Extrazelluläre Matrix: Bestandteile

Die Binde- und Stützgewebe bilden im Körper vielfältige Strukturen mit sehr unterschiedlichen Funktionen und mechanischen Eigenschaften. Diese werden maßgeblich von der extrazellulären Matrix, die aus Grundsubstanz und unterschiedlichen Fasern aufgebaut ist, bestimmt. Die Matrixbestandteile selbst werden von Zellen, die in die Matrix eingebettet sind, synthetisiert und freigesetzt. Die wichtigsten in der extrazellulären Matrix vorkommenden Makromoleküle sind:

• Kollagene

• Elastin und Fibrillin

• nicht kollagene Glykoproteine

• Glykosaminoglykane

• Proteoglykane.

Kollagene

Kollagene sind Glykoproteine und die häufigsten Proteine der extrazellulären Matrix. Sie bestehen aus einer Tripelhelix, die von 3 Kollagen-α-Ketten gebildet wird. Das Vorläufermolekül Prokollagen wird am rauen endoplasmatischen Retikulum (ER) synthetisiert und im ER und Golgi-Apparat durch Hydroxylierung und Glykosylierung modifiziert. Drei Prokollagenmoleküle lagern sich zur einer Tripelhelix zusammen, die aus der Zelle in den extrazellulären Raum ausgeschleust wird. Dort entsteht durch Abspaltung von Peptiden von den Enden Tropokollagen. Anschließend werden die Tropokollagenmoleküle fibrillärer Kollagene zu Fibrillen quervernetzt, die sich weiter zur Kollagenfasern oder -bündeln zusammenlagern.

Elastin und Fibrillin

Elastin, das Hauptprotein in den elastischen Fasern der größeren Blutgefäße und der Lunge, enthält viel Prolin und Glycin. Die beiden Aminosäuren befinden sich vor allem in den hydrophoben Bereichen des Proteins, die sich mit α-helikalen Abschnitten abwechseln. Die Elastinbiosynthese ähnelt der des Kollagens: Tropoelastin wird aus der Zelle ausgeschleust und lagert sich an Mikrofibrillen aus Fibrillin. Dann werden die Tropoelastinmoleküle über Lysin quervernetzt, wodurch Elastin entsteht. Elastin und Fibrillinmikrofibrillen bilden ein Geflecht aus elastischen Fasern.

Nicht kollagene Glykoproteine

Die nicht kollagenen Glykoproteine vermitteln als Ankerproteine den Kontakt zwischen den einzelnen Komponenten der extrazellulären Matrix, zwischen Zellen und Matrix wie auch zwischen den einzelnen Zellen. Zwei wichtige nicht kollagene Glykoproteine sind Fibronektin und Laminin.

Glykosaminoglykane

Glykosaminoglykane sind die Hauptkomponenten der extrazellulären Matrix. Die 4 Hauptgruppen sind Hyaluronat, das stets als reines Glykan vorkommt, wie auch Chondroitinsulfate, Heparansulfat und Keratansulfat, die ausschließlich Bestandteile von Proteoglykanen sind.

Hyaluronat wird direkt in die extrazelluläre Matrix synthetisiert. Die anderen Glykosaminoglykane werden im Golgi-Apparat durch verschiedene spezifische Glykosyltransferasen auf ihre Proteinkerne übertragen und dort verlängert und modifiziert.

Glykosaminoglykane bilden stoßdämpfende Gele, dienen als Gleitmittel und stellen ein wässriges Milieu für die Diffusion wasserlöslicher Substanzen bereit. Zudem haben sie eine Funktion bei der Wundheilung und übernehmen als Bestandteile von Proteoglykanen weitere wichtige Aufgaben.

Proteoglykane

Proteoglykane sind eine heterogene Gruppe von Proteinen mit kovalent (glykosidisch) gebundenen Glykosaminoglykanen als Kohlenhydratseitenketten. Ihre Diversität geht auf die Kombination von vielfältigen und unterschiedlich großen Proteinen mit den verschiedenen Glykosaminoglykanen zurück. Die verschiedenen Proteoglykane sind gewebespezifisch und gehen mit den Bestandteilen der extrazellulären Matrix Wechselwirkungen ein. Zwei Beispiele sind Aggrecan, das große Komplexe mit Hyaluronat bildet und im Knorpel für die Stoßdämpferwirkung verantwortlich ist, und Perlecan, das in der Basallamina enthalten ist und eine Filterfunktion hat.