Zelladhäsion und extracelluläre Matrix

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1 Extra Anforderung Grundanforderung Zelladhäsion und extracelluläre Matrix Die Zelle beendet sich an die Zellmembran nicht. Sie bindet an anderen Zellen und an die extrazellulärer Matrix durch integralen Membranproteinen (Zelladhesionsmolekülen, CAM) und schliesst sich zu verschiedenen Geweben zusammen. CAMs werden durch Adaptorproteine an das Zytosklett (Aktin-Netzwerk oder Intermediärfilamente) gebunden. Die Zellen tierischer Gewebe stehen mit einem komplexen Netzwerk sezernierter Proteine und Kohlenhydrate in Verbindung, das als extrazellulärer Matrix (EZM) den Raum zwischen den Zellen füllt. Die Matrix trägt zum Zusammenhalt der Zellen innerhalb der Gewebe bei, dient als Reservoir für Hormone. EZM enthält drei wesentliche Proteinkomponenten: I. strukturelle Proteine: Kollagenfasern, Elastinmoleküle II. Protein-Polysaccharid-Komplexe: Proteoglykane (die die Strukturproteine einbetten) III. Multiadhesionsmatrixproteine: mit den ECM verbindende Glykoproteine (Fibronectin und Laminin) I. STRUKTURELLE PROTEINE KOLLAGENE Kollagen: Die Kollagene sind die häufigste Proteine der EZM ( 30% der gesamten Proteine in Wirbeltieren). Kollagenmoleküle werden durch Fibroblastzellen sekretiert. Sie sind für die Zerreißfestigkeit der EZM verantwortlich. Die Kollagene sind wichtige Komponenten der Sahne und Ligamenten. Die Kollagenmoleküle werden in dem Lumen von Endoplasmatischen Retikulum nach der Translation gebildet; drei Prokollagen Molekülen werden sich zusammengebildet (Trippel Helix). Nach der Sekretion der Kollagenmolekülen, Prokollagen Peptidase Enzymen spalten die Kollagenende, gebildend Kollagene. Andere Enzymen vernetzen die Kollagene so Kollagenfasern gebildend. Kollagene werden in 3 Familie nach ihren Vorkommen klassifiziert: 1. im Haut, Knochen, Sehnen, 2. in Knorpelgewebe, 3. Retikulärkollagen (in Basallamina der Kapillären) Alle Kollagentypen enthalten wiederholte Gly-Pro-X-Sequenzen und bilden eine Trippelhelixstruktur aus. Wasserstoffbrücken halten die drei Ketten zusammen. Die verschiedenen Kollagene unterscheiden sich durch die Fähigkeit ihrer helikalen und nichthelikalen Bereiche, sich zu Fibrillen zusammenzulagern oder Schichten auszubilden. Der grösste Teil des Kollagens des Körpers ist fibrillär und besteht aus Typ-I Molekülen. Ein aus Typ-IV zusammengesetztes, 2D-Netzwerk findet sich ausschliesslich in der Basallamina. In der Kollagen sind viel Glycin, Hydroxilin und Hydroxiprolin Aminosäuer vorhanden, zur Bildung dieser Aminosäuer C-Vitamin auch ermöglicht (Vitamin C ein Kofaktor der Prolil Hydroxlase und Lysil Hydroxylase Enzymen ist). Bei Vitaminmangel wird die Kollagensynthese vermindert und es führt zur Skorbutkrankheit (Sympthomen sind: Anäemie, Zahnfleischblutung, Müdigkeit). Mutationen im Kollagenbildung verursahen Ehlers-Danlos Syndrom, es wird nach autosomal dominant vererbt. Syndromen sind: hyperelastischer Haut, Ligamentumverkürzerung, Aneurisma der Aorta.

