Endoplasmatisches Retikulum

Grundprinzip und Aufbau

Das endoplasmatische Retikulum (ER) ist ein verzweigtes, membranumgrenztes Kanalsystem in eukaryotischen Zellen. Es kommt – mit Ausnahme ausgereifter Erythrozyten – in allen eukaryotischen Zellen vor und ist je nach Zelltyp unterschiedlich stark entwickelt. Das ER ist für die Herstellung, Bearbeitung, Speicherung und Weiterleitung verschiedener Zellbestandteile wichtig.

Es besteht aus Röhren, Bläschen und Zisternen, also sackähnlichen Strukturen. Die ER-Membran trennt das ER-Lumen, den Innenraum des ER, vom Zytosol. Das ER macht über die Hälfte der gesamten Membranmenge einer Eukaryotenzelle aus. Seine Membran geht direkt in die Kernhülle über; ER-Lumen und perinukleärer Raum, der Membranzwischenraum der Kernhülle, stehen miteinander in Verbindung.

Man unterscheidet raues ER mit Ribosomen auf der Membranoberfläche und glattes ER ohne Ribosomen. Beide Bereiche haben unterschiedliche Aufgaben. Das ER ist dynamisch: Membrantubuli können verlängert, zurückgezogen, verzweigt, verschmolzen oder aufgespalten werden. Diese Beweglichkeit hängt vom Cytoskelett ab. In Pflanzenzellen und Hefe ist vor allem F-Aktin wichtig, in tierischen Zellen vorwiegend Mikrotubuli. Das Motorprotein Myosin V sorgt bei der Zellteilung für die Weitergabe des peripheren ER an die Tochterzellen.

Aufgaben des ER und seine Bereiche

Am und im ER finden mehrere zentrale Vorgänge statt: Translation, also die Herstellung von Proteinen; Proteinfaltung; Proteinqualitätskontrolle; posttranslationale Modifikationen, also Veränderungen nach der Proteinsynthese; sowie der Transport von Transmembranproteinen und sekretorischen Proteinen. Nach der Mitose können am ER außerdem neue Kernmembranen gebildet und abgeschnürt werden.

Das ER dient auch als intrazellulärer Calciumspeicher und hat dadurch eine Schlüsselrolle bei der Signaltransduktion. In Muskelzellen heißt das ER sarkoplasmatisches Retikulum (SR). Die Aufgaben der drei Bereiche unterscheiden sich: Das glatte ER übernimmt vor allem Stoffwechsel-, Entgiftungs- und Speicherfunktionen, das raue ER vor allem Proteinbiosynthese und Membranproduktion, während das SR die Muskelkontraktion reguliert.

Glattes ER: Stoffwechsel und Entgiftung

Das glatte ER ist an verschiedenen metabolischen Prozessen beteiligt. Seine Enzyme wirken an der Synthese von Lipiden mit, besonders von Phospholipiden, Fettsäuren und Steroiden. Außerdem übernimmt es Aufgaben im Kohlenhydratstoffwechsel, bei der Entgiftung und bei der Calciumspeicherung. Deshalb besteht das ER in Parenchymzellen der Niere und der Leber überwiegend aus glattem ER.

Steroide des glatten ERs sind unter anderem Steroidhormone der Nebennierenrinde und Geschlechtshormone der Wirbeltiere. Die für die Hormonproduktion zuständigen Zellen in Hoden und Eierstöcken enthalten daher besonders viel glattes ER.

In Hepatozyten, den Parenchymzellen der Leber, wird Glucose als Polymer Glykogen gespeichert. Bei der Glykogenolyse werden einzelne Glucosemoleküle aus Glykogen freigesetzt. Zunächst entsteht dabei Glucose-6-phosphat. Das Enzym Glucose-6-Phosphatase auf der Membran des glatten ER spaltet dessen Phosphatgruppe ab. Erst die dadurch entstehende Glucose kann die Leberzelle verlassen und den Blutzuckerspiegel erhöhen.

Das glatte ER der Hepatozyten enthält membrangebundene Enzyme der Cytochrom-P450-Klasse, kurz CYPs. Sie erkennen viele körperfremde Stoffe, zum Beispiel Medikamente, als Substrate und oxidieren sie meist. Dabei werden polare Gruppen eingefügt. Die entstehenden Stoffe sind besser wasserlöslich und können von den Nieren leichter ausgeschieden werden.

Calcium-Speicher und Signalgebung

Im ER-Lumen beträgt die Calcium^{2+}-Konzentration etwa 10^{-3} M, also millimolare Werte. Im ruhenden Cytosol liegen freie Calcium-Ionen dagegen nur bei etwa 100–150 nM beziehungsweise ungefähr 10^{-7} M. Über die ER-Membran besteht somit ein Konzentrationsgradient von vier Größenordnungen. Aufnahme und Freisetzung von Calcium werden fein reguliert und sind für die Calcium-Homöostase entscheidend.

