Post on 06-Jan-2016
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Zell-Adhäsion&
Extrazelluläre Matrix
Kapitel 191164 – 1202
Christian Knapp
2008
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Extrazelluläre Matrix (ECM)
Netz aus Proteinen und Polysacchariden außerhalb der Zellen
kann Haupdeterminante der physikalischen Eigenschaften von Gewebe sein;
z.B. Knochen, Haut, Knorpel, Glaskörper
entwicklungsgeschichtlich älteste ECM istdie Basallamina
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Drei Arten der zellbezogen
Organisation der Basallamina
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Basallamina (BL)„zweidimensionale“ Schicht
hauptsächlich aus Glykoproteinen
40-120 nm dick
kann Metabolismus, Wachstum, Differenzierung von Zellen beeinflussen
manche Zelle leiten Apoptose ein, sofern kein Kontakt zur BL besteht = „Anchorage Dependence“
(gilt für die ECM allgemein)
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Basallamina von Epithelzellenrasterelektronenmikroskopische Aufnahme
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Zusammensetzung der BL
gewebsspezfisch
typische Komponenten in allen BL
Glycoproteine: Laminin, Typ 4 Collagen, Nidogen
Proteoglykan: Perlecan
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Hauptbestandteile der extrazellulären Matrix im Vergleich
Protein in grünGlycosaminoglycan in pink
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BasallaminaAnordnung und Bindungsverhältnisse der Komponenten
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LamininDas Verbindungsstück
zwischen Integrinen und Basallamina
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LamininOrganisator der BL
über Disulfidbrücken verbundes Heterotrimer
zahlreiche unterschiedliche Monomere(jeweils ca. 1500 AS)
gewebsspezifische Kombinationen
zahlreiche Bindungsdomänen für ECM-Komponenten und Rezeptoren (z.B. Integrine)
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weitere BL-Komponenten
Typ 4 Collagen gibt Zugfestigkeit
Perlecan & Nidogen vernetzen BL-Komponenten
bei Formen der Epidermolyse „Schmetterlingskrankheit“ sind BL-Komponenten defekt
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BasallaminaAnordnung und Bindungsverhältnisse der Komponenten
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Neuromuscular JunctionDie Basallamina lotst die Regeneration nach
Zerstörung
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Integrindynamische Verbindung zwischen extrazellulärer Matrix und
Cytoskelett
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IntegrineZelloberflächenrezeptoren (neben Dystroglykan)
für zahlreiche ECM-Komponenten oder Zelloberflächenproteine anderer Zellen
(nicht nur für BL)
nonkovalentes DimerMonomere sind Transmembran-Glykoproteine
unterschiedliche Alpha- & Beta-Ketten24 Kombinationen im Menschen nachgewiesen
23 binden an Actinskelett,eines bindet an Keratin in Hemidesmosomen
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IntegrinRezeptor und dynamischer Anker
Aktivierung sowohl von Innen als auch von Außen möglich
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Integrinkann somit mechanische Signale in beide Richtungen
leiten
Aktivitätszustände basieren auf einer Art allosterischer Regulation
Talin-Bindungsstelle auf Beta-Kette wird bei Aktivierung/Entfaltung frei,
Talin kann auch mit Alpha-Kette um Bindungsstelle konkurrieren
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Signalpathway aktiviert IntegrinRezeptoren aktivieren Talin
Talin aktiviert Integrin
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Signalpathway aktiviert Integrinsomit können auch molekular Signale in mechanische
Umgewandelt werdenoder umgekehrt
Zelle kann Anhaftung schnell regulierenz.B. Blutplättchen bei der Gerinnung
(Form der Gerinnungsstörung, wenn Integrin defekt)
Leukozyten bei der Anhaftung an Blutgefäße(bei „leucocyt adhesion deficiency“ Integrin defekt)
Lymphozyten bei der Bindung an APC
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Lymphozyt bindet APC über Integrinerster Kontakt über Integrin
Bindung von T-Zell-Rezeptor an MHC gibt Signal zur Stabilisierung von Integrin-ICAM-Bindung
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Hemidesmosomverankert Epithelzellen in der Basallamina
Achtung ! KeratinfilamenteDefekt in einer der Komponenten führt zu Epidermolyse
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Fokale AdhäsionIntegrine haben schwache Affinität zu Liganden
wird kompensiert hohe Konzentration von Integrinen
