ENDOPLAZMATICKÉ RETIKULUM: CHARAKTERISTIKY, ŠTRUKTÚRA A FUNKCIE - ANATÓMIA A FYZIOLÓGIA - 2025

ER je membránové bunky organela prítomná vo všetkých eukaryotických bunkách. Tento komplexný systém zaberá približne viac ako polovicu membrán v spoločnej živočíšnej bunke. Membrány pokračujú, kým sa nestretnú s jadrovou membránou a tvoria spojitý prvok.

Táto štruktúra je distribuovaná v bunkovej cytoplazme vo forme labyrintu. Je to druh siete tubulov, ktoré sú vzájomne prepojené štruktúrami podobnými vakom. Biosyntéza proteínov a lipidov sa vyskytuje v endoplazmatickom retikule. Takmer všetky proteíny, ktoré sa musia prenášať mimo bunky, prechádzajú cez retikulum ako prvé.

Membrána retikula nie je zodpovedná iba za oddelenie vnútra tejto organely od cytoplazmatického priestoru a za sprostredkovanie transportu molekúl medzi týmito bunkovými oddeleniami; Podieľa sa tiež na syntéze lipidov, ktoré budú tvoriť súčasť plazmatickej membrány bunky a membrán iných organel.

Retikulum je rozdelené na hladké a drsné v závislosti od prítomnosti alebo neprítomnosti ribozómov v jeho membránach. Drsné endoplazmatické retikulum má ribozómy pripojené k membráne (prítomnosť ribozómov mu dáva „hrubý“ vzhľad) a tvar tubulov je mierne rovný.

Hladké endoplazmatické retikulum nemá ribozómy a tvar štruktúry je oveľa nepravidelnejší. Funkcia hrubého endoplazmatického retikula je zameraná hlavne na spracovanie proteínov. Naproti tomu za metabolizmus lipidov je zodpovedný hladký.

Všeobecné charakteristiky

Endoplazmatické retikulum je membránová sieť prítomná vo všetkých eukaryotických bunkách. Skladá sa z vakov alebo cisterien a tubulárnych štruktúr, ktoré tvoria kontinuum s membránou jadra a sú distribuované v bunke.

Lúmen retikula je charakterizovaný vysokou koncentráciou iónov vápnika, okrem oxidačného prostredia. Obe vlastnosti mu umožňujú plniť jeho funkcie.

Endoplazmatické retikulum sa považuje za najväčšiu organelu prítomnú v bunkách. Objem buniek v tomto oddiele pokrýva približne 10% vnútra bunky.

klasifikácia

Drsné endoplazmatické retikulum

Drsné endoplazmatické retikulum má na povrchu vysokú hustotu ribozómov. Je to oblasť, v ktorej sa vyskytujú všetky procesy týkajúce sa syntézy a modifikácie proteínov. Jeho vzhľad je hlavne rúrkovitý.

Hladké endoplazmatické retikulum

Hladké endoplazmatické retikulum nemá ribozómy. Je bohatý na typy buniek, ktoré majú aktívny metabolizmus pri syntéze lipidov; napríklad v bunkách semenníkov a vaječníkov, čo sú bunky produkujúce steroidy.

Podobne sa hladké endoplazmatické retikulum nachádza v pomerne vysokej miere v pečeňových bunkách (hepatocyty). V tejto oblasti dochádza k tvorbe lipoproteínov.

V porovnaní s hrubým endoplazmatickým retikulom je jeho štruktúra komplikovanejšia. Početnosť hladkého a hrubého retikula závisí predovšetkým od typu bunky a jej funkcie.

štruktúra

Fyzikálna architektúra endoplazmatického retikula je kontinuálny systém membrán pozostávajúcich z vzájomne prepojených vakov a tubulov. Tieto membrány zasahujú do jadra a vytvárajú jediný lúmen.

Mriežka je zostavená z viacerých domén. Distribúcia je spojená s inými organelami, rôznymi proteínmi a zložkami cytoskeletu. Tieto interakcie sú dynamické.

