Definition: Was ist Phagozytose?
Wesentlich kann die Phagozytose als eine Form der Endozytose beschrieben werden, bei der eine Zelle partikuläre Materie/Feststoffteilchen/Zellen verschlingt. Für verschiedene Zelltypen spielt die Phagozytose eine Reihe von unterschiedlichen Rollen, die von der Nahrungsaufnahme bis zur Zerstörung von bestimmten Zellen und Partikeln reichen.
Zu den Zellen, die Phagozytose nutzen, gehören:
- Makrophagen
- Protozoen
- Neutrophile
- Epidermiszellen
- Einige vaskuläre Endothelzellen
* Generell werden Phagozyten in zwei große Gruppen eingeteilt. Dazu gehören „professionelle Phagozyten“ (weiße Blutkörperchen) und „nicht-professionelle Phagozyten“ (z. B. Epithelzellen).
Endozytose und Phagozytose
Lebende Zellen nehmen verschiedene Arten von Material über ihre Zellmembran auf. Die meisten dieser Materialien/Moleküle wie Ionen, Flüssigkeiten, Sauerstoff und andere passieren die Membran leicht durch Mechanismen wie Ionenpumpen und Osmose.
Ein Teil der Materie, z. B. Partikel wie Viren, kann sich als zu groß erweisen, um die Membran durch solche Mechanismen zu passieren. Aus diesem Grund muss die Zelle solche Materie/Objekte in die Zelle verschlingen.
Bei diesem Vorgang kommt es zu einer Einstülpung der jeweiligen Zellmembran, wodurch die Zelle das Objekt/Partikel aufnehmen kann. Abhängig von der Zelle und dem Mechanismus, der verwendet wird, um solche Materialien/Objekte zu verschlingen, wird die Endozytose in Phagozytose, Pinozytose und einen weiteren Prozess, der als rezeptorvermittelte Endozytose bekannt ist, unterteilt.
Was die Phagozytose von der Pinozytose unterscheidet, ist, dass Phagozyten spezielle Oberflächenproteine besitzen, die es ihnen ermöglichen, gegebene Partikel spezifisch zu identifizieren und an sie zu binden, bevor sie sie in sich aufnehmen. Diese Art der Endozytose ist abhängig von der Bindung zwischen der Zelle und dem Zielobjekt/Partikel.
Hauptschritte der Phagozytose
Schritt 1: Aktivierung/ Auslösung
Dieser Schritt der Phagozytose tritt auf, wenn die Zelle in die Nähe von gegebenen Objekten/Partikeln kommt. Befinden sich die Fresszellen beispielsweise in der Nähe eines Bakteriums, so werden die Fresszellen aktiviert und zur Bindung angeregt.
Zum ersten Schritt gehört auch die Chemotaxis. Hier bewegen sich die Zellen in Richtung des Bereichs mit einer hohen Konzentration der fremden Partikel/Zellen oder Moleküle. Die Zellen werden durch die Anwesenheit der fremden Moleküle/Partikel etc. chemisch stimuliert.
Schritt 2: Bindung
Hier binden/haften Oberflächenrezeptoren auf dem Phagozyten an die Oberfläche des Partikels. Dieser Schritt der Phagozytose ist notwendig, damit das Molekül aufgenommen werden kann.
Abhängig von der Zelle gibt es verschiedene Arten von Oberflächenrezeptoren, die eine wichtige Rolle bei der Phagozytose (Bindung) spielen.
Dazu gehören:
- Scavenger-Rezeptoren- Binden an verschiedene Arten von Molekülen auf der Oberfläche von Bakterien
- Opsonin-Rezeptoren- Opsonin-Rezeptoren sind einige der am besten untersuchten Oberflächenrezeptoren. Sie binden an Moleküle, die Immunglobulin G auf ihrer Oberfläche besitzen
- Antikörper- Einige der Zellen sind in der Lage, Antikörper zu produzieren, die es ermöglichen, sich an bestimmte Antigene zu heften
- Toll-like-Rezeptoren- Diese Rezeptoren binden an spezifische Moleküle auf der Oberfläche von Bakterien, Pilzen und Viren
* Die Bindung der Rezeptoren ist ein wichtiger Schritt bei der Phagozytose, der es der Zelle ermöglicht, das Objekt/Partikel/Bakterium etc. zu identifizieren und damit die entsprechende Reaktion auszulösen.
