Zellkontakttypen, Tight junctions und Haftkontakte
Diese Einheit ordnet die tierischen Zellkontakte nach Funktion und Bauprinzip und erklärt, wie Tight junctions Epithelien und die Blut-Hirn-Schranke abdichten.
Das Wichtigste in Kürze
- Zellkontakte verbinden eine Zelle mit Nachbarzellen oder der Matrix und werden in Kommunikations-, Verschluss- und Haftkontakte eingeteilt.
- Kontakte bestehen aus Transmembranproteinen, Adaptorproteinen und Cytoskelettfilamenten.
- Gap junctions gibt es nur bei tierischen Zellen. Pflanzen nutzen Plasmodesmata als Kommunikationskontakt.
- Tight junctions behindern die parazelluläre Diffusion von Wasser und hydrophilen Stoffen, etwa im Darmepithel und distalen Nierentubulus, und sind für Proteine meist unpassierbar.
- Tight junctions verhindern die Lateraldiffusion von Membranproteinen zwischen apikaler und basolateraler Domäne und bilden zwischen Endothelzellen der Hirnkapillaren die Blut-Hirn-Schranke.
- Desmosomen verbinden Zellen über Cadherine, Hemidesmosomen verankern Zellen über Integrin an der Basalmembran, beide über Intermediärfilamente.
Worum es geht
Zellen eines Gewebes liegen nicht lose nebeneinander. Spezialisierte Kontakte halten sie zusammen, dichten Spalten ab oder koppeln ihr Cytoplasma. Für die Pharmazie ist vor allem die Abdichtung wichtig: Sie entscheidet, ob ein Arzneistoff das Darmepithel oder die Blut-Hirn-Schranke überwinden kann.
Was Zellkontakte sind
Zellkontakte sind spezialisierte Membranbereiche, an denen eine Zelle mit ihrer Umgebung verbunden ist. Ein Zell-Zell-Kontakt verknüpft zwei benachbarte Zellen. Ein Zell-Matrix-Kontakt verankert eine Zelle an der Extrazellulärmatrix, bei Epithelien an der Basalmembran.
Nach ihrer Aufgabe unterscheidet man drei Gruppen:
- Kommunikationskontakte verbinden das Cytoplasma benachbarter Zellen und lassen Ionen und kleine Moleküle durch, etwa gap junctions.
- Verschlusskontakte dichten den Interzellularspalt ab. Das sind die Tight junctions.
- Haftkontakte halten Zellen mechanisch an Nachbarzellen oder an der Matrix fest, etwa Adhärenzverbindungen, Desmosomen und Hemidesmosomen.
Am deutlichsten sieht man alle Typen in Epithelien. Dort liegen sie in fester Reihenfolge von apikal nach basal. Ganz oben sitzt die Tight junction, darunter folgen Adhärenzverbindung und Desmosom. Gap junctions liegen seitlich, das Hemidesmosom verankert die Zelle basal auf der Basalmembran.
Bauprinzip und Vorkommen
Die meisten Kontakte folgen einem gemeinsamen Bauplan aus drei Bausteinen. Man kann sich das wie eine Wandhalterung vorstellen: Ein Haken ragt nach außen, ein Dübel hält ihn innen fest, und dahinter liegt das tragende Mauerwerk.
- Transmembranproteine durchqueren die Biomembran. Außen binden sie an ein Partnerprotein der Nachbarzelle oder an die Matrix.
- Adaptorproteine sitzen auf der cytoplasmatischen Seite. Sie verbinden die Transmembranproteine mit dem Cytoskelett und bilden oft eine dichte Plaque.
- Cytoskelettfilamente nehmen die Kraft auf, je nach Kontakt Aktinfilamente oder Intermediärfilamente.
| Kontakt | Gruppe | Transmembranprotein | Cytoskelett |
|---|---|---|---|
| Tight junction | Verschluss | Claudine, Occludin | Aktin |
| Adhärenzverbindung | Haft, Zelle–Zelle | E-Cadherin | Aktin |
| Desmosom | Haft, Zelle–Zelle | Cadherine (Desmoglein, Desmocollin) | Intermediärfilamente |
| Hemidesmosom | Haft, Zelle–Matrix | Integrin | Intermediärfilamente |
| Gap junction | Kommunikation | Connexine | keine feste Verankerung |
Alle drei funktionellen Gruppen kommen in tierischen und menschlichen Geweben vor. Tight junctions verschließen den Spalt zwischen Epithelzellen von Wirbeltieren. Desmosomen findet man in Epithelien und vielen weiteren Vertebratengeweben, etwa im Herzmuskel. Auch zwischen Epithelzellen gibt es gap junctions.
Gap junctions gibt es nur bei tierischen Zellen. Pflanzenzellen trennt eine Zellwand. Ihren Kommunikationskontakt bilden die Plasmodesmata, die anders gebaut sind, aber dieselbe Aufgabe erfüllen.
Tight junctions
An der Tight junction verschmelzen die Außenblätter benachbarter Membranen fast. Leisten aus Claudinen und Occludin laufen gürtelförmig um jede Zelle und verschließen den Spalt wie ein Reißverschluss.
Bei der parazellulären Diffusion gelangt ein Stoff durch den Interzellularspalt zwischen zwei Zellen hindurch. Beim transzellulären Weg passiert er dagegen die Zelle selbst, über apikale und basolaterale Membran.
