Zusammenfassung
Der Begriff „Bindegewebe“ kann auf zweierlei Arten interpretiert werden: Zum einen „verbindet“ Bindegewebe verschiedene Gewebetypen im Körper und dient dabei als Reserve- oder Verschiebeschicht, bspw. zwischen der Schleimhaut und der glatten Muskulatur im Darm. Zum anderen stellt der besondere Zellzwischenraum des Bindegewebes, den man auch als „Extrazellulärmatrix“ bezeichnet, eine Art „Bindemittel“ für große Mengen von Ionen und Wasser dar, die entscheidend zu den biomechanischen Eigenschaften des Bindegewebes beitragen.
Entwicklung und Zusammensetzung
Entwicklung des Bindegewebes
Unabhängig von der Lokalisation geht sämtliches Binde- und Stützgewebe im Körper aus dem Mesenchym hervor. Das Mesenchym selbst stammt größtenteils aus dem Mesoderm.
- Ausgang: Vorwiegend Mesoderm
- Weitere Entwicklungsschritte
- Mesoderm differenziert sich zum Mesenchym
- Mesenchym
- Definition: Embryonales Bindegewebe
- Aufbau
- Zellen: Multipotente mesenchymale Stammzellen
- Interzellulär: Reichlich Wasser bindendes Hyaluronat (= Gallertige Matrix)
- Mesenchym
- Mesenchym bildet alle Zellen des Bindegewebes
- Bindegewebszellen synthetisieren die Interzellularsubstanz (= Extrazellulärmatrix)
- Mesoderm differenziert sich zum Mesenchym
Zusammensetzung des Bindegewebes
Bindegewebe besteht aus speziellen Zellen und dem zwischenliegenden Interzellularraum. Der Interzellularraum nimmt im Bindegewebe ein besonders großes Volumen ein und enthält Faserproteine sowie eine spezielle „Grundsubstanz“, die in der Lage ist, viel Wasser zu binden.
Zellen
- Ortsständige Zellen
- Mobile Zellen
Extrazellulärmatrix
- Fasern
- Aufgebaut aus Kollagenmolekülen
- Elastische Fasern (aufgebaut aus Elastinmolekülen)
- „Grundsubstanz“
- Wasser
Zellen des Bindegewebes
Der Hauptzelltyp im Bindegewebe ist der Fibroblast, der für Synthese und Umbau der Extrazellulärmatrix sorgt. Weiterhin befinden sich im Bindegewebe verschiedene Zellen des Immunsystems.
- Ortsständige Zellen
- Fibroblast
- Definition: Häufigster Zelltyp des Bindegewebes, dessen Hauptaufgabe die Synthese und der Umbau der Extrazellulärmatrix ist
- Histologische Eigenschaften: Spindelförmige Zelle mit verzweigten Fortsätzen, die ein dreidimensionales Netzwerk zwischen Fibroblasten herstellen
- Fibrozyt: Entsprechen Fibroblasten mit geringer Syntheseaktivität
- Myofibroblast
- Definition: Kontraktile „Hybridzelle“ mit Eigenschaften von Fibroblasten und Leiomyozyten, die Bestandteile der Extrazellulärmatrix synthetisiert
- Histologische Eigenschaften: Lichtmikroskopisch nicht von Fibroblasten unterscheidbar
- Vorkommen
- Physiologisch: Myometrium (Uterus), Tunica albuginea (Hoden), Alveolargerüst (Lunge), Pericyten (Blutgefäße), Milzkapsel
- In verletzten Geweben (Wundheilung)
- Fibroblast
- Mobile Zellen: Im Bindegewebe patrouillieren ständig Zellen des Immunsystems wie Lymphozyten, Plasmazellen, Makrophagen sowie Mastzellen.
Extrazellulärmatrix
Unter dem Begriff „Extrazellulärmatrix“ (EZM) muss man sich ein dreidimensionales Netzwerk aus verschiedenen Makromolekülen vorstellen. Je nach genauer Zusammensetzung der Extrazellulärmatrix hat das Bindegewebe verschiedene biomechanische Eigenschaften. Die Makromoleküle lassen sich in folgende Hauptgruppen einteilen:
Bindegewebsfasern
Die drei Fasertypen der EZM (kollagene, retikuläre und elastische Fasern) bestehen jeweils aus mehreren Tausend hintereinander geketteten Proteinmolekülen. Dabei unterscheidet man zwei Arten von Proteinen: Kollagen und Elastin. Kollagenmoleküle bilden die kollagenen Fasern und die retikulären Fasern, während Elastinmoleküle die elastischen Fasern bilden.
