Endoplasmatisches Retikulum

Schematische Darstellung von Zellkern, ER und Golgi-Apparat. (1) Kernmembran. (2) Kernpore. (3) Raues ER. (4) Glattes ER. (5) Ribosom auf dem rauen ER. (6) Proteine, die transportiert werden. (7) Transport-Vesikel. (8) Golgi-Apparat. (9) cis-Seite des Golgi-Apparates. (10) trans-Seite des Golgi-Apparates. (11) Zisternen des Golgi-Apparates.

Das Endoplasmatische Retikulum (ER, endoplasmatisch „im Cytoplasma“, lat. retikulum/reticulum „Wurfnetz“) ist ein reich verzweigtes Kanalsystem flächiger Hohlräume, das von Membranen umschlossen ist. Man findet das ER mit Ausnahme von ausgereiften Erythrozyten in allen eukaryotischen Zellen; je nach Zelltyp ist es unterschiedlich stark entwickelt.

Aufbau

Das ER besteht aus einem weit verzweigten Membran-Netzwerk aus Röhren, Bläschen und Zisternen (sackähnlichen Strukturen), die von der ER-Membran umgeben werden. Die ER-Membran schließt das Innere des ERs, das ER-Lumen, vom Zytosol ab. Das Membranlabyrinth des ER macht über die Hälfte der gesamten Membranmenge in einer Eukaryotenzelle aus.

Die ER-Membran geht direkt in die Kernhülle des Zellkerns über, das heißt Kernhülle und ER stellen ein morphologisches Kontinuum dar. Das ER-Lumen steht mit dem Membranzwischenraum der Kernhülle, dem perinukleäreren Raum, in Verbindung.

Teile des ER, raues ER genannt, sind auf ihren Membranflächen mit Ribosomen besetzt; andere Bereiche sind glatt und ribosomenfrei und heißen daher glattes ER. Raues und glattes ER unterscheiden sich in ihrer Funktion.

Die Struktur des ER ist dynamisch und einer steten Reorganisation unterworfen. Dazu gehören die Verlängerung oder auch Retraktion von Membrantubuli, ihre Verzweigung, Verschmelzung oder Aufspaltung. Diese Motilität des ER ist abhängig vom Zytoskelett. In Pflanzenzellen und Hefe spielt vor allem F-Aktin dabei eine wichtige Rolle. In tierischen Zellen dagegen erfolgt der Auf- und Umbau des ER unter dem dominierenden Einfluss der Mikrotubuli. Es wurde gezeigt, dass ein Vertreter der Aktin-assoziierten Motorproteine der Myosinfamilie Myosin V für die „Vererbung“ des peripheren ER an die Tochterzellen bei der Zellteilung verantwortlich ist.

Aufgaben und Typen

Am und im ER finden Translation, Proteinfaltung, Proteinqualitätskontrolle, posttranslationale Modifikationen von Proteinen und Proteintransport von Transmembranproteinen und sekretorischen Proteinen (siehe Exozytose) statt. Außerdem ist das ER der Ort, an dem (z. B. nach der Mitose) neue Kernmembranen gebildet und abgeschnürt werden. Auch dient das ER als intrazellulärer Calcium-Speicher, womit ihm eine Schlüsselrolle in der Signaltransduktion zukommt. In Muskelzellen ist die Freisetzung von Calcium (dort nennt man das ER Sarkoplasmatisches Retikulum, kurz SR) der Mediator einer Kontraktion. Die Aufgaben von rauem und glattem ER sowie SR sind unterschiedlich.

Glattes ER (agranuläres ER)

Das glatte ER spielt eine wichtige Rolle in mehreren metabolischen Prozessen. Enzyme des glatten ER sind von Bedeutung für die Synthese von verschiedenen Lipiden (vor allem Phospholipide), Fettsäuren und Steroiden (Hormone). Weiterhin spielt das glatte ER eine wichtige Rolle bei dem Kohlenhydratstoffwechsel, der Entgiftung der Zelle und bei der Einlagerung von Calcium. Dementsprechend findet man in Nebennierenzellen und Leberzellen vorwiegend glattes ER.

Hormonsynthese

Zu den im glatten ER gebildeten Steroiden gehören zum Beispiel die Geschlechtshormone der Wirbeltiere und die Steroidhormone der Nebennieren. Die Zellen in den Hoden und Eierstöcken, die für die Hormonproduktion zuständig sind, besitzen in hohem Maße glattes ER.

Kohlenhydratspeicherung

In den Leberzellen werden Kohlenhydrate als Glykogen gespeichert. Durch Hydrolyse des Glykogen wird aus den Leberzellen Glucose freigesetzt. Dies ist ein wichtiger Vorgang zur Steuerung des Blutzuckerspiegels. Das Enzym Glucose-6-Phosphatase auf der Membran des glatten ERs spaltet von dem ersten Produkt der Glycolyse, dem Glucose-6-Phosphat, die Phosphatgruppe ab. Erst dann kann die Glucose die Zelle verlassen und so den Blutzuckerspiegel erhöhen.

