4. Vesikel - Bildung / Reifung / Fusion MB

sekretorischer Weg

-> Transport von Proteinen und Lipiden innerhalb der Zelle

∑ Start: ER -> Golgi -> Ziel: Zellorganellen / Plasmamembran

• Startpunkt: Das ER ist der Ort, an dem Proteine synthetisiert und gefaltet werden

• Weitertransport: Vom ER gelangen die Proteine durch Transportvesikel zum Golgi-Apparat

• Sortierung im Golgi-Apparat: Im Golgi werden die Proteine modifiziert (z.B. Glykosylierung) und entsprechend ihrem Zielort sortiert

• Zielorte:

  • Sekretorische Vesikel: Transport zur Plasmamembran (exozytotischer Transport)

  • Endosomen/Lysosomen: Transport zu Organellen für die Verdauung oder den Abbau von Molekülen

  • Zelloberfläche: Freisetzung von Proteinen in den extrazellulären Raum

    
    

• Rücktransport (Retrograder Transport): zusätzlich findet ein Rücktransport von Proteinen statt, die zum ER oder zum Golgi zurückgebracht werden müssen.

  -> Dies geschieht über recycling Vesikel

vesikulärer Transport

= Mechanismus bei dem Membranvesikel Moleküle zw. Kompartimenten transportieren

• vom “Donor-Kompartiment” schürt sich Vesikel ab

• dieser Vesikel fusioniert dann mit der Membran des “Ziel-Kompartiments”

  • sog. “Hüllproteine” -> essenziell für Vesikelbildung (COPI…)

  • Dynamin schnürt Vesikel ab

• Transport-Richtung: ER <=> Golgi

  
  

1. Donor-Kompartiment

   • Proteine und Lipide, die transportiert werden sollen, werden in einer Knospung eingeschlossen (an der Membran des Donorkompartiments)

     -> Prozess wird durch Coat-Proteine (z. B. COPI, COPII, Clathrin) vermittelt, die Vesikelbildung erleichtern

   
   

2. Knospung (Budding)

   • es bildet sich ein Vesikel, das durch die Membran abgeschnürt wird

     -> Vesikel enthält spezifische Frachtmoleküle (Proteine, Lipide), die durch Rezeptoren erkannt werden

   
   

3. Transport

   • Die Vesikel werden entlang des Zytoskeletts

     (z.B. durch Motorproteine wie Dynein oder Kinesin) zu ihrem Zielort transportiert

     
     

4. Fusion mit dem Zielkompartiment

   • Die Vesikel fusionieren mit der Membran des Zielkompartiments, und der Inhalt wird in das Zielorganell oder den extrazellulären Raum entlassen

     -> SNARE-Proteine vermitteln spezifische Erkennung und Membranfusion

   
   

ER -> Golgi

“forward pathway”

1. Mechanismus:

   • Proteine, die für die Sekretion oder für andere Organellen bestimmt sind, verlassen das ER durch COPII-beschichtete Vesikel

   • Diese Vesikel schnüren sich vom ER ab und transportieren die Frachtproteine zu vesikulären tubulären Clustern und schließlich zum cis-Golgi-Netzwerk.

   • Sortierung im Golgi: Im Golgi-Apparat werden die Proteine weiterverarbeitet und für den nächsten Zielort vorbereitet (z.B. Lysosomen, Plasmamembran)

2. Beteiligte Proteine:

   • COPII-Coat: Dieses Hüllprotein vermittelt die Knospung der Vesikel am ER.

   • Motorproteine: bewegen die Vesikel entlang von Mikrotubuli zum Golgi-Apparat

Golgi -> ER

~Rücktransport

• Mechanismus:

  • Fehlgeleitete // für das ER bestimmte Proteine werden zurücktransportiert

    -> z.B. lösliche ER-residente Proteine mit einem KDEL-Signal

    (wird von KDEL-Rezeptoren erkannt)

  • Der Rücktransport erfolgt über COPI-beschichtete Vesikel, die die Frachtproteine vom Golgi zurück ins ER bringen

  • Auch Membranbestandteile und SNARE-Proteine (für Vesikelfusion) werden durch diesen Weg recycelt

    
    