Kollagen
- Definition: Kollagene sind Glykoproteine, die von Fibroblasten sezerniert werden und sich extrazellulär zu langkettigen, teils faserbildenden Makromolekülen (=Polymeren) zusammenlagern. Man unterscheidet je nach Aminosäuresequenz ca. 20 Isoformen.
- Eigenschaften der Kollagenmoleküle
- Wasserunlöslich
- Es gibt faserbildende (fibrilläre) und nicht faserbildende (=nicht fibrilläre) Kollagentypen
- Aufbau: Kollagenmolekül = Protein mit repetitiver Aminosäuren-Abfolge (Gly-X-Y)n
- Die erste Aminosäure dieser Dreierfolge ist immer Glycin
- Position X: Meist Prolin (Am zweithäufigsten: Lysin oder Hydroxylysin)
- Position Y: Meist Hydroxyprolin (Am zweithäufigsten: Lysin oder Hydroxylysin)
- Abbau: Erfolgt enzymatisch durch spezifische Kollagenasen
- Biosynthese: Die Kollagenbildung entspricht der Biosynthese von sekretorischen Proteinen mit mehreren posttranslationalen Modifikationen, die in nachfolgender Tabelle dargestellt werden.
Kollagenbiosynthese und posttranslationale Modifikation | ||||
---|---|---|---|---|
Synthese-Schritte | Definition | Ort | Ablauf | Zwischenprodukt |
1. Translation |
| IZ (rER) |
| Prä-Prokollagen |
2. Hydroxylierung |
| IZ (rER) |
| Prokollagen (= Pro-α-Kette) |
3. Glykosylierung |
| IZ (rER) |
| |
4. Tripelhelixbildung |
| IZ (rER) |
| Prokollagen (= Tripelhelix) |
5. Exozytose |
| IZ (Golgi) → EZ |
| |
6. Prozessierung |
| EZ |
| Tropokollagen |
7. Fibrillogenese |
| EZ |
| Kollagenfibrille |
8. Faserbildung |
| EZ | Kollagenfaser (= Endprodukt) | |
Abkürzungen: IZ = intrazellulär; EZ = extrazellulär; EZM = Extrazellulärmatrix; rER = raues endoplasmatisches Retikulum |
Vitamin C wird für die Hydroxylierung von Prolin und Lysin benötigt, ist also Cofaktor für die Prolylhydroxylase und die Lysylhydroxylase. Diese Hydroxylierung ist die Voraussetzung für eine spätere Quervernetzung des Kollagens. Die eigentliche Quervernetzung durch die Lysyloxidase(!) ist nicht Vitamin-C-abhängig!
Osteogenesis imperfecta (sog. Glasknochenkrankheit)
Osteogenesis imperfecta bezeichnet eine Gruppe genetisch bedingter Knochenerkrankungen mit stark herabgesetzter Knochenstabilität aufgrund einer Störung der Kollagensynthese. Aktuell sind elf verschiedene Formen beschrieben, die sich hinsichtlich Genlocus der Mutation sowie Schwere der Erkrankung unterscheiden. Ca. 90% aller Fälle von Osteogenesis imperfecta sind durch autosomal-dominante Mutationen im Gen für das Kollagen-Typ-I-Protein bedingt. Beispielsweise kommt es bei der Osteogenesis imperfecta Typ IV durch eine Mutation zum Austausch eines Glycins durch verschiedene größere Aminosäuren. Das führt dazu, dass die "Verdrillung" der drei Pro-α-Ketten zur Tripelhelix gestört ist. So entsteht fehlerhaftes Kollagen, das seine stabilisierende Funktion innerhalb der Extrazellulärmatrix des Knochens nicht erfüllen kann. Betroffene neigen schon bei geringen Knochenbelastungen zu Frakturen, teilweise sogar bereits intrauterin oder während der Geburt. Somit können Erkrankte im Laufe des Lebens mehr als hundert Knochenbrüche erleiden, mit der Folge von späteren Knochenfehlstellungen und Kleinwuchs.
Elastin
Elastin ist neben dem Kollagen das zweite faserbildende Protein der Extrazellulärmatrix. Jeweils mehrere Elastinmoleküle werden miteinander vernetzt (= Polymerisation) und zu elastischen Fasern gebündelt, die u.a. den Blutgefäßen oder der Haut ihre Elastizität verleihen.
