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Bindegewebe

Abstract

Der Begriff „Bindegewebe“ kann auf zweierlei Arten interpretiert werden: Zum einen „verbindet“ er verschiedene Gewebetypen im Körper und dient dabei als Reserve- oder Verschiebeschicht, beispielsweise 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.

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

  1. Ortsständige Zellen
  2. Mobile Zellen

Extrazellulärmatrix

  1. Fasern
  2. „Grundsubstanz“
  3. 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.

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, reticuläre 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 reticulären Fasern, während Elastinmoleküle die elastischen Fasern bilden.

Kollagen

  • Definition: Kollagene sind Glycoproteine, 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
  • Definition: Synthese der Polypeptidkette
IZ (rER) Prä-Prokollagen
2. Hydroxylierung IZ (rER) Prokollagen (= Pro-α-Kette)
3. Glykosylierung

IZ (rER)

  • Glykosylierung erfolgt durch zwei Enzyme: Prokollagen-Galactosyltransferase und -Glucosyltransferase
4. Tripelhelixbildung
  • Definition: Immer drei Pro-α-Ketten wickeln sich umeinander und bilden so zusammen eine Tripelhelix.
  • Sinn: Voraussetzung für Fibrillenbildung (Fibrillogenese)
IZ (rER)
  1. Ausbildung von Disulfidbrücken
  2. Ausbildung von Wasserstoffbrücken
Prokollagen (= Tripelhelix)
5. Exozytose IZ (Golgi) → EZ
  1. Glykosyliertes Prokollagen wird vom Golgi-Apparat als Sekretvesikel abgeschnürt
  2. Exozytose der Sekretvesikel in die EZM
6. Prozessierung
  • Definition: Abspaltung der Propeptide am C- und N-Terminus des Prokollagens
  • Sinn: Kollagenmoleküle werden wasserunlöslich
EZ Tropokollagen
7. Fibrillogenese
  • Definition: Mehrere Tropokollagene werden zu einem Bündel verknüpft (=Fibrille)
  • Sinn: Voraussetzung für nachfolgende Faserbildung
EZ
  1. Mehrere Tropokollagene lagern sich zusammen
  2. Quervernetzung: Benachbarte Tropokollagene werden über ihre Hydroxylysine kovalent miteinander verknüpft durch das Enzym Lysyloxidase
    • Hydroxylysin → Allysin
    • Zwei Allysine reagieren durch Aldolkondensation
Kollagenfibrille
8. Faserbildung
  • Definition: Mehrere Fibrillen lagern sich zu einem dickeren Bündel zusammen (=Faser)
  • Sinn: Fertige Kollagenfasern haben stabilisierende Funktion in der EZM
EZ
  • Mehrere Fibrillen verbinden sich jeweils mit Hilfe zwischengelagerter matrixspezifischer Proteine zur Faser
Kollagenfaser (= Endprodukt)
Abkürzungen: IZ = intrazellulär; EZ = extrazellulär; EZM = Extrazellulärmatrix; rER = raues endoplasmatisches Reticulum

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.

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 Reticuläre 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 Glycoproteine (→ Basalmembran) Mit Hilfe dieser Proteine bilden elastische Fasern ein dreidimensionales Netzwerk:
  • Fibrillin
  • Fibulin-5
Mikroskopische Anatomie
  • Faserdicke: 2–20 μm Durchmesser (größte Faser!)
  • Anfärbbarkeit: In H.E.-Färbung erkennbar , aber bessere Darstellung mit Spezialfärbung, wie bspw. van-Gieson (rote Anfärbung)
  • Faserdicke: <1 μm Durchmesser (kleinste Faser!)
  • Anfärbbarkeit: Nur mit Spezialfärbung erkennbar (PAS, Gomori)
  • Faserdicke: ca. 2 μm Durchmesser (mittelgrößte Faser)
  • Anfärbbarkeit: Stellenweise in H.E.-Färbung erkennbar , aber bessere Darstellung mit Spezialfärbung

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!

Glycosaminoglycane

Hauptgruppe Disaccharid-Einheiten Glykosidische Bindung Vorkommen Besonderheiten
Hyaluronat GlcA + GlcNAc β

Chondroitinsulfate

Chondroitin-4-sulfat GlcA + GalNAc β
  • Sulfatgruppe an C4
Chondroitin-6-sulfat GlcA + GalNAc β
  • Sulfatgruppe an C6
Dermatansulfat GlcA / IduA + GalNAc β
  • Sulfatgruppe an C4
Heparin GlcA / IduA + GlcN α und β
  • Gerinnungshemmend
  • Oft mehrere Sulfatgruppen am GlcN
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 Glycosaminoglycanen 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 Glycosaminoglycan 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.

Proteoglycane

Proteoglycane bestehen hauptsächlich aus Kohlenhydraten, die seitlich an einen kleinen Proteinkern gebunden sind! Glycoproteine bestehen dagegen hauptsächlich aus einem Protein, an das kurze Kohlenhydratketten seitlich gebunden sind!

Glycoproteine

An der Zusammensetzung der Extrazellulärmatrix sind mehrere Glycoproteine beteiligt. Dabei handelt es sich um Proteine mit angehängten kurzen Kohlenhydratketten . Im Folgenden wird ein Überblick zu den wichtigsten hier vorkommenden, nicht faserbildenden Glycoproteinen gegeben.

Fibronektin

Laminin

Die verschiedenen Bindegewebsformen

Lockeres kollagenes Bindegewebe (Interstitielles Bindegewebe)

Straffes kollagenes Bindegewebe

Reticuläres Bindegewebe

Elastische Bänder

Gallertiges Bindegewebe

Spinozelluläres Bindegewebe

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 Glycosaminoglycane aufgebaut und welche Funktion haben sie?

Wie sind Proteoglycane aufgebaut? Welches Proteoglycan 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.