2 Fibrilläre) Kollagene: Diese Kollagene (Typ I, II, III, V) packen sich zu langen dünnen Fibrillen zusammen. 80%-90% des im Körper enthaltenen Kollagens setzt sich aus diesen Typen zusammen. Die Fibrillen bilden ein 3D-Netzwerk. Die Grundstruktureinheit des Kollagens bestehet aus einem dreisträngigen Helixmolekül. Jedes dreisträngige Helixmolekül ist 300 nm lang. In den Fibrillen sind diese Helixe dicht nebeneinander verpack und um 67 nm versetzt. Die dichte Packung wird durch kovalente Bindungen stabilisiert. Die Kollagenfibrilllen werden zu Kollagenfasern verpackt, die wegen der periodischen Anordnung der Tripelhelixe auf elektromikroskopischen Aufnahmen quergestreift erscheinen. Synthese von Kollagenfibrillen: Das Prokollagenpolypeptid wird im rauen endoplasmatischen Reticulum synthetisiert. Im ER-Lumen werden die Prokollagenketten modifiziert. Zuerst wird Prokollagen glykolisiert, dass heisst, dass Galaktose und Glucosemoleküle, Olygosaccharide werden kovalent an Prokollagen angebunden. Zusätzlich werden bestimmte Prolin- und Lysinreste der Prokollagene durch membranständige Hydroxylasen hydroxyliert. VitaminC ist ein essentieller Kofaktor von der beiden Prolyl- Hydroxylasen des Menschen. Bei einem Mangel an Vitamin C werden die Prokollagene unzureichend hydroxyliert, es bilden sich keine stabile Tripelhelixe, es entstehen keine normale Kollagenfasern, es entsteht als ein Skorbut bezeichnetes Krankheitsbild. Nach der Hydroxylierung werden intermolekulare Disulfidbrükken zwischen den C-terminalen Propeptiden der Prokollagenketten ausgebildet. Danach bildet sich der Trippelhelix nach Reissverschussverfahren aus den drei Prokollagenketten aus. Dieses Trippelhelix wird in den extrazellulären Raum sezerniert. Während oder nach der Exozytose werden die N- und C- terminalen Propeptide durch extrazelluläre Prokollagen-Peptidasen abgespaltet, es entsteht Tropokollagen. Der Aufbau der Fibrillen aus Tropokollagen ist durch Lysyl-oxidase katalysiert, es entstehen kovalente Querbrücken zwischen dentropokollagen-helixen. Elastische Fasern: Man findet sie Hauptsächlich in elastischen Geweben der Haut, Adern, Lunge. Die elastischen Fasern bestehen grösstenteils aus kovalent quergebundenen Elastinmolekülen. Ein weiteres Komponent der elastischen Fasern ist Glykoprotein Fibrillin. Es bedeckt das Elastin-Core und ist essentiell für die Integrität der elastischen Fasern. Mutationen im Fibrillin-Gen verursachen Marfan-Syndrom. II. Protein-Polysacharid-Komplexe zur Einbettung der strukturellen Proteinen GLUKOZAMINOGLIKÁNOK (GAG) Glykosaminoglykane (GAG): Polysaccharidketten, lange, unverzweigte Polymere variabler Zahl bestimmter Disaccharide. Mindestens eine der Zuckerreste enthält eine Sulfatgruppe. Daher sind GAGs negativ geladen, so sehr viel Wasser binden können, als ein Schwamm. GAGs sind Bestandteile der Proteoglykane. Beispiele für GAGs sind Hyaluron, Chondroitinsulfate, Heparansulfate, Keratansulfate. Proteoglykane (PG): Bestehen aus mehreren Glykosaminoglykanketten (1->100), die von einem linearen Kernprotein verzweigen. Die GAGs sind kovalent durch ein Verbindungstrisaccharid un die Serinreste der Kern-Proteine gebunden. Proteoglykane sind extrem vielfältig, das gleiche Kern-Protein kann unterschiedliche Zahl an GAGs variabler Länge und Zusammensetzung binden. Proteoglykane kommen in der Matrix oder an der Zelloberfläche gebunden vor (Aggrekane: bei Knorpelverschleiß diese PGs werden

3 vermindert), PGs können Wachstumfaktoren auch binden, häufig mit den Transmembranproteinen (wie Integrin) eine Brücke bilden, so die Zellen werden mit EZM gebunden. III. Die Glycoproteine binden die Zellen zum EZM (MULTIADHESIVE Proteine) Fibronectine: Lösliche Multiadhesionsmatrixproteine. Ihre Hauptaufgabe ist die Anheftung von Zellen an Matrices, die Kollagenfibrillen vom Typ I, II, II enthalten. Sie sind Heterodimären von zwei ähnlichen Polypeptiden, die mit zwei Disulfidbrücken verbunden sind. Im Menschen gibt es 20 verschiedene Fibronektin-Ketten, die durch alternatives Spleissen von einem einzelnen Fibronektinen gebildet werden. Die Fähigkeit sich an viele verschiedene Moleküle binden zu können wird durch die Anwesenheit verschiedener Domänen ermöglicht. Fibronektine haben Bindungsdomänen für Integrine, Proteoglykane, Fibrin, Kollagen. In dem von der Leber sezernierte, im Blut zirkulierende Fibronektin fehlen einige Domänen, was ermöglicht, dass dieses Fibronektintyp keine unlöslichen Matrices bildet. Stattdessen bindet es sich an Fibrin in Blutgerinnseln und an Integrine der vorbeiströmenden Blutplättchen. Dadurch vergrössern die Plättchen die Blutgerinnsel. Das Zytoskelett bindet zur Integrinproteine, deshalb EZM Fibronektin können den Form der Zellen bestimmen. Im