Эндоплазматический ретикулум

Эндоплазматический ретикулум (ЭР) впервые был открыт американским биологом Кейтом Портером в 1945 году в цитоплазме фибробластов цыплёнка. Эндоплазматический ретикулум представляет собой систему плоских цистерн и каналов, пронизывающих цитоплазму и имеющих общее внутреннее пространство (рис. 18). Полость ЭР отделена от цитозоля мембраной. Различают два типа эндоплазматического ретикулума: шероховатый, или гранулярный, содержащий на наружной поверхности мембраны рибосомы, и гладкий, или агранулярный, лишённый рибосом.

На рибосомах гранулярного ЭР синтезируются белки двух типов:

1. трансмембранные белки, которые в дельнейшем остаются связанными с мембранами;

2. белки, которые полностью переносятся через мембрану и попадают в полость эндоплазматического ретикулума, они либо предназначены для секреции (выведения из клетки), либо модифицируются в гидролитические ферменты лизосом.

Напомним, что белки, синтезированные на рибосомах в цитозоле, транспортируются в ядро, митохондрии или пероксисомы только после полного завершения их биосинтеза, т. е. посттрансляционно. Белки, синтезируемые на мембранах гранулярного эндоплазматического ретикулума, начинают погружаться в толщу мембраны, а затем проникают в полость ЭР в ходе их синтеза, то есть котрансляционно. В полость эндоплазматического ретикулума попадают только те белки, которые имеют специфические гидрофобные сигнальные участки - сигнальные пептиды.

На рисунке 19 показан процесс синтеза белка на мембране гранулярного эндоплазматического ретикулума. Сборка рибосомы и её связывание с иРНК происходит описанным выше способом в цитозоле. После того, как на рибосоме осуществлена трансляция начальной последовательности (сигнального пептида), её большая субъединица прикрепляется к интегральному рецепторному белку рибофорину, который формирует в мембране эндоплазматического ретикулума специальный канал. Через этот канал сигнальный пептид проникает в полость ЭР и постепенно протягивает за собой остальную часть растущей цепи. В конце трансляции сигнальный пептид удаляется специальными ферментами. Завершённая полипептидная молекула оказывается в полости ЭР. На мембранах эндоплазматического ретикулума также могут формироваться полисомы, связанные с ЭР многочисленными растущими белковыми цепями. Внутри цистерн эндоплазматического ретикулума находятся специальные белки - шапироны, которые обеспечивают правильную пространственную укладку новосинтезированных белковых молекул.

В цистернах ЭР белки претерпевают начальные посттрансляционные изменения: гидроксилирование, сульфатирование и гликозилирование. Наиболее важным из этих изменений является гликозилирование белковой цепи, т.е. присоединение к ней олигосахаридов. Большинство белков, образованных в гранулярном ЭР являются гликопротеидами, и это отличает их от растворимых белков цитозоля, которые не гликозилированы. Синтезированные в гранулярном эндоплазматическом ретикулуме белки полностью изолированы от функционирующих белков цитозоля.

По цистернам и каналам эндоплазматического ретикулума белки транспортируются к специальным краевым участкам, обычно лишённым рибосом. Этот отдел называют переходным, или транзиторным ЭР. Он, обычно, расположен у формирующейся поверхности аппарата Гольджи. Здесь трубочки транзиторного ЭР распадаются на отдельные фрагменты, образующие транспортные пузырьки, наполненные синтезированными продуктами. Транспортные пузырьки переносят эти продукты к цистернам аппарата Гольджи, где белки претерпевают ряд химических преобразований, а затем либо выводятся из клетки путём экзоцитоза, либо участвуют в формировании лизосом.

Важнейшей функцией гранулярного эндоплазматического ретикулума является образование всех клеточных мембран. В мембраны ЭР встроены ферменты, катализирующие реакции синтеза различных типов мембранных липидов. Здесь же осуществляется сборка липопротеидного бислоя, а затем встраивание в него мембранных белков. Таким образом, эндоплазматический ретикулум является поставщиком мембран для всех одномембранных клеточных компонентов, включая плазматическую мембрану. Мембраны ретикулума также связаны с наружной мембраной ядерной оболочки и обеспечивают её рост.

Все клетки содержат гранулярный ЭР (кроме сперматозоидов и зрелых эритроцитов). Однако, степень его развития в них значительно варьирует: от небольших фрагментов, примыкающих к наружной ядерной мембране (например, у неактивного малого лимфоцита), до обширных массивов, заполняющих практически всю цитоплазму клеток, специализированных для белкового синтеза (например, железистых клеток пищеварительных желёз, вырабатывающих гидролитические ферменты; плазматических клеток, секретирующих иммуноглобулины; фибробластов, продуцирующих коллаген, и т.д.). В нейронах гранулярный эндоплазматический ретикулум образует многочисленные скопления, которые также заполняют цитоплазму. Благодаря своему характерному пятнистому окрашиванию они получили называние тигроид, или субстанция Ниссля. Упорядочено расположенные элементы гранулярного эндоплазматического ретикулума имеют общее название - эргастоплазма (от греч. ergasticos - деятельный, рабочий и plasma).

Агранулярный (гладкий) эндоплазматический ретикулум образуется из гранулярного и объединён с ним общей внутренней полостью. Можно наблюдать, как участок гранулярного ЭР теряет рибосомы и становится гладким. Мембраны гладкого ЭР утрачивают рецепторы, связывающие рибосомы.

Функции гладкого ЭР связаны с метаболизмом липидов, в том числе мембранных, и некоторых внутриклеточных полисахаридов. Так, гладкий эндоплазматический ретикулум интенсивно развит в клетках, секретирующих стероидные гормоны, например, в клетках коркового вещества надпочечников и интерстициальных клетках семенников, а также в клетках сальных желёз в начале накопления жира.

Гладкий эндоплазматический ретикулум хорошо развит в клетках печени. При некоторых патологических процессах его объём в гепатоцитах увеличивается. Это связано с тем, что в гладком ЭР происходит метаболическая дезактивация эндогенных и экзогенных токсических веществ и гормонов. В мышечных клетках гладкий ЭР имеет специальное название - саркоплазматический ретикулум, он специализирован для депонирования ионов Са²⁺ (см. главу 5). Для выполнения этой функции мембраны саркоплазматического ретикулума содержат специализированные белковые комплексы, такие как: 1) Са²⁺-насосы, которые при участии АТФ закачивают ионы Са²⁺ внутрь цистерн, 2) Са²⁺-каналы, которые управляются специальными рецепторами, регистрирующими изменения мембранного потенциала, и, открываясь, позволяют ионам Са²⁺ выйти в цитозоль. Внутри цистерн саркоплазматического ретикулума находятся Са²⁺-связывающие белки (кальсеквестрин и др.).

Помимо основных гладкий ЭР может выполнять некоторые дополнительные функции в специализированных клетках. Например, в мегакариоцитах красного костного мозга его элементы образуют демаркационные каналы (см. главу 4), которые разделяют цитоплазму на фрагменты - формирующиеся тромбоциты.