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). Porter, Claude ja Fullam kirjeldasid 1945. aastal, et elektronmikroskoobi abil on rakus võimalik näha pitsitaolist retiikulumi. Kolme aasta pärast võtsid Porter ja tema kolleegid kasutusele mõiste "endoplasmaatiline retiikulum". Tsütoplasmavõrgustiku moodustavad ühekordse membraaniga ümbritsetud vesiikulid, tsisternid ja tuubulid. Omavahel ühenduses olles moodustavad nad võrgustiku. Võrgustiku sisse jäävat valendikku nimetatakse ER luumeniks. Luumen moodustab sageli rohkem kui 10% raku ruumalast ning raku tsütosoolist eraldab seda ER-i membraan. Tsütoplasmaatilise retiikulumi ühekihiline membraan koosneb fosfolipiidsest kaksikkihist. Eristatakse kareda- ja siledapinnalist endoplasmaatilist retiikulumi. Karedapinnaline endoplasmaatiline retiikulum on seotud ribosoomidega, mistõttu on ta elektronmikroskoobis nähtav “karedana”. Ribosoomid seonduvad ER-i tsütoplasmapoolsel küljel olevatele retseptoritele. Seondumine leiab aset, kui ribosoom hakkab sünteesima sekretoorset valku. Kui ER-ile ei ole seotud ribosoome, nimetatakse seda siledapinnaliseks tsütoplasmavõrgustikuks. Siledapinnaline ER on lihasrakkudes spetsialiseerunud sarkoplasmaatiliseks retiikulumiks. Tsütoplasmavõrgustikul on rakus palju ülesandeid. Olulisemateks funktsioonideks on lipiidide ja valkude süntees ning valkude sekreteerimine. Sileda- ja karedapinnalisel ER-il on rakus täita erinevad rollid. Karedapinnaline ER (rER), mis on seotud ribosoomidega, osaleb membraanide ja sekreteeritavate valkude sünteesis. rER-is toimub valkude sorteerimine transpordiks lüsosoomi, väliskeskkonda või teistesse raku piirkondadesse. rER-i on rakkudes hulgaliselt, kuna translatsioon (valgusüntees) on organismi seisukohalt väga tähtis protsess. Näiteks on rER-i palju plasmarakkudes, mis toodavad antikehi. Siledapinnaline tsütoplasmavõrgustik vastutab rasvhapete, lipiidide ja steroidide sünteesi eest ning on oluline ka 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 ER-i on rakkudes vähem kui rER-i. Seevastu maksarakkudes on sER-i rohkesti. Sarkoplasmaatiline retiikulum on oluline kaltsiumi kontsentratsiooni regulatsioonis. Selle luumenis on palju kaltsiumiga seonduvaid proteiine, mis teevad võimalikuks kaltsiumi hoiustamise ER-is. Kaltsium pääseb luumenisse tänu membraanis olevatele kaltsium-ATPaasidele. Enne kui sekreteeritavad valgud transporditakse ER-ist nende sihtmärk piirkonda, toimub tsütoplasmavõrgustikus nende muutmine ehk modifitseerimine. Modifikatsioonid, mida viiakse läbi ER-is, jagunevad neljaks: valkude glükosüleerimine, disulfiidsildade moodustumine, spetsiifiline proteolüüs ning valkude pakkimine ja multimeeride teke. 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 ER-is ning on komplekssem kui O-seoseline. O-seoseline glükosüleerimine toimub Golgi kompleksis. N-seoseline glükosüleerimine on saanud nimetuse selle järgi, et oligosahhariidid seotakse valgu külge lämmastiku kaudu. O-seoseline glükosüleerimine toimub oligosahhariidide seostumisel OH-rühmale. 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. 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 ER-is. Selleks, et valgud oleksid funktsionaalsed, peavad nad omama korrektset konformatsiooni. Proteiinide õige struktuuri tagamiseks on ER luumenis spetsiaalsed valgud – chaperonid, mis osalevad teiste valkude pakkimisel. Lisaks on õige struktuuri tagamisel olulised ka disulfiidsidemed ja glükoproteiinide puhul glükosüleerimine. Kui valk ei omanda õiget struktuuri, siis liigub ta läbi translookoni (kanal ER-i membraanis) tagasi tsütoplasmasse ning suunatakse lagundamisele proteasoomi. 1971. aastal avastati, et proteiinide transpordis on oluline roll kanda signaaljärjestusel. On tehtud kindlaks, et sekreteeritavad valgud sisaldavad N-terminaalses otsas nn ER liider- ehk 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 ER-i membraanis olevatele retseptoritele. Kuna liiderjärjestust äratundvad retseptorid paiknevad ER-is, siis seetõttu toimubki sekreteeritavate valkude transport läbi tsütoplasmavõrgustiku. Valkude transport ER-i 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 ER-is valgu modifitseerimine ja valk suunatakse lõpp sihtpunkti. Endoplasmaatilise retiikulumi stress on seisund, mille puhul ER-i talitlus on häiritud. Kuna ER-il on rakus palju ülesandeid, siis võib sellist olukorda esile kutsuda suur hulk tegureid. Näiteks hüpoksia, glükoosipuudus, viiruslikud infektsioonid, kaltsiumi regulatsiooni häired jne. Need tegurid põhjustavad ER-i luumenis voltimata rakkude kuhjumist, mis viib voltimata valkude vastuseni ehk UPR (unfolded protein response) rajani. UPRi esialgne eesmärk rakus on taastada normaalne ER-i talitlus. Kui rakus on käivitatud UPR rada, siis aktiveeritakse nende geenide transkriptsioon (RNA süntees), mis on seotud proteiinide pakkimisega. Samuti käivitatakse ERAD (ER-assisted degradation), mis aitab voltimata valke suunata tsütosooli lagundamisele. Lisaks inhibeeritakse mõneks tunniks mRNA transleerimine, et piirata ER-i minevate valkude hulka. Kui eelpool nimetatud adaptiivsed mehhanismid ei suuda ER stressi kõrvaldada, siis kutsutakse esile rakusurm. Kui pakkimata valgud hakkavad ER-i 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 ER-i 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 esilekutsumises ka teised mehhanismid. Üheks UPR raja käivitamise võimaluseks võib olla ka voltimata valkude otsene induktsioon UPRi esile kutsuvatele valkudele. “The Endoplasmic Reticulum” Palade, The Journal of Biophysical and Biochemical Cytology Vol. 2, No. 4, (1956) “Molecular Biology of the Cell 4th edition” Alberts, Johnson,Lewis (2002) “Rough Sheets and Smooth Tubules" Shibata, Voeltz,Rapoport, Cell press Issue 3 (2006) “Molecular Cell Biology 5th edition” Lodish, Berk, Matsudaira, Kaiser, Krieger, Scott, Zipursky, Darnell (2000) lk 173 “Molecular Cell Biology 5th edition” Lodish, Berk, Matsudaira, Kaiser, Krieger, Scott, Zipursky, Darnell (2000) lk 679–685 “Lost in translation” Leslie, JCB Vol. 199, No. 1 (2005) “Molecular Cell Biology 5th edition”Lodish, Berk, Matsudaira, Kaiser, Krieger, Scott, Zipursky, Darnell (2000) lk 666–670 “From acute ER stress to physiological roles of the Unfolded Protein Response” Wu, Kaufman, Cell Death and Differentiation (2006) “Cell death and endoplasmic reticulum stress : disease relevance and therapeutic opportunities” Kim,Xu,Reed, Nature Reviews Drug Discovery 7, (2008)