MB1211 - Forelesning 1: Membranomsluttende organeller

+ Biomolekylære kondensater

Hva er ER?

• Endoplasmatisk retikulum (ER) er et omfattende membransystem inne i eukaryote celler.

• Den har som oppgave å lage proteiner og lipider som brukes til å bygge nye membraner (både biologiske membraner og plasmamembranen) eller transporteres videre ut av cellen.

  • ER er derfor organellen med hovedansvaret for syntese av nye cellemembraner

• Navnet beskriver strukturen:

  • Endoplasmatisk = i cytoplasma

  • Retikulum = lite nettverk/nettverk

Oppbygningen av ER

• ER består av et sammenhengende nettverk av membraner som danner:

  • Flate membransekker kalt cisterner

  • Membranrør

• Rommet på innsiden av ER kalles ER-lumen

• ER-membranen henger direkte sammen med den ytre kjernemembranen. Derfor er også ER-lumen sammenhengende med det perinukleære rommet (rommet mellom den indre og ytre kjernemembranen), altså rommet mellom den indre og ytre kjernemembranen.

• To hovedtyper: Ru ER og glatt ER

  • Ru ER:

    • Består hovedsakelig av flate cisterner og har ribosomer bundet på overflaten.

    • Spesielt viktig for syntese og viderebehandling av proteiner som skal til bestemte steder i cellen eller skilles ut.

  • Glatt ER:

    • Består i større grad av membranrør

    • Spesielt viktig for lipidsyntese

      • Som fosfolipider og triacylglyseroler (triglyserider/fettsyrer)

Rekruttering av ribosomer, og proteiner

• Ikke alle proteiner som lages i cellen skal innom ER.

• Mange proteiner starter syntesen i frie ribosomer i cytosol. Proteiner som skal til ER (eller videre: Golgi, lysosomer, peroksisomer, plasmamembran osv) eller ut av cellen, inneholder en ER-signalsekvens - en segmentbestående av minst åtte hydrofobe aminosyrer.

• Prosessen av rekrutteringen av ribosomet:

1. Proteinsyntesen starter i cytosol: Et fritt ribosom begynner å lese mRNA og produsere en voksende polypeptidkjede.

2. Hvis proteinet skal til ER, kommer en ER-signalsekvens som blir gjenkjent av en signalgjenkjenningspartikkel (SRP).

3. SRP avbryter syntesen og leder til ER-membranen, hvor det finnes en SRP-reseptor.

4. Ribosomet binder seg til et translokator-protein ved ER-membranen, og fortsetter syntesen.

Hva skjer med proteinet ved ER-membranen

• Hva om skjer videre avhenger av hvilken type protein som produseres:

  • Vannløselige proteiner:

    • Vannløselige proteiner som skal inn i ER, føres helt gjennom ER-membranen og inn i ER-lumen mens de syntitiseres.

  • Membranproteiner:

    • Membranproteiner skal ikke transporteres helt gjennom membranen, men i stedet blir bygd inn i ER-membranen og delvis translokert.

    • Modifisering av proteiner i ER:

      • De blir vanligvis kovalent modifiserte:

        • Disulfidbroer (S-S) dannes mellom cystein for å stabilisere den romlige strukturen, og beskytte proteinene mot degradering og pH-endringer

        • Flere …

• De kan deretter transportert videre:

  • De blir pakket inn i transportvesikler, og fraktet til Golgiapparetet, før proteinene evt sendes videre til sin endelige destinasjon.

Golgiapparatet

• Golgi er et membranomsluttet organell som mottar proteiner og lipider fra ER og modifiserer, sorterer og pakker dem før de transporteres videre til andre organeller, plasmembranen eller ut av cellen, via transportvesikler.

• Den består av stabler med omtremt 3-20 flate membransekker, cisterner.

Oppbygningen av Golgi

• Golgi har en tydelig retning/polaritet:

  • Cis-siden - inngangssiden:

    • Cis-siden ligger nærmest ER

    • Transportvesikler fra ER smelter sammen med cis-Golgi, og leverer proteiner og membranlipider.

    • I tilkning til denne siden ligger cis-Golginettverket.

  • Trans-siden - utgangssiden:

    • Etter at molekylene har beveget seg gjennom Golgi og blitt modifisert, kommer de til trans-siden, som vender mer mot plasmamembranen.

    • Her ligger trans-Golginettverket, hvor produktene sorteres og pakkes i nye transportvesikler.

Transportvesikler, endo- og eksocytose

• Transportvesikler:

  • Det brukes vesikkeltransport mellom ER, Golgi og plasmamembranen:

    • ER → Golgi → endosomer/lysosomer → plasmamembranen

  • Vesikkeltransport brukes også til å flytte materiale inn og ut av cellen gjennom endocytose og eksocytose.

• Endocytose:

  • Materiale fra utsiden av cellen tas opp ved hjelp av plasmamembranen.