Endoplazmatické retikulum sa štrukturálne skladá z jadrového obalu a periférneho endoplazmatického retikula, ktoré sa skladá z tubulov a vakov. Každá štruktúra súvisí so špecifickou funkciou.

Jadrový obal, rovnako ako všetky biologické membrány, je tvorený lipidovou dvojvrstvou. Interiér vymedzený týmto je zdieľaný s periférnym retikulum.

Sacs a tubuly

Vrecká, ktoré tvoria endoplazmatické retikulum, sú ploché a často naskladané. Obsahujú zakrivené oblasti na okrajoch membrán. Rúrková sieť nie je statická entita; môže rásť a reštrukturalizovať sa.

Systém vak a kanálik je prítomný vo všetkých eukaryotických bunkách. Tvar a štruktúra sa však líši v závislosti od typu bunky.

Retikulum buniek s dôležitými funkciami pri syntéze proteínov sa skladá predovšetkým z vakov, zatiaľ čo bunky, ktoré najviac súvisia so syntézou lipidov a vápnikovou signalizáciou, sa skladajú z väčšieho počtu tubulov.

Príkladmi buniek s vysokým počtom vakov sú sekrečné bunky pankreasu a bunky B. Naopak svalové bunky a pečeňové bunky majú sieť prominentných tubulov.

Vlastnosti

Endoplazmatické retikulum sa podieľa na mnohých procesoch vrátane syntézy proteínov, obchodovania a skladania a modifikácií, ako je tvorba disulfidových väzieb, glykozylácia a pridávanie glykolipidov. Okrem toho sa podieľa na biosyntéze membránových lipidov.

Posledné štúdie spájajú retikulum s odpoveďami na bunkový stres a môžu dokonca indukovať procesy apoptózy, aj keď mechanizmy neboli úplne objasnené. Všetky tieto procesy sú podrobne opísané nižšie:

Obchodovanie s proteínmi

Endoplazmatické retikulum je úzko spojené s obchodom s proteínmi; konkrétne na proteíny, ktoré sa musia posielať do zahraničia, do Golgiho aparátu, do lyzozómov, do plazmatickej membrány a logicky do proteínov, ktoré patria do toho istého endoplazmatického retikula.

Sekrécia proteínov

Endoplazmatické retikulum je bunkové správanie zapojené do syntézy proteínov, ktoré sa musia brať mimo bunky. Túto funkciu objasnila skupina vedcov v 60. rokoch 20. storočia, keď študovali bunky pankreasu, ktorých úlohou je vylučovať tráviace enzýmy.

Táto skupina, ktorú viedol George Palade, dokázala označiť proteíny pomocou rádioaktívnych aminokyselín. Týmto spôsobom bolo možné sledovať a lokalizovať proteíny technikou nazývanou autorádiografia.

Rádioaktívne značené proteíny sa dajú vysledovať až do endoplazmatického retikula. Tento výsledok naznačuje, že retikulum sa podieľa na syntéze proteínov, ktorých konečným cieľom je sekrécia.

Následne sa proteíny presunú do Golgiho aparátu, kde sa „zabalia“ do vezikúl, ktorých obsah sa bude vylučovať.

fúzie

Proces vylučovania nastáva, pretože membrána vezikúl sa môže fúzovať s plazmatickou membránou bunky (obidve sú lipidovej povahy). Týmto spôsobom je možné obsah uvoľniť na vonkajšiu stranu bunky.

Inými slovami, sekretované proteíny (a tiež proteíny zacielené na lyzozóm a plazmatickú membránu) musia nasledovať špecifickú cestu, ktorá zahŕňa hrubé endoplazmatické retikulum, Golgiho aparát, sekrečné vezikuly a nakoniec vonkajšiu stranu bunky.

