Figure Diagram of pancreatic acinar cells.

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1 Figure Diagram of pancreatic acinar cells. An acinus is a spherical aggregate of about a dozen cells; the lumen of an acinus is connected to a ductule that merges with other ductules and eventually leads into a main pancreatic duct, which empties into the lumen of the small intestine (Figure 5-48). Acinar cells synthesize degradative enzymes and store them as inactive precursors (zymogens) in secretory vesicles, which cluster under the apical region of the plasma membrane adjacent to the ductule. The basolateral membrane covers the sides of an acinar cell below the apical (lumen-facing) surface and extends along the base of the cell; nutrients in the blood in the surrounding vessels are transported through this region of the plasma membrane into the cell. Note the tight junctions (orange) just below the apical region between adjacent cells; they prevent movement of substances between the central ductule and the blood. 61 Block 3 Funktionen des Zytoskeletts Zell-Zell-Kontakte und Zelladhäsion Extrazelluläre Matrix Interzelluläre Kommunikation 62 31

2 Funktionen des Zytoskeletts Mikrofilamente (Aktinfilamente) Mikrotubuli Intermediärfilamente 63 Mikrofilamente Aufbau und Struktur: aus Aktinmolekülen (im Menschen: 6 Isoformen: α1-α4 in Muskel, β- und γ-aktin in Nichtmuskelzellen) G-Aktin: globuläres Aktin: Monomer ca. 40 kd Zusammenlagerung, Polymerisation zu F-Aktin (Ionen-abhängig): filamentöses Aktin Aktingehalt in normalen Zellen: 1 5 % (0.5 mm), in Muskelzellen: 10% der Proteine ADP/ATP Mg nm 64 32

3 Polarität und Vernetzung der Aktinfilamente Minus-Ende Netzartige Verknüpfung Quervernetzende Proteine: Polymer: präferentiell in ADP-Form Filamin Aktinfilament Filamin Fascin Villin Spectrin α-actinin Dystrophin Faserartige Verknüpfung Monomer: präferentiell in ATP-Form Aktinfilament Fascin Plus-Ende 65 Funktionen der Mikrofilamente Stabilität der Zellen und Quervernetzung mit der Zytoplasma- Membran Zellbewegung: Ausbildung von Lamellipodien und Filopodien Übergeordnete Bewegungsvorgänge: Muskelkontraktion Stabilisierung von Zellausläufern (z.b. Mikrovilli im Dünndarm) Verbindung des Zytoskeletts mit der Extrazellulär-Matrix über Membranproteine 66 33

4 Das Zytoskelett von Erythrozyten Plasmamembran Glykophorin Bande 3-Protein Ankyrin Spectrin Tropomyosin Bande 4.1- Protein Spectrin Tropomodulin Adducin Spectrin kurzes Aktinfilament Das Zytoskelett vermittelt eine flexible Stabilität, die vor allem in den engen Kapillaren essentiell ist. Hauptprotein: Spektrin: ist über kurze Aktinfilamente und Ankyrin an integrale Membranproteine verknüpft. 67 Filamentstrukturen: Bündel und Netzwerke Mikrofilamente eines Thrombozyten (Blutplättchen): Rolle bei der Blutgerinnung: Stabilisierung des Thrombus über Quervernetzung des Zytoskeletts mit dem extrazellulären Blutgerinnsel Glykoprotein Gp1b-IX Fibrin-Gerinnsel Filamin Aktin 68 34

5 Dynamik der Mikrofilamente Keim Keim G-Aktin Keim Keimbildung F-Aktin Minus- Ende Gleichgewicht von Assoziation und Dissoziation Plus- Ende Das Wachstum der Filamente ist am Plus-Ende ca. 5 10x schneller als am Minus-Ende. Die Konzentration an monomerem Aktin im Fließgleichgewicht des Filaments nennt man auch kritische Konzentration (C c ) = Konzentration ab der eine spontane Polymerisation eintritt. Durch Capping (Blockieren des Minus oder des Plus-Endes) kann man die C c für beide Enden bestimmen (in vitro): Plus-Ende: C c = 0.1 µm Minus-Ende: C c = 0.8 µm Bei einer normalen Aktin-Konz. von 0.5 mm müsste eigentlich fast das gesamte Aktin polymerisiert sein, tatsächlich sind aber nur etwa 60% in Form von Filamenten vorhanden. In vivo wird die Polymerisation durch Kofaktoren reguliert: Thymosin β4 hemmt z.b. die Polymerisation, während Profilin sie fördert. 69 Dynamik der Mikrofilamente II Die Stabilität der Mikrofilamente wird auch durch Proteine beeinflusst, die zu einer Fragmentierung führen (Gelsolin oder Cofilin), bzw. durch Proteine, die mit den Enden assoziieren ( Capping ): Tropomodulin: blockiert die Minus-Enden CapZ: bindet an die Plus-Enden Der dynamische Auf- und Abbau von Aktin ist für verschiedene Bewegungsvorgänge in der Zelle verantwortlich, z.b. für die Ausstülpung von Membranfortsätzen. Polymerisation von Aktin in Gegenwart von Profilin induziert z.b. die Ausbildung des Leitsaumes (Lamellipodien) bei kriechenden Zellen und die Bildung von Filopodien (dünner Membranfortsätze). Filopodien 70 35