Entgiftung

Das ER in den Hepatocyten der Leber enthält membrangebundene Enzyme, die an der Biotransformation von körperfremden Stoffen (z.B. Medikamenten) beteiligt sind. Dabei handelt es sich vor allem um Enzyme der Cytochrom P450 Klasse (sog. CYPs), welche auch in einigen anderen Geweben außerhalb der Leber exprimiert werden. Die metabolisierenden Enzyme des ERs in der Leber haben eine Entgiftungsfunktion, denn sie können je nach Substratspezifität eine Vielzahl von körperfremden Verbindungen erkennen und diese so chemisch verändern, dass daraus eine bessere Wasserlöslichkeit des metabolisierten Stoffes resultiert und der Stoff dadurch in größeren Mengen von den Nieren ausgeschieden werden kann. Bei der chemischen Veränderung der Stoffe handelt es sich häufig um Oxidationen und das Einfügen polarer Gruppen.

Calcium-Speicher

Im Lumen des ER erreicht die Calcium²⁺-Konzentration millimolare Werte (ca. 10⁻³ M). Im Cytosol beträgt die Konzentration freier Calcium-Ionen in Ruhe dagegen nur etwa 100–150 nM (also etwa 10⁻⁷ M). Damit besteht über die Membran des ER ein Konzentrationsgradient von vier Größenordnungen. Sowohl die Aufnahme von Calcium in das ER als auch die Freisetzung von Calcium-Ionen aus dem ER unterliegt unter physiologischen Bedingungen einer feinen Regulation, die außerordentlich wichtig ist für die Aufrechterhaltung der Calcium-Homöostase.

Da Calcium-Ionen im Cytosol ein wichtiger „second messenger“ sind, spielt die regulierte Freisetzung von Calcium aus dem ER eine Schlüsselrolle in der intrazellulären Signalgebung. Die Wirkungen einer durch Freisetzung aus dem ER erfolgten Erhöhung der intrazellulären Calciumkonzentration sind vielfältig:

• Enzyme werden aktiviert oder gehemmt
• die Genexpression wird reguliert
• in Neuronen wird die synaptische Plastizität beeinflusst
• in der Muskulatur kontrahieren die Muskelfasern (Calcium-Ionen werden aus dem sarkoplasmatischen Retikulum (SR) freigesetzt)
• Zellen des Immunsystems setzen Antikörper frei usw.

Calcium-Ionen verlassen das ER durch zwei Arten von Calciumkanälen: die IP₃ und die Ryanodin-Rezeptoren. Die Abkürzung IP₃ steht für Inositoltrisphosphat, welches ebenfalls ein second messenger ist. Es ist ein Produkt der Phospholipase C, die durch bestimmte G-Proteine (Gq) aktiviert wird. Das geschieht, wenn ein mit diesem G-Protein gekoppelter metabotroper Rezeptor in der Plasmamembran angeregt wird. IP₃ bindet an seinen spezifischen Rezeptor in der Membran des ER, woraufhin sich die Calcium-Konzentration im Zytoplasma durch den Ausstrom aus dem ER durch die Kanäle der IP₃ erhöht. In dieser Signalkette (metabotroper Rezeptor – G-Protein – Phospholipase C – IP₃ – IP₃-Rezeptor – Calcium-Freisetzung) kann Calcium auch als tertiärer Bote angesehen werden. Die Ryanodin-Rezeptoren sind Calcium-sensitive Calciumkanäle. Sie sind also einerseits permeabel für Calcium und werden andererseits durch Calcium-Ionen aktiviert. Das geschieht, wenn im Zytosol die Calciumkonzentration ansteigt. Calcium-Ionen binden an die Ryanodin-Rezeptoren, diese öffnen sich, und Calcium-Ionen strömen durch sie aus dem ER in das Cytosol. Diesen Prozess nennt man „Calcium-induzierte Calciumfreisetzung“ (engl. „CICR“ – calcium-induced calcium release). Am bekanntesten ist die Rolle von CICR bei der Kontraktion der Herzmuskelzellen. In der Membran des ER befinden sich Calcium-ATPasen vom SERCA-Typ. SERCA steht für sarkoendoplasmatisches Retikulum-ATPase. Da bei der Aufnahme von Calcium-Ionen aus dem Zytosol in das ER ein steiler Konzentrationsgradient überwunden werden muss, kann dieser Transportvorgang nur unter ATP-Verbrauch stattfinden. Es handelt sich also um einen primär aktiven Transport.

Raues ER (granuläres ER)

Raues ER und der Zusammenhang der unterschiedlichen RNA-Typen mit der RNA.

Das raue ER, auch granuläres ER oder Ergastoplasma genannt, hat zwei Funktionen: die Proteinbiosynthese und die Membranproduktion. Seinen Namen hat es von den Ribosomen, die auf seinen Membranoberflächen sitzen. Es findet sich vorwiegend in den Zellen exokriner Drüsen und der Leber sowie in Nerven- (Nissl-Schollen) und Embryonalzellen. Das raue ER lässt sich mit basischen Farbstoffen wie Hämatoxylin, Kresylviolett oder Toluidinblau sichtbar machen (Nissl-Färbung).^[1][2]

Proteinbiosynthese

Proteine werden häufig von spezialisierten Zellen ausgeschieden (Sekretion). Diese Proteine werden von den Ribosomen produziert, die dem rauen ER anhaften. Eines dieser Proteine ist zum Beispiel das Insulin aus Zellen der Bauchspeicheldrüse.

