Biologische Membrane - Definition

1. Die biologischeMembranZellorganellen der exo- und endocytotischenWegeOrsolya KántorInstitutfürAnatomie, Histologie und EmbryologieSemmelweis UniversitätBudapest

2. 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

3. 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)

4. Biologische Membrane – Morphologie, EM • 8-10 nm dick • Kleine Vergrößerung: dunkle Linie • Starke Vergrößerung: trilaminäre Struktur kleine Vergr. Membran hohe Vergr.

5. 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

6. (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

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

8. 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)

9. 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

10. 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

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

12. 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”

13. 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

14. 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

15. 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)

16. 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

17. Ribosomen 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

18. 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

19. 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

20. 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

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

22. 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.

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

24. (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

25. 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

26. 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

27. 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)

28. 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