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Die biologische MembranZellorganellen der exo- und endocytotischen
Wege
Orsolya Kántor
Institut für Anatomie, Histologie und Embryologie
Semmelweis UniversitätBudapest
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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
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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)
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Biologische Membrane – Morphologie, EM
Membran
kleine Vergr.
hohe Vergr.
•8-10 nm dick
•Kleine Vergrößerung: dunkle Linie
•Starke Vergrößerung: trilaminäre Struktur
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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
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(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
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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
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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)
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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
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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)
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Plasmamembran - Zusammenfassung
•Diffusionsbarriere
•Kontrollierte Aufnahme-Abgabe von Stoffen
•Zell-Zellerkennung (auch körpereigene-fremde)
•Signalregistrierung, Signalweitergabe
•Erkennung von pathogenen Keimen
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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
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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
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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
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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)
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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
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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
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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
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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
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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
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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
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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.
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Phagocytose
Makrophag
Erythrozyt
Makrophage, Neutrophile, Eosinophile, Pigmentepithelzellen der Retina
Bakterium
Phagosom Autophagosom
Schicksal der Phagosomen:
Verschmelzung mit Lysosom
→ Phagolysosom → Abbau
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(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)
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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
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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
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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)
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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