Endoplasminen retikulum Määritelmä
Endoplasminen retikulum (ER) on suuri organelli, joka koostuu kalvomaisista levyistä ja tubuluksista, jotka alkavat läheltä ydintä ja ulottuvat koko solun läpi. Endoplasminen retikulum luo, pakkaa ja erittää monia solun tuottamia tuotteita. Ribosomit, jotka luovat proteiineja, reunustavat osaa endoplasmisesta retikulumista.
Endoplasmisen retikulumin yleiskatsaus
Koko rakenne voi muodostaa suuren osan solun endomembraanijärjestelmästä. Esimerkiksi soluissa, kuten maksan hepatosyyteissä, jotka ovat erikoistuneet proteiinien eritykseen ja detoksifikaatioon, ER voi muodostaa yli 50 % solun koko lipidikaksoiskerroksesta. Vastaavasti ER-kalvojärjestelmä on erityisen merkittävä haiman beetasoluissa, jotka erittävät insuliinia, tai aktivoituneissa B-lymfosyyteissä, jotka tuottavat vasta-aineita.
Kuten kuvasta nähdään, endoplasmisen retikuulumin kalvot sivuavat ulompaa ydinkalvoa, vaikkakin niiden koostumukset voivat olla erilaisia. ER sisältää erityisiä kalvoihin kiinnittyneitä proteiineja, jotka stabiloivat sen rakennetta ja kaarevuutta. Tämä organelli toimii tärkeänä solun toiminnan säätelijänä, koska se on läheisessä vuorovaikutuksessa useiden muiden organellien kanssa. Endoplasmisen retikulumin tuotteet kulkeutuvat usein Golgin elimistöön pakkaamista ja lisäkäsittelyä varten ennen erittymistä.
Tämä on mikroskooppikuva leikkauksesta nisäkkään keuhkokudoksesta. Kuvan oikeassa alakulmassa näkyy tuma ja muu osa kuvaa ER:n laajuutta. Pienet tummat ympyrät ovat mitokondrioita, jotka ovat fyysisessä läheisyydessä ER:n kalvojen kanssa.
Endoplasmisen retikulumin toiminta
Er:llä on solun sisällä useita tehtäviä proteiinisynteesistä ja rasva-aineenvaihdunnasta solun detoksifiointiin. Cisternat, kukin endoplasmisen retikulumin pienistä poimuista, liittyvät yleisesti lipidiaineenvaihduntaan. Näin syntyy solun plasmakalvo sekä lisää endoplasmista verkkokalvoa ja organelleja. Ne näyttävät myös olevan tärkeitä solun Ca2+-tasapainon ylläpitämisessä ja ER:n vuorovaikutuksessa mitokondrioiden kanssa. Tämä vuorovaikutus vaikuttaa myös solun aerobiseen tilaan.
ER-arkit näyttävät olevan ratkaisevassa asemassa organellin vasteessa stressiin, erityisesti koska solut muuttavat tubulusten ja arkkien suhdettaan, kun unfoldattujen proteiinien määrä kasvaa. Toisinaan ER indusoi apoptoosin vastauksena solun sisällä olevaan ylimääräiseen taitamattomien proteiinien määrään. Kun ribosomit irtoavat ER-arkkeista, nämä rakenteet voivat hajaantua ja muodostaa tubulaarisia sisternejä.
Vaikka ER-arkkeilla ja tubuluksilla näyttäisikin olevan erilaiset tehtävät, rooleja ei ole rajattu täydellisesti toisistaan. Esimerkiksi nisäkkäillä tubulukset ja arkit voivat muuntua toisiinsa, jolloin solut sopeutuvat erilaisiin olosuhteisiin. Rakenteen ja toiminnan välistä suhdetta ER:ssä ei ole täysin selvitetty.
Proteiinisynteesi ja -taitto
Proteiinisynteesi tapahtuu karkeassa endoplasmisessa retikulumissa. Vaikka kaikkien proteiinien translaatio alkaa sytoplasmassa, osa proteiineista siirretään ER:ään, jotta ne voidaan taittaa ja lajitella eri kohteisiin. Proteiinit, jotka siirretään translaation aikana ER:ään, on usein tarkoitettu erittymään. Aluksi nämä proteiinit taitetaan ER:ssä, minkä jälkeen ne siirretään Golgi-laitteistoon, josta ne voidaan lähettää muihin organelleihin.
