端結構域bHLH得以釋放，釋放後的它稱作核-SREBP，成為活性因子，進入核內調控靶基因。 ^[6] 

在應激反應依然無法調節，持續的不平衡狀態出現後，細胞會啓動凋亡程序。一般認為細胞凋亡程序是和鈣穩態失調引起的，而內質網的另一重要功能是儲存鈣離子。在ERS反應的某些信號刺激下，內質網膜上IP3R通道開放，致使大量鈣離子外流，高水平的鈣離子與需鈣蛋白酶結合導致calpain酶原大小亞基水解而被活化，活化的calpain可以裂解多種蛋白質底物，比如裂解vinculin而破壞細胞骨架穩定性，使細胞凋亡，還可以剪切Bcl-xL使其由抗凋亡變為促凋亡。活化的calpain還可以轉移至內質網，在幾個切割位點切割caspase-12酶原，使其活化，作為細胞凋亡的重要水解酶而發揮作用。 ^[6]