Endoplasmatisches Retikulum

Definition des endoplasmatischen Retikulums

Das endoplasmatische Retikulum (ER) ist eine große Organelle, die aus Membranblättern und Röhren besteht, die in der Nähe des Zellkerns beginnen und sich durch die Zelle erstrecken. Das endoplasmatische Retikulum erzeugt, verpackt und sezerniert viele der von einer Zelle erzeugten Produkte. Ribosomen, die Proteine bilden, säumen einen Teil des endoplasmatischen Retikulums.

Übersicht über das endoplasmatische Retikulum

Die gesamte Struktur kann einen großen Teil des Endomembransystems der Zelle ausmachen. In Zellen wie den Hepatozyten der Leber, die auf die Sekretion und Entgiftung von Proteinen spezialisiert sind, kann das ER mehr als 50 % der gesamten Lipiddoppelschicht der Zelle ausmachen. Auch in Betazellen der Bauchspeicheldrüse, die Insulin sezernieren, oder in aktivierten B-Lymphozyten, die Antikörper produzieren, ist das ER-Membransystem besonders ausgeprägt.

Wie auf dem Bild zu sehen ist, grenzen die Membranen des endoplasmatischen Retikulums an die äußere Kernmembran an, auch wenn sie unterschiedlich zusammengesetzt sein können. Das ER enthält spezielle, in die Membran eingebettete Proteine, die seine Struktur und Krümmung stabilisieren. Dieses Organell ist ein wichtiger Regulator der Zellfunktionen, da es eng mit einer Reihe anderer Organellen zusammenarbeitet. Produkte des endoplasmatischen Retikulums wandern oft zum Golgi-Körper, um dort verpackt und weiterverarbeitet zu werden, bevor sie sezerniert werden.

Dies ist eine mikroskopische Aufnahme eines Schnitts aus Säugetier-Lungengewebe. In der rechten unteren Ecke des Bildes ist der Zellkern zu sehen, während der Rest des Bildes die Ausdehnung des ER verdeutlicht. Die kleinen dunklen Kreise sind Mitochondrien, die sich in physischer Nähe zu den Membranen des ER befinden.

Funktion des endoplasmatischen Retikulums

Das ER spielt in der Zelle eine Reihe von Rollen, von der Proteinsynthese über den Lipidstoffwechsel bis hin zur Entgiftung der Zelle. Die Zisternen, jede der kleinen Falten des endoplasmatischen Retikulums, werden häufig mit dem Fettstoffwechsel in Verbindung gebracht. Sie bilden die Plasmamembran der Zelle sowie weitere endoplasmatische Retikula und Organellen. Sie scheinen auch für die Aufrechterhaltung des Ca2+-Gleichgewichts innerhalb der Zelle und für die Interaktion des ER mit den Mitochondrien wichtig zu sein. Diese Interaktion beeinflusst auch den aeroben Status der Zelle.

Die ER-Folien scheinen für die Reaktion der Organelle auf Stress entscheidend zu sein, zumal die Zellen ihr Verhältnis von Tubuli zu Folien ändern, wenn die Zahl der ungefalteten Proteine zunimmt. Gelegentlich wird die Apoptose durch den ER als Reaktion auf einen Überschuss an ungefaltetem Protein in der Zelle ausgelöst. Wenn sich Ribosomen von den ER-Sheets ablösen, können sich diese Strukturen auflösen und röhrenförmige Zisternen bilden.

Obwohl ER-Sheets und -Röhren unterschiedliche Funktionen zu haben scheinen, gibt es keine perfekte Abgrenzung der Rollen. Bei Säugetieren beispielsweise können sich Tubuli und Sheets umwandeln, so dass sich die Zellen an verschiedene Bedingungen anpassen können. Die Beziehung zwischen Struktur und Funktion im ER ist noch nicht vollständig geklärt.

