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Lexikon der Biologie

endoplasmatisches Reticulum

endoplasmatisches Reticulum s [von Endoplasma, Reticulum], Abk. ER, ein nur elektronenmikroskopisch sichtbares, intrazelluläres, reich verzweigtes Membransystem aller eukaryotischen Zellen (Eucyte), das je nach Zelltyp unterschiedlich stark entwickelt ist. Das ER besteht aus von einer Elementarmembran umschlossenen Hohlräumen, die, obwohl so reich verzweigt, ein zusammenhängendes System bilden, das als sog. ER-Lumen (oder ER-Zisterne) mehr als 10% des gesamten Zellvolumens umfassen kann. Die Membranen des ER, die mit der äußeren Kernmembran (Kernhülle) in Verbindung stehen, stellen insgesamt mehr als die Hälfte aller zellulären Membranen. Das endoplasmatische Reticulum (ER) kann in zwei funktionell unterschiedliche Bereiche unterteilt werden, in das rauhe oder granuläre endoplasmatische Reticulum (Abk. rER, von rough ER, zum Teil auch als Ergastoplasma bezeichnet) und das glatte oder agranuläre endoplasmatische Reticulum (Abk. sER, von smooth ER). Beide Formen können kontinuierlich ineinander übergehen. Das rauhe ER besteht aus abgeflachten Hohlräumen (Zisternen); seine Membranen (ebenso wie die äußere Kernmembran) sind an der cytoplasmatischen Seite mit Ribosomen besetzt ( vgl. Abb. ), an denen Export-, Membran- und Lysosomenproteine synthetisiert werden (Membranproteine). Infolgedessen ist das rauhe ER auch besonders stark entwickelt in Zellen, die auf die Exportproteinsynthese spezialisiert sind (z.B. Antikörper bildende Plasmazellen, exokrine Zellen des Pankreas), oder in auf Membransynthese (z.B. Stäbchen der Netzhaut) spezialisierten Zellen. Die Ribosomen binden mit ihrer großen Untereinheit wahrscheinlich an die Translokase – ein Protein, das einen wäßrigen Kanal in der Membran bildet und so den Durchtritt eines frisch synthetisierten Proteins ermöglicht (signal recognition particle, Signal-Hypothese, Blobel [G.]). Die membranständigen Ribophorine I und II, denen man früher eine Ribosomen-Bindungsfunktion zusprach, sind wohl eher zusammen mit einer Oligosaccharid-Transferase an der Glykosylierung von Proteinen beteiligt. – Das glatte ER dagegen ist frei von Ribosomen, seine Hohlräume haben die Form von Tubuli. Es ist normalerweise in der Zelle nur in geringer Menge vorhanden. In Zellen, die auf Lipidmetabolismus (Fettstoffwechsel) oder die Synthese von Steroidhormonen spezialisiert sind, ist es allerdings stärker entwickelt.
Funktionen: Während die frei im Cytoplasma befindlichen Ribosomen vor allem Proteine synthetisieren (Proteinsynthese), die nach ihrer Bildung im Plasma gelöst bleiben oder in Organelle wie Mitochondrien und Plastiden transportiert werden müssen, bilden die membrangebundenen Ribosomen Membranproteine und Proteine, die von der Zelle nach außen abgegeben werden. Im Innern des rauhen ER findet cotranslational die N-Glykosylierung von Proteinen statt (sog. Core-Glykosylierung), bei der Oligosaccharid-Einheiten (Oligosaccharide; bestehend aus N-Acetylglucosamin, Mannose, Glucose) auf die Aminogruppe eines Asparaginrestes (Asparagin) im Protein übertragen werden. Diese Reaktion wird durch eine membrangebundene Glykosyl-Transferase (auch Oligosaccharid-Transferase), deren aktives Zentrum sich an der Membraninnenseite des ER befindet, katalysiert. Dieses Enzym bildet zusammen mit den Ribophorinen I und II einen membranständigen Komplex am