Cellbiologi

Den endoplasmiska retikulum

Det endoplasmatiska retikulumet (ER) är ett system med membranformiga cisterna (plattade säck) som sträcker sig genom hela cytoplasma. Ofta utgör det mer än hälften av det totala membranet i cellen. Denna struktur noterades först i slutet av 1800-talet, då studier av färgade celler indikerade närvaron av någon typ av omfattande cytoplasmatisk struktur, därefter benämnd gastroplasm. Elektronmikroskopet gjorde det möjligt att studera morfologin hos denna organell under 1940-talet, då den fick sitt nuvarande namn.

Den endoplasmiska retikulum kan klassificeras i två funktionellt distinkta former, den släta endoplasmatiska retikulum (SER) och den grova endoplasmatiska retikulum (RER). Den morfologiska skillnaden mellan de två är närvaron av proteinsyntetiserande partiklar, kallade ribosomer, fästa vid RER: s yttre yta.

Den smidiga endoplasmiska retikulum

Funktionerna hos SER, ett nätverk av fina rörformiga membranvesiklar, varierar avsevärt från cell till cell. En viktig roll är syntesen av fosfolipider och kolesterol, som är huvudkomponenterna i plasma och inre membran. Fosfolipider bildas av fettsyror, glycerolfosfat och andra små vattenlösliga molekyler av enzymer bundna till ER-membranet med sina aktiva ställen vända mot cytosolen. Vissa fosfolipider kvar i ER-membranet, där de, katalyserade av specifika enzymer i membranen, kan "vända" från den cytoplasmiska sidan av tvåskiktet, där de bildades, till den exoplasmiska eller inre sidan. Denna process säkerställer den symmetriska tillväxten av ER-membranet. Andra fosfolipider överförs genom cytoplasma till andra membranstrukturer, såsom cellmembranet och mitokondrionen, med speciella fosfolipidöverföringsproteiner.

I leverceller är SER specialiserad för avgiftning av en mängd olika föreningar som produceras genom metaboliska processer. Lever SER innehåller ett antal enzymer som kallas cytokrom P450, som katalyserar nedbrytningen av karcinogener och andra organiska molekyler. I celler i binjurarna och gonaderna modifieras kolesterol i SER i ett steg av omvandlingen till steroidhormoner. Slutligen binder SER i muskelceller, känd som sarkoplasmatisk retikulum, kalciumjoner från cytoplasma. När muskeln utlöses av nervstimulanser frigörs kalciumjonerna vilket orsakar muskelsammandragning.

Det grova endoplasmiska retikulumet

RER är vanligtvis en serie anslutna plattade säckar. Det spelar en central roll i syntesen och exporten av proteiner och glykoproteiner och studeras bäst i de sekretoriska cellerna som är specialiserade på dessa funktioner. De många utsöndringscellerna i den mänskliga kroppen inkluderar leverceller som utsöndrar serumproteiner såsom albumin, endokrina celler som utsöndrar peptidhormoner såsom insulin, salivkörtlar och bukspottkörtelacinarceller som utsöndrar matsmältningsenzymer, bröstkörtelceller som utsöndrar mjölkproteiner och broskceller som utsöndrar kollagen och proteoglykaner.

Ribosomer är partiklar som syntetiserar proteiner från aminosyror. De består av fyra RNA-molekyler och mellan 40 och 80 proteiner sammansatta i en stor och en liten underenhet. Ribosomer är antingen fria (dvs. inte bundna till membran) i cytoplasma av cellen eller bundna till RER. Lysosomala enzymer, proteiner avsedda för ER, Golgi och cellmembran och proteiner som ska utsöndras från cellen är bland de som syntetiseras på membranbundna ribosomer. Tillverkade på fria ribosomer är proteiner kvar i cytosolen och de som är bundna till den inre ytan av det yttre membranet, såväl som de som ska införlivas i kärnan, mitokondrier, kloroplaster, peroxisomer och andra organeller. Speciella egenskaper hos proteiner märker dem för transport till specifika destinationer inuti eller utanför cellen. År 1971 föreslog den tyskfödda cellulär- och molekylärbiologen Günter Blobel och den argentinskfödda cellulärbiologen David Sabatini att den aminoterminala delen av proteinet (den första delen av molekylen som skulle framställas) kunde fungera som en "signalsekvens." De föreslog att en sådan signalsekvens skulle underlätta bindningen av det växande proteinet till ER-membranet och leda proteinet antingen in i membranet eller genom membranet in i ER-lumen (inre).

Signalhypotesen har bekräftats av en stor mängd experimentella bevis. Översättning av ritningen för ett specifikt protein kodat i en messenger-RNA-molekyl börjar på en fri ribosom. När det växande proteinet, med signalsekvensen vid dess aminoterminala ände, kommer ut från ribosomen binder sekvensen till ett komplex av sex proteiner och en RNA-molekyl som kallas signaligenkänningspartikel (SRP). SRP binder också till ribosomen för att stoppa ytterligare bildning av proteinet. Membranet i ER innehåller receptorställen som binder SRP-ribosomkomplexet till RER-membranet. Efter bindning återupptas translationen, med SRP som dissocierar från komplexet och signalsekvensen och resten av det framväxande proteinet som tränger igenom membranet, via en kanal som kallas ett translokon, in i ER-lumen. Vid den punkten är proteinet permanent segregerat från cytosolen. I de flesta fall klyvas signalsekvensen från proteinet av ett enzym som kallas signalpeptidas när det dyker upp på luminalytan på ER-membranet. I ett förfarande känt som glykosylering tillsätts dessutom oligosackaridkedjor (komplexa socker) ofta till proteinet för att bilda ett glykoprotein. Inuti ER-lumen viks proteinet in i sin karakteristiska tredimensionella konformation.

Inom lumen diffunderar proteiner som utsöndras från cellen i övergångsdelen av ER, en region som till stor del är fri från ribosomer. Där förpackas molekylerna i små membranbundna transportvesiklar, som skiljer sig från ER-membranet och rör sig genom cytoplasman till ett målmembran, vanligtvis Golgi-komplexet. Där smälter transportvesikelmembranet med Golgi-membranet, och innehållet i vesikeln levereras in i lumen i Golgi. Detta, liksom alla processer med knoppning och fusion av vesiklar, bevarar membranens sidosidighet; det vill säga, den cytoplasmatiska ytan av membranet vetter alltid utåt, och luminalinnehållet sekvenseras alltid från cytoplasma.

Vissa icke-sekretoriska proteiner tillverkade på RER förblir en del av cellens membransystem. Dessa membranproteiner har, utöver signalsekvensen, ett eller flera förankringsregioner sammansatta av lipidlösliga aminosyror. Aminosyrorna förhindrar passage av proteinet fullständigt in i ER-lumen genom att förankra det i fosfolipid-tvåskiktet i ER-membranet.