6 Motorproteine der Aktinfilamente: Myosine Myosine sind mechanochemische ATPasen, die die Energie von ATP in Konformationsänderungen (Bewegung) umwandeln. Sie haben 3 Domänen: Kopf: Aktin-Bindung, ATPase-Aktivität Hals: Bindung regulatorischer leichter Ketten Schwanz: spezifische Bindungsstellen, je nach Funktion. Myosin I und Myosin V sind an der Interaktion zwischen Aktinfilamenten und Membranen beteiligt (Plasmamembran oder Membranvesikel) und haben Funktionen bei der Zellbewegung und beim vesikulären Transport. Myosin II ist verantwortlich für die Muskelkontraktion und die Teilung von Zellen (Cytokinese) 71 Aktinfilamente in quergestreiften Muskeln vielkernige Muskel-Zellen Myofibrillen innerhalb einer Zelle Aufbau einer Myofibrille A-Bande Aktin-Filamente CapZ: Stabilisierung der Plus-Enden Schwanz- Domänen Myosin II - Oligomere Tropomodulin:Stabilisierung der Minus-Enden 72 36

7 Aktinfilamente in glatten Muskeln Einkernige Zellen enthalten unregelmäßig angeordnete Aktin-Myosin- Filamente, die über Proteinkomplexe (dense bodies) innerhalb der Zelle und Adäsionsstellen an der Zellmembran (adhesion plaques) verankert sind. Die Myosin-Aktin-vermittelt Kontraktion führt über diese Verankerungen zur Kraftübertragung. Glatte Muskel können weniger Maximalkraft übertragen, sind aber ausdauernder und können Spannungszustände über längere Zeit aufrechterhalten (bessere Energieversorgung) 73 Funktionen von Aktin in Nichtmuskelzellen Zellbewegung Aktin und Myosin II bilden Bündel, die der Zelladhäsion dienen (z.b. in den Gürteldesmosomen der Epithelzellen) Stressfasern sind kontraktile Filamente, die über Adhäsionsstellen (adhesion plaques) mit der Zelloberfläche verknüpft sind Aktin und Myosin II sind essentiell bei der physischen Trennung der Tochterzellen im Verlauf der Zellteilung (Zytokinese) Transport von Vesikel entlang von Aktin-Filamenten (Myosin I und V) 74 37

8 Zellbewegung Myosin II-Band Aktin-Front (enthält auch MyosinI) 75 Verschiedene Signalwege beeinflussen das Aktin-System 76 38

9 Objectives: Mikrofilamente Erklären Sie Struktur und Funktionen der Aktinfilamente Wie vermitteln Aktinfilamente Stabilität für die Zellen? Erklären Sie die Dynamik der Mikrofilamente Beschreiben Sie Mikrofilament-bindende Motorproteine Erklären Sie kurz die Rolle der Aktinfilamente bei der Muskelkontraktion Nennen Sie Funktionen von Aktin in Nicht-Muskelzellen 77 Mikrotubuli und deren Funktionen Mikrotubuli bestehen aus α-tubulin und β-tubulin-einheiten (je ca. 55 kd), die sehr stabile Heterodimere bilden. An α-tubulin ist irreversibel GTP gebunden, an β-tubulin reversibel GDP oder GTP α-tubulin β-tubulin 8 nm Protofilament 24 nm Lineare Aneinanderreihung der Dimere führt zur Ausbildung von Protofilamenten, die sich wieder zu Singulet-, Doublet- oder Triplet-Mikrotubuli anordnen können 78 39