Proteinsynthese und -faltung

Die Proteinsynthese erfolgt im rauen endoplasmatischen Retikulum. Obwohl die Translation für alle Proteine im Zytoplasma beginnt, werden einige in das ER verlagert, um gefaltet und für verschiedene Ziele sortiert zu werden. Proteine, die während der Translation in das ER verlagert werden, sind häufig für die Sekretion bestimmt. Zunächst werden diese Proteine im ER gefaltet und dann in den Golgi-Apparat verlagert, wo sie an andere Organellen weitergeleitet werden können.

Auf diese Weise werden beispielsweise die hydrolytischen Enzyme im Lysosom gebildet. Alternativ könnten diese Proteine auch aus der Zelle sezerniert werden. Dies ist der Ursprung der Enzyme des Verdauungstrakts. Die dritte mögliche Rolle für Proteine, die im ER übersetzt werden, besteht darin, im Endomembransystem selbst zu verbleiben. Dies gilt insbesondere für Chaperonproteine, die bei der Faltung anderer Proteine helfen. Die Gene, die für diese Proteine kodieren, werden hochreguliert, wenn die Zelle unter Stress durch ungefaltete Proteine steht.

Lipidsynthese

Das glatte endoplasmatische Retikulum spielt eine wichtige Rolle bei der Cholesterin- und Phospholipidbiosynthese. Daher ist dieser Abschnitt des ER nicht nur für die Bildung und Aufrechterhaltung der Plasmamembran wichtig, sondern auch für das umfangreiche Endomembransystem des ER selbst.

Das SER ist reich an Enzymen, die an Sterin- und Steroidbiosynthesewegen beteiligt sind, und ist auch für die Synthese von Steroidhormonen erforderlich. Daher ist der SER in den Zellen der Nebenniere, die fünf verschiedene Gruppen von Steroidhormonen absondern, die den Stoffwechsel des gesamten Körpers beeinflussen, besonders stark vertreten. An der Synthese dieser Hormone sind auch Enzyme in den Mitochondrien beteiligt, was die Beziehung zwischen diesen beiden Organellen weiter unterstreicht.

Kalziumspeicher

Das SER ist ein wichtiger Ort für die Speicherung und Abgabe von Kalzium in der Zelle. Eine modifizierte Form des SER, das sarkoplasmatische Retikulum, bildet ein ausgedehntes Netzwerk in kontraktilen Zellen wie den Muskelfasern. Kalziumionen sind auch an der Regulierung des Stoffwechsels in der Zelle beteiligt und können die Dynamik des Zytoskeletts verändern.

Die ausgedehnte Beschaffenheit des ER-Netzwerks ermöglicht es ihm, mit der Plasmamembran zu interagieren und Ca2+ für die Signalübertragung und die Modulation der Kernaktivität zu nutzen. In Verbindung mit den Mitochondrien kann das ER auch seine Kalziumvorräte nutzen, um als Reaktion auf Stress Apoptose auszulösen.

Struktur des endoplasmatischen Retikulums

Das Membransystem des endoplasmatischen Retikulums kann morphologisch in zwei Strukturen unterteilt werden – Zisternen und Platten. Zisternen haben eine röhrenförmige Struktur und bilden ein dreidimensionales polygonales Netzwerk. Sie haben bei Säugetieren einen Durchmesser von etwa 50 nm und bei Hefe einen Durchmesser von 30 nm. ER-Sheets hingegen sind membranumschlossene, zweidimensionale, abgeflachte Säcke, die sich über das Zytoplasma erstrecken. Sie sind häufig mit Ribosomen und speziellen Proteinen, den so genannten Translokonen, assoziiert, die für die Proteinumsetzung innerhalb des ER notwendig sind.

Die hohe Krümmung der ER-Tubuli wird durch die Anwesenheit von Proteinen, den so genannten Retikulonen und DP1/Yop1p, stabilisiert. Retikulone sind membranassoziierte Proteine, die bei Säugetieren von vier Genen kodiert werden (RTN1-4). Diese Proteine sind in den ER-Tubuli und an den gekrümmten Rändern der ER-Folien lokalisiert. DP1/Yop1p sind eine Klasse von integralen Membranproteinen, die an der Stabilisierung der Struktur der ER-Zisternen beteiligt sind.

