Биология клетки | |
---|---|
Диаграмма животной клетки | |
![]() Компоненты типичной животной клетки:
|
Эндоплазматический ретикулум ( ЭР ) является частью транспортной системы эукариотической клетки и имеет много других важных функций, таких как сворачивание белков . Слово эндоплазматический означает «внутри цитоплазмы», а ретикулум в переводе с латыни означает «маленькая сеть». Это тип органеллы, состоящий из двух субъединиц — шероховатого эндоплазматического ретикулума ( ШЭР ) и гладкого эндоплазматического ретикулума ( ГЭР ). Эндоплазматический ретикулум обнаружен в большинстве эукариотических клеток и образует взаимосвязанную сеть уплощенных, заключенных в мембрану мешочков, известных как цистерны (в ШЭР), и трубчатые структуры в ГЭР. Мембраны ЭР являются продолжением внешней ядерной мембраны . Эндоплазматический ретикулум не обнаружен в эритроцитах или сперматозоидах .
Два типа ER разделяют многие из тех же белков и участвуют в некоторых общих видах деятельности, таких как синтез определенных липидов и холестерина . Различные типы клеток содержат различные соотношения двух типов ER в зависимости от видов деятельности клетки. RER находится в основном по направлению к ядру клетки, а SER — по направлению к клеточной мембране или плазматической мембране клетки.
Внешняя ( цитозолевая ) поверхность RER усеяна рибосомами , которые являются местами синтеза белка . RER особенно заметен в таких клетках, как гепатоциты . SER не имеет рибосом и функционирует в синтезе липидов , но не в метаболизме , выработке стероидных гормонов и детоксикации . [1] SER особенно многочислен в клетках печени и гонад млекопитающих .
ЭР был обнаружен с помощью светового микроскопа Гарнье в 1897 году, который ввел термин эргастоплазма . [2] [3] Кружевные мембраны эндоплазматического ретикулума были впервые обнаружены с помощью электронного микроскопа в 1945 году Кейтом Р. Портером , Альбертом Клодом и Эрнестом Ф. Фулламом. [4]
Общая структура эндоплазматического ретикулума представляет собой сеть мембран, называемых цистернами . Эти мешковидные структуры удерживаются вместе цитоскелетом . Фосфолипидная мембрана охватывает цистернальное пространство (или просвет), которое является непрерывным с перинуклеарным пространством , но отделено от цитозоля . Функции эндоплазматического ретикулума можно обобщить как синтез и экспорт белков и мембранных липидов, но они различаются в зависимости от ЭР, типа клетки и функции клетки. Количество как шероховатого, так и гладкого эндоплазматического ретикулума в клетке может медленно меняться от одного типа к другому в зависимости от изменяющейся метаболической активности клетки. Трансформация может включать в себя встраивание новых белков в мембрану, а также структурные изменения. Изменения в содержании белка могут происходить без заметных структурных изменений. [5] [6]
Поверхность шероховатого эндоплазматического ретикулума (часто сокращенно RER или шероховатый ER ; также называемый гранулярным эндоплазматическим ретикулумом ) усеяна рибосомами , производящими белок, что придает ему «шероховатый» вид (отсюда и его название). [7] Место связывания рибосомы на шероховатом эндоплазматическом ретикулуме — транслокон . [ 8] 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 определенный комплекс белок-нуклеиновая кислота. Этот особый комплекс образуется, когда свободная рибосома начинает транслировать мРНК белка, предназначенного для секреторного пути . [9] Первые 5–30 полимеризованных аминокислот кодируют сигнальный пептид , молекулярное сообщение, которое распознается и связывается частицей распознавания сигнала (SRP). Трансляция останавливается, и комплекс рибосомы связывается с транслоконом RER , где трансляция продолжается с образованием нового белка в просвете RER и/или мембране. Белок обрабатывается в просвете ER ферментом (сигнальной пептидазой ), который удаляет сигнальный пептид. Рибосомы в этой точке могут быть выпущены обратно в цитозоль; однако также известно, что нетранслирующие рибосомы остаются связанными с транслоконами. [10]
