Эндоплазматическая сеть - Endoplasmic reticulum

Клеточная биология
Схема клеток животных
Animal Cell.svg
Микрофотография грубой сети эндоплазматического ретикулума вокруг ядра (показана в правом нижнем углу рисунка). Темные кружочки в сети - митохондрии .

Эндоплазматический ретикулум ( ЭР ) является, по существу, транспортной системой эукариотической клетки, и имеет много других важных функций , такие как сворачивания белка. Это тип органелл, состоящий из двух субъединиц - шероховатой эндоплазматической сети ( RER ) и гладкой эндоплазматической сети ( SER ). Эндоплазматический ретикулум встречается в большинстве эукариотических клеток и образует взаимосвязанную сеть уплощенных, окруженных мембранами мешочков, известных как цистерны (в RER) и трубчатых структур в SER. Мембраны ER непрерывны с внешней ядерной мембраной . Эндоплазматический ретикулум не обнаруживается ни в эритроцитах , ни в сперматозоидах .

Эти два типа ER имеют много одинаковых белков и участвуют в определенных общих действиях, таких как синтез определенных липидов и холестерина . Различные типы клеток содержат разные соотношения двух типов ER в зависимости от активности клетки.

Наружная ( цитозольная ) поверхность грубого эндоплазматического ретикулума усеяна рибосомами, которые являются участками синтеза белка . Грубый эндоплазматический ретикулум особенно заметен в таких клетках, как гепатоциты . В гладком эндоплазматическом ретикулуме отсутствуют рибосомы и функции синтеза липидов, но не метаболизма , производства стероидных гормонов и детоксикации . Гладкая эндоплазматическая сеть особенно распространена в клетках печени и гонад млекопитающих .

ER наблюдался с помощью светового микроскопа Гарнье в 1897 году, который ввел термин эргастоплазма . С помощью электронной микроскопии кружевные мембраны эндоплазматической сети были впервые замечены в 1945 году Кейт Р. Портер , Альберт Клод и Эрнест Ф. Фуллам. Позже слово reticulum , что означает «сеть», было использовано Портером в 1953 году для описания этой мембранной ткани.

Состав

1  Ядро 2 ядерных пор 3  шероховатой эндоплазматической сети (RER) 4  Гладкий эндоплазматический ретикулум (СЕР) 5 рибосом на шероховатой ER 6 белков , которые транспортируются 7  Транспорт везикулы 8 Гольджи 9  Cis поверхности аппарата Гольджи 10  Транс поверхности аппарата Гольджи 11  Цистерны аппарата Гольджи                                 
3D-рендеринг эндоплазматической сети

Общая структура эндоплазматической сети представляет собой сеть мембран, называемых цистернами . Эти похожие на мешочки структуры удерживаются вместе цитоскелетом . Фосфолипид мембрана окружает полостное пространство (или полость), которая является непрерывной с перинуклеарным пространством , но отдельно от цитозола . Функции эндоплазматического ретикулума можно резюмировать как синтез и экспорт белков и мембранных липидов, но они варьируются в зависимости от ER и типа клеток и функций клеток. Количество как грубого, так и гладкого эндоплазматического ретикулума в клетке может медленно меняться от одного типа к другому, в зависимости от меняющейся метаболической активности клетки. Трансформация может включать в себя внедрение новых белков в мембрану, а также структурные изменения. Изменения содержания белка могут происходить без заметных структурных изменений.

Шероховатой эндоплазматической сети

Двухминутная анимация, показывающая, как белок, предназначенный для секреторного пути , синтезируется в грубую эндоплазматическую сеть, которая появляется вверху справа примерно в середине анимации.

Поверхность шероховатой эндоплазматической сети (часто сокращенно RER или грубая ER ; также называемая гранулярной эндоплазматической сетью ) усеяна рибосомами, производящими белок, что придает ей «грубый» вид (отсюда и название). Сайт связывания рибосомы на шероховатом эндоплазматическом ретикулуме - это транслокон . Однако рибосомы не являются стабильной частью структуры этой органеллы, поскольку они постоянно связываются и высвобождаются из мембраны. Рибосома связывается с RER только после того, как в цитозоле образуется специфический комплекс белок-нуклеиновая кислота. Это специальные сложные формы , когда свободная рибосома начинает переводить на мРНК белка , предназначенный для секреторного пути . Первые 5–30 полимеризованных аминокислот кодируют сигнальный пептид , молекулярное сообщение, которое распознается и связывается частицей распознавания сигнала (SRP). Паузы перевода и рибосома комплекса связывается с RER транслоконом , где перевод продолжается с зарождающимися (новыми) белками , образуя в просвет RER и / или мембрану. Белок обрабатывается в просвете ER ферментом (сигнальной пептидазой ), который удаляет сигнальный пептид. На этом этапе рибосомы могут быть выпущены обратно в цитозоль; однако известно, что нетранслирующие рибосомы остаются связанными с транслоконами.