Tight junctions erschweren oder verhindern diesen parazellulären Weg. Das betrifft vor allem Wasser und hydrophile Stoffe, Proteine kommen in der Regel gar nicht durch. Ein Stoff muss dann transzellulär über Transporter gehen, die die Zelle reguliert. Wie dicht der Verschluss ist, hängt vom Epithel ab. Im Darmepithel und im distalen Nierentubulus trennt er das Lumen wirksam vom Interstitium.
Die zweite Aufgabe ist die eines Zauns. Membranproteine können in der Ebene der Membran wandern, das ist die Lateraldiffusion. Tight junctions stoppen diese Bewegung. So entstehen zwei Bereiche mit unterschiedlicher Ausstattung: die apikale Domäne zum Lumen und die basolaterale Domäne zu Nachbarzellen und Basalmembran.
Im Enterozyten sitzt SGLT1 apikal und nimmt Glucose mit \(\ce{Na+}\) auf. GLUT2 und die \(\ce{Na+}\)/\(\ce{K+}\)-ATPase liegen basolateral und geben Glucose ans Blut ab bzw. pumpen \(\ce{Na+}\) hinaus. Gerichteter Transport funktioniert nur, weil die Tight junction beide Gruppen getrennt hält.
Anders als gap junctions verbinden Tight junctions nicht das Cytoplasma der Nachbarzellen. Sie dienen daher nicht dem Austausch von Ionen und kleinen Molekülen zwischen Zellen, sondern dem Abdichten.
Wird im Examen gerne gefragt: Tight junctions behindern die parazelluläre Diffusion von Wasser und hydrophilen Stoffen und sind für Proteine in der Regel unpassierbar. Achte auf die zweite Funktion, das Verhindern der Lateraldiffusion von Membranproteinen zwischen apikaler und basolateraler Domäne.
Blut-Hirn-Schranke
Dasselbe Prinzip schützt das Gehirn. In Hirnkapillaren verbinden durchgehende Tight junctions die Endothelzellen lückenlos. Poren fehlen, anders als in fenestrierten Kapillaren anderer Organe. Basalmembran, Perizyten und Endfüßchen der Astrozyten umgeben das Endothel und stützen die Schranke.
Hydrophile Stoffe können so nicht parazellulär aus dem Blut ins Hirngewebe austreten. Kleine lipophile Moleküle diffundieren dagegen durch die Membranen. Benötigte hydrophile Stoffe wie Glucose gelangen über Carrier hinein. Deshalb wirkt Dopamin bei Morbus Parkinson nicht zentral, seine Vorstufe Levodopa erreicht das Gehirn über einen Aminosäure-Carrier. Mehr zur Lage der Schranke steht bei der Gliederung des Gehirns.
Desmosomen und Hemidesmosomen
Desmosomen sind punktförmige Haftkontakte zwischen zwei Zellen. Cadherine wie Desmoglein und Desmocollin überbrücken den Spalt. Innen verankern Plaqueproteine wie Plakoglobin und Desmoplakin Intermediärfilamente, in Epithelien Keratinfilamente. So verteilt sich Zug über das ganze Gewebe, etwa in der Epidermis oder im Herzmuskel.
Hemidesmosomen sehen aus wie ein halbes Desmosom, binden aber an die Matrix. Damit sind sie Zell-Matrix-Kontakte. Auch an ihnen ist das Cytoskelett beteiligt: Das Adaptorprotein Plectin koppelt Keratinfilamente an Integrin, das an Laminin der Basalmembran bindet.
Zelle an Zelle. Transmembranproteine: Cadherine. Cytoskelett: Intermediärfilamente.
Zelle an Basalmembran. Transmembranprotein: Integrin, Partner Laminin. Cytoskelett: Intermediärfilamente über Plectin.
Quiz
Aussage 1
Im Darmepithel schränken Tight junctions die Diffusion von Wasser und hydrophilen Stoffen durch den Interzellularspalt ein.
Tight junctions verschließen den Spalt und behindern so den parazellulären Weg.
Aussage 2
Die Tight junctions der Blut-Hirn-Schranke verbinden die Endfüßchen der Astrozyten miteinander.
Die Tight junctions liegen zwischen den Endothelzellen der Hirnkapillaren. Astrozyten und Perizyten umgeben das Endothel nur stützend.
Aussage 3
Tight junctions dienen dem direkten Austausch von Ionen zwischen dem Cytoplasma benachbarter Zellen.
Tight junctions sind Verschlusskontakte und verbinden das Cytoplasma nicht. Den Austausch von Ionen und kleinen Molekülen übernehmen gap junctions.
Aussage 4
Hemidesmosomen binden über Cadherine an Nachbarzellen und sind am Aktin-Cytoskelett verankert.
Hemidesmosomen sind Zell-Matrix-Kontakte. Sie binden über Integrin an Laminin der Basalmembran und sind über Plectin an Intermediärfilamenten (Keratin) verankert.
Aussage 5
Weil Tight junctions die Lateraldiffusion von Membranproteinen stoppen, bleibt SGLT1 in der apikalen Membran des Enterozyten.
Tight junctions trennen apikale und basolaterale Domäne. SGLT1 bleibt apikal, GLUT2 und die \(\ce{Na+}\)/\(\ce{K+}\)-ATPase bleiben basolateral.
Aussage 6
Gap junctions kommen nur bei tierischen Zellen vor, Pflanzenzellen kommunizieren über Plasmodesmata.
Gap junctions und Plasmodesmata sind beide Kommunikationskontakte, gap junctions gibt es aber nur bei Tieren.
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