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Auch im menschlichen Körper muss ständig aufgeräumt werden. Das übernehmen die sogenannten Phagozyten, sie beseitigen Eindringlinge, entsorgen alte Zellbestandteile oder lokalisieren unbekannte Fremdkörper die durchs Blut schwirren. Phagozyten sind spezialisierte Zellen, die einen ganz besonderen Mechanismus entwickelt haben, um im Körper für Ordnung zu sorgen. Dieser Mechanismus nennt sich Phagozytose.
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Team Phagozytose Lehrer
Phagozytose ist, einfach erklärt, eine spezielle Form der Endozytose. Dabei werden Feststoff-Partikel durch Einstülpung der Zellmembran eines Phagozyten von einem Vesikel umschlossen und in die Zelle aufgenommen um anschließend zersetzt zu werden.
In Säugetieren und Menschen wird der Prozess einer Phagozytose vor allem von besonderen Zellen vollzogen. Diese Zellen werden auch Phagozyten genannt und sind ein wichtiger Bestandteil des Immunsystems. Phagozyten bewegen sich durch Körperflüssigkeiten und nutzen ihre Fähigkeit zur Phagozytose, um "aufzuräumen".
Pathogene, wie zum Beispiel Mikroorganismen, werden erkannt und für eine spätere Zersetzung aufgenommen, ebenso wie abgestorbene (apoptopische) Zellen. Aus diesem Grund werden Phagozyten auch "Fresszellen" genannt.
In einem erwachsenen Menschen sterben pro Tag durchschnittlich zirka 100 Milliarden Zellen. Um aufzuräumen werden sie von Phagozyten aufgenommen und zersetzt.
In Protisten – also einzelligen oder wenigzelligen Eukaryoten – wird die Phagozytose auch dafür genutzt, um Nährstoffe aufzunehmen.
Der Prozess einer Phagozytose kann von der Aufnahme des Partikels bis zu seiner Zersetzung in mehrere Schritte unterteilt werden.
Phagozyten haben auf ihrer Oberfläche Rezeptoren, mit deren Hilfe Bestandteile von Pathogenen und apoptotischen Zellen erkannt werden können. Pathogene sind Bakterien, Viren, Gifte und andere Partikel, die Erkrankungen auslösen können. Diese binden an die Rezeptoren – Proteine, die auf der Oberfläche der Phagozyten befestigt sind. Durch die Bindung wird der Zelle signalisiert, dass die Zellmembran mit der Aufnahme des Fremdkörpers starten kann.
Biomembranen bestehen aus einer Doppelschicht aus Phospholipiden und können mithilfe des Flüssig Mosaik Modells beschrieben werden.
Die Zellmembran der Phagozyten ist beweglich und kann sich daher nach innen stülpen. Das aufzunehmende Partikel bewegt sich mit der Membran nach innen und wird langsam umschlossen. Ist es vollkommen von der Membran umgeben, kann sich die Membran in Form eines Vesikels abkapseln und befindet sich nun im Inneren des Phagozyten. Vesikel sind kleine Bläschen, die aus Membran bestehen und werden in diesem Fall auch Phagosom genannt.
Befindet sich der Fremdkörper nun im Phagosom im Phagozyten, wandert es weiter in Richtung des Zellinneren. Dort verschmilzt das Phagosom mit einer anderen Art von Vesikel – einem Lysosom.
Lysosomen sind auch kleine Membranbläschen, sie werden allerdings im Golgi-Apparat gebildet, der sich ebenfalls in der Zelle befindet. Außerdem sind sie gefüllt mit Verdauungsenzymen und haben in ihrem Inneren einen sauren pH-Wert.
Die Verschmelzung von Phagosom und Lysosom wird dadurch möglich gemacht, dass beide von einer Lipid-Doppelschicht umgeben sind. Fusioniert nun das Phagosom mit diesem primären Lysosom, entsteht ein sogenanntes Phagolysosom. Dieses wird auch als das sekundäre Lysosom bezeichnet. Der Fremdkörper ist also gemeinsam mit zersetzenden Enzymen in einem Vesikel gefangen.
Ein Phagosom ist ein Vesikel gefüllt mit aufgenommenen Partikeln. Das primäre Lysosom ist mit Verdauungsenzymen gefüllt. Gemeinsam bilden ein Phagosom und ein primäres Lysosom ein sekundäres Lysosom.
Nun, da sich der Fremdkörper in einem Phagolysosom befindet, kann er durch die Enzyme zersetzt werden. Dabei wird er in viele kleine Bausteine gespalten. Der zusätzliche saure pH-Wert im Vesikel verstärkt diesen Prozess. Nachdem der Vesikelinhalt abgebaut wurde, kann er teilweise wieder zur Zellmembran des Phagozyten transportiert werden. Dort verschmilzt das Vesikel mit der Membran und kann seinen Inhalt nach draußen abgeben. Dieser Pozess wird auch als Exozytose bezeichnet.
Abbildung 2: Ablauf der Phagozytose
Exozytose ist das Gegenteil von Endozytose:
Nicht alle Bausteine des Pathogens werden jedoch durch Exozytose aus der Zelle gebracht. Manche werden auch zu anderen Kompartimenten der Zelle transportiert, wo sie weiterverwertet werden können.
Dieser Prozess der Stoffaufnahme in Zellen durch Einstülpen der Zellmembran wird zusammenfassend auch Endozytose genannt. Die Phagozytose ist nur eine spezielle Form der Endozytose. