die biologische membran zellorganellen der exo- und endocytotischen wege orsolya kántor institut...
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Die biologische MembranZellorganellen der exo- und endocytotischen
Wege
Orsolya Kántor
Institut für Anatomie, Histologie und Embryologie
Semmelweis UniversitätBudapest
Biologische Membrane - DefinitionBiomembran = Zellmembran (Plasmamembran)
intrazelluläre Membrane →intrazelluläre Kompartimente
Golgi Apparat
•Verschiedene Mikro-Umwelte
innerhalb der Zelle
•Vergrößerung der inneren
Oberfläche
•Räumliche Trennung
verschiedener Aufgaben
Plasmamembran
Biologische Membrane - Übersicht
• Wahrung des inneren Millieus (Barrierfunktion, semipermeabel)
• Selektive Schleuse (geregelte Transportfunktion)• Kommunikation mit der Umwelt (Rezeptore:
Erkennung von Botenstoffen, Signalweitergabe)• Aneinanderhaften von Zellen, Haften von Zellen
zur Bindegewebsmatrix (Aufgabe von Zellmembran)
Biologische Membrane – Morphologie, EM
Membran
kleine Vergr.
hohe Vergr.
•8-10 nm dick
•Kleine Vergrößerung: dunkle Linie
•Starke Vergrößerung: trilaminäre Struktur
Biomembrane – molekularer Aufbau (unit membran)Flüssig-Mosaik Modell (Singer-Nicholson Modell)Membrane sind asymmetrisch 45% Lipide:
•Phospholipid Doppelschicht →amphiphil•Cholesterin (stabilisiert)•Glykolipiden
45% Proteine: →Spezifizität!•Integrale Membranprot. (1-4)•Periphere Membranprot. (7, 8)•Lipidankerproteine (GPI-Anker, 5,6)
10% Kohlenhydrate•Außen•Glykokalyx (Zuckerguss)
Beispiel: Phosphatidylcholin
Beispiel: Plasmamembran
(intergr.) Membranproteine - Funktionen30% der proteinkodierenden Gene kodieren Membranproteine!
Ionenkanäle:•Bilden einen hydrophilen Kanal durch die Membran•Sehr selektiv, sehr schnell•Steuerung: Ligand, Spannung, mechanisch•z. B. Na+-, Ca2+-Kanäle
Aquaporine: Wasserkanäle
Nicht spezifische Kanäle: z. B. Connexon in gap junction
Transporter (Carrier):•Passiver Transport (fazilitierte Diffusion), sekundär aktive Transport•Uniport, Co-transport (Symport, Antiport)•z. B. Zucker-, Aminosäure-Carrier
Membranpumpen: (Transport-ATPasen)•Aktiver Transport•z. B. Na+-K+-ATPase (3 Na+ hinaus, 2 K+ herein)
Rezeptorproteine: → Signaltransduktion•Ligandbindung → intrazelluläre Reaktion
Zelladhäsionsmoleküle: (CAMs)•Zell-Zellkontakt•Zell-Matrix Kontakt•z. B. Cadherine, Intergrine
Acetylcholin Rezeptor (Na+-Kanal)
Na+-K+ ATPase
Transport durch die MembranAußen
Zellinnere
Diffusion:O2, CO2
N2
H2OSteroide
Passiver Transport:
Kanal Transporter
H2OIoneRichtung Konzentrationsgefälle
GlucoseErleichterte Diffusion
Aktiver Transport•Gegen Konzentrationsgefälle•Energieverbrauch, meistens ATP (direkt, indirekt – sekundärer aktiver Transport)•Ione, Aminosäuren, Zucker, Nukleotide
Konzentrations-gradient
Aktiver Transport → ungleiche Ionenverteilung
[Na+]i < [Na+]e
[K+]i >[K+]e
[Ca2+]i frei <<[Ca2+]i gesamt
[Ca2+]i frei << [Ca2+]e
[Ca2+]i frei (Ruhewert) < [Ca2+]i frei (Aktivierungswert)
[Cl-]i < [Cl-]e
→ Membranpotenzial
→elektrische Erregbarkeit vieler Zellen (Nervenzellen)
Membrangerüst (Membranskelett)
Innenaufsicht
z. B. Plasmamembran von roten Blutkörperchen:
Aktin, Spektrin, (Tropomyosin) Netzwerk unter der Plasmamembran →
Bestimmung der speziellen Zellform, Elastizität
Bei Störung: Kugelzellanämie
•Sorgt für mechanische Stabilität
•Durch Adaptorproteine ist mit integralen Membranproteinen verbunden
Glykokalyx (≈Zuckerguss)
Nach Kontrastierung mit Rutheniumrot
Ohne Rutheniumrot
•An der extrazellulären Seite der Plasmamembran
•Mehrere 100 nm dick, Pelz, Negativ geladen
(Sialinsäure)
•Kovalent gebundene Zuckerketten
•→ an Proteine= Glykoproteine
•→ an Lipide= Glykolipide
Proteine mit langen Zuckerketten= Proteoglykane
•Glykosilierung erfolgt: ER (core Glykosilierung),
Golgi (periphäre Glykosilierung)
•Oberflächenspezifizität (Blutgruppe A, B, z. T.
