Kurzlehrbuch Histologie

2 Zytologie
2.1 Einleitung
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Lerncoach
Bei der Erarbeitung der verschiedenen Kapitel zur Zytologie sollten Sie auf verschiedene
Aspekte achten: Morphologie der Strukturen, molekularer Aufbau von Zellbestandteilen, Entstehung bestimmter Zellstrukturen,
Struktur-Funktions-Beziehungen, molekulare Mechanismen von bestimmten Prozessen.
Sie sollten sich bei diesen komplexen Themen zunächst einen Überblick verschaffen.
Beachten Sie, dass Sie Details zu diesen Themen in verschiedenen Büchern unterschiedlich dargestellt finden.
Manche Fakten und ihre Bedeutung werden
Ihnen vielleicht erst bei der Bearbeitung
der übrigen Histologiekapitel verständlich.
Beachten Sie auch, dass Sie die Themen
der Zytologie von verschiedenen Fachdisziplinen (Biologie, Biochemie, Physiologie) vorgestellt bekommen.
Die Zellmembran
ihrer Umgebung ab. Die Zelle untergliedert sich in
Zellkern (Nukleus) und Zellleib (Zytoplasma). Im Zytoplasma finden sich die Zellorganellen (kleine „Organe“ der Zelle mit spezifischen Funktionen), ein Zytoskelett, Zelleinschlüsse (z. B. Stoffwechselprodukte)
und ein flüssiges Grundplasma (Zytosol, Hyaloplasma). Als kleinste Funktionseinheit des Organismus
besitzen Zellen die Fähigkeit zu Stoffwechselleistungen und zur Reizbeantwortung, sie können wachsen
und sich vermehren.
Im Organismus kommen verschiedene Zellarten vor,
die sich durch ihre Form, Größe, Funktion und Lebensdauer voneinander unterscheiden.
2.2 Die Zellmembran
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Lerncoach
Der Aufbau und die Funktion von Biomembranen ist nicht nur eine wichtige Voraussetzung
für das Verständnis der Vorgänge in der Zelle,
sondern auch die Grundlage vieler biochemischer und physiologischer Prozesse.
2.2.1 Der Überblick
2.1.1 Die Zelle
Die Zelle ist die kleinste selbstständig lebensfähige
Baueinheit des Organismus (Abb. 2.1). Die Zellmembran (Plasmamembran, Plasmalemm) grenzt sie von
Alle Biomembranen, d. h. neben der Zellmembran
auch die Membranen der Zellorganellen, sind gleich
aufgebaut (Einheitsmembran). Chemisch bestehen
sie aus Lipid- und Proteinmolekülen. Die Grundlage
Exozytose Mikrovilli
Kinozilium
Terminales
Netzwerk
Sekretvesikel
Desmosom
glattes
endoplasmatisches
Retikulum
Golgi-Apparat
Ribosomen
Lysosom
Kernpore
Zelleinschlüsse
Mitochondrien
Zellkern
raues
endoplasmatisches
Retikulum
Endozytose
Abb. 2.1 Zelle (Schema). (Nach: Ulfig N.
Bewegungsapparat. Karger, Basel, 2002)
Plasmamembran
Nukleolus
Zytoskelett
19
2
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Die Zellmembran
Zuckerketten
2 Zytologie
Glykolipid
Kanalprotein
außen
2
Lipiddoppelschicht
innen
transmembranöses
Protein
Abb. 2.2
Phospholipid
Cholesterin
Aufbau einer Zellmembran (Schema).
aller Zytomembranen bildet eine Lipid-Doppelschicht, in der die polaren Köpfe der Phospholipide
nach außen, die apolaren Fettsäureketten nach innen, also aufeinander zu zeigen. Elektronenmikroskopisch lassen sich daher drei Schichten erkennen
(trilamelläre Einheitsmembran). In die Membran
sind Proteinkomponenten eingelagert. Man unterscheidet integrale Proteine, die die gesamte Doppelschicht durchsetzen von peripheren Proteinen, die in
die äußere oder innere Fettschicht eingelagert sind.
Ein Teil der äußeren peripheren Proteine sind Glykoproteine, deren Kohlenhydratseitenketten an der Bildung der Glykokalix auf der äußeren Oberfläche der
Zellmembran beteiligt sind (Abb. 2.2).
Die Zellmembran (Dicke: 8 nm) unterliegt einem
ständigen Umbau, der mit dem Fluid-Mosaic-Modell
beschrieben wird. Membranabschnitte können aus
der Zellmembran herausgetrennt oder eingefügt
werden. Diese Vorgänge spielen bei der Stoffaufnahme durch Endozytose und bei der Stoffabgabe durch
Exozytose eine Rolle.
