Το ενδοπλασματικό πρόγραμμα
Το ενδοπλασματικό δίκτυο (ER) είναι ένα σύστημα μεμβρανών κιστερνών (πεπλατυσμένοι σάκοι) που εκτείνονται σε όλο το κυτταρόπλασμα. Συχνά αποτελεί περισσότερο από το ήμισυ της συνολικής μεμβράνης στο κύτταρο. Αυτή η δομή παρατηρήθηκε για πρώτη φορά στα τέλη του 19ου αιώνα, όταν μελέτες χρωματισμένων κυττάρων έδειξαν την παρουσία κάποιου τύπου εκτεταμένης κυτταροπλασματικής δομής, στη συνέχεια ονομαζόταν γαστρόπλασμα. Το ηλεκτρονικό μικροσκόπιο κατέστησε δυνατή τη μελέτη της μορφολογίας αυτού του οργανιδίου τη δεκαετία του 1940, όταν του δόθηκε το σημερινό του όνομα.
Το ενδοπλασματικό δίκτυο μπορεί να ταξινομηθεί σε δύο λειτουργικά διακριτές μορφές, το ομαλό ενδοπλασματικό δίκτυο (SER) και το τραχύ ενδοπλασματικό δίκτυο (RER). Η μορφολογική διάκριση μεταξύ των δύο είναι η παρουσία σωματιδίων σύνθεσης πρωτεϊνών, που ονομάζονται ριβοσώματα, συνδεδεμένα στην εξωτερική επιφάνεια του RER.
Το ομαλό ενδοπλασματικό πρόγραμμα
Οι λειτουργίες του SER, ένα πλέγμα λεπτών σωληνοειδών μεμβρανών κυστιδίων, ποικίλλουν σημαντικά από κύτταρο σε κύτταρο. Ένας σημαντικός ρόλος είναι η σύνθεση των φωσφολιπιδίων και της χοληστερόλης, τα οποία αποτελούν κύρια συστατικά του πλάσματος και των εσωτερικών μεμβρανών. Τα φωσφολιπίδια σχηματίζονται από λιπαρά οξέα, φωσφορική γλυκερόλη και άλλα μικρά υδατοδιαλυτά μόρια από ένζυμα που συνδέονται με τη μεμβράνη ER με τις ενεργές θέσεις τους να βλέπουν στο κυτοσόλιο. Μερικά φωσφολιπίδια παραμένουν στη μεμβράνη ER, όπου, καταλυόμενα από συγκεκριμένα ένζυμα μέσα στις μεμβράνες, μπορούν να «αναστρέψουν» από την κυτταροπλασματική πλευρά της διπλής στιβάδας, όπου σχηματίστηκαν, στην εξωπλασμική ή εσωτερική πλευρά. Αυτή η διαδικασία διασφαλίζει τη συμμετρική ανάπτυξη της μεμβράνης ER. Άλλα φωσφολιπίδια μεταφέρονται μέσω του κυτταροπλάσματος σε άλλες μεμβρανώδεις δομές, όπως η κυτταρική μεμβράνη και το μιτοχόνδριο, με ειδικές πρωτεΐνες μεταφοράς φωσφολιπιδίων.
Στα ηπατικά κύτταρα, το SER είναι εξειδικευμένο για την αποτοξίνωση μιας ευρείας ποικιλίας ενώσεων που παράγονται από μεταβολικές διεργασίες. Το Liver SER περιέχει έναν αριθμό ενζύμων που ονομάζονται κυτόχρωμα P450, τα οποία καταλύουν τη διάσπαση των καρκινογόνων και άλλων οργανικών μορίων. Στα κύτταρα των επινεφριδίων και των γονάδων, η χοληστερόλη τροποποιείται στο SER σε ένα στάδιο της μετατροπής της σε στεροειδείς ορμόνες. Τέλος, το SER στα μυϊκά κύτταρα, γνωστό ως σαρκοπλασματικό δίκτυο, δεσμεύει τα ιόντα ασβεστίου από το κυτταρόπλασμα. Όταν ο μυς προκαλείται από ερεθίσματα νεύρων, τα ιόντα ασβεστίου απελευθερώνονται, προκαλώντας συστολή μυών.