10 Das Mikrotubuli-Organisationszentrum Das Wachstum von Mikrotubuli beginnt am Mikrotubuli-Organisationszentrum (MTOC, microtubuli organizing center, auch Centrosom), einer Struktur etwa in der Mitte der Zelle, in der γ-tubulin konzentriert ist und in der in tierischen Zellen oft ein Centriolen-Paar (aus zwei kurzen Triplett-Mikrotubuli) sitzt. Ringkomplexe aus γ-tubulin wirken als Keim für die weitere Tubulin- Polymerisation. Mikrotubuli wachsen von dort in Richtung der Zellperipherie. Ihr wachsendes Ende wird als Plus-Ende bezeichnet, die dem Centrosom zugewandte Seite Minus-Ende Centriolen 79 Dynamik der Mikrotubuli Auf- und Abbau von Mikrotubuli erfolgt hauptsächlich am Plus-Ende. Wie bei den Aktin-Filamenten kommt es ab einer kritischen Konzentration an Monomeren zur Polymerisation. Bildung von Protofilamenten Zusammenlagerung zu Tubuli Verlängerung der Tubuli 80 40

11 Die dynamische Instabilität der Mikrotubuli Die Stabilität der Mikrotubuli hängt von der lokalen Konzentration an GTP- Tubulin ab. Dies führt oft zu einem alternierendem Auf- und Abbau. GDP-Tubulin GTP-Tubulin Mikrotubulus hohe Konzentration an GTP-Tubulin niedrige Konzentration an freiem GTP-Tubulin Dissoziation stabil instabil 81 Mikrotubuli-assoziierte Proteine (MAP s) Mikrotubuli-assoziierte Proteine vernetzen Mikrotubuli miteinander und mit anderen zellulären Strukturen. Sie haben einerseits eine Mikrotubuli-bindende Domäne und andererseits eine zweite funktionelle Domäne mit der sie entweder Intermediärfilamente, Zellmembranen oder andere Mikrotubuli binden können. Die Bindung von MAP s an Mikrotubuli stabilisiert diese über Hemmung der Tubulin-Dissoziation

12 Mikrotubuli-Motorproteine: Kinesine und Dyneine Kinesine sind Motorproteine, die über ATP-Hydrolyse in Richtung des Plus- Endes wandern (und transportieren). superspiralisierte Halsregion mit Bindungsstelle für das Transportgut (e.g. Vesikel) Kopfregion mit ATPase Aktivität Bindung an Mikrotubuli Dyneine sind Motorproteine, die zum Minus-Ende wandern. Sie können alleine aber keine Substanzen transportieren - dafür müssen sie einen Komplex mit anderen Mikrotubuli-bindenden Proteinen bilden. 83 Spezielle Mikrotubuli-Strukturen: Cilien und Geißeln Bewegungen von Geißeln entstehen durch Gleitprozesse der äußeren Dublett-Mikrotubuli, die von Dynein-Molekülen initiiert werden 84 42

13 Funktionen der Mikrotubuli Vermittlung von Stabilität ( intrazelluläres Skelett ) Funktion als Schienen für den gerichteten Transport von intrazellulären Vesikeln oder Proteinen Vermittlung dynamischer Änderungen der Zellform unter Aufrechterhaltung der Stabilität Verankerung für Kraftübertragungen Zellteilung: Mitotischer Spindelapparat zur Trennung der Chromosomen 85 Intermediärfilamente...sind sehr stabile Filamente, die im Durchmesser zwischen Mikrotubuli und Mikrofilamenten liegen (d = 10 nm). Sie bestehen aus helikalen Untereinheiten, die sich zu Filamenten zusammenlagern. Im Gegensatz zu Aktin und Tubulin binden sie keine ATP- oder GTP-Nukleotide und es sind auch keine Motorproteine für sie bekannt. Ihre primäre Aufgabe dürfte in den meisten Fällen eine Stützfunktion sein. Intermediärfilament-Proteine sind z.b. die Keratine (in Keratinozyten der Haut und auch in verschiedenen Epithelien), Lamine (A, B und C), die das Filament-Netzwerk an der Innenseite der Kernmembran bilden, Vimentine, die Stützfilamente bilden, sowie Neurofilamente, die die langen Axone der Neuronen stabilisieren

14 Genereller Aufbau der Intermediärfilamente 87 Interaktionen zwischen Intermediär-Filamenten und Mikrotubuli Verankerung der Intermediär-Filamente an Desmosomen und Hemidesmosomen Plektin (gelb) vernetzt Intermediärfilamente (blau) und Mikrotubuli (rot)

