Endoplasmatisk retikulum (grov och jämn): struktur och funktion (med diagram)

Ett av de enklaste sätten att förstå strukturerna och funktionerna i organeller inrymt i en cell - och cellbiologin som helhet - är att jämföra dem med verkliga saker.

Det är till exempel vettigt att beskriva Golgiapparat som förpackningsanläggning eller postkontor eftersom dess roll är att ta emot, modifiera, sortera och skicka ut celllast.

Golgikroppens grannorganel, den endoplasmatiska retiklet, förstås bäst som cellens tillverkningsanläggning. Denna organelfabrik bygger de biomolekyler som krävs för alla livsprocesser. Dessa inkluderar proteiner och lipider.

Du vet förmodligen redan hur viktiga membran är för eukaryota celler; det endoplasmiska retikulumet, som både innehåller grov endoplasmatisk retikulum och slät endoplasmatisk retikulum, tar över hälften av membranfastigheterna i djurceller.

Det skulle vara svårt att överdriva hur viktigt denna membranösa, biomolekylbyggande organell är för cellen.

De första forskarna som observerade det endoplasmiska nätverket - medan de tog det första elektronmikroskopet av en cell - slogs av det endoplasmatiska nätverket.

För Albert Claude, Ernest Fullman och Keith Porter såg organellen ”spetsliknande” på grund av sina veck och tomma utrymmen. Moderna observatörer är mer benägna att beskriva det endoplasmiska retikulans utseende som ett vikat band eller till och med ett bandgodis.

Denna unika struktur säkerställer att det endoplasmiska nätverket kan utföra sina viktiga roller inom cellen. Den endoplasmiska retikulum förstås bäst som en lång fosfolipidmembran viks tillbaka på sig själv för att skapa sin karakteristiska labyrintliknande struktur.

Ett annat sätt att tänka på den endoplasmatiska retikulans struktur är som ett nätverk av platta påsar och rör som är förbundna med ett enda membran.

Detta vikta fosfolipidmembran bildar böjningar som kallas cisternae. Dessa platta skivor av fosfolipidmembran visas staplade tillsammans när man tittar på ett tvärsnitt av det endoplasmiska retikulumet under ett kraftfullt mikroskop.

De till synes tomma utrymmena mellan dessa påsar är lika viktiga som själva membranet.

Dessa områden kallas lumen. De inre utrymmena som utgör lumen är fulla av vätska och tack vare sättet att vikas ökar organellens totala yta, utgör faktiskt cirka 10 procent av cellen total volym.

Det endoplasmiska nätverket innehåller två huvudavsnitt, namngivna efter deras utseende: grov endoplasmatisk retikulum och den slät endoplasmatisk retikulum.

Strukturen för dessa områden av organellen återspeglar deras speciella roller inom cellen. Under ett lins av ett mikroskop ser fosfolipidmembranet i det grova endoplasmiska membranet täckt av prickar eller stötar.

Dessa är ribosomer, som ger den grova endoplasmatiska retikulum en ojämn eller grov konsistens (och därav dess namn).

Dessa ribosomer är faktiskt separerade organeller från endoplasmatisk retikulum. Stort antal (upp till miljoner!) Av dem lokaliseras vid den grova endoplasmatiska retikulans yta eftersom de är viktiga för dess jobb, som är proteinsyntes. RER finns som staplade ark som vrids ihop, med spiralformade kanter.

Den andra sidan av det endoplasmiska retikulumet - det smidiga endoplasmiska retikulumet - ser helt annorlunda ut.

Medan denna del av organellen fortfarande innehåller de vikta, labyrintliknande cisternerna och vätskefyllda lumen, är ytan på denna sida av fosfolipidmembranet verkar slät eller slät eftersom det släta endoplasmiska nätverket inte innehåller ribosomer.

Denna del av endoplasmatisk retikulum syntetiseras lipider hellre än proteiner, så det kräver inte ribosomer.

Det grova endoplasmiska retikulumet, eller RER, får sitt namn från sitt karakteristiska grova eller prydda utseende tack vare ribosomerna som täcker ytan.

Kom ihåg att hela endoplasmatiskt nätverk fungerar som en tillverkningsanläggning för biomolekyler som är nödvändiga för livet, såsom proteiner och lipider. RER är den del av fabriken som ägnar sig åt att bara producera proteiner.

Några av de proteiner som produceras i RER kommer att förbli i det endoplasmiska nätverket för alltid.

