Die Rolle der Biomembranen beim Zellsterben

Biomembranen umschließen die lebenden Zellen und kommen in den intrazellulären Organellen vor. Ihre Bilayer-Strukturen (Lipid-Doppelschichten) schützen das Zellinnere vor äußeren Einflüssen [2] und ermöglichen in den Organellen den Ablauf biochemischer Reaktionen.
 
Membranlipide

Biomembranen (Abb. 1) bestehen hauptsächlich aus Phospholipiden, Sphingolipiden und Cholesterin – den Membranlipiden. Die anteilig größte Gruppe der Phospholipide bildet amphiphile Moleküle (altgriechisch: amphí = auf beiden Seiten, phílos = liebend), die hydrophile (wasserliebende) "Köpfe" und zwei hydrophobe (fettliebende) "Schwänze" enthalten. Die Köpfe bestehen aus Phosphatgruppen, an die Cholin, Ethanolamin, Glycerin, Serin oder Inosit gebunden sind, und ragen entweder aus der Innenschicht der Bilayer in das Zellinnere oder aus der Außenschicht in die Zelloberfläche. Die hydrophoben Fettsäurereste der Schwänze sind zur Grenzfläche der beiden aneinander liegenden Schichten der Bilayer gerichtet.
An der Zelloberfläche dominieren Phosphatidylcholin und das zu den Sphingolipiden gehörende Sphingomyelin. Auf der Innenseite der Bilayer befinden sich Phosphatidylserin, Phosphatidylethanolamin und Phosphatidylinositol. [2, 3, 4, 5]

Abb. 1:  Aufbau der Zellmembran [6]

Änderung der Zusammensetzung

Innen- und Außenschicht der Bilayer unterscheiden sich nicht nur generell in ihren Zusammensetzungen. Die Zusammensetzungen können sich auch bei äußeren Reizen, wie z. B. Verletzungen, kurzfristig lokal ändern. Dabei wechseln z. B. Phospholipide der Innenschicht in die Außenschicht. So kann die Zelle auf Reize der Umgebung reagieren. [7, 8]

Membranproteine

Der Stoffaustausch und die Kommunikation zwischen den Zellen und ihrer Umgebung werden hauptsächlich durch Proteine gesteuert, die in die Membranen eingelagert sind. Transmembran-Proteine haben Kontakt zum Zytosol, dem Medium im Innenraum der Zellen, und zum Extrazellularraum. [9]  Sie bilden Poren, Kanäle und Carrier. Im Zytosol sind z. B. geringe Konzentrationen von Calcium-Ionen enthalten, während deren Konzentrationen im extrazellulären Raum vergleichsweise viel höher sind. Veränderungen der  Konzentrationsgradienten lösen intra- und extrazelluläre Prozesse aus. [10]
An der Innen- und Außenseite der Bilayer befinden sich weitere Proteine, die an Lipide oder an Transmembran-Proteine gekoppelt sind.  [7, 9]

Nekrose

Zellen sterben durch Nekrose oder Apoptose ab. Die Nekrose ist ein pathogener und ungeregelter Prozess. Durch Verletzungen verliert die Biomembran ihre Schutzfunktion. Ionen aus dem extrazellulären Raum können ungehindert einströmen, umgekehrt gelangen Zellbestandteile nach außen. Sie lösen dort eine Entzündungsreaktion aus und aktivieren die Immunabwehr. Durch den Zusammenbruch des osmotischen Gleichgewichts dehnt sich die Zelle aus und zerreißt. Die freigesetzten Zellbestandteile werden durch Phagozyten ("Fresszellen“) beseitigt. [11]

Apoptose

Die Apoptose verläuft nach einem geregelten Programm. Dafür verantwortlich sind die Caspasen, eine Enzymgruppe, die während der Apoptose aktiviert wird. Phosphatidylserin konzentriert sich auf der Außenfläche der Zelle und lockt Phagozyten an. [4, 12] Die Zelle beginnt zu schrumpfen (Apoptopic Volume Decrease). Die Zellorganellen werden in Bläschen (apoptotische Körperchen) eingeschlossen. Dabei sind sie nach wie vor von einer intakten Biomembran umgeben. Zellbestandteile gelangen nicht in den Extrazellularraum und es wird keine Entzündungsreaktion ausgelöst.
Die aktuelle Forschung geht davon aus, dass die Phagozyten einen speziellen Rezeptor für Phosphatidylserin besitzen. So können sie die zu entfernenden Zellen schnell identifizieren und entfernen. [8, 9, 11, 12]

Fazit

Die Konzentration von Phosphatidylserin auf der Außenseite von Biomembranen verhindert Entzündungsreaktionen und gewährleistet die effektive Beseitigung von toten Zellen durch Phagozyten. [13] Studien zeigen, dass bei der Apoptose entzündungsauslösende Botenstoffe wie die Zytokine unterdrückt und TGF-ß (Transforming Growth Factor) sowie Prostaglandin E₂ gebildet werden. [14]

Literatur

1. P. Fritsch, Dermatologie und Venerologie: Lehrbuch und Atlas, Springer-Verlag, Berlin 2013, ISBN 978-3662217719
2. R. Winter, Chemie in unserer Zeit 1990 (2), 71-81
3. I. Bernhardt, Biol. Unserer Zeit 2007 (37), 310-319
4. B. Jacobi, S. Partovi, Basics Molekulare Zellbiologie, Elsevier Urban & Fischer Verlag, München 2011, ISBN 978-3-437-42686-5
5. M. Ebara, Chonnam Medical Journal 2019 (55), 1-7
6. LadyofHats, Public domain, via Wikimedia Commons, "Zellmembran"
7. P.J. Sims, T. Wiedmer, Thromb Haemost 2001 (86), 266-275
8. E. M. Brever, P.L. Williamson, Physiological Reviews 2016 (96), 605-645
9. R. Lüllmann-Rauch, F. Paulsen, Taschenlehrbuch der Histologie, Georg Thieme Verlag KG, Stuttgart 2012, ISBN 978-3-13-129244-5
10. B. Alberts et al., Molekularbiologie der Zelle, VCH Verlagsgesellschaft mbH, Weinheim 1990, ISBN 978-3527279838
11. C. D. Bortner, J. A. Cidlowski, Frontiers in Cell and Developmental Biology 2020 (8), 1-16
12. V. A. Fadok et al., Cell Death and Differentation 1998 (5), 551-562
13. R. B. Birge et al., Cell Death and Differentation 2016 (23), 962-978
14. P. M. Henson, D. L. Bratton, The Journal of Clinical Investigation 2013 (123), 2773-2774

Anne Schieferecke