Alle in membranengebundenen Ribosomen entstehenden Polypeptidketten werden zunächst in das Lumen des ER geschleust. Dies geschieht durch porenbildende Proteine (Kotranslation). Auch im Zytosol synthetisierte Proteine werden in das Lumen des ER befördert (Posttranslation). Im Lumen des ER werden die Polypeptidketten zurechtgeschnitten und gefaltet.

Die linearen Aminosäureketten werden nach der Translokation in das ER gefaltet, erhalten also ihre dreidimensionale Struktur. Dieser Prozess wird von anderen Proteinen im ER unterstützt (Chaperone) und kontrolliert. Fehlgefaltete Proteine werden umgehend retranslokiert, das heißt zurück ins Zytosol transportiert und dort durch das Proteasom degradiert. Das Cholera-Bakterium nutzt diesen Mechanismus, um sein Toxin über diesen Prozess in das Zytosol zu bringen, wo es aber der Degradation durch das Proteasom entkommt und seine toxische Wirkung entfalten kann.

Die meisten Sekretionsproteine sind Glycoproteine, welche kovalent gebundene Kohlenhydrate tragen. Diese Kohlenhydrate, es handelt sich um Oligosaccharide, werden im Lumen des ER durch die Enzyme des ER angeheftet. Die fertigen sekretorischen Proteine verbleiben im Lumen des ER und werden somit von Proteinen im Zytosol, welche von freien Ribosomen erstellt wurden, ferngehalten. Die sekretorischen Proteine werden in Form kleiner Membranbläschen abgeschnürt und verlassen so das Lumen des ER als Transportvesikel in Richtung Golgi-Apparat.

1999 erhielt Günter Blobel den Nobelpreis für Physiologie oder Medizin für seine 1975 gemachte Entdeckung, dass Proteine durch endogene Protein-Signale (Signalsequenzen) vom ER aus in verschiedene Zellkompartimente zielgerichtet weitergeleitet werden. Als Signalsequenz in diesem Sinne wird eine bestimmte N-terminale Peptidsequenz bezeichnet, die nach dem Transport durch die Membran des ER durch die Signalpeptidase abgespalten wird. Proteine, die für Ziele außerhalb des ERs bestimmt sind, werden anschließend in Transportvesikel verpackt und entlang des Zytoskeletts zu ihrem Bestimmungsort weitergeleitet.

Membranproduktion

Das raue ER lässt seine eigene Membran wachsen und dirigiert Membranteile in Transportvesikeln zu anderen Teilen des inneren Membransystems. Während die Membranproteine an den Ribosomen wachsen, werden sie in die Membran des ER eingelagert, welcher dadurch wächst. Die neuen Membranproteine werden dort mit hydrophoben Abschnitten ihrer Polypeptidketten verankert. Auch die Phospholipide werden von dem rauen ER hergestellt, indem Enzyme der ER-Membran sie aus Vorläufermolekülen, die sich im Zytosol befinden, zusammensetzen.

Sarkoplasmatisches Retikulum (Glattes Retikulum, SR)

Das glatte ER in Muskelzellen wird als sarkoplasmatisches Retikulum bezeichnet (SR). Das SR ist ein spezialisiertes ER der Muskelzellen. Es speichert Calciumionen. Diese werden beim Eintreffen eines elektrischen Impulses (Aktionspotential) in das Sarkoplasma (Cytoplasma der Muskelzellen) ausgeschüttet, diffundieren zwischen die Aktin- und Myosinfilamente der Muskelfibrillen und lösen das Ineinandergleiten der Filamente aus. Dadurch kommt es zur Kontraktion der Muskelfaser. Treffen keine weiteren Erregungen mehr an der Muskelfaser ein, werden die Calciumionen aktiv in das SR zurückgepumpt. Dadurch wird eine erneute Kontraktion verhindert. Das sarkoplasmatische Retikulum dient so der Regulation der Muskelkontraktion.

Literatur

• Bruce Alberts u. a.: Molecular Biology of the Cell. 4. Auflage. Garland Science, New York 2002, ISBN 0-8153-4072-9
• Neil A. Campbell u. a.: Biologie. 1. Aufl., 1. korrigierter Nachdr. Spektrum, Heidelberg 1997, ISBN 3-8274-0032-5.

Siehe auch

• Endomembransystem

Weblinks

• Endoplasmatic Reticulum (Animation über die Strukturveränderung des ER)
• Raues ER: elektronenmikroskopische Bilder (Dr. Jastrows EM-Atlas)
• Glattes ER: elektronenmikroskopische Bilder (Dr. Jastrows EM-Atlas)

Einzelnachweise