ENDOPLASMATISCHES RETIKULUM: EIGENSCHAFTEN, STRUKTUR UND FUNKTIONEN - ANATOMIE UND PHYSIOLOGIE - 2025

Das endoplasmatische Retikulum ist eine Membranzellorganelle, die in allen eukaryotischen Zellen vorhanden ist. Dieses komplexe System nimmt ungefähr mehr als die Hälfte der Membranen in einer gemeinsamen Tierzelle ein. Die Membranen setzen sich fort, bis sie auf die Kernmembran treffen und ein kontinuierliches Element bilden.

Diese Struktur ist in Form eines Labyrinths im gesamten Zellzytoplasma verteilt. Es ist eine Art Netzwerk von Röhrchen, die mit sackartigen Strukturen miteinander verbunden sind. Die Protein- und Lipidbiosynthese findet im endoplasmatischen Retikulum statt. Fast alle Proteine, die außerhalb der Zelle transportiert werden müssen, passieren zuerst das Retikulum.

Die Retikulummembran ist nicht nur dafür verantwortlich, das Innere dieser Organelle vom zytoplasmatischen Raum zu trennen und den Transport von Molekülen zwischen diesen Zellkompartimenten zu vermitteln. Es ist auch an der Synthese von Lipiden beteiligt, die einen Teil der Plasmamembran der Zelle und der Membranen der anderen Organellen bilden.

Das Retikulum ist abhängig von der Anwesenheit oder Abwesenheit von Ribosomen in seinen Membranen in glatt und rau unterteilt. Das raue endoplasmatische Retikulum hat Ribosomen, die an der Membran befestigt sind (das Vorhandensein von Ribosomen verleiht ihm ein "raues" Aussehen) und die Form der Tubuli ist leicht gerade.

Dem glatten endoplasmatischen Retikulum fehlen Ribosomen, und die Form der Struktur ist viel unregelmäßiger. Die Funktion des rauen endoplasmatischen Retikulums ist hauptsächlich auf die Verarbeitung von Proteinen gerichtet. Im Gegensatz dazu ist glatt für den Fettstoffwechsel verantwortlich.

Allgemeine Charakteristiken

Das endoplasmatische Retikulum ist ein membranöses Netzwerk, das in allen eukaryotischen Zellen vorhanden ist. Es besteht aus Sacculi oder Zisternen und röhrenförmigen Strukturen, die mit der Membran des Kerns ein Kontinuum bilden und in der Zelle verteilt sind.

Das Retikulumlumen zeichnet sich neben einer oxidierenden Umgebung durch hohe Konzentrationen an Calciumionen aus. Beide Eigenschaften ermöglichen es ihm, seine Funktionen zu erfüllen.

Das endoplasmatische Retikulum gilt als die größte in Zellen vorhandene Organelle. Das Zellvolumen dieses Kompartiments bedeckt ungefähr 10% des Zellinneren.

Einstufung

Raues endoplasmatisches Retikulum

Das raue endoplasmatische Retikulum weist eine hohe Ribosomendichte auf der Oberfläche auf. In dieser Region finden alle Prozesse im Zusammenhang mit der Proteinsynthese und -modifikation statt. Sein Aussehen ist hauptsächlich röhrenförmig.

Glattes endoplasmatisches Reticulum

Das glatte endoplasmatische Retikulum hat keine Ribosomen. Es kommt häufig in Zelltypen vor, die einen aktiven Stoffwechsel in der Lipidsynthese aufweisen. zum Beispiel in den Zellen der Hoden und Eierstöcke, die steroidproduzierende Zellen sind.

In ähnlicher Weise ist das glatte endoplasmatische Retikulum in Leberzellen (Hepatozyten) in einem ziemlich hohen Anteil zu finden. Die Produktion von Lipoproteinen erfolgt in diesem Bereich.

Im Vergleich zum rauen endoplasmatischen Retikulum ist seine Struktur komplizierter. Die Häufigkeit des glatten gegenüber dem rauen Retikulum hängt hauptsächlich vom Zelltyp und seiner Funktion ab.

Struktur

Die physikalische Architektur des endoplasmatischen Retikulums ist ein kontinuierliches Membransystem, das aus miteinander verbundenen Säcken und Tubuli besteht. Diese Membranen erstrecken sich bis zum Kern und bilden ein einziges Lumen.