Мембрана шероховатого эндоплазматического ретикулума имеет форму больших двухмембранных листов, которые расположены вблизи и являются продолжением внешнего слоя ядерной оболочки . [11] Двойные мембранные листы уложены и соединены посредством нескольких право- или левозакрученных спиральных пандусов, «пандусов Терасаки», что приводит к образованию структуры, напоминающей парковку . [ 12] [13] Хотя между эндоплазматическим ретикулумом и аппаратом Гольджи нет непрерывной мембраны , связанные с мембраной транспортные везикулы перемещают белки между этими двумя отсеками. [14] Везикулы окружены покрывающими белками, называемыми COPI и COPII. COPII направляет везикулы в аппарат Гольджи, а COPI помечает их для возвращения в шероховатый эндоплазматический ретикулум. Шероховатый эндоплазматический ретикулум работает совместно с комплексом Гольджи, чтобы направлять новые белки в их надлежащие пункты назначения. Второй метод транспортировки из эндоплазматического ретикулума включает области, называемые участками контакта мембраны , где мембраны эндоплазматического ретикулума и других органелл тесно связаны друг с другом, что позволяет переносить липиды и другие небольшие молекулы. [15] [16]
Шероховатый эндоплазматический ретикулум играет ключевую роль во многих функциях:
В большинстве клеток гладкий эндоплазматический ретикулум (сокращенно СЭР ) встречается редко. Вместо этого существуют области, где ЭР частично гладкий, а частично шероховатый, эта область называется переходным ЭР. Переходный ЭР получил свое название потому, что он содержит участки выхода ЭР. Это области, где транспортные везикулы, содержащие липиды и белки, созданные в ЭР, отделяются от ЭР и начинают перемещаться в аппарат Гольджи . Специализированные клетки могут иметь много гладкого эндоплазматического ретикулума, и в этих клетках гладкий ЭР выполняет множество функций. [5] Он синтезирует липиды , фосфолипиды , [18] [19] [20] и стероиды . Клетки, которые секретируют эти продукты, например, в яичках , яичниках и сальных железах, имеют обилие гладкого эндоплазматического ретикулума. [21] Он также осуществляет метаболизм углеводов, детоксикацию продуктов естественного метаболизма, алкоголя и наркотиков, присоединение рецепторов к белкам клеточной мембраны и метаболизм стероидов . [22] В мышечных клетках он регулирует концентрацию ионов кальция . Гладкий эндоплазматический ретикулум встречается в различных типах клеток (как животных, так и растений) и выполняет различные функции в каждом из них. Гладкий эндоплазматический ретикулум также содержит фермент глюкозо-6-фосфатазу , который превращает глюкозо-6-фосфат в глюкозу, что является этапом глюконеогенеза . Он соединен с ядерной оболочкой и состоит из трубочек, расположенных вблизи периферии клетки. Эти трубки иногда разветвляются, образуя сеть, которая имеет ретикулярный вид. [11] В некоторых клетках имеются расширенные области, такие как мешочки шероховатого эндоплазматического ретикулума. Сеть гладкого эндоплазматического ретикулума позволяет увеличить площадь поверхности, отведенную для действия или хранения ключевых ферментов и продуктов этих ферментов. [ необходима ссылка ]
Саркоплазматический ретикулум (СР), от греческого σάρξ sarx («плоть»), является гладким ЭР, обнаруженным в мышечных клетках . Единственное структурное различие между этой органеллой и гладким эндоплазматическим ретикулумом заключается в составе белков, которые они имеют, 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 хранит ионы кальция и выкачивает их в саркоплазму, когда мышечное волокно стимулируется. [23] [24] После их высвобождения из саркоплазматического ретикулума ионы кальция взаимодействуют с сократительными белками, которые используют АТФ для сокращения мышечного волокна. Саркоплазматический ретикулум играет важную роль в сопряжении возбуждения и сокращения . [25]
Эндоплазматический ретикулум выполняет множество общих функций, включая сворачивание белковых молекул в мешочках, называемых цистернами , и транспортировку синтезированных белков в пузырьках в аппарат Гольджи . Шероховатый эндоплазматический ретикулум также участвует в синтезе белков. Правильное сворачивание вновь созданных белков становится возможным благодаря нескольким белкам- шаперонам эндоплазматического ретикулума , включая протеиндисульфидизомеразу (PDI), ERp29, член семейства Hsp70 BiP/Grp78 , кальнексин , кальретикулин и семейство пептидилпролилизомераз. Только правильно свернутые белки транспортируются из шероховатого ЭР в аппарат Гольджи — развернутые белки вызывают развернутую реакцию белка как реакцию на стресс в ЭР. Нарушения окислительно-восстановительной регуляции, регуляции кальция, дефицит глюкозы и вирусная инфекция [26] или чрезмерная экспрессия белков [27] могут привести к стрессовой реакции эндоплазматического ретикулума (стрессу ЭР), состоянию, при котором сворачивание белков замедляется, что приводит к увеличению количества не свернувшихся белков . Этот стресс становится потенциальной причиной повреждений при гипоксии/ишемии, резистентности к инсулину и других расстройствах. [28]
