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Warum assoziieren Ribosomen mit rauem endoplasmatischen Retikulum, aber nicht mit anderen Membranen?

Warum assoziieren Ribosomen mit rauem endoplasmatischen Retikulum, aber nicht mit anderen Membranen?


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Soweit mir bekannt ist, bestehen alle eukaryontischen Membranen aus einer Lipiddoppelschicht. Glattes endoplasmatisches Retikulum (ER) und raues ER werden durch das Vorhandensein von Ribosomen auf der rauen ER-Oberfläche unterschieden, sind aber ansonsten anscheinend ähnlich. Was also bewirkt, dass Ribosomen mit der Membran des rauen ER assoziieren, aber nicht der des glatten ER. Oder wandeln Ribosomen glattes ER in raues ER um, indem sie an ihre Membranen binden?


Peptide, die entweder sezerniert oder in die Zellmembran eingeschlossen werden sollen, haben eine Signalsequenz, die ein Protein namens . bindet Signalerkennungspartikel (SRP). Die SRP wiederum bindet sich an Translokone--im Wesentlichen Peptidtunnel in der RER-Membran. Sie benötigen diese Interaktion zwischen dem Translokon und dem SRP, um eine stabile Ribosomenanlagerung zu erreichen. Deshalb haben Sie keine Ribosomen, die sich an andere Membranen anheften. Nach der Anheftung setzt das Ribosom die Translation der mRNA durch das Translokon in das RER-Lumen fort.

Hier wird es jetzt etwas heikel. Wenn die resultierende Struktur im RER-Lumen weitgehend hydrophil ist, verbleibt sie im RER-Lumen, wo sie später basierend auf anderen Signalsequenzen dorthin gelenkt wird, wo sie hin muss.

Wenn jedoch große Bereiche mit hydrophoben Rückständen vorhanden sind, befinden sich diese nicht gerne in der wässrigen Umgebung des ER-Lumens. Ergo werden sie in die RER-Membran eingearbeitet. So werden sie zu Transmembranproteinen. Eine gute Faustregel ist, dass, wenn Sie 10 hydrophobe Rückstände hintereinander haben, eine gute Chance besteht, dass sie in eine Membran eingebaut werden.

Sobald die Proteintranskription abgeschlossen ist, ist das Ribosom nicht mehr mit dem RER assoziiert und tritt wieder in den Pool der freien Ribsomen ein (bereit, eine neue mRNA aufzunehmen).

BEARBEITEN: Als Antwort auf die Frage in Kommentaren, warum Translokone in RER und nicht in anderen Membranen gefunden werden

Sie können die Frage sicherlich stellen, aber Sie sind nahe daran, in diese schöne Genese der Grundlagenforschung zu fallen: etwas, das ich das "Warum-Loch" nenne. Ich habe mich umgesehen und glaube nicht, dass wir ein vollständiges Verständnis der Membranorganisation in der gesamten Zelle haben, obwohl ich mich an Zellbiologen wenden würde, die ein besseres Verständnis haben. Wir haben eine Vorstellung von den Mechanismen. Was folgt, ist eine Zusammenfügung von Hypothesen und einigen Fakten, die ich finden konnte.

Da das Translokon ein Komplex von Transmembranproteinen ist, liegt es nahe, dass seine Teile irgendwann von einem Ribosom durch ein vorheriges Translokon synthetisiert wurden. Das würde es in die RER-Membran bringen. Damit nun ein Stück Membran (oder irgendetwas innerhalb des ER-Lumens) an sein endgültiges Ziel gelangen kann, muss es eine andere Signalsequenz haben. Diese Signalsequenz wird durch ein einzigartiges Signalerkennungsprotein erkannt. Dadurch wird das Protein in einem Teil des RER lokalisiert, der mehrere Proteine ​​​​hat, die ein Vesikel bilden (eines davon ist Clathrin) und ein daran gebundenes Protein namens v(Esikel)-SNARE. Sobald das Vesikel knospen ist, wird es durch die Zelle gehen, bis sein v-SNARE in ein t(arget)-SNARE übergeht. Diese Wechselwirkung führt letztendlich zur Fusion des Vesikels mit der Zielmembran (z. B. Lysosom, Plasmamembran usw.). Ich habe alle meine Fakten hier überprüft, wo Sie mehr darüber lesen können.

All dies bedeutet, dass ein Transmembranprotein, das keine Signalsequenz hat, nicht für den Transport durch dieses System bestimmt wird und im endoplasmatischen Retikulum verbleiben sollte.

An dieser Stelle wäre es gut, daran zu erinnern, dass das ER – sowohl rau als auch glatt – eine kontinuierliche Struktur ist, wobei sich das RER näher am Zellkern und das SER näher an der Zellmembran befindet. Es wäre also sinnvoll zu fragen, warum Translokone im RER verbleiben und nicht in den SER diffundieren. An dieser Stelle kommen wir in die aufstrebende Wissenschaft. Soweit ich weiß, gibt es viele Proteine, die an der Struktur und Organisation des ER beteiligt sind. Sie können die "Fähigkeit von NDPK-B, Mikrodomänen auf Membranebene zu bilden" oder Reticulon2 untersuchen, aber ich denke, auf diesem Gebiet gibt es noch einiges zu tun. Ich ermutige Sie, sich diese Ressourcen anzusehen, und wenn Sie daran interessiert sind, sollten Sie in Erwägung ziehen, etwas zu recherchieren. Es gibt einige Hinweise darauf, dass eine Membrandysfunktion mit neuronalen Erkrankungen in Zusammenhang steht, so dass alle Fortschritte gut aufgenommen würden.

Stellen Sie wie immer Fragen!


Feiern Sie Cytochemie

Hypophysengonadotrope sind immunmarkiert fluoreszierend grün für LH (siehe obiges Banner) und Kerne werden mit DAPI blau gefärbt. In der obigen Ansicht sind sie jedoch für Cre-Rekombinase mit Dylight 594 (rot) in den Kernen und im Zytoplasma doppelt markiert. Dadurch werden die Kerne violett und das Zytoplasma gelb.

5 nM Goldmarker weisen LH im Golgi-Komplex und in einem sekretorischen Granulat nach.

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Humane Ribophorine I und II: die Primärstruktur und Membrantopologie von zwei hochkonservierten rauen endoplasmatischen Retikulum-spezifischen Glykoproteinen.

Ribophorine I und II stellen Proteine ​​dar, von denen postuliert wird, dass sie an der Ribosomenbindung beteiligt sind. Sie sind reichlich konservierte Glykoproteine, die sich ausschließlich in den Membranen des rauen endoplasmatischen Retikulums befinden. Als ersten Schritt bei der weiteren Charakterisierung der Struktur und Funktion dieser Proteine ​​haben wir humane cDNA-Klone voller Länge, die Ribophorine I und II kodieren, isoliert und sequenziert, wobei Sonden verwendet wurden, die aus einer in pEX1 klonierten humanen Leberexpressionsbibliothek stammen. Die Authentizität der Klone wurde durch Überlappungen in der Proteinsequenz von N-terminalen und mehreren internen Fragmenten der caninen Pankreas-Ribophorine I und II bestätigt. Die cDNA-Klone hybridisieren an mRNA-Spezies von 2,5 kb Länge und kodieren Polypeptide von 68,5 bzw. 69,3 kd. Primärsequenzanalyse, gekoppelt mit biochemischen Studien zur Topologie, zeigt, dass beide Ribophorine größtenteils luminal angeordnet sind, die Membran einmal durchspannen und 150 bzw. 70 Aminosäuren lange zytoplasmatisch angeordnete C-Termini aufweisen. Beide werden als Vorstufen mit spaltbaren Signalsequenzen von 23 (Ribophorin I) und 22 (Ribophorin II) Aminosäuren synthetisiert. Die von der Primärstruktur vorgeschlagene Topologie wurde biochemisch unter Verwendung von proteolytischen Enzymen und Anti-Ribophorin-Antikörpern bestätigt. Die Proteolyse intakter Mikrosomen mit einer Vielzahl von Enzymen führte zu einer Verringerung des scheinbaren Mols. Gew.-% Ribophorin I, was einem Verlust seines zytoplasmatischen Schwanzes mit 150 Aminosäuren entsprechen würde. Im Fall von Ribophorin II ist es gegenüber einer solchen Proteolyse vollständig resistent, was mit seiner luminalen Disposition und seinem ziemlich hydrophoben C-Terminus übereinstimmt.