15 Objectives: Mikrotubuli + Intermediärfilamente Beschreiben Sie Aufbau und Funktionen von Mikrotubuli Beschreiben Sie die Dynamik der Mikrotubuli (dynamische Instabilität) und warum diese wichtig ist Beschreiben Sie Mikrotubuli-Motorproteine und deren Funktionen Was sind Mikrotubuli-assoziierte Proteine? Nennen Sie Beispiele für Intermediärfilamente Beschreiben Sie die Rolle von Intermediärfilamenten 89 Zell-Zellkontakte und Zelladhäsion 1. dichte Zellverbindungen ( tight junctions, zonula occludens) 2. Adhäsionsgürtel (zonula adhaerens, Gürtel- Desmosomen) 3. Punkt-Desmosomen (Knopf-Desmosomen) 4. offene Zellverbindungen ( gap junctions ) 5. temporäre Zellkontakte (z.b. von Leukozyten am Endothel) 6. Adhäsion von Zellen an die Extrazellulärmatrix 90 45

16 Zellkontakte polarisierter Zellen Mikrovilli apikale Oberfläche zonula occludens zonula adhaerens tight junctions (dichte Verbindungen) Adhäsionsgürtel Punktdesmosom gap-junction (offene Verbindung) Intermediärfilament laterale Oberfläche Hemidesmosom basale Oberfläche Basallamina 91 Schematische Darstellung der Zellkontakte und allgemeine Funktionen Tight Junctions (zonula occludens) Gürtel-Desmosom (zonula adhaerens, Adhäsionsgürtel) Knopf-Desmosom mit Keratinfilamenten (macula adhaerens) Gap Junction Zellkontakte müssen vor allem bei polarisierten Zellen verschiedenste Aufgaben erfüllen: 1. Es muss eine dichte Abgrenzung erreicht werden zwischen dem apikalen und dem basolateralen Extrazellulärraum 2. Die Polarität muss aufrecht erhalten werden 3. Der Zell-Layer muss mechanisch stabilisiert werden 4. Die interzelluläre Kommunikation muss ermöglicht werden 92 46

17 Pankreas-Azinuszellen als Beispiel polarisierter Zellen zentrales Kanälchen apikale Membran sektretorische Vesikel tight junctions basolaterale Membran Azinuszelle: synthetisiert Verdauungsenzyme, die sich in sekretor. Vesikeln anreichern 93 Struktur und Aufbau von Tight Junctions I web.mit.edu (Lectures) 94 47

18 Struktur und Aufbau von Tight Junctions II web.mit.edu (Lectures) 95 Molekulare Struktur und Aufgaben der Tight Junctions Tight Junctions werden von Membranprotein-Komplexen gebildet (Occludin und Claudin), die benachbarte Zellen direkt miteinander verbinden Dadurch entsteht ein undurchlässiger Verschluss, der den Transport zwischen den Zellen hindurch (parazellulären Transport) verhindert. Occludin und Claudin Membranproteine und Lipide werden an dieser Barriere ebenfalls aufgehalten und können nicht zum anderen Zellpol diffundieren Dadurch wird die funktionelle und strukturelle Polarität aufrechterhalten 96 48

19 Gap Junctions (Verbindungskanäle)... sind Verbindungsporen zwischen den Zellen, die aus Proteinkomplexen bestehen. Moleküle bis zu einem Durchmesser von 1.2 nm (etwa 2 kd) können durch diese Poren in Nachbarzellen diffundieren. Dazu zählen Ionen, Botenstoffe (second messenger wie Ca 2+ oder camp), sowie Metabolite. 97 Struktur der Gap Junctions : ca. 2 3 nm Gap Junctions werden von Kanälen aus Transmembranproteinen (Connexin- Proteinen) gebildet, die als Hexamer eine Pore durch die Membran bilden (Connexon) zwei dieser Connexone benachbarter Zellen bilden einen Kanal zwischen den Zellen (aus insgesamt 12 Connexinen). Bisher wurden 12 Gene der Connexinfamilie identifiziert. Hetero- Oligomere aus verschiedenen Vertretern können unterschiedliche Transporteigenschaften haben

