Эндоплазмалық ретикулум: құрылысы, түрлері және функциялары
Endoplasmic reticulum
Эндоплазмалық ретикулум – эукариотты жасушаның маңызды органелласы. Ақуыздарды синтездеу, бүктеу және өңдеуге қатысады. Құрамында дөңгелек және тегіс ретикулум бар.
Ағылшыншамен салыстырыңыз: абзацты басыңыз — түпнұсқа терезеде ашылады. Абзац астындағы EN түймесі оны мәтін ішінде көрсетеді.
Мазмұны
Кіріспе
Жасуша органелі, ақуыздарды синтездейтін, бүгіп-жасау және өңдейтін.
Cell organelle that synthesizes, folds and processes proteins
Эндоплазмалық тор (ЭР) – эукариоттық жасушаның тасымалдау жүйесінің бір бөлігі және ақуыз бүктеу сияқты көптеген басқа маңызды функцияларды атқарады. Ол екі кіші бөлімнен тұратын органеллдің түрі: дөрекі эндоплазмалық тор (RER) және тегіс эндоплазмалық тор (SER). Эндоплазмалық тор эукариоттық жасушалардың көпшілігінде кездеседі және жапсырылған, мембранамен жабылған қаптардың (цистерналар – RER-де) және SER-дегі түтікшелердің өзара байланысқан желісін құрайды. ЭР мембранасы сыртқы ядролық мембранамен үздіріссіз жалғасып тұрады. Эндоплазмалық тор қызыл қан жасушаларында немесе сперматозоидтарда табылмайды. ЭР-дің екі түрі де көптеген ортақ ақуыздарды бөліседі және белгілі бір липидтер мен холестерин синтезі сияқты ортақ қызметтерге қатысады. Жасушалардың әртүрлі түрлерінде жасушаның қызметіне байланысты екі ЭР түрінің арақатынасы әртүрлі болады. RER көбінесе жасуша ядросына, ал SER жасуша мембранасына немесе плазмалық мембранаға қарай орналасады. RER-дің сыртқы (цитозольдік) беті ақуыз синтезінің орны болып табылатын рибосомалармен жабылады. RER гепатоциттер сияқты жасушаларда ерекше жақсы дамыған. SER-де рибосомалар жоқ және липид синтезінде, стероидтық гормондарды өндіруде және детоксикацияда қатысады, бірақ метаболизмде емес. SER сүтқоректілердің бауыры мен жыныс бездерінің жасушаларында көптеп кездеседі. ЭР-ді алғаш 1897 жылы Гарнье жарық микроскопиясымен байқаған және ол оған «эргастоплазма» деген ат берген. Эндоплазмалық тордың торлы мембраналарын алғаш рет 1945 жылы Кит Р. Портер, Альберт Клод және Эрнест Ф. Фуллам электронды микроскопия арқылы көрген. Кейін 1953 жылы Портер осы мембраналардың құрылымын сипаттау үшін «желі» деген мағына беретін «ретикулум» сөзін қолданған.
The endoplasmic reticulum (ER) is a part of a transportation system of the eukaryotic cell, and has many other important functions such as protein folding. It is a type of organelle made up of two subunits – rough endoplasmic reticulum (RER), and smooth endoplasmic reticulum (SER). The endoplasmic reticulum is found in most eukaryotic cells and forms an interconnected network of flattened, membrane enclosed sacs known as cisternae (in the RER), and tubular structures in the SER. The membranes of the ER are continuous with the outer nuclear membrane. The endoplasmic reticulum is not found in red blood cells, or spermatozoa. The two types of ER share many of the same proteins and engage in certain common activities such as the synthesis of certain lipids and cholesterol. Different types of cells contain different ratios of the two types of ER depending on the activities of the cell. RER is found mainly toward the nucleus of cell and SER towards the cell membrane or plasma membrane of cell. The outer (cytosolic) face of the RER is studded with ribosomes that are the sites of protein synthesis. The RER is especially prominent in cells such as hepatocytes. The SER lacks ribosomes and functions in lipid synthesis but not metabolism, the production of steroid hormones, and detoxification. The SER is especially abundant in mammalian liver and gonad cells. The ER was observed by light microscopy by Garnier in 1897, who coined the term ergastoplasm. The lacy membranes of the endoplasmic reticulum were first seen by electron microscopy in 1945 by Keith R. Porter, Albert Claude, and Ernest F. Fullam. Later, the word reticulum, which means "network", was applied by Porter in 1953 to describe this fabric of membranes.