Gewebeverträglichkeit)
•Andockstelle für Pathogene (Influenza)
Plasmamembran - Zusammenfassung
•Diffusionsbarriere
•Kontrollierte Aufnahme-Abgabe von Stoffen
•Zell-Zellerkennung (auch körpereigene-fremde)
•Signalregistrierung, Signalweitergabe
•Erkennung von pathogenen Keimen
Transport in membranumhüllten Paketen (Vesikeln)
„Cytose”-Prozesse:
I. Exocytose (Abgabe, Exportgeschäft)→Sekretion
•Konstitutive/ungetriggerte
(Membranerneuerung!)
•Stimulierte/getriggerte (z. B. elektrische
Erregung, Hormon)
II. Endocytose (Aufnahme, Importgeschäft)
•Stoffe, die im LM nicht erkennbar sind
Exocytose-gekoppelte Endocytose
(Membran-Recycling)
Exocytose-unabhängige Endocytose
•Stoffe, die im LM geformt erscheinen
(Phagocytose)
III. Transcytose (Durchfuhr)
Lysosom: „Verbrennungsanlage”
überaltete Organellen
Makromoleküle
Komponenten des EZM
Exocytose - Exportgeschäft
Stoffe, die über getriggerte Exocytose
abgegeben werden:
•Proteine (z. B. Verdauungsenzyme,
Proteohormone, Neurohormone
•Mukoproteine
•Amine (Mastzellen: Histamin,
Nebennierenmark: Catecholamine)
•Neurotransmitter
Stoffe, die über konstitutive
Exocytose abgegeben werden:
•Moleküle der Zellmembran →
Membranerneuerung!
z. B. Glykokalyx,
Ionenkanäle,
Carriern,
Rezeptoren
•Antikörpern (IgG, IgM)
•Lipoproteine
•Serum Wachstumsfaktore
Zellorganellen am exocytotischen Weg•Raues endoplasmatisches Retikulum (rER,
mit Ribosomen) → Synthese von
sekretorischen Proteinen (auch Lipide)
•(Glattes endoplasmatisches Retikulum → u. a.
Lipidesynthese)
•Golgi Apparat, Vesikel
Raues endoplasmatisches Retikulum
rERgER
•Membranbegrenzte Zystenen, Schläuche→ inneres Membransystem•Mit Ribosomen besetzt•Steht mit gER, Kernmembran in Verbindung
Funktion:•Proteinsynthese:
Für Sekretion bestimmte ProteineLysosomale EnzymeMembranproteine
•Lipidsynthese
Ausblick in die Histologie: Cytoplasma von stark proteinsynthetisierenden Zellen: viel rER→ viele Ribosomen →viel rRNA (neg. geladen)→ basophile Zytoplasma (z. B. Plasmazelle, Neuron)
Proteinsynthese = TranslationZentrales Dogma der Molekularbiologie:
DNS
RNS Protein
Translation
„Zutaten „ für die Translation:
•Templat = mRNS
•tRNS (mit Aminosäuren)
•Enzyme
•Ione, Faktoren, Energie (ATP, GTP)
Ort: Ribosomen
RibosomenRibonukleoprotein-Granula (rRNS + Proteine)Funktion: Proteinsynthese (N→C)Formen:•Freie Ribosomen (fri) → Proteine in Zytoplasma, Zellkern, Mitochondrium, Peroxysoma•Polyribosomen (pri) → freie Ribosomen, die gerade den selben mRNS übersetzen•ER gebundene Ribosomen → sekretierte Proteine, Membranproteine, lysosomale Prot.