20 Funktionen der Gap Junctions Stoffwechselkopplung (Metabolit-Transfer): z.b. von Nukleotiden Interzelluläre Kommunikation über Botenstoffe: camp, Ca 2+ etc: die Freisetzung dieses Second Messenger in einer Zelle führt zur Stimulierung der Nachbarzellen: z.b. Erhöhung der Ca 2+ -Konzentration in Muskelzellen führt zur Stimulierung von Nachbarzellen und zur Synchronisation der Kontraktion. elektrische Kopplung der Neuronen (elektrische Synapsen: Übertragungsgeschwindigkeit: wenige µsec; im Gegensatz dazu: chemischen Synapsen über Neurotransmitter: etwa 0.5 msec) Modulierbarkeit der Funktion: Die Öffnung und Durchlässigkeit der Gap Junctions kann durch die Calcium-Konzentration in der Zelle beeinfusst werden. 99 Beeinflussung der Gap Junctions durch die Ca 2+ -Konzentration Außerhalb der Zellen ist eine relativ hohe Calcium-Konzentration (1 2 mm), in den Zellen ist sie unter 1 µm. Bei Verletzungen eines Epithels und Einfließen extrazellulären Calciums schließen sich die Gap Junctions, um Nachbarzellen abzuschotten. In ähnlicher Weise können Änderungen der intrazellulären Calcium- Konzentration auch im physiologischen Bereich, die Durchlässigkeit der Kanäle modulieren. Ca 2+ Modell der Ca 2+ -abhängigen Konformationsänderung der Gap Junctions

21 Funktion der Gap Junctions in elektrischen Synapsen elektrische Kopplung verbundener Neuronen 101 Zelladhäsionsmoleküle - allgemein (Cell Adhesion Molecules, CAM s)

22 Adhäsionsgürtel... sind Bereiche der lateralen Zellmembran (meist knapp unterhalb der tight junctions), wo die Zellen über ein Band quervernetzter Proteine (Cadherine) stabilisiert werden. Über Adapterproteine (Catenine, Vinculine) sind diese Bänder mit dem Aktin-Filamentnetzwerk verknüpft. Cadherine Adapterproteine (α- und β-catenin) 103 Desmosomen... sind Haftstellen benachbarter Zellen (15 20 nm dick), wo Transmembran- Proteine der Cadherin-Familie (Desmoglein und Desmocollin) mit knopfförmigen Proteinkomplexen aus Plakoglobin (dem β-catenin verwandt) verknüpft sind. Diese wiederum sind mit den Intermediärfilamenten (Keratinfilamenten) verbunden und bilden funktionell ein suprazelluläres Netzwerk. Schema eines Knopf-Desmosoms: Zellmembranen benachbarter Zellen Keratinfilamente Cadherine (Desmoglein) cytoplasmatisches Plaque (Plakoglobin)

23 Elektronenmikroskopie von Desmosomem Detailbild des Desmosoms mit den Intermediärfilamenten zahlreiche Desmosomen im stratum spinosum der Epidermis zur Stabilierung der äußersten Hautschicht. from: Mol. Biol. of the Cell, 1995 web.mit.edu (Lectures) 105 Spezifische, temporäre Zell-Zellkontakte In einigen Fällen treten temporäre Zellkontakte auf, wie z.b. bei der Bindung der Transmigration von Leukozyten durch das Endothel (beim Übertritt vom Blut ins Gewebe):

24 Hemi-Desmosomen Halb-Desmosomen, an denen die Intermediärfilamente der Zellen nicht mit Nachbarzellen, sondern mit einer Basalschicht (der Basal-Lamina) verknüpft sind. 107 Integrine... sind dimere Transmembran- Proteine, die aus α- und β- Ketten bestehen. Es gibt etwa 17 verschiedene α-ketten und 8 unterschiedliche β-ketten und 22 bekannte Kombinationen von Heterodimeren. Diese erkennen unterschiedliche extrazelluläre Liganden (wie etwa Kollagene, Laminine, Fibronectine sowie spezifische Adhäsionsmoleküle wie etwa ICAM-1 oder VCAM-1). Integrine und ihre Liganden zeigen eher eine schwache Wechselwirkung (K D ca ), wodurch eine gute Feinregulation (über die Zahl der Bindungsstellen) und Flexibilität ermöglicht wird

25 Integrine vermitteln den Kontakt von Zellen mit der Extrazellulärmatrix Fokalkontakte: Stellen an denen Aktinfilamente über Integrine mit extrazellulärem Fibronektin verknüpft sind. Hemidesmosomen: Stellen an denen Intermediärfilamente aus Keratinen über Integrine (α 6 β 4 )mit Laminin in der Basallamina verknüpft sind. β1: nur an best. Matrizen β2: an nicht adhärenten Zellen (Leukozyten β3 und β5: binden an viele Matrizen 109 Fokalkontakte am Ende von Stressfasern