Құрылымы
Эндоплазмалық тордың жалпы құрылымы цистерналар деп аталатын мембраналар желісі болып табылады. Бұл қап тәрізді құрылымдар цитоскелет арқылы біріктіріледі. Фосфолипид мембрана цистерналық кеңістікті (немесе люменді) қоршайды, ол перинуклеарлық кеңістікпен үздісіз, бірақ цитозолдан бөлек. Эндоплазмалық тордың функцияларын ақуыздар мен мембраналық липидтердің синтезі және экспорттау деп қорытындылауға болады, бірақ бұл ER-дің және жасуша типінің, жасуша функциясының өзгешеліктеріне байланысты өзгеріп отырады. Жасушадағы дөрекі және тегіс эндоплазмалық тордың мөлшері жасушаның метаболизмінің өзгеруіне қарай біртіндеп алмасып отыруы мүмкін. Трансформацияға мембранаға жаңа белоктарды енгізу, сондай-ақ құрылымдық өзгерістер кіруі мүмкін. Белсенділік құрамындағы өзгерістер байқалатын құрылымдық өзгерістерсіз де жүруі мүмкін.
The general structure of the endoplasmic reticulum is a network of membranes called cisternae. These sac like structures are held together by the cytoskeleton. The phospholipid membrane encloses the cisternal space (or lumen), which is continuous with the perinuclear space but separate from the cytosol. The functions of the endoplasmic reticulum can be summarized as the synthesis and export of proteins and membrane lipids, but varies between ER and cell type and cell function. The quantity of both rough and smooth endoplasmic reticulum in a cell can slowly interchange from one type to the other, depending on the changing metabolic activities of the cell. Transformation can include embedding of new proteins in membrane as well as structural changes. Changes in protein content may occur without noticeable structural changes.
Тегіс эндоплазмалық тор
Көптеген жасушаларда тегіс эндоплазмалық тор (қысқартылған SER) сирек кездеседі. Оның орнына, ER ішінара тегіс, ішінара дөрекі болатын аймақтар бар, бұл аймақ өтпелі ER деп аталады. Өтпелі ER өз атын алған, себебі ол ER шығу орындарын қамтиды. Бұл орындарда ER-де синтезделген липидтер мен ақуыздарды тасымалдайтын көпіршіктер ER-ден бөлініп, Гольги аппаратына қарай қозғала бастайды. Мамандандырылған жасушаларда тегіс эндоплазмалық тор көп болуы мүмкін, және мұндай жасушаларда тегіс ER көптеген функцияларды атқарады. Олардың ішінде стероидтерді синтездеу де бар. Бұл өнімдерді бөліп шығаратын жасушалар, мысалы, ұрықшалар, жұмыртқалық бездер және май бездерінде тегіс эндоплазмалық тор көп мөлшерде кездеседі. Ол сонымен қатар көмірсулардың метаболизмін, табиғи метаболизм өнімдерінің және алкоголь мен дәрі-дәрмектердің залалсыздануын, жасуша мембранасы ақуыздарына рецепторлардың бекітілуін және стероид метаболизмін жүзеге асырады. Бұлшықет жасушаларында кальций иондарының концентрациясын реттейді. Тегіс эндоплазмалық тор жануарлар мен өсімдіктер жасушаларының әртүрлі түрлерінде кездеседі және әрқайсысында әртүрлі функцияларды атқарады. Тегіс эндоплазмалық торда глюкоза-6-фосфатаза ферменті де бар, ол глюкоза-6-фосфатын глюкозаға айналдырады, бұл глюконеогенез процесінің бір қадамы. Ол ядролық қабықшаға жалғасқан және жасушаның шеткі бөлігіне жақын орналасқан түтікшелерден тұрады. Бұл түтікшелер кейде тармақталып, сырттан қарағанда тор тәрізді желі құрайды. Саркоплазмалық тордан босатылғаннан кейін кальций иондары АТФ энергиясын пайдаланып бұлшықет талшықтарын қысқартатын созылушы ақуыздармен өзара әрекеттеседі. Саркоплазмалық тор қозу-сығу процесінде маңызды рөл атқарады.