Fibronektinmangel werden die Zellen malignant gewesen. Fibronektinproteine formen Bahne während der Zellwanderung. LAMININ und NIDOGEN Diese Proteine binden die Zellen zum Lamina Basalis, als eine Brücke zwischen EZM und die Zellen. Der Lamina Basalis ist ein Schicht zwischen Epithelzellen und Bindegewebes EZM. Laminin bindet Zellenoberflächerezeptoren, Kollagen und Nidogen. Zellenadhäsion Zelle-EZM Adhäsion Integrin: diese Proteine sind die Rezeptoren der Multiadhäsiven Proteine Heterodimere aus α- und β-untereinheiten, wobei die Ligandbindungstelle aus Anteilen beider Untereinheiten besteht. In Säugetieren gibt es 17 alfa und 8 beta Untereinheiten, was eine grosse Diversität der Wechselwirkungen ermöglicht. Je nach Zusammengesetzung binden Integrine an verschiedene Liganden (siehe Tabelle). Sie binden EZM Proteine (zb Fibronektin, Laminin) zum Zellenoberfläche, in der intrazellulären Raum Zytoskelettkomponente. Zelladhasion und Zellwanderung Fokalkontakte: Die Anheftung von Zellen an die EZM erfolgt durch zwei Arten von integrinabhängigen Verbindungen: Fokalkontakte und Hemidesmosomen. In den Fokalkontakten verbinden Integrine das Actincytoskelett mit den Fibronectinfasern. In den Hemidesmosomen verbinden Integrine die Intermediärfilamente mit der Basallamina (Laminin). In den Fokalkontakten sind die Aktinfilamente durch Adapterproteine (zb. Vinculin) an das Actincytoskelett gebunden. In den Fokalkontakten findet man zusätzlich 20 verschiedene Proteine (aktin-bindende Proteine, Kinasen, Membranproteine), die an der Aktivierung von Signalen der Zellbeweglichkeit beteiligt sind. Struktur der Fokalkontakte: EZM Proteine Integrin Talin Vinkulin alpha Aktin - Aktinin

4 Zelle-Zelle Adhäsion Bestimmte Proteine sind für die Zelle-Zelle Verbindungen und Gewebebildung verantwortlich, diese sind: CADHERIN, SELEKTIN und Immunglobulin-Superfamilie von Zelladhesionsproteinen: Die Proteine der Ig-Superfamilie enthalten immunglobulinähnliche Domänen, sowie repetitive Sequenzen, die den in Fibronektin vorkommenden repetitiven Sequenzen vom TypIII ähneln. Vermitteln Ca2+-unabhängige homophile Zell-Zell- Adhäsion. Ein Vertäter dieser Gruppe von CAMs ist N-CAM. Es vermittelt homophile Interaktionen zwischen Nervenzellen. Die Adhesive Eigenschaften der N-CAM-Moleküle werden durch Oligomere aus Sialinsäureketten (ein Zuckerderivat) verändert. Mehr Sialinsäre schwächt die Wechselwirkung zwischen den N- CAMs. Embryonen haben weniger Sialinsäre an den N-CAMs, was schwächere Adhesion, und dadurch dynamischere Wechselwirkungen zwischen den Nervenzellen ermöglicht. Zu dieser Gruppe der CAMs gehört auch ICAMs (intercellular cell adhesion molecule), die in der Anheftung von Leukozyten an Endothelzellen eine Rolle spielen. Zelljunctionen: Verbindungen der Zellen Zwischen den Zellen bestehen spezialisierte Verbindungen, die sich aus Gruppen von Zelladhesionsproteinen zusammensetzen. Es gibt vier Hauptklassen dieser Zell-Zell- Verbindungen: 1. feste (schliessende) Verbindungen: tight junctions 2. Anker Verbindungen: Adhesionsgürtel, Gürteldesmosom: adherens junctions (Zelle-Zelle, Zelle-EZM) 3. Kommunizierende Verbindungen: gap junctions Desmosomen: Punktartige Kontakte zwischen den Zellen, als wären die Zellen mit Punktschweissen miteinander verbunden. Bestehen aus proteinhaltigen nm dicken Haftplatten, die an der zytoplasmatischer Zeite befestigt und über Transmembranproteine verbunden sind. Desmoglein und Desmocolin sind Vertreter der Cadheringruppe von Zelladhesionsmolekülen. Desmolplakin und Plakoglobin sind Adaptoren und binden die Desmosomen an Keratinfilamente. Im Fall der Autoimmunkrankheit Pemphigus vulgaris werden Antikörper gegen normale, körpereigene Desmoglein gebildet, die die Adhesion zwischen den Epithelzellen schwächen. 1. TIGHT JUNCTIONS Tight junctions: Eine ausserordentlich feste Verbindung zwischen Epithelzellen. Besteht aus dünnen Bändern von Membranproteinen, die die Zelle völlig umspannen und mit ähnlichen Bändern der Nachbarzellen verbunden sind. Die zwei wichtigsten integralen Membranproteine der tight junctions sind Occludin und Claudin. Die C-terminale Domäne von Occludin bindet durch Adaptoren (ZO-1, ZO-2, ZO-3) an das Aktin-Netzwerk. TJs sind undurchlässig für wässrige Lösungen. TJs separieren die apikale Oberfläche von der basolateralen Oberfläche der Zelle. 1. blockiert die Diffusion von Proteinen innerhalb der Plasmamembran von apikalen zur basolateralen Oberfläche. 2. Verhindert die Diffusion von Lipiden von der apikalen zur basolateralen Oberfäche in der extracellulären jedoch nicht in der cytosolischen Halbschicht der Membran. Die Permeabilität der tigth junctions kann durch Zusammensetzung, Signaling oder duch Pathogene Organismen verändert werden.