An der Oberfläche bestimmter Zellen kommen Oberflächendifferenzierungen vor, die der Erfüllung spezifischer Aufgaben dienen. In Zellverbänden können
die einzelnen Zellen untereinander über spezifische
Zellkontakte mechanisch und funktionell gekoppelt
sein.
2.2.2 Die Lipid-Doppelschicht und das FluidMosaic-Modell
Drei Haupttypen von Lipiden bilden die Lipid-Doppelschicht, die Phospholipide, das Cholesterin und
die Glykolipide. Alle Membranlipide haben ein hydrophiles Kopfende und hydrophobes Schwanzende
(aus langen Fettsäureketten).
Der bimolekulare Film, d. h. die Lipid-Doppelschicht,
wird dadurch gebildet, dass die hydrophoben
Schwanzenden aufeinander zu weisen (innere hydrophobe Zone). Die hydrophilen Köpfe sind nach
außen (zur Zellumgebung) und nach innen (zum
Zellinneren) gerichtet. Die Phospholipide sind (mengenmäßig) der Hauptbestandteil der Lipid-Doppel-
schicht. Cholesterin beeinflusst die Fluidität der
Membran; es führt zu einer geringen Versteifung der
Membran. Die Zellmembran muss einerseits stabil,
andererseits dynamisch und fluid (flüssig) sein. Aus
der Fluidität ergibt sich die Möglichkeit einer fließenden Verlagerung der Membranproteine im Sinne
von Lateralverschiebungen (Fluid-Mosaic-Modell).
Durch diese Verschiebungen kann es örtlich zu einer
Anhäufung bestimmter Membranbestandteile kommen.
Die Fluidität der Membran ist von der Lipidzusammensetzung (besonders von der Cholesterinmenge)
und von der Temperatur abhängig.
Die Glykolipide beteiligen sich mit ihren Kohlenhydratketten an der Bildung der Glykokalix.
2.2.3 Die Membranproteine
Die integralen Proteine (auch Transmembranproteine genannt) erstrecken sich durch beide Lipidschichten und verleihen der Membran eine selektive
Durchlässigkeit. Diese Proteine bilden
Kanäle, Transporter und Pumpen,
verschiedene Rezeptoren.
Durch Kanäle können Ionen ungehindert entlang
einem Gradienten durch die Zellmembran diffundieren. Kanäle können durch bestimmte Signale geöffnet oder geschlossen werden. Die Passage eines Ions
oder eines kleinen Moleküls durch einen Transporter
(Carrier) dauert länger, weil es während des Transportes zu einer Konfigurationsänderung von Transporterproteinen kommt. Cotransporter sind Carrier,
bei denen gleichzeitig ein weiteres Molekül oder Ion
in die Zelle „mittransportiert“ (Symport) oder ein
Molekül oder Ion aus der Zelle (Antiport) befördert
wird. Pumpen können ein Ion gegen ein Konzentrationsgefälle aktiv und unter Energieverbrauch durch
die Zellmembran bringen. Die Na+/K+-ATPase z. B.
pumpt 3 Na+ aus der Zelle und 2 K+ in die Zelle. Pumpen können also ein spezifisches inneres Milieu
schaffen.
Wirkstoffe wie Hormone oder Neurotransmitter binden an die extrazelluläre Domäne eines jeweils spezifischen Rezeptors und lösen über Zwischenschritte
(Signaltransduktion) einen bestimmten Effekt aus.
Die peripheren Membranproteine können (angelagert an Transmembranproteinen) an der inneren
oder äußeren Membranoberfläche liegen. Die inneren Membranproteine sind z. B. Adaptoren, über die
das Zytoskelett mit Transmembranproteinen verbunden wird, die äußeren peripheren Membranproteine
sind z. B. Verbindungsproteine zu Bestandteilen des
Extrazellulärraumes.
2 Zytologie
Die Zellmembran
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2.2.4 Die Glykokalix
Der Aufbau der Glykokalix
2
Die Glykokalix ist ein kohlenhydrathaltiger Film an
der äußeren Oberfläche der Zellmembran. Sie wird
gebildet von den Kohlenhydratketten der Glykoproteine und Glykolipide. Die Gesamtheit dieser Zuckerketten bildet die Glykokalix. Durch verschiedene
Kombinationen der Zuckermoleküle entstehen Unterschiede in der Glykokalix verschiedener Zellarten.
