Клеточная биология | |
---|---|
Схема клеток животных | |
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 мембранных мешочков, известных как цистерны (в RER) и трубчатых структур в SER. Мембраны ЭПР 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 отсутствуют функции синтеза липидов, но не метаболизма , производства стероидных гормонов и детоксикации . [1] 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 . [2] [3] С помощью электронной микроскопии кружевные мембраны эндоплазматической сети были впервые замечены в 1945 году Кейт Р. Портер , Альберт Клод и Эрнест Ф. Фуллам. [4] Позднее слово reticulum , означающее «сеть», было применено Портером в 1953 году для описания этой мембранной ткани. [5]
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. [6] [7] [ необходима ссылка ]
Поверхность грубого эндоплазматического ретикулума (часто сокращенно RER или грубого ER ; также называемого гранулярным эндоплазматическим ретикулумом ) усеяна рибосомами, производящими белок, что придает ему «грубый» вид (отсюда и его название). [8] Сайт связывания рибосомы на шероховатом эндоплазматическом ретикулуме - это транслокон . [9] 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 переводмРНК белка, предназначенного для секреторного пути . [10] 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. [11]
Мембрана грубого эндоплазматического ретикулума образует большие двухмембранные листы, которые расположены рядом с внешним слоем ядерной оболочки и продолжаются с ним . [12] Листы с двойной мембраной уложены друг на друга и соединены несколькими правосторонними или левосторонними спиральными пандусами, «пандусами Терасаки», образуя структуру, напоминающую многоэтажную автостоянку . [13] [14] Хотя между эндоплазматическим ретикулумом и аппаратом Гольджи нет непрерывной мембраны , мембранные транспортные везикулы перемещают белки между этими двумя компартментами. [15] 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. [16] [17]
Грубая эндоплазматическая сеть играет ключевую роль в выполнении нескольких функций:
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. [6] Он синтезирует липиды , фосфолипиды , [18] [19] [20] и стероиды.. Клетки, которые секретируют эти продукты, такие как клетки яичек , яичников и сальных желез, имеют большое количество гладкой эндоплазматической сети. [21] Он также осуществляет метаболизм углеводов, детоксикацию продуктов естественного метаболизма, алкоголя и наркотиков, прикрепление рецепторов к белкам клеточной мембраны и метаболизм стероидов . [22] В мышечных клетках он регулирует концентрацию ионов кальция . Гладкая эндоплазматическая сеть присутствует 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. [12] 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 (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. [23] [24]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 . [25]
Эндоплазматический ретикулум выполняет множество общих функций, включая сворачивание белковых молекул в мешочки, называемые цистернами, и транспорт 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 в окислительно-восстановительной регуляции, регуляции кальция, депривации глюкозы и вирусной инфекции [26] или сверхэкспрессия белков [27] могут привести к стрессовой реакции эндоплазматического ретикулума (стресс ER), состоянию, при котором сворачивание белков замедляется, что приводит к к увеличению развернутых белков . Этот стресс становится потенциальной причиной повреждения при гипоксии / ишемии, инсулинорезистентности и других расстройствах. [28]
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. [29]
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. [30] 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. Есть три KDEL ( 1 , 2 и 3) рецепторов в клетках млекопитающих, и они имеют очень высокую степень идентичности последовательностей. Функциональные различия между этими рецепторами еще предстоит установить. [31]
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. [32]
Транспортер АТФ в ER, SLC35B1 / AXER, был недавно клонирован и охарактеризован [33], и митохондрии поставляют АТФ в ER посредством Ca 2+ -антагонизированного транспорта в механизм ER ( CaATiER ). [34] Механизм CaATiER демонстрирует чувствительность к цитозольному Ca 2+ в диапазоне от высоких нМ до низких мкМ, при этом Ca 2+ -чувствительный элемент еще предстоит идентифицировать и подтвердить.
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 . [35] В толстой кишке аномалии XBP1 связаны с воспалительными заболеваниями кишечника, включая болезнь Крона . [36]
Развернутом ответ белок (УПО) представляет собой клеточный ответ стресс , связанные с эндоплазматической сети. [37] 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 была связана с прионными заболеваниями, а также с некоторыми другими заболеваниями.нейродегенеративные заболевания и ингибирование UPR могут стать средством лечения этих заболеваний. [38]
Эндоплазматическая сеть
Викискладе есть медиафайлы, связанные с эндоплазматическим ретикулумом . |