Esimerkiksi lysosomin hydrolyyttiset entsyymit syntyvät tällä tavoin. Vaihtoehtoisesti nämä proteiinit voitaisiin erittää solusta. Näin syntyvät ruoansulatuskanavan entsyymit. Kolmas mahdollinen tehtävä ER:ssä käännetyille proteiineille on jäädä itse endomembraanijärjestelmään. Tämä pätee erityisesti chaperoniproteiineihin, jotka auttavat muiden proteiinien taittumisessa. Näitä proteiineja koodaavat geenit säätyvät ylös, kun solu joutuu stressin alaiseksi taittumattomien proteiinien vuoksi.
Lipidisynteesi
Sileällä endoplasmisella retikulumilla on tärkeä rooli kolesterolin ja fosfolipidien biosynteesissä. Siksi tämä ER:n osa on tärkeä paitsi plasmakalvon myös itse ER:n laajan endomembraanijärjestelmän synnylle ja ylläpidolle.
SER:ssä on runsaasti entsyymejä, jotka osallistuvat sterolien ja steroidien biosynteesireitteihin, ja se on välttämätön myös steroidihormonien synteesille. Siksi SER on erittäin merkittävä lisämunuaisen soluissa, jotka erittävät viittä eri steroidihormoniryhmää, jotka vaikuttavat koko elimistön aineenvaihduntaan. Näiden hormonien synteesiin osallistuu myös mitokondrioissa olevia entsyymejä, mikä korostaa entisestään näiden kahden organellin välistä suhdetta.
Kalsiumvarasto
SER on tärkeä kalsiumin varastointi- ja vapautumispaikka solussa. SER:n modifioitu muoto, jota kutsutaan sarkoplasmiseksi retikulumiksi, muodostaa laajan verkoston supistuvissa soluissa, kuten lihassyissä. Kalsiumionit osallistuvat myös solun aineenvaihdunnan säätelyyn ja voivat muuttaa sytoskeletin dynamiikkaa.
ER-verkon laaja luonne antaa sille mahdollisuuden olla vuorovaikutuksessa plasmakalvon kanssa ja käyttää Ca2+:a signaalinsiirtoon ja ydinaktiivisuuden modulointiin. Yhdessä mitokondrioiden kanssa ER voi myös käyttää kalsiumvarastojaan apoptoosin indusoimiseksi stressin seurauksena.
Endoplasmisen retikulumin rakenne
Endoplasmisen retikulumin kalvojärjestelmä voidaan morfologisesti jakaa kahteen rakenteeseen – sakaroihin ja levyihin. Sisternat ovat rakenteeltaan putkimaisia ja muodostavat kolmiulotteisen monikulmaisen verkoston. Niiden halkaisija nisäkkäillä on noin 50 nm ja hiivalla 30 nm. ER-arkit puolestaan ovat kalvon ympäröimiä, kaksiulotteisia litteitä pusseja, jotka ulottuvat sytoplasman poikki. Niihin liittyy usein ribosomeja ja erityisiä translokoneiksi kutsuttuja proteiineja, jotka ovat välttämättömiä proteiinien translaatiolle RER:ssä.
Er:n tubulusten korkeaa kaarevuutta stabiloivat retikuloneiksi kutsutut proteiinit ja DP1/Yop1p. Retikulonit ovat membraaniin assosioituneita proteiineja, joita nisäkkäillä koodaa neljä geeniä (RTN1-4). Nämä proteiinit lokalisoituvat ER-tubuluksiin ja ER-levyjen kaareviin reunoihin. DP1/Yop1p ovat luokka integraalisia kalvoproteiineja, jotka osallistuvat ER-sisternojen rakenteen vakauttamiseen.
