Эндоплазматическая сеть: строение и функции

Эндоплазматическая сеть (ЭПС), или эндоплазматический ретикулум, — самый крупный органоид эукариотической клетки. Это система мембранных трубочек и плоских мешков-цистерн, пронизывающая всю цитоплазму от ядра до плазмалеммы. В клетке печени площадь мембран ЭПС в 25 раз больше площади наружной мембраны клетки [1, 2]. Здесь синтезируется около трети всех белков клетки и почти все липиды её мембран, здесь обезвреживаются лекарства и яды, отсюда выходит кальций, запускающий сокращение мышцы.

В статье разобраны: как открыли ЭПС и почему её не видели в световой микроскоп; строение шероховатой и гладкой ЭПС и белки, придающие ей форму; как белок узнаёт «адрес» ЭПС и проходит сквозь мембрану (гипотеза сигнала); сворачивание, гликозилирование и контроль качества белков; стресс ЭПС; синтез липидов, обезвреживание и запасание кальция; контакты ЭПС с другими органоидами; ЭПС в разных клетках и при болезнях; её происхождение. В конце — сводная таблица, частые ошибки, требования ЕГЭ и ОГЭ, раздел для олимпиад и 20 заданий с разбором.

• 1. Как открыли эндоплазматическую сеть
• 2. Общий план строения
• 3. Цистерны и трубочки: как ЭПС держит форму
• 4. Шероховатая ЭПС: как белок попадает внутрь
• 5. Мембранные белки и синтез мембран
• 6. Сворачивание, гликозилирование и контроль качества
• 7. Стресс ЭПС и ответ на несвёрнутые белки
• 8. Выход из ЭПС: путь секреторного белка
• 9. Гладкая ЭПС: липиды и обезвреживание
• 10. ЭПС — депо кальция
• 11. Контакты ЭПС с другими органоидами
• 12. ЭПС в разных клетках
• 13. ЭПС и болезни
• 14. Происхождение ЭПС
• 15. Сводная таблица
• 16. Частые ошибки и вопросы
• 17. Что нужно знать к ЕГЭ и ОГЭ
• 18. Для олимпиад
• Задания с разбором
• Литература

1. Как открыли эндоплазматическую сеть

В световой микроскоп ЭПС не видна: толщина её мембраны — около 6 нм, диаметр трубочек — 30–100 нм, а предел разрешения светового микроскопа — около 200 нм. Поэтому до середины XX века о ней знали только косвенно. В 1897 году французский гистолог Шарль Гарнье заметил, что в клетках слюнных желёз и поджелудочной железы часть цитоплазмы у основания клетки сильно окрашивается основными красителями, причём сильнее всего — в период активной секреции. Он назвал эту зону эргастоплазмой («работающей плазмой») [3]. Сегодня понятно, что основные красители связывались с РНК рибосом, густо покрывающих шероховатую ЭПС.

Увидеть саму сеть позволил электронный микроскоп. Ультратонких срезов в 1940-е годы делать ещё не умели, и в 1945 году Кит Портер, Альбер Клод и Эрнест Фуллам из Рокфеллеровского института поступили иначе: они выращивали на плёнке клетки куриного эмбриона, которые распластываются в тонкий слой, и снимали их целиком. На этих первых электронных фотографиях целой клетки в цитоплазме была видна тонкая кружевная сеть [4]. Поскольку она лежала во внутренней части цитоплазмы (эндоплазме) и не заходила в тонкий край клетки, Портер в 1953 году назвал её эндоплазматическим ретикулумом — «внутрицитоплазматической сетью» [5].

Параллельно Клод разрушал клетки печени и разделял обломки центрифугированием. Среди фракций оказались мелкие пузырьки, богатые РНК, — микросомы [6]. В 1955 году Джордж Паладе на срезах описал плотные «мелкие частицы», сидящие на мембранах ЭПС и свободно лежащие в цитоплазме, — это были рибосомы [7]. Год спустя Паладе и Филип Сикевиц показали, что микросомы — это обломки ЭПС, которые при разрушении клетки замыкаются в пузырьки: шероховатые несут рибосомы снаружи, гладкие — без рибосом [8]. Микросомы стали главным инструментом изучения ЭПС: в пробирке они ведут себя почти как настоящая сеть — принимают новые белки, гликозилируют их, закачивают кальций.

В 1960-е годы Паладе и Джеймс Джеймисон проследили путь секреторного белка от шероховатой ЭПС до выхода из клетки (раздел 8), а в 1970-е Гюнтер Блобел объяснил, как белок вообще попадает внутрь ЭПС. В 1974 году Клод, Паладе и Кристиан де Дюв получили Нобелевскую премию за открытия в строении и функциях клетки [9], в 1999 году премию получил Блобел [10]. Блобел, чья семья в 1945 году бежала из Силезии через Дрезден, а старшая сестра погибла при бомбардировке, отдал всю премию на восстановление дрезденской Фрауэнкирхе и строительство новой синагоги [11].

2. Общий план строения

ЭПС — одномембранный органоид. Её мембрана замыкает единую внутреннюю полость — люмен, или цистерну ЭПС. Все трубочки и цистерны сообщаются между собой: если в живой клетке обесцветить лазером флуоресцентный белок в небольшом участке полости ЭПС, флуоресценция гаснет во всей сети — белок свободно перетекает по ней [12]. Наружная мембрана ядерной оболочки — это тоже часть ЭПС: она несёт рибосомы и переходит в мембрану сети, а пространство между двумя мембранами ядерной оболочки продолжает полость ЭПС [1, 13].

Полость ЭПС по своему составу ближе к межклеточной жидкости, чем к цитозолю. В ней много кальция, среда в ней окислительная, и белки, попавшие туда, в цитозоль обычно не возвращаются — они либо остаются в ЭПС, либо по цепочке пузырьков уходят в аппарат Гольджи, лизосомы, плазмалемму или наружу. Поэтому говорят, что полость ЭПС топологически эквивалентна внешней среде: путь из неё наружу клетки идёт без пересечения мембран — только через слияние пузырьков [1].

Различают два вида ЭПС.

• Шероховатая (гранулярная) ЭПС покрыта со стороны цитозоля рибосомами и представлена в основном уплощёнными цистернами. На её рибосомах синтезируются белки, которые должны оказаться в полости ЭПС или в мембране: секретируемые, мембранные, белки лизосом, самой ЭПС и аппарата Гольджи.
• Гладкая (агранулярная) ЭПС рибосом не несёт и чаще образует ветвящиеся трубочки. Её ферменты синтезируют липиды, обезвреживают чужеродные вещества, а мембрана запасает и выпускает ионы кальция.

Это не два разных органоида, а участки одной сети с общей полостью. Есть и переходные участки — места выхода из ЭПС, где рибосом нет и отпочковываются пузырьки к аппарату Гольджи [1, 14].

Доля ЭПС в клетке зависит от её работы. В клетке печени цистерны шероховатой ЭПС занимают около 9 % объёма, гладкая ЭПС вместе с цистернами аппарата Гольджи — ещё около 6 % [1]. В клетке поджелудочной железы, которая за сутки выделяет пищеварительных ферментов примерно столько, сколько весит сама, на шероховатую ЭПС приходится около 60 % всех мембран [1, 15].

Прикрепление рибосом к ЭПС не означает, что существуют две разные породы рибосом. Рибосомы одинаковы; к мембране садятся те, которые синтезируют белок с сигналом ЭПС, а закончив синтез, они отделяются и снова попадают в общий пул [16, 1]. О строении самой рибосомы — в статье «Рибосома: строение, работа и происхождение», об органоидах в целом — в статьях «Строение животной клетки» и «Строение растительной клетки».

3. Цистерны и трубочки: как ЭПС держит форму

Мембрана из фосфолипидов сама стремится принять форму с наименьшей энергией изгиба — большого пузыря. Тонкая трубочка диаметром 50 нм или край плоской цистерны изогнуты очень сильно, и такую форму нужно поддерживать специальными белками [17].

• Ретикулоны и белки семейства DP1/Yop1 встраиваются только в наружный слой липидов мембраны, клином раздвигая его. Мембрана изгибается, и образуются трубочки. Если в клетках дрожжей удалить гены этих белков, трубочки исчезают и остаются только цистерны [18].
• Атластины — ГТФазы, сшивающие соседние трубочки. Гидролизуя ГТФ, две молекулы атластина на разных мембранах сближаются и сливают их; так возникают трёхлучевые узлы, превращающие отдельные трубочки в сеть [19, 20].
• Белок Climp-63 работает как распорка: соединяя две мембраны цистерны, он держит расстояние между ними около 50 нм. Белок лунапарк стабилизирует узлы сети [17].