5 2. ADHESIVE JUNCTIONS Zelle-Zelle: Adherens junctions (Adhesionsgürtel, Gürteldesmosom): Ein fortlaufendes Band von Cadherinmolekülen, nahe der apikalen Oberfläche. Alfa- und Beta- Catenine sind Adaptoren und binden die Adherens junctions an Aktinfilamente. Adhesionsgürtel und Desmosomen: Spezialisierte Verbindungen zwischen Zellen, die aus Ansamlungen von Cadherindimeren zusammengestzt sind. Cadherinadaptoren sind mit dem Gürtel von Aktinfilamenten (Adherens junction) oder mit Keratinfilaments (Desmosom) an das Cytoskelett gebunden. Verleihen den Geweben mechanische Stabilität. Punktdesmosom In Epithel und Muskelzellen, Kadherin molekülen versichern die Verbindung zwischen die Zellen. Zelle-ECM: Hemidesmosomen: In den Hemidesmosomen verbinden Integrine die Intermediärfilamente (Keratinfilamente) mit der Basallamina (Laminin). Hemidesmosome findet man hauptsächlich in den basalen Teil der Epithelzellen. In den Hemidesmosomen findet man den Adaptorprotein Plectin. Hemidesmosome erhöhen die Festigkeit von Epithelien. Fokale Adhäsive Plack Verbindet die Zellen mit EZM: Integrin Molekülen binden an Fibronektin des EZM. Integrine binden Aktinfilamente des Zytoskeletts durch Vinkulin und Talin Proteine. Wichtige Rolle in der Zellbewegung spielen. 3. Kommunizierende Verbindungen Gap junctions: Bestehen aus einer Anhäufung von Kanälen zwischen zwei Plasmamembranen. Beide Membranen enthalten Connexon-halbkanäle. Die Connexonhalbkanäle bestehen aus 6 Connexinmolekülen. Jedes Connexinmolekül besitzt 4 Transmembrandomäne. Zwei Connexons treffen innerhalb des Spaltes zwischen den Zellen aufeinander, und bilden ein gap juction- Kanal. Verschiedene Connexin-Isoformen (12) werden Gewebe-spezifisch expremiert, was die Variabilität der gap junctions ermöglicht. Heterooligomere Kanäle können gebildet werden, die unterschiedliche Durchlässigkeit für verschiedene Moleküle haben. Gap junctions ermöglichen eine Stoffwechselkopplung und Singnalübertragung zwischen Zellen. Der intrazellulärer second messenger camp kann durch gap junctions in benachbarte Zellen übertreten, so führt die Stimulation einer Zelle um Stoffwechselreaktionen in vielen Zellen. EZM Zytoskelett Zellkern physische Verbindung Es ist bekannt, dass die EZM Proteine mit dem Zytoskelett im Kontakt sind, aber die Zellforschungen der letzten Jahren wurden es entdeckt, dass die Aktinfilamente des Zytoskeletts durch Nesprin Proteine mit dem Zellkernmembran spannenden Proteinen (SUN Moleküle) einen direkten Kontakt ausbilden können. Die Laminproteine nicht nur für die Stabilität der Zellkernembran, sondern für die Verankerung des Chromatins auch verantwortlich sind, so die Genexpression auch beeinflussen können. Es erklärt das Mechanismus, wie die einfache physische Veränderungen (zb. Druck) zur schnelle Genexpression führen können.