In most cells the smooth endoplasmic reticulum (abbreviated SER) is scarce. Instead there are areas where the ER is partly smooth and partly rough, this area is called the transitional ER. The transitional ER gets its name because it contains ER exit sites. These are areas where the transport vesicles that contain lipids and proteins made in the ER, detach from the ER and start moving to the Golgi apparatus. Specialized cells can have a lot of smooth endoplasmic reticulum and in these cells the smooth ER has many functions. and steroids. Cells which secrete these products, such as those in the testes, ovaries, and sebaceous glands have an abundance of smooth endoplasmic reticulum. It also carries out the metabolism of carbohydrates, detoxification of natural metabolism products and of alcohol and drugs, attachment of receptors on cell membrane proteins, and steroid metabolism. In muscle cells, it regulates calcium ion concentration. Smooth endoplasmic reticulum is found in a variety of cell types (both animal and plant), and it serves different functions in each. The smooth endoplasmic reticulum also contains the enzyme glucose 6 phosphatase, which converts glucose 6 phosphate to glucose, a step in gluconeogenesis. It is connected to the nuclear envelope and consists of tubules that are located near the cell periphery. These tubes sometimes branch forming a network that is reticular in appearance. After their release from the sarcoplasmic reticulum, calcium ions interact with contractile proteins that utilize ATP to shorten the muscle fiber. The sarcoplasmic reticulum plays a major role in excitation contraction coupling.
Функциялар
Эндоплазмалық тор көптеген жалпы функцияларды атқарады, соның ішінде цистерналар деп аталатын қуыстарда ақуыз молекулаларын бүктеу және синтезделген ақуыздарды везикулаларда Гольджи аппаратына тасымалдау. Қалдық эндоплазмалық тор да ақуыз синтезіне қатысады. Жаңадан түзілген ақуыздардың дұрыс бүлінуіне бірнеше эндоплазмалық тор шаперондық ақуыздары көмектеседі, олардың ішінде белок дисульфид изомеразасы (PDI), ERp29, Hsp70 отбасының мүшесі BiP/Grp78, кальнексин, кальретикулин және пептидилпролил изомеразалар отбасы бар. Тек дұрыс бүлінген ақуыздар ғана қалың эндоплазмалық тордан Гольджи аппаратына тасымалданады – бүлінбеген ақуыздар эндоплазмалық торда стресс жауабын тудырады. Редокс реттелуінің, кальций реттелуінің, глюкоза жетіспеушілігінің, вирустық инфекцияның немесе ақуыздардың шамадан тыс экспрессиялануының бұзылулары эндоплазмалық ретикулум стресс жауабына (ЭР стресс) әкелуі мүмкін, бұл жағдайда ақуыздардың бүлінуі баяулап, бүлінбеген ақуыздардың саны артады. Бұл стресс гипоксия/ишемия, инсулинге төзімділік және басқа да ауруларда зақымданудың ықтимал себебі ретінде анықталып келеді.
The endoplasmic reticulum serves many general functions, including the folding of protein molecules in sacs called cisternae and the transport of synthesized proteins in vesicles to the Golgi apparatus. Rough endoplasmic reticulum is also involved in protein synthesis. Correct folding of newly made proteins is made possible by several endoplasmic reticulum chaperone proteins, including protein disulfide isomerase (PDI), ERp29, the Hsp70 family member BiP/Grp78, calnexin, calreticulin, and the peptidylprolyl isomerase family. Only properly folded proteins are transported from the rough ER to the Golgi apparatus – unfolded proteins cause an unfolded protein response as a stress response in the ER. Disturbances in redox regulation, calcium regulation, glucose deprivation, and viral infection or the over expression of proteins can lead to endoplasmic reticulum stress response (ER stress), a state in which the folding of proteins slows, leading to an increase in unfolded proteins. This stress is emerging as a potential cause of damage in hypoxia/ischemia, insulin resistance, and other disorders.