Доля цистерн и трубочек отражает работу клетки. Цистерны с рибосомами преобладают там, где синтезируется много белка: плоская цистерна даёт больше поверхности для рибосом при меньшем объёме. Трубочки преобладают в гладкой ЭПС: у трубочки больше отношение мембраны к объёму, а липиды синтезируются именно в мембране [21].

Как укладываются цистерны в клетке, где их очень много, показал в 2013 году Марк Терасаки с коллегами. Реконструировав по тысячам последовательных срезов ЭПС клеток слюнной железы и нейронов, они увидели, что стопка цистерн — не набор отдельных мешков, а одна поверхность. Соседние «этажи» соединены спиральными пандусами, закрученными то вправо, то влево, — как этажи многоярусной парковки [22]. Расчёт показал, что такая форма минимизирует энергию изгиба мембраны и позволяет плотно упаковать много мембраны с рибосомами.

В 2016 году сверхразрешающая микроскопия изменила представление о периферии клетки. То, что в обычный флуоресцентный микроскоп выглядело как плоские «листы» ЭПС, оказалось плотными сетями из тонких трубочек с очень частыми узлами — их назвали матрицами ЭПС [23]. Заодно обнаружилось, что трубочки непрерывно колеблются с амплитудой около 70 нм несколько раз в секунду, и для этого нужна энергия АТФ.

Сеть постоянно перестраивается. В клетках животных трубочки ЭПС вытягиваются вдоль микротрубочек — либо прикрепившись к растущему концу микротрубочки, либо скользя вдоль неё с помощью моторных белков [24]. У растений ЭПС движется вдоль нитей актина, её тянет миозин XI; на этом основано движение цитоплазмы в клетках растений [25]. Подробнее о моторах — в статье «Цитоскелет клетки». При делении клетки ЭПС не разбирается на части, как аппарат Гольджи: сеть делится между дочерними клетками целиком, а ядерная оболочка в конце митоза собирается заново из мембран ЭПС [1].

4. Шероховатая ЭПС: как белок попадает внутрь

Все белки клетки синтезируются рибосомами в цитозоле — кроме немногих белков, закодированных в ДНК митохондрий и пластид. Но многим белкам нужно оказаться по другую сторону мембраны: ферментам поджелудочного сока, антителам, инсулину, белкам-рецепторам плазмалеммы. Таких белков около трети от всех, закодированных в геноме человека [26, 1]. Как клетка различает, какой белок отправить в ЭПС?

Гипотеза сигнала

Первую подсказку дал в 1972 году Цезарь Мильштейн. Он синтезировал в пробирке лёгкую цепь антитела по её мРНК без мембран и обнаружил, что полученный белок длиннее настоящего: у него на N-конце было около 20 «лишних» аминокислот. Если же в пробирку добавляли микросомы, синтезировался белок обычной длины [27].

В 1975 году Гюнтер Блобел и Бернхард Добберштейн развили эту находку в гипотезу сигнала [16]. Её суть:

• у белков, предназначенных для ЭПС, на N-конце есть сигнальный пептид — участок из 15–30 аминокислот, в середине которого 7–15 подряд идущих гидрофобных аминокислот;
• сигнал узнаётся, как только N-конец выходит из рибосомы, и рибосома вместе с растущей цепью направляется к мембране ЭПС;
• цепь проходит через мембрану по белковому каналу во время синтеза, а сигнальный пептид затем отрезается.

Ключевой опыт был простым. Если микросомы добавляли к смеси для синтеза белка в начале, новый белок оказывался внутри пузырьков: протеазы, добавленные снаружи, его не разрушали, а сигнального пептида у него не было. Если же микросомы добавляли, когда синтез уже закончился, белок оставался снаружи, длинным и доступным протеазам [16]. Значит, перенос возможен только пока белок ещё синтезируется. Позже выяснилось, что сигнальные пептиды разных белков почти не похожи по последовательности: важна не точная последовательность, а гидрофобность середины. Если заменить в ней несколько аминокислот на заряженные, белок перестаёт попадать в ЭПС и остаётся в цитозоле [1].

Частица узнавания сигнала и транслокон

В 1980 году Питер Уолтер и Блобел выделили из микросом комплекс, без которого перенос не шёл, — частицу узнавания сигнала (signal recognition particle, SRP) [28]. Это рибонуклеопротеид: шесть белков на молекуле РНК длиной около 300 нуклеотидов. Работа идёт так.

Пауза трансляции важна: если цепь станет длинной и свернётся в цитозоле, она уже не пройдёт через узкий канал. Белковый канал называется транслоконом Sec61. Это три белковые цепи, образующие в мембране что-то вроде песочных часов. В покое канал закрыт короткой спиралью-«пробкой»; гидрофобный сигнал раскрывает его, вставая между двумя половинками канала — в его «боковые ворота». Структуру родственного транслокона архей получили в 2004 году в лаборатории Тома Рапопорта [29].

Перенос, при котором цепь проходит мембрану одновременно с синтезом, называют котрансляционным. У дрожжей часть белков переносится и после синтеза — посттрансляционно: их удерживают в развёрнутом виде шапероны цитозоля, а в полости ЭПС шаперон BiP связывает выходящую цепь и не даёт ей скользнуть назад, работая как храповик [26]. Сигнальные частицы и транслоконы есть и у бактерий — только там они встроены в плазмалемму и выводят белки наружу клетки (раздел 14).

Сигнал ЭПС — лишь один из «адресов» в клетке. Белки митохондрий и хлоропластов несут на N-конце другой сигнал и импортируются после синтеза через свои транслоконы (см. статью «TOC и TIC: как белки попадают в хлоропласт»), белки ядра — сигнал ядерной локализации. Белок без всяких сигналов остаётся в цитозоле.

5. Мембранные белки и синтез мембран

Почти все белки мембран клетки — плазмалеммы, ЭПС, аппарата Гольджи, лизосом, эндосом — встраиваются в мембрану именно в ЭПС, а затем доставляются на место пузырьками. Встраивание идёт через тот же транслокон Sec61. Каждый участок цепи, проходящий в транслоконе, «проверяется»: если он достаточно гидрофобен, боковые ворота открываются и участок уходит вбок, в липидный слой [30].

Длина трансмембранного участка тоже не случайна. Гидрофобная часть липидного бислоя имеет толщину около 3 нм, а α-спираль поднимается на 0,15 нм на каждую аминокислоту, поэтому для пересечения мембраны нужно около 20 гидрофобных аминокислот. Именно такие участки, из 18–25 аминокислот, и встречаются в мембранных белках.

Ориентация белка в мембране задаётся при синтезе и уже не меняется. Участок белка, оказавшийся в полости ЭПС, после слияния пузырьков с плазмалеммой окажется снаружи клетки. Поэтому углеводные цепи гликопротеинов плазмалеммы, присоединяемые в полости ЭПС, всегда обращены наружу клетки, — отсюда гликокаликс на поверхности клетки [1].

Для многопроходных белков, пересекающих мембрану много раз (каналов, переносчиков, рецепторов), одного Sec61 мало. В 2022 году обнаружили, что когда из рибосомы выходит первый трансмембранный участок многопроходного белка, к транслокону подсоединяются три дополнительных комплекса — GEL, PAT и BOS. Комплекс PAT работает как шаперон внутри мембраны: удерживает первые трансмембранные спирали, пока не синтезируются их партнёры [31]. Короткие и слабогидрофобные участки встраивает ещё одна машина — комплекс EMC, в 2018 году названный инсертазой трансмембранных доменов [32]. Белки с хвостовым якорем встраиваются после трансляции системой GET: гидрофобный C-конец подхватывает в цитозоле белок TRC40 (Get3) и доставляет к рецептору в мембране ЭПС [33, 34].

Синтез мембран

В ЭПС синтезируются и липиды мембран. Ферменты синтеза фосфолипидов встроены в мембрану ЭПС активными центрами в сторону цитозоля: из жирных кислот, глицерол-3-фосфата и головок (холина, этаноламина, серина) они строят новые молекулы фосфатидилхолина, фосфатидилэтаноламина и фосфатидилсерина прямо в наружном (цитоплазматическом) слое мембраны [1, 14]. Если бы новые молекулы оставались в этом слое, он бы рос, а другой — нет, и мембрана изогнулась бы. Этого не происходит благодаря скрамблазам — белкам, которые без затрат энергии перебрасывают фосфолипиды из слоя в слой. Так мембрана ЭПС растёт симметрично.