26 Objectives: Zell-Zell Kontakte und Zelladhäsion Nennen Sie Beispiele für Zell-Zell-Kontakte Beschreiben Sie Struktur, Aufbau und Funktionen von tight junctions Beschreiben Sie Struktur, Aufbau und Funktionen von gap junctions Wie kann die Durchlässigkeit von gap junctions reguliert werden? Beschreiben Sie den Aufbau von Adhäsionsgürteln Was sind Desmosomen? Beschreiben Sie den temporären Zellkontakt bei der Transmigration von Leukozyten Nennen Sie einige Zelladhäsionsmoleküle Beschreiben Sie Struktur, Aufbau und Funktionen von Integrinen 111 Extrazelluläre Matrix Im Gewebe sind viele Struktur- und Stützkomponenten außerhalb der Zellen; diese Strukturkomponenten sind einerseits multimere, faserartige Protein- Verbindungen (wie etwa Kollagen), oder auch Proteoglykane mit hohem Glykan-Anteil. Kollagene: 16 verschiedene Typen; Typ I, II und III bilden lange Fibrillen, Typ IV bildet Netzstrukturen; Kollagene werden hauptsächlich von Fibroblasten (Bindegewebszellen) gebildet, aber auch von bestimmten Epithelzellen

27 Struktur des Kollagens 1.5 nm OH OH Gal Glc OH OH Triplehelix (300 nm lang) aus α-ketten Quervernetzte Triplehelices (um je 67 nm versetzt) Jede α-kette besteht aus 1050 Aminosäuren mit hohem Anteil an Glycin, Prolin und Hydroxyprolin. 113 Synthese, Sekretion und Zusammenbau des Kollagens Synthese und Glykosylierung im ER als Prokollagen mit endständigen Propeptiden Fibrillenbildung erst außerhalb der Zelle nach Abspaltung der Propeptide Quervernetzung

28 Animierte Darstellung der Kollagensynthese 115 Collagen-Typen FIBRILLÄR I fibrillär Knochen, Haut, Sehnen, Hornhaut, versch. Organe (90% des Körpercollagens) II fibrillär Knorpel, Bandscheiben, Glaskörper des Auges III fibrillär Haut, Blutgefäße, versch. Organe V fibril. (mit type I) Wie bei Typ I XI fibril. (mit type II) Wie bei Typ I FIBRILLEN- ASSOZIIERT IX mittypii Fibrillen laterale Assoziation Knorpel XII mit einigen Typ I Fibrillen laterale Assoziation Sehnen, einige andere Gewebe VERNETZT IV Netzwerk Basallamina VII Fibrillen zur Verankerung unter verhornten Epithelien

29 Fibronectine... lösliche Multiadhäsionsproteine in der extrazellulären Matrix, die an Integrine binden und der Anheftung von Zellen an Kollagenfibrillen (Typ I, II, III und V), sowie Fibrin (Bestandteil der Blutgerinnsel) dienen. Fibronectine sind Dimere; jede Kette besteht aus etwa 2500 Aminosäuren. Durch alternatives Spleißen existieren viele Variationen. Fibronectine haben auch eine wichtige Funktion bei der Wanderung und Differenzierung von Zellen. Integrin-bindende RGD-Schleife Proteoglykane... sind stark glykosylierte Proteine mit einem Polypeptide-Kern, der von zahlreichen Glykanen umgeben ist. Die Zuckerreste sind hauptsächlich Glykosaminoglykane (GAG s) und Uronsäuren, häufig mit Sulfatresten. Dadurch entsteht eine stark negative Ladung und Hydrophilität. Proteoglykane sind sowohl an Zelloberflächen (z.b. Syndecan), als auch in der Extrazellulären Matrix, wo sie z.b. Bestandteil der Knorpelmasse sind (als Aggrecan)

30 Proteoglykane in der extrazellulären Matrix In Knorpeln oder ähnlichen Strukturen sind Proteoglykan- Monomere (aus dem Polypeptidkern und vielen Oligosaccharidketten) über Hyaluronsäure (einem langen Oligosaccharid aus Glucuronsäure und N-Acetylglykosaminresten) miteinander vernetzt. Proteoglykan-Monomer Hyaluoronsäure n bis zu Proteoglykane an der Zelloberfläche Bei Zelloberflächen- Proteoglykanen weist der Polypeptid-Kern eine Transmembranregion auf, sowie eine zytosolische Domäne, die meist mit dem Zytoskelett (Aktinfilamenten) oder Signalmolekülen wie PKC interagieren kann. Der stark glykosylierte Extrazellulärteil bindet meist an Komponenten der extrazellulären Matrix