• Beteiligte Proteine:

  • COPI-Coat: vermittelt die Knospung der Vesikel am Golgi für den Rücktransport

  • KDEL-Rezeptoren: binden lösliche ER-residente Proteine und ermöglichen deren Rückführung ins ER

vesikulärer tubulärer Cluster

= Zwischenkompartimente

• entstehen durch die Fusion von COPII-Vesikeln

• dienen als Übergangsstationen für den Transport zwischen dem ER und dem Golgi-Apparat

COP II (ER -> Golgi)

-> schnürt vom ER ab

• Prozess:

  • Cargo-Auswahl: Proteine, die aus dem ER transportiert werden sollen, tragen Exit-Signale, die von Cargo-Rezeptoren erkannt werden

  • Vesikelbildung:

    • Das Protein (Sar1-GTP) initiiert die Bildung der COPII-Hülle

    • COPII-Coat-Proteine bilden die Vesikelhülle, die sich dann vom ER abschnürt

      
      

  • Qualitätskontrolle: Fehlgefaltete oder unvollständige Proteine werden durch Chaperone zurückgehalten und verbleiben im ER

    
    

• beteiligte Komponenten:

  • Exit-Signale: auf den Proteinen oder Rezeptoren vorhanden

  • Sar1-GTP: aktiviert die COPII-Hüllenbildung

  • Chaperone: Verhindern den Export von falsch gefalteten Proteinen

Vesikelbildung

-> Clathrin (für Endozytose)

• Prozess:

  • Coat-Assemblierung und Cargo-Selektion:

    • Cargo-Rezeptoren binden spezifische Moleküle und rekrutieren Adapter-Proteine

      -> Adapter-Proteine rekrutieren Clathrin, das eine Käfigstruktur zur Vesikelbildung formt

  • Knospung: Die Clathrin-Hülle formt die Membran zu einer Vesikelknospe

  • Abwurf der Hülle: Nach der Abschnürung wird die Clathrin-Hülle entfernt (Uncoating), um das Vesikel für die Fusion mit dem Zielkompartiment vorzubereiten

• beteiligte Komponenten:

  • Clathrin: Bildet die charakteristische Käfigstruktur

  • Adapter-Proteine: Vermitteln die Bindung zwischen Clathrin und Cargo-Rezeptoren

  • Cargo-Moleküle: Werden durch die Rezeptoren erkannt und selektiert

*Endozytose (=Aufnahme von Molekülen aus der Umgebung)

COP II vs. Clathrin

Dynamin

= GTPase-Enzym

-> beteiligt an der Abschnürung von Clathrin-beschichteten Vesikeln von der Membran

Prozess:

• bildet spiralförmigen Ring um den Hals der Vesikelknospe

• durch GTP-Hydrolyse verengt Dynamin den Hals der Knospe, bis die Membran vollständig abgeschnürt wird

Beteiligte Komponenten:

- Dynamin

-Clathrin-Hülle

-assoziierte Proteine (helfen bei der Regulation und Stabilisierung)

Reifung sekretorischer Vesikel

Prozess:

• Nach dem Verlassen des Golgi-Apparats durchlaufen sekretorische Vesikel eine Reifungsphase

• Cargo-Konzentration: Die Vesikel konzentrieren ihren Inhalt und entfernen überschüssiges Membranmaterial

• Die Hülle von unreifen Vesikeln (z. B. Clathrin) wird entfernt

• Die Vesikel werden durch Fusion miteinander oder mit Zielmembranen reif

Schritte:

1. Bildung von Vesikeln: Am trans-Golgi-Netzwerk unter Beteiligung von Clathrin

2. Uncoating: Entfernen der Clathrin-Hülle

3. Konzentration von Cargo: Die Vesikel reichern ihren Inhalt an und verdichten ihn

4. Fusion: Mit der Plasmamembran oder anderen Zielorganellen

-> entscheidend, um die Proteine in einer funktionsfähigen und transportfähigen Form bereitzustellen

-> unreife Vesikel enthalten oft zu viel Membran oder flüssigen Inhalt, der während der Reifung entfernt wird

Finden der Zielmembran

-> v- und t-SNARE

• v-SNAREs (vesikuläre SNAREs): auf der Membran des transportierenden Vesikels lokalisiert