Atlas der Pflanzen- und Tierhistologie

Endoplasmatisches Retikulum ist ein komplexes membrangebundenes Kompartiment, das in Tubuli und abgeflachten Zisternen angeordnet ist, die miteinander verbunden sind und dasselbe Lumen (Innenraum) und dieselbe Membran teilen. Die Membran des endoplasmatischen Retikulums ist auch mit der äußeren Membran der Kernhülle verbunden. Tubuli und Zisternen werden durch das Zytoplasma von der Kernhülle bis nahe an die Plasmamembran verteilt, so dass sie die Hälfte der gesamten Zellmembranen ausmachen können. Die Membran des endoplasmatischen Retikulums ist dünner (etwa 5 nm dick) als andere Organellenmembranen, da sie Lipide mit kürzeren Fettsäureketten aufweisen.

Endoplasmatische Retikulummembranen sind in Domänen oder Regionen organisiert, die unterschiedliche Funktionen erfüllen. Bei der Transmissionselektronenmikroskopie lassen sich leicht zwei Domänen unterscheiden: das raue und das glatte endoplasmatische Retikulum (Abbildung 1). Raue Membranen des endoplasmatischen Retikulums sind in Zisternen und mehr oder weniger geraden Tubuli angeordnet, wobei beide viele Ribosomen mit ihrer zysotolischen Membranoberfläche verbunden haben (daher der Name rau). Das glatte endoplasmatische Retikulum ist in unregelmäßigen und gewundenen Tubuli ohne assoziierte Ribosomen organisiert. Die äußere Membran der Kernhülle kann als Teil der rauen endoplasmatischen Domäne angesehen werden, da sie physikalisch mit den Membranen der rauen endoplasmatischen Tubuli verbunden ist und viele Ribosomen mit der Translation verbunden sind.

Abbildung 1. Endoplasmatisches Retikulum findet sich im gesamten Zytoplasma, von der Kernhülle bis zur Plasmamembran. Raue und glatte Membranen des endoplasmatischen Retikulums sind durchgehend. Das raue endoplasmatische Retikulum ist in Zisternen und Tubuli organisiert, die assoziierte Ribosomen aufweisen, während das glatte endoplasmatische Retikulum in Tubuli ohne angehängte Ribosomen angeordnet ist. Die äußere Kernhüllenmembran ist durchgehend mit den Membranen des endoplasmatischen Retikulums

Raues und glattes endoplasmatisches Retikulum teilen sich normalerweise nicht den gleichen zytosolischen Raum. Diese nicht überlappende Verteilung wird in Hepatozyten, Neuronen und Zellen, die Steroidhormon synthetisieren, beobachtet. In einigen zytosolischen Regionen gibt es jedoch keine klare Trennung zwischen beiden Domänen, und Tubuli mit assoziierten Ribosomen sind mit nackten Tubuli vermischt. Die räumliche Verteilung des endoplasmatischen Retikulums durch das Zytosol wird durch das Zytoskelett bestimmt, meist Mikrotubuli in tierischen Zellen, während Aktinfilamente für die Verteilung des endoplasmatischen Retikulums in Pflanzenzellen hauptsächlich verantwortlich sind.

1. Raues endoplasmatisches Retikulum

Das raue endoplasmatische Retikulum ist in mehr oder weniger gerade Röhrchen und abgeflachte Zisternen organisiert. Manchmal werden Zisternen ordentlich gestapelt. Der Name "rau" kommt von den elektronenmikroskopischen Bildern, bei denen Ribosomen, schwarze Partikel, beobachtet werden, die die Membran des endoplasmatischen Retikulums bedecken (Abbildung 2). Die Dichte der assoziierten Ribosomen beeinflusst die raue Organisation der Membranen des endoplasmatischen Retikulums, so dass eine hohe Dichte eine zisternenartige Morphologie verursacht, während eine geringere Dichte in Tubuli gefunden wird. Zisternen und Tubuli koexistieren in derselben Zelle, aber Zellen mit intensiver sekretorischer Aktivität zeigen dichte Zisternenhaufen, was ein hoch entwickeltes raues endoplasmatisches Retikulum bedeutet.

Abbildung 2. Transmissionselektronenmikroskopisches Bild. Es werden rauhe endoplasmatische Retikulum-Zisternae beobachtet, die sich von der Kernhülle bis in die Nähe der Plasmamembran erstrecken. Ribosomen werden als schwarze Punkte beobachtet, die mit Membranen des endoplasmatischen Retikulums verbunden sind. Beachten Sie auch Ribosomen, die mit der äußeren Membran der Kernhülle verbunden sind.

Proteinsynthese

Die Proteinsynthese ist die Hauptfunktion des rauen endoplasmatischen Retikulums. Diese Proteine ​​landen an verschiedenen Orten, wie dem extrazellulären Raum, der Plasmamembran oder an den Membranen und dem Lumen mehrerer Organellen, die am vesikulären Transport beteiligt sind, wie zum Beispiel Golgi-Apparat, Endosomen und Lysosomen. Viele Proteine ​​werden als Transmembranproteine ​​Teil der Plasmamembran und anderer Membranen sein. Darüber hinaus muss das raue endoplasmatische Retikulum Proteine ​​selbst synthetisieren, die als residente oder konstituierende Proteine ​​bekannt sind. Denken Sie daran, dass jedes Protein seinen richtigen Bestimmungsort in der Zelle "kennen" sollte. Dies kann durch ein Signalpeptid (kurze Aminosäuresequenz) oder spezifische Modifikationen des Proteins geschehen, die als Postadressen fungieren. Beispielsweise enthalten im Endoplasmatischen Retikulum residente Proteine ​​eine Sequenz von vier Aminosäuren nahe der Carboxyl-Endgruppe.

Fast jedes Protein, das zur Sekretion bestimmt ist oder Teil eines Kompartiments des vesikulären Verkehrs ist, beginnt mit der Synthese in zytosolischen freien Ribosomen, aber die Synthese endet im endoplasmatischen Retikulum, wobei das Protein entweder frei im Lumen oder als Teil der Retikulummembran verbleibt . Der Prozess der Proteinsynthese beginnt, wenn eine mRNA, die Informationen für ein Protein des vesikulären Transports trägt, sich mit einer kleinen ribosomalen Untereinheit und dann mit einer großen ribosomalen Untereinheit verbindet, um die Translation zu beginnen (Abbildung 3). Das erste translatierte Segment der mRNA ist eine Sequenz von Aminosäuren, die als Signalpeptid bekannt ist und etwa 70 Aminosäuren lang ist. Diese Sequenz wird von einem zytosolischen Molekül erkannt, das als SRP (Sequenzerkennungspartikel) bezeichnet wird. SRP ist eine Mischung aus 1 RNA und 6 Polypeptiden, die sich mit dem Signalpeptid verbindet und den Translationsprozess verlangsamt. Der mRNA-Ribosom-SRP-Signal-Peptid-Komplex diffundiert durch das Zytosol, bis er auf eine raue Membran des endoplasmatischen Retikulums trifft. In diesen Membranen befinden sich SRP-Rezeptoren, die das SRP erkennen. Der gesamte Komplex wird an der Membran befestigt und interagiert dann mit einem Translokon, einem großen Transmembranprotein mit einem Kanal. Dann werden SRP und SRP-Rezeptor freigesetzt und das an das Translokon gebundene mRNA-Ribosom-Signal-Peptid kann die Translation wieder aufnehmen, aber das entstehende Polypeptid wächst jetzt innerhalb des Translokon-Kanals. Das Signalpeptid wird an den Kanalwänden fixiert, während der Rest des Proteins in das Lumen der Zisterne des endoplasmatischen Retikulums fällt. Das Signalpeptid wird von einer Peptidase entfernt, und sobald es vollständig translatiert ist, wird das neue Protein freigesetzt und bleibt frei im Lumen und wird schnell gefaltet, um eine richtige räumliche Konformation zu erhalten, die von Chaperonen, einer anderen Art von Proteinen, unterstützt wird. Wenn die Translation abgeschlossen ist, wird die Ribosomen-mRNA vom Translokon abgekoppelt und die drei sind für eine weitere Runde im Zytosol frei .