Av denna anledning kallar forskare dessa proteiner bosatta proteiner. Andra proteiner kommer att genomgå modifiering, sortering och leverans till andra delar av cellen. Emellertid är ett stort antal av de proteiner som är inbyggda i RER märkta för utsöndring från cellen.

Detta innebär att efter modifiering och sortering kommer dessa sekretoriska proteiner att resa via vesikeltransportör genom cellmembranet för jobb utanför cellen.

Platsen för RER i cellen är också viktig för dess funktion.

RER är alldeles intill kärna av cellen. Faktum är att fosfolipidmembranet i det endoplasmiska retikulumet faktiskt ansluter sig till membranbarriären som omger kärnan, kallad kärnhölje eller kärnmembran.

Detta snäva arrangemang säkerställer att RER tar emot den genetiska information som krävs för att bygga proteiner direkt från kärnan.

Det gör det också möjligt för RER att signalera kärnan när proteinbyggande eller proteinvikning går fel. Tack vare sin närhet kan det grova endoplasmiska nätverket helt enkelt skjuta ett meddelande till kärnan för att sakta ner produktionen medan RER kommer ikapp eftersläp.

Proteinsyntes fungerar i allmänhet så här: Kärnan i varje cell innehåller en fullständig uppsättning DNA.

Detta DNA är som en ritning som cellen kan använda för att bygga molekyler som proteiner. Cellen överför den genetiska information som är nödvändig för att bygga ett enda protein från kärnan till ribosomerna vid RER-ytan. Forskare kallar denna process transkription eftersom cellen transkriberar eller kopierar denna information från det ursprungliga DNA: t med hjälp av budbärare.

Ribosomerna kopplade till RER tar emot budbärarna som bär den transkriberade koden och använder den informationen för att göra en kedja av specifik aminosyror.

Detta steg kallas översättning eftersom ribosomerna läser datakoden på budbäraren och använder den för att bestämma ordningen på aminosyrorna i kedjan de bygger.

Dessa strängar av aminosyror är de grundläggande enheterna av proteiner. Så småningom kommer dessa kedjor att vikas in i funktionella proteiner och kanske till och med få etiketter eller modifieringar för att hjälpa dem att göra sina jobb.

Proteinvikning sker vanligtvis i det inre av RER.

Detta steg ger proteinerna en unik tredimensionell form, kallad dess gestaltning. Proteinvikning är avgörande eftersom många proteiner interagerar med andra molekyler genom att använda sin unika form för att ansluta som en nyckelpassning i ett lås.

Misveckade proteiner kanske inte fungerar korrekt, och detta fel kan till och med orsaka sjukdom hos människor.

Till exempel tror forskare nu att problem med proteinvikning kan orsaka hälsostörningar som typ 2 diabetes, cystisk fibros, sicklecellsjukdom och neurodegenerativa problem som Alzheimers sjukdom och Parkinsons sjukdom.

Enzymer är en klass av proteiner som möjliggör kemiska reaktioner i cellen, inklusive de processer som är involverade i ämnesomsättningen, vilket är det sätt som cellen får tillgång till energi.

Lysosomala enzymer hjälper cellen att bryta ner oönskat cellinnehåll, såsom gamla organeller och felveckade proteiner, för att reparera cellen och knacka på avfallsmaterialet för dess energi.

Membranproteiner och signalproteiner hjälper celler att kommunicera och arbeta tillsammans. Vissa vävnader behöver ett litet antal proteiner medan andra vävnader kräver mycket. Dessa vävnader ägnar vanligtvis mer utrymme åt RER än andra vävnader med lägre proteinsyntesbehov.

•••Sciencing

Det släta endoplasmatiska retikulumet, eller SER, saknar ribosomer, så dess membran ser ut som släta eller snygga rör under mikroskopet.

Detta är vettigt eftersom denna del av det endoplasmatiska retikulumet bygger lipider eller fetter snarare än proteiner och därmed inte behöver ribosomer. Dessa lipider kan inkludera fettsyror, fosfolipider och kolesterolmolekyler.

Fosfolipider och kolesterol behövs för att bygga plasmamembran i cellen.

SER producerar lipidhormoner som är nödvändiga för att funktionen ska fungera korrekt endokrina systemet.

Dessa inkluderar steroidhormoner gjorda av kolesterol, såsom östrogen och testosteron. På grund av den stora roll som SER spelar i hormonproduktionen tenderar celler som kräver massor av steroidhormoner, som de i testiklarna och äggstockarna, att ägna mer cellulär fastigheter till SER.

SER är också inblandad i ämnesomsättning och avgiftning. Båda dessa processer sker i leverceller, så levervävnader har vanligtvis ett större överflöd av SER.

