Das endoplasmatische Retikulum
Das endoplasmatische Retikulum (ER) ist ein System membranöser Zisternen (abgeflachte Säcke), die sich über das gesamte Zytoplasma erstrecken. Oft macht es mehr als die Hälfte der gesamten Membran in der Zelle aus. Diese Struktur wurde erstmals im späten 19. Jahrhundert festgestellt, als Studien an gefärbten Zellen das Vorhandensein einer ausgedehnten zytoplasmatischen Struktur zeigten, die dann als Gastroplasma bezeichnet wurde. Das Elektronenmikroskop ermöglichte die Untersuchung der Morphologie dieser Organelle in den 1940er Jahren, als sie ihren heutigen Namen erhielt.
Das endoplasmatische Retikulum kann in zwei funktionell unterschiedliche Formen eingeteilt werden, das glatte endoplasmatische Retikulum (SER) und das raue endoplasmatische Retikulum (RER). Die morphologische Unterscheidung zwischen den beiden ist das Vorhandensein von Protein-synthetisierenden Partikeln, Ribosomen genannt, die an der Außenfläche des RER haften.
Das glatte endoplasmatische Retikulum
Die Funktionen des SER, eines Netzes feiner röhrenförmiger Membranvesikel, variieren von Zelle zu Zelle erheblich. Eine wichtige Rolle ist die Synthese von Phospholipiden und Cholesterin, die Hauptbestandteile des Plasmas und der inneren Membranen sind. Phospholipide werden aus Fettsäuren, Glycerinphosphat und anderen kleinen wasserlöslichen Molekülen durch an die ER-Membran gebundene Enzyme gebildet, deren aktive Stellen dem Cytosol zugewandt sind. Einige Phospholipide verbleiben in der ER-Membran, wo sie, katalysiert durch spezifische Enzyme in den Membranen, von der zytoplasmatischen Seite der Doppelschicht, auf der sie gebildet wurden, zur exoplasmatischen oder inneren Seite „kippen“ können. Dieser Prozess stellt das symmetrische Wachstum der ER-Membran sicher. Andere Phospholipide werden durch spezielle Phospholipidtransferproteine durch das Zytoplasma auf andere Membranstrukturen wie die Zellmembran und das Mitochondrium übertragen.
In Leberzellen ist der SER auf die Entgiftung einer Vielzahl von Verbindungen spezialisiert, die durch Stoffwechselprozesse hergestellt werden. Leber-SER enthält eine Reihe von Enzymen namens Cytochrom P450, die den Abbau von Karzinogenen und anderen organischen Molekülen katalysieren. In Zellen der Nebennieren und Gonaden wird Cholesterin im SER in einem Stadium seiner Umwandlung in Steroidhormone modifiziert. Schließlich bindet das SER in Muskelzellen, das als sarkoplasmatisches Retikulum bekannt ist, Calciumionen aus dem Zytoplasma. Wenn der Muskel durch Nervenreize ausgelöst wird, werden die Calciumionen freigesetzt, was zu einer Muskelkontraktion führt.
Das raue endoplasmatische Retikulum
Die RER besteht im Allgemeinen aus einer Reihe verbundener abgeflachter Säcke. Es spielt eine zentrale Rolle bei der Synthese und dem Export von Proteinen und Glykoproteinen und wird am besten in den auf diese Funktionen spezialisierten Sekretionszellen untersucht. Zu den vielen sekretorischen Zellen im menschlichen Körper gehören Leberzellen, die Serumproteine wie Albumin sekretieren, endokrine Zellen, die Peptidhormone wie Insulin, Speicheldrüsen und Pankreas-Azinus-Zellen sekretieren, die Verdauungsenzyme sekretieren, Brustdrüsenzellen, die Milchproteine sekretieren, und Knorpelzellen, die Kollagen und sekretieren Proteoglykane.