Готовая мембрана в виде пузырьков уходит к аппарату Гольджи и далее к плазмалемме, лизосомам и эндосомам. Митохондрии и пластиды получают липиды иначе — через места тесных контактов с ЭПС, где белки-переносчики передают отдельные молекулы липидов (раздел 11). Поэтому кодификатор ЕГЭ относит к функциям ЭПС «синтез клеточных мембран»: и белки, и липиды мембран клетки в основном производятся здесь [35].

6. Сворачивание, гликозилирование и контроль качества

Белок, попавший в полость ЭПС, ещё нужно правильно свернуть. Условия здесь особые, и ЭПС располагает набором ферментов и шаперонов, которых нет в цитозоле [36].

Шапероны и дисульфидные связи

Главный шаперон ЭПС — BiP (белок семейства Hsp70). Он связывается с открытыми гидрофобными участками новой цепи и, гидролизуя АТФ, то связывается, то отпускает её, не давая цепям слипаться друг с другом. BiP — самый массовый белок полости ЭПС.

Белки, выходящие из клетки, часто скреплены дисульфидными связями —S—S— между остатками цистеина: инсулин, антитела, ферменты пищеварительных соков. В цитозоле такие связи не образуются: там много восстановленного глутатиона, отношение его восстановленной формы к окисленной — около 100 : 1. В полости ЭПС оно близко к 3 : 1, среда окислительная [37]. Дисульфидные связи замыкает фермент протеиндисульфидизомераза (PDI), а саму PDI снова окисляет белок Ero1, передающий электроны кислороду [38]. Если первые связи замкнулись неправильно, PDI перебрасывает их, пока не получится нужное сочетание.

N-гликозилирование

Большинство белков, синтезируемых на шероховатой ЭПС, получают углеводные цепи — становятся гликопротеинами. Олигосахарид собирается заранее на липиде долихолфосфате, встроенном в мембрану ЭПС: это разветвлённый «куст» из 14 сахаров — двух остатков N-ацетилглюкозамина, девяти маннозы и трёх глюкозы. Фермент олигосахаридтрансфераза, сидящий рядом с транслоконом, переносит его целиком на остаток аспарагина в последовательности аспарагин — любая аминокислота, кроме пролина, — серин или треонин, пока цепь ещё выходит из канала [39].

Углеводы делают белок растворимее и устойчивее к протеазам, а в ЭПС служат ещё и «биркой» состояния белка.

Этот цикл кальнексина и кальретикулина описали Ари Хелениус и его коллеги в 1994 году [40]. Важно, что фермент UGGT узнаёт именно несвёрнутые белки: он чувствует открытые гидрофобные участки рядом с олигосахаридом. Так углеводная цепь становится сигналом «я ещё не готов».

Многие белки, выходящие из ЭПС, состоят из нескольких цепей: антитело — из двух тяжёлых и двух лёгких, рецептор Т-лимфоцита — из нескольких. Собирается такой комплекс тоже в ЭПС, и отдельные несобранные цепи наружу не выпускаются. Например, тяжёлые цепи антител, пока нет лёгких, прочно связаны с BiP и остаются в ЭПС [36].

Удержание и возврат

Собственные белки ЭПС — BiP, PDI, кальретикулин — растворены в её полости и могли бы уйти вместе с пузырьками в аппарат Гольджи. Их удерживает сигнал из четырёх аминокислот на C-конце — лизин, аспарагиновая кислота, глутаминовая кислота, лейцин (по однобуквенным обозначениям — KDEL). Белки с этим сигналом, попав в аппарат Гольджи, связываются там с рецептором KDEL и пузырьками COPI возвращаются в ЭПС. Если сигнал удалить, белок секретируется наружу; если присоединить его к секретируемому белку, тот остаётся в ЭПС [41].

Уборка брака: ERAD

Даже в здоровой клетке часть новых цепей не сворачивается. Такие белки вытягиваются обратно через мембрану ЭПС в цитозоль, метятся цепочкой белка убиквитина и разрушаются протеасомой. Этот путь называют ERAD (ER-associated degradation — разрушение, связанное с ЭПС). Канал для обратного выхода образует убиквитинлигаза Hrd1, а тянет белок из мембраны АТФаза p97 [42]. ЭПС, таким образом, работает как отдел технического контроля: наружу выходят только правильно свёрнутые белки.

7. Стресс ЭПС и ответ на несвёрнутые белки

Если несвёрнутых белков в полости ЭПС становится больше, чем шаперонов, возникает стресс ЭПС. Его вызывают резкий рост синтеза секретируемых белков (например, выработка инсулина после еды), мутантные белки, которые не сворачиваются, нехватка глюкозы, потеря кальция полостью ЭПС, вирусные инфекции. В лаборатории стресс вызывают туникамицином, блокирующим N-гликозилирование, или веществом дитиотреитолом, разрывающим дисульфидные связи.

В ответ клетка запускает программу, называемую ответом на несвёрнутые белки (unfolded protein response, UPR). Её открыли в 1993 году две группы — Питера Уолтера и Казутоси Мори, — изучавшие у дрожжей, как ЭПС сообщает ядру о своём состоянии [43, 44]. Датчиков у млекопитающих три.

Путь IRE1 необычен. IRE1 — фермент мембраны ЭПС, обладающий активностью РНКазы. При стрессе он прямо в цитоплазме вырезает из мРНК белка XBP1 участок длиной 26 нуклеотидов, и концы мРНК сшиваются. Поскольку 26 не делится на 3, после места разреза меняется рамка считывания: рибосома синтезирует другой C-конец, и белок становится активным регулятором генов [45, 46]. Это единственный известный случай сплайсинга мРНК вне ядра. Белки PERK и ATF6 описаны в 1999 году [47, 48].

У ответа на несвёрнутые белки две стороны. Сначала он защищает клетку: замедляет поступление новых белков, увеличивает число шаперонов, ускоряет уборку брака и наращивает саму ЭПС. Если стресс не удаётся снять, те же пути через белок CHOP запускают апоптоз — клетка, не способная выпускать правильные белки, уничтожается [49]. Питер Уолтер и Казутоси Мори в 2014 году получили за эти работы премию Ласкера.

С путём PERK связана и неожиданная история. В 2013 году в лаборатории Уолтера нашли молекулу ISRIB, которая отменяет действие фосфорилирования eIF2α на трансляцию. Мыши, получавшие ISRIB, лучше запоминали задания в лабиринте [50]. Оказалось, что тот же «тормоз» трансляции работает в нейронах при обучении, и его снятие облегчает закрепление памяти.

8. Выход из ЭПС: путь секреторного белка

Свёрнутые белки покидают ЭПС в особых местах — местах выхода из ЭПС. Здесь от мембраны отпочковываются пузырьки диаметром 60–90 нм, одетые белковой оболочкой COPII. Белки оболочки изгибают мембрану, а мембранные белки-рецепторы отбирают груз [51]. Пузырьки сливаются между собой и образуют промежуточный отдел между ЭПС и аппаратом Гольджи, откуда груз поступает в цис-сторону аппарата Гольджи. Обратно, из Гольджи в ЭПС, идут пузырьки с оболочкой COPI — они возвращают белки ЭПС с сигналом KDEL и мембрану [1].

Гены белков этого пути нашёл Рэнди Шекман. В 1980 году он отобрал мутантов дрожжей, которые при повышенной температуре переставали выделять белки и раздувались от накопленных внутри мембран; по тому, где застревал груз, мутантов разделили на группы — для выхода из ЭПС, для работы аппарата Гольджи, для слияния с мембраной [52]. В 2013 году Шекман, Джеймс Ротман и Томас Зюдхоф получили Нобелевскую премию за открытие механизмов транспорта пузырьков [53].

Опыт Джеймисона и Паладе

Классический опыт, доказавший путь секреторного белка, поставили в 1967 году Джеймс Джеймисон и Джордж Паладе [54, 55]. Срезы поджелудочной железы морской свинки на 3 минуты помещали в среду с радиоактивным лейцином (импульс), затем переносили в среду с обычным лейцином (погоня) и через разные промежутки времени фиксировали. Метка входила только в те белки, которые синтезировались во время импульса, и можно было проследить, где эта «когорта» молекул находится в каждый момент. На электронных фотографиях с радиоавтографией и во фракциях клеток метка двигалась так.

