Структура и функции эндоплазматического ретикулума
Все эукариотические клетки имеют эндоплазматический ретикулум (в переводе с лат. сеточка). Площадь его чрезвычайно извилистой мембраны обычно составляет более половины общего количества клеточных мембран. Хотя мембрана эндоплазматического ретикулума имеет многочисленные складки и изгибы, пронизывающие всю цитоплазму, полагают, что она образует непрерывную поверхность, ограничивающую единое внутреннее пространство. Это внутреннее пространство, называемое полостью ЭР, часто занимает 10 и более процентов от объема клетки. Чтобы отделить для последующего изучения ЭР от других компонентов клетки, ткани или отдельные клетки разрушают в специальных гомогенизаторах. В результате этой процедуры ЭР распадается на множество мелких пузырьков, называемых микросомами, которые относительно легко отделить от других клеточных органелл последовательным (дифференциальным) центрифугированием. Получаемый таким образом осадок содержащий микросомы получил название микросомальная фракция.
Морфологически различают гладкий и гранулярный (шероховатый) ЭР. Если сравнивать ферментативную активность и полипептидный состав гладкого и шероховатого ЭР то оказывается, что эти параметры достаточно сходны, хотя и не идентичны. Гранулярность ЭР обусловлена наличием на его поверхности, обращенной к цитозоль, рибосом на которых происходит синтез всех секретируемых клеткой белков, а также белков входящих в состав различных клеточных мембран. Рибосомы представляют собой нуклеопротеидные частицы диаметром 200-250 Å (20-25 нм) и молекулярной массой 5 . 106, состоящие из большой и малой субъединицы. Следует отметить, что в цитоплазме кроме рибосом связанных с мембранами ЭР имеются рибосомы, которые не прикрепленны к каким либо внутриклеточным мембранам и образующие популяцию «свободных» рибосом. Все рибосомы совершенно идентичны, а их локализация в клетке определяется природой взаимодействующих с ними в данный момент времени молекул информационной (матричной) РНК и синтезируемого белка. Если с рибосомой связалась информационная РНК, кодирующая синтез белка поступающего в ЭР, то в начале синтезируется сигнальный фрагмент, благодаря которому весь белок-синтезирующий комплекс присоединяется к ЭР. Сигнальный фрагмент проникает в полость ЭР и по мере дальнейшего синтеза белковой молекулы протягивает ее за собой подобно тому, как иголка тянет нитку через ткань. Если сигнальный фрагмент не синтезируется то рибосома и образующийся белок остаются в цитозоле. Вновь синтезированные белки сортируются по мере того, как они продвигается от места синтеза через полость ЭР к аппарату Гольджи. Судьба каждого белка в процессе сортировки определяется все тем же сигнальным участком, или связанным с белком сигнальным пептидом. Кроме синтеза белков, ЭР играет важнейшую роль и в липидном синтезе. На мембранах ЭР производится большинство липидов для мембран митохондрий, аппарата Гольджи, лизосом, пероксисом, плазматической мембраны.
Участки ЭР, не несущие связанных рибосом, т.е. гладкий ЭР, как правило, присутствуют в клетках в очень небольших количествах. Однако существуют типы клеток, в которых гладкий ЭР хорошо развит и выполняет особые функции. В частности, гладкий ЭР преобладает в клетках надпочечников и половых желез, специализирующихся на "производстве" стероидных гормонов из холестерола (холестерина).