Kleine Untereinheit: mRNS Bindung
Große Untereinheit: •A-Stelle: Aminoacyl-tRNA•P-Stelle: Peptidyl-tRNA•E-Stelle: Exit
Proteinsynthese - AblaufKleine Untereinheit des Ribosoms bindet mRNS im Zytoplasma → Anlagerung von
großen Untereinheit
Signalpeptid am Protein vorhanden
NEIN JA
Ribosom wird zu ER translokiert (SRP, SRPR)
•Polypeptidkette gelangt in ER-Lumen kotranslationale Sequestrierung•Beendigung der Translation•Posttranslationelle Modifikationen:
DisulfidbildungCore-Glykosilierungggf. gezielte SpaltungEinbau von GPI-AnkerZusammenbau zu gr. Komplexen
•Protein ist für Zytosol/Organellen bestimmt•Fertigstellung an freien Ribosomen Chaperone:
sind für korrekte Faltung verantwortlich
Golgi-Apparat
Sortierung:Rolle für spezielle Lokalisationssignale, Rezeptore, Transporter•Zytosol•Mitochondrium•Zellkern•Peroxysoma
Golgi-Apparat - AufbauOsmierung-Safranin LM: Versilberung, Osmieren →Ösen, Haken
EM: •Nahe rER, polarisiert (cis=Bildungsseite, trans=Reifungsseite)•Stapeln von Zisternen + Transportvesikeln, Cis- und Trans-Golgi-Netzwerk (CGN bzw. TGN) =Diktyosom
rERCGN
TGNZisterne
Golgi-Apparat - Funktion
•rER Proteine zurück•Mannose-6-Phospholyrierung (lysosomales Signal)
•End-Glykolisierung von Proteine und Lipide, Bildung von Glykokalyx
•Sortierung
•Verpackung
Anbindung Acetylglukosamin, Sialsäure, Galaktose, Bildung von GAG
Sulfatierung, Sortierung
Lysosomale Proteine
Lysosom
Exportproteine Membranproteine
Plasmamembran
Exocytose
KonstitutiveSekretion
Regulierte Sekretion
Signalz. B. Hormon
Erkennung und Fusion:
vSNAREs: vesikulär (hier: Q)tSNAREs: target (hier: Qb, Qc)
Gefrierbruch
Fusionierende Membrane: oft Ω-Form
Endocytose, Phagocytose - Importgeschäft
Aufnahme von Stoffen, die im LM erkennbar sind: Phagocytose
z. B. Zellbruchstücke, Bakterien, Parasiten
Aufnahme von Stoffen, die im LM nicht erkennbar sind (Endocytose im engeren Sinn):
1 Exocytose-gekoppelte Endocytose (Membran-Recycling)
2 Exocytose unabhängige Endocytose
•Fluid phase Endocytose (nicht adsorptive, Pinocytose): Moleküle werden
ohne Membranbindung internalisiert
•Rezeptorvermittelte (adsorptive) Endocytose: Moleküle müssen an einen
spezifischen Rezeptor binden → sehr selektiv
Transcytose: unverändertes Durchschleusen von Stoffen durch die Zelle z. B. in
Caveolen. Beispiel: mütterliches Immunglobulin durch Dünndarm vom Säugling.
Phagocytose
Makrophag
Erythrozyt
Makrophage, Neutrophile, Eosinophile, Pigmentepithelzellen der Retina
Bakterium
Phagosom Autophagosom
Schicksal der Phagosomen:
Verschmelzung mit Lysosom
→ Phagolysosom → Abbau
(Rezeptorvermittelte) Endocytose Beispiel: LDL Aufnahme (auch: Transferrin, Wachstumsfaktore, Vitamin B12)
•Die aufzunehmende
Moleküle sind angereichert!
•Formung der Abknospung:
hilft Clathrin
Clathrin:
Baustein: Triskelion
Clathrin „Korb”(Hexagone+Pentagone)
Endosom -SortierstationDefinition: eine Reihe von Kompartimente, die
die (durch Pinozytose oder Endozytose)
aufgenommenen Substanzen sortieren
•Membranröhren, Vesikeln
Frühes Endosom:
•Leicht saures pH (6,5) → Rezeptor-
Ligand-Komplex dissoziiert
Schicksal der Rezeptore:
→Recycling
→ Abbau
→ Transzytose (mit Ligand!)
} Ohne Ligand
Spätes Endosom: (pH 5)•Mit erkennbaren Abbauprodukten•Wird selbst zum Lysosom oder verschmilzt mit Lysosom → Endolysosom
LysosomMembranbegrenztes, kugeliges OrganellProtonenpumpe → pH 5Saure Hydrolasen → Abbau Transportproteine → Abbauprodukte ins ZytosolTelolysosmen= Residualkörper (LM: Lipofuscin)
Funktionen:Abbau von bestimmten LigandenCholesterinfreisetzung aus LipoproteinenFreisetzung von T3, T4 aus ThyreoglobulinOrganellenabbauAbwehr (Abbau von Bakterien, Hilfe bei Antigen-Presentation)
Telolysosomen
Vesikulärer TransportTransport von Substanzen in
membranbegrenzten Vesikeln zwischen
membranbegrenzten Kompartimenten
Richtung:
•nach innen
•nach außen
Transportiert wird:
•gelöste Substanz in Vesikelinnere
•ein Stück Membran!
Reguliert werden muss:
•Inhalt der Vesikeln
•Zielmembran
Abknospung: Beschictung →beschichtete
Vesikeln (Clathrin, COPI, II)
Literatur
• Plattner, Hentschel: Zellbiologie, Thieme, 2011• Alberts: Lehrbuch der molekularen Zellbiologie,
Wiley VCH, 2005• Welsh: Lehrbuch Histologie, Urban & Fischer, 2010• Folien von Prof. Pál Röhlich