Membran und extrazelluläre Matrix

1.3.1 Aufbau der Zellmembran

Zellmembranen bestehen aus einer Doppelschicht von amphiphilen Lipidmolekülen, deren hydrophobe Enden zum Inneren der Doppelschicht ausgerichtet sind, während die hydrophilen Enden in Richtung des Extrazellularraums und in Richtung des Zellinneren weisen. Unter den Lipidmolekülen der Zellmembran gibt es neben den Neutrallipiden Phospholipide, die den überwiegenden Teil ausmachen, Glykolipide und Cholesterin sowie auch komplexe Strukturen, wie Ceramide und Lecithine. Phospholipide bestehen aus einer polaren Phosphatgruppe, das über Glycerin an zwei unpolare

Fettsäureschwänze gebunden ist. Diese Fettsäureschwänze bestehen aus 14–24 Kohlenstoffatomen und können Doppelbindungen enthalten, die einen Knick in

der Alkylkette verursachen und so die Fluidität der Membran vergrößern. Zu den Hauptphospholipiden zählen Phosphatidylcholin, Phosphatidylethanolamin, Phosphati-dylserin und Sphingomyelin. Daneben gibt es z. B. noch die selteneren Inositol-phospholipide. Die Lipiddoppelschicht ist fluide, d. h. einzelne Lipidproteine können innerhalb der Schicht diffundieren. Zudem steht die Zellmembran in ständigem Austausch mit den intrazellulären Membranen von Zellorganellen. Etwa 50 % der Zellmembran wird durch Membranproteine gebildet. Diese können als Transmembran-proteine mit hydrophoben und hydrophilen Anteilen so in die Membran eingebettet sein, dass sie diese ein- oder mehrfach durchmessen und auf beiden Membranseiten mit anderen Proteinen interagieren können. Andere Membranproteine sind nur in einer der beiden Schichten der Lipiddoppelschicht verankert. Membranproteine haben ganz unterschiedliche Funktionen, z. B. als Rezeptoren, Enzyme, Transportproteine, Ionen-kanäle, Zell-Zell- oder Zell-Matrix-Adhäsionsproteine. Darüber hinaus ist eine eukaryotische Zelle von einer Schicht aus Oligosacchariden, die kovalent an Membranproteine und -lipide gebunden sind, sowie aus integralen Proteoglykanen und Polysaccharidketten umgeben, die die Zelle vor mechanischen und chemischen Schäden schützt und Zell-Zell-Interaktionen beeinflusst [22].

Bestandteile der Zellmembran sind, ebenso wie die oben beschriebenen Strukturen, durch ROS-induzierte Schäden gefährdet. Geschädigte Proteine werden z. T. durch gleichzeitig entstehende Lipid-Radikale fraktioniert. Für zytosolische Proteasen sind nur die hydrophilen Domänen der Membranproteine erreichbar, die ins Zytosol ragen.

Hinweise für die Existenz von integralen Membranproteasen wurden ebenfalls gefunden [11].

1.3.2 Extrazelluläre Matrix und Matrixmetalloproteinasen

Zellen sind im Gewebeverband in eine hochkomplexe extrazelluläre Matrix eingebettet, die aus verschiedenen Proteinfasern, wie Kollagen, Laminin, Fibronectin, Elastin, Entactin, Vitronectin, Gelatin und Fibrillin, in einem hydratisierten Gel aus Glykosaminoglykanen besteht. Unter den Proteinfasern gibt es zum einen Elastinfasern, welche quervernetzte Strukturen bilden, die sich ausdehnen und wieder zusammenziehen können, zum anderen Kollagenfasern (Typ I, II, III und XI), die den Extrazellularraum in Form seilartiger Fibrillen durchziehen und ihm Stabilität geben.