Белоктарды тасымалдау
Секреторлық ақуыздар, көбінесе гликопротеиндер, эндоплазмалық торлы мембрана арқылы жылжытылады. Эндоплазмалық тор арқылы жасушаның ішінде тасымалданатын ақуыздар сигналдық тізбек деп аталатын адрестік табелькамен белгіленеді. Полипептид тізбегінің (яғни, ақуыздың) N-ұшында адрестік табелька ретінде жұмыс істейтін бірнеше аминқышқылдары болады, олар полипептид өзінің түпкілікті орнына жеткенде алынып тасталады. Жаңа түзілген пептидтер транслокон арқылы, яғни мембранаға енген көп ақуызды кешен арқылы ER-ге жетеді. Эндоплазмалық тордан тыс жерлерге бағытталған ақуыздар тасымалдаушы везикулаларға жиналады және цитоскелет бойымен өздерінің орнына қарай жылжытылады. Адамның фибробластарында ER әрқашан микротубулалармен бірге орналасады, ал соңғыларының деполимерленуі оның митохондриялармен бірігуіне себеп болады, олар да ER-мен байланысты. Эндоплазмалық тор сонымен қатар ақуызды сұрыптау жолының бір бөлігі болып табылады. Ол, мәні бойынша, эукариотты жасушаның көліктік жүйесі. Оның тұрақты ақуыздарының көпшілігі ретенциялық мотив арқылы ішінде ұсталып қалады. Бұл мотив ақуыз тізбегінің соңында орналасқан төрт аминқышқылынан тұрады. Ең көп кездесетін ретенциялық тізбек – люменде орналасқан ақуыздар үшін KDEL және трансмембраналық ақуыздар үшін KKXX. Дегенмен, KDEL және KKXX тізбектерінің өзгерістері де болады, сондай-ақ басқа тізбектер де эндоплазмалық тордың ретенциясына себеп болуы мүмкін. Мұндай өзгерістер ER-дің ішкі локализациясына әкелуі мүмкін бе, жоқ па, әлі белгісіз. Сүтқоректілер жасушаларында үш KDEL (1, 2 және 3) рецепторы бар, және олардың тізбектік сәйкестігі өте жоғары. Бұл рецепторлардың функционалдық айырмашылықтары әлі анықталған жоқ.
Secretory proteins, mostly glycoproteins, are moved across the endoplasmic reticulum membrane. Proteins that are transported by the endoplasmic reticulum throughout the cell are marked with an address tag called a signal sequence. The N terminus (one end) of a polypeptide chain (i. e., a protein) contains a few amino acids that work as an address tag, which are removed when the polypeptide reaches its destination. Nascent peptides reach the ER via the translocon, a membrane embedded multiprotein complex. Proteins that are destined for places outside the endoplasmic reticulum are packed into transport vesicles and moved along the cytoskeleton toward their destination. In human fibroblasts, the ER is always co distributed with microtubules and the depolymerisation of the latter cause its co aggregation with mitochondria, which are also associated with the ER. The endoplasmic reticulum is also part of a protein sorting pathway. It is, in essence, the transportation system of the eukaryotic cell. The majority of its resident proteins are retained within it through a retention motif. This motif is composed of four amino acids at the end of the protein sequence. The most common retention sequences are KDEL for lumen located proteins and KKXX for transmembrane proteins. However, variations of KDEL and KKXX do occur, and other sequences can also give rise to endoplasmic reticulum retention. It is not known whether such variation can lead to sub ER localizations. There are three KDEL (1, 2 and 3) receptors in mammalian cells, and they have a very high degree of sequence identity. The functional differences between these receptors remain to be established.