Diese Spezifität der Glykokalix ist die Grundlage für
ihre Funktionen.
1
2
Die Funktionen der Glykokalix
Die Glykokalix steuert Wechselwirkungen zwischen
Zellen. Lektine (als Zucker bindende Proteine) binden selektiv an Bestandteile der Glykokalix; so
werden Zell-Zell-Interaktionen ermöglicht (z. B. Adhäsion von Leukozyten am Endothel. Die Glykokalix
enthält als Antigene wirksame Moleküle (z. B. Blutgruppensubstanzen).
Rote Blutkörperchen fremder Blutgruppen (nach
einer Bluttransfusion) werden erkannt und können
abgebaut werden.
Glykoproteine der Glykokalix können Rezeptorfunktion (z. B. für Hormone) haben. Des Weiteren ergibt
sich die Asymmetrie der Zellmembran z. B. durch das
Vorkommen der Glykokalix auf der äußeren Seite,
die so eine Negativladung enthält.
2.2.5 Die Oberflächendifferenzierungen
Bestimmte Zellarten zeigen eine Differenzierung ihrer Oberfläche, die mit ihrer spezifischen Funktion
im Zusammenhang steht. Zu den Oberflächendifferenzierungen gehören Mikrovilli, Stereozilien, Kinozilien und basale Einfaltungen.
Die Mikrovilli
Die Mikrovilli sind fingerförmige Ausstülpungen der
Zellmembran (Abb. 2.3). Sie dienen bei resorbierenden Epithelien der Vergrößerung der Zelloberfläche.
Bei besonders stark resorptiv tätigen Zellen findet
sich ein dichter Rasen gleichlanger Mikrovilli, der
schon lichtmikroskopisch als Bürstensaum erkennbar ist. Ein Bürstensaum findet sich z. B. im Dünndarm und in Röhren (Tubuli) der Niere. Kurze einzeln
stehende Mikrovilli finden sich bei einer Vielzahl
von Zellarten.
Im Inneren der Mikrovilli liegen Bündel längsorientierter Aktinfilamente. Diese sind im terminalen
Netzwerk im apikalen Zytoplasma (Terminalgespinst, terminal web) verankert, das aus einem Filamentnetz (Aktinfilamente mit Spektrin) besteht.
Untereinander sind die Aktinfilamente durch aktinbindende Proteine (z. B. Fimbrin) verbunden.
3
a
b
Abb. 2.3 Mikrovilli. a Mikrovilli im Längsschnitt und Zellkontakte im Darmepithel. 1, Zonula occludens; 2, Zonula adhärens;
3, Desmosom. Vergrößerung: 50 500-fach. b Mikrovilli im Querschnitt. Im Inneren Aktinfilamente, an der Querfläche Glykokalix. Vergrößerung 90 000-fach.
Mikrovilli tragen eine gut ausgeprägte Glykokalix,
sie sind bis zu 2 μm lang und etwa 100 nm dick.
Die Stereozilien
Die Stereozilien (bis 10 μm lang, unbeweglich) gleichen in ihrem Aufbau den Mikrovilli. Sie sind deutlich länger als Mikrovilli. Stereozilien kommen im
Nebenhodengang vor. Sie beteiligen sich bei Resorptions- und Sekretionsvorgängen. Des Weiteren können sie als spezielle Oberflächenstrukturen von Sinneszellen der Aufnahme von Reizen im Innenohr dienen.
Die Kinozilien
Die Kinozilien sind feine, bewegliche Zellfortsätze
(Abb. 2.4). Sie sind ca. 6 μm lang, also erheblich länger als Mikrovilli. Ihr Durchmesser beträgt etwa
0,3 μm. Elektronenmikroskopisch ist erkennbar, dass
im Inneren der Kinozilien ein charakteristisches System von Mikrotubuli (mit assoziierten Proteinen)
vorkommt, das als Axonema bezeichnet wird. Zwei
zentrale Mikrotubuli (S. 30), das sog. Zentralpaar,
werden von einem Ring aus 9 Paaren (Doubletten,
Doppeltubuli) peripherer Mikrotubuli umgeben. Die-
22
Die Zellkontakte
2 Zytologie
Jede Kinozilie ist an einem Basalkörperchen (Kinetosom) im Zytoplasma verankert. Die Basalkörperchen
gleichen in ihrem Aufbau den Zentriolen (S. 30); sie
bestehen aus 9 radiär angeordneten Tripletts (Dreiergruppen) von (kurzen) Mikrotubuli. Die Basalkörperchen können als Basalkörperchensaum lichtmikroskopisch lokalisiert werden.