В следующей работе Джеймисон и Паладе добавляли после импульса циклогексимид, останавливающий синтез белка. Перенос меченых белков продолжался: значит, транспорт и синтез — разные процессы, и для переноса нужна энергия АТФ, но не новый белок [56]. Эти опыты лежат в основе схемы, которую требует кодификатор ЕГЭ: шероховатая ЭПС → аппарат Гольджи → секреторные пузырьки → экзоцитоз. Вместе ЭПС, аппарат Гольджи, лизосомы, эндосомы и вакуоли образуют единую мембранную систему, связанную потоком пузырьков, — «взаимосвязь одномембранных органоидов» в формулировке кодификатора [35].

9. Гладкая ЭПС: липиды и обезвреживание

Гладкая ЭПС развита не во всех клетках одинаково. В большинстве клеток её немного, но в некоторых она занимает большую часть цитоплазмы. Набор ферментов в ней определяет специализация клетки.

Липиды и стероиды

Кроме фосфолипидов (раздел 5), в ЭПС синтезируются холестерин и церамид — основа сфинголипидов. Ключевой фермент синтеза холестерина, ГМГ-КоА-редуктаза, встроен в мембрану ЭПС; его подавляют статины — лекарства, снижающие уровень холестерина в крови. Сама ЭПС и следит за количеством холестерина: в её мембране сидит белок SREBP, который при нехватке холестерина уходит в аппарат Гольджи, разрезается там, и его освобождённая часть включает в ядре гены синтеза холестерина. За открытие этой регуляции Майкл Браун и Джозеф Голдстайн получили Нобелевскую премию 1985 года (за более раннюю работу о рецепторах липопротеинов), а механизм SREBP описали в 1990-е [57].

В клетках, синтезирующих стероидные гормоны, гладкой ЭПС особенно много: в клетках коры надпочечников (кортизол, альдостерон), клетках Лейдига семенников (тестостерон), клетках жёлтого тела яичника (прогестерон). Синтез стероидов идёт попеременно в ЭПС и митохондриях: промежуточные продукты переходят между ними [1].

От мембраны ЭПС отпочковываются и липидные капли — запасы жира. Жир (триацилглицерины) синтезируется ферментами ЭПС и накапливается между двумя слоями липидов мембраны, раздвигая их; капля растёт и отделяется, одетая одним слоем фосфолипидов [58]. У растений так же образуются масляные тельца семян подсолнечника, рапса, арахиса.

Обезвреживание

Многие лекарства, яды, растительные алкалоиды, продукты сгорания хорошо растворимы в жирах и плохо в воде. Из организма через почки они не выводятся: в канальцах снова всасываются через мембраны. Гладкая ЭПС клеток печени делает их растворимыми в воде в два этапа. Сначала ферменты цитохромы P450, встроенные в мембрану ЭПС, присоединяют к молекуле атом кислорода — образуется гидроксильная группа. Затем к ней присоединяется глюкуроновая кислота или сульфат. Продукт хорошо растворим в воде и уходит с мочой или желчью [1, 14].

У человека 57 генов цитохромов P450; разные их варианты объясняют, почему одно и то же лекарство в одной дозе одному человеку помогает, а у другого вызывает побочные эффекты. Иногда окисление, наоборот, делает вещество опаснее: так из бенз[a]пирена табачного дыма образуется эпоксид, повреждающий ДНК.

В 1963 году Херберт Реммер и Ханс-Иоахим Меркер показали, что после нескольких дней приёма снотворного фенобарбитала гладкая ЭПС клеток печени подопытных животных сильно разрастается, а вместе с ней растёт активность ферментов, обезвреживающих лекарства [59]. Когда приём прекращают, лишняя ЭПС за несколько дней разрушается — её «съедает» избирательная аутофагия ЭПС [60]. Разрастанием гладкой ЭПС отчасти объясняется привыкание к барбитуратам и спирту: печень разрушает их всё быстрее, и для того же эффекта нужна большая доза.

Глюкоза из печени

Когда печень отдаёт глюкозу в кровь, последний шаг — отщепление фосфата от глюкозо-6-фосфата — выполняет фермент глюкозо-6-фосфатаза. Его активный центр обращён в полость ЭПС, а глюкозо-6-фосфат доставляет туда белок-переносчик. При наследственной недостаточности этого фермента (болезнь Гирке) печень не может выпускать глюкозу, и человек страдает от тяжёлой гипогликемии между приёмами пищи [14].

10. ЭПС — депо кальция

Ионы Ca²⁺ — один из главных сигналов в клетке: они запускают сокращение мышц, выделение медиатора в синапсе, секрецию гормонов, оплодотворение яйцеклетки. Сигнал работает потому, что в покое кальция в цитозоле очень мало — около 0,1 мкмоль/л. Его постоянно откачивают наружу клетки и в полость ЭПС [61].

В ЭПС кальций закачивает насос SERCA (Ca²⁺-АТФаза сарко- и эндоплазматической сети): за один гидролизованный АТФ он переносит два иона Ca²⁺ против градиента концентрации. Кристаллическую структуру этого насоса в 2000 году получил Тикаси Тоёсима — это была первая структура насоса, переносящего ионы с затратой АТФ [62]. В полости ЭПС концентрация свободного кальция — 100–1000 мкмоль/л, а связанного с белками (кальретикулином, кальсеквестрином) ещё больше [63].

Выпускают кальций два вида каналов мембраны ЭПС:

• рецептор инозитолтрифосфата (IP₃) открывается, когда гормон или медиатор, связавшись с рецептором плазмалеммы, вызывает синтез IP₃ (см. статью «Рецепторы клеток»);
• рианодиновый рецептор — крупнейший известный ионный канал, массой более 2 МДа, — открывается при сокращении мышцы.

Саркоплазматическая сеть

В волокнах скелетных мышц гладкая ЭПС называется саркоплазматической сетью. Она обвивает каждую миофибриллу, а её расширенные концевые цистерны прилегают к впячиваниям плазмалеммы — Т-трубочкам. Две цистерны и Т-трубочка образуют триаду. Когда по плазмалемме и Т-трубочке проходит потенциал действия, белок-датчик напряжения в Т-трубочке механически открывает рианодиновые рецепторы соседней цистерны. Кальций выходит, связывается с тропонином, и миофибрилла сокращается. После этого насосы SERCA за десятки миллисекунд закачивают кальций обратно, и мышца расслабляется [1]. В быстрых мышечных волокнах насосы SERCA составляют бо́льшую часть белка мембраны саркоплазматической сети.

Если рианодиновый рецептор из-за мутации открывается слишком легко, развивается злокачественная гипертермия: некоторые средства для наркоза вызывают неконтролируемый выход кальция, мышцы сокращаются и выделяют огромное количество тепла, температура тела растёт на градус каждые несколько минут. Связь этой болезни с геном рианодинового рецептора RYR1 установили в 1990 году [64]. Спасает введение дантролена, закрывающего канал.

Пополнение запаса

Когда кальций в ЭПС кончается, клетка открывает каналы в плазмалемме и пополняет запас снаружи. В 2005 году нашли датчик этого процесса — белок мембраны ЭПС STIM1, который чувствует падение концентрации кальция в её полости [65, 66]. STIM1 перемещается к участкам, где ЭПС подходит к плазмалемме, и открывает там канал Orai1. Канал Orai1 нашли, изучая детей с тяжёлым наследственным иммунодефицитом: без входа кальция их Т-лимфоциты не активируются [67].

11. Контакты ЭПС с другими органоидами

ЭПС не висит в цитоплазме изолированно. Её трубочки подходят к митохондриям, плазмалемме, эндосомам, лизосомам, пероксисомам, липидным каплям и аппарату Гольджи на расстояние 10–30 нм, и в этих местах мембраны скреплены белками-«стяжками». Мембраны не сливаются, но обмениваются веществами и сигналами [68]. В 2017 году, окрасив разом шесть органоидов в живой клетке разными флуоресцентными метками, увидели, что ЭПС контактирует со всеми остальными, причём часть органоидов в каждый момент касается её [69].

• ЭПС и митохондрии. Через эти контакты в митохондрии поступает кальций, усиливающий работу ферментов цикла Кребса, и липиды: фосфатидилсерин из ЭПС переходит в митохондрию и превращается там в фосфатидилэтаноламин [70]. Здесь же митохондрии делятся: в 2011 году показали, что трубочка ЭПС обхватывает митохондрию, сужает её, и уже в месте сужения собирается белок деления [71].
• ЭПС и плазмалемма. Здесь работает пополнение кальция через STIM1 и Orai1, а белки-переносчики передают липиды. В мышцах такой контакт — это триада.
• ЭПС и эндосомы. В местах контакта ЭПС делит эндосомы и регулирует их движение.
• У растений ЭПС проходит через плазмодесмы из клетки в клетку в виде тонкой трубочки — десмотубулы, так что ЭПС соседних клеток образует единую сеть. Подробнее — в статье «Плазмодесмы за пределами каллозы» [72].

