Эндоплазмати́ческая сеть (ЭПС; от эндо... и греч. πλάσμα, род. падеж πλάσματος – вылепленное, оформленное; эндоплазматический ретикулум, ЭПР), самая большая органелла в эукариотической клетке, в которой происходят синтез и транспортировка белков, а также синтез жиров, стероидных гормонов и некоторых углеводов. В ЭПС хранятся запасы кальция. Эндоплазматическая сеть входит в состав вакуолярной системы клетки и состоит из множества вакуолей и канальцев, переходящих друг в друга и ограниченных однослойной мембраной.

История открытия

Первоначально эндоплазматическая сеть была открыта двумя независимыми учёными на рубеже 20 в.: в 1897 г. ЭПС обнаружил французский гистолог Ш. Гарнье, который назвал её «эргастоплазмой»; в 1902 г. ЭПС была заново открыта итальянским исследователем Э. Вератти, учеником К. Гольджи. В марте 1902 г. Вератти опубликовал научную работу, в которой описывал ретикулярную сеть скелетных мышечных волокон. С помощью светового микроскопа он обнаружил структуру, состоящую из поперечных ретикул, соединённых продольными элементами (соответствуют поперечным канальцам и саркоплазматическому ретикулуму мышечных волокон). Однако его работа привлекла мало внимания.

В третий раз ЭПС была открыта в 1945 г. американскими учёными К. Портером, А. Клодом и Э. Фулламом, которые изучали её с помощью электронной микроскопии. Именно Портеру ЭПР обязан своим названием «ретикулум» (лат. reticulum – сеть).

Структура ЭПС

Эндоплазматическая сеть распространяется по всему пространству эукариотической клетки и состоит из 3 основных отделов, отличных друг от друга по форме и структуре: ядерной оболочки, периферических цистерн и соединяющей их тубулярной сети (English. 2013). ЭПС имеет только 1 мембрану и 1 межмембранную полость, поэтому для её разделения на отдельные части (компартменты) необходимы специальные белки.

Ядерная оболочка – отдел ЭПС, ограничивающий ядро клетки с помощью двойной мембраны. Она служит барьером между областью ядра и цитоплазмой. С помощью ядерной оболочки контролируется и регулируется транспорт молекул внутрь и наружу из ядра. Ядерная оболочка состоит из внутренней и внешней мембран, между которыми имеется расстояние примерно 50 нм, постоянство которого обеспечивается за счет белкового комплекса LINC (linker of nucleoskeleton and cytoskeleton, линкер нуклеоскелета и цитоскелета) (Tzur. 2006). К внутренней ядерной мембране прикреплены ядерные ламины и хроматин. Ядерная мембрана непрерывна, за исключением ядерных пор, через которые идёт транспорт молекул.

К внешней ядерной мембране прилегают цистерны и тубулы. Цистерны находятся ближе к ядерной оболочке, тубулы концентрируются на периферии ЭПС.

Морфология тубул у разных организмов регулируется интегральными мембранными белками семейств Reticulon и DP1/Yop1 (Rtn1p is involve ... 2006). Чем больше этих белков в клетке, тем больше в ней тубул и меньше цистерн (Mechanisms ... 2010). Области цистерн, в свою очередь, стабилизируются с помощью транслокационных комплексов и полирибосом (Endoplasmic ... 2007).

Типы ЭПС

Исторически сложилось, что область цистерн называется шероховатой ЭПС, и в ней происходят синтез белка и его укладка (фолдинг) (A 3D analysis ... 2011). Область же тубул называется гладкой ЭПС, она содержит значительно меньше рибосом, в ней идут синтез липидов и другие процессы (A 3D analysis ... 2011). Разделение ЭПС на типы скорее условное, чем истинное с биологической точки зрения.

Биогенез ЭПС

Новая ЭПС образуется только из фрагментов уже существующей, поскольку такой ситуации, когда в клетке ЭПС полностью разрушена и должна синтезироваться заново, не бывает. Поэтому под биогенезом понимают пролиферацию и дифференциацию уже имеющейся в клетке ЭПС (Snapp. 2005).

Образование ЭПС идёт в две стадии: сначала происходит объединение мембран, после чего начинается формирование тубул и общей эндоплазматической сети.

Объединение мембран имеющихся в клетке остатков ЭПС для формирования нового компартмента протекает за счёт работы белков v- и t-SNARE (soluble NSF attachment receptor) (Pelham. 2001), АТФ-зависимого белка NSF (N-ethylmaleimide-sensitive factor, или N-ethylmaleimide sensitive fusion protein) (Malhotra. 1988) и, вероятно, белка Rab (Ras-associated binding) (Zerial. 2001).

ЭПС – динамическая структура. Её тубулы постоянно перестраиваются. Всего существует 3 типа перестройки (движения) тубул: удлинение; образование кольцевых структур; взаимное скольжение структур.

Чем больше разрастаются тубулы в ЭПС, тем выше становится её плотность в клетке. Важную роль в этом процессе играют микротрубочки и связанные с ними моторные белки, работа которых зависит от АТФ (аденозинтрифосфата) или ГТФ (гуанозинтрифосфата). Тубулы образуются за счёт натяжения везикулярных мембран, связанных с микротрубочками белком кинезином (Waterman-Storer. 1998).

