内质网的“主业”和“副业”是什么？

内质网是真核细胞中非常重要的细胞器，因其网状结构而得名。

我们通常认为内质网的主要功能是“造蛋白”或“制造蛋白”，但这实际上是一种误解。蛋白质的合成是由核糖体完成的，内质网则负责对核糖体合成的蛋白质进行加工。那么，哪些蛋白质需要内质网加工呢？通常是分泌蛋白或膜蛋白。因为这些蛋白大多需要分泌到细胞外或定位到膜上，而细胞外环境和膜上的微环境与细胞质内部不同。因此，它们需要在内质网这个特殊场所进行加工。可以说，内质网的“主业”其实是对这些蛋白质进行加工，就像一个加工厂。

那么，什么样的蛋白质能进入内质网呢？通常，它们带有特定的信号肽，如同被打上“标签”，指引它们进入内质网腔。

在内质网环境中，蛋白质是如何被加工的呢？主要包括两方面：

糖基化修饰： 这是加工的第一步。内质网负责在蛋白质特定的氨基酸残基上添加糖链。这种修饰如同对“产品”进行表面处理，对于蛋白质最终正常功能的发挥至关重要。如果没有正确的糖基化修饰，蛋白质可能无法正常行使其功能。

二硫键形成： 另一个非常重要的加工环节涉及半胱氨酸。半胱氨酸含有巯基（-SH）。内质网通过氧化作用，使两个半胱氨酸残基的巯基形成共价连接，即二硫键（-S-S-）。这一过程极其重要。蛋白质由不同氨基酸通过肽键连接成链状一级结构。如果仅靠肽键，蛋白质通常呈单一的链状结构。而二硫键则能将一级序列上相隔较远、甚至位于不同肽链上的半胱氨酸残基共价连接起来，从而使蛋白质折叠形成更复杂、更高级的三维空间结构。

我们可以胰岛素为例。胰岛素是控制人体血糖的关键激素，其形成过程非常有趣。它在核糖体上合成时是一条单链，随后进入内质网。内质网会为其形成三对二硫键。之后，内质网会切除胰岛素中间的一段肽链，最终剩下由二硫键连接的两条肽链——A链和B链。如果没有这些二硫键的稳固连接，两条链就会分离，导致胰岛素无法正常发挥功能，进而可能引发糖尿病等疾病。

事实上，在极少数人群中，我们发现如果负责形成二硫键的半胱氨酸残基发生突变，个体在出生时就会罹患严重的糖尿病。因此，将内质网比作蛋白质“加工厂”，这确实是它的核心“主业”。

谈及“副业”，首先需要澄清：这并非次要功能，而是内质网同样至关重要的职责。内质网是细胞内储存钙离子（Ca²⁺）的主要场所。钙离子对生命活动不可或缺，例如肌肉收缩、神经信号传导等，都依赖钙离子信号的精确传递。细胞内细胞质的钙离子浓度很低，但内质网腔内的钙离子浓度却非常高，如同一个“蓄水池”，储备了大量钙离子。储存的目的是什么？当细胞需要时，内质网可以迅速释放钙离子（如同“泄洪”），随后又能快速回收，形成高度可控的动态变化过程。这种钙离子浓度的动态波动，能够产生至关重要的信号，指导细胞行为。如果内质网中的钙离子大量流失且无法有效回收，对细胞将是灾难性的，可能导致细胞功能失常甚至凋亡。

你可以称钙离子储存为“副业”，但我认为它同样属于核心职能。由此可见，内质网是一个极其重要且身兼多职的细胞器。

本文为科普中国·创作培育计划扶持作品

作者：中国生物物理学会

审核：阮科 中国科学技术大学 教授

出品：中国科协科普部

监制：中国科学技术出版社有限公司、北京中科星河文化传媒有限公司

来源: 科普中国创作培育计划