Schritt 3: Verschlucken
Die Zelle (Phagozyt) beginnt zu expandieren, während sie das Molekül umschließt. Bei diesem Vorgang bildet sich auch eine Vakuole oder ein Vesikel um das Molekül, da es vollständig aufgenommen wird.
Schritt 4: Verdauung
In manchen Zellen spalten Enzyme im Vesikel (z.B. Lysosom) das Molekül in einfachere Bestandteile auf. Abfallstoffe, die nicht verwendet werden können, werden dann durch einen als Exozytose bezeichneten Prozess aus der Zelle entfernt. Für Phagozyten, die an der Immunität beteiligt sind, werden jedoch spezielle Strukturen gebildet, die als Peroxisomen bekannt sind, um toxische Moleküle einzufangen und zu entfernen.
Beispiele für Phagozytose
- Phagozytose von apoptotischen Zellen (Efferozytose)
- Phagozytose von Bakterien durch professionelle Phagozyten
- Phagozytose bei Protozoen
Die Efferozytose bezeichnet den Prozess, durch den apoptotische Zellen (tote Zellen) durch phagozytische Zellen entfernt werden. Dies ist einer der wichtigsten Prozesse in multizellulären Organismen, da er neben der Behebung von Entzündungen an der infizierten Stelle auch zur Gewebehomöostase beiträgt.
* Sowohl professionelle als auch nicht-professionelle Zellen können tote Zellen aufnehmen.
Mehr zur Apoptose
Schritte der Efferozytose (Phagozytose apoptotischer Zellen)
Schritt 1: Aktivierung
Efferozyten werden durch eine Reihe von Molekülen aktiviert, die von toten/absterbenden Zellen freigesetzt werden. Zu den Molekülen, die von diesen Zellen freigesetzt werden, gehören sowohl chemotaktische Moleküle, die „Find-me“-Signale (Triphosphat-Nukleotide) freisetzen, als auch solche, die das „Eat-me“-Signal (Phosphatidylserin) anzeigen. Zu den anderen Molekülen, die nachweislich Phagozyten aktivieren, gehören verschiedene Kohlenhydrate und Proteine.
Hier also Phagozyten (z.B.. Makrophagen, dendritische Zellen und Endothelzellen etc.) die Chemotaxis nutzen, um zu den Zellen zu gelangen
Schritt 2: Bindung und Erkennung
Mit Hilfe spezialisierter Rezeptoren auf ihrer Oberfläche interagieren Phagozyten mit den Signalmolekülen auf der Oberfläche der Zellen, wodurch sie die Zellen erkennen können. Dies geschieht auch durch Brückenmoleküle.
Bei gesunden Zellen spielt ein Molekül, das Transmembranprotein CD47, eine wichtige Rolle, um die Zelle vor der Phagozytose zu schützen. Wenn Zellen absterben, verlieren sie das Molekül.
Schritt 3: Engulfment
Nach der Anheftung zwischen Phagozyt und Zelle erfährt die Phagozytenmembran eine Veränderung (zytoskelettale Umlagerung), die es ermöglicht, die Zelle von allen Seiten zu umgeben und zu verschlingen.
Schritt 4: Abbau der Zelle
In dieser Phase werden lysosomale Enzyme freigesetzt und bauen die Zelle schnell ab. Dies kann zwischen 60 und 60 Minuten dauern.
* Im Vergleich zu pro-inflammatorischen Reaktionen bei höheren Tieren wird die Efferozytose als ein immunologisch stiller Prozess beschrieben. Dies liegt daran, dass er entzündungshemmend wirkt. Als solcher ist er an der Produktion von entzündungshemmenden Zytokinen beteiligt und hemmt die Entzündungssignalisierung der aufgenommenen Zellen.
Phagozytose von Bakterien durch professionelle Phagozyten
Im Gegensatz zur Phagozytose apoptotischer Zellen, an der sowohl professionelle als auch nicht-professionelle Phagozyten beteiligt sein können, löst die Infektion durch verschiedene eindringende/ pathogene Mikroorganismen wie Bakterien und Viren Immunantworten aus, an denen nur professionelle Phagozyten beteiligt sind.
