Клетъчна биология

Ендоплазменият ретикулум

Ендоплазменият ретикулум (ER) е система от мембранозни цистерни (сплескани торбички), простиращи се в цялата цитоплазма. Често тя представлява повече от половината от общата мембрана в клетката. Тази структура е забелязана за първи път в края на 19 век, когато проучвания на оцветени клетки показват наличието на някакъв вид обширна цитоплазмена структура, след което се нарича гастроплазма. Електронният микроскоп направи възможно изследването на морфологията на тази органела през 40-те години на миналия век, когато тя получи своето настояще име.

Ендоплазменият ретикулум може да бъде класифициран в две функционално различни форми, гладък ендоплазмен ретикулум (SER) и груб ендоплазмен ретикулум (RER). Морфологичното разграничение между двете е наличието на протеино-синтезиращи частици, наречени рибозоми, прикрепени към външната повърхност на RER.

Гладък ендоплазмен ретикулум

Функциите на SER, мрежа от фини тръбни мембранни везикули, варират значително от клетка до клетка. Важна роля играе синтеза на фосфолипиди и холестерол, които са основни компоненти на плазмата и вътрешните мембрани. Фосфолипидите се образуват от мастни киселини, глицеролфосфат и други малки водоразтворими молекули чрез ензими, свързани към ER мембраната с техните активни места, обърнати към цитозола. Някои фосфолипиди остават в ER мембраната, където, катализирани от специфични ензими в мембраните, те могат да „прелитат“ от цитоплазмената страна на бислоя, където са се образували, към екзоплазмената или вътрешната страна. Този процес осигурява симетричния растеж на ER мембраната. Други фосфолипиди се пренасят през цитоплазмата към други мембранозни структури, като клетъчната мембрана и митохондриона, чрез специални фосфолипидни трансферни протеини.

В чернодробните клетки SER е специализиран за детоксикация на голямо разнообразие от съединения, получени при метаболитни процеси. SER черният дроб съдържа редица ензими, наречени цитохром Р450, които катализират разграждането на канцерогени и други органични молекули. В клетките на надбъбречните жлези и половите жлези холестеролът се модифицира в SER в един етап от превръщането му в стероидни хормони. И накрая, SER в мускулните клетки, известен като саркоплазмен ретикулум, отделя калциеви йони от цитоплазмата. Когато мускулът се задейства от нервни стимули, калциевите йони се освобождават, което води до свиване на мускулите.

Грубият ендоплазмен ретикулум

RER обикновено е серия от свързани сплескани торбички. Той играе централна роля в синтеза и износа на протеини и гликопротеини и се изучава най-добре в секреторните клетки, специализирани в тези функции. Множеството секреторни клетки в човешкото тяло включват чернодробни клетки, секретиращи серумни протеини като албумин, ендокринни клетки, секретиращи пептидни хормони като инсулин, слюнчена жлеза и панкреасни ацинарни клетки, секретиращи храносмилателни ензими, клетки на млечната жлеза, секретиращи млечни протеини, и хрущялни клетки, секретиращи колаген и протеогликани.

Рибозомите са частици, които синтезират протеини от аминокиселини. Те са съставени от четири молекули РНК и между 40 и 80 протеини, събрани в голяма и малка субединица. Рибозомите са свободни (т.е. не са свързани с мембрани) в цитоплазмата на клетката или са свързани към RER. Лизозомните ензими, протеините, предназначени за ER, Golgi и клетъчните мембрани, и протеините, които се секретират от клетката, са сред тези, които се синтезират върху свързаните с мембрана рибозоми. Изработени на свободни рибозоми са протеините, останали в цитозола и тези, свързани с вътрешната повърхност на външната мембрана, както и тези, които трябва да бъдат вградени в ядрото, митохондриите, хлоропластите, пероксизомите и други органели. Специалните характеристики на протеините ги обозначават за транспортиране до конкретни дестинации вътре или извън клетката. През 1971 г. клетъчният и молекулен биолог, роден в Германия, Гюнтер Блобел и клетъчният биолог с произход от Аржентина Дейвид Сабатини предположиха, че амино-крайната част на протеина (първата част от молекулата, която трябва да бъде направена) може да действа като „сигнална последователност“. Те предложиха такава сигнална последователност да улесни закрепването на растящия протеин към ER мембраната и да доведе протеина или в мембраната, или през мембраната в ER лумена (вътре).

Сигналната хипотеза е подкрепена от множество експериментални доказателства. Преводът на чертежа за специфичен протеин, кодиран в пратеника на РНК молекула, започва на свободна рибозома. Тъй като растящият протеин със сигналната последователност в амино-крайния му край излиза от рибозомата, последователността се свързва към комплекс от шест протеина и една молекула РНК, известна като частица за разпознаване на сигнал (SRP). SRP също се свързва с рибозомата, за да спре по-нататъшното образуване на протеина. Мембраната на ER съдържа рецепторни места, които свързват SRP-рибозомния комплекс към мембраната RER. След свързването, преводът се възобновява, като SRP се отделя от сложната и сигналната последователност и остатъка от зараждащия се протеин, пропускащ се през мембраната, през канал, наречен транслокон, в лумена на ER. В този момент протеинът е трайно отделен от цитозола. В повечето случаи сигналната последователност се отцепва от протеина чрез ензим, наречен сигнална пептидаза, докато излезе на луминалната повърхност на ER мембраната. В допълнение, в процес, известен като гликозилиране, олигозахаридните (сложни захари) вериги често се добавят към протеина, за да образуват гликопротеин. Вътре в лумена на ER протеинът се сгъва в характерната си триизмерна конформация.

В рамките на лумена протеините, които ще се секретират от клетката, дифундират в преходната част на ER, регион, който до голяма степен не съдържа рибозоми. Там молекулите се пакетират в малки мембранно-ограничени транспортни везикули, които се отделят от ER мембраната и се придвижват през цитоплазмата към целева мембрана, обикновено комплекс на Голджи. Там транспортната мембрана на везикула се слива с мембраната на Голджи и съдържанието на везикула се доставя в лумена на Голджи. Това, както всички процеси на пъпкуване и сливане на везикули, запазва едностранността на мембраните; т. е. цитоплазмената повърхност на мембраната винаги е обърната навън, а луминалното съдържание винаги се секвестира от цитоплазмата.

Някои несекреторни протеини, направени върху RER, остават част от мембранната система на клетката. Тези мембранни протеини имат, в допълнение към сигналната последователност, един или повече котвени участъци, съставени от липидоразтворими аминокиселини. Аминокиселините предотвратяват преминаването на протеина напълно в лумена на ER, като го закотвят във фосфолипидната двуслойна на ER мембраната.