Abbildung 3. Synthese löslicher Proteine, die in das Lumen des endoplasmatischen Retikulums freigesetzt werden.

Transmembranproteine ​​enthalten Sequenzen von hydrophoben Aminosäuren. Wenn diese Sequenzen übersetzt werden und den Translokon-Kanal durchlaufen, können sie die Wand des Translokons durchqueren und zu den Fettsäureketten von Membranlipiden gehören. Der Prozess ist je nach Protein recht komplex und vielfältig. Einige Rezeptoren sind beispielsweise Transmembranproteine ​​mit einer Aminosäurekette, die die Zellmembran siebenmal durchqueren kann, mittels abwechselnder hydrophober und hydrophiler Aminosäuresequenzen. Es gibt andere Proteine, die nur eine Monoschicht der Membran überspannen, und sie müssen sich entweder in der zytosolischen Monoschicht oder in der dem Lumen zugewandten Monoschicht befinden. Obwohl es in tierischen Zellen nicht üblich ist, kann das raue endoplasmatische Retikulum einige Proteine ​​importieren, die durch einen Prozess, der als posttranslationale Translokation bekannt ist und durch Chaperone vermittelt wird, vollständig im Zytosol synthetisiert wurden.

Proteine ​​im rauen endoplasmatischen Retikulum werden während ihrer Synthese modifiziert. a) Asparagin-Aminosäuren werden mit einem Molekülkomplex aus 15 Monosacchariden glykosyliert ( N-Glykosylierung ). Dieser Molekülkomplex wird zunächst zu einem Molekül Dolicholphosphat, einem Membranlipid, zusammengesetzt und dann auf ein Asparagin des entstehenden Proteins übertragen. Im Golgi-Apparat gehen einige terminale Monosaccharide dieses Komplexes verloren und andere Saccharide werden hinzugefügt. b) Einige Proteine, meist solche, die auf die extrazelluläre Matrix gerichtet sind, sind hydroxyliert. Auf diese Weise werden die Prolin- und Lysin-Aminosäuren der Kollagenmoleküle zu Hydroxyprolin- und Hydroxylysin-Aminosäuren. c) Einige Proteine ​​der Plasmamembran sind an einige Membranlipide chemisch gebunden. Diese chemische Bindung wird auch im rauen endoplasmatischen Retikulum hergestellt. d) Disulfidbrücken zwischen Polypeptidketten werden auch im endoplasmatischen Retikulum gebildet.

Formación y fusion de vesículas. -->

Im rauen endoplasmatischen Retikulum findet eine Qualitätskontrolle der synthetisierten Proteine ​​statt, so dass diese defekten Proteine ​​aus dem Retikulum entfernt und im Zytosol abgebaut werden. Auch Proteine, sogenannte Chaperone, die für eine ordnungsgemäße Faltung neu synthetisierter Proteine ​​benötigt werden, spielen eine wesentliche Rolle, um defekte Proteine ​​zu erkennen und für den Abbau zu markieren. Andere Proteine ​​mit Lektindomänen sind in der Lage, falsche Anordnungen von Kohlenhydraten zu erkennen und zu erkennen. Fehlfaltungen entstehender Proteine, die zu Zellschäden führen können, sind häufiger als man denkt.

2. Glattes endoplasmatisches Retikulum

Glattes endoplasmatisches Retikulum ist ein Netzwerk von miteinander verbundenen Tubuli, die mit dem rauen endoplasmatischen Retikulum zusammenhängen. Es gibt keine Ribosomen, die mit seiner Membran verbunden sind, daher wird es glatt genannt, und die Mehrheit der Proteine ​​in diesem Kompartiment stammt aus der rauen Domäne des endoplasmatischen Retikulums. Glattes endoplasmatisches Retikulum ist in den Zellen, die am Fettstoffwechsel oder der Entgiftung beteiligt sind, reichlich vorhanden und ist auch eine Organelle für die Kalziumspeicherung.

Herausragende Funktionen des glatten endoplasmatischen Retikulums sind:

Lipidsynthese

Die meisten Membranlipide werden im glatten endoplasmatischen Retikulum aufgebaut, einschließlich Glycerophospholipide und Cholesterin. Die Bestandteile der Glycerophospholipide stammen aus anderen Teilen des Zytoplasmas und werden in den Membranen des endoplasmatischen Retikulums zusammengebaut. Fettsäuren werden in die zytosolische Monoschicht der Organellenmembran eingebaut. An diese Fettsäuren werden dann Glycerophospholipid-Köpfe gebunden. Der größte Teil der Sphingolipid-Synthese findet jedoch im Golgi-Apparat statt, aber Ceramid, der Grundbestandteil der Sphingolipide, wird im glatten endoplasmatischen Retikulum aufgebaut. Sobald Glycerophospholipide und Ceramide vollständig zusammengesetzt sind, befinden sie sich zunächst in der zytosolischen Monoschicht der Membran des endoplasmatischen Retikulums. Da die Flip-Flop-Bewegung für Lipide durch die hydrophobe Umgebung der Fettsäureketten nahezu verboten ist, brauchen die Lipide Hilfe, um auf die andere Monoschicht (die dem Lumen zugewandt) übertragen zu werden. Es gibt spezialisierte Proteine, die Lipide von einer Monoschicht zur anderen transportieren können: Flippasen, Floppasen und Scramblases.

Abbildung 4. Vorgeschlagene Wege zum Transfer von Lipiden zwischen Zellmembranen: vesikulärer Transport, Träger und Membrankontakte.

Die Übertragung von Lipiden zwischen Membranen erfolgt durch Vesikel, molekulare Träger und an physikalischen Kontaktstellen der Membran (Abbildung 4). Vesikel transportieren durch vesikulären Transport in ihren Membranen Lipide, die im endoplasmatischen Retikulum synthetisiert werden, zu anderen Organellen. Mitochondrien, Chloroplasten und Peroxisomen sind nicht Teil des vesikulären Verkehrs, daher werden einige Membranlipide lokal synthetisiert, aber viele andere werden durch molekulare Träger aus dem endoplasmatischen Retikulum importiert. Glycerophospholipide werden beispielsweise von einem zytosolischen Protein transportiert, das als Glycerophospholipid-Austauscher bekannt ist. Es kann ein Lipid aus der Membran des glatten endoplasmatischen Retikulums aufnehmen und in der Membran eines anderen Organells belassen. Darüber hinaus zeigen viele elektronenmikroskopische Aufnahmen physikalische Kontakte zwischen Membranen verschiedener Organellen, beispielsweise zwischen dem endoplasmatischen Retikulum und Mitochondrien oder Peroxisomen. Diese Kontakte können den Austausch von Lipiden zwischen verschiedenen Membranen erleichtern. Chloroplasten können ihre eigenen Glycerophospholipide und Glykolipide synthetisieren. In elektronenmikroskopischen Bildern werden jedoch auch Membranen des endoplasmatischen Retikulums und Chloroplastenmembranen sehr nahe beieinander beobachtet.

C-Holesterol wird hauptsächlich im glatten endoplasmatischen Retikulum synthetisiert. Es ist ein wichtiges Molekül für Membranen, insbesondere für die Plasmamembran. Cholesterin wird durch Vesikel und molekulare Träger vom endoplasmatischen Retikulum zur Plasmamembran transportiert (Abbildung 4). Bei Hefen, die anstelle von Cholesterin Ergosterol in ihren Membranen enthalten, ist der Hauptmechanismus, um Ergosterol vom endoplasmatischen Retikulum zur Plasmamembran zu transportieren, ein vielfältiger Satz von Transportern. Dieser Transport benötigt kein ATP.