Nachfolgend sind die Schritte aufgeführt, durch die phagozytische Zellen (z.B. Monozyten oder Neutrophile) Bakterien aufnehmen:
Schritt 1: Aktivierung
Die Infektion einer bestimmten Stelle im Körper stimuliert die Anlieferung von Neutrophilen zu dieser Stelle durch Chemotaxis. Hier aktivieren Lockstoffe wie Gewebetrümmer und Bakterienprodukte die Bewegung der phagozytischen Zellen, um sich zu der infizierten Stelle zu bewegen.
* Neutrophile sind in der Lage, die Stelle schnell zu erreichen, da sie ständig im Blut zirkulieren. Durch solche Prozesse sind diese Zellen in der Lage, durch die Gefäßwände zu wandern, um den Zielort zu erreichen.
Schritt 2: Adhärenz/Bindung
Bakterien mit solchen Molekülen/Substanzen wie IgG oder C3b werden von den Phagozyten leicht erkannt. Dabei binden z. B. Opsoninrezeptoren auf der Plasmamembran des Fresszellen an diese Moleküle, so dass die Bakterien identifiziert und schließlich aufgenommen werden können.
Hier ist zu beachten, dass verschiedene Arten von Fresszellen unterschiedliche Oberflächenrezeptoren haben. Daher kann der Organismus nur durch eine erfolgreiche Bindung an die entsprechenden Oberflächenmoleküle des Eindringlings aufgenommen werden.
Schritt 3: Verschlucken/Verschlucken
Die Anheftung/Bindung ermöglicht die Identifizierung und Aufnahme der Bakterien. Beim Verschlucken umschließt die Zellmembran des Phagozyten das Bakterium und verschlingt es. Dieser Prozess führt dazu, dass die Bakterien in einem Vesikel/Phagosom innerhalb des Phagozyten eingeschlossen werden
Schritt 4: Enzymaktivität
Innerhalb des Phagozyten (Zelle) kommt das Vesikel, das die eingedrungenen Bakterien enthält, in Kontakt mit den lysosomalen Granula, um ein Phagolysosom (Verdauungsvakuole) zu bilden. Hier hilft die lysosomale Aktivität, die Bakterien zu zerstören und abzutöten
Phagozytoseprozess bei Protozoen
Protozoen sind einzellige Organismen, die in verschiedenen Umgebungen/Habitaten vorkommen können. Im Vergleich zu den anderen hier beschriebenen Zellen sind Protozoen auf Phagozytose angewiesen, da dieser Prozess als Fütterungsmechanismus genutzt wird.
* Ein Großteil der Protozoen sind Weidegänger, die sich auch von Einzellern wie Bakterien und kleineren Einzellern ernähren.
* Einige Protozoen haben eine mundähnliche Öffnung zur Nahrungsaufnahme, während andere einfach Nahrung durch ihre Membran aufnehmen
Basierend auf verschiedenen Studien, Die Phagozytose bei Protozoen wie Amoeba proteus läuft in ähnlichen Schritten ab wie bei den Phagozyten der Metazoen. Als solche beinhaltet sie die Erkennung der Beute, die Bewegung in Richtung der Zielbeute und die Verschlucken der Beute. Wie bei Phagozyten wie den Neutrophilen ist also auch bei Protozoen die Chemotaxis am Phagozytoseprozess beteiligt.
Die Phagozytose bei Protozoen ist insbesondere in Gegenwart von Beutetieren wie Tetrahymena gut demonstriert worden. Wenn die Ciliaten der Beute mit den Protozoen in Kontakt kommen, stimulieren sie die Bildung einer oder mehrerer Pseudopodien, in denen die Beute gefangen (verschlungen) und schließlich verschluckt wird.
In der Kultur wurde auch gezeigt, dass sich Protozoen von einem Bereich mit geringer Beutekonzentration (z. B. Bakterien) zu einem Bereich mit hoher Beutekonzentration bewegen, was zeigt, dass sie in der Lage sind, die Beute (durch Chemotaxis) zu identifizieren und sich zu ihr hin zu bewegen. Einmal gefangen und aufgenommen, verbleibt die Beute in der Nahrungsvakuole, wo sie von den entsprechenden Enzymen bearbeitet wird.
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