• t-SNAREs (target SNAREs): auf der Zielmembran lokalisiert

  
  

• Prozess:

  1. Andocken: v-SNAREs auf dem Vesikel und t-SNAREs auf der Zielmembran erkennen sich spezifisch

  2. Verdrillung der SNARE-Komplexe: v- und t-SNAREs bilden durch Verdrillung des Komplexes eine stabile Verbindung

  3. Fusion: Die Verdrillung bringt die Membranen so nahe zusammen, dass sie fusionieren können

• Spezifität: Die Kombination aus v- und t-SNAREs sorgt dafür, dass Vesikel nur mit ihrer richtigen Zielmembran fusionieren

Fusion mit der Zielmembran

• Prozess der Membranfusion:

  1. Formierung eines Stalks (Kontaktstelle): äußeren Lipidschichten der Vesikel- und Zielmembran verbinden sich zunächst

  2. Hemifusion: die äußeren Membranschichten fusionieren, während die inneren Membranschichten noch intakt bleiben

  3. Fusion: die inneren Membranschichten fusionieren schließlich, und der Inhalt des Vesikels wird in die Zielkompartiment freigesetzt

     
     

• Molekulare Details:

  • SNARE-Komplexe ziehen die Membranen zusammen und überwinden die abstoßenden Kräfte zwischen den Membranen

  • H2O wird aus der Kontaktstelle entfernt, um die Fusion zu erleichtern

• Bsp. in Nervenzellen:

  • Die SNARE-Proteine (z. B. Synaptobrevin, Syntaxin, Snap25) vermitteln die Fusion synaptischer Vesikel mit der Plasmamembran, um Neurotransmitter freizusetzen

Entzündung im Gewebe

-> Protein: P-Selectin Expression

Induktion wie?

• wird durch Entzündungssignale wie Histamin // Zytokine an die Zelloberfläche gebracht

was macht?

• besitzt eine Lectin-Domäne

  -> bindet spezifisch an Kohlenhydratstrukturen von Glykoproteinen auf der Oberfl. von Leukozyten

  
  

• Aufbau:

  • lectin domain

  • EGF-like domain (epidermal growth factor)

  • transmembranärer Teil (der mit Aktinfilamenten im Zytosol verbunden ist)

    
    

-> diese Bindung vermittelt rolling Leukozyten…

Rolling Leukocytes

• Leukozyten müssen bei einer Entzündung oder Infektion schnell aus dem Blut ins Gewebe wandern

• Allerdings fließt das Blut sehr schnell, und ohne spezielle Mechanismen würden die Leukozyten einfach vorbeigespült werden

-> P-Selectin ist eines der ersten Moleküle, das in der frühen Phase der Entzündungsreaktion exprimiert wird.

=> Seine Hauptaufgabe: die Leukozyten an die Gefäßwand zu binden, um:

1. Das Rollen der Leukozyten zu ermöglichen:

   schwache Adhäsion - [ Selectin-anhängig ]

   • P-Selectin bindet an spezifische Zuckerstrukturen auf den Leukozyten

   • diese Bindung ist relativ schwach, sodass der Leukozyt immer wieder „haftet und loslässt“ und so entlang der Gefäßwand rollt

   • dieses „Rollen“ verlangsamt den Leukozyten, damit er nicht einfach mit dem Blutstrom weiterfließt

     
     

2. Den Übergang zu einer stärkeren Adhäsion vorzubereiten:

   starke Adhäsion - [ Integrin-abhängig ]

   • während des Rollens erkennt der Leukozyt Entzündungssignale (z. B. Chemokine)

   • diese Signale aktivieren auf dem Leukozyten Integrine (stärkere Adhäsionsmoleküle)

     => => Dadurch bindet der Leukozyt nun sehr fest an die Endothelzellen

     
     

3. Die Einwanderung ins Gewebe zu ermöglichen:

   • nach der starken Bindung kann der Leukozyt zwischen den Endothelzellen hindurchwandern

   • er gelangt ins Gewebe, wo er Krankheitserreger bekämpft oder beschädigtes Gewebe repariert

ZF Golgi