9.1

9. endoplazmatické retikulum, Golgiho komplex

Endoplazmatické retikulum – součástí všech eukaryontních buněk (s výjimkou spermií a erytrocytů). Sestává ze soustavy navzájem propojených cisteren či trubiček, takže biomembrána tvořící ER je vlastně jen jedna, uzavírá cisternální ER kompartment. Prostorové členění ER membrány je velmi bohaté. ER přímo strukturálně souvisí také s vnější membránou jaderného obalu, která je vlastně součástí ER. Hlavní funkcí ER je syntéza molekul tvořících ostatní buněčné membránové organely, tj. lipidů, proteinů a polysacharidů a syntéza proteinů a některých polysacharidů určených pro extracelulární funkce (extracelulární enzymy, hormony, krevní bílkoviny, …). ER sestává ze dvou složek. Z drsného ER, na jehož membrány jsou z vnější strany připojeny ribosomy a tvořícího soustavu oploštěných cisteren a z hladkého ER (bez ribosomů), tvořícího síť trubiček. Drsné ER je zvláště rozsáhlé u buněk syntézujících bílkoviny „na export“ (např. pankreatické buňky secernující enzymy a hormony, plazmatické buňky secernující protilátky). Hladké ER je hypertrofické u buněk specializovaných na metabolismus lipidů (např. jaterní buňky). I detoxikační funkce jaterní buňky souvisí s hladkým ER. Rovněž buňky syntezující steroidní hormony mají rozsáhlé hladké ER. U svalových buněk je specializované hladké ER, tzv. sarkoplazmatické retikulum, jehož membrány obsahují Ca²⁺-ATPázu transportující Ca²⁺ do lumina.

Syntéza proteinů na drsném ER – všechny proteiny s extracelulární funkcí a většina proteinů biomembrán jsou syntezovány na ribozomech připojených na cytoplazmatickou stranu membrán drsného ER. Syntezovaný polypeptidový řetěz je ihned při svém prodlužování translokován přes membránu do lumen ER. Zde dochází k jeho chemickým úpravám (posttranslační modifikaci), zejména ke glykosylaci. Z ER jsou proteiny v odštěpených měchýřcích dopravovány do Golgiho aparátu, kde jsou dále modifikovány. Z Golgiho aparátu se pak odštěpují sekreční (exocytózové) měchýřky které exocytózou dopravují sekret na povrch buňky. Tyto proteiny jsou neustále – od své syntézy až po sekreci – uzavřeny v membránových kompartmentech a do cytoplazmy vůbec nevstupují. Ribosomy nejsou na ER připojeny trvale. K tomu dojde až tehdy, až na cytoplazmatickém ribosomu syntéza polypeptidového řetězce započne. Prvních asi 20 pospojovaných AK vytváří signál rozpoznávající zvláštní receptorové proteiny membrány ER a dojde k připojení ribosomu. Tato část polypeptidového řetězce se nazývá signální či naváděcí sekvence. Syntéza polypeptidového řetězce pak pokračuje a současně je řetězec přesouván do lumina ER. Signální sekvence se mezitím proteolyticky odštěpí. Za pevnější vazbu ribosomů na membrány ER jsou zodpovědny dva její specifické proteiny (nazývající se riboforiny). Riboforiny nejsou však totožné s receptorovými proteiny. Současně s tím, jak se rostoucí polypeptidový řetězec vsouvá do lumina ER, dochází k jeho glykosylaci. Daleko nejčastěji jde o glykosylaci NH₂ skupiny zbytku asparaginu. Glykosylační enzym (glykosyltransferáza) je integrálním proteinem membrány ER s aktivním místem na luminální straně. K dalším posttranslačním modifikacím proteinů dochází po jejich přechodu do GA. Jsou-li na ribozomech drsného ER syntezovány proteiny biomembrán, nepřechází celé do lumina ER, ale zůstávají jako transmembránové proteiny součástí membrány ER. Na luminární straně mohou být glykosylovány. Cytosolické proteiny (volné, peroxizomy, mitochondrie, jádro), exportní proteiny (proteiny do lyzosomů, GA a buněčné membrány).

Syntéza lipidů v ER – všechny lipidy buňky (s výjimkou mastných kyselin a dvou fosfolipidů mitochondrií) jsou syntezovány v ER. ER je tedy nejen zdrojem membránových proteinů, ale i membránových fosfolipidů a cholesterolu. Enzymy, které spojují mastné kyseliny, glycerolfosfáát a cholin, tj. acetyltransferáza, fosfatáza a cholinfosfotransferáza, jsou membránové proteiny ER s aktivními místy na cytoplazmatické straně membrány. Nové lipidy jsou tedy inzerovány do membrány již v prvním stupni syntézy, dále se již jen chemicky mění jejich polární „hlavička“. Jsou ovšem inzerovány do lipidové monovrstvy na cytoplazmatické straně, takže membrána by rostla asymetricky. Musí zde proto existovat mechanismy, které asi polovinu nasyntezovaných fosfolipidů „překlopí“ do druhé monovrstvy. Generátorem většiny lipidů biomembrán je hladké ER. Do membrán různých buněčných organel se dostanou regulovaným přechodem měchýřků odštěpených z ER (do GA, lyzosomů, plazmatické membrány atd.). je zde zachována i asymetrie v membránových proteinech. Tyto mají N-konec na luminální straně ER a jsou zde také glykosylovány.