Sowohl Retikulone als auch DP1/Yop1-Proteine bilden Oligomere und interagieren mit dem Zytoskelett. Die Oligomerisierung scheint einer der Mechanismen zu sein, mit denen diese Proteine die Lipiddoppelschicht zu einem Röhrchen formen. Darüber hinaus scheinen sie auch ein keilförmiges Strukturmotiv zu verwenden, das eine Krümmung der Membran bewirkt. Diese beiden Klassen von Proteinen sind redundant, da die Überexpression des einen Proteins das Fehlen des anderen Proteins ausgleichen kann.

Der Aufbau des ER ist eng mit dem Vorhandensein von Zytoskelettelementen, insbesondere Mikrotubuli, verbunden. ER-Membranen, insbesondere Zisternen, bewegen und verzweigen sich entlang von Mikrotubuli. Wenn die Mikrotubuli-Struktur vorübergehend unterbrochen wird, kollabiert das ER-Netzwerk und bildet sich erst wieder neu, wenn das Mikrotubuli-Zytoskelett wiederhergestellt ist. Darüber hinaus spiegeln sich Veränderungen im Muster der Mikrotubuli-Polymerisation in Veränderungen der ER-Morphologie wider.

Lage des endoplasmatischen Retikulums

Das endoplasmatische Retikulum verarbeitet die meisten Anweisungen aus dem Zellkern. Daher umgibt das endoplasmatische Retikulum den Zellkern und strahlt nach außen ab. In Zellen, die viele Produkte für den Rest des Körpers absondern, kann das endoplasmatische Retikulum mehr als 50 % der Zelle ausmachen.

Im Allgemeinen exprimiert der Zellkern mRNA (Boten-RNA), die der Zelle mitteilt, wie sie Proteine aufbauen soll. Das raue endoplasmatische Retikulum hat viele Ribosomen, die der Hauptort der Proteinproduktion sind. In diesem Teil der Organelle werden Proteine gebildet und in die richtige Form gefaltet. Das glatte endoplasmatische Retikulum ist der primäre Ort für die Lipidsynthese. Als solches enthält es keine Ribosomen. Vielmehr führt es eine Reihe von Reaktionen durch, bei denen die Phospholipidmoleküle entstehen, die für die Bildung verschiedener Membranen und Organellen erforderlich sind.

Die raue Version des endoplasmatischen Retikulums liegt oft näher am Zellkern, während das glatte endoplasmatische Retikulum weiter vom Zellkern entfernt ist. Beide Versionen sind jedoch durch eine Reihe kleiner Röhren miteinander und mit dem Zellkern verbunden.

Typen des endoplasmatischen Retikulums

Es gibt zwei Haupttypen des ER in jeder Zelle – das glatte endoplasmatische Retikulum (SER) und das raue endoplasmatische Retikulum (RER). Beide haben unterschiedliche Funktionen und oft auch eine unterschiedliche Morphologie. Das SER ist am Fettstoffwechsel beteiligt und fungiert als Kalziumspeicher für die Zelle. Dies ist besonders wichtig in Muskelzellen, die Ca2+-Ionen für die Kontraktion benötigen. Der SER ist auch an der Synthese von Phospholipiden und Cholesterin beteiligt. Es befindet sich häufig in der Nähe der Peripherie der Zelle.

Das RER hingegen ist häufig in der Nähe des Zellkerns zu finden. Es enthält membrangebundene Ribosomen, die ihm das charakteristische „raue“ Aussehen verleihen. Diese Ribosomen bilden Proteine, die für das Lumen des ER bestimmt sind und während der Übersetzung in das Organell transportiert werden. Diese Proteine enthalten ein kurzes Signal, das durch einige Aminosäuren in ihrem N-Terminus gebildet wird, und werden zunächst im Zytoplasma übersetzt.

Sobald das Signal jedoch übersetzt ist, binden sich spezielle Proteine an die wachsende Polypeptidkette und verschieben das gesamte Ribosom und die damit verbundene Übersetzungsmaschinerie in das ER. Diese Polypeptide können entweder im RER verbleiben oder zum Golgi-Netzwerk transportiert werden, um dort sortiert und sezerniert zu werden.