Ansammlungen von Integrin-Actinskelett-Komplexen sind „focal adhesions“
für Verankerung in ECM bzw. Substraten
mit Keratinskelett sind es Hemidesmosomefür Verankerung von Epithelzellen in der BL
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Fokale Adhäsion &
Focal Adhesion Kinase FAK verringert die Bindung der
Focal Adhesions
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Focal Adhesion Kinaserekrutiert durch Talin
phosphoryliert sich selbst, bietet Bindungsstellen für weitere Signalproteine
Art der Umwandlung mechanischer in molekulare Signale
Bindungen der Integrine an ECM werden verringert bzw. dynamischer
Manche Krebszellen exprimieren vermehrt FAK, führt zu mehr Migration
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manche Signale durch Integrine aufgenommen, werden nur lokal weitergeleitet
z.B. für Actinpolymerisierung durch Rho-GTPasen
Bsp.:während Wachstums eines Axons reagiert Spitze auf
Attractants und Repellents in ECM, beeinflusst Wachstumsrichtung dementsprechend
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Ausbreitungsabhängige ApoptoseZelle bindet mit Integrinen an Fibronectin auf Substratnur wenn Bindungsstellen vorhanden und „verstreut“
sind leitet die Zelle die Apoptose nicht einist in vivo Schutzmechanismus
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Extrazelluläre Matrix des Bindegewebes
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Collagen und Fibroblasten der ECMim Rasterelektronenmikroskop
andere Komponenten wurden Enzymatisch verdaut
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Collagen und Fibroblasten der ECMdie ECM wird hauptsächlich von Fibroblasten aufgebautKnochen von Osteoplasten, Knorpel von Chondroblasten
Grundsubstanz bilden Glycosaminoglykane (GAG), entweder frei als Hyaluronan oder gebunden als
Proteoglykanegegen Druckbelastung
eingelagert sind v.a. fibrilläre Proteinev.a. fibrillenbildendes Collagen Typ 1
gegen Zugbelastung
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Hyaluronanbzw. Hyaluronsäure
aus bis zu 25.000 Disacchariden zieht Kationen an, hochgradig hydratisiert
faltet sich nicht kompakt, nimmt daher großes Volumen ein
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Hyaluronaneinziges Glucosaminoglycan ohne Sulfatgruppen und
nicht an Protein gebunden
besteht aus bis zu 25.000 Disacchariden
zieht Kationen an, liegt hochgradig hydratisiert vor
behindert Diffusion im allgemeinen nicht (gilt auch für Proteoglykane)
wird durch Komplex in der Membran direkt aus Zelle heraussynthetisiert
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Proteoglykanesind Proteine mit gebundenen GAG-Ketten
sehr heterogen
Kernprotein durch Ribosome ins ER synthetisiert, dort und im Golgi-Apparat werden GAG-Ketten angebaut,
danach sekretiert
GAG-Ketten aus Disacchariden aus Aminozucker und Glucuronsäure, tragen oft Sulfatgruppen
ebenfalls negativ geladen, hochgrad hydratisiert
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Protein in grün Glycosaminoglycan in pink
Proteoglykane im Vergleichund ein Glykoprotein
Decorin vermittelt Bildung von Collagenfibrillen, hat nur eine GAG-Kette
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Aggrecanbesteht aus ca. 130 GAG-Sulfat-Kettendas Core-Protein besteht aus ca. 3000 ASist der Hauptbestandteil der ECM von Knorpelbildet mit Hyaluronan Aggregate
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Aggrecan-Hyaluronan-Aggregate100 Aggrecan-Moleküle binden 1 Molekül Hyaluronan nonkovalentMasse ca. 100 MDa (10^8 Da) Volumen entspricht Bakterium
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Proteoglykanekönnen Aktionsradius, Lebenszeit und Aktivität von Signalmolekülen/Proteasen etc. beeinflussen, durch
Bindung oder Monomerisierung
Bsp.:Chemokine werden an Blutgefäßwand immobilisiert, um
Leukozyten anzulocken
Proteoglykane wirken als Corezeptoren, indem sie Liganden binden und Rezeptoren präsentieren
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Collagenfibrille eingebettet in Glycosaminoglykan
Diffuses Netzwerk aus Proteoglykanen und Hyalurondunkle Bereiche/Punkte sind Coreproteine
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Collagenrund 25% der Proteinmasse in Säugern
v.a. in Haut und Knochen
fibrilläres Protein mit Seilstrukturlang und unflexibel
zahlreiche IsoformenGene enthalten zahlreiche repetitive Abschnitte
Typ 1 Collagen am häufigsten
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Struktur eines Collagen-MolekülsTriple-Helix aus jeweils 1000 Aminosäuren!keine Alpha-Helix!