Triacylglycerine werden im glatten endoplasmatischen Retikulum synthetisiert. Diese Lipide werden im Retikulum selbst oder als Lipidtröpfchen gespeichert. Die Synthese von Triacylglycerolen ist in Adipozyten, den fettspeichernden Zellen von Tieren, intensiv. Die Überproduktion von Lipiden wird in zytoplasmatischen Lipidtröpfchen gespeichert. Dieses fettspeichernde Organell dient dem Körper bei Bedarf als Energiequelle und bei einigen Arten auch zur Wärmeisolierung. Triacylglycerine sind ebenfalls Bestandteil der Lipoproteine ​​und werden für die Produktion von Steroidhormonen und Gallensäuren benötigt.

Entgiftung

Hepatozyten, die Leberzellen, zeigen ein hoch entwickeltes glattes endoplasmatisches Retikulum. In den glatten Membranen des endoplasmatischen Retikulums ist die P450-Proteinfamilie dafür verantwortlich, potenziell toxische Metaboliten sowie fettlösliche Toxine, die während der Verdauung eingebaut werden, zu entfernen. Die Form der glatten Tubuli des endoplasmatischen Retikulums und das Fehlen von Ribosomen ermöglichen eine große Membranoberfläche bezogen auf das Organellenvolumen. Darüber hinaus ist es in der Lage, die Tubuli zu verlängern, um Platz für all diese Enzyme zu schaffen, was wiederum davon abhängt, wie viele Giftstoffe der tierische Körper enthält.

Dephosphorylierung von 6-Phosphatglucose

Glucose wird normalerweise als Glykogen gespeichert, hauptsächlich in der Leber. Zwei Hormone regulieren die Glukosefreisetzung aus der Leber ins Blut: Insulin und Glukagon. Der Glykogenkatabolismus produziert 6-Phosphat-Glukose, die die Zellmembran nicht passieren kann und daher die Zelle nicht verlassen kann. Glucose-6-Phosphatase, die am endoplasmatischen Retikulum verankert ist, entfernt den Phosphatrest, wodurch Glucose aus der Zelle transportiert werden kann.

Kalziumspeicherung

Das glatte endoplasmatische Retikulum dient auch als Speicherkompartiment für zytosolisches Calcium. Calcium wird durch Calciumpumpen, die sich in der Organellenmembran befinden, in das Lumen transportiert. Die Calciumkonzentration im glatten endoplasmatischen Retikulum ist millimolar (mM), während sie im Zytosol nanomolar (nM) ist. Gespeichertes Calcium wird durch extrazelluläre und intrazelluläre Signale freigesetzt, die über Second Messenger wirken, was zu einer zellulären Reaktion, zum Beispiel Exozytose, führt. Ein bemerkenswertes Beispiel ist das endoplasmatische Retikulum der Muskelzellen (bekannt als sarkoplasmatisches Retikulum), das Kalzium einfängt und freisetzt, um einen Zyklus der Muskelzellkontraktion und -entspannung zu erzeugen.

Englisch AR, Zurek N, Voeltz GK. Struktur und Funktion des peripheren ER. Aktuelle Meinung in der Zellbiologie. 2009. 21:506-602.

Daleke DL. Phospholipid-Flippasen. Die Zeitschrift für biologische Chemie. 2007. 282: 821-825.


Inhalt

Die DNA-Sequenz, die für die Sequenz der Aminosäuren in einem Protein kodiert, wird in eine Boten-RNA-Kette transkribiert. Ribosomen binden an Boten-RNAs und verwenden ihre Sequenzen, um die richtige Aminosäuresequenz zu bestimmen, um ein bestimmtes Protein zu erzeugen. Aminosäuren werden durch Transfer-RNA (tRNA)-Moleküle ausgewählt und zum Ribosom transportiert, die in das Ribosom eintreten und über eine Anti-Codon-Stammschleife an die Boten-RNA-Kette binden. Für jedes kodierende Triplett (Codon) in der Boten-RNA gibt es eine Transfer-RNA, die übereinstimmt und die richtige Aminosäure trägt, um sie in eine wachsende Polypeptidkette einzubauen. Sobald das Protein hergestellt ist, kann es sich dann falten, um eine funktionelle dreidimensionale Struktur zu erzeugen.

Ein Ribosom besteht aus Komplexen von RNAs und Proteinen und ist daher ein Ribonukleoproteinkomplex. Jedes Ribosom besteht aus kleinen (30S) und großen (50S) Komponenten, die als Untereinheiten bezeichnet werden und aneinander gebunden sind:

  1. (30S) hat hauptsächlich eine entschlüsselnde Funktion und ist auch an die mRNA gebunden
  2. (50S) hat hauptsächlich eine katalytische Funktion und wird auch an die aminoacylierten tRNAs gebunden.

Die Synthese von Proteinen aus ihren Bausteinen erfolgt in vier Phasen: Initiation, Elongation, Termination und Recycling. Das Startcodon in allen mRNA-Molekülen hat die Sequenz AUG. Das Stoppcodon ist eines von UAA, UAG oder UGA, da es keine tRNA-Moleküle gibt, die diese Codons erkennen, erkennt das Ribosom, dass die Translation abgeschlossen ist. [5] Wenn ein Ribosom das Lesen eines mRNA-Moleküls beendet hat, trennen sich die beiden Untereinheiten und werden normalerweise aufgebrochen, können aber wiederverwendet werden. Ribosomen sind Ribozyme, da die katalytische Peptidyltransferase-Aktivität, die Aminosäuren miteinander verbindet, von der ribosomalen RNA ausgeführt wird. Ribosomen sind oft mit den intrazellulären Membranen assoziiert, die das raue endoplasmatische Retikulum bilden.

Ribosomen aus Bakterien, Archaeen und Eukaryoten im Drei-Domänen-System ähneln sich in bemerkenswertem Maße, ein Beweis für einen gemeinsamen Ursprung. Sie unterscheiden sich in ihrer Größe, Sequenz, Struktur und dem Verhältnis von Protein zu RNA. Die Unterschiede in der Struktur ermöglichen es einigen Antibiotika, Bakterien abzutöten, indem sie ihre Ribosomen hemmen, während die menschlichen Ribosomen unberührt bleiben. Bei allen Arten können sich mehr als ein Ribosom gleichzeitig entlang einer einzelnen mRNA-Kette bewegen (als Polysom), wobei jedes eine spezifische Sequenz "liest" und ein entsprechendes Proteinmolekül produziert.

Die mitochondrialen Ribosomen eukaryontischer Zellen ähneln funktionell vielen Merkmalen von Bakterien, was den wahrscheinlichen evolutionären Ursprung der Mitochondrien widerspiegelt. [6] [7]

Ribosomen wurden erstmals Mitte der 1950er Jahre von dem rumänisch-amerikanischen Zellbiologen George Emil Palade mit einem Elektronenmikroskop als dichte Partikel oder Granulate beobachtet. [8] Der Begriff „Ribosom“ wurde Ende der 1950er Jahre von dem Wissenschaftler Richard B. Roberts vorgeschlagen:

Im Laufe des Symposiums zeigte sich eine semantische Schwierigkeit. "Mikrosomen" bedeuten für einige Teilnehmer die Ribonukleoproteinpartikel der Mikrosomenfraktion, die durch anderes Protein und Lipidmaterial kontaminiert sind, für andere bestehen die Mikrosomen aus Protein und Lipid, die durch Partikel kontaminiert sind. Der Ausdruck "Mikrosomenpartikel" scheint nicht angemessen, und "Ribonukleoproteinpartikel der Mikrosomenfraktion" ist viel zu umständlich. Während des Treffens wurde das Wort "Ribosom" vorgeschlagen, das einen sehr zufriedenstellenden Namen und einen angenehmen Klang hat. Die gegenwärtige Verwirrung würde beseitigt, wenn "Ribosom" verwendet würde, um Ribonukleoprotein-Partikel in Größen im Bereich von 35 bis 100S zu bezeichnen.