Das Gitter wird von mehreren Domänen aufgebaut. Die Verteilung ist mit anderen Organellen, verschiedenen Proteinen und Komponenten des Zytoskeletts verbunden. Diese Interaktionen sind dynamisch.

Strukturell besteht das endoplasmatische Retikulum aus der Kernhülle und dem peripheren endoplasmatischen Retikulum, das aus Tubuli und Säcken besteht. Jede Struktur ist einer bestimmten Funktion zugeordnet.

Die Kernhülle besteht wie alle biologischen Membranen aus einer Lipiddoppelschicht. Das dadurch begrenzte Innere wird mit dem peripheren Retikulum geteilt.

Beutel und Tubuli

Die Säcke, aus denen das endoplasmatische Retikulum besteht, sind flach und oft gestapelt. Sie enthalten gekrümmte Bereiche an den Rändern der Membranen. Das röhrenförmige Netzwerk ist keine statische Einheit. es kann wachsen und sich umstrukturieren.

Das Sack- und Tubulus-System ist in allen eukaryotischen Zellen vorhanden. Es variiert jedoch in Form und Struktur je nach Zelltyp.

Das Retikulum von Zellen mit wichtigen Funktionen in der Proteinsynthese besteht hauptsächlich aus Säcken, während die Zellen, die am meisten mit der Lipidsynthese und der Kalziumsignalisierung zusammenhängen, aus einer größeren Anzahl von Tubuli bestehen.

Beispiele für Zellen mit einer hohen Anzahl von Beuteln sind die Sekretionszellen der Bauchspeicheldrüse und der B-Zellen. Im Gegensatz dazu weisen Muskelzellen und Leberzellen ein Netzwerk prominenter Tubuli auf.

Eigenschaften

Das endoplasmatische Retikulum ist an einer Reihe von Prozessen beteiligt, einschließlich Proteinsynthese, Handel und Faltung sowie Modifikationen wie der Bildung von Disulfidbindungen, der Glykosylierung und der Zugabe von Glykolipiden. Darüber hinaus ist es an der Biosynthese von Membranlipiden beteiligt.

Jüngste Studien haben das Retikulum mit Reaktionen auf zellulären Stress verknüpft und können sogar Apoptoseprozesse auslösen, obwohl die Mechanismen nicht vollständig aufgeklärt wurden. Alle diese Prozesse werden nachstehend ausführlich beschrieben:

Proteinhandel

Das endoplasmatische Retikulum ist eng mit dem Proteinhandel verbunden. speziell für Proteine, die ins Ausland geschickt werden müssen, für den Golgi-Apparat, für Lysosomen, für die Plasmamembran und logischerweise für diejenigen, die zum selben endoplasmatischen Retikulum gehören.

Proteinsekretion

Das endoplasmatische Retikulum ist das zelluläre Verhalten bei der Synthese von Proteinen, die außerhalb der Zelle entnommen werden müssen. Diese Funktion wurde in den 1960er Jahren von einer Gruppe von Forschern aufgeklärt, die Zellen der Bauchspeicheldrüse untersuchten, deren Funktion darin besteht, Verdauungsenzyme abzuscheiden.

Diese Gruppe unter der Leitung von George Palade konnte Proteine ​​mit radioaktiven Aminosäuren markieren. Auf diese Weise war es möglich, die Proteine ​​durch eine als Autoradiographie bezeichnete Technik zu verfolgen und zu lokalisieren.

Radioaktiv markierte Proteine ​​konnten auf das endoplasmatische Retikulum zurückgeführt werden. Dieses Ergebnis zeigt, dass das Retikulum an der Synthese von Proteinen beteiligt ist, deren endgültiger Bestimmungsort die Sekretion ist.

Anschließend bewegen sich die Proteine ​​zum Golgi-Apparat, wo sie in Vesikel "gepackt" werden, deren Inhalt sekretiert wird.

Verschmelzung

Der Sekretionsprozess findet statt, weil die Membran der Vesikel mit der Plasmamembran der Zelle verschmelzen kann (beide sind von Natur aus Lipide). Auf diese Weise kann der Inhalt außerhalb der Zelle freigegeben werden.