Το τραχύ ενδοπλασματικό πρόγραμμα
Το RER είναι γενικά μια σειρά συνδεδεμένων πεπλατυσμένων σάκων. Παίζει κεντρικό ρόλο στη σύνθεση και εξαγωγή πρωτεϊνών και γλυκοπρωτεϊνών και μελετάται καλύτερα στα εκκριτικά κύτταρα που ειδικεύονται σε αυτές τις λειτουργίες. Τα πολλά εκκριτικά κύτταρα στο ανθρώπινο σώμα περιλαμβάνουν ηπατικά κύτταρα που εκκρίνουν πρωτεΐνες ορού όπως λευκωματίνη, ενδοκρινικά κύτταρα που εκκρίνουν πεπτιδικές ορμόνες όπως ινσουλίνη, σιελογόνους αδένες και παγκρεατικά κύτταρα εκκένωσης που εκκρίνουν πεπτικά ένζυμα, κύτταρα μαστικού αδένα που εκκρίνουν πρωτεΐνες γάλακτος και κύτταρα χόνδρου που εκκρίνουν κολλαγόνο και πρωτεογλυκάνες.
Τα ριβοσώματα είναι σωματίδια που συνθέτουν πρωτεΐνες από αμινοξέα. Αποτελούνται από τέσσερα μόρια RNA και μεταξύ 40 και 80 πρωτεϊνών συναρμολογούνται σε μια μεγάλη και μια μικρή υπομονάδα. Τα ριβοσώματα είναι είτε ελεύθερα (δηλ. Δεν συνδέονται με μεμβράνες) στο κυτόπλασμα του κυττάρου ή δεσμεύονται στο RER. Τα λυσοσωμικά ένζυμα, οι πρωτεΐνες που προορίζονται για τις μεμβράνες ER, Golgi και κυττάρων, και οι πρωτεΐνες που εκκρίνονται από το κύτταρο είναι μεταξύ αυτών που συντίθενται σε ριβοσώματα συνδεδεμένα με μεμβράνη. Κατασκευασμένα σε ελεύθερα ριβοσώματα είναι πρωτεΐνες που παραμένουν στο κυτοσόλιο και εκείνες που συνδέονται με την εσωτερική επιφάνεια της εξωτερικής μεμβράνης, καθώς και αυτές που θα ενσωματωθούν στον πυρήνα, τα μιτοχόνδρια, τους χλωροπλάστες, τα υπεροξυσώματα και άλλα οργανίδια. Τα ειδικά χαρακτηριστικά των πρωτεϊνών τις επισημαίνουν για μεταφορά σε συγκεκριμένους προορισμούς εντός ή εκτός του κυττάρου. Το 1971 γεννημένος από τη Γερμανία κυτταρικός και μοριακός βιολόγος Günter Blobel και γεννημένος από την Αργεντινή κυτταρικός βιολόγος David Sabatini πρότεινε ότι το αμινο-τερματικό τμήμα της πρωτεΐνης (το πρώτο μέρος του μορίου που θα δημιουργηθεί) θα μπορούσε να λειτουργήσει ως «αλληλουχία σήματος». Πρότειναν ότι μια τέτοια αλληλουχία σήματος θα διευκόλυνε τη σύνδεση της αναπτυσσόμενης πρωτεΐνης στη μεμβράνη ER και θα οδηγούσε την πρωτεΐνη είτε στη μεμβράνη είτε μέσω της μεμβράνης στον αυλό ER (εσωτερικό).
