Überblick

Um die Gewebestruktur zu erhalten, sind viele tierische Zellen von Strukturmolekülen umgeben. Sie bilden die extrazelluläre Matrix (ECM). Zusammen geben die Moleküle in der ECM die strukturelle Integrität des Gewebes sowie die bemerkenswerten spezifischen Eigenschaften bestimmter Gewebe.

Zusammensetzung der extrazellulären Matrix

Die extrazelluläre Matrix (ECM) besteht in der Regel aus einer Grundsubstanz, einer gelartigen Flüssigkeit, faserigen Komponenten und vielen strukturell und funktionell unterschiedlichen Molekülen. Zu diesen Molekülen gehören Polysaccharide, die Glykosaminoglykane (GAGs) genannt werden. GAGs nehmen den größten Teil des extrazellulären Raums ein und nehmen oft ein großes Volumen im Verhältnis zu ihrer Masse ein. Dadurch entsteht eine Matrix, die enormen Druckkräften standhalten kann. Die meisten GAGs sind mit Proteinen verbunden. Dadurch entstehen Proteoglykane. Diese Moleküle binden aufgrund ihrer positiven Ladung Natrium-Ionen und ziehen daher Wasser an und somit bleibt die ECM hydratisiert.

Die ECM enthält auch starre Fasern wie Kollagene. Sie machen den primären Proteinbestandteil der ECM aus. Kollagene sind die am häufigsten vorkommenden Proteine in Tieren und machen 25% der Masse aller Proteine aus. Eine große Vielfalt an Kollagenen mit strukturellen Ähnlichkeiten verleiht vielen Geweben eine dehnbare Festigkeit.

Gewebe wie Haut, Blutgefäße und Lungen müssen sowohl fest als auch dehnbar sein, um ihre physiologische Rolle erfüllen zu können. Ein Protein namens Elastin gibt bestimmten Fasern die Fähigkeit, sich zu dehnen und zusammen zuziehen. Fibronektin ist ein Glykoprotein, das für die Zelladhäsion wichtig ist, da es sich direkt an Proteine anlagert, die die Zellmembranen durchziehen, insbesondere Integrine, und somit die Membran mit der ECM verbindet. Integrin interagiert auch mit Kollagen, was intrazelluläre Reaktionen auslösen kann.

Die extrazelluläre Matrixzusammensetzung ist gewebe- und zelltypabhängig

Die Zusammensetzung und der relative Anteil jedes dieser Moleküle werden durch verschiedene Faktoren bestimmt. Dazu gehören die Lage, die physiologische Funktion und die benachbarten Zelltypen des Gewebes, in dem die Zellen sind. Dieser spezifische molekulare Aufbau der ECM wird als lokales Mikroumfeld bezeichnet. In bestimmten Geweben scheiden Zellen Moleküle aus, welche die Zusammensetzung der umgebenden ECM bestimmen. Beispielsweise synthetisieren, modifizieren und schütten Darmzellen Moleküle aus, die für die umgebende Matrix notwendig sind. Hingegen erzeugen Osteoblasten die Moleküle der starren ECM der menschlichen Knochen. Diese Vielfalt in der Zusammensetzung der ECM in den verschiedenen Geweben schafft besondere Eigenschaften entsprechend ihrer einzigartigen Rolle und Funktion.

Die extrazelluläre Matrix kann an der Zellkommunikation beteiligt sein

Die Interaktion zwischen Zellen und der lokalen ECM hat auch intrazellulären Effekt. So können z.B. Kräfte auf die Transmembranintegrin-Moleküle zu einer Aktivierung des intrazellulären Actomyosin-Netzwerks führen. Dies kann die Zellmigration, Zellteilung und andere zelluläre Reaktionen verursachen. Einige dieser Auswirkungen führen zu Veränderungen der Genexpression und der Zell-Signalkaskaden. Ebenso kann Integrin intrazelluläre Informationen nach außen vermitteln. Zusätzlich kann die ECM Signalmoleküle binden, die beim Abbau der ECM freigesetzt werden können.

Umbau der extrazellulären Matrix

Tierische Zellen müssen die Fähigkeit haben, die ECM abzubauen und umgestalten zu können. Dies gilt insbesondere bei der Reparatur und dem Wachstum von Gewebe. Folglich besitzen Zellen typischerweise die notwendigen Enzyme, um die ECM abzubauen. Zu diesen Enzymen gehören Matrix-Metalloproteasen (MMPs). Sie bauen zusammen mit anderen Enzymen Proteine wie Kollagen und Fibronektin ab. Der Abbau und Umbau der ECM ist wichtig für ein gesundes Gewebewachstum und für die Verzweigung von Blutgefäßen. Auf der anderen Seite trägt der ECM-Umbau auch zur Metastasierung von Krebszellen bei, wenn sich diese im Körper ausbreiten.