Membránové proteíny

Proteíny, ktoré sú určené na zabudovanie do niektorých biomembrán (plazmatická membrána, Golgiho membrána, lyzozóm alebo retikulum), sa najskôr vložia do membrány retikula a okamžite sa neuvoľnia do lúmenu. Pre sekrečné proteíny musia postupovať rovnakým spôsobom.

Tieto proteíny môžu byť umiestnené v membránach hydrofóbnym sektorom. Táto oblasť má sériu 20 až 25 hydrobofických aminokyselín, ktoré môžu interagovať s uhlíkovými reťazcami fosfolipidov. Spôsob, akým sa tieto proteíny vkladajú, je však rôzny.

Mnoho proteínov prechádza cez membránu iba raz, zatiaľ čo iné to opakujú. Podobne to môže byť v niektorých prípadoch karboxylový koniec alebo amínový koniec.

Orientácia uvedeného proteínu je stanovená, zatiaľ čo peptid rastie a je prenesený do endoplazmatického retikula. Všetky proteínové domény smerujúce k lúmiku retikula sa nachádzajú na vonkajšej strane bunky v ich konečnom umiestnení.

Skladanie a spracovanie bielkovín

Molekuly proteínovej povahy majú trojrozmernú konformáciu potrebnú na vykonávanie všetkých svojich funkcií.

DNA (kyselina deoxyribonukleová), proces nazývaný transkripcia, odovzdáva svoju informáciu molekule RNA (kyselina ribonukleová). RNA potom prechádza procesom translácie do proteínov. Keď sa proces translácie uskutočňuje, peptidy sa prenesú do mriežky.

Tieto reťazce aminokyselín sú usporiadané trojrozmerným spôsobom v retikule pomocou proteínov nazývaných chaperóny: proteín rodiny Hsp70 (proteíny tepelného šoku alebo proteíny tepelného šoku pre jeho skratku v angličtine; číslo 70 sa vzťahuje na jeho atómovú hmotnosť, 70 KDa) s názvom BiP.

Proteín BiP sa môže viazať na polypeptidový reťazec a sprostredkovať jeho skladanie. Rovnako sa podieľa na zostavovaní rôznych podjednotiek, ktoré tvoria kvartérnu štruktúru proteínov.

Bielkoviny, ktoré nie sú správne poskladané, si retikulum zachováva a zostávajú viazané na BiP alebo sa degradujú.

Keď je bunka vystavená stresovým podmienkam, retikulum na ňu reaguje a v dôsledku toho nedochádza k správnemu skladaniu proteínov. Bunka sa môže obrátiť na iné systémy a produkovať proteíny, ktoré udržiavajú homeostázu retikula.

Tvorba disulfidovej väzby

Disulfidový mostík je kovalentná väzba medzi sulfhydrylovými skupinami, ktoré sú súčasťou cysteínovej aminokyselinovej štruktúry. Táto interakcia je rozhodujúca pre fungovanie určitých proteínov; rovnako definuje štruktúru proteínov, ktoré ich prezentujú.

Tieto väzby sa nemôžu tvoriť v iných bunkových kompartmentoch (napríklad v cytosóle), pretože nemajú oxidačné prostredie, ktoré uprednostňuje jej tvorbu.

Pri tvorbe (a rozbíjaní) týchto väzieb sa jedná o enzým: proteín disulfidová izomeráza.

glykozylácie

V retikule dochádza k glykozylačnému procesu v špecifických zvyškoch asparagínu. Podobne ako v prípade skladania proteínov, glykozylácia prebieha, keď je proces translácie spustený.

Oligosacharidové jednotky sú tvorené štrnástimi zvyškami cukru. Prenášajú sa na asparagín enzýmom nazývaným oligosacaryltransferáza, ktorý sa nachádza v membráne.

Pokiaľ je proteín v retikulu, odstránia sa tri zvyšky glukózy a jeden zvyšok manózy. Tieto proteíny sa odvádzajú do Golgiho prístroja na ďalšie spracovanie.