Η υπόθεση του σήματος έχει τεκμηριωθεί από μεγάλο αριθμό πειραματικών στοιχείων. Η μετάφραση του σχεδιαγράμματος για μια συγκεκριμένη πρωτεΐνη που κωδικοποιείται σε ένα μόριο RNA messenger ξεκινά σε ένα ελεύθερο ριβόσωμα. Καθώς η αναπτυσσόμενη πρωτεΐνη, με την αλληλουχία σήματος στο αμινο-τερματικό της άκρο, αναδύεται από το ριβόσωμα, η αλληλουχία συνδέεται με ένα σύμπλεγμα έξι πρωτεϊνών και ενός μορίου RNA γνωστό ως σωματίδιο αναγνώρισης σήματος (SRP). Το SRP δεσμεύεται επίσης στο ριβόσωμα για να σταματήσει περαιτέρω σχηματισμός της πρωτεΐνης. Η μεμβράνη του ER περιέχει θέσεις υποδοχέα που συνδέουν το σύμπλοκο SRP-ριβοσώματος με τη μεμβράνη RER. Μετά τη δέσμευση, η μετάφραση συνεχίζεται, με το SRP να αποσυνδέεται από το σύμπλοκο και την αλληλουχία σήματος και το υπόλοιπο της εκκολαπτόμενης πρωτεΐνης να περικλείει μέσω της μεμβράνης, μέσω ενός καναλιού που ονομάζεται translocon, στον αυλό ER. Σε αυτό το σημείο, η πρωτεΐνη διαχωρίζεται μόνιμα από το κυτοσόλιο. Στις περισσότερες περιπτώσεις, η αλληλουχία σήματος διασπάται από την πρωτεΐνη με ένα ένζυμο που ονομάζεται πεπτιδάση σήματος καθώς αναδύεται στην επιφάνεια του αυλού της μεμβράνης ER. Επιπλέον, σε μια διαδικασία γνωστή ως γλυκοσυλίωση, αλυσίδες ολιγοσακχαρίτη (σύμπλοκο σάκχαρο) συχνά προστίθενται στην πρωτεΐνη για να σχηματίσουν μια γλυκοπρωτεΐνη. Μέσα στον αυλό ER, η πρωτεΐνη διπλώνεται στη χαρακτηριστική τρισδιάστατη διαμόρφωσή της.
Μέσα στον αυλό, οι πρωτεΐνες που θα εκκρίνονται από το κύτταρο διαχέονται στο μεταβατικό τμήμα του ER, μια περιοχή που είναι σε μεγάλο βαθμό απαλλαγμένη από ριβοσώματα. Εκεί τα μόρια συσκευάζονται σε μικρά κυστίδια μεταφοράς που συνδέονται με μεμβράνη, τα οποία διαχωρίζονται από τη μεμβράνη ER και μετακινούνται μέσω του κυτταροπλάσματος προς μια μεμβράνη στόχο, συνήθως το σύμπλοκο Golgi. Εκεί η μεμβράνη κυστιδίων μεταφοράς συγχωνεύεται με τη μεμβράνη Golgi και τα περιεχόμενα του κυστιδίου μεταφέρονται στον αυλό του Golgi. Αυτό, όπως όλες οι διεργασίες εκκόλαψης κυστιδίων και σύντηξης, διατηρεί την αίσθηση των μεμβρανών. Δηλαδή, η κυτταροπλασματική επιφάνεια της μεμβράνης βλέπει πάντα προς τα έξω, και τα περιεχόμενα του αυλού πάντοτε δένονται από το κυτόπλασμα.
Ορισμένες μη εκκριτικές πρωτεΐνες που παράγονται στο RER παραμένουν μέρος του συστήματος μεμβράνης του κυττάρου. Αυτές οι πρωτεΐνες μεμβράνης έχουν, επιπλέον της αλληλουχίας σήματος, μία ή περισσότερες περιοχές αγκύρωσης που αποτελούνται από διαλυτά σε λιπίδια αμινοξέα. Τα αμινοξέα εμποδίζουν τη διέλευση της πρωτεΐνης εντελώς στον αυλό ER με την αγκύρωσή της στη φωσφολιπιδική διπλή στιβάδα της μεμβράνης ER.