Ribosomen sind Partikel, die Proteine aus Aminosäuren synthetisieren. Sie bestehen aus vier RNA-Molekülen und zwischen 40 und 80 Proteinen, die zu einer großen und einer kleinen Untereinheit zusammengesetzt sind. Ribosomen sind entweder frei (dh nicht an Membranen gebunden) im Zytoplasma der Zelle oder an das RER gebunden. Lysosomale Enzyme, Proteine, die für die ER-, Golgi- und Zellmembranen bestimmt sind, und Proteine, die aus der Zelle ausgeschieden werden sollen, gehören zu denen, die auf membrangebundenen Ribosomen synthetisiert werden. Auf freien Ribosomen werden Proteine hergestellt, die im Cytosol verbleiben und an die innere Oberfläche der äußeren Membran gebunden sind, sowie solche, die in den Kern, Mitochondrien, Chloroplasten, Peroxisomen und andere Organellen eingebaut werden sollen. Besondere Merkmale von Proteinen kennzeichnen sie für den Transport zu bestimmten Zielen innerhalb oder außerhalb der Zelle. Der in Deutschland geborene Zell- und Molekularbiologe Günter Blobel und der in Argentinien geborene Zellbiologe David Sabatini schlugen 1971 vor, dass der aminoterminale Teil des Proteins (der erste Teil des Moleküls, der hergestellt werden soll) als „Signalsequenz“ fungieren könnte. Sie schlugen vor, dass eine solche Signalsequenz die Anlagerung des wachsenden Proteins an die ER-Membran erleichtern und das Protein entweder in die Membran oder durch die Membran in das ER-Lumen (innen) führen würde.
Die Signalhypothese wurde durch eine Vielzahl experimenteller Beweise untermauert. Die Translation der Blaupause für ein spezifisches Protein, das in einem Messenger-RNA-Molekül kodiert ist, beginnt auf einem freien Ribosom. Wenn das wachsende Protein mit der Signalsequenz am aminoterminalen Ende aus dem Ribosom austritt, bindet die Sequenz an einen Komplex aus sechs Proteinen und einem RNA-Molekül, das als Signalerkennungspartikel (SRP) bekannt ist. Das SRP bindet auch an das Ribosom, um die weitere Bildung des Proteins zu stoppen. Die Membran des ER enthält Rezeptorstellen, die den SRP-Ribosomenkomplex an die RER-Membran binden. Nach der Bindung wird die Translation fortgesetzt, wobei das SRP vom Komplex und der Signalsequenz dissoziiert und der Rest des entstehenden Proteins über einen als Translokon bezeichneten Kanal durch die Membran in das ER-Lumen gelangt. Zu diesem Zeitpunkt ist das Protein permanent vom Cytosol getrennt. In den meisten Fällen wird die Signalsequenz durch ein Enzym namens Signalpeptidase vom Protein abgespalten, wenn es auf der Lumenoberfläche der ER-Membran austritt. Zusätzlich werden in einem als Glykosylierung bekannten Verfahren dem Protein häufig Oligosaccharidketten (komplexer Zucker) zugesetzt, um ein Glykoprotein zu bilden. Innerhalb des ER-Lumens faltet sich das Protein in seine charakteristische dreidimensionale Konformation.
Innerhalb des Lumens diffundieren Proteine, die aus der Zelle ausgeschieden werden, in den Übergangsbereich des ER, einer Region, die weitgehend frei von Ribosomen ist. Dort werden die Moleküle in kleine membrangebundene Transportvesikel verpackt, die sich von der ER-Membran trennen und durch das Zytoplasma zu einer Zielmembran, üblicherweise dem Golgi-Komplex, gelangen. Dort verschmilzt die Transportvesikelmembran mit der Golgi-Membran, und der Inhalt des Vesikels wird in das Lumen des Golgi abgegeben. Dies bewahrt, wie alle Prozesse des Knospens und der Fusion von Vesikeln, die Einseitigkeit der Membranen; Das heißt, die zytoplasmatische Oberfläche der Membran zeigt immer nach außen, und der Lumeninhalt wird immer vom Zytoplasma abgesondert.
Bestimmte nichtsekretorische Proteine, die auf dem RER hergestellt wurden, bleiben Teil des Membransystems der Zelle. Diese Membranproteine weisen zusätzlich zur Signalsequenz eine oder mehrere Ankerregionen auf, die aus lipidlöslichen Aminosäuren bestehen. Die Aminosäuren verhindern den vollständigen Durchgang des Proteins in das ER-Lumen, indem sie es in der Phospholipid-Doppelschicht der ER-Membran verankern.