- Definition: Elastin ist ein Protein mit hohem Anteil der Aminosäuren Glycin und Prolin
- Eigenschaften: Elastizität des Bindegewebes (aufgrund alternierender α-Helices und hydrophober Domänen)
- Biosynthese
- Intrazellulär: Synthese des Vorläuferpeptids Tropoelastin → Exozytose
- Extrazellulär: Tropoelastin lagert sich an Mikrofibrillen (bestehend aus dem Protein Fibrillin) an → Kovalente Quervernetzung der Tropoelastine untereinander durch Lysyloxidase → Elastische Faser
- Abbau: Erfolgt enzymatisch durch Elastase (Hemmung der Elastase durch α1-Antitrypsin)
Marfan-Syndrom
Beim genetisch bedingtem Marfan-Syndrom kommt es aufgrund einer Fibrillin-1-Genmutation zu fehlerhaftem Aufbau elastischer Fasern. Die resultierende Bindegewebsschwäche führt äußerlich zu Hochwuchs, abnorm beweglichen Gelenken mit Luxationsneigung und Spinnenfingrigkeit. Innerlich kann es zu aneurysmatischer Aussackung der Aorta mit potenziell lebensbedrohlicher Dissektion kommen.
Faserarten der Extrazellulärmatrix
Kollagene Fasern | Retikuläre Fasern | Elastische Fasern | |
---|---|---|---|
Grundbaustein | Kollagen (v.a. Typ I) | Kollagen (v.a. Typ III) | Elastin |
Eigenschaften | Zugfestigkeit | Zugfestigkeit bei begrenzter Dehnbarkeit | Elastizität |
Vorkommen |
|
| |
Assoziierte Proteine | - | Basalmembran-assoziierte Glykoproteine (→ Basalmembran) | Mit Hilfe dieser Proteine bilden elastische Fasern ein dreidimensionales Netzwerk:
|
Mikroskopische Anatomie |
|
|
|
Je mehr kollagene Fasern in der Matrix, desto höher die Zugfestigkeit des Gewebes! Je mehr elastische Fasern in der Matrix, desto höher die Dehnbarkeit des Gewebes!
Glykosaminoglykane
- Definition: Glykosaminoglykane sind lange Kohlenhydratketten aus sich wiederholenden Disaccharideinheiten ohne Proteinanteil, starke negative Ladung, bilden den größten Volumenanteil an der Extrazellulärmatrix.
- Aufbau eines GAG-Moleküls: Polymer aus sich wiederholenden Disaccharid-Einheiten
- Bauprinzip: 1. Zucker = Hexuronsäure, 2. Zucker = Hexosamin
- Beispiel: Hyaluronan besteht aus Glucuronsäure und N-Acetylglucosamin
- Funktion
- Bindung von H2O im Bindegewebe → Polsterfunktion
- Bestandteil der Proteoglykane
- Vier Hauptgruppen: Hyaluronat, Chondroitinsulfat, Heparin/Heparansulfat, Keratansulfat
Hauptgruppe | Disaccharid-Einheiten | Glykosidische Bindung | Vorkommen | Besonderheiten | |
---|---|---|---|---|---|
Hyaluronat | GlcA + GlcNAc | β |
|
| |
Chondroitinsulfate | Chondroitin-4-sulfat | GlcA + GalNAc | β |
| |
Chondroitin-6-sulfat | GlcA + GalNAc | β |
| ||
Dermatansulfat | GlcA / IduA + GalNAc | β |
| ||
Heparin | GlcA / IduA + GlcN | α und β |
|
| |
Heparansulfat | GlcA / IduA + GlcN / GlcNAc |
| |||
Keratansulfat | Gal + GlcNAc | β |
| ||
Abk.: GlcA = Glucuronsäure, GlcNAc = N-Acetylglucosamin, GalNAc = N-Acetylgalaktosamin, IduA = Iduronsäure, GlcN = Glucosamin, Gal = Galactose |
Allen Glykosaminoglykanen gemein ist ihre starke negative Ladung durch ihre Sulfat- und Carboxylgruppen. Zusammen mit Na+-Kationen können dadurch große Mengen von Wasser in der Matrix gebunden werden.
