Hormonsynthese

Zu den im glatten ER gebildeten Steroiden gehören Steroidhormone, wie etwa diejenigen der Nebennierenrinde oder die Geschlechtshormone der Wirbeltiere. So enthalten in Hoden und Eierstöcken diejenigen Zellen, die für die Hormonproduktion zuständig sind, besonders viel glattes ER.

Kohlenhydratspeicherung

In den Parenchymzellen der Leber (= Hepatozyten) wird Glucose als ein Polymer namens Glykogen gespeichert. Die Freisetzung von Einzelmolekülen (= Monomeren) aus Glykogen heißt Glykogenolyse. Die Glykogenolyse in Leberzellen ist ein wichtiger Vorgang zur Steuerung der Glucosekonzentration im Blut (= des Blutzuckerspiegels). Im Wege der Glykogenolyse entsteht aber nicht Glucose selbst, sondern Glucose-6-phosphat. Das Enzym Glucose-6-Phosphatase auf der Membran des glatten ERs spaltet die Phosphatgruppe des Glucose-6-phosphats ab; (erst) die dadurch entstehende Glucose kann die Leberzelle verlassen und so den Blutzuckerspiegel erhöhen.

Entgiftung

Das glatte ER der Hepatozyten enthält auch membrangebundene Enzyme, die an der Biotransformation körperfremder Stoffe (z. B. Medikamente) beteiligt sind. Diese Enzyme (sog. CYPs) gehören der Cytochrom-P450-Klasse an und werden auch in einigen anderen Geweben außerhalb der Leber exprimiert. In der Leber haben CYPs eine Entgiftungsfunktion; sie können eine Vielzahl körperfremder Stoffe als Substrate erkennen. CYPs oxidieren meist ihre Substrate und fügen dadurch polare Gruppen in sie ein. Die entstehenden Stoffe sind besser wasserlöslich als die körperfremden Ausgangsstoffe und können daher von den Nieren besser ausgeschieden werden (= sind nierengängig).

Calcium-Speicher

Im Lumen des ER erreicht die Calcium²⁺-Konzentration millimolare Werte (ca. 10⁻³ M). Im Cytosol beträgt die Konzentration freier Calcium-Ionen in Ruhe dagegen nur etwa 100–150 nM (also etwa 10⁻⁷ M). Damit besteht über die Membran des ER ein Konzentrationsgradient von vier Größenordnungen. Sowohl die Aufnahme von Calcium in das ER als auch die Freisetzung von Calcium-Ionen aus dem ER unterliegt unter physiologischen Bedingungen einer feinen Regulation, die für die Aufrechterhaltung der Calcium-Homöostase außerordentlich wichtig ist.

Da Calcium-Ionen im Cytosol ein wichtiger „second messenger“ sind, spielt die regulierte Freisetzung von Calcium aus dem ER eine Schlüsselrolle für die intrazelluläre Signalgebung. Die Wirkungen einer durch Freisetzung aus dem ER erfolgten Erhöhung der intrazellulären Calciumkonzentration sind vielfältig:

• Enzyme werden aktiviert oder gehemmt,
• die Genexpression wird reguliert,
• in Neuronen wird die synaptische Plastizität beeinflusst,
• in der Muskulatur kontrahieren die Muskelfasern (Calcium-Ionen werden aus dem ER freigesetzt, das in Muskelzellen als sarkoplasmatisches Retikulum (SR) bezeichnet wird),
• Zellen des Immunsystems setzen Antikörper frei usw.

Calcium-Ionen verlassen das ER durch zwei Arten von Calciumkanälen: die IP₃-Rezeptoren und die Ryanodin-Rezeptoren. Die Abkürzung IP₃ steht für Inositoltrisphosphat, welches ebenfalls ein second messenger ist. IP₃ entsteht als Spaltprodukt des Phosphatidylinositol-4,5-bisphosphats unter Vermittlung der Phospholipase C, die ihrerseits durch bestimmte G-Proteine (Gq) aktiviert wird. Das geschieht, wenn ein mit diesem G-Protein gekoppelter metabotroper Rezeptor in der Plasmamembran angeregt wird. – Das so erzeugte IP₃ bindet an seinen spezifischen Rezeptor in der Membran des ER, woraufhin sich die Calcium-Konzentration im Zytoplasma durch den Ausstrom aus dem ER durch die Kanäle der IP₃-Rezeptoren erhöht. Als Teil dieser Signalkette (metabotroper Rezeptor – G-Protein – Phospholipase C – IP₃ – IP₃-Rezeptor – Calcium-Freisetzung) kann Calcium auch als tertiärer Bote angesehen werden.

