Die biologische Membran Zellorganellen der exo- und endocytotischen Wege Orsolya Kántor Institut für Anatomie, Histologie und Embryologie Semmelweis Universität Budapest

Biologische Membrane - Definition Biomembran = Zellmembran (Plasmamembran) intrazelluläre Membrane →intrazelluläre Kompartimente Verschiedene Mikro-Umwelte innerhalb der Zelle Vergrößerung der inneren Oberfläche Räumliche Trennung verschiedener Aufgaben Plasmamembran Golgi Apparat

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 8-10 nm dick Kleine Vergrößerung: dunkle Linie Starke Vergrößerung: trilaminäre Struktur kleine Vergr. Membran hohe Vergr.

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: Plasmamembran Beispiel: Phosphatidylcholin

(intergr.) Membranproteine - Funktionen 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 30% der proteinkodierenden Gene kodieren Membranproteine! Acetylcholin Rezeptor (Na+-Kanal) Na+-K+ ATPase

Transport durch die Membran Außen Kanal Transporter Konzentrations-gradient Zellinnere Diffusion: O2, CO2 N2 H2O Steroide Passiver Transport: H2O Ione Richtung Konzentrationsgefälle Glucose Erleichterte Diffusion Aktiver Transport Gegen Konzentrationsgefälle Energieverbrauch, meistens ATP (direkt, indirekt – sekundärer aktiver Transport) Ione, Aminosäuren, Zucker, Nukleotide

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) Sorgt für mechanische Stabilität Durch Adaptorproteine ist mit integralen Membranproteinen verbunden z. B. Plasmamembran von roten Blutkörperchen: Aktin, Spektrin, (Tropomyosin) Netzwerk unter der Plasmamembran → Bestimmung der speziellen Zellform, Elastizität Bei Störung: Kugelzellanämie Innenaufsicht

Glykokalyx (≈Zuckerguss) 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) Nach Kontrastierung mit Rutheniumrot

Plasmamembran - Zusammenfassung Diffusionsbarriere Kontrollierte Aufnahme-Abgabe von Stoffen Zell-Zellerkennung (auch körpereigene-fremde) Signalregistrierung, Signalweitergabe Erkennung von pathogenen Keimen

Transport in membranumhüllten Paketen (Vesikeln) Makromoleküle Komponenten des EZM „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) überaltete Organellen Lysosom: „Verbrennungsanlage”

Exocytose - Exportgeschäft Stoffe, die über konstitutive Exocytose abgegeben werden: Moleküle der Zellmembran → Membranerneuerung! z. B. Glykokalyx, Ionenkanäle, Carriern, Rezeptoren Antikörpern (IgG, IgM) Lipoproteine Serum Wachstumsfaktore Stoffe, die über getriggerte Exocytose abgegeben werden: Proteine (z. B. Verdauungsenzyme, Proteohormone, Neurohormone Mukoproteine Amine (Mastzellen: Histamin, Nebennierenmark: Catecholamine) Neurotransmitter

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 Membranbegrenzte Zystenen, Schläuche→ inneres Membransystem Mit Ribosomen besetzt Steht mit gER, Kernmembran in Verbindung Funktion: Proteinsynthese: Für Sekretion bestimmte Proteine Lysosomale Enzyme Membranproteine Lipidsynthese gER rER Ausblick in die Histologie: Cytoplasma von stark proteinsynthetisierenden Zellen: viel rER→ viele Ribosomen →viel rRNA (neg. geladen)→ basophile Zytoplasma (z. B. Plasmazelle, Neuron)

Proteinsynthese = Translation Zentrales Dogma der Molekularbiologie: „Zutaten „ für die Translation: Templat = mRNS tRNS (mit Aminosäuren) Enzyme Ione, Faktoren, Energie (ATP, GTP) Ort: Ribosomen DNS RNS Protein Translation

Ribosomen Ribonukleoprotein-Granula (rRNS + Proteine) 25 nm Ribonukleoprotein-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. Große Untereinheit: A-Stelle: Aminoacyl-tRNA P-Stelle: Peptidyl-tRNA E-Stelle: Exit Kleine Untereinheit: mRNS Bindung

Proteinsynthese - Ablauf Kleine Untereinheit des Ribosoms bindet mRNS im Zytoplasma → Anlagerung von großen Untereinheit Signalpeptid am Protein vorhanden JA NEIN Ribosom wird zu ER translokiert (SRP, SRPR) Protein ist für Zytosol/Organellen bestimmt Fertigstellung an freien Ribosomen Polypeptidkette gelangt in ER-Lumen kotranslationale Sequestrierung Beendigung der Translation Posttranslationelle Modifikationen: Disulfidbildung Core-Glykosilierung ggf. gezielte Spaltung Einbau von GPI-Anker Zusammenbau zu gr. Komplexen Chaperone: sind für korrekte Faltung verantwortlich Sortierung: Rolle für spezielle Lokalisationssignale, Rezeptore, Transporter Zytosol Mitochondrium Zellkern Peroxysoma Golgi-Apparat

Golgi-Apparat - Aufbau 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 Osmierung-Safranin TGN Zisterne rER CGN

Golgi-Apparat - Funktion End-Glykolisierung von Proteine und Lipide, Bildung von Glykokalyx Sortierung Verpackung rER Proteine zurück Mannose-6-Phospholyrierung (lysosomales Signal) Anbindung Acetylglukosamin, Sialsäure, Galaktose, Bildung von GAG Sulfatierung, Sortierung Lysosomale Proteine Exportproteine Membranproteine Lysosom Plasmamembran

Exocytose Erkennung und Fusion: vSNAREs: vesikulär (hier: Q) Konstitutive Sekretion Signal z. B. Hormon vSNAREs: vesikulär (hier: Q) tSNAREs: target (hier: Qb, Qc) Regulierte Sekretion Fusionierende Membrane: oft Ω-Form Gefrierbruch

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 Makrophage, Neutrophile, Eosinophile, Pigmentepithelzellen der Retina Bakterium Schicksal der Phagosomen: Verschmelzung mit Lysosom → Phagolysosom → Abbau Makrophag Erythrozyt Autophagosom Phagosom

(Rezeptorvermittelte) Endocytose Beispiel: LDL Aufnahme (auch: Transferrin, Wachstumsfaktore, Vitamin B12) Clathrin: Baustein: Triskelion Clathrin „Korb” (Hexagone+ Pentagone) Die aufzunehmende Moleküle sind angereichert! Formung der Abknospung: hilft Clathrin

Endosom -Sortierstation Definition: 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

Lysosom Membranbegrenztes, kugeliges Organell Protonenpumpe → pH 5 Saure Hydrolasen → Abbau Transportproteine → Abbauprodukte ins Zytosol Telolysosmen= Residualkörper (LM: Lipofuscin) Funktionen: Abbau von bestimmten Liganden Cholesterinfreisetzung aus Lipoproteinen Freisetzung von T3, T4 aus Thyreoglobulin Organellenabbau Abwehr (Abbau von Bakterien, Hilfe bei Antigen-Presentation) Telolysosomen

Vesikulärer Transport Transport 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