На главную

Эндоплазматическая сеть

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[1]).

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[2]), 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[3]).

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[4]). 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[5]).

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[6]). 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[7]). 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[8]).

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[9]). 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[10]).

Примечания

  1. ↑ The biogenesis of cellular organelles / ed. by Chris Mullins. – Boston : Springer, 2005. – (Molecular biology intelligence unit).
  2. ↑ Pelham H. R. B. Snares and the specificity of membrane fusion / Hugh R. B. Pelham // Trends in Cell Biology. – 2001. – Vol. 11, № 3. – P. 99–101.
  3. ↑ Ellgaard L. Setting the standards: quality control in the secretory pathway / Lars Ellgaard, Maurizio M. Molinari, A. Helenius // Science . – 1999. – Vol. 286, № 5446. – P. 1882–1888.
  4. ↑ The endoplasmic reticulum: integration of protein folding, quality control, signaling and degradation / E. Chevet, P. H. Cameron, M. F. Pelletier [et al.] // Current Opinion in Structural Biology. – 2001. – Vol. 11, № 1. – P. 120–124.
  5. ↑ Molecular biology of the cell / Bruce Alberts, Rebecca Heald, Alexander Johnson [et al.]. – 7th ed. – New York : W. W. Norton & Company, 2022.
  6. ↑ Baumann O. Endoplasmic reticulum of animal cells and its organization into structural and functional domains / Otto Baumann, Bernd Walz // International Review of Cytology. – 2001. – Vol. 205. – P. 149–214.
  7. ↑ Pelham H. R. B. The retention signal for soluble proteins of the endoplasmic reticulum / H. R. B. Pelham // Trends in Biochemical Sciences. – 1990. – Vol. 15, № 12. – P. 483–486.
  8. ↑ Noriyuki Nishimura. A di-acidic signal required for selective export from the endoplasmic reticulum / Noriyuki Nishimura, William E. Balch // Science. – 1997. – Vol. 277, № 5325. – P. 556–558.
  9. ↑ Niggli E. Localized intracellular calcium signaling in muscle: calcium sparks and calcium quarks / E. Niggli // Annual Review of Physiology. – 1999. – Vol. 61, № 1. – P. 311–335.
  10. ↑ Baumann O. Endoplasmic reticulum of animal cells and its organization into structural and functional domains / Otto Baumann, Bernd Walz // International Review of Cytology. – 2001. – Vol. 205. – P. 149–214.

