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