Biologische Grundlagen der Medizin: Zytoskelett, Zell-Zell-Kontakte, Zell-Matrix-Interaktionen

In diesem Modul werden die biologischen Grundlagen, insbesondere das Zytoskelett und die Interaktionen zwischen Zellen und der extrazellulären Matrix (ECM) behandelt. Das Zytoskelett besteht aus drei Hauptkomponenten: Mikrotubuli, Intermediärfilamenten und Mikrofilamenten (Aktinfilamenten), die jeweils unterschiedliche Strukturen und Funktionen aufweisen.

Mikrotubuli

Mikrotubuli sind hohle Röhren mit einem Durchmesser von etwa 25 nm und bestehen aus 13 Protofilamenten, die aus Alpha- und Beta-Tubulin-Molekülen aufgebaut sind. Sie besitzen eine klare Polarität mit einem + (Beta)- und einem - (Alpha)-Ende. Mikrotubuli sind in allen Zelltypen außer den reifen Erythrozyten zu finden. Sie spielen eine entscheidende Rolle bei der Zellteilung, indem sie den Spindelapparat bilden, der die chromatide während der Mitose und Meiose trennt. Das Mikrotubuli-Organisierende Zentrum (MTOC) ist für die Bildung und Organisation von Mikrotubuli verantwortlich und enthält Zentriolen, die eine 9x3+0-Struktur aufweisen. Eine besondere Dynamik zeichnet die Mikrotubuli aus; sie können schnell wachsen und schrumpfen, was als dynamische Instabilität bezeichnet wird.

Intermediärfilamente

Intermediärfilamente haben einen Durchmesser von ca. 10 nm und bieten mechanische Stabilität. Sie bestehen aus apolaren Strukturen, die sich aus Monomeren und Dimeren zu Tetrameren zusammenlagern, wodurch eine apolare Struktur entsteht. Diese Filamente sind entscheidend für die Zugfestigkeit des Gewebes und werden in verschiedenen Geweben durch spezifische Proteine wie Keratin (in Epithelgewebe), Vimentin (im mesenchymalen Gewebe), Desmin (in Muskelgewebe) und Neurofilamente (in Neuronen) ersetzt. Bei bestimmten Erkrankungen, wie hereditärer Sphärozytose, ist die Funktion dieser Filamente beeinträchtigt, was zu strukturellen Veränderungen in Erythrozyten führt.

Mikrofilamente (Aktinfilamente)

Aktinfilamente haben einen Durchmesser von 7 nm und spielen eine zentrale Rolle in der Zellbewegung, Zellformgebung und Stabilität. Sie bestehen aus monomeren G-Aktin-Molekülen, die sich zu filamentärem F-Aktin zusammenschließen, wobei der Aufbau am + Ende und der Abbau am - Ende erfolgt. Diese Polarität ermöglicht den Transport von Vesikeln und Organellen innerhalb der Zelle, unterstützt die Muskelkontraktion und ist essenziell für Prozesse wie die Cytokinese. Aktinbindende Proteine wie Fimbrin, Villin und Arp2/3-Komplexe helfen bei der Organisation und Stabilität von Aktinfilamenten. Zellgifte, wie Phalloidin und Cytochalasin, hemmen die Polymerisation respektive Depolymerisation und beeinflussen somit die Zellbewegung.

Zell-Zell-Kontakte und Zell-Matrix-Kontakte

Zell-Zell-Kontakte sind entscheidend für die Kommunikation und den Zusammenhalt von Zellen. Sie können in verschiedene Typen unterteilt werden: Tight Junctions (Verschlusskontakte), Adherens Junctions (Haftkontakte), Desmosomen (punktuelle Haftkontakte) und Gap Junctions (Kommunikationskontakte). Tight Junctions bilden eine Barriere, die den parazellulären Transport kontrolliert, während Adherens Junctions und Desmosomen mechanische Stabilität und Zellvernetzung gewährleisten. Gap Junctions ermöglichen den Austausch kleiner Moleküle, was für die Kommunikation zwischen Zellen wichtig ist. Zell-Matrix-Kontakte, wie Hemidesmosomen und Fokalkontakte, verbinden Zellen mit der ECM und sind entscheidend für die Gewebestabilität und Zellmigration.

Die extrazelluläre Matrix (ECM)

Die ECM spielt eine zentrale Rolle in der Struktur und Funktion von Geweben und Organen. Sie wird aus verschiedenen Makromolekülen, einschließlich Kollagenen, Elastin, Glykoproteinen und Proteoglykanen, aufgebaut. Diese Komponenten sind für die Zugfestigkeit, Elastizität und Signaltransduktion der Gewebe entscheidend und beeinflussen die Wundheilung und Zelladhäsion. Die Basalmembran ist ein spezieller Bestandteil der ECM, der Zellen an das darunterliegende Gewebe ankert und strukturelle Unterstützung bietet.

Die Kenntnis der Struktur und Funktion dieser zellulären Komponenten ist wesentlich für das Verständnis von krankhaften Prozessen und der Entwicklung therapeutischer Strategien. Zusammengefasst stellen die verschiedenen Bestandteile des Zytoskeletts und der Zellkontakte sicher, dass Zellen sich stabil organisieren, miteinander kommunizieren und korrekt reagieren können, was grundlegend für die Gesundheit und die funktionale Integrität von Geweben und Organen ist.

Biologische Grundlagen der Medizin: Zytoskelett und Zellkontakte

Biologische Grundlagen der Medizin: Zytoskelett und Zellkontakte