Секреторные белки, в основном гликопротеины , перемещаются через мембрану эндоплазматического ретикулума. Белки, которые транспортируются эндоплазматическим ретикулумом по всей клетке, помечены адресной меткой, называемой сигнальной последовательностью . N-конец (один конец) полипептидной цепи (т. е. белка) содержит несколько аминокислот , которые работают как адресная метка, которая удаляется, когда полипептид достигает своего места назначения. Возникающие пептиды достигают ЭР через транслокон , встроенный в мембрану мультипротеиновый комплекс. Белки, которые предназначены для мест за пределами эндоплазматического ретикулума, упаковываются в транспортные пузырьки и перемещаются вдоль цитоскелета к месту назначения. В человеческих фибробластах ЭР всегда совместно распределен с микротрубочками, а деполимеризация последних вызывает его совместную агрегацию с митохондриями, которые также связаны с ЭР. [29]
Эндоплазматический ретикулум также является частью пути сортировки белков. По сути, это транспортная система эукариотической клетки. Большинство ее резидентных белков удерживаются внутри нее с помощью мотива удерживания . Этот мотив состоит из четырех аминокислот в конце последовательности белка. Наиболее распространенными последовательностями удерживания являются KDEL для белков, расположенных в просвете, и KKXX для трансмембранных белков. [30] Однако встречаются вариации KDEL и KKXX, и другие последовательности также могут приводить к удерживанию эндоплазматического ретикулума. Неизвестно, могут ли такие вариации приводить к суб-ER-локализации. В клетках млекопитающих есть три рецептора KDEL ( 1 , 2 и 3 ), и они имеют очень высокую степень идентичности последовательностей. Функциональные различия между этими рецепторами еще предстоит установить. [31]
Эндоплазматический ретикулум не содержит аппарат регенерации АТФ, поэтому требует импорта АТФ из митохондрий. Импортируемый АТФ жизненно важен для ЭР для выполнения его функций по поддержанию порядка в клетках, таких как сворачивание и транспортировка белков. [32]
Недавно был клонирован и охарактеризован транспортер АТФ в ЭР, SLC35B1/AXER, [33], а митохондрии поставляют АТФ в ЭР посредством механизма антагонизированного Ca 2+ транспорта в ЭР ( CaATiER ). [34] Механизм CaATiER демонстрирует чувствительность к цитозольному Ca 2+ в диапазоне от высоких нМ до низких мкМ, при этом элемент, чувствительный к Ca 2+, еще предстоит идентифицировать и подтвердить. [35]
Повышенный и супрафизиологический стресс ER в β-клетках поджелудочной железы нарушает нормальную секрецию инсулина, что приводит к гиперинсулинемии [36] и, следовательно, периферической инсулинорезистентности, связанной с ожирением у людей. [37] Клинические испытания на людях также предполагают причинно-следственную связь между вызванным ожирением увеличением секреции инсулина и периферической инсулинорезистентностью. [38]
Аномалии в XBP1 приводят к усилению реакции эндоплазматического ретикулума на стресс и впоследствии вызывают более высокую восприимчивость к воспалительным процессам, которые могут даже способствовать болезни Альцгеймера . [39] В толстой кишке аномалии XBP1 связаны с воспалительными заболеваниями кишечника, включая болезнь Крона . [40]
Реакция на несвернутый белок (UPR) — это клеточная реакция на стресс, связанная с эндоплазматическим ретикулумом. [41] UPR активируется в ответ на накопление несвернутых или неправильно свернутых белков в просвете эндоплазматического ретикулума. Функция UPR заключается в восстановлении нормальной функции клетки путем остановки трансляции белка , деградации неправильно свернутых белков и активации сигнальных путей, которые приводят к увеличению продукции молекулярных шаперонов, участвующих в сворачивании белка . Длительная сверхактивация UPR связана с прионными заболеваниями, а также с несколькими другими нейродегенеративными заболеваниями , и ингибирование UPR может стать методом лечения этих заболеваний. [42]