Kinozilien kommen in den Atemwegen, im Eileiter
und im Nebenhoden vor.
Geißeln ähneln in ihrem Feinaufbau den Kinozilien,
sie dienen der Fortbewegung der Spermien (S. 189).
Plasmalemm
periphere Mikrotubuli
2
zentrale Mikrotubuli
Kinetosom
Klinischer Bezug
Wurzelfaser
B-Tubulus
a
A-Tubulus
periphere
Mikrotubuli
zentrale
Mikrotubuli
Radiärspeiche
Dyneinarme
b
Plasmalemm
Zentralscheide
Abb. 2.4
Nexine
Kinozilien (Schema). a Längsschnitt; b Querschnitt.
ser Aufbau wird als „9 × 2 + 2“-Struktur bezeichnet.
Das Zentralpaar wird von zwei getrennten Mikrotubuli gebildet, während die Mikrotubuli der peripheren Doubletten teilweise miteinander verschmolzen
sind. Die Mikrotubuli der Doubletten haben an ihrer
Kontaktstelle eine gemeinsame Wandung. Der sogenannte A-Tubulus ist vollständig (aus 13 Untereinheiten aufgebaut), an ihm ist der unvollständige BTubulus (aus 11 Untereinheiten) angelagert. Benachbarte Doubletten sind über Nexine miteinander
(ringförmig) verbunden. Außerdem verläuft von jedem A-Tubulus ein Proteinfaden als Radiärspeiche
nach innen. Die Proteinfäden treten nahe an die Zentralscheide, die die beiden zentralen Tubuli umgibt.
Vom A-Tubulus gehen Ärmchen aus, die aus dem
Protein Dynein bestehen. Die Ärmchen können sich
an den B-Tubulus der benachbarten Doublette anlagern, was zu einer Gleitbewegung zwischen den benachbarten Doubletten führt. Diese Gleitbewegung
(Verschiebebewegung) ist die Grundlage des Zilienschlages, der aus einer schnellen Vorwärtsbewegung
und einer langsamen Rückwärtsbewegung besteht.
Die schnelle Vorwärtsbewegung dient dem Transport von Schleim oder Flüssigkeiten auf der Zelloberfläche.
Kartagener-Syndrom: Beim Kartagener-Syndrom liegt
ein angeborener Defekt der Dynein-Arme in Kinozilien
(und Spermien) vor. Durch den Ausfall der zilienvermittelten Transportfunktion im respiratorischen Epithel
kommt es u. a. zu häufigen Lungenentzündungen, Bronchitiden und Nasennebenhöhlenentzündungen.
Basale Einfaltungen
Mikrovilli, Stereozilien und Kinozilien liegen an der
apikalen Oberfläche, d. h. an der Seite der Zelle, die
zu einem Hohlraum (Organlichtung) gerichtet ist.
Auf der gegenüber liegenden basolateralen Oberfläche (polare Differenzierung) können die basalen Einfaltungen als röhrchenförmige Einsenkungen der
Zellmembran vorkommen. Sie führen zu einer Vergrößerung der Zelloberfläche, wo vermehrt Ionenund Wassertransporte stattfinden.
Zwischen den Einfaltungen (basales Labyrinth) liegen schmale Zytoplasmaabschnitte, die aufgereihte
Mitochondrien enthalten (liefern Energie für Transportvorgänge).
Aus den tiefen Einfaltungen und den in Reihen angeordneten Mitochondrien ergibt sich lichtmikroskopisch das Bild der basalen Streifung. Solche basalen
Einfaltungen (Invaginationen) kommen in Ausführungsgängen der Speicheldrüsen und in Nierentubuli
vor.
2.3 Die Zellkontakte
1
Lerncoach
In der Vorlesung, oder beim Nachschlagen
in anderen Lehrbüchern können Ihnen sehr unterschiedliche Einteilungen und Bezeichnungen
begegnen; im Folgenden ist eine aktuelle Einteilung dargestellt. Es lohnt sich wenig, diese
verschiedenen Einteilungen im Detail abzugleichen. Konzentrieren Sie sich also auf die strukturellen und funktionellen Unterschiede zwischen den verschiedenen Zellkontakten.
2 Zytologie Die Zellkontakte
2.3.1 Der Überblick
In Zellverbänden können die einzelnen Zellen über
spezifische Kontakte miteinander verbunden sein.
