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4.13: Die extrazelluläre Matrix
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The Extracellular Matrix
 
PROTOKOLLE

4.13: The Extracellular Matrix

4.13: Die extrazelluläre Matrix

Overview

In order to maintain tissue organization, many animal cells are surrounded by structural molecules that make up the extracellular matrix (ECM). Together, the molecules in the ECM maintain the structural integrity of tissue as well as the remarkable specific properties of certain tissues.

Composition of the Extracellular Matrix

The extracellular matrix (ECM) is commonly composed of ground substance, a gel-like fluid, fibrous components, and many structurally and functionally diverse molecules. These molecules include polysaccharides called glycosaminoglycans (GAGs). GAGs occupy most of the extracellular space and often take up a large volume relative to their mass. This results in a matrix that can withstand tremendous forces of compression. Most GAGs are linked to proteins—creating proteoglycans. These molecules retain sodium ions based on their positive charge and therefore attract water, which keeps the ECM hydrated.

The ECM also contains rigid fibers such as collagens—the primary protein component of the ECM. Collagens are the most abundant proteins in animals, making up 25% of protein by mass. A large diversity of collagens with structural similarities provide tensile strength to many tissues.

Notably, tissue like skin, blood vessels, and lungs need to be both strong and stretchy to perform their physiological role. A protein called elastin gives particular fibers the ability to stretch and retract. Fibronectin is a glycoprotein important in cell adhesion, as it directly attaches to proteins that span the membrane of cells, specifically integrins, linking the membrane to the ECM. Integrin also interacts with collagen which may elicit intracellular responses.

Extracellular Matrix Composition Is Tissue- and Cell-type Dependent

The makeup and relative proportion of each of these molecules are determined by the location, physiological function, and neighboring cell types of the tissue in which the cells reside. This specific molecular makeup of the ECM is referred to as the local microenvironment. Cells in a particular tissue secrete molecules which determines the surrounding ECM. For example, intestinal cells synthesize, modify, and secrete the molecules necessary for the matrix that surrounds them, while osteoblasts generate the molecules of the rigid ECM of human bone. This diversity in ECM composition in different tissues creates particular properties according to their unique role and function.

Extracellular Matrix Can Be Involved in Cell Communication

The interaction between cells and the local ECM has been shown to have an intracellular impact as well. For example, forces on transmembrane integrin molecules can result in activation of the intracellular actomyosin network. This may promote cell migration, division, and other cellular responses. Some of these responses include changes in gene expression and cell signaling cascades. Likewise, integrin can communicate intracellular information to the outside of the cell. Additionally, ECM is known to bind signaling molecules, which can be released upon ECM degradation.

Remodeling of the Extracellular Matrix

Animal cells need to have the capacity to degrade and remodel the ECM. This is particularly true in cases of tissue repair and growth. Consequently, cells typically possess the enzymes necessary to break down the ECM. These enzymes include matrix metalloproteases (MMPs) which work with other enzymes to degrade proteins such as collagen and fibronectin. ECM degradation and remodeling is important in healthy tissue growth including blood vessel branching. On the downside, ECM remodeling also contributes to the metastasis of cancerous cells as they spread through the body.

Überblick

Um die Gewebestruktur zu erhalten, sind viele tierische Zellen von Strukturmolekülen umgeben. Sie bilden die extrazelluläre Matrix (ECM). Zusammen erhalten 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 halten aufgrund ihrer positiven Ladung Natriumionen zurück und ziehen daher Wasser an. So 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 Proteins aus. Eine große Vielfalt an Kollagenen mit strukturellen Ähnlichkeiten verleiht vielen Geweben eine hohe Festigkeit.

Gewebe wie Haut, Blutgefäße und Lungen müssen sowohl stark als auch dehnbar sein, um ihre physiologische Rolle erfüllen zu können. Ein Protein namens Elastin gibt bestimmten Fasern die Fähigkeit, sich zu dehnen und zu kontrahieren. Fibronectin ist ein Glykoprotein, das für die Zelladhäsion wichtig ist, da es sich direkt an Proteine anlagert. Sie überspannen Zellmembranen, insbesondere Integrine, welche die Membran mit der ECM verbinden. 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 leben. 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 die Darmzellen die Moleküle aus, die für die sie 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 in ihrer Lage.

Die extrazelluläre Matrix kann an der Zellkommunikation beteiligt sein

Die Interaktion zwischen Zellen und der lokalen ECM hat sich auch intrazellulär bewährt. So können z.B. Kräfte auf Transmembranintegrin-Moleküle zu einer Aktivierung des intrazellulären Actomyosin-Netzwerks führen. Dies kann die Zellmigration,-teilung und andere zelluläre Reaktionen fördern. Einige dieser Reaktionen umfassen Veränderungen der Genexpression und der Zell-Signalkaskaden. Ebenso kann Integrin intrazelluläre Informationen nach außen kommunizieren. Zusätzlich kann 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.


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