Mit anderen Worten, sekretierte Proteine ​​(und auch auf Lysosomen und Plasmamembranen gerichtete Proteine) müssen einem spezifischen Weg folgen, der das raue endoplasmatische Retikulum, den Golgi-Apparat, sekretorische Vesikel und schließlich das Äußere der Zelle umfasst.

Membranproteine

Proteine, die dazu bestimmt sind, in eine Biomembran (Plasmamembran, Golgi-Membran, Lysosom oder Retikulum) eingebaut zu werden, werden zuerst in die Retikulummembran eingeführt und nicht sofort in das Lumen freigesetzt. Sie müssen den gleichen Weg für sekretorische Proteine ​​einschlagen.

Diese Proteine ​​können durch einen hydrophoben Sektor innerhalb der Membranen lokalisiert werden. Diese Region hat eine Reihe von 20 bis 25 hydrobophilen Aminosäuren, die mit den Kohlenstoffketten von Phospholipiden interagieren können. Die Art und Weise, in der diese Proteine ​​inserieren, ist jedoch variabel.

Viele Proteine ​​passieren die Membran nur einmal, andere wiederholt. Ebenso kann es in einigen Fällen das carboxylterminale oder aminoterminale Ende sein.

Die Orientierung des Proteins wird festgelegt, während das Peptid wächst, und auf das endoplasmatische Retikulum übertragen. Alle Proteindomänen, die auf das Retikulumlumen zeigen, befinden sich an der endgültigen Stelle außerhalb der Zelle.

Proteinfaltung und -verarbeitung

Moleküle mit Proteincharakter haben eine dreidimensionale Konformation, die zur Erfüllung aller ihrer Funktionen erforderlich ist.

DNA (Desoxyribonukleinsäure) gibt ihre Information durch einen als Transkription bezeichneten Prozess an ein RNA-Molekül (Ribonukleinsäure) weiter. Die RNA gelangt dann durch den Translationsprozess in die Proteine. Peptide werden während des Translationsprozesses auf das Gitter übertragen.

Diese Ketten von Aminosäuren sind mit Hilfe von Proteinen, die Chaperone genannt werden, dreidimensional innerhalb des Retikulums angeordnet: ein Protein der Hsp70-Familie (Hitzeschockproteine ​​oder Hitzeschockproteine ​​für sein Akronym in Englisch; die Zahl 70 bezieht sich auf seine Atommasse, 70 KDa) genannt BiP.

Das BiP-Protein kann an die Polypeptidkette binden und deren Faltung vermitteln. Ebenso ist es an der Zusammenstellung der verschiedenen Untereinheiten beteiligt, aus denen die quaternäre Struktur von Proteinen besteht.

Proteine, die nicht korrekt gefaltet wurden, werden vom Retikulum zurückgehalten und bleiben an BiP gebunden oder werden abgebaut.

Wenn die Zelle Stressbedingungen ausgesetzt ist, reagiert das Retikulum darauf und infolgedessen tritt keine korrekte Faltung von Proteinen auf. Die Zelle kann sich anderen Systemen zuwenden und Proteine ​​produzieren, die die Homöostase des Retikulums aufrechterhalten.

Bildung von Disulfidbindungen

Eine Disulfidbrücke ist eine kovalente Bindung zwischen den Sulfhydrylgruppen, die Teil der Aminosäurestruktur Cystein sind. Diese Wechselwirkung ist entscheidend für die Funktion bestimmter Proteine; Ebenso definiert es die Struktur der Proteine, die sie präsentieren.

Diese Bindungen können nicht in anderen Zellkompartimenten (zum Beispiel im Cytosol) gebildet werden, da es keine oxidierende Umgebung aufweist, die seine Bildung begünstigt.

An der Bildung (und dem Aufbrechen) dieser Bindungen ist ein Enzym beteiligt: ​​die Proteindisulfidisomerase.

Glykosylierung

Im Retikulum findet der Glykosylierungsprozess in bestimmten Asparaginresten statt. Wie bei der Proteinfaltung erfolgt die Glykosylierung während des Translationsprozesses.

Die Oligosaccharideinheiten bestehen aus vierzehn Zuckerresten. Sie werden durch ein Enzym namens Oligosacaryltransferase, das sich in der Membran befindet, auf Asparagin übertragen.

Während sich das Protein im Retikulum befindet, werden drei Glucosereste und ein Mannoserest entfernt. Diese Proteine ​​werden zur weiteren Verarbeitung in den Golgi-Apparat gebracht.