Albert Claude, Christian de Duve und George Emil Palade erhielten 1974 gemeinsam den Nobelpreis für Physiologie oder Medizin für die Entdeckung des Ribosoms. [10] Den Nobelpreis für Chemie 2009 erhielten Venkatraman Ramakrishnan, Thomas A. Steitz und Ada E. Yonath für die Aufklärung der detaillierten Struktur und des Mechanismus des Ribosoms. [11]

Das Ribosom ist eine komplexe zelluläre Maschine. Es besteht größtenteils aus spezialisierter RNA, die als ribosomale RNA (rRNA) bekannt ist, sowie aus Dutzenden verschiedener Proteine ​​(die genaue Anzahl variiert leicht zwischen den Arten). Die ribosomalen Proteine ​​und rRNAs sind in zwei verschiedene ribosomale Stücke unterschiedlicher Größe angeordnet, die allgemein als große und kleine Untereinheit des Ribosoms bekannt sind. Ribosomen bestehen aus zwei Untereinheiten, die zusammenpassen (Abbildung 2) und als eine Einheit arbeiten, um die mRNA während der Proteinsynthese in eine Polypeptidkette zu übersetzen (Abbildung 1). Da sie aus zwei unterschiedlich großen Untereinheiten bestehen, sind sie in der Achse etwas länger als im Durchmesser.

Bakterielle Ribosomen Bearbeiten

Bakterielle Ribosomen haben einen Durchmesser von etwa 20 nm (200 ) und bestehen aus 65 % rRNA und 35 % ribosomalen Proteinen. [12] Eukaryotische Ribosomen haben einen Durchmesser zwischen 25 und 30 nm (250–300 Å) mit einem rRNA-zu-Protein-Verhältnis von nahe 1. [13] Kristallographische Arbeiten [14] haben gezeigt, dass es keine ribosomalen Proteine ​​in der Nähe gibt zur Reaktionsstelle für die Polypeptidsynthese. Dies legt nahe, dass die Proteinkomponenten von Ribosomen nicht direkt an der Katalyse der Peptidbindungsbildung beteiligt sind, sondern dass diese Proteine ​​eher als Gerüst fungieren, das die Fähigkeit der rRNA zur Proteinsynthese verbessern kann (siehe: Ribozym).

Die ribosomalen Untereinheiten von Bakterien und Eukaryoten sind sehr ähnlich. [16]

Die zur Beschreibung der ribosomalen Untereinheiten und der rRNA-Fragmente verwendete Maßeinheit ist die Svedberg-Einheit, ein Maß für die Sedimentationsrate bei der Zentrifugation und nicht für die Größe. Dies erklärt, warum Fragmentnamen nicht zusammenpassen: Zum Beispiel bestehen bakterielle 70S-Ribosomen aus 50S- und 30S-Untereinheiten.

Bakterien haben 70S-Ribosomen, die jeweils aus einer kleinen (30S) und einer großen (50S) Untereinheit bestehen. E colibesitzt beispielsweise eine 16S-RNA-Untereinheit (bestehend aus 1540 Nukleotiden), die an 21 Proteine ​​gebunden ist. Die große Untereinheit besteht aus einer 5S-RNA-Untereinheit (120 Nukleotide), einer 23S-RNA-Untereinheit (2900 Nukleotide) und 31 Proteinen. [16]

Ribosom von E coli (ein Bakterium) [17] : 962
Ribosom Untereinheit rRNAs r-Proteine
70S 50S 23S (2904 nt) 31
5S (120 nt)
30S 16S (1542 nt) 21

Affinitätslabel für die tRNA-Bindungsstellen auf dem E coli Ribosom ermöglichte die Identifizierung von Proteinen der A- und P-Stelle, die höchstwahrscheinlich mit der Peptidyltransferase-Aktivität assoziiert sind. markierte Proteine ​​sind L27, L14, L15, L16, L2 Mindestens L27 befindet sich an der Donorstelle, wie von E. Collatz und A. P. Czernilofsky gezeigt. [18] [19] Weitere Forschungen haben gezeigt, dass die S1- und S21-Proteine ​​in Verbindung mit dem 3′-Ende der 16S-ribosomalen RNA an der Initiation der Translation beteiligt sind. [20]

Archaeale Ribosomen Bearbeiten

Archaeen-Ribosomen haben die gleichen allgemeinen Abmessungen wie Bakterien-Ribosomen, da sie ein 70S-Ribosom sind, das aus einer großen 50S-Untereinheit und einer kleinen 30S-Untereinheit besteht und drei rRNA-Ketten enthält. Auf der Sequenzebene sind sie jedoch eukaryotischen viel näher als bakteriellen. Jedes zusätzliche ribosomale Protein, das Archaeen im Vergleich zu Bakterien haben, hat ein eukaryotisches Gegenstück, während zwischen Archaeen und Bakterien keine solche Beziehung besteht. [21]

Eukaryotische Ribosomen Bearbeiten

Eukaryoten haben in ihrem Zytosol 80S-Ribosomen, die jeweils aus einer kleinen (40S) und einer großen (60S) Untereinheit bestehen. Ihre 40S-Untereinheit hat eine 18S-RNA (1900 Nukleotide) und 33 Proteine. [22] [23] Die große Untereinheit besteht aus einer 5S RNA (120 Nukleotide), 28S RNA (4700 Nukleotide), einer 5.8S RNA (160 Nukleotide) Untereinheiten und 46 Proteinen. [16] [22] [24]

eukaryotische zytosolische Ribosomen (R. norvegicus) [17] : 65
Ribosom Untereinheit rRNAs r-Proteine
80S 60S 28S (4718 Nacht) 49
5.8S (160 nt)
5S (120 nt)
40S 18S (1874 Nacht) 33

1977 veröffentlichte Czernilofsky Forschungsarbeiten, die Affinitätsmarkierungen zur Identifizierung von tRNA-Bindungsstellen an Rattenleberribosomen verwendeten. Mehrere Proteine, einschließlich L32/33, L36, L21, L23, L28/29 und L13, wurden als am oder in der Nähe des Peptidyltransferase-Zentrums impliziert. [25]

Plastoribosomen und Mitoribosomen Bearbeiten

In Eukaryoten sind Ribosomen in Mitochondrien (manchmal Mitoribosomen genannt) und in Plastiden wie Chloroplasten (auch Plastoribosomen genannt) vorhanden. Sie bestehen auch aus großen und kleinen Untereinheiten, die mit Proteinen zu einem 70S-Partikel zusammengebunden sind. [16] Diese Ribosomen ähneln denen von Bakterien, und es wird angenommen, dass diese Organellen als symbiotische Bakterien entstanden sind. [16] Von den beiden sind chloroplastische Ribosomen bakteriellen näher als mitochrondriale. Viele Stücke ribosomaler RNA in den Mitochrondrien sind verkürzt und im Fall der 5S-rRNA durch andere Strukturen in Tieren und Pilzen ersetzt. [26] Insbesondere Leishmania tarentolae hat einen minimalisierten Satz mitochondrialer rRNA. [27] Im Gegensatz zu Bakterien weisen pflanzliche Mitoribosomen sowohl erweiterte rRNA als auch zusätzliche Proteine ​​auf, insbesondere viele Pentatricopetid-Repeat-Proteine. [28]

Die Cryptomonaden- und Chlorarachniophyten-Algen können einen Nukleomorph enthalten, der einem eukaryotischen Rest ähnelt. [29] Im Kompartiment mit dem Nukleomorph können eukaryotische 80S-Ribosomen vorhanden sein. [ Zitat benötigt ]

Die Unterschiede nutzen Bearbeiten

The differences between the bacterial and eukaryotic ribosomes are exploited by pharmaceutical chemists to create antibiotics that can destroy a bacterial infection without harming the cells of the infected person. Due to the differences in their structures, the bacterial 70S ribosomes are vulnerable to these antibiotics while the eukaryotic 80S ribosomes are not. [30] Even though mitochondria possess ribosomes similar to the bacterial ones, mitochondria are not affected by these antibiotics because they are surrounded by a double membrane that does not easily admit these antibiotics into the organelle. [31] A noteworthy counterexample, however, includes the antineoplastic antibiotic chloramphenicol, which successfully inhibits bacterial 50S and eukaryotic mitochondrial 50S ribosomes. [32] The same of mitochondria cannot be said of chloroplasts, where antibiotic resistance in ribosomal proteins is a trait to be introduced as a marker in genetic engineering. [33]

Common properties Edit

The various ribosomes share a core structure, which is quite similar despite the large differences in size. Much of the RNA is highly organized into various tertiary structural motifs, for example pseudoknots that exhibit coaxial stacking. The extra RNA in the larger ribosomes is in several long continuous insertions, [34] such that they form loops out of the core structure without disrupting or changing it. [16] All of the catalytic activity of the ribosome is carried out by the RNA the proteins reside on the surface and seem to stabilize the structure. [16]

High-resolution structure Edit

The general molecular structure of the ribosome has been known since the early 1970s. In the early 2000s, the structure has been achieved at high resolutions, of the order of a few ångströms.