12. ЭПС в разных клетках

Количество и вид ЭПС в клетке — надёжная подсказка о её работе. Это проверяют и в заданиях ЕГЭ.

Цифры для плазматических и β-клеток взяты из работ [73, 74]. Плазматическая клетка живёт ради синтеза антител и выделяет их тысячами молекул в секунду; её ЭПС так развита, что ядро оттесняется к краю клетки.

У растений ЭПС выполняет и особые работы [72]. В семенах злаков запасные белки собираются в шероховатой ЭПС и остаются в ней плотными гранулами — белковыми тельцами; у бобовых они, наоборот, уходят через аппарат Гольджи в вакуоли [75]. У капустных растений, в том числе у резуховидки Таля, ЭПС образует веретеновидные ЭПС-тельца, наполненные ферментом β-глюкозидазой; при повреждении клетки фермент встречается со своими субстратами — гликозидами — и освобождает вещества, отпугивающие насекомых и грибы [76].

13. ЭПС и болезни

Многие наследственные болезни — это болезни сворачивания белка в ЭПС. Белок может сохранять свою функцию, но из-за одной замены аминокислоты не проходит контроль качества и разрушается или застревает.

• Муковисцидоз. Самая частая мутация, ΔF508, удаляет одну аминокислоту из хлоридного канала CFTR. Канал мог бы частично работать, но не сворачивается до конца, задерживается в ЭПС и разрушается путём ERAD; до плазмалеммы он почти не доходит [77]. Современные лекарства-корректоры помогают мутантному белку свернуться и выйти из ЭПС.
• Недостаточность α1-антитрипсина. Мутантный белок Z слипается в полимеры в полости ЭПС клеток печени. Без него в крови не подавляется фермент эластаза, и разрушаются лёгкие, а скопления белка в ЭПС повреждают печень [78].
• Сахарный диабет. β-клетки, вынужденные постоянно синтезировать много проинсулина, живут на грани стресса ЭПС. Мутации в гене PERK вызывают синдром Уолкотта — Раллисона с диабетом новорождённых [79], а мутации, нарушающие дисульфидные связи проинсулина, — диабет из-за гибели β-клеток [74].
• Наследственные спастические параплегии. Мутации генов атластина, ретикулонов и других белков, формирующих трубочки ЭПС, нарушают работу самых длинных аксонов — мотонейронов, идущих к ногам [80].
• Вирусы. Многие вирусы с РНК перестраивают мембраны ЭПС под свои «фабрики». Коронавирусы, в том числе SARS-CoV-2, создают из ЭПС пузырьки с двойной мембраной, внутри которых копируется вирусная РНК; в 2020 году обнаружили белковую пору, через которую эта РНК выходит наружу [81].

14. Происхождение ЭПС

У прокариот ЭПС нет. Но её главные молекулярные машины — древнее эукариот. Транслокон Sec61 родствен белку SecY, через который бактерии и археи выводят белки сквозь плазмалемму; частица узнавания сигнала и её рецептор тоже есть во всех трёх доменах жизни [82, 26]. У бактерии сигнальный пептид направляет белок к плазмалемме, у эукариот — к мембране ЭПС. Поэтому мембрану ЭПС иногда сравнивают с «внутренней плазмалеммой», ушедшей внутрь клетки вместе с аппаратом выведения белков.

Как это произошло, точно неизвестно. Согласно автогенной гипотезе, ЭПС и ядерная оболочка возникли из впячиваний плазмалеммы предка эукариот, отшнуровавшихся внутрь. Есть и версия, по которой внутренние мембраны собрались из пузырьков, которые отпочковывала от себя бактерия-предок митохондрии [83]. Асгардархеи, ближайшие родственники эукариот, уже имеют гены белков, которые у эукариот изгибают мембраны и формируют пузырьки, — значит, способность строить сложные мембранные формы появилась у хозяина ещё до митохондрии [84]. Подробнее о происхождении эукариотической клетки — в статье «Типы клеток: прокариотическая и эукариотическая».

Ядерная оболочка — производное ЭПС, и это видно в каждом митозе: у животных при распаде ядерной оболочки её мембраны вливаются в сеть ЭПС, а в телофазе снова собираются вокруг хромосом из трубочек и цистерн ЭПС [1].

15. Сводная таблица

Общее у обоих видов: одна мембрана; единая полость, продолжающаяся в пространство между мембранами ядерной оболочки; участие в синтезе мембран клетки; связь с аппаратом Гольджи через пузырьки.

16. Частые ошибки и вопросы

«В гладкой ЭПС синтезируются углеводы». Так сказано во многих школьных пособиях, и в ответе ЕГЭ эта формулировка засчитывается. Строго говоря, полисахариды в ЭПС не синтезируются: гликоген собирается в цитозоле, полисахариды клеточной стенки растений — в аппарате Гольджи, целлюлоза — на плазмалемме. В ЭПС идут другие «углеводные» процессы: сборка олигосахаридов на долихоле и гликозилирование белков (в шероховатой ЭПС) и отщепление фосфата от глюкозо-6-фосфата в печени. Утверждение пошло от того, что в клетках печени гранулы гликогена лежат вплотную к трубочкам гладкой ЭПС.

«Рибосомы шероховатой ЭПС — особые». Нет. Те же рибосомы, что и свободные; к мембране их приводит сигнальный пептид синтезируемого белка.

«ЭПС — двумембранный органоид, ведь у ядерной оболочки две мембраны». ЭПС — одномембранный органоид. Ядерная оболочка образована двумя мембранами, и наружная из них — участок ЭПС; полость между ними — часть полости ЭПС.

«Белки синтезируются в ЭПС». Синтезируют белки рибосомы. ЭПС принимает растущие цепи внутрь, сворачивает, модифицирует и отправляет дальше. В ответе лучше писать: «на рибосомах шероховатой ЭПС синтезируются белки».

«Все белки клетки проходят через ЭПС». Нет: белки цитозоля, ядра, митохондрий и пластид синтезируются на свободных рибосомах и в ЭПС не попадают.

Есть ли ЭПС в эритроците? В зрелом эритроците млекопитающих — нет: при созревании он теряет ядро и все мембранные органоиды. У бактерий ЭПС нет никогда.

Чем ЭПС отличается от аппарата Гольджи? Оба органоида одномембранные и связаны потоком пузырьков. ЭПС — непрерывная сеть по всей клетке, где белки синтезируются (на рибосомах), сворачиваются и получают первичный олигосахарид. Аппарат Гольджи — стопки отдельных цистерн у ядра, где олигосахариды достраиваются, белки сортируются по адресам, образуются лизосомы и секреторные пузырьки.

Почему от фенобарбитала и спирта развивается привыкание? Повторный приём вызывает разрастание гладкой ЭПС клеток печени и рост количества цитохромов P450, которые окисляют эти вещества. Вещество разрушается быстрее, и для прежнего эффекта нужна большая доза.

17. Что нужно знать к ЕГЭ и ОГЭ

В кодификаторе ЕГЭ-2027 ЭПС входит в элемент «Строение и функционирование эукариотической клетки»: «Одномембранные органоиды клетки: эндоплазматическая сеть (ЭПС), аппарат Гольджи, лизосомы, их строение и функции. Взаимосвязь одномембранных органоидов клетки. Строение гранулярного ретикулума. Синтез растворимых белков. Синтез клеточных мембран. Гладкий (агранулярный) эндоплазматический ретикулум» [35].

Что проверяют чаще всего:

• ЭПС — одномембранный органоид; есть у всех эукариот (кроме зрелых эритроцитов млекопитающих и некоторых других клеток, утративших органоиды), нет у прокариот;
• шероховатая ЭПС несёт рибосомы, на них синтезируются белки; белки по каналам ЭПС транспортируются к аппарату Гольджи;
• гладкая ЭПС: синтез липидов и углеводов (школьная формулировка, см. раздел 16), обезвреживание ядовитых веществ, запасание ионов кальция;
• ЭПС связана с ядерной оболочкой и аппаратом Гольджи, образует вместе с ними единую мембранную систему клетки;
• соответствие «органоид — функция» (линии на установление соответствия и выбор трёх ответов из шести);
• задачи на путь секреторного белка и меченые атомы: где и в какой последовательности появится метка;
• вопросы «почему в клетке такой-то железы много шероховатой (гладкой) ЭПС» в развёрнутой части.

