GLATTES ENDOPLASMATISCHES RETIKULUM: EIGENSCHAFTEN UND FUNKTIONEN - ANATOMIE UND PHYSIOLOGIE - 2025

Das glatte endoplasmatische Retikulum ist eine membranöse zelluläre Organelle, die in eukaryotischen Zellen vorhanden ist. In den meisten Zellen kommt es in geringen Anteilen vor. In der Vergangenheit wurde das endoplasmatische Retikulum in glatt und rau unterteilt. Diese Klassifizierung basiert auf der Anwesenheit oder Abwesenheit von Ribosomen in den Membranen.

Der Glatte hat diese Strukturen nicht an seinen Membranen befestigt und besteht aus einem Netzwerk von Sacculi und Tubuli, die miteinander verbunden und im gesamten Zellinneren verteilt sind. Dieses Netzwerk ist umfangreich und gilt als die größte zelluläre Organelle

Diese Organelle ist im Gegensatz zum rauen endoplasmatischen Retikulum, dessen Hauptfunktion die Synthese und Verarbeitung von Proteinen ist, für die Lipidbiosynthese verantwortlich. Es kann in der Zelle als ein miteinander verbundenes röhrenförmiges Netzwerk gesehen werden, das im Vergleich zum rauen endoplasmatischen Retikulum ein unregelmäßigeres Erscheinungsbild aufweist.

Diese Struktur wurde 1945 erstmals von den Forschern Keith Porter, Albert Claude und Ernest Fullam beobachtet.

Allgemeine Charakteristiken

Das glatte endoplasmatische Retikulum ist eine Art Retikulum, das wie ein ungeordnetes Netzwerk von Tubuli geformt ist, denen Ribosomen fehlen. Seine Hauptfunktion ist die Synthese von Strukturmembranlipiden in eukaryotischen Zellen und von Hormonen. Ebenso ist es an Calciumhomöostase- und Zellentgiftungsreaktionen beteiligt.

Enzymatisch ist das glatte endoplasmatische Retikulum vielseitiger als das raue und ermöglicht so eine größere Anzahl von Funktionen.

Nicht alle Zellen haben ein identisches und homogenes glattes endoplasmatisches Retikulum. Tatsächlich sind diese Regionen in den meisten Zellen ziemlich spärlich und die Unterscheidung zwischen dem glatten und dem rauen Retikulum ist nicht wirklich klar.

Das Verhältnis von glatt zu rau hängt vom Zelltyp und der Funktion ab. In einigen Fällen besetzen beide Arten von Retikulum keine physisch getrennten Regionen mit kleinen Bereichen, die frei von Ribosomen und anderen abgedeckten Bereichen sind.

Ort

In Zellen, in denen der Lipidstoffwechsel aktiv ist, ist das glatte endoplasmatische Retikulum sehr häufig.

Beispiele hierfür sind die Leberzellen, die Nebennierenrinde, Neuronen, Muskelzellen, die Eierstöcke, die Hoden und die Talgdrüsen. Die an der Hormonsynthese beteiligten Zellen haben große Kompartimente des glatten Retikulums, in denen sich die Enzyme zur Synthese dieser Lipide befinden.

Struktur

Das glatte und raue endoplasmatische Retikulum bildet eine durchgehende Struktur und ist ein einziges Kompartiment. Die Retikulummembran ist in die Kernmembran integriert.

Die Struktur des Retikulums ist ziemlich komplex, da sich in einem kontinuierlichen Lumen (ohne Kompartimente) mehrere Domänen befinden, die durch eine einzige Membran getrennt sind. Folgende Bereiche können unterschieden werden: die Kernhülle, das periphere Retikulum und das miteinander verbundene röhrenförmige Netzwerk.

Die historische Unterteilung des Retikulums umfasst das Rauhe und das Glatte. Diese Trennung ist jedoch Gegenstand heftiger Debatten unter Wissenschaftlern. Zisternen haben Ribosomen in ihrer Struktur und daher wird das Retikulum als rau angesehen. Im Gegensatz dazu fehlen den Tubuli diese Organellen und aus diesem Grund wird dieses Retikulum als glatt bezeichnet.

Das glatte endoplasmatische Retikulum ist komplizierter als das raue. Letzteres hat dank des Vorhandenseins von Ribosomen eine körnigere Textur.