Nicht-orale Antikoagulation mit Heparin
Das Glykosaminoglykan Heparin wird klinisch als subkutane Injektionslösung zur Thromboseprophylaxe genutzt. Es wirkt durch Bindung an Antithrombin im Blut. Um zu binden, müssen die Heparinmoleküle mindestens 18 Monosaccharide lang sein. Für diese Bindung verantwortlich ist eine spezifische Pentasaccharidabfolge im Heparin, die im Zentrum ein Glucosamin mit essenzieller negativ geladener C3-Sulfatgruppe aufweist. Die aus der Heparinbindung resultierende Konformationsänderung des Antithrombins beschleunigt den Abbau seiner Substrate Thrombin und Faktor Xa etwa um den Faktor 1000.
Proteoglykane
- Definition: Protein mit vielen kovalent verknüpften Glykosaminoglykan-Seitenketten. Aufgrund der Vielfalt der Glykosaminoglykane sowie der variablen Kettenlänge ergibt sich eine fast unendliche Anzahl von Proteoglykanmolekülen.
- Funktionen
- Mechanisch
- H2O-Bindung → Dämpfungs- und Stützfunktion (z.B. im Knorpelgewebe → vgl. Druckelastizität des Gelenkknorpels)
- Zell-Zell- bzw. Zell-Matrix-Kontakte
- Zellkommunikation: Von anderen Zellen sezernierte Signalmoleküle/Wachstumsfaktoren können durch Proteoglykane gebunden werden
- Regulatorisch
- Können extrazelluläre Enzyme inaktivieren
- Chemotaxis: Bindung proinflammatorischer Chemokine aus dem Blut an Proteoglykane → Konzentration der Chemokine am Entzündungsherd → Migration von Leukozyten aus der Blutbahn in die EZM
- Mechanisch
- Besondere Vertreter
- Aggrecan: Proteoglykan, v.a. im Knorpel vorkommend als Aggregat mit Hyaluronat → Dämpfungsfunktion (vgl. → Knochen und Knorpel)
- Decorin: Bindet Kollagen → Fibrillogenese des Kollagens
- Perlecan: Nur in Basallamina vorkommend → Filterfunktion
Proteoglykane bestehen hauptsächlich aus Kohlenhydraten, die seitlich an einen kleinen Proteinkern gebunden sind! Glykoproteine bestehen dagegen hauptsächlich aus einem Protein, an das kurze Kohlenhydratketten seitlich gebunden sind!
Glykoproteine
An der Zusammensetzung der Extrazellulärmatrix sind mehrere Glykoproteine beteiligt. Dabei handelt es sich um Proteine mit angehängten kurzen Kohlenhydratketten . Im Folgenden wird ein Überblick zu den wichtigsten hier vorkommenden, nicht faserbildenden Glykoproteinen gegeben.
Fibronektin
- Definition: Fibronektin ist ein dimeres Protein, das durch alternatives Spleißen in verschiedenen Isoformen vorkommt.
- Funktion
- Verbindungsprotein
- Embryonalentwicklung: Steuert Migration von Zellen
- Hämostase: Fibronektin vernetzt während der Blutgerinnung die Fibrinmoleküle (Hauptbestandteil des Blutgerinnsels) zusätzlich mit der Membran von Thrombozyten und Fibroblasten
Laminin
- Definition: Laminin ist ein heterotrimeres Protein, das durch alternatives Spleißen in verschiedenen Isoformen vorkommt.