Во время митоза ЭПС по большей части остается неприкосновенной. Научные данные подтверждают, что по крайней мере до конца метафазы с ней ничего не происходит. Это может играть важную роль при построении новых органелл в ходе деления клетки (Nuclear membrane ... 1997).

Функции ЭПС

Синтез, модификация и контроль укладки белков

Эндоплазматическая сеть – основное место, где синтезируются и приобретают правильную для работы форму секретируемые и мембранные белки. Исключение составляют белки пероксисом и митохондрий, у которых свои, отдельные от клетки структуры, отвечающие за эту функцию. Примерно треть всех клеточных белков транслоцируется в мембрану или в люмен ЭПС (Ellgaard. 1999).

Белки попадают в клетку двумя способами: котрансляционным и посттрансляционным. В первом случае в этом процессе участвует транслокон – сложный мультибелковый комплекс. Механизм второго способа пока до конца не известен (Wattenberg. 2001).

В укладке уже существующих белков участвуют белки-шапероны. Однако на этом их роль не заканчивается. Из-за теплового или окислительного стресса белки в клетке могут разворачиваться обратно или принимать неправильную конфигурацию. Шапероны связываются с такими белками, чтобы предотвратить их агрегацию, и в некоторых случаях снова сворачивают их верным способом (The endoplasmic ... 2001). Также шапероны участвуют в разворачивании белков, чтобы пропустить их через комплекс транслокона (Molecular chaperones ... 2001).

Синтез липидов

Совместно с митохондриями (с пластидами у растений) ЭПС участвует в синтезе холестерола и других фосфолипидов, из которых в основном состоят мембраны. Молекулы, из которых впоследствии строятся фосфолипиды, – ацил-КоА и глицерин-3-фосфат – синтезируются в цитоплазме и превращаются в фосфатидную кислоту (содержится в остове фосфолипидов), после чего она перемещается на наружную часть ЭПС (Molecular biology of the cell. 2022).

Большинство ферментов для синтеза холестерола находятся как в гладкой ЭПС, так и в шероховатой. В шероховатой ЭПС присутствует только ацил-КоА-холестерол-трансфераза, за счёт чего концентрация холестерола в шероховатой ЭПС ниже, чем в других его компартментах.

В ЭПС синтезируются фосфатидилхолин, фосфатидилсерин и церамид (Voelker. 1991). Фосфатидилэтаноламин также может синтезироваться в ЭПС, однако основной путь его биосинтеза включает в себя процесс переноса фосфатидилсерина на внутреннюю митохондриальную мембрану, где фермент фосфатидил-серин-декарбоксилаза превращает субстрат в фосфатидилэтаноламин (Voelker. 1991). Для образования фосфатидилхолина фосфатидилэтаноламин перемещается в ЭПС, где его преобразует метилтрансфераза (Baumann. 2001). Для синтеза сфингомиелина и гликосфинголипидов церамид перемещается в цис- и медиальный комплекс Гольджи.

Секреторный транспорт

Липиды и белки транспортируются по клетке с помощью секреторных путей (Lippincott-Schwartz. 2000). Они скапливаются в районе особых «сайтов выхода» – у кластеров тубулярных мембран, где образуются везикулы и тубулы со встроенным в мембрану белком СOPII. После высвобождения участка мембраны с белком COPII мембранные структуры ЭПС перемещаются по микротрубочкам и сливаются с комплексом Гольджи.

Для поддержания правильного распределения белков в клетке ЭПС использует динамические и статические механизмы. Благодаря динамическому механизму белки выходят из ЭПС и возвращаются в неё с помощью специальных пептидных мотивов (например, -KDEL или -HDEL для люменальных белков) (Pelham. 1990). Рецептор распознаёт и связывает определённые мотивы в резидентных для ЭПС белках для их возврата в ЭПС с помощью ретроградного переноса из промежуточного компартмента и аппарата Гольджи (Lippincott-Schwartz. 2000).

Большинство резидентных мембранных белков ЭПС могут удерживаться с помощью статического механизма. Он реализуется за счёт повышенной длины трансмембранных доменов таких белков (Pedrazzini. 1996) или же отсутствия для них сигналов к выходу из ЭПС (Noriyuki Nishimura. 1997).

Хранение кальция и его использование для передачи сигнала в клетке

Кальций – это вторичный мессенджер, который высвобождается в цитоплазму клетки либо с помощью белков – транспортёров кальция плазматической мембраны, либо кальциевыми каналами ЭПС. Эндоплазматическая сеть – основное место хранения кальция в клетке.

Регулируемое высвобождение кальция влияет на стимуляцию мышечного сокращения и секреции в секреторных клетках; пластичность нейронов; экзоцитоз и высвобождение нейромедиаторов; рост и дифференцировку клеток; индукцию апоптоза; секреторный трафик; оплодотворение ооцитов.

Кальций транспортируется в ЭПС главным образом членами семейства белков-транспортёров SERCA (sarco/endoplasmic reticulum Ca²⁺-ATPase, Са²⁺-АТФаза сарко/эндоплазматического ретикулума) (Niggli. 1999). Он высвобождается из ЭПС в виде «искр» с помощью рианодиновых рецепторов (ryanodine receptor, RyR) и «затяжек» с помощью инозитол-1,4,5-трифосфатных (inositol trisphosphate, IP3) рецепторов. В большинстве случаев высвобождение кальция локализовано в одной области ЭПС (Baumann. 2001).