Kollagen Typ IV und Laminin sind am Aufbau der Basalmembran beteiligt, welche die Epithelien von darunterliegenden Gewebeschichten trennt. Aufgabe der extrazellulären Matrix ist es u. a., Zell-Zell-Verbindungen im Gewebe zu ermöglichen sowie Zellform und -polarität zu bestimmen. Die Organisation der Faserproteine hat zudem einen Einfluss auf die Organisation des Zytoskeletts der angrenzenden Zellen und somit auch auf deren Ausbreitung. Außerdem binden Bestandteile der extrazellulären Matrix an Zelloberflächenrezeptoren und greifen in Signalübertragungswege ein [22,19].

Matrixmetalloproteinasen (MMP) bilden eine Gruppe von zink- oder calcium-abhängigen, extrazellulär aktiven Peptidasen, die nahezu alle Bestandteile der extrazellulären Matrix spalten können. Auch zahlreiche zellmembrangebundene und lösliche extrazelluläre Proteine, wie die Gerinnungsfaktoren Fibrinogen und Plasminogen oder bestimmte Zytokine, Chemokine und Wachstumsfaktoren, können von MMPs abgebaut werden. Im Menschen sind 23 verschiedene MMPs bekannt, die sich in den Strukturdomänen gleichen, aber in ihrer Substratspezifität variieren. Die meisten MMPs lassen sich in die drei Hauptgruppen der Kollagenasen, Gelatinasen und Stromalysine einteilen. Daneben gibt es noch die kleineren Gruppen der Membrantyp-MMPs, Matrilysine, Elastasen und sonstigen MMPs [19]. Matrixmetalloproteinasen werden u. a. von Zellen der monozytären Entwicklungslinie als inaktive Proenzyme sezerniert. Durch verschiedene Enzyme oder Substanzen, u. a. auch durch ROS, werden diese unter Abspaltung der Prodomäne extrazellulär aktiviert. Manche MMPs werden auf diese Weise durch andere MMPs aktiviert, wie z. B. MMP-1 durch MMP-7 [19,21].

Monozyten nach H2O2-Stimulation beobachtet, die von der Aktivierung des Transkriptionsfaktors NFκB abhängig zu sein scheint [20].

MMPs spielen eine große Rolle bei unterschiedlichen Prozessen des Um- und Abbaus von Gewebe, z. B. bei der embryonalen Entwicklung, dem Knochenwachstum, der Angiogenese, dem Menstruationszyklus, der Rückbildung des postpartalen Uterus, der Wundheilung oder dem Umbau von geschädigten Gewebeverbänden. Auch bei krankhaften Prozessen, die mit Gewebeumbau verbunden sind, wie Entzündungen, Zirrhosen, Fibrosen, Sklerosen, Tumorwachstum oder Metastasierung spielen MMPs eine Rolle. Bei Immun- und Entzündungsreaktionen ermöglichen sie Entzündungszellen die Migration durch das Gewebe, aktivieren oder inaktivieren Zytokine durch Spaltung und wirken an der Antigenpräsentation an der Zelloberfläche von Ag-präsentierenden Zellen mit [19]. Im physiologischen Zustand stehen die MMPs in einem Gleichgewicht zu den „tissue inhibitors of matrixmetalloproteinases“ (TIMPs). Eine Störung dieses Gleichgewichts kann z. B. im Falle von Tumorzellen zu invasivem Wachstum und Metastasierung führen, da die MMPs es dem Tumor ermöglichen, Gewebe zu infiltrieren, Organgrenzen zu überschreiten, Basal-membranen zu durchbrechen, Zugang zu Lymph- und Blutgefäßen zu erlangen und dem Immunsystem zu entgehen.

Außerdem sind MMPs an der Aktivierung bzw. Deaktivierung von Wachstumsfaktoren, Zelladhäsionsmolekülen, Apoptosefaktoren, Angiogenesefaktoren etc. im Rahmen der Tumorentwicklung beteiligt. In vielen Tumoren wird daher eine erhöhte Expression von MMPs gefunden [21].