The first papers giving the structure of the ribosome at atomic resolution were published almost simultaneously in late 2000. The 50S (large prokaryotic) subunit was determined from the archaeon Haloarcula marismortui [35] and the bacterium Deinococcus radiodurans, [36] and the structure of the 30S subunit was determined from Thermophilus. [15] These structural studies were awarded the Nobel Prize in Chemistry in 2009. In May 2001 these coordinates were used to reconstruct the entire T. thermophilus 70S particle at 5.5 Å resolution. [37]

Two papers were published in November 2005 with structures of the Escherichia coli 70S ribosome. The structures of a vacant ribosome were determined at 3.5 Å resolution using X-ray crystallography. [38] Then, two weeks later, a structure based on cryo-electron microscopy was published, [39] which depicts the ribosome at 11–15 Å resolution in the act of passing a newly synthesized protein strand into the protein-conducting channel.

The first atomic structures of the ribosome complexed with tRNA and mRNA molecules were solved by using X-ray crystallography by two groups independently, at 2.8 Å [40] and at 3.7 Å. [41] These structures allow one to see the details of interactions of the Thermophilus ribosome with mRNA and with tRNAs bound at classical ribosomal sites. Interactions of the ribosome with long mRNAs containing Shine-Dalgarno sequences were visualized soon after that at 4.5–5.5 Å resolution. [42]

In 2011, the first complete atomic structure of the eukaryotic 80S ribosome from the yeast Saccharomyces cerevisiae was obtained by crystallography. [22] The model reveals the architecture of eukaryote-specific elements and their interaction with the universally conserved core. At the same time, the complete model of a eukaryotic 40S ribosomal structure in Tetrahymena thermophila was published and described the structure of the 40S subunit, as well as much about the 40S subunit's interaction with eIF1 during translation initiation. [23] Similarly, the eukaryotic 60S subunit structure was also determined from Tetrahymena thermophila in complex with eIF6. [24]

Ribosomes are minute particles consisting of RNA and associated proteins that function to synthesize proteins. Proteins are needed for many cellular functions such as repairing damage or directing chemical processes. Ribosomes can be found floating within the cytoplasm or attached to the endoplasmic reticulum. Their main function is to convert genetic code into an amino acid sequence and to build protein polymers from amino acid monomers.

Ribosomes act as catalysts in two extremely important biological processes called peptidyl transfer and peptidyl hydrolysis. [43] The "PT center is responsible for producing protein bonds during protein elongation". [43]

Translation Edit

Ribosomes are the workplaces of protein biosynthesis, the process of translating mRNA into protein. The mRNA comprises a series of codons which are decoded by the ribosome so as to make the protein. Using the mRNA as a template, the ribosome traverses each codon (3 nucleotides) of the mRNA, pairing it with the appropriate amino acid provided by an aminoacyl-tRNA. Aminoacyl-tRNA contains a complementary anticodon on one end and the appropriate amino acid on the other. For fast and accurate recognition of the appropriate tRNA, the ribosome utilizes large conformational changes (conformational proofreading). [44] The small ribosomal subunit, typically bound to an aminoacyl-tRNA containing the first amino acid methionine, binds to an AUG codon on the mRNA and recruits the large ribosomal subunit. The ribosome contains three RNA binding sites, designated A, P and E. The A-site binds an aminoacyl-tRNA or termination release factors [45] [46] the P-site binds a peptidyl-tRNA (a tRNA bound to the poly-peptide chain) and the E-site (exit) binds a free tRNA. Protein synthesis begins at a start codon AUG near the 5' end of the mRNA. mRNA binds to the P site of the ribosome first. The ribosome recognizes the start codon by using the Shine-Dalgarno sequence of the mRNA in prokaryotes and Kozak box in eukaryotes.

Although catalysis of the peptide bond involves the C2 hydroxyl of RNA's P-site adenosine in a proton shuttle mechanism, other steps in protein synthesis (such as translocation) are caused by changes in protein conformations. Since their catalytic core is made of RNA, ribosomes are classified as "ribozymes," [47] and it is thought that they might be remnants of the RNA world. [48]

In Figure 5, both ribosomal subunits ( small and large ) assemble at the start codon (towards the 5' end of the mRNA). The ribosome uses tRNA that matches the current codon (triplet) on the mRNA to append an amino acid to the polypeptide chain. This is done for each triplet on the mRNA, while the ribosome moves towards the 3' end of the mRNA. Usually in bacterial cells, several ribosomes are working parallel on a single mRNA, forming what is called a Polyribosom oder Polysom.

Cotranslational folding Edit

The ribosome is known to actively participate in the protein folding. [49] [50] The structures obtained in this way are usually identical to the ones obtained during protein chemical refolding however, the pathways leading to the final product may be different. [51] [52] In some cases, the ribosome is crucial in obtaining the functional protein form. For example, one of the possible mechanisms of folding of the deeply knotted proteins relies on the ribosome pushing the chain through the attached loop. [53]

Addition of translation-independent amino acids Edit

Presence of a ribosome quality control protein Rqc2 is associated with mRNA-independent protein elongation. [54] [55] This elongation is a result of ribosomal addition (via tRNAs brought by Rqc2) of KATZE tails: ribosomes extend the C-terminus of a stalled protein with random, translation-independent sequences of einlanines and Threonines. [56] [57]

Ribosomes are classified as being either "free" or "membrane-bound".

Free and membrane-bound ribosomes differ only in their spatial distribution they are identical in structure. Whether the ribosome exists in a free or membrane-bound state depends on the presence of an ER-targeting signal sequence on the protein being synthesized, so an individual ribosome might be membrane-bound when it is making one protein, but free in the cytosol when it makes another protein.

Ribosomes are sometimes referred to as organelles, but the use of the term organelle is often restricted to describing sub-cellular components that include a phospholipid membrane, which ribosomes, being entirely particulate, do not. For this reason, ribosomes may sometimes be described as "non-membranous organelles".

Free ribosomes Edit

Free ribosomes can move about anywhere in the cytosol, but are excluded from the cell nucleus and other organelles. Proteins that are formed from free ribosomes are released into the cytosol and used within the cell. Since the cytosol contains high concentrations of glutathione and is, therefore, a reducing environment, proteins containing disulfide bonds, which are formed from oxidized cysteine residues, cannot be produced within it.

Membrane-bound ribosomes Edit

When a ribosome begins to synthesize proteins that are needed in some organelles, the ribosome making this protein can become "membrane-bound". In eukaryotic cells this happens in a region of the endoplasmic reticulum (ER) called the "rough ER". The newly produced polypeptide chains are inserted directly into the ER by the ribosome undertaking vectorial synthesis and are then transported to their destinations, through the secretory pathway. Bound ribosomes usually produce proteins that are used within the plasma membrane or are expelled from the cell via Exozytose. [58]

In bacterial cells, ribosomes are synthesized in the cytoplasm through the transcription of multiple ribosome gene operons. In eukaryotes, the process takes place both in the cell cytoplasm and in the nucleolus, which is a region within the cell nucleus. The assembly process involves the coordinated function of over 200 proteins in the synthesis and processing of the four rRNAs, as well as assembly of those rRNAs with the ribosomal proteins.