Die typische Form des glatten endoplasmatischen Retikulums ist ein polygonales Netzwerk in Form von Tubuli. Diese Strukturen sind komplex und weisen eine hohe Anzahl von Ästen auf, wodurch sie schwammartig aussehen.

In bestimmten im Labor gezüchteten Geweben sammelt sich das glatte endoplasmatische Retikulum zu gestapelten Zisternen. Sie können im gesamten Zytoplasma verteilt oder mit der Kernhülle ausgerichtet sein.

Eigenschaften

Das glatte endoplasmatische Retikulum ist hauptsächlich für die Lipidsynthese, die Kalziumspeicherung und die Entgiftung der Zellen verantwortlich, insbesondere in Leberzellen. Im Gegensatz dazu findet im Rohzustand eine Biosynthese und Modifikation von Proteinen statt. Jede der genannten Funktionen wird nachstehend ausführlich erläutert:

Lipidbiosynthese

Das glatte endoplasmatische Retikulum ist das Hauptkompartiment, in dem Lipide synthetisiert werden. Aufgrund ihrer Lipidnatur können diese Verbindungen nicht in einer wässrigen Umgebung wie dem Zellcytosol synthetisiert werden. Seine Synthese muss in Verbindung mit bereits vorhandenen Membranen durchgeführt werden.

Diese Biomoleküle bilden die Grundlage aller biologischen Membranen, die aus drei grundlegenden Arten von Lipiden bestehen: Phospholipide, Glykolipide und Cholesterin. Die Hauptstrukturkomponenten von Membranen sind Phospholipide.

Phospholipide

Dies sind amphipathische Moleküle; Sie haben einen polaren (hydrophilen) Kopf und eine unpolare (hydrobolische) Kohlenstoffkette. Es ist ein Glycerinmolekül, das an Fettsäuren und eine Phosphatgruppe gebunden ist.

Der Synthesevorgang findet auf der Cytosolseite der endoplasmatischen Retikulummembran statt. Coenzym A ist an der Übertragung von Fettsäuren auf Glycerin-3-phosphat beteiligt. Dank eines in der Membran verankerten Enzyms können Phospholipide in die Membran eingefügt werden.

Die auf der cytosolischen Seite der Retikulummembran vorhandenen Enzyme können die Bindung verschiedener chemischer Gruppen an den hydrophilen Teil des Lipids katalysieren, wodurch verschiedene Verbindungen wie Phosphatidylcholin, Phosphatidylserin, Phosphatidylethanolamin oder Phosphatidylinositol entstehen.

Bei der Synthese von Lipiden werden sie nur einer Seite der Membran zugesetzt (wobei zu berücksichtigen ist, dass biologische Membranen als Lipiddoppelschicht angeordnet sind). Um ein asymmetrisches Wachstum auf beiden Seiten zu vermeiden, müssen sich einige Phospholipide in die andere Hälfte der Membran bewegen.

Dieser Prozess kann jedoch nicht spontan ablaufen, da er den Durchgang des polaren Bereichs des Lipids durch das Innere der Membran erfordert. Flipasen sind Enzyme, die für die Aufrechterhaltung eines Gleichgewichts zwischen den Lipiden der Doppelschicht verantwortlich sind.

Cholesterin

Cholesterinmoleküle werden auch im Retikulum synthetisiert. Strukturell besteht dieses Lipid aus vier Ringen. Es ist ein wichtiger Bestandteil in tierischen Plasmamembranen und auch für die Hormonsynthese notwendig.

Cholesterin reguliert die Fließfähigkeit der Membranen, weshalb es in tierischen Zellen so wichtig ist.

Der endgültige Effekt auf die Fließfähigkeit hängt von den Cholesterinkonzentrationen ab. Bei normalen Cholesterinspiegeln in den Membranen und wenn die Schwänze der Lipide, aus denen sie bestehen, lang sind, wirkt Cholesterin durch Immobilisierung, wodurch die Fließfähigkeit der Membran verringert wird.

Der Effekt kehrt sich um, wenn der Cholesterinspiegel sinkt. Durch die Wechselwirkung mit den Lipidschwänzen bewirkt dies deren Trennung, wodurch die Fließfähigkeit verringert wird.

Ceramide

Die Ceramidsynthese findet im endoplasmatischen Retikulum statt. Ceramide sind wichtige Lipidvorläufer (die nicht von Glycerin abgeleitet sind) für Plasmamembranen wie Glycolipide oder Sphingomyelin. Diese Ceramidumwandlung erfolgt im Golgi-Apparat.