Die Ryanodin-Rezeptoren sind Calcium-sensitive Calciumkanäle. Sie sind also einerseits permeabel für Calcium und werden andererseits durch Calcium-Ionen aktiviert. Das geschieht, wenn im Zytoplasma die Calciumkonzentration ansteigt. Calcium-Ionen binden an die Ryanodin-Rezeptoren, diese öffnen sich, und Calcium-Ionen strömen durch sie aus dem ER in das Cytosol. Diesen Prozess nennt man Calcium-induzierte Calciumfreisetzung (engl. CICR – calcium-induced calcium release). Am bekanntesten ist die Rolle von CICR bei der Kontraktion der Herzmuskelzellen.

In der Membran des ER befinden sich Calcium-ATPasen vom SERCA-Typ. SERCA steht für sarkoendoplasmatisches-Retikulum-ATPase. Diese Proteine transportieren Calcium-Ionen aus dem Zytoplasma in das ER zurück. Da hierbei der oben erwähnte steile Konzentrationsgradient überwunden werden muss, kann dieser Transportvorgang nur unter ATP-Verbrauch stattfinden. Dieser Transportvorgang gehört somit zu den primär aktiven Transportvorgängen.

Membranproduktion

Das glatte ER lässt seine eigene Membran wachsen und dirigiert Membranbestandteile über Transportvesikeln zu anderen Teilen des inneren Membransystems, also dem Golgi-Apparat, Endosomen, Lysosomen und auch der Plasmamembran. Auch die Phospholipide werden durch das glatte ER hergestellt, indem Enzyme der ER-Membran sie aus Vorläufermolekülen, die sich im Zytosol und in der ER-Membran befinden, zusammensetzen.

Transitorische Funktion Von einigen Abschnitten des glatten Endoplasmatischen Retikulums knospen sich Vesikel ab, die dann mit der cis-Seite des Golgi-Apparats fusionieren und so Proteine zur weiteren Bearbeitung (z. B. Anfügen von Zuckerseitenketten) überbringen. Dies ist ein Teil des so genannten „Sekretorischen Weges“, da ihn vor allem Proteine betreffen, die später von der Zelle durch Exocytose in den Extrazellulären Raum ausgeschieden werden.

Proteinbiosynthese

Proteine werden häufig von spezialisierten Zellen ausgeschieden (Sekretion). Diese Proteine werden von den Ribosomen produziert, die dem rauen ER anhaften. Eines dieser Proteine ist zum Beispiel das Insulin aus Zellen der Bauchspeicheldrüse.

Alle in membranengebundenen Ribosomen entstehenden Polypeptidketten werden zunächst in das Lumen des ER geschleust. Dies geschieht durch porenbildende Proteine (Kotranslation). Auch im Zytosol synthetisierte Proteine werden in das Lumen des ER befördert (Posttranslation). Im Lumen des ER werden die Polypeptidketten zurechtgeschnitten und gefaltet.

Die linearen Aminosäureketten werden nach der Translokation in das ER gefaltet, erhalten also ihre dreidimensionale Struktur. Dieser Prozess wird von anderen Proteinen im ER unterstützt (Chaperone) und kontrolliert. Fehlgefaltete Proteine werden umgehend retranslokiert, das heißt zurück ins Zytosol transportiert und dort durch das Proteasom degradiert. Das Cholera-Bakterium nutzt diesen Mechanismus, um sein Toxin über diesen Prozess in das Zytosol zu bringen, wo es aber der Degradation durch das Proteasom entkommt und seine toxische Wirkung entfalten kann.

Die meisten Sekretionsproteine sind Glycoproteine, welche kovalent gebundene Kohlenhydrate tragen. Diese Kohlenhydrate, es handelt sich um Oligosaccharide, werden im Lumen des ER durch die Enzyme des ER angeheftet. Die fertigen sekretorischen Proteine verbleiben im Lumen des ER und werden somit von Proteinen im Zytosol, welche von freien Ribosomen erstellt wurden, ferngehalten. Die sekretorischen Proteine werden in Form kleiner Membranbläschen abgeschnürt und verlassen so das Lumen des ER als Transportvesikel in Richtung Golgi-Apparat.

1999 erhielt Günter Blobel den Nobelpreis für Physiologie oder Medizin für seine 1975 gemachte Entdeckung, dass Proteine durch endogene Protein-Signale (Signalsequenzen) vom ER aus in verschiedene Zellkompartimente zielgerichtet weitergeleitet werden. Als Signalsequenz in diesem Sinne wird eine bestimmte N-terminale Peptidsequenz bezeichnet, die nach dem Transport durch die Membran des ER durch die Signalpeptidase abgespalten wird. Proteine, die für Ziele außerhalb des ERs bestimmt sind, werden anschließend in Transportvesikel verpackt und entlang des Zytoskeletts zu ihrem Bestimmungsort weitergeleitet.