Мембрана грубого эндоплазматического ретикулума образует большие двухмембранные листы, которые расположены рядом с внешним слоем ядерной оболочки и продолжаются с ним . Листы с двойной мембраной уложены друг на друга и соединены несколькими правосторонними или левосторонними спиральными пандусами, «пандусами Терасаки», в результате чего образуется структура, напоминающая многоэтажную автостоянку . Хотя между эндоплазматическим ретикулумом и аппаратом Гольджи нет непрерывной мембраны , связанные с мембраной транспортные везикулы перемещают белки между этими двумя компартментами. Везикулы окружены белками оболочки, называемыми COPI и COPII. COPII нацеливает пузырьки на аппарат Гольджи, а COPI отмечает их возвращение в грубый эндоплазматический ретикулум. Шероховатая эндоплазматическая сеть работает согласованно с комплексом Гольджи , чтобы предназначаться новые белки в их соответствующих направления. Второй метод транспорта из эндоплазматического ретикулума включает области, называемые участками контакта с мембраной , где мембраны эндоплазматического ретикулума и других органелл плотно прилегают друг к другу, обеспечивая перенос липидов и других небольших молекул.

Грубая эндоплазматическая сеть играет ключевую роль в выполнении нескольких функций:

  • Производство лизосомальных ферментов с добавлением маннозо-6-фосфатного маркера в цис- сеть Гольджи.
  • Производство секретируемых белков, секретируемых либо конститутивно без метки, либо секретируемых регуляторным образом с участием клатрина и парных основных аминокислот в сигнальном пептиде .
  • Интегральные мембранные белки, которые остаются в мембране, когда везикулы выходят и связываются с новыми мембранами. Rab- белки играют ключевую роль в нацеливании на мембрану; Белки SNAP и SNARE являются ключевыми в событии слияния.
  • Начальное гликозилирование по мере сборки продолжается. Это N-сцепление (O-связывание происходит в Golgi).
    • N-связанное гликозилирование: если белок правильно уложен, олигосахарилтрансфераза распознает последовательность AA N X S или N X T (с фосфорилированным остатком S / T) и добавляет основную цепь из 14 сахаров (2- N- ацетилглюкозамин, 9-разветвление). манноза и 3- глюкоза в конце) к азоту боковой цепи Asn.

Гладкая эндоплазматическая сеть

Электронная микрофотография, показывающая гладкий ER (стрелка) в ткани мыши при увеличении 110 510 ×.

В большинстве клеток гладкая эндоплазматическая сеть (сокращенно SER ) недостаточна. Вместо этого есть области, где ER частично гладкий и частично шероховатый, эта область называется переходной ER. Переходная ER получила свое название, потому что она содержит сайты выхода ER. Это области, где транспортные везикулы, содержащие липиды и белки, вырабатываемые в ER, отделяются от ER и начинают двигаться к аппарату Гольджи . Специализированные клетки могут иметь много гладкой эндоплазматической сети, и в этих клетках гладкая ЭПР выполняет множество функций. Он синтезирует липиды , фосфолипиды и стероиды . Клетки, которые секретируют эти продукты, такие как клетки яичек , яичников и сальных желез, имеют большое количество гладкой эндоплазматической сети. Он также осуществляет метаболизм углеводов, детоксикацию продуктов естественного метаболизма, алкоголя и наркотиков, прикрепление рецепторов к белкам клеточной мембраны и метаболизм стероидов . В мышечных клетках он регулирует концентрацию ионов кальция . Гладкая эндоплазматическая сеть встречается в различных типах клеток (как животных, так и растений) и в каждом из них выполняет разные функции. Гладкая эндоплазматическая сеть также содержит фермент глюкозо-6-фосфатазу , который превращает глюкозо-6-фосфат в глюкозу, что является этапом глюконеогенеза . Он связан с ядерной оболочкой и состоит из канальцев, расположенных вблизи периферии клетки. Эти трубки иногда разветвляются, образуя сетчатую сеть. В некоторых клетках есть расширенные области, такие как мешочки грубого эндоплазматического ретикулума. Сеть гладкой эндоплазматической сети позволяет увеличить площадь поверхности для действия или хранения ключевых ферментов и продуктов этих ферментов.

Саркоплазматический ретикулум

Волокно скелетных мышц с саркоплазматической сетью, окрашенной в синий цвет.

Саркоплазматический ретикулум (SR), от греческого σάρξ sarx («плоть»), представляет собой гладкий ER, обнаруженный в мышечных клетках . Единственное структурное различие между этой органеллой и гладкой эндоплазматической сетью - это смесь белков, которые у них есть, оба связаны с их мембранами и дрейфуют в пределах их просветов. Это фундаментальное различие указывает на их функции: эндоплазматический ретикулум синтезирует молекулы, в то время как саркоплазматический ретикулум накапливает ионы кальция и перекачивает их в саркоплазму при стимуляции мышечных волокон. После выхода из саркоплазматического ретикулума ионы кальция взаимодействуют с сократительными белками, которые используют АТФ для сокращения мышечного волокна. Саркоплазматический ретикулум играет важную роль в взаимодействии возбуждения и сокращения .