Lipoproteine

Das glatte endoplasmatische Retikulum ist in Hepatozyten (Leberzellen) reichlich vorhanden. In diesem Kompartiment findet die Lipoproteinsynthese statt. Diese Partikel sind für den Transport von Lipiden zu verschiedenen Körperteilen verantwortlich.

Lipidexport

Lipide werden über den sekretorischen Vesikelweg exportiert. Da Biomembranen aus Lipiden bestehen, können die Membranen der Vesikel mit ihnen verschmelzen und den Inhalt an eine andere Organelle abgeben.

Sarkoplasmatisches Retikulum

In gestreiften Muskelzellen gibt es eine hochspezialisierte Art von glattem endoplasmatischem Retikulum, das aus Tubuli besteht und als sarkoplasmatisches Retikulum bezeichnet wird. Dieses Fach umgibt jede Myofibrille. Es zeichnet sich durch Kalziumpumpen aus und reguliert dessen Aufnahme und Freisetzung. Seine Aufgabe ist es, Muskelkontraktion und -entspannung zu vermitteln.

Wenn das sarkoplasmatische Retikulum im Vergleich zum Sarkoplasma mehr Calciumionen enthält, befindet sich die Zelle in einem Ruhezustand.

Entgiftungsreaktionen

Das glatte endoplasmatische Retikulum von Leberzellen ist an Entgiftungsreaktionen beteiligt, um toxische Verbindungen oder Arzneimittel aus dem Körper zu entfernen.

Bestimmte Enzymfamilien wie Cytochrom P450 katalysieren verschiedene Reaktionen, die die Akkumulation potenziell toxischer Metaboliten verhindern. Diese Enzyme fügen Hydroxylgruppen zu "schlechten" Molekülen hinzu, die hydrophob sind und sich auf der Membran befinden.

Später kommt eine andere Art von Enzym namens UDP-Glucuronyltransferase ins Spiel, die Moleküle mit negativen Ladungen hinzufügt. Auf diese Weise verlassen die Verbindungen die Zelle, erreichen das Blut und werden im Urin ausgeschieden. Einige Medikamente, die im Retikulum synthetisiert werden, sind Barbiturate und auch Alkohol.

Arzneimittelresistenz

Wenn hohe Mengen an toxischen Metaboliten in den Kreislauf gelangen, werden die an diesen Entgiftungsreaktionen beteiligten Enzyme ausgelöst, wodurch sich ihre Konzentration erhöht. In ähnlicher Weise vergrößert das glatte endoplasmatische Retikulum unter diesen Bedingungen seine Oberfläche in nur wenigen Tagen bis zu zweimal.

Deshalb ist die Resistenzrate gegen bestimmte Medikamente erhöht und um eine Wirkung zu erzielen, müssen höhere Dosen konsumiert werden. Diese Resistenzreaktion ist nicht vollständig spezifisch und kann gleichzeitig zu einer Resistenz gegen mehrere Medikamente führen. Mit anderen Worten, der Missbrauch eines bestimmten Arzneimittels kann zur Unwirksamkeit eines anderen führen.

Glukoneogenese

Die Glukoneogenese ist ein Stoffwechselweg, bei dem die Glukosebildung aus anderen Molekülen als Kohlenhydraten erfolgt.

Im glatten endoplasmatischen Retikulum befindet sich das Enzym Glucose-6-Phosphatase, das für die Katalyse des Übergangs von Glucose-6-Phosphat zu Glucose verantwortlich ist.

Referenz

1. N. Borgese, M. Francolini & E. Snapp (2006). Architektur des endoplasmatischen Retikulums: Strukturen im Fluss. Current Opinion in Cell Biology, 18 (4), 358–364.
2. Campbell, NA (2001). Biologie: Konzepte und Beziehungen. Pearson Ausbildung.
3. Englisch, AR & Voeltz, GK (2013). Struktur des endoplasmatischen Retikulums und Verbindungen mit anderen Organellen. Cold Spring Harbor Perspectives in Biology, 5 (4), a013227.
4. Eynard, AR, Valentich, MA & Rovasio, RA (2008). Histologie und Embryologie des Menschen: zelluläre und molekulare Grundlagen. Panamerican Medical Ed.
5. Voeltz, GK, Rolls, MM & Rapoport, TA (2002). Strukturelle Organisation des endoplasmatischen Retikulums. EMBO Reports, 3 (10), 944-950.