CaATiER механизмі арқылы ER ATP жеткізуді биоэнергетикалық реттеу
Эндоплазмалық торда АТФ қайта жаңарту механизмі жоқ, сондықтан митохондриядан АТФ импорттау қажет. Импортталған АТФ эндоплазмалық тордың өмірлік қызметін атқаруы үшін, мысалы, белоктарды дұрыс бүктеу және тасымалдау үшін маңызды. Эндоплазмалық тордың АТФ транспортері, SLC35B1/AXER, жақында клондалып, сипатталды, ал митохондриялар Ca2+ қарсыластырылатын эндоплазмалық торға (CaATiER) тасымалдау механизмі арқылы АТФ жеткізеді. CaATiER механизмі цитозольдік Ca2+ сезімталдығын жоғары наномольден (nM) төмен микромольге (μM) дейін көрсетеді, ал Ca2+ сезімталдығын анықтап, растау жұмыстары әлі жүргізілуде.
The endoplasmic reticulum does not harbor an ATP regeneration machinery, and therefore requires ATP import from mitochondria. The imported ATP is vital for the ER to carry out its house keeping cellular functions, such as for protein folding and trafficking. The ER ATP transporter, SLC35B1/AXER, was recently cloned and characterized, and the mitochondria supply ATP to the ER through a Ca2+ antagonized transport into the ER (CaATiER) mechanism. The CaATiER mechanism shows sensitivity to cytosolic Ca2+ ranging from high nM to low μM range, with the Ca2+ sensing element yet to be identified and validated.
Клиникалық маңызы
Панкреастың β-жасушаларындағы ER стресінің артуы және физиологиялық деңгейден жоғарылауы инсулиннің қалыпты секрециясын бұзады, нәтижесінде гиперинсулинемия пайда болады, ал одан кейін адамдарда семіздікпен байланысты перифериялық инсулинге қарсылық туындайды. Адамдарға жасалған клиникалық сынақтар да семіздік салдарынан инсулин секрециясының жоғарылауы мен перифериялық инсулинге қарсы тұру арасындағы себеп-салдар байланысын көрсетті. XBP1-дегі бұзылыстар эндоплазмалық ретикулумның стресске жауап беруін күшейтеді, содан кейін тіпті Альцгеймер ауруына әкелуі мүмкін қабыну процестеріне осалдықты арттырады. Ішекте XBP1 аномалиялары ішек қабыну ауруларымен, оның ішінде Крон ауруымен байланысты. Бұрылмаған ақуызға жауап (ААЖ) – эндоплазмалық тормен байланысты жасушалық стресс жауабы. UPR эндоплазмалық тордың люменінде дұрыс бүлінбеген немесе бүлінбеген ақуыздардың жиналуына жауап ретінде белсендіріледі. UPR функциясы – ақуыздың трансляциясын тоқтату, дұрыс бүлінбеген ақуыздарды ыдырату және ақуыз бүлінуіне қатысатын молекулалық шаперондардың өндірісін арттыруға бағытталған сигналдық жолдарды іске қосу арқылы жасушаның қалыпты жұмысын қалпына келтіру. UPR-дің тұрақты түрде жоғары белсенділігі прион ауруларымен, сондай-ақ бірнеше басқа нейродегенеративті аурулармен байланысты, ал UPR-ді тежеу осы ауруларды емдеуге мүмкіндік беруі мүмкін.
Increased and supraphysiological ER stress in pancreatic β cells disrupts normal insulin secretion, leading to hyperinsulinemia and consequently peripheral insulin resistance associated with obesity in humans. Human clinical trials also suggested a causal link between obesity induced increase in insulin secretion and peripheral insulin resistance. Abnormalities in XBP1 lead to a heightened endoplasmic reticulum stress response and subsequently causes a higher susceptibility for inflammatory processes that may even contribute to Alzheimer's disease. In the colon, XBP1 anomalies have been linked to the inflammatory bowel diseases including Crohn's disease. The unfolded protein response (UPR) is a cellular stress response related to the endoplasmic reticulum. The UPR is activated in response to an accumulation of unfolded or misfolded proteins in the lumen of the endoplasmic reticulum. The UPR functions to restore normal function of the cell by halting protein translation, degrading misfolded proteins, and activating the signaling pathways that lead to increasing the production of molecular chaperones involved in protein folding. Sustained overactivation of the UPR has been implicated in prion diseases as well as several other neurodegenerative diseases and the inhibition of the UPR could become a treatment for those diseases.