В ОГЭ достаточно знать, что ЭПС — система мембранных каналов и полостей, связывающая части клетки; на шероховатой ЭПС находятся рибосомы и идёт синтез белков, на гладкой — синтез жиров и углеводов; ЭПС участвует в транспорте веществ по клетке.

18. Для олимпиад

Топология и правило положительных зарядов. Белок с сигналом-якорем может встать в мембрану двумя способами. Решает распределение заряда по краям гидрофобного участка: более положительно заряженный фланг остаётся в цитозоле (правило «positive inside»). Меняя лизины и аргинины местами, можно перевернуть белок в мембране. Порядок встраивания многопроходных белков задаётся первым трансмембранным участком: дальше участки чередуются — «внутрь — наружу».

Как определяют топологию. Классические методы: защита от протеаз (часть белка, обращённая в полость микросом, не переваривается трипсином снаружи, пока пузырьки не разрушены детергентом); гликозилирование (сахар присоединяется только к сайтам Asn–X–Ser/Thr, оказавшимся в полости ЭПС); прикрепление меток к отдельным участкам белка.

Энергетика переноса. Котрансляционный перенос не требует отдельного насоса: цепь проталкивает сама растущая цепь на рибосоме, а направление задаётся тем, что в полости ЭПС цепь сразу связывают BiP и сворачивается. ГТФ тратится на освобождение SRP и рецептора — это обеспечивает точность (два белка-ГТФазы должны «согласиться»). При посттрансляционном переносе энергия идёт от АТФ, расходуемого BiP (храповой механизм).

Белки с якорем GPI. Некоторые белки плазмалеммы держатся в мембране не трансмембранной спиралью, а гликолипидом гликозилфосфатидилинозитолом. В ЭПС фермент трансамидаза отрезает от белка C-концевой гидрофобный участок и присоединяет на его место заранее собранный якорь GPI. Такие белки обращены наружу клетки и могут быть «срезаны» фосфолипазой.

XBP1 и HAC1. У дрожжей аналог XBP1 — HAC1; интрон в его мРНК длиной 252 нуклеотида не даёт начаться трансляции, пока IRE1 его не вырежет, а сшивает концы тРНК-лигаза. У млекопитающих интрон XBP1 — 26 нуклеотидов, сшивает концы РНК-лигаза RtcB. Сплайсинг идёт в цитоплазме, на мембране ЭПС.

Ингибиторы — инструменты эксперимента. Туникамицин блокирует первый шаг сборки олигосахарида на долихоле — N-гликозилирование прекращается, начинается стресс ЭПС. Брефельдин А нарушает образование пузырьков COPI: аппарат Гольджи за минуты «стекает» в ЭПС. Тапсигаргин необратимо блокирует SERCA — ЭПС теряет кальций. Циклогексимид останавливает трансляцию на рибосомах цитозоля.

Оценка объёма ЭПС. Если площадь мембраны ЭПС в 25 раз больше площади плазмалеммы, а цистерна — это две мембраны на расстоянии 50 нм, то для кубической клетки с ребром 20 мкм получаем площадь плазмалеммы 2400 мкм², площадь ЭПС — 60 000 мкм², то есть 30 000 мкм² цистерн, объём полости — около 1500 мкм³, или около 19 % объёма клетки. Это близко к измеренным 15 % для клетки печени (раздел 2).

Задания с разбором

Задание 1. Выберите три верных утверждения о шероховатой ЭПС. 1) Несёт на мембране рибосомы. 2) Окружена двумя мембранами. 3) Участвует в синтезе белков, выводимых из клетки. 4) Главное место синтеза стероидных гормонов. 5) Связана с наружной мембраной ядерной оболочки. 6) Содержит собственную кольцевую ДНК.

Задание 2. Установите соответствие между функцией и видом ЭПС. Функции: А) присоединение олигосахарида к белку; Б) синтез тестостерона; В) окисление лекарств цитохромами P450; Г) перенос растущей полипептидной цепи через мембрану; Д) выход ионов кальция при сокращении скелетной мышцы; Е) синтез антител в плазматической клетке. Виды ЭПС: 1) шероховатая; 2) гладкая.

Задание 3. Установите последовательность событий при синтезе и выделении фермента клеткой поджелудочной железы. 1) Слияние секреторной гранулы с плазмалеммой. 2) Связывание SRP с сигнальным пептидом. 3) Перенос белка в пузырьке COPII к аппарату Гольджи. 4) Начало трансляции на свободной рибосоме. 5) Сортировка и упаковка белка в аппарате Гольджи. 6) Перенос растущей цепи в полость ЭПС через транслокон.

Задание 4. Найдите три ошибки в тексте и исправьте их. (1) Эндоплазматическая сеть — одномембранный органоид эукариотической клетки. (2) Шероховатая ЭПС несёт рибосомы, на которых синтезируются белки. (3) Гладкая ЭПС содержит особые рибосомы, синтезирующие липиды. (4) В мышечных волокнах гладкая ЭПС называется саркоплазматической сетью и запасает ионы натрия. (5) Наружная мембрана ядерной оболочки переходит в мембрану ЭПС. (6) ЭПС есть в клетках бактерий и цианобактерий.

Задание 5. Выберите три клетки, в которых шероховатая ЭПС развита особенно сильно. 1) Плазматическая клетка. 2) Зрелый эритроцит человека. 3) Ацинарная клетка поджелудочной железы. 4) Клетка Лейдига. 5) β-клетка островков Лангерганса. 6) Клетка кишечной палочки.

Задание 6. Почему в клетках коры надпочечников хорошо развита гладкая ЭПС, а в клетках слюнных желёз — шероховатая? Ответ поясните.

Задание 7. Человек долго принимал снотворное фенобарбитал. Со временем прежняя доза перестала действовать. Какие изменения произошли в клетках печени? Объясните.

Задание 8. В клетке заменили в сигнальном пептиде гормона четыре гидрофобные аминокислоты на заряженные. Где окажется этот белок и будет ли он выделяться из клетки? Объясните.

Задание 9. Клетки поджелудочной железы в течение 3 минут инкубировали с аминокислотой лейцином, содержащей радиоактивный тритий, а затем перенесли в среду с обычным лейцином. В каких структурах клетки и в какой последовательности будет обнаруживаться метка через 3 минуты, 10 минут, 40 минут и 2 часа? Почему метка входит именно в лейцин, а не в другие вещества клетки?

Задание 10. Какую роль играет саркоплазматическая сеть в сокращении скелетной мышцы? Почему отравление ядом, блокирующим насос SERCA, приводит к стойкому сокращению мышц?

Задание 11. Какие признаки строения ЭПС позволяют отнести её к одномембранным органоидам, связанным с ядром? Назовите функции, общие для обоих видов ЭПС.

Задание 12. У больного муковисцидозом белок-канал CFTR синтезируется, но не доходит до плазмалеммы клеток бронхов. Объясните, где и почему он задерживается.

Задание 13 (олимпиадное). мРНК секретируемого белка транслировали в бесклеточной системе в трёх вариантах: А) без микросом; Б) микросомы добавлены до начала трансляции; В) микросомы добавлены после окончания трансляции. После синтеза к части каждой пробы добавляли протеазу, к другой — протеазу и детергент. Предскажите размер белка и его судьбу в каждом случае.

Задание 14 (олимпиадное). Мембранный белок длиной 400 аминокислот имеет сигнальный пептид на N-конце (1–25) и один гидрофобный участок (231–252). Сайты N-гликозилирования — в положениях 80 и 320. Как белок расположен в мембране ЭПС и затем в плазмалемме? Какие сайты будут гликозилированы? Какой фрагмент останется после обработки микросом трипсином снаружи?

Задание 15 (олимпиадное). При стрессе ЭПС фермент IRE1 вырезает из мРНК XBP1 участок длиной 26 нуклеотидов. Почему это меняет C-концевую часть белка, а не просто укорачивает его на 8–9 аминокислот? Какой длины участок пришлось бы вырезать, чтобы рамка считывания не изменилась? Что произойдёт с синтезом шаперонов в клетке, лишённой IRE1, при стрессе?

Задание 16 (олимпиадное). Культуру клеток обработали: А) туникамицином; Б) тапсигаргином; В) брефельдином А. Какой процесс нарушит каждое вещество? В каких случаях в клетке усилится синтез шаперона BiP и почему?

