Endoplasmaatiline retiikulum

Endoplasmaatiline retiikulum (ER) ehk tsütoplasmavõrgustik on organell, mis esineb kõikides eukarüootsetes rakkudes.
Tsütoplasmavõrgustik jaguneb kaheks: siledapinnaline endoplasmaatiline retiikulum ("sER" – smooth endoplasmic reticulum) ja karedapinnaline endoplasmaatiline retiikulum ("rER" – rough endoplasmic reticulum).

Ajalugu

Porter, Claude ja Fullam kirjeldasid 1945. aastal, et elektronmikroskoobi abil on rakus võimalik näha "pitsi-taolist" retiikulumi.
Kolme aasta pärast võtsid Porter ja tema kolleegid esmakordselt kasutusele mõiste endoplasmaatiline retiikulum.

Struktuur

Tsütoplasmavõrgustiku moodustavad ühekordse membraaniga ümbritsetud vesiikulid, tsisternid ja tuubulid. Omavahel ühenduses moodustavad nad võrgustiku. Võrgustiku sisse jäävat valendikku nimetatakse ER luumeniks. Luumen moodustab sageli rohkem kui 10% raku ruumalast ning raku tsütosoolist eraldab seda ERi membraan. Tsütoplasmaatilise retiikulumi ühekihiline membraan koosneb fosfolipiidsest kaksikkihist.
Eristatakse kareda- ja siledapinnalist endoplasmaatilist retiikulumi.

Karedapinnaline ER

Karedapinnaline endoplasmaatiline retiikulum on seotud ribosoomidega, mistõttu on ta elektronmikroskoobis nähtav “karedana”. Ribosoomid seonduvad ERi tsütoplasmapoolsel küljel olevatele retseptoritele. Seondumine leiab aset, kui ribosoom hakkab sünteesima sekretoorset valku.

Siledapinnaline ER

Kui ERile ei ole seotud ribosoome, nimetatakse seda siledapinnaliseks tsütoplasmavõrgustikuks.
Siledapinnaline ER on lihasrakkudes spetsialiseerunud sarkoplasmaatiliseks retiikulumiks.

Funktsioonid

Tsütoplasmavõrgustikul on rakus palju erinevaid ülesandeid. Olulisemateks funktsioonideks on lipiidide ja valkude süntees ning valkude sekreteerimine. Sileda- ja karedapinnalisel ERil on rakus täita erinevad rollid.
Karedapinnaline ER (rER), mis on seotud ribosoomidega, osaleb membraanide ja sekreteeritavate valkude sünteesis. rERis toimub valkude sorteerimine transpordiks lüsosoomi, väliskeskkonda või teistesse raku piirkondadesse. 
rERi on rakkudes hulgaliselt, kuna translatsioon (valgusüntees) on organismi seisukohalt äärmiselt oluline protsess. Näiteks on rERi palju plasmarakkudes, mis toodavad antikehi.
Siledapinnaline tsütoplasmavõrgustik vastutab rasvhapete, lipiidide ja steroidide sünteesi eest ning on samuti oluline hüdrofoobsete toksiliste ühendite lagundamisel. Toksiliste hüdrofoobsete ühendite detoksifikatsioon toimub keemilise modifitseerimise teel, mille abil muudetakse ühendid vees kergemini lahustuvaks. Tänu sellele on neid kergem rakust välja transportida. 
Siledapinnalist ERi on rakkudes vähem kui rERi. Seevastu maksarakkudes on sERi rohkesti. 
Sarkoplasmaatiline retiikulum on oluline kaltsiumi kontsentratsiooni regulatsioonis. Selle luumenis on palju kaltsiumiga seonduvaid proteiine, mis teevad võimalikuks kaltsiumi hoiustamise ERis. Kaltsium pääseb luumenisse tänu membraanis olevatele kaltsium-ATPaasidele.

Valkude muutmine endoplasmaatilises retiikulumis

Enne kui sekreteeritavad valgud transporditakse ERist nende sihtmärk piirkonda, toimub tsütoplasmavõrgustikus nende muutmine ehk modifitseerimine. Modifikatsioonid, mida viiakse läbi ERis, jagunevad neljaks: valkude glükosüleerimine, disulfiidsildade moodustumine, spetsiifiline proteolüüs ning valkude kokkupakkimine ja multimeeride teke.

Valkude glükosüleerimine

Enamik membraanidega seotud ja sekretoorseid valke on glükoproteiinid. Seetõttu on valkude glükosüleerimine üks levinumaid keemilisi modifikatsioone.
Esineb kaks enamlevinud glükosüleerimise tüüpi: O-seoseline ja N-seoseline. N-seoseline glükosüleerimine toimub ERis ning on komplekssem kui O-seoseline. O-seoseline glükosüleerimine toimub Golgi kompleksis.
N-seoseline glükosüleerimine on oma nime saanud sellest, et oligosahhariidid seotakse valgu külge üle lämmastiku. O-seoseline glükosüleerimine toimub oligosahhariidide seostumisel OH-rühmale.

Disulfiidsidemete moodustumine

Disulfiidsidemete teke on oluline valkude tertsiaar- ja kvarternaarstruktuuride moodustumisel. Disulfiidsed sidemed( –S-S-) moodustuvad valkude tsüsteiinijääkide tioolrühmade (-SH) oksüdeerumisel. Kuna oksüdeerumine toimub spontaanselt, on oluline, et keskkonnas oleks piisavalt oksüdanti. Seega saab disulfiidsete sidemete teke toimuda vaid luumenis, mitte aga tsütoplasmas. Vabadel ribosoomidel sünteesitavad tsütosooli lahustuvad valgud vajavad struktuuri stabiliseerimiseks teisi vahendeid kui disulfiidsidemed.