Kotranslační transport – proces přesunu komplexu překládajícího mRNA z volné cytoplasmy na membránu drsného endoplazmatického retikula a následného směřování syntetizovaného polypeptidu skrze membránu ER. Signál rozpoznávající buňky (SRP) rozeznávají signální peptid. Translokon je komplex proteinů v membráně, který umožňuje přenos proteinů přes ni nebo do ní. Signální peptidáza odstřihuje ještě v průběhu translokace signální sekvenci.

Posttranslační modifikace – BiP (Hsp 60 a 70) (chaperon) pomáhá nesprávně složeným proteinům k správnému složení. Oxidace SH skupin a tvorba disulfidických můstků. Glykosylace (nutná pro správné skládání).

            Golgiho aparát – je stálou strukturou všech eukaryontních buněk. Jeto složitá membránová soustava, sestávající z navzájem propojených cisteren, nazývaných dictyosomy a z množství měchýřků na jejich periférii. Počet GA na buňku je různý, podle typu buněk od jednoho až po několik set. GA je strukturálně a funkčně polarizován. Tzv. cis strana je orientována k endoplazmatickému retikulu a s touto cisternou splývají měchýřky z ER pocházející. Tzv. trans strana je orientována k plazmatické membráně a z této cisterny se odštěpují sekreční měchýřky. Polarita má i význam metabolický.

Metabolické funkce GA – hlavní funkcí GA je chemická modifikace látek (především glykosylace, sulfatace, připojování mastných kyselin atd.), syntezovaných v ER a jejich distribuce v buňce. Jde o secernované proteiny, glykoproteiny a proteoglykany, glykoproteiny plazmatické membrány a proteiny lyzosomů. Glykosylace proteinů byla započata v ER nejčastěji na zbytcích asparaginu. V GA se řetězce oligosacharidů rekonstruují a jsou glykosylovány určité zbytky serinu a threoninu. Konečná struktura sacharidové komponenty, často velmi složitá a vždy specifická pro danou třídu proteinů je výsledkem sekvenční aktivity různých glykosyltransferáz. Syntéza polysacharidů (pektin, hemicelulóza, glykosaminoglykany).

Smysl glykosylací – správná 3D-konformace, prevence agregace proteinů, ochrana proteinu před degradací, buněčné rozpoznávání, buněčná adheze, buněčná signalizace.

Distribuční funkce GA – GA je nejen kompartmentem, ve kterém dochází ke kovalentní modifikaci mnoha látek, ale i strukturou, která distribuuje modifikované proteiny přesně na místo jejich určení. Produkty GA jsou „roznášeny“ do cílových struktur v měchýřcích, které se z cisteren dictyosomů odštěpují. GA je součástí tzv. sekreční dráhy. Cesta určitého proteinu (který „pobude“ v ER asi 10 minut) přes GA až na místo určení trvá 30-60 minut. Některé sekrety se však mohou hromadit v sekrečních měchýřcích (často značné velikosti, jako např. u exokrinních buněk pankreatu (zymogenní granula)) a jejich splynutí s plazmatickou membránou (tedy vlastní exocytóza) je proces řízený signály z okolí buňky (acetylcholin nebo cholecystokinin). Sekreční měchýřky splývají však pouze s určitou částí plazmatické membrány, tou, která je obrácena do pankreatických vývodů.  Musí tedy existovat signální mechanismus, který určí specifitu cesty měchýřku s určitým proteinem do cílové membrán. Specifitu určují patrně jednak specifické rekogniční protein membránové a jedna komponent cytoskeletu, které navíc dodávají energii k pohybu měchýřků (při zástavě syntézy ATP se také pohyb měchýřků zastavuje). Rozvod látek z GA k cílovým strukturám se lze představit jako kyvadlovou přepravu pomocí měchýřků. To zahrnuje i to, že „vyložené“ měchýřky se vracejí zpět do GA, že membrány recyklují. Při fúzi sekrečního měchýřku s cílovou membránou se jeho fosfolipidy i proteiny laterální difúzí v membráně rozptýlí. Při recyklaci vracející se měchýřky mají však stejné proteiny jako měchýřky transportující sekret. Transportní měchýřky obaluje clathrin. GA množství látek v něm chemicky upravených dovede roztřídit a po roztřídění pomocí měchýřků specificky dirigovat k determinovaným cílům.

KDEL -  některé proteiny se musí vrátit. KDEL je signální sekvence na C-konci bílkovin, které svou funkci mají trvale plnit v ER. Bílkoviny jsou jinak neustále z ER transportovány do dalších membránových organel (GA). Sekvence KDEL zajišťuje, aby se proteiny nesoucí tuto sekvenci neustále vracely (recyklovaly) z membránových organel. Tvoří ji: K-lysin, D-kyselina asparagová, E-kyselina glutamová, L-leucin. KDEL se v GA váže na KDEL receptory, které je následně navádí k recyklaci pomocí retrográdních (COPI) váčků zpět do ER. V GA velká afinita, v ER nízká (asi způsobeno rozdíly pH uvnitř organel – v GA slabě kyselé).