Еще одним примером клеток, богатых гладким ЭР, являются клетки печени или гепатоциты. Это главное место, где образуются липопротеиновые частицы (частицы образованные белковыми и липидными молекулами), предназначенные на экспорт, т.е. для транспорта с током крови в другие ткани и органы. На этих же мембранах расположены ферменты, катализирующие реакции детоксикации липофильных соединений. В результате этих реакций обезвреживаются как ксенобиотики (греч. ксено чужой, т.е. вещества не образующиеся в организме, а поступающие извне), так и вредные соединения образующиеся в процессе метаболизма. Большинство лекарств являются ксенобиотиками и также вовлекаются в реакции детоксикации, протекающие в ЭР клеток печени. Наиболее изучены реакции детоксикации, катализируемые так называемой системой микросомального окисления. Эта ферментная система включает две короткие электрон-транспортные цепи осуществляющие перенос электронов от доноров электронов, которым являются NADH и химически очень сходный с ним NADPH на молекулярный кислород. Каждая цепь включает ФАД и ФМН-содержащий фермент (флавопротеид), окисляющий соответствующий донор (NADPH или NADH) и конечный цитохром, который этот фермент восстанавливает; в случае использования NADPH - цитохром Р-450, а при использовании NADH электрон попадает на цитохром b5. Флавопродеид I еще называют цитохром Р-450 редуктазой, а Флавопродеид II - цитохром b5 редуктазой,
Схема: NADPH → Флавопродеид I → цитохром Р-450
NADH → Флавопродеид II → цитохром b5
Выделяющаяся в результате переноса электронов энергия затрачивается не на образование макроэргических связей, как это имеет место в митохондриях, а используется на активацию молекулярного кислорода (для чего кислород должен быть активирован будет рассмотрено позже) и разрыв связи между атомами в молекуле. Только один из атомов кислорода внедряется в молекулу потенциально вредных липофильных соединений аккумулирующихся в мембранах ЭР с образованием гидроксильной группы (-ОН), а второй восстанавливается до воды. В результате реакции гидроксилирования нерастворимый в воде лекарственный препарат или другой ксенобиотик, который мог бы накапливаться в мембранах становится достаточно полярным, чтобы выйти из мембраны и оказаться в цитоплазме (ранее указывалось, что гидроксильная группа, образует водородные связи с водой, а образование одной водородной связи приводит к уменьшению коэффициентов распределения в системе липид:вода в 40 раз). Реакции катализируемые при участии микросомальных систем переноса электронов относят к I этапу детоксикации. II этап детоксикации протекает уже в цитоплазме, где фермент глутатион-S-трансфераза катализирует реакции конъюгации гидроксилированных ксенобиотиков с водорастворимыми молекулами глутатиона. В итоге, образующиеся продукты становятся настолько гидрофильными, что могут быть удалены из организма, через почки с мочой. Другой важной функцией систем микросомального окисления (особенно цитохрома b5) является О2-зависимая десатурация ацетил КоА-производных жирных кислот, например, из стеарил-КоА образуется олеил-КоА.
Если в организм многократно и в большом количестве вводятся некоторые ксенобиотики, например лекарственные вещества, то в гепатоцитах в существенно усиливается синтез ферментов микросомального окисления, и поверхность гладкого ЭР может за несколько дней удвоиться. Такой процесс получил название индукция, а вещества вызывающие увеличение ЭР получили название индукторы. Индукция ферментов микросомального окисления повышает эффективность I этапа детоксикации. Очень эффективными индукторами являются барбитураты - группа веществ, обладающих снотворным действием. Применение барбитуратов совместно с другими лекарственными препаратами может снизить эффективность применения последних, поскольку вследствие индукции ферментов микросомального окисления лекарственные препараты будут окисляться и выводится из организма значительно быстрее, чем обычно (в норме). После прекращения поступления индукторов в организм и выведения их из печени избыток мембран гладкого ретикулума разрушается с помощью лизосом в процессе аутофагии (этот процесс будет подробно рассмотрен в следующей лекции) и через 5 дней гладкий ЭР приобретает нормальный объем.
Одним из парадоксов процесса детоксикации ксенобиотиков в системе микросомального окисления является так называемый эффект метаболической активации или токсификации. Оказывается некоторые ксенобиотики, например, бензпирен или галагензамещенные углеводороды в процессе микросомального окисления образуют продукты значительно более токсичные, чем исходные соединения. Так, метаболизм четыреххлористого углерода в печени сопровождается образованием высокоактивных радикальных промежуточных соединений (интермедиатов), например CCl3.и ССl3O2., которые инициируют в гепатоцитах чрезвычайно опасные свободнорадикальные реакции, приводящие к развитию цирроза и рака печени. Плесневые грибы, иногда встречающиеся на земляных (арахисовых) орехах вырабатывают т.н. афлатоксины, окисление которых на ЭР гепатоцитов также приводит к раку печени. Следует отметить, что свободнорадикальные реакции являются ключевым механизмом, запускающим развитие патологических процессов в организме не только под действием токсичных ксенобиотиков, но и других, самых разнообразных факторов внешней среды: радиации, минеральной пыли, волокон асбеста, смога, повышенного или пониженного поступления кислорода.