Литература

  • Role of an N-ethylmaleimide-sensitive transport component in promoting fusion of transport vesicles with cisternae of the Golgi stack / V. Malhotra, L. Orci, B. S. Glick [et al.] // Cell. – 1988. – Vol. 54, № 2. – P. 221–227.
  • Pelham H. R. B. The retention signal for soluble proteins of the endoplasmic reticulum // Trends in Biochemical Sciences. – 1990. – Vol. 15, № 12. – P. 483–486.
  • Voelker D. R. Organelle biogenesis and intracellular lipid transport in eukaryotes // Microbiological Reviews. – 1991. – Vol. 55, № 4. – P. 543–560.
  • Pedrazzini E. A mutant cytochrome b5 with a lengthened membrane anchor escapes from the endoplasmic reticulum and reaches the plasma membrane / E. Pedrazzini, A. Villa, N. Borgese // Proceedings of the National Academy of Sciences. – 1996. – Vol. 93, № 9. – P. 4207–4212.
  • Noriyuki Nishimura. A di-acidic signal required for selective export from the endoplasmic reticulum / Noriyuki Nishimura, W. E. Balch // Science. – 1997. – Vol. 277, № 5325. – P. 556–558.
  • Nuclear membrane dynamics and reassembly in living cells: targeting of an inner nuclear membrane protein in interphase and mitosis / J. Ellenberg, E. D. Siggia, J. E. Moreira [et al.] // The Journal of Cell Biology. – 1997. – Vol. 138, № 6. – P. 1193–1206.
  • Waterman-Storer C. M. Endoplasmic reticulum membrane tubules are distributed by microtubules in living cells using three distinct mechanisms / C. M. Waterman-Storer, E. D. Salmon // Current Biology. – 1998. – Vol. 8, № 14. – P. 798–807.
  • Ellgaard L. Setting the standards: quality control in the secretory pathway / L. Ellgaard, M. Molinari, A. Helenius // Science. – 1999. – Vol. 286, № 5446. – P. 1882–1888.
  • Niggli E. Localized intracellular calcium signaling in muscle: calcium sparks and calcium quarks // Annual Review Of Physiology. – 1999. – Vol. 61, № 1. – P. 311–335.
  • Lippincott-Schwartz J. Secretory protein trafficking and organelle dynamics in living cells / J. Lippincott-Schwartz, T. H. Roberts, K. Hirschberg // Annual Review of Cell and Developmental Biology. – 2000. – Vol. 16, № 1. – P. 557–589.
  • Baumann O. Endoplasmic reticulum of animal cells and its organization into structural and functional domains / O. Baumann, B. Walz // International Review of Cytology. – 2001. – Vol. 205. – P. 149–214.
  • Molecular chaperones in the yeast endoplasmic reticulum maintain the solubility of proteins for retrotranslocation and degradation / Shuh-ichi Nishikawa, S. W. Fewell, Yoshihito Kato [et al.] // The Journal of Cell Biology. – 2001. – Vol. 153, № 5. – P. 1061–1069.
  • Pelham H. R. B. Snares and the specificity of membrane fusion // Trends in Cell Biology. – 2001. – Vol. 11, № 3. – P. 99–101.
  • The endoplasmic reticulum: integration of protein folding, quality control, signaling and degradation / E. Chevet, P. H. Cameron, M. F. Pelletier [et al.] // Current Opinion in Structural Biology. – 2001. – Vol. 11, № 1. – P. 120–124.
  • Wattenberg B. Targeting of C‐terminal (tail)‐anchored proteins: understanding how cytoplasmic activities are anchored to intracellular membranes / B. Wattenberg, T. Lithgow // Traffic. – 2001. – Vol. 2, № 1. – P. 66–71.
  • Zerial M. Rab proteins as membrane organizers / M. Zerial, H. McBride // Nature Reviews. Molecular Cell Biology. – 2001. – Vol. 2, № 2. – P. 107–117.
  • Snapp E. Endoplasmic reticulum biogenesis
  • A class of membrane proteins shaping the tubular endoplasmic reticulum / G. K. Voeltz, William A. Prinz, Yoko Shibata [et al.] // Cell. – 2006. – Vol. 124, № 3. – P. 573–586.
  • Rtn1p is involved in structuring the cortical endoplasmic reticulum / J.-O. De Craene, J. Coleman, P. Estrada de Martin [et al.] // Molecular Biology of the Cell. – 2006. – Vol. 17, № 7. – P. 3009–3020.
  • Tzur Y. B. SUN-domain proteins: «Velcro» that links the nucleoskeleton to the cytoskeleton / Y. B. Tzur, K. L. Wilson, Y. Gruenbaum // Nature Reviews. Molecular Cell Biology. – 2006. – Vol. 7, № 10. – P. 782–788.
  • Endoplasmic reticulum remains continuous and undergoes sheet-to-tubule transformation during cell division in mammalian cells / M. Puhka, H. Vihinen, M. Joensuu, E. Jokitalo // The Journal of Cell Biology. – 2007. – Vol. 179, № 5. – P. 895–909.
  • Mechanisms determining the morphology of the peripheral ER / Yoko Shibata, T. Shemesh, W. A. Prinz [et al.] // Cell. – 2010. – Vol. 143, № 5. – P. 774–788.
  • A 3D analysis of yeast ER structure reveals how ER domains are organized by membrane curvature / M. West, N. Zurek, A. Hoenger, G. K. Voeltz // The Journal of Cell Biology. – 2011. – Vol. 193, № 2. – P. 333–346.
  • English A. R. Endoplasmic reticulum structure and interconnections with other organelles / A. R. English, G. K. Voeltz // Cold Spring Harbor Perspectives in Biology. – 2013. – Vol. 5, № 4. – a013227.
  • Molecular biology of the cell / B. Alberts, R. Heald, A. Johnson [et al.]. – New York : W. W. Norton & Company, 2022.
Материалы портала bigenc.ru переданы в ведение АНО «Интернет-энциклопедия «РУВИКИ» на основе лицензионного соглашения. Возможны неточности в отображении материалов. Если у вас возникли вопросы или вы увидели ошибку, пожалуйста, сообщите нам на info@ruwiki.ru