Sekä retikulonit että DP1/Yop1-proteiinit muodostavat oligomeerejä ja ovat vuorovaikutuksessa sytoskeletin kanssa. Oligomerisaatio näyttää olevan yksi näiden proteiinien käyttämistä mekanismeista, joilla ne muokkaavat lipidikaksoiskerrosta putkeksi. Lisäksi ne näyttävät myös käyttävän kiilamaista rakenteellista motiivia, joka saa kalvon kaartumaan. Nämä kaksi proteiiniluokkaa ovat redundantteja, sillä toisen proteiinin yliekspressio voi kompensoida toisen proteiinin puutteen.
ER:n rakentumiseen liittyy läheisesti sytoskeletaalielementtien, erityisesti mikrotubulusten, läsnäolo. ER:n kalvot, erityisesti sisternat, liikkuvat ja haarautuvat mikrotubuluksia pitkin. Kun mikrotubulusten rakenne häiriintyy tilapäisesti, ER-verkosto luhistuu ja uudistuu vasta, kun mikrotubulusten sytoskeletti on palautunut ennalleen. Lisäksi mikrotubulusten polymerisaatiomallin muutokset heijastuvat ER:n morfologian muutoksina.
Endoplasmisen retikulumin sijainti
Endoplasminen retikulum käsittelee suurimman osan ytimestä tulevista ohjeista. Sellaisenaan endoplasminen retikulum ympäröi ydintä ja säteilee ulospäin. Soluissa, jotka erittävät paljon tuotteita muulle elimistölle, endoplasmisen retikulumin osuus voi olla yli 50 % solusta.
Yleisesti tuma ilmentää mRNA:ta (messenger RNA), joka kertoo solulle, miten proteiineja rakennetaan. Karkeassa endoplasmisessa retikulumissa on paljon ribosomeja, jotka ovat proteiinien valmistuksen ensisijainen paikka. Tämä organellin osa luo proteiineja ja alkaa taittaa niitä oikeaan muotoon. Sileä endoplasminen retikulum on lipidisynteesin ensisijainen sijaintipaikka. Sellaisena se ei sisällä ribosomeja. Pikemminkin se suorittaa sarjan reaktioita, jotka luovat fosfolipidimolekyylejä, joita tarvitaan erilaisten kalvojen ja organellien luomiseen.
Endoplasmisen retikulumin karkea versio on usein lähempänä ydintä, kun taas sileä endoplasminen retikulumi on kauempana ytimestä. Molemmat versiot ovat kuitenkin yhteydessä toisiinsa ja ytimeen pienten putkistojen kautta.
Endoplasmisen retikulumin tyypit
Kussakin solussa on kaksi päätyyppiä ER:ää – sileä endoplasminen retikulumi (SER) ja karkea endoplasminen retikulumi (RER). Kummallakin on erilaiset tehtävät ja usein myös erilainen morfologia. SER osallistuu rasva-aineenvaihduntaan ja toimii solun kalsiumvarastona. Tämä on erityisen tärkeää lihassoluissa, jotka tarvitsevat Ca2+ -ioneja supistumiseen. SER osallistuu myös fosfolipidien ja kolesterolin synteesiin. Se sijaitsee usein lähellä solun periferiaa.
Toisaalta RER nähdään yleisesti lähellä ydintä. Se sisältää kalvoon sidottuja ribosomeja, jotka antavat sille tyypillisen ”karhean” ulkonäön. Nämä ribosomit luovat proteiineja, jotka on tarkoitettu ER:n luumeniin, ja ne siirretään organelliin, kun niitä käännetään. Nämä proteiinit sisältävät lyhyen signaalin, joka muodostuu muutamasta aminohaposta niiden N-terminaalissa, ja ne käännetään aluksi sytoplasmassa.
Heti kun signaali on käännetty, erityiset proteiinit sitoutuvat kasvavaan polypeptidiketjuun ja siirtävät koko ribosomin ja siihen liittyvän käännöskoneiston ER:ään. Nämä polypeptidit voivat olla RER:ssä asuvia proteiineja tai ne voivat siirtyä kohti Golgi-verkostoa lajiteltaviksi ja erittyviksi.