ER. Im Anschluß daran werden die Glucosereste durch die Glucosidasen I und II abgespalten. Die Prozesse der Glykosylierung stehen in engem Zusammenhang mit der Steuerung der Proteinfaltung: die neu entstehenden Polypeptidketten im Lumen des ER binden zunächst an Chaperone (Chaperonine, Polypeptidketten bindende Proteine) – Proteine, die für eine kurze Zeit für eine Entfaltung der neugebildeten Proteine sorgen. Damit werden unsinnige Faltungen verhindert, die entstehen könnten, solange das Protein noch nicht endgültig fertiggestellt ist. Im Falle von N-glykosylierten Proteinen spielt die Glucosidase II eine wichtige Doppelrolle: Bei einem oder mehreren noch vorhandenen Glucoseresten erfolgt die spezifische Bindung des wachsenden Proteins an das membranverankerte Chaperon Calnexin; erst die Abspaltung des letzten Glucoserestes durch die Glucosidase II ermöglicht die Dissoziation von Protein und Faltungshelfern. Mehrere Zyklen der Glykosylierung und Abspaltung sind von entscheidender Bedeutung für die Qualitätskontrolle der aus dem ER exportierten Proteine. Häufige Chaperone im ER-Lumen von Eukaryoten sind außer dem schon erwähnten Calnexin das Calreticulin, das zur Hsp70-Familie gehörende BiP (binding protein, relative Molekülmasse 78000) und das Grp94 (Glucose-reguliertes Protein). Weitere Glykosylierungsschritte finden dann im Golgi-Apparat statt. Daneben kann auch die O-Glykosylierung eines Serin- oder Threoninrestes posttranslational bereits im ER (oder im Golgi-Apparat) beginnen. Die Übertragung von Glykosylphosphatidylinositol auf den C-terminalen Aminosäurerest eines Proteins erfolgt ebenfalls im ER und dient der späteren Verankerung in der Plasmamembran. – Die Aufgaben des glatten ER sind sehr vielfältig. Eine der Hauptfunktionen besteht in der Lipidsynthese (Lipide, Fette). Mengenmäßig überwiegt dabei das Phosphatidyl-Cholin (Lecithin), das in mehreren Schritten aus 2 Fettsäure-Resten (Fettsäuren), Glycerin-3-phosphat und CDP-Cholin (Cytidindiphosphat-Cholin) gebildet wird. Die Fettsäure-Synthase (Fettsäure-Synthetase-Komplex), die die eigentlichen lipophilen Komponenten der meisten Lipide liefert, befindet sich als löslicher Komplex im Cytoplasma (bei Pflanzen in Plastiden). Die weiteren beteiligten Enzyme sind membranassoziiert, die aktiven Zentren liegen an der cytoplasmatischen Membranseite (P-Seite), so daß die neugebildeten Membranlipide ihre polaren Gruppen zunächst auf dieser Seite exponiert tragen. Die anschließende asymmetrische Verteilung der Lipide in der Lipid-Doppelschicht erfolgt möglicherweise über spezifische Transportproteine (Carrier), sog. Flippasen (abgeleitet vom Flip-Flop), die die Moleküle von der äußeren auf die innere Membranseite transportieren. Daneben findet man im ER ein Elektronentransportsystem (Cytochrom-b5, Cytochrome), das die Desaturierung von Fettsäuren katalysiert. In der Leber ist das glatte ER für den Glykogenabbau (Glykogen) verantwortlich. Vom gebildeten Glucose-6-phosphat wird der Phosphatrest abgespalten, und die Glucose kann ins Blut übertreten. – Im glatten ER werden Entgiftungsreaktionen (Entgiftung) durchgeführt, um Drogen, wie z.B. Phenobarbital, unschädlich zu machen (Biotransformation). Hieran ist insbesondere das Hämprotein Cytochrom P450 (Cytochrom-P450-System) beteiligt ( vgl. Abb. ), das in vielen Isoformen mit breiter Substratspezifität in nahezu allen pro- und eukaryotischen Zellen vorkommt. Wenn