Jede 3. AS ist Glycin, da Rest ins Innere der Triplehelix ragt.Die anderen AS sind meistens Prolin und Hydroxyprolin.
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Fibroblast umgeben von Collagenfasern
Collagen wird u.a. von Fibroblasten in einem vergrößerten ER synthetisiert.
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Synthese von Procollagen
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von Procollagen zur Collagenfaser
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ProcollagenPro-Alpha-Ketten werden einzeln mit Propeptiden
synthetisiert. Durch Propeptide wird das Molekül löslich, außerdem leiten sie Modifikationen im ER/Golgi.
Nach Sekretion werden Propeptide durch extrazelluläre proteolytische Enzyme abgespalten. Collagen wird
dadurch unlöslich und lagert sich zu Fibrillen zusammen.
inter- & intramolekulare Lysin-Crosslinks zwischen Ketten und Collagenen werden gebildet.
Besonders viele Crosslinks in Achillessehne
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Hydroxylierung von Prolinunter Mangel an Ascorbinsäure (Vitamin C) kann Prolin
nicht hydroxyliert werdendadurch lagern sich Pro-Alpha-Ketten nicht stabil aneinander und werden noch in Zelle abgebaut.
Also kein neues Collagen produziert.Collagen in ECM unterliegt jedoch Turnover.
Körper verliert somit Collagen, die Haut wird fragil, Zähne werden locker.
Vitamin C Mangelerkrankung heißt Skorbut
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fibrillenbindendes Collagenvermittelt Fibrillenorganisation
nonhelicale Bereiche knicken das Molekül
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Organisation von Collagenfibrillenim Knochen und in der Haut
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Ausrichtung der Fibrillenist gewebsspezifisch
Cytoskelett kann Ausrichtung der Fibrillen während Sekretion und in Membrantaschen regulieren
andere ECM-Komponenten können gewisse Ausrichtungen unterstützen.
oder durch „Ziehen“ im nachhinein
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Fibroblasten reorganisieren Collagen-GelStücke embryonischen Gewebes auf Substrat mit Collagen-Gel kultiviert.Fibroblasten organisieren Collagen zu Collagenfasern
Annahme:In vivo sekretierenFibroblasten erst Collagen und reorganisieren esdanach
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Elastin-Fasernaus Elastin; sehr hydrophobes ca. 750 AS Protein, reich an Prolin und Glycin,hat einen „random coil“-Bereich, der für Elastizität verantwortlich ist
Collagen-ähnliche Synthese,Precursor ist hydrophiles Tropoelastin,wird nach Sekretion quervernetzt.
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Elastin ist Hauptbestandteil der Aortaca. 50% der Trockenmasse
Während Entwicklung wird Elastin u.a. von Fibrillin organisiert. Defekt führt zu Marfan‘s Syndrom
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Fibronectin Disulfidbrücken verbinden Dimer, unterschiedliche
Monomere durch alternatives Splicing, Domänen binden unterschiedliche Liganden,
Typ III Domäne mit RGD-Sequenz für Bindung an Integrin
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Fibronectin Typ III Domäneunter Zugbelastung wird eine verborgene Binding-Site frei. Diese bindet darauf weitere Fibronectin-Moleküle.
Es bilden sich kovalent verbundene Fibronectin-Fibrillen, aber nur dort, wo gebraucht.
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Fibronectin-Fibrillen an der Zelloberfläche
Fibronectin liegt löslich als Monomer z.B. im Blut vor, oder als unlösliche Fibrillen an Zelloberflächen
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RGD-MotivArgenin-Glycin-Aspartat ist eine Peptidsequenz die
durch einige Integrine gebunden wird.