- Funktion
- Bestandteil der Basallamina
- Verbindungsprotein
- Bindet an Integrine → Verbindung zwischen Basallamina und Zelle
- Bindet an Kollagen Typ IV und Perlecan → Verbindung zwischen Basallamina und anderen EZM-Komponenten
Die verschiedenen Bindegewebsformen
Lockeres kollagenes Bindegewebe (Interstitielles Bindegewebe)
- Hauptbestandteile : Kollagenfasern (v.a. Typ I und III), elastische Fasern, Hyaluronat, Decorin
- Funktion
- Bausubstanz für die Organgerüste (=Interstitium)
- Verschiebeschicht
- Vorkommen
- Zwischenzellraum (=Stroma) aller epithelialer Organe
- Wand von Hohlorganen
- Stratum papillare der Dermis
- Als „Manschette“ um Gefäß-Nerven-Bündel
- Besonderheit
- Häufigste Bindegewebsart im Körper
Straffes kollagenes Bindegewebe
- Hauptbestandteile: Kollagenfasern (v.a. Typ I)
- Funktion: Zugfestigkeit für mechanisch besonders beanspruchte Gewebe (z.B. Sehnen, Bänder, Aponeurosen)
- Vorkommen
- Geflechtartig : Stratum reticulare (Dermis), Faszien, Dura mater, Sklera und Cornea (Augapfel), Organ- und Gelenkkapseln
- Parallel : Sehnen, Bänder, Aponeurosen
Retikuläres Bindegewebe
- Hauptbestandteile
- Retikuläre Fasern , Fibronektin
- Fibroblastische Retikulumzellen
- Histologische Eigenschaften: Große Zelle mit verzweigten Fortsätzen, die die retikulären Fasern umhüllen
- Funktion: Retikulumzellen und retikuläre Fasern bilden ein Netzwerk , in dessen Maschen die Stammzellen von Blut und Immunsystem ausreifen
- Vorkommen: Im Knochenmark und den sekundären lymphatischen Organen
Elastische Bänder
- Hauptbestandteile: Elastische Fasern > Kollagene Fasern
- Funktion: Verleiht Bändern höhere Elastizität
- Vorkommen: Ligg. flava, Lig. nuchae
- Besonderheit: Makroskopisch zeigen diese Bänder einen leicht gelben Farbton
Gallertiges Bindegewebe
- Hauptbestandteile: Feine Kollagenfasern, Hyaluronat und H2O ergeben die sog. „Wharton-Sulze“
- Funktion: Schutz der Nabelschnurgefäße vor Abschnürung (durch hohe Flexibilität des gallertigen Bindegewebes bei geringer Kompressibilität)
- Vorkommen
- Nabelschnur
- Haut in der Embryonalentwicklung
- Pulpa junger Zähne
- Besonderheit: Relativ zellarm
Spinozelluläres Bindegewebe
- Hauptbestandteile: Wenige retikuläre Fasern und viele Zellen
- Funktion: Follikelbildung im Ovar (= Follikulogenese)
- Vorkommen: Nur im Ovar (Cortex ovarii = Eierstockrinde)
- Besonderheit: Mikroskopisch streng parallele ("fischzugartige") Ausrichtung der spindelförmigen Fibroblasten
Spezielle Ausprägungen des Bindegewebes
Einige Gewebearten im Körper bestehen fast ausschließlich aus Bindegewebe mit einer speziell zusammengesetzten Extrazellulärmatrix. Sie werden aufgrund ihrer besonderen Funktionen in eigenen Kapiteln behandelt. Dazu zählen:
Wiederholungsfragen zum Kapitel Bindegewebe
Entwicklung und Zusammensetzung
Beschreibe die Zusammensetzung des Bindegewebes.
Welche Typen von Bindegewebsfasern gibt es in der Extrazellulärmatrix und aus welchem Protein werden sie jeweils gebildet?
Beschreibe den Grundaufbau der Kollagene. Wodurch unterscheiden sich die Kollagen-Isoformen?
Welche Schritte beinhaltet die Kollagenbiosynthese?
Welche Funktion hat das sog. Signalpeptid des Vorläuferproteins von Kollagen?
Beschreibe Ablauf und Funktion der Hydroxylierung und nenne die beteiligten Enzyme und Cofaktoren.
Wo findet die sog. Prozessierung des Prokollagens statt und welchen Zweck hat sie?
Wie entstehen Kollagenfibrillen und -fasern?
Zu welcher Stoffgruppe gehören sowohl Heparin als auch Hyaluronan? Wie ist Hyaluronan aufgebaut?
Wie sind Glykosaminoglykane aufgebaut und welche Funktion haben sie?
Wie sind Proteoglykane aufgebaut? Welches Proteoglykan liegt im hyalinen Knorpel vor und welche Funktion hat es dort?
Die verschiedenen Bindegewebsarten
Beschreibe Aufbau und Funktion des straffen kollagenen Bindegewebes. Wo kommt es typischerweise vor?
Eine Sammlung von allgemeineren und offeneren Fragen zu den verschiedenen prüfungsrelevanten Themen findest du im Kapitel Beispielfragen aus dem mündlichen Physikum.
Meditricks
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Kollagen
Kollagen – Teil 1: Typen I, II, III, V und XI
Kollagen – Teil 2: Typen IV, IX und XII
Kollagen – Teil 3: Typen VI, VII, VIII und X
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