bestimmte Drogen in hohen Konzentrationen in den Körper gelangen, beginnt in der Leber eine stark erhöhte Synthese von Enzymen für diese Entgiftungsreaktionen, und das glatte ER verdoppelt seine Oberfläche innerhalb weniger Tage. Nach dem Abbau der Drogen ist das glatte ER durch die Tätigkeit von Autophagosomen nach etwa 5 Tagen wieder auf seine normale Größe reduziert. Wie diese Änderungen reguliert werden, ist noch unbekannt. – In den Sexualhormone produzierenden Zellen (z.B. die Testosteron bildenden Zwischenzellen des Hodens) ist das glatte ER reich entwickelt, da hier die Synthese der Steroide als Hauptbestandteile der Hormone stattfindet. Eine Sonderform des glatten ER ist das sarkoplasmatische Reticulum der Muskelzellen (Muskulatur), dessen Membranschläuche die Myofibrillen umspinnen. Das Hauptmembranprotein dieses glatten ER ist die Ca2+-ATPase (Adenosintriphosphatasen), die nach jeder Muskelkontraktion Ca2+-Ionen (Calcium) aus dem Cytoplasma in das ER pumpt (Muskelkontraktion II).
Isolierung des ER: Durch Homogenisierung von Zellen oder Gewebe wird das ER zerstört, es entstehen kleine, geschlossene Vesikel (Durchmesser ca. 100 nm), die als Mikrosomen bezeichnet werden. Die sich aus dem rauhen ER bildenden Vesikel (rauhe Mikrosomen) sind an ihrer Außenseite mit Ribosomen besetzt, d.h., die Orientierung der Membran bleibt erhalten. Glatte Mikrosomen dagegen stammen nur zum Teil vom glatten ER, teilweise sind es auch Fragmente von Golgi-Apparat oder Cytoplasmamembran. Da rauhe Mikrosomen durch ihren Besatz an Ribosomen schwerer als glatte sind, können sie leicht durch Dichtegradienten-Zentrifugation voneinander getrennt werden. Ein Vergleich beider Typen zeigt, daß sie hinsichtlich ihrer Enzymaktivitäten oder Polypeptidzusammensetzung bemerkenswert ähnlich, allerdings nicht identisch sind. Die Analyse der Mikrosomenfraktion ergibt, bedingt durch den hohen Anteil an Membranen, einen Gehalt von 35% (Trockengewicht) an Phospholipiden und 60% Proteinen, darunter viele Enzyme, wie Phosphatasen (Glucose-6-Phosphatase, Nucleosid-Phosphatase), Esterasen oder in den Nebennierenrindenzellen Enzyme für die Synthese von Steroidhormonen. Wichtige Leitenzyme sind NADP-Cytochrom-c-Reductase und Cytochrom P450. Weiterhin sind aufgrund des Ribosomenbesatzes 50–60% der RNA einer Zelle im ER lokalisiert. Autoradiographie, Cytosomen, Endocytose, Kompartimentierung, Membranfluß, Palade (G.E.); Zelle.

K.A./S.Kl.



endoplasmatisches Reticulum

EM-Aufnahmen des rauhen endoplasmatischen Reticulums (rER; 1 Zelle aus dem Pankreas einer Fledermaus); 2 rauhes ER in höherer Vergrößerung; die Ribosomen (dunkle Punkte) sind an die Cytosolseite der Membran gebunden.



endoplasmatisches Reticulum

Die am besten untersuchten Entgiftungsreaktionen sind die, an denen Cytochrom P450 beteiligt ist. Dabei überträgt eine Reductase Elektronen von NADPH2 auf das Cytochrom, die dann für Hydroxylierungen von im Lipid-Bilayer gelösten, wasserunlöslichen toxischen Kohlenwasserstoffen (CH3–R) eingesetzt werden. Andere in der Membran lokalisierte Enzyme binden anschließend negativ geladene, wasserlösliche Moleküle (z.B. SO42– oder Glucuronsäure) an diese OH-Gruppen. Durch mehrere solcher Reaktionen wird eine wasserunlösliche Droge schließlich hydrophil genug, um aus der Zelle ausgeschleust und mit dem Urin aus dem Körper ausgeschieden zu werden.

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