31 Proteoglykane als Bindungsstellen von Wachstumsfaktoren Proteoglykane (extrazelluläre oder membranständige) können auch meist Wachstumsfaktoren (wie etwa FGF, fibroblast growth factor, oder TGFβ, transforming growth factor-β) binden. Bei manchen Faktoren ist diese Bindung nötig, damit der Faktor auf dem korrespondierenden Rezeptor ein Signal induzieren kann ( Präsentation des Wachstumsfaktors ). Außerdem stellen die gebundenen Faktoren einen Vorrat an Wachstumsfaktoren dar, weil sie in der gebunden Form nicht so rasch abgebaut werden. 121 Die Basallamina... etwa nm dickes Netzwerk aus Kollagen Typ IV, das über Laminin (einem kreuzförmigen trimeren Proteinkomplex mit 820 kda), sowie Entactin und dem Proteoglykan Perlecan quervernetzt ist. Laminin bindet auch an sulfatierte Lipide, und gemeinsam mit Typ IV-Kollagen an Integrine in der Zytoplasmamembran. Die Basallamina hat wichtige Stützund Regulatorfunktionen. Zelllayer Basallamina Bindegewebe Laminin Entactin Perlecan Typ IV- Kollagen

32 Die Struktur des Laminins als vernetzendes Molekül der Basallamina 123 Objectives: Extrazellulärmatrix Was versteht man unter Extrazellulärmatrix? Beschreiben Sie Synthese und Aufbau von Kollagenfasern Wo kommt Collagen im Körper vor? Was sind Fibronectine? Beschreiben Sie Struktur und Eigenschaften und Funktionen von Proteoglykanen Beschreiben Sie Zusammensetzung und Aufbau der Basallamina

33 Interzelluläre Kommunikation Kommunikation über Zellverbindungen z.b. in Epithelien Kommunikation über Adhäsionsmoleküle: z.b. Bindung von Leukozyten an das Endothel und Transmigration Kommunikation über Rezeptoren z.b. Immunologische Synapse Zell-Zell Interaktionen bei Entwicklungsvorgängen Kommunikation über Membranpotential-Änderungen oder chemische Transmitter: Nervenreizleitung 125 Kommunikation über Zellverbindungen: Ausbildung von Adhäsionsgürteln Gegenseitige Berührung von Zellen im Verlauf von Proliferation und Wachstum induziert bestimmte Signalwege, die zum Abschalten des Zellzyklus führen, sowie zur Ausbildung spezifischer Zellverbindungen und bei bestimmten Zellen zur Polarisierung in apikale und basolaterale Bereiche Video: adhesion junction

34 Kommunikation über Zellverbindungen (Gap Junctions) Sekundäre Botenstoffe (second messenger) wie Ca 2+ oder camp können über offene Zellverbindungen in Nachbarzellen diffundieren und dort das zelluläre Signal weiterleiten. Allerdings wird das Signal durch die Verdünnung abgeschwächt und wirkt deshalb oft nur in einem begrenzten Areal. Video: Calcium-Signalübertragung 127 Komunikation über Adhäsionsmoleküle Beispiel: Leukozytenbindung und Transmigration P-Selectinauf der Endothelzell- Membran, das durch die Aktivierung der Endothelzellen (EC) exprimiert wurde, bindet an Glykane an der Oberfläche von Leukozyten und es kommt zur losen Assoziation ( leukocyte rolling ), die Bindung wird durch PAF (platelet activating factor auf EC) und PAF- Rezeptor (auf den Leukozyten) verstärkt und durch Interaktion von Integrinen der Leukozyten mit ICAM-1 auf den EC kommt es zur festen Bindung, sowie zur Transmigration Video: leukocyte rolling Video: lymphocyte homing

35 Kommunikation durch Chemotaxis Bakterielle Moleküle (wie z.b. bestimmte Peptide: formyl-met-leu-phe) wirken als chemische Lockstoffe für Leukozyten, binden an spezifische Rezeptoren und induzieren eine gerichtete Zellbewegung (über Lamellipodien und Aktinfilamente) in Richtung des chemischen Gradienten. Pipette mit Chemoattractant neutrophiler Granulozyt Bakterien neutrophiler Granulozyt Videos: neutrophil chemotaxis 1 and Kommunikation über Rezeptoren Beispiel: Immunologische Synapse Bei der Immunantwort kommt es zur spezifischen Kommunikation zwischen Antigen-präsentierenden Zellen (z.b. dendritischen Zellen) und Lymphozyten (z.b. T-Zellen). Dabei wird das Antigen über den MHC-Komplex präsentiert und vom T-Zellrezeptor erkannt, wobei andere Membranproteine wesentliche akzessorische Rollen spielen. Der T-Zellklon, dessen Rezeptor das Antigen erkennt wird aktiviert und zur klonalen Expansion stimuliert. DC-SIGN ICAM-3 dendritische Zelle T-Zelle ICAM-1 MHC CD83/CD86 LFA-1 LFA-1 TCR CD28 CD