När hormonsignaler indikerar att energilagren är låga, är njure och leverceller börja en energiproducerande väg som kallas glukoneogenes.

Denna process skapar den viktiga energikällan glukos från icke-kolhydratkällor i cellen. SER i leverceller hjälper också dessa leverceller att ta bort toxiner. För att göra detta smälter SER delar av den farliga föreningen för att göra den vattenlöslig så att kroppen kan utsöndra toxinet genom urinen.

En högt specialiserad form av endoplasmatisk retikulum dyker upp i vissa muskelceller, ringde myocyter. Denna form, kallad sarkoplasmatisk retikulum, finns vanligtvis i hjärt- (hjärt-) och skelettmuskelceller.

I dessa celler hanterar organellen balansen mellan kalciumjoner som cellerna använder för att slappna av och dra ihop muskelfibrerna. Lagrade kalciumjoner absorberas i muskelcellerna medan cellerna slappnar av och släpps ut ur muskelcellerna under muskelsammandragning. Problem med det sarkoplasmiska nätverket kan leda till allvarliga medicinska problem, inklusive hjärtsvikt.

Du vet redan att det endoplasmiska retikulumet är en del av proteinsyntesen och vikningen.

Korrekt proteinvikning är avgörande för att göra proteiner som kan göra sina jobb korrekt, och som tidigare nämnts, felvikning kan få proteiner att fungera felaktigt eller inte fungera alls, vilket kan leda till allvarliga medicinska tillstånd som typ 2 diabetes.

Av denna anledning måste det endoplasmiska retikulumet säkerställa att endast korrekt vikta proteiner transporteras från det endoplasmiska retikulumet till Golgi-apparaten för förpackning och transport.

Det endoplasmiska retikulumet säkerställer proteinkvalitetskontroll genom en mekanism som kallas veckat proteinsvareller UPR.

Detta är i grunden mycket snabb cellsignalering som gör att RER kan kommunicera med cellkärnan. När ovikta eller felvikta proteiner börjar staplas upp i lumen i det endoplasmiska nätverket, utlöser RER det utvecklade proteinsvaret. Detta gör tre saker:

1. Det signalerar kärnan till sakta ner proteinsyntesen genom att begränsa antalet budbärarmolekyler som skickas ut till ribosomerna för översättning.
2. Det veckade proteinsvaret ökar också den endoplasmatiska retikulans förmåga att vika proteiner och bryta ned felvikta proteiner.
3. Om inget av dessa steg löser proteinhögen innehåller det veckade proteinsvaret också en felsäker. Om allt annat misslyckas kommer de drabbade cellerna att förstöra sig själv. Detta är programmerad celldöd, även kallad apoptos, och är det sista alternativet som cellen har för att minimera eventuella skador som viks eller felveckade proteiner kan orsaka.

Formen på ER relaterar till dess funktioner och kan ändras efter behov.

Till exempel hjälper ökande lager av RER-ark att vissa celler utsöndrar större antal proteiner. Omvänt kan celler som nervceller och muskelceller som inte utsöndrar så många proteiner ha fler SER-tubuli.

De perifer ER, som är den del som inte är kopplad till kärnkraftshöljet, kan till och med flyttas efter behov.

Dessa skäl och mekanismer för detta är föremål för forskning. Det kan inkludera glidande SER-rör längs mikrotubuli av cytoskelett, dra ER efter andra organeller och till och med ringar av ER-tubuli som rör sig runt cellen som små motorer.

Formen på ER förändras också under vissa cellprocesser, t.ex. mitos.

Forskare studerar fortfarande hur dessa förändringar sker. Ett komplement av proteiner bibehåller ER-organellens övergripande form, inklusive att stabilisera dess ark och tubuli och hjälpa till att bestämma de relativa mängderna RER och SER i en viss cell.

Detta är ett viktigt studieområde för forskare som är intresserade av sambandet mellan ER och sjukdom.

Proteinfelvikning och ER-stress, inklusive stress från frekvent UPR-aktivering, kan bidra till utveckling av sjukdomar hos människor. Dessa kan inkludera cystisk fibros, typ 2-diabetes, Alzheimers sjukdom och spastisk paraplegi.

Virus kan också kapa ER och använda proteinbyggande maskiner för att krossa virala proteiner.

Detta kan förändra ER-formen och hindra den från att utföra sina normala funktioner för cellen. Vissa virus, såsom dengue och SARS, skapar skyddande dubbelmembranerade blåsor inuti ER-membranet.