Задание 17 (олимпиадное). Полость ЭПС занимает 10 % объёма клетки, концентрация свободного Ca²⁺ в ней — 0,5 ммоль/л; цитозоль занимает 50 % объёма, концентрация Ca²⁺ в нём — 0,1 мкмоль/л. Во сколько раз выросла бы концентрация Ca²⁺ в цитозоле, если бы весь свободный кальций ЭПС вышел в цитозоль и не связывался белками? Сколько молекул АТФ понадобится насосам SERCA, чтобы вернуть в ЭПС 1 моль ионов кальция?

Задание 18 (олимпиадное). Клетка имеет форму куба с ребром 20 мкм. Площадь мембран ЭПС в 25 раз больше площади плазмалеммы. Считая, что вся ЭПС — плоские цистерны, в каждой из которых две мембраны разделены полостью толщиной 50 нм, оцените долю объёма клетки, занятую полостью ЭПС.

Задание 19 (олимпиадное). В опыте Джеймисона и Паладе сразу после 3-минутного импульса меченого лейцина добавили циклогексимид, полностью останавливающий синтез белка. Переместится ли метка из шероховатой ЭПС в секреторные гранулы? А если вместо циклогексимида срезы поместить в среду с ингибитором дыхания? Что доказывают эти опыты?

Задание 20 (олимпиадное). Препроинсулин человека состоит из 110 аминокислот, из них 24 — сигнальный пептид. Рибосома присоединяет около 6 аминокислот в секунду. Предположим, β-клетка синтезирует 1 млн молекул препроинсулина в минуту. Сколько рибосом одновременно заняты его синтезом? Сколько аминокислот содержит проинсулин, поступивший в полость ЭПС? Почему инсулин нельзя получить, синтезировав в бактерии одну цепь проинсулина и не сворачивая её особым образом?

