Exocytose

  Exocytose ist eine Art des Stofftransports aus der Zelle heraus. Dabei verschmelzen, "fusionieren" im Cytosol liegende Vesikel mit der Zellmembran und geben so die in ihnen gespeicherten Stoffe frei. Die erste Verbindung zwischen dem Lumen des Vesikels und dem Extrazellulärraum wird als Fusionspore bezeichnet. Die genaue Beschaffenheit der Fusionspore sowie die biophysikalischen Mechanismen der Membranfusion sind noch ungeklärt. Rein physikalisch wirken bei sehr naher Annäherung zweier Membranen riesige Abstoßungskräfte. Dennoch vollzieht sich z.B. die Exocytose synaptischer Vesikel innerhalb von einer Millisekunde.

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Man kann die Exocytose in 2 verschiedene Arten aufteilen:

1. konstitutive Exocytose
2. Rezeptor vermittelte Exocytose

Konstitutive Exocytose

Über die konstitutive Exocytose werden Membranproteine in die Zellmembran integriert und die Biomembran (Zellmembran, Lipiddoppelschicht) wird erneuert oder erweitert. Dieser Vorgang ist auch als Biogenese der Zellmembran bekannt. Andererseits werden über die konstitutive Exocytose auch Proteine in die extrazelluläre Matrix abgegeben. Diese Art der Exocytose ist besonders wichtig bei Zellen des Binde- und Stützgewebes, wie z.B. Fibroblasten und Osteoblasten.

Quelle: "molecular biology of the cell", Alberts et al. 3rd edition

Stimulierte Exocytose

Die Aktivierung der stimulierten Exocytose erfordert einen spezifischen Reiz. Meist ist dieser Reiz ein Hormon, das sich an einen spezifischen Rezeptor auf der Zelloberfläche bindet, dadurch eine Signalkaskade im Inneren der Zelle auslöst, welche dann im Endeffekt die Verschmelzung des Exosoms mit der Zellmembran zur Folge hat.

Diese Form der Exocytose spielt eine wichtige Rolle bei der Abgabe von Hormonen ins Blut und der Abgabe von Verdauungssekreten in den Nahrungsbrei im Verdauungssystem. Ein Beispiel hierfür ist die Insulinabgabe. In den Insulin produzierenden Zellen (Langerhanssche Inseln in der Bauchspeicheldrüse) werden die Hormonmoleküle in Vesikel verpackt und zur Zelloberfläche transportiert. Dort verschmelzen (fusionieren) die Vesikel mit der Zellmembran und das Insulin wird nach außen abgeben.

Auch neue Plasmamembrankomponenten werden so vom Golgi-Apparat – ihrem Herstellungsort - zur Membran transportiert.

Molekulare Mechanismen (Siehe: Abb. 3)
Im Folgenden sollen die grundlegenden Vorgänge schematisch dargestellt werden. Sie spielen sich im Nanometerbereich ab und laufen mit noch mehr Zwischenschritten ab.

1. Ein Rezeptor auf der Zelloberfläche wird durch einen Liganden (z.B. ein Hormon) in eine aktive Form versetzt. Hierdurch ist er in der Lage, spezifische, frei im Cytosol „herumschwimmende“ Moleküle wie ATP (Adenosin-Triphosphat) und PInsP2 (Phosphatidyl-Inositol-4,5-diphosphat) zu verändern. Aus ATP entsteht so cAMP (cyklisches Adenosin-Monophosphat) und aus PInsP2 entstehen InsP3 (Inositol-Triphosphat) und DAG (Di-Acyl-Glycerin). Jeder Rezeptor kann dabei öfter als einmal die genannten Stoffe spalten, so lange, bis sich der Ligand von ihm löst.
2. InsP3 und cAMP bewirken ihrerseits eine Konformationsänderung eines anderen Transmembranmoleküls. Dieses Molekül ist ein Carrier-Molekül, das in seiner aktiven Form den Einstrom von Kalziumionen (Ca²⁺) in die Zelle ermöglicht. Dieser zweite Schritt in der Signaltransduktion stellt eine Verstärkung des Anfangssignals dar.
3. Das DAG bewirkt auch eine Aktivierung eines transmembranen Carriers in der Membran des Endoplasmatischen Retikulums (ER), das man als eine Art Kalziumionen-Speicher innerhalb der Zelle betrachten kann.
4. Das Ca²⁺ aus diesen beiden Quellen strömt nun in die Zelle ein und bewirkt, dass das Exosom an die Zelloberfläche gebracht wird und dort mit der Zellmembran verschmilzt, wonach das nun leere Exosom wieder in das Zellinnere zurücktransportiert wird (Vesicle Recycling). Der Transport des Exosoms an sich erfordert zahlreiche Moleküle des Cytoskeletts wie Mikrotubuli-Moleküle, die man als eine Art Schienen betrachten kann sowie ATP-verbrauchende Kinesin-Moleküle die das Exosom an den Mikrotubulie entlang mit sich ziehen (nicht in der Darstellung enthalten).

Die Exocytose ist auf molekularem Level ein kompliziertes Wechselspiel zwischen verschiedensten Molekülen, und folgt genau definierten Funktionsabläufen. Sie hat sich jedoch im Laufe der Evolution als erfolgreich und effektiv erwiesen.