Функции

Эндоплазматический ретикулум выполняет множество общих функций, включая сворачивание белковых молекул в мешочки, называемые цистернами, и транспортировку синтезированных белков в везикулах к аппарату Гольджи . Грубый эндоплазматический ретикулум также участвует в синтезе белка. Правильная укладка вновь образованных белков стала возможной благодаря нескольким шаперонным белкам эндоплазматического ретикулума , включая протеин-дисульфидизомеразу (PDI), ERp29, член семейства Hsp70 BiP / Grp78 , калнексин , кальретикулин и семейство пептидилпропилизомераз. Только правильно свернутые белки транспортируются из грубого ER в аппарат Гольджи - развернутые белки вызывают ответ развернутого белка как стрессовую реакцию в ER. Нарушения окислительно-восстановительной регуляции, регуляции кальция, депривация глюкозы и вирусная инфекция или чрезмерная экспрессия белков могут привести к стрессовой реакции эндоплазматического ретикулума (стресс ER), состоянию, при котором сворачивание белков замедляется, что приводит к увеличению количества развернутых белков. . Этот стресс становится потенциальной причиной повреждения при гипоксии / ишемии, инсулинорезистентности и других расстройствах.

Транспорт белка

Секреторные белки, в основном гликопротеины , перемещаются через мембрану эндоплазматического ретикулума. Белки, которые транспортируются эндоплазматическим ретикулумом по клетке, помечаются адресной меткой, называемой сигнальной последовательностью . N-конец (один конец) полипептидной цепи (т. Е. Белка) содержит несколько аминокислот, которые работают как адресные метки, которые удаляются, когда полипептид достигает места назначения. Растущие пептиды достигают ER через транслокон , мультипротеиновый комплекс, заключенный в мембрану. Белки, предназначенные для мест за пределами эндоплазматического ретикулума, упаковываются в транспортные пузырьки и перемещаются по цитоскелету к месту назначения. В человеческих фибробластах ER всегда совместно распределяется с микротрубочками, и деполимеризация последних вызывает его коагрегацию с митохондриями, которые также связаны с ER.

Эндоплазматический ретикулум также является частью пути сортировки белков. По сути, это транспортная система эукариотической клетки. Большинство его резидентных белков удерживается внутри него за счет удерживающего мотива . Этот мотив состоит из четырех аминокислот в конце белковой последовательности. Наиболее распространенными удерживающими последовательностями являются KDEL для белков, расположенных в просвете, и KKXX для трансмембранного белка. Однако вариации KDEL и KKXX действительно встречаются, и другие последовательности также могут вызывать удержание эндоплазматического ретикулума. Неизвестно, может ли такое изменение привести к локализации суб-ER. В клетках млекопитающих имеется три рецептора KDEL ( 1 , 2 и 3 ), и они имеют очень высокую степень идентичности последовательностей. Функциональные различия между этими рецепторами еще предстоит установить.

Биоэнергетическая регуляция поставки ER ATP с помощью механизма CaATiER

Са2 + -антагонизированный транспорт в эндоплазматический ретикулум (CaATiER) модель

Эндоплазматический ретикулум не поддерживает механизм регенерации АТФ и, следовательно, требует импорта АТФ из митохондрий. Импортированный АТФ жизненно важен для ЭР для выполнения своих клеточных функций, таких как сворачивание и транспортировка белков.

Транспортер АТФ в ER, SLC35B1 / AXER, был недавно клонирован и охарактеризован, и митохондрии поставляют АТФ в ER посредством транспорта, антагонизированного Ca 2+, в механизм ER ( CaATiER ). Механизм CaATiER демонстрирует чувствительность к цитозольному Ca 2+ в диапазоне от высоких нМ до низких мкМ, причем Ca 2+ -чувствительный элемент еще предстоит идентифицировать и проверить.

Клиническое значение

Нарушения XBP1 приводят к усилению стрессовой реакции эндоплазматического ретикулума и, следовательно, вызывают более высокую восприимчивость к воспалительным процессам, которые могут даже способствовать развитию болезни Альцгеймера . В толстой кишке аномалии XBP1 связаны с воспалительными заболеваниями кишечника, включая болезнь Крона .

Развернутом ответ белок (УПО) представляет собой клеточный ответ стресс , связанные с эндоплазматической сети. UPR активируется в ответ на накопление развернутых или неправильно свернутых белков в просвете эндоплазматического ретикулума. UPR функционирует, чтобы восстановить нормальную функцию клетки, останавливая трансляцию белка , разрушая неправильно свернутые белки и активируя сигнальные пути, которые приводят к увеличению продукции молекулярных шаперонов, участвующих в укладке белков . Устойчивая сверхактивация UPR связана с прионными заболеваниями, а также с некоторыми другими нейродегенеративными заболеваниями, и ингибирование UPR может стать лечением этих заболеваний.

использованная литература

внешние ссылки

Эндоплазматическая сеть