Andererseits sind bestimmte Proteine ​​durch einen Teil der hydrophoben Peptide nicht an der Plasmamembran verankert. Im Gegensatz dazu sind sie an bestimmte Glykolipide gebunden, die als Verankerungssystem fungieren und als Glycosylphosphatidylinositol (abgekürzt als GPI) bezeichnet werden.

Dieses System ist in der Retikulummembran zusammengesetzt und beinhaltet die Bindung von GPI am terminalen Kohlenstoff des Proteins.

Lipidsynthese

Das endoplasmatische Retikulum spielt eine entscheidende Rolle bei der Lipidbiosynthese; speziell das glatte endoplasmatische Retikulum. Lipide sind ein unverzichtbarer Bestandteil der Plasmamembranen von Zellen.

Lipide sind stark hydrophobe Moleküle und können daher in wässriger Umgebung nicht synthetisiert werden. Daher erfolgt seine Synthese in Verbindung mit vorhandenen Membrankomponenten. Der Transport dieser Lipide erfolgt in Vesikeln oder durch Transporterproteine.

Die Membranen eukaryotischer Zellen bestehen aus drei Arten von Lipiden: Phospholipiden, Glykolipiden und Cholesterin.

Phospholipide werden von Glycerin abgeleitet und sind die wichtigsten Strukturbestandteile. Diese werden im Bereich der Retikulummembran synthetisiert, der auf die zytosolische Fläche zeigt. An dem Prozess sind verschiedene Enzyme beteiligt.

Die Membran wächst durch die Integration neuer Lipide. Dank der Existenz des Enzyms Flipase kann in beiden Hälften der Membran Wachstum auftreten. Dieses Enzym ist für die Übertragung von Lipiden von einer Seite der Doppelschicht auf die andere verantwortlich.

Die Synthesevorgänge von Cholesterin und Ceramiden finden auch im Retikulum statt. Letzterer reist zum Golgi-Apparat, um Glykolipide oder Sphingomyelin zu produzieren.

Kalziumspeicherung

Das Calciummolekül ist als Signalgeber an verschiedenen Prozessen beteiligt, sei es an der Fusion oder Assoziation von Proteinen mit anderen Proteinen oder mit Nukleinsäuren.

Das Innere des endoplasmatischen Retikulums weist Calciumkonzentrationen von 100–800 uM auf. Kalziumkanäle und Rezeptoren, die Kalzium freisetzen, befinden sich im Retikulum. Die Calciumfreisetzung tritt auf, wenn Phospholipase C durch die Aktivierung von G-Protein-gekoppelten Rezeptoren (GPCRs) stimuliert wird.

Zusätzlich erfolgt die Eliminierung von Phosphatidylinositol-4,5-bisphosphat in Diacylglycerin und Inositoltriphosphat; Letzterer ist für die Freisetzung von Kalzium verantwortlich.

Muskelzellen besitzen ein endoplasmatisches Retikulum, das auf die Sequestrierung von Calciumionen spezialisiert ist und als sarkoplasmatisches Retikulum bezeichnet wird. Es ist an den Muskelkontraktions- und Entspannungsprozessen beteiligt.

Verweise

1. Alberts, B., Bray, D., Hopkin, K., Johnson, A., Lewis, J., Raff, M., … & Walter, P. (2013). Essentielle Zellbiologie. Garland Science.
2. Cooper, GM (2000). Die Zelle: Ein molekularer Ansatz. 2. Auflage. Sinauer Associates
3. Namba, T. (2015). Regulation der Funktionen des endoplasmatischen Retikulums. Aging (Albany NY), 7 (11), 901–902.
4. Schwarz, DS & Blower, MD (2016). Das endoplasmatische Retikulum: Struktur, Funktion und Reaktion auf zelluläre Signale. Cellular and Molecular Life Sciences, 73, 79–94.
5. Voeltz, GK, Rolls, MM & Rapoport, TA (2002). Strukturelle Organisation des endoplasmatischen Retikulums. EMBO Reports, 3 (10), 944-950.
6. Xu, C., Bailly-Maitre, B. & Reed, JC (2005). Stress des endoplasmatischen Retikulums: Entscheidungen über Leben und Tod von Zellen. Journal of Clinical Investigation, 115 (10), 2656 & ndash; 2664.