Na druhej strane určité proteíny nie sú ukotvené v plazmatickej membráne pomocou časti hydrofóbnych peptidov. Naopak, viažu sa na určité glykolipidy, ktoré fungujú ako kotviaci systém a nazývajú sa glykozylfosfatidylinozitol (skrátene GPI).

Tento systém je zostavený v membráne retikula a zahrnuje väzbu GPI na terminálny uhlík proteínu.

Syntéza lipidov

Endoplazmatické retikulum hrá kľúčovú úlohu v biosyntéze lipidov; konkrétne hladké endoplazmatické retikulum. Lipidy sú nevyhnutnou súčasťou plazmatických membrán buniek.

Lipidy sú vysoko hydrofóbne molekuly, takže sa nemôžu syntetizovať vo vodnom prostredí. K jeho syntéze teda dochádza v spojení s existujúcimi membránovými zložkami. K transportu týchto lipidov dochádza vo vezikulách alebo transportných proteínoch.

Membrány eukaryotických buniek sú tvorené tromi typmi lipidov: fosfolipidy, glykolipidy a cholesterol.

Fosfolipidy sú odvodené od glycerolu a sú najdôležitejšími štruktúrnymi zložkami. Sú syntetizované v oblasti membrány retikula, ktorá ukazuje na cytosolickú tvár. Na tomto procese sa zúčastňujú rôzne enzýmy.

Membrána rastie integráciou nových lipidov. Vďaka existencii enzýmovej flipázy môže dôjsť k rastu v oboch poloviciach membrány. Tento enzým je zodpovedný za prenos lipidov z jednej strany dvojvrstvy na druhú.

Procesy syntézy cholesterolu a ceramidov sa tiež vyskytujú v retikule. Ten putuje do Golgiho aparátu, aby produkoval glykolipidy alebo sfingomyelín.

Skladovanie vápnika

Molekula vápnika sa zúčastňuje ako signalizátor v rôznych procesoch, či už ide o fúziu alebo spojenie proteínov s inými proteínmi alebo s nukleovými kyselinami.

Interiér endoplazmatického retikula má koncentrácie vápnika 100 - 800 uM. Vápnikové kanály a receptory, ktoré uvoľňujú vápnik, sa nachádzajú v retikulu. K uvoľňovaniu vápnika dochádza, keď je fosfolipáza C stimulovaná aktiváciou receptorov spojených s G-proteínom (GPCR).

Okrem toho dochádza k eliminácii fosfatidylinozitol 4,5 bisfosfátu v diacylglycerole a inozitol trifosfátu; posledne menovaný je zodpovedný za uvoľňovanie vápnika.

Svalové bunky majú endoplazmatické retikulum špecializované na sekvestráciu iónov vápnika, ktoré sa nazýva sarkoplazmatické retikulum. Podieľa sa na svalových kontrakčných a relaxačných procesoch.

Referencie

1. Alberts, B., Bray, D., Hopkin, K., Johnson, A., Lewis, J., Raff, M.,… & Walter, P. (2013). Základná bunková biológia. Garland Science.
2. Cooper, GM (2000). Bunka: molekulárny prístup. 2. vydanie. Sinauer Associates
3. Namba, T. (2015). Regulácia funkcií endoplazmatického retikula. Aging (Albany NY), 7 (11), 901 - 902.
4. Schwarz, DS, a Blower, MD (2016). Endoplazmatické retikulum: štruktúra, funkcia a reakcia na bunkovú signalizáciu. Cellular and Molecular Life Sciences, 73, 79–94.
5. Voeltz, GK, Rolls, MM, a Rapoport, TA (2002). Štrukturálna organizácia endoplazmatického retikula. EMBO Reports, 3 (10), 944-950.
6. Xu, C., Bailly-Maitre, B., & Reed, JC (2005). Endoplazmatický stres v retikule: rozhodnutia o bunkovom živote a smrti. Journal of Clinical Investigation, 115 (10), 2656-2664.