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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