Solche Verbindungen sind besonders dort ausgeprägt, wo Zellen dichte Verbände bilden (siehe
Epithelgewebe). Bei den Zellkontakten handelt es
sich um spezifische, d. h. strukturell und funktionell
charakterisierte Zellverbindungen (Abb. 2.5, siehe auch Abb. 2.3). Dabei lassen sich aufgrund ihrer
Funktion drei Gruppen von Zellkontakten unterscheiden:
Kontakte zur mechanischen Verbindung benachbarter Zellen: die Desmosomen und die Adhärens-Kontakte,
Kontakte zur metabolischen und elektrischen (ionalen) Kommunikation benachbarter Zellen: der
Nexus,
Verschlusskontakte (Barrierekontakte): die Zonula occludens,
Zudem kommen Kontakte zwischen Zellen und
Extrazellulärmatrix vor.
2.3.2 Die Kontakte zur mechanischen
Verbindung
Diese Kontakte heißen auch Verankerungs- oder Adhäsionskontakte (Haftkontakte), da sie die Zellen aneinander oder an einer Unterlage haften lassen (vgl.
Membranproteine
a
Connexon
Proteinkanäle
b
Intermediärfilamente
Plaque
c
Interzellularspalt
Mesophragma
Verbindungsproteine
Abb. 2.5 Zellkontakte (Schema). a Zonula occludens
(Tight Junctions). b Nexus (Gap Junctions). c Desmosom (Macula adhaerens).
auch klinischer Fall (S. 18). Dabei wird die Verbindung zwischen zwei Zellen durch transmembranöse
Verbindungsproteine hergestellt. Die Teile der Verbindungsproteine benachbarter Zellen, die in den Interzellulärraum ragen, nehmen Kontakt miteinander
auf. Der zytoplasmatische Teil der Verbindungsproteine ist (in beiden Zellen) in einer plattenartigen Zytoplasmaverdichtung (Plaque) verankert. Dieser (Anheftungs-)Plaque besteht aus Anheftungsproteinen,
sie werden auch als Haftplatten oder submembranöse Verdichtungen bezeichnet. In den Plaque strahlen
Bündel von Filamenten des Zytoskeletts ein. Man unterscheidet zwei Typen von Adhäsionskontakten: die
Desmosomen und die Adhärenskontakte.
Die Desmosomen (Macula adhaerens)
Die Desmosomen (oder Fleckdesmosomen genannt)
sind umschriebene Haftstellen von runder (Durchmesser: 0,1–0,5 μm) oder elliptischer Form
(Abb. 2.5). Sie kommen vor allem in Epithelien und
zudem zwischen Herzmuskelzellen vor. Der Interzellulärspalt des Desmosoms ist etwas weiter (30–
50 nm) als in Bereichen, in denen spezielle Zellkontakte fehlen (20 nm). Er ist mit feinfädigem Material
(Desmogea) gefüllt, das in der Mitte des Interzellulärspaltes eine linienförmige Verdichtung zeigt (Mesophragma).
Die Desmogea besteht aus Cadherinen (Verbindungsproteine: Desmocolline, Desmogleine). Sie ragen in
den zytoplasmatischen Plaque, der von der Zytoplasmamembran durch eine schmale Aufhellungszone
getrennt ist. Der Plaque besteht aus den Anheftungsproteinen (Adaptor-Proteine: Desmoplakin, Plakoglobin, Plakophilin, Plektin u. a. ). In den Plaque
strahlen Intermediärfilamente (Zytokeratin in den
Epithelzellen, Desmin in Herzmuskelzellen) ein.
Verbinden sich die Zelladhäsionsmoleküle (CAMs)
einer Zelle nicht mit den CAMs der Nachbarzelle,
sondern mit der extrazellulären Substanz, der Basallamina (S. 40), so spricht man von Hemidesmosomen. Es handelt sich also um Zell-Matrix-Kontakte.
Diese entsprechen auch strukturell etwa einer Desmosomenhälfte. Als Verbindungsproteine (an die Extrazellulärmatrix) finden sich hier Integrine.
Die Adhärenskontakte
Bei den Adhärenskontakten sind die integralen Verbindungsproteine ebenfalls aus der Gruppe der Cadherine (z. B. E-Cadherin im Epithel, N-Cadherin im
Herzmuskel, VE-Cadherin im Gefäßendothel). Zu
den Plaqueproteinen gehören Aktinin, Vinculin und
Catenine. In den Plaque strahlen Aktinfilamente ein.
Drei Formen von Adhärenskontakten können unterschieden werden: Zonula, Punctum und Fascia adhaerens.
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