The ribosome may have first originated in an RNA world, appearing as a self-replicating complex that only later evolved the ability to synthesize proteins when amino acids began to appear. [59] Studies suggest that ancient ribosomes constructed solely of rRNA could have developed the ability to synthesize peptide bonds. [60] [61] [62] In addition, evidence strongly points to ancient ribosomes as self-replicating complexes, where the rRNA in the ribosomes had informational, structural, and catalytic purposes because it could have coded for tRNAs and proteins needed for ribosomal self-replication. [63] Hypothetical cellular organisms with self-replicating RNA but without DNA are called ribocytes (or ribocells). [64] [65]

As amino acids gradually appeared in the RNA world under prebiotic conditions, [66] [67] their interactions with catalytic RNA would increase both the range and efficiency of function of catalytic RNA molecules. [59] Thus, the driving force for the evolution of the ribosome from an ancient self-replicating machine into its current form as a translational machine may have been the selective pressure to incorporate proteins into the ribosome's self-replicating mechanisms, so as to increase its capacity for self-replication. [63] [68] [69]

Ribosomes are compositionally heterogeneous between species and even within the same cell, as evidenced by the existence of cytoplasmic and mitochondria ribosomes within the same eukaryotic cells. Certain researchers have suggested that heterogeneity in the composition of ribosomal proteins in mammals is important for gene regulation, d.h., the specialized ribosome hypothesis. [70] [71] However, this hypothesis is controversial and the topic of ongoing research. [72] [73]

Heterogeneity in ribosome composition was first proposed to be involved in translational control of protein synthesis by Vince Mauro and Gerald Edelman. [74] They proposed the ribosome filter hypothesis to explain the regulatory functions of ribosomes. Evidence has suggested that specialized ribosomes specific to different cell populations may affect how genes are translated. [75] Some ribosomal proteins exchange from the assembled complex with cytosolic copies [76] suggesting that the structure of the in vivo ribosome can be modified without synthesizing an entire new ribosome.

Certain ribosomal proteins are absolutely critical for cellular life while others are not. In budding yeast, 14/78 ribosomal proteins are non-essential for growth, while in humans this depends on the cell of study. [77] Other forms of heterogeneity include post-translational modifications to ribosomal proteins such as acetylation, methylation, and phosphorylation. [78] Arabidopsis, [79] [80] [81] [82] Viral internal ribosome entry sites (IRESs) may mediate translations by compositionally distinct ribosomes. For example, 40S ribosomal units without eS25 in yeast and mammalian cells are unable to recruit the CrPV IGR IRES. [83]

Heterogeneity of ribosomal RNA modifications plays an important role in structural maintenance and/or function and most mRNA modifications are found in highly conserved regions. [84] [85] The most common rRNA modifications are pseudouridylation and 2’-O methylation of ribose. [86]


Endoplasmic Reticulum: Rough and Smooth

This chapter discuses the morphology, biochemistry, and function of the endoplasmic reticulum (ER) in a variety of cell types. The ER maintains and generates its own membrane complex in addition to providing the components of membranes for other cellular compartments including plasma membrane, Golgi apparatus, lysosomes, and nuclear envelope. The location of the ER corresponds to the basophilic regions of the cell seen in the light microscope. The earliest observations of this organelle in thin sections described it as a continuous three-dimensional reticulum made up of a network of membrane-enclosed spaces in the form of tubules that were in continuity with the layers of flattened cisternae. The tubular elements free of ribosomes are referred to as smooth endoplasmic reticulum and the ribosome-studded component is called rough endoplasmic reticulum. Molecular genetics, monoclonal antibodies, vor Ort immunocytochemistry, complementary cDNA probes, as well as refinements in and development of new ultrastructural techniques, biochemical analyses, and laboratory equipment promise to greatly enhance current knowledge about the ER.


Protein targeting to the Endoplasmic Reticulum

1. Proteins entering the ER

Überblick: Synthesis of all proteins begins in the cytosol compartment. For proteins entering the secretory or Lysosomal pathways, the first step is targeting to the endoplasmic reticulum. This targeting relies on a targeting signal encoded in the N terminal portion of the protein. The targeting signal is recognized by a specific receptor that results in the protein entering the endoplasmic reticulum.

1. Targeting of Proteins to the Endoplasmic Reticulum.

Synopsis. Synthesis of proteins entering the endoplasmic reticulum is initiated on free ribosomes. A targeting sequence of hydrophobic amino acids near the amino terminal end of the growing polypeptide results in the binding of the ribosome to ER membrane and in insertion of the polypeptide into the endoplasmic reticuluum.

Proteins secretory or lysosomal pathways enter the ER and don't come out again. The proteins entering either of these pathways may be of either of two types:

  • Proteins that are completely translocated into the endoplasmic reticuluum. These proteins are soluble (not membrane proteins) and are destined for secretion, or for transfer to lysosomes. In all of these cases the proteins are never part of membranes.
  • Proteins that are inserted into membranes, and hence are only partially translocated into the endoplasmic reticuluum. These proteins may be destined for ER, membranes of another organelle (Golgi, lysosomes or endosomes), or the plasma membrane. In all of these cases the proteins stay within the membrane once they are inserted into the ER membrane (e.g. cellulose synthase).

Translation of all proteins begins on free ribosomes. Those ribosomes that produce proteins for export through the endoplasmic reticulum become attached to the endoplasmic reticulum as ribosomes of the rough ER. The signal for ER entry is 8 or more hydrophobic amino acid residues (Table 14-3) which rivets the polypeptide to the ER membrane and is also involved in translocation.

Whether or not a ribosome becomes attached to the endoplasmic reticulum depends on the nature of the message being translated, the protein being made, and is not an intrinsic property of the ribosome itself. The ribosome and its attached nascent peptide become targeted to the endoplasmic reticulum.

Targeting to the endoplasmic reticulum takes place through the interaction of the signal peptide sequence ( a sequence of at least eight hydrophobic amino acids at the amino terminal end of the polypeptide. The emerging signal sequence combines with a 'signal recognition particle' (SRP). This greatly reduces the rate of translocation and allows the ribosome to attach to the endoplasm reticulum by means of a special SRP receptor in the ER membrane.

The ribosome becomes attached to a ribosome receptor that also functions as the translocation channel for the newly synthesized polypeptide. As the ribosome becomes attached, the SRP is removed and translation resumes.

Figure 14-13. shows two components.

1. There is a Signal Recognition Particle (SRP) in the cytosol. This binds to the ER Signal sequence when it is exposed on the ribosome and slows protein synthesis long enough to allow the SRP to find the second part, the SRP Receptor.

2. The Signal Recognition Particle Receptor (SRPR) which is embedded in the ER membrane. We now have the new polypeptide synthesizing system in place and protein synthesis speeds up. It seems that the Signal Sequence opens the translocation channel.

Experimental test that ER targeting signal is both necessary and sufficient to bring about targeting.

Figure 14-6 experimental test of the role of signal sequences. WICHTIG

How do proteins get into the ER?

The peptide moves through the translocation channel into the lumen of the ER. The signal peptide sequence remains attached to the membrane. It is later cleaved off by a signal peptidase. Leaving the protein free in the lumen of the ER.

Figure 14-14 Animation of this process

MEMBRANE PROTEINS

Key point is that the orientation of a protein in the membrane is established when it is first inserted into the membrane. This orientation of the protein persists all of the way to its final destination. That is, the cytosolic side of membrane remains on the cytosolic side throughout all processes.

As membrane proteins are being translated, they are translocated or transferred into the ER until a hydrophobic membrane crossing domain is encountered. This serves as a 'stop transfer' signal and leaves the protein inserted in the ER membrane.

The hydrophobic trans-membrane domain holds the protein in the membrane because of the very strong hydrophobic interaction between this part of the protein and the hydrophobic membrane core.

Try this excellent link to web site dealing with insertion of proteins in membrane.

Proteins with multiple membrane crossing domains are inserted in the the membrane through the action of multiple pairs of start transfer and stop transfer signals:

There are two major categories of hydrophobic signals used in insertion of membrane proteins. All of these are membrane crossing domains:

  • Start transfer sequences. These are of two types:
    • N-terminal signal peptide sequence - a cluster of about 8 hydrophobic amino acids at the N-terminal end of a protein. This sequence remains in the membrane and is cleaved off of the protein after transfer through the membrane.
    • Internal start transfer sequence. Similar to a signal sequence, but located internally (not at the N terminal end of the protein). It also binds to the SRP and initiates transfer. Unlike the N-terminal signal sequence, it is not cleaved after transfer of the protein.