Fibronectin Typ 3 Domäne hat RGD-Motiv
auch zahlreiche andere ECM-Proteinez.B. Gerinnungsfaktoren
Substrate mit Peptiden mit RGD-Motiv können von Zellen gebunden werden
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Abbau von extrazellulärer Matrix
notwenig für Wachstum und Migration von Zellensowie Remodellierung und Turnover
Proteasen verdauen ECM-ProteineMetalloproteasen oder Serinproteasen
manche Proteasen sind spezifisch z.B. Collagenasen, Gesamtgerüst wird nicht gefährdet
unspezifische Proteasen müssen kontrolliert werden;
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Kontrolle unspezifischer Proteasen
viele unspezifische Proteasen werden als inaktive Precurser sekretiert, dann durch weitere Aktivator-
Proteasen geschnitten und aktiviert
z.B.Plasminogen ist Precursor von Plasmin
Plasmin löst Thrombenwird durch freie Plasminogen-Aktivatoren geschnitten,
die lokal sekretiert werden
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Kontrolle unspezifischer Proteasen Plasminogen kann auch durch rezeptorgebundene
Aktivatoren aktiviert werden.z.B. von Axonen während des Wachstums oder
Krebszellen
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Kontrolle unspezifischer Proteasen weitere Möglichkeiten
Sekretion von Inhibitoren, um ECM lokal zu schützen
Eingrenzung des Wirkungsradius durch Verankerung in der Membran
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Pflanzliche ZellwändeECM bei Pflanzen
pflanzliche Zellen haben (im allgemeinen) eine starre Zellwand, sie migrieren nicht
Zellen haben ihren Ursprung in Meristemen, während Wachstums ist Zellwand flexibel, die
Primärwanddanach wird verdickt und gehärtet, u.a. durch
Einlagerung von Lignin, einem netzwerkartigen Polymer aus Phenolderivaten
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Anordnung pflanzlicher Zellen und Zellwand
dünne Zellwand, da noch im Wachstum
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Die Zelle bestimmt ihre Form durch die Zellwand
A. schützendes Trichom, einer einzelne ZelleB. Oberfläche eines Blatts, Zellen ineinander verhakt
C. Xylem-Kanäle für Wassertransport
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Zusammensetzungnach dem gleichen Grundprinzip wie tierische ECM
hochgradig hydratisierte Grundsubstanz gegen Druckbelastungen:
Pektin
lange fibrilläre Komplexe gegen Zugbelastungen:Cellulose
Pflanzliche Zellwände bestehen hauptsächlich aus Kohlenhydraten und enthalten keinen/kaum Stickstoff
die Zellwand muss teilweise einem Turgordruck standhalten, der 10 Atmosphären (5x Reifendruck)
entspricht
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Pektin
verzweigtes Polysaccharidhauptsächlich aus Galacturonsäure
negativ geladen, zieht Kationen (Calcium) an, hochgradig hydratisiert
in Marmelade ;)
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Celluloseunverzweigtes Polysaccharid aus mehr als 500 Einheiten Glucose über Beta1-4 Verknüpfungen
ca. 40 Moleküle Cellulose bilden über Wasserstoffbrücken Mikrofibrillen, die mehrere Mikrometer lang werden können
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Primäre ZellwandMikrofibrillen liegen schichtweise parallel, werden durch Glykane (verzweigte Polysaccharide) quervernetztFibrillen sind starr und unelastisch
in Pektineingelagert
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5% Proteinnach Trockenmasse
für Turnover und Remodellierung der Zellwandkomponenten
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Die Zellausdehnung wird von der Zellwand definiert
Mikrofibrillen sind nichtdehnbar, können jedoch
ihre Lage zueinander ändern
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Die Zellausdehnung wird von der Zellwand
definiertepidermale Wurzelzellen im
Wachstum
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Synthese von CelluloseCellulose-Synthase ist in Membran eingelagert.
Cellulose wird (wie Hyaluronan) direkt aus der Zelle heraussynthetisiert.
Substrat ist UDP-Glucose
direkt nach/während Synthese bilden sich Fibrillen selbständig
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Modell zur Steuerung der Orientierung der Microfibrillengeordnete Synthese von Mikrofibrillen funktioniert auch ohne MTs, eine Reorientierung jedoch nicht.MTs wie Leitplanken