36 Struktur des MHC / TCR-Komplexes rot: TCR β-chain gelb: TCR α-chain dunkelblau: MHC α-chain hellblau: β2-mikroglobulin 131 Zelluläre Interaktion bei Entwicklungsvorgängen Reziproke Induktionsvorgänge: Dialog zwischen Zellen: Zellen reagieren auf Signale eines anderen Zelltyps mit einer Änderung ihres zellulären Programms und senden ihrerseits Signale aus, die die ursprünglich signalisierenden Zellen empfangen und ebenfalls darauf reagieren. Beispiel: Embryonalentwickung der Niere: Interaktion zwischen Mesenchym und Epithel induziert die Verzweigung des Epithels, durch reziproke Induktion bewirkt dies die Bildung eines Epithels im Mesenchym, aus dem die Nierentubuli entstehen

37 Einfluss der Basallamina auf zelluläre Interaktionen Am Beispiel der Speicheldrüse: Die Basallamina ist für die korrekte Interaktion zwischen Epithelzellen und Mesenchym und für die Differenzierung der Speicheldrüse essentiell Kultivierung der Zellen zur Regeneration der Basallamina sofortige Zugabe von Mesenchymzellen 133 Elektrische Signalübertragung bei der Nervenreizleitung Ein Nervenimpuls (Aktionspotential) entsteht durch eine kurze Depolarisation der Zellmembran, gefolgt von einer Repolarisation auf das Ruhepotential. Das Signal bewegt sich mit etwa 100 m/sec am Axon entlang. An dessen Ende induziert es an der Verbindung zum nächsten Neuron (der Synapse) entweder die Freisetzung von Neurotransmittern oder die Weiterleitung des elektrischen Signals über gap junctions

38 Arten von Neuronen-Ionenkanälen a) ruhende K + -Kanäle erzeugen das Ruhepotential, b) Spannungsgesteuerte Na + -Kanäle leiten das Aktionspotential weiter, c) Neurotransmitter-gesteuerte Kanäle öffnen nach Bindung des Transmitters, d) G-Protein gesteuerte Kanäle öffnen nach Aktivierung durch trimere G-Proteine, die ihrerseits von Neurotransmitter-Rezeptoren aktiviert werden. 135 Elektrische Synapsen Übertragung des elektrischen Impulses von einem Axon zum nächsten Neuron über gap junctions

39 Chemische Synapsen: Übertragung durch Neurotransmitter Neurotransmitter sind in sekretorischen Granula gespeichert, die von der Depolarisation zur Fusion mit der Zytoplasma-Membran angeregt werden. Der freigesetzte Neurotransmitter diffundiert durch den synaptischen Spalt zur Zielzelle und induziert dort ein Aktionspotential (oder ein anderes Signal) 137 Die wichtigsten Neurotransmitter

40 Übertragung der Signale von Motorneuronen auf Muskelzellen die Ankunft eines Aktionspotentials am Ende eines Motorneurons induziert die Öffnung von Calcium-Kanälen (1) und dadurch die Sekretion von Acetylcholin. Der freigesetzte Transmitter induziert die Öffnung von Acetylcholin-gesteuerten Na + -Kanälen (2) und die resultierende lokale Depolarisation induziert das Öffnen spannungsgesteuerter Na + -Kanäle (3). Durch die nun verstärkte Depolarisation öffnen sich spannungsgesteuerte Ca 2+ -Kanäle des ER, es kommt zur Freisetzung von Calcium aus dem ER und zur Muskelkontraktion (durch Verschiebung des Tropomyosins und Freigabe der Aktin-Myosin-Bindungsstellen) 139 Objectives: Interzelluläre Kommunikation Nennen Sie Beispiele für interzelluläre Kommunikation Welche sekundären Botenstoffe können direkt in Nachbarzellen diffundieren und über welche Kanäle passiert das? Beschreiben Sie die interzelluläre Kommunikation bei der Leukozyten-Transmigration Was ist Chemotaxis? Was verstehen Sie unter einer immunologischen Synapse? Inwiefern ist interzelluläre Kommunikation bei Entwicklungsvorgängen wichtig? Beschreiben Sie elektrische und chemische Synapsen. Nennen Sie die wichtigsten Neurotransmitter