Calcium-Ionen wirken im Cytosol als wichtige second messenger, also als intrazelluläre Botenstoffe. Ihre regulierte Freisetzung aus dem ER kann Enzyme aktivieren oder hemmen, die Genexpression beeinflussen, in Neuronen die synaptische Plastizität verändern, Muskelkontraktionen auslösen und in Immunzellen die Antikörperfreisetzung fördern.

Calcium verlässt das ER über IP_{3}-Rezeptoren und Ryanodin-Rezeptoren. IP_{3} (Inositoltrisphosphat) entsteht aus Phosphatidylinositol-4,5-bisphosphat durch die Phospholipase C, die durch bestimmte G-Proteine (Gq) aktiviert wird. Die Signalkette lautet: metabotroper Rezeptor – G-Protein – Phospholipase C – IP_{3} – IP_{3}-Rezeptor – Calcium-Freisetzung. IP_{3} bindet an seinen Rezeptor und öffnet den Calciumkanal. Calcium kann in dieser Kette auch als tertiärer Bote bezeichnet werden.

Ryanodin-Rezeptoren sind calcium-sensitive Calciumkanäle. Steigt die Calciumkonzentration im Cytosol, binden Calcium-Ionen an die Rezeptoren, die sich daraufhin öffnen. Der dadurch ausgelöste Vorgang heißt Calcium-induzierte Calciumfreisetzung (CICR, calcium-induced calcium release) und ist besonders für die Kontraktion von Herzmuskelzellen bekannt.

SERCA-ATPasen (sarkoendoplasmatisches-Retikulum-ATPasen) transportieren Calcium unter ATP-Verbrauch aus dem Cytosol zurück in das ER. Da sie den starken Konzentrationsgradienten überwinden, handelt es sich um primär aktiven Transport.

Sarkoplasmatisches Retikulum in Muskelzellen

Das glatte ER der Muskelzellen wird sarkoplasmatisches Retikulum (SR) genannt. Es ist ein spezialisiertes ER und speichert Calciumionen. Trifft ein elektrischer Impuls, ein Aktionspotential, ein, werden Calciumionen in das Sarkoplasma, das Cytoplasma der Muskelzellen, ausgeschüttet.

Die Calciumionen gelangen zwischen die Aktin- und Myosinfilamente der Muskelfibrillen. Dadurch gleiten die Filamente ineinander, und die Muskelfaser kontrahiert. Bleiben weitere Erregungen aus, pumpen SERCA-ATPasen die Calciumionen aktiv in das SR zurück. So wird eine erneute Kontraktion verhindert und die Muskelkontraktion reguliert. Das SR ist außerdem Teil des longitudinal tubulären Systems.

Raues ER: Proteine und Membranen

Das raue ER, auch granuläres ER oder Ergastoplasma genannt, trägt Ribosomen auf seiner Membran und erscheint deshalb körnig. Es kommt besonders in Zellen exokriner Drüsen und der Leber sowie in Nervenzellen (Nissl-Schollen) und Embryonalzellen vor. Mit basischen Farbstoffen wie Hämatoxylin, Kresylviolett oder Toluidinblau kann es durch Nissl-Färbung sichtbar gemacht werden.

Ribosomen am rauen ER stellen häufig Proteine her, die von der Zelle ausgeschieden werden, zum Beispiel Insulin aus Zellen der Bauchspeicheldrüse. Die entstehenden Polypeptidketten werden durch porenbildende Proteine während der Translation (Kotranslation) in das ER-Lumen geschleust. Auch im Cytosol synthetisierte Proteine können anschließend in das Lumen gelangen (Posttranslation). Dort werden sie zugeschnitten und gefaltet. Chaperone unterstützen und kontrollieren die Faltung. Fehlgefaltete Proteine werden zurück ins Cytosol transportiert und durch das Proteasom abgebaut.

Viele Sekretionsproteine sind Glycoproteine, die kovalent gebundene Oligosaccharide tragen. Diese Kohlenhydrate werden im ER-Lumen durch ER-Enzyme angeheftet. Proteine, die außerhalb des ER benötigt werden, besitzen Signalsequenzen, häufig eine N-terminale Peptidsequenz. Nach dem Transport durch die ER-Membran kann sie durch die Signalpeptidase abgespalten werden. Anschließend werden die Proteine in Transportvesikel verpackt und entlang des Cytoskeletts weitergeleitet. Vesikel aus dem rauen ER fusionieren mit der cis-Seite des Golgi-Apparats und liefern Proteine zur weiteren Bearbeitung, etwa zum Anfügen von Zuckerseitenketten. Dies gehört zum sekretorischen Weg.

Das raue ER lässt seine eigene Membran wachsen und transportiert Membranbestandteile über Vesikel zum Golgi-Apparat, zu Endosomen, Lysosomen und zur Plasmamembran. Damit erfüllt es neben der Proteinbiosynthese auch eine zentrale Funktion bei der Membranproduktion.