Литература

1. Alberts B., Heald R., Johnson A., Morgan D., Raff M., Roberts K., Walter P. Molecular Biology of the Cell. 7th ed. New York: W. W. Norton, 2022.
2. Milo R., Jorgensen P., Moran U., Weber G., Springer M. BioNumbers — the database of key numbers in molecular and cell biology. Nucleic Acids Res. 2010, 38, D750–D753 (запись 110374).
3. Haguenau F. The ergastoplasm: its history, ultrastructure, and biochemistry. Int. Rev. Cytol. 1958, 7, 425–483.
4. Porter K. R., Claude A., Fullam E. F. A study of tissue culture cells by electron microscopy: methods and preliminary observations. J. Exp. Med. 1945, 81, 233–246.
5. Porter K. R. Observations on a submicroscopic basophilic component of cytoplasm. J. Exp. Med. 1953, 97, 727–750.
6. Claude A. Fractionation of mammalian liver cells by differential centrifugation. II. Experimental procedures and results. J. Exp. Med. 1946, 84, 61–89.
7. Palade G. E. A small particulate component of the cytoplasm. J. Biophys. Biochem. Cytol. 1955, 1, 59–68.
8. Palade G. E., Siekevitz P. Liver microsomes: an integrated morphological and biochemical study. J. Biophys. Biochem. Cytol. 1956, 2, 171–200.
9. The Nobel Prize in Physiology or Medicine 1974: Albert Claude, Christian de Duve, George E. Palade. NobelPrize.org.
10. Blobel G. Protein targeting (Nobel lecture). ChemBioChem 2000, 1, 86–102.
11. Blobel G. Biographical. NobelPrize.org, 1999.
12. Dayel M. J., Hom E. F. Y., Verkman A. S. Diffusion of green fluorescent protein in the aqueous-phase lumen of endoplasmic reticulum. Biophys. J. 1999, 76, 2843–2851.
13. Ченцов Ю. С. Введение в клеточную биологию. 4-е изд. М.: Академкнига, 2004 (МГУ им. М. В. Ломоносова).
14. Lodish H., Berk A., Kaiser C. A. et al. Molecular Cell Biology. 9th ed. New York: Macmillan Learning, 2021.
15. Bolender R. P. Stereological analysis of the guinea pig pancreas. I. Analytical model and quantitative description of nonstimulated pancreatic exocrine cells. J. Cell Biol. 1974, 61, 269–287.
16. Blobel G., Dobberstein B. Transfer of proteins across membranes. I. Presence of proteolytically processed and unprocessed nascent immunoglobulin light chains on membrane-bound ribosomes of murine myeloma. J. Cell Biol. 1975, 67, 835–851.
17. Shibata Y., Shemesh T., Prinz W. A., Palazzo A. F., Kozlov M. M., Rapoport T. A. Mechanisms determining the morphology of the peripheral ER. Cell 2010, 143, 774–788.
18. Voeltz G. K., Prinz W. A., Shibata Y., Rist J. M., Rapoport T. A. A class of membrane proteins shaping the tubular endoplasmic reticulum. Cell 2006, 124, 573–586.
19. Hu J., Shibata Y., Zhu P.-P. et al. A class of dynamin-like GTPases involved in the generation of the tubular ER network. Cell 2009, 138, 549–561.
20. Orso G., Pendin D., Liu S. et al. Homotypic fusion of ER membranes requires the dynamin-like GTPase atlastin. Nature 2009, 460, 978–983.
21. Shibata Y., Voeltz G. K., Rapoport T. A. Rough sheets and smooth tubules. Cell 2006, 126, 435–439.
22. Terasaki M., Shemesh T., Kasthuri N. et al. Stacked endoplasmic reticulum sheets are connected by helicoidal membrane motifs. Cell 2013, 154, 285–296.
23. Nixon-Abell J., Obara C. J., Weigel A. V. et al. Increased spatiotemporal resolution reveals highly dynamic dense tubular matrices in the peripheral ER. Science 2016, 354, aaf3928.
24. Waterman-Storer C. M., Salmon E. D. Endoplasmic reticulum membrane tubules are distributed by microtubules in living cells using three distinct mechanisms. Curr. Biol. 1998, 8, 798–806.
25. Ueda H., Yokota E., Kutsuna N. et al. Myosin-dependent endoplasmic reticulum motility and F-actin organization in plant cells. Proc. Natl. Acad. Sci. USA 2010, 107, 6894–6899.
26. Rapoport T. A. Protein translocation across the eukaryotic endoplasmic reticulum and bacterial plasma membranes. Nature 2007, 450, 663–669.
27. Milstein C., Brownlee G. G., Harrison T. M., Mathews M. B. A possible precursor of immunoglobulin light chains. Nature New Biol. 1972, 239, 117–120.
28. Walter P., Blobel G. Purification of a membrane-associated protein complex required for protein translocation across the endoplasmic reticulum. Proc. Natl. Acad. Sci. USA 1980, 77, 7112–7116.
29. Van den Berg B., Clemons W. M., Collinson I., Modis Y., Hartmann E., Harrison S. C., Rapoport T. A. X-ray structure of a protein-conducting channel. Nature 2004, 427, 36–44.
30. Hessa T., Kim H., Bihlmaier K. et al. Recognition of transmembrane helices by the endoplasmic reticulum translocon. Nature 2005, 433, 377–381.
31. Sundaram A., Yamsek M., Zhong F., Hooda Y., Hegde R. S., Keenan R. J. Substrate-driven assembly of a translocon for multipass membrane proteins. Nature 2022, 611, 167–172.
32. Guna A., Volkmar N., Christianson J. C., Hegde R. S. The ER membrane protein complex is a transmembrane domain insertase. Science 2018, 359, 470–473.
33. Stefanovic S., Hegde R. S. Identification of a targeting factor for posttranslational membrane protein insertion into the ER. Cell 2007, 128, 1147–1159.
34. Schuldiner M., Metz J., Schmid V. et al. The GET complex mediates insertion of tail-anchored proteins into the ER membrane. Cell 2008, 134, 634–645.
35. ФИПИ. Кодификатор проверяемых требований к результатам освоения основной образовательной программы и элементов содержания для проведения ЕГЭ по биологии, 2027 г. М.: ФИПИ, 2026.
36. Braakman I., Hebert D. N. Protein folding in the endoplasmic reticulum. Cold Spring Harb. Perspect. Biol. 2013, 5, a013201.
37. Hwang C., Sinskey A. J., Lodish H. F. Oxidized redox state of glutathione in the endoplasmic reticulum. Science 1992, 257, 1496–1502.
38. Tu B. P., Weissman J. S. Oxidative protein folding in eukaryotes: mechanisms and consequences. J. Cell Biol. 2004, 164, 341–346.
39. Helenius A., Aebi M. Roles of N-linked glycans in the endoplasmic reticulum. Annu. Rev. Biochem. 2004, 73, 1019–1049.
40. Hammond C., Braakman I., Helenius A. Role of N-linked oligosaccharide recognition, glucose trimming, and calnexin in glycoprotein folding and quality control. Proc. Natl. Acad. Sci. USA 1994, 91, 913–917.
41. Munro S., Pelham H. R. B. A C-terminal signal prevents secretion of luminal ER proteins. Cell 1987, 48, 899–907.
42. Ruggiano A., Foresti O., Carvalho P. ER-associated degradation: protein quality control and beyond. J. Cell Biol. 2014, 204, 869–879.
43. Cox J. S., Shamu C. E., Walter P. Transcriptional induction of genes encoding endoplasmic reticulum resident proteins requires a transmembrane protein kinase. Cell 1993, 73, 1197–1206.
44. Mori K., Ma W., Gething M.-J., Sambrook J. A transmembrane protein with a cdc2+/CDC28-related kinase activity is required for signaling from the ER to the nucleus. Cell 1993, 74, 743–756.
45. Yoshida H., Matsui T., Yamamoto A., Okada T., Mori K. XBP1 mRNA is induced by ATF6 and spliced by IRE1 in response to ER stress to produce a highly active transcription factor. Cell 2001, 107, 881–891.
46. Calfon M., Zeng H., Urano F. et al. IRE1 couples endoplasmic reticulum load to secretory capacity by processing the XBP-1 mRNA. Nature 2002, 415, 92–96.
47. Harding H. P., Zhang Y., Ron D. Protein translation and folding are coupled by an endoplasmic-reticulum-resident kinase. Nature 1999, 397, 271–274.
48. Haze K., Yoshida H., Yanagi H., Yura T., Mori K. Mammalian transcription factor ATF6 is synthesized as a transmembrane protein and activated by proteolysis in response to endoplasmic reticulum stress. Mol. Biol. Cell 1999, 10, 3787–3799.
49. Walter P., Ron D. The unfolded protein response: from stress pathway to homeostatic regulation. Science 2011, 334, 1081–1086.
50. Sidrauski C., Acosta-Alvear D., Khoutorsky A. et al. Pharmacological brake-release of mRNA translation enhances cognitive memory. eLife 2013, 2, e00498.
51. Barlowe C., Orci L., Yeung T. et al. COPII: a membrane coat formed by Sec proteins that drive vesicle budding from the endoplasmic reticulum. Cell 1994, 77, 895–907.
52. Novick P., Field C., Schekman R. Identification of 23 complementation groups required for post-translational events in the yeast secretory pathway. Cell 1980, 21, 205–215.
53. The Nobel Prize in Physiology or Medicine 2013: James E. Rothman, Randy W. Schekman, Thomas C. Südhof. NobelPrize.org.
54. Jamieson J. D., Palade G. E. Intracellular transport of secretory proteins in the pancreatic exocrine cell. I. Role of the peripheral elements of the Golgi complex; II. Transport to condensing vacuoles and zymogen granules. J. Cell Biol. 1967, 34, 577–596; 597–615.
55. Palade G. Intracellular aspects of the process of protein synthesis (Nobel lecture). Science 1975, 189, 347–358.
56. Jamieson J. D., Palade G. E. Intracellular transport of secretory proteins in the pancreatic exocrine cell. III. Dissociation of intracellular transport from protein synthesis. J. Cell Biol. 1968, 39, 580–588.
57. Brown M. S., Goldstein J. L. The SREBP pathway: regulation of cholesterol metabolism by proteolysis of a membrane-bound transcription factor. Cell 1997, 89, 331–340.
58. Walther T. C., Farese R. V. Lipid droplets and cellular lipid metabolism. Annu. Rev. Biochem. 2012, 81, 687–714.
59. Remmer H., Merker H. J. Drug-induced changes in the liver endoplasmic reticulum: association with drug-metabolizing enzymes. Science 1963, 142, 1657–1658.
60. Khaminets A., Heinrich T., Mari M. et al. Regulation of endoplasmic reticulum turnover by selective autophagy. Nature 2015, 522, 354–358.
61. Berridge M. J., Bootman M. D., Roderick H. L. Calcium signalling: dynamics, homeostasis and remodelling. Nat. Rev. Mol. Cell Biol. 2003, 4, 517–529.
62. Toyoshima C., Nakasako M., Nomura H., Ogawa H. Crystal structure of the calcium pump of sarcoplasmic reticulum at 2.6 Å resolution. Nature 2000, 405, 647–655.
63. Verkhratsky A. Physiology and pathophysiology of the calcium store in the endoplasmic reticulum of neurons. Physiol. Rev. 2005, 85, 201–279.
64. MacLennan D. H., Duff C., Zorzato F. et al. Ligation of the ryanodine receptor gene to malignant hyperthermia. Nature 1990, 343, 559–561.
65. Liou J., Kim M. L., Heo W. D. et al. STIM is a Ca²⁺ sensor essential for Ca²⁺-store-depletion-triggered Ca²⁺ influx. Curr. Biol. 2005, 15, 1235–1241.
66. Roos J., DiGregorio P. J., Yeromin A. V. et al. STIM1, an essential and conserved component of store-operated Ca²⁺ channel function. J. Cell Biol. 2005, 169, 435–445.
67. Feske S., Gwack Y., Prakriya M. et al. A mutation in Orai1 causes immune deficiency by abrogating CRAC channel function. Nature 2006, 441, 179–185.
68. Phillips M. J., Voeltz G. K. Structure and function of ER membrane contact sites with other organelles. Nat. Rev. Mol. Cell Biol. 2016, 17, 69–82.
69. Valm A. M., Cohen S., Legant W. R. et al. Applying systems-level spectral imaging and analysis to reveal the organelle interactome. Nature 2017, 546, 162–167.
70. Vance J. E. Phospholipid synthesis in a membrane fraction associated with mitochondria. J. Biol. Chem. 1990, 265, 7248–7256.
71. Friedman J. R., Lackner L. L., West M., DiBenedetto J. R., Nunnari J., Voeltz G. K. ER tubules mark sites of mitochondrial division. Science 2011, 334, 358–362.
72. Hawes C., Kiviniemi P., Kriechbaumer V. The endoplasmic reticulum: a dynamic and well-connected organelle. J. Integr. Plant Biol. 2015, 57, 50–62.
73. Shaffer A. L., Shapiro-Shelef M., Iwakoshi N. N. et al. XBP1, downstream of Blimp-1, expands the secretory apparatus and other organelles, and increases protein synthesis in plasma cell differentiation. Immunity 2004, 21, 81–93.
74. Scheuner D., Kaufman R. J. The unfolded protein response: a pathway that links insulin demand with β-cell failure and diabetes. Endocr. Rev. 2008, 29, 317–333.
75. Herman E. M., Larkins B. A. Protein storage bodies and vacuoles. Plant Cell 1999, 11, 601–614.
76. Matsushima R., Kondo M., Nishimura M., Hara-Nishimura I. A novel ER-derived compartment, the ER body, selectively accumulates a β-glucosidase with an ER-retention signal in Arabidopsis. Plant J. 2003, 33, 493–502.
77. Cheng S. H., Gregory R. J., Marshall J. et al. Defective intracellular transport and processing of CFTR is the molecular basis of most cystic fibrosis. Cell 1990, 63, 827–834.
78. Lomas D. A., Evans D. L., Finch J. T., Carrell R. W. The mechanism of Z α1-antitrypsin accumulation in the liver. Nature 1992, 357, 605–607.
79. Delépine M., Nicolino M., Barrett T., Golamaully M., Lathrop G. M., Julier C. EIF2AK3, encoding translation initiation factor 2-α kinase 3, is mutated in patients with Wolcott–Rallison syndrome. Nat. Genet. 2000, 25, 406–409.
80. Zhao X., Alvarado D., Rainier S. et al. Mutations in a newly identified GTPase gene cause autosomal dominant hereditary spastic paraplegia. Nat. Genet. 2001, 29, 326–331.
81. Wolff G., Limpens R. W. A. L., Zevenhoven-Dobbe J. C. et al. A molecular pore spans the double membrane of the coronavirus replication organelle. Science 2020, 369, 1395–1398.
82. Akopian D., Shen K., Zhang X., Shan S.-O. Signal recognition particle: an essential protein-targeting machine. Annu. Rev. Biochem. 2013, 82, 693–721.
83. Gould S. B., Garg S. G., Martin W. F. Bacterial vesicle secretion and the evolutionary origin of the eukaryotic endomembrane system. Trends Microbiol. 2016, 24, 525–534.
84. Spang A., Saw J. H., Jørgensen S. L. et al. Complex archaea that bridge the gap between prokaryotes and eukaryotes. Nature 2015, 521, 173–179.