    This process of membrane insertion has a very important result: It establishes orientation of membrane proteins. Recall the earlier discussion of 'sidedness of membranes'. This is one of the chief ways that 'sidedness' happens.

    Notice that the C-terminal end of the protein is on the cytosolic side of the membrane and the N-terminal end is not in the cytosol, but on the inside of the ER, or organelle.

    This diagram shows the relation between translocation control sequences (signal sequences, start transfer sequences, stop transfer sequences) and the arrangement of the protein in the membrane. How would the translocation control sequences have to be arranged to get the N terminal end of the protein on the cytoplasmic side? - to get the C terminal end of the protein on the cytoplasmic side?

    Now look at what happens if the protein is incorporated into a vesicle and later fused with the plasma membrane: The cytosolic side remains in the cytosol. This is a key idea.

    Make a map of each of the proteins shown at A and B in the figure at the left. Indicate N terminal end, the relative location of any signal sequences. start transfer sequences, stop transfer sequences, and the C terminal end. The membrane crossing domains are shown in red.

    Beiseite: On Collagen Pages 601-602

    Just a word about the protein collagen, which may form more that 50% by weight of certain tissues in your body. This is an extracellular fibrillar polymer, which has some similar functions to cellulose in plants, but which is built of protein (not polysaccharide).

    The textbook tells you some neat things about this molecule, which is neat especially if you are , for example, double-jointed.

    The textbook does not tell you of the relevance to collagen to our present topic.

    Collagen differs from other most other proteins, but is similar to a few others like keratin and elastin, because it contains two modified amino acids (hydroxyproline and hydroxylysine). Both of these amino acids are coded normally on the rough ER, as proline and lysine BUT as they are transferred to the ER, some of these amino acids are hydroxylated by an enzyme which is part of the translocation machinery in the ER membrane.

    So, it is important to understand that translocation may also include modification. We believe that the signal for this is in the protein sequence, where pro-collagen contains many repeats Pro.Pro.Gly. and usually the first Pro is the one that is modified.

    The translated sequence is 30% composed of pro pro gly with about 6% lys. As collagen is made and imported into the ER about 40% of the pro is hyrozylated to form 4 hydroxyproline. The enzyme involved is proline hydrozylase. This enzyme is located in the ER membrane, associated with RER. The resulting sequence in collagen is hyp pro gly some hydroxy lysine is formed also.


    ER is a network of membranous sacs that form interconnected tubules, vesicles and cisternae. In 1945, Ernest Fullam, Keith Porter and Albert Claude were observed the endoplasmic reticulum. The ER membrane is a continuation of the outer nuclear membrane. The eukaryotic cells have ER. The ER membrane synthesizes all of the transmembrane proteins and lipids necessary for most of the cells’ organelles. They have several functions in the cell like protein synthesis, production of steroids, sequestration of calcium, and also storage and production of glycogen.

    Most of the lipids for mitochondrial and peroxisomal membranes are also made by the ER membrane. The ER are of two types- rough ER and smooth ER. The rough ER contains ribosomes and hence appears rough whereas the smooth ER does not have ribosomes. The endoplasmic reticulum is a highly versatile organelle involved in synthesis and transport of proteins, glycoproteins, and lipoproteins synthesis of cholesterol, steroids, phospholipids, and triglycerides it participates in degradation of glycogen, and in the metabolism of xenobiotics.

    Struktur


    The rough ER is associated with ribosomes which is the site protein synthesis. The ribosome free ER is known as smooth ER which is the centre of lipid and membrane protein synthesis.

    Raues endoplasmatisches Retikulum (RER)


    RER is arranged as a series of stacked membranes close to the nucleus. They appear rough as there are large number of ribosome attached to the cytoplasmic side of their membranes. The ribosomes undergo the function of protein synthesis.

    Regions of cytoplasmic matrix containing RER take basic stain due to the RNA content of ribosomes. These regions are known as cergastoplasm or basophilic bodies or chromophilic substances by early cytologists. In nerve cells such regions are called nissl bodies. In RER, ribosomes are often present as polysomes held together by mRNA.

    Smooth Endoplasmic Reticulum (SER)


    SER appear smooth as ribosomes are not attached to their walls. It occurs in cells involved in the metabolism of lipids and glycogen. Muscle cells have numerous SER and are known as sarcoplasmic reticulum. Smooth ER is also abundant in hepatocytes which is the principal site of production of lipoproteins which are carriers of lipids to various parts of the body through the bloodstream. The SER consists of tubules and vesicles that forming a network, which increased surface area for the action and storage of key enzymes and the product of these enzymes.

    Sarcoplasmic reticulum


    Sarcoplasmic reticulum is a type of smooth ER found in smooth and striated muscles. The SER synthesizes molecules while the SR stores and pumps calcium ions. Calcium was stored in the SR, which it sequesters and then releases when the muscle cell is stimulated. The release of calcium by SR during electrical stimulation of the cell plays a important role in excitation-contraction coupling.

    Functions of ER


    The functions of SER include steroid metabolism, regulation of calcium concentration, metabolism of carbohydrates, synthesis of lipids and steroids, drug detoxification. The enzyme glucose-6-phosphatasepresentin SER which converts glucose-6-phosphate to glucose, which is a step in gluconeogenesis.


    ER also contains enzymes that catalyze the detoxification of certain drugs and harmful substances produced by metabolism.
    ER also serves as an intracellular Ca 2+ store which are used in many cell signaling processes. Sarcoplasmic reticulum in muscle cells are also specialized in Ca 2+ storage.


    What is Endoplasmic Reticulum

    Endoplasmic reticulum (ER), which is an organelle found in eukaryotes, contains flattened membranous sacs, interconnected with each other. These sacs are tube-like structures, which are called cisternae. Cisternae are held together by the cytoskeleton of the cell. Two types of ER is found: smooth ER and rough ER. Only rough ER contains bound ribosomes to the membrane of the ER. Smooth ER is involved in the lipid metabolism. Rough ER provides sites for protein synthesis.


    Two fractions of rough endoplasmic reticulum from rat liver. I. Recovery of rapidly sedimenting endoplasmic reticulum in association with mitochondria

    Low-speed centrifugation (640 g) of rat liver homogenates, prepared with a standard ionic medium, yielded a pellet from which a rapidly sedimenting fraction of rough endoplasmic reticulum (RSER) was recovered free of nuclei. This fraction contained 20-25% of cellular RNA and approximately 30% of total glucose-6-phosphatase (ER marker) activity. A major portion of total cytochrome c oxidase (mitochondrial marker) activity was also recovered in this fraction, with the remainder sedimenting between 640 and 6,000 g. Evidence is provided which indicates that RSER may be intimately associated with mitochondria. Complete dissociation of ER from mitochondria in the RSER fraction required very harsh conditions. Sucrose density gradient centrifugation analysis revealed that 95% dissociation could be achieved when the RSER fraction was first resuspended in buffer containing 500 mM KCl and 20 mM EDTA, and subjected to shearing. Excluding KCl, EDTA, or shearing from the procedure resulted in incomplete separation. Both electron microscopy and marker enzyme analysis of mitochondria purified by this procedure indicated that some structural damage and leakage of proteins from matrix and intermembrane compartments had occurred. Nevertheless, when mitochondria from RSER and postnuclear 6,000-g pellet fractions were purified in this way fromanimals injected with [35S]methionine +/- cycloheximide, mitochondria from the postnuclear 6,000-g pellet were found to incorporate approximately two times more cytoplasmically synthesized radioactive protein per milligram mitochondrial protein (or per unit cytochrome c oxidase activity) than did mitochondria from the RSER fraction. Mitochondria-RSER associations, therefore, do not appear to facilitate enhanced incorporation of mitochondrial proteins which are newly synthesized in the cytoplasm.