  • Materiale som tas inn blir vanligivs først sendt til endosomer, hvor det sorteres. Det kan deretter blant annet sendes viderer til lysosomer for nedbrytning.

• Eksocytose:

  • Når cellen transporterer materiale ut av cellen og til det ekstracellulære miljøet - altså sekresjon.

  • Eksocytose har dermed to viktige konsekvenser:

    • Vesikkelens innehold frigjøres utenfor cellen.

    • Vesikkelens membran blir en del av plasmamembranen.

  • Konstitutiv (iboende) eksocytose - kontinuerlig transport:

    • Celler har en konstitutiv eksocytosevei, som betyr at eksocytose foregår kontinuerlig uten at cellen først trenger å motta et bestemt signal.

    • Dette er viktig for å vedlikeholde, fornye og utvide plasmamembranen, f.eks. når cellen vookser eller skal dele seg.

  • Regulert eksocytose - sekresjon ved behov:

    • Enkelte spesialiserte sekretoriske celler produserer store mengder bestemte stoffer som ikke skal skilles ut kontinuerlig, men heller lagres som vesikler i cellen før det trengs. Disse cellene har derfor også en regulert eksocytosevei.

    • Eksempel: Frigjørelsen av insulin

Lysosomer - nedbrytning og resirkulering

• Membranomsluttede organeller som fungerer som cellens nedbrytnings- og resirkuleringssystem

  • De bryter ned:

    • Defekte eller gamle organeller

    • Store biologiske molekyler

    • Partikler fra innsiden av cellen

    • Materiale som cellen har tatt opp fra omgivelsene

    • Nedbrytningsproduktene kan deretter gjenbrukes av cellen eller skilles ut.

  • Materiale fra utsiden av cellen:

    • Endocytose → endosom → lysosom → nedbrytning

  • Materiale fra innsiden av cellen:

    • Gamle eller defekte cellekomponenter, som mitokondrier, kan også sendes til lysosomet for nedbrytning.

• Hvorfor lysosomet er surt:

  • Lysosomet har en pH på omtrent 5, mens cytosol har en pH på omtrent 7,2

  • EN H+-pumpe bruker ATP til å transportere H- inn i lysosmet

  • Det sure miljøt er viktig fordi lysosomet inneholder en rekke nedbrytende enzymer kalt sure hydrolaser, som fungerer best ved lav pH.

Peroksisomer - nedbrytning og avgiftning

• Membranomsluttede organeller osm særlig er involvert i nedbrytning av bestemte molekyler og avgiftning av skadelige stoffer.

• De er blant anent viktige for nedbrytning av:

  • Svært langkjedede og forgrenede fettsyrer

  • Polyaminer

  • Forskjellige giftige forbindelser

• Peroksisomet har et oksiderende miljø, og det dannes blant annet hydrogenperoksid (H2O2) og andre reaktive oksygenforbindelser under reaksjonene, men kan også bryte dem ned.

• Dannelsen av fosfolipider for myelinlaget rundt aksonene til nerveceller:

  • Peroksisomer deltar blant annet i syntesen av spesielle fosfolipider som brukes til å danne myelinlaget rundt aksonene til nerveceller. (Myelin fungerer som elektrisk isolasjon rundt aksonene og bidrar til effektiv overføring av nervesignaler)

• Måten peroksisom får proteinene sine:

  • De fleste peroksisomale proteiner lages på frie ribosomer i cytosol og importeres deretter inn i peroksisomet.

  • Proteinene inneholder en importsignalsekvens som fungerer som en adressse til peroksisomet:

    • Protein syntetiseres i cytosol → importsignal gjenkjennes → protein importeres til peroksisomet

    • Dette er altså annerledes enn mange proteiner til ER, som importeres mens de fortsatt syntetiseres.

Biomolekylære kondensater

• Biomolekylære kondensater er dynamiske samlinger av biologiske makromolekyler

• De er ikke omgitt av en membran, og kalles derfor også membranløse organeller.

• Molekylene samler seg og danner en egen væskelignende fase inne i cellen. Dette gjør at cellen kan samle bestemte molekyler på et sted uten å bygge en membran rundt dem.

• Hvorfor de er nyttige:

  • De gjør det mulig å:

    • Samle bestemte molekyler → skape et lokalt biokjemisk miljø → effektivisere bestemte cellulære prosesser

  • Såkalte stillas-/scaffoldmolekyler bidrar til å organisere kondensatet ved å konsentrere andre “klientmolekyler” i området.

  • Kondensatene er dessuten dynamiske og kan ha en flyktig/midlertiidg eksistens. De kan altså dannes når cellen trenger dem og senere løses opp igjen.

• Nukeolus (kjernelegemet) - det mest kjenet eksemplet:

  • Nukleolus er ikke omgitt av en membran, selv om den fremstår som et tydelig avgrenset område.