Spetsiifiline proteolüüs

Mõningad valgud sünteesitakse mitteaktiivsete eellasvalkudena. Seda tüüpi valgud alluvad täiendavale proteolüüsile, mille käigus proteaasid lõikavad ära kahest aluselisest aminohappest (arginiin ja arginiin või arginiin ja lüsiin) koosneva C-terminaalse otsa pool paikneva piirkonna. Spetsiifiline proteolüüs toimub enamasti Golgi kompleksis, kuid vähemal määral ka ERis.

Valkude kokkupakkimine

Selleks, et valgud oleksid funktsionaalsed, peavad nad omama korrektset konformatsiooni. Proteiinide õige struktuuri tagamiseks on ER luumenis spetsiaalsed valgud – chaperonid, mis osalevad teiste valkude kokkupakkimisel. Lisaks on õige struktuuri tagamisel olulised ka disulfiidsidemed ja glükoproteiinide puhul glükosüleerimine. Kui valk ei omanda õiget struktuuri, siis liigub ta läbi translookoni (kanal ERi membraanis) tagasi tsütoplasmasse ning suunatakse lagundamisele proteasoomi.

Valkude transport tsütoplasmavõrgustikku

1971. aastal avastati, et proteiinide transpordis on oluline roll kanda signaaljärjestusel.On tehtud kindlaks, et sekreteeritavad valgud sisaldavad N-terminaalses otsas nn ER liider- e signaaljärjestust. Tavaliselt moodustub signaaljärjestus 16–30 aminohappe jäägist. Signaalpeptiid koosneb positiivselt laetud aminohapetest, mis asuvad peptiidi N- ja C terminaalsetes otstes ning hüdrofoobsetest aminohapetest, mis paiknevad 6–12 positsioonil. Hüdrofoobne piirkond on vajalik, et saaks toimuda proteiini seostumine ERi membraanis olevatele retseptoritele. Kuna liiderjärjestust äratundvad retseptorid paiknevad ERis, siis seetõttu toimubki sekreteeritavate valkude transport läbi tsütoplasmavõrgustiku. Valkude transport ERi toimub kotranslatsiooniliselt (valgusünteesiga samaaegselt). Signaaljärjestuse äratundmises osalevad SRP retseptor ja SRP (signaali äratundmise kompleks). SRP on tsütoplasmas paiknev valguline RNA-d sisaldav kompleks, mis seostub liiderjärjestuse, ribosoomi suure subühiku ja SRP retseptoriga. Kui signaaljärjestus ja SRP retseptor omavahel seostuvad, siis translatsioon peatub, toimub GTP hüdrolüüs, SRP-SRP retseptor-kompleks vabaneb ja signaaljärjestus seostub translookoniga. Kui liiderjärjestus ja translookon on seostunud, siis kanal vabaneb ning sünteesitav valk liigub ER luumeni. Kuna signaalpeptiid ei ole vajalik valgu funktsioonide täitmiseks, eemaldatakse see luumenis signaalpeptidaasi abil. Kui valgu translatsioon on lõppenud, siis toimub ERis valgu modifitseerimine ja valk suunatakse lõpp sihtpunkti.

Endoplasmaatilise retiikulumi stress

Endoplasmaatilise retiikulumi stress on seisund, mille puhul ERi talitlus on häiritud. Kuna ERil on rakus palju erinevaid ülesandeid, siis võib sellist olukorda esile kutsuda suur hulk erinevaid tegureid. Näiteks hüpoksia, glükoosipuudus, viiruslikud infektsioonid, kaltsiumi regulatsiooni häired jne. Need tegurid põhjustavad ERi luumenis voltimata rakkude kuhjumist, mis viib voltimata valkude vastuseni ehk UPR (unfolded protein response) rajani. UPRi esialgne eesmärk rakus on taastada normaalne ER funktsioneerimine. Kui rakus on käivitatud UPR rada, siis aktiveeritakse nende geenide transkriptsioon (RNA süntees), mis on seotud proteiinide kokkupakkimisega. Samuti käivitatakse ERAD (ER- assisted degradation), mis aitab voltimata valke suunata tsütosooli lagundamisele. Lisaks inhibeeritakse mõneks tunniks mRNA transleerimine, et piirata ERi minevate valkude hulka. Kui eelpool toodud adaptiivsed mehhanismid ei suuda ER stressi kõrvaldada, siis kutsutakse esile rakusurm.

UPRi signalisatsiooni mehhanismid

Kui kokkupakkimata valgud hakkavad ERi luumenis kogunema, siis hõivatakse kõik valendikus olevad chaperonid. Kui chaperonid seotakse voltimata valkudega, siis vabanevad transmembraansed proteiinid, mis vastutavad UPRi raja indutseerimise eest. Ühe teooria kohaselt võib UPRi indutseerivate proteiinide N-terminaalne ots olla seotud ERi valendikus olevate chaperonidega. Kui voltimata valkude hulk aga tõuseb ja kõik chaperonid hõivatakse, siis hakkavad UPRi esile kutsuvad valgud agregeeruma ning käivitatakse UPR rada. Arvatavasti osalevad UPRi esile kutsumises ka teised mehhanismid. Üheks UPR raja käivitamise võimaluseks võib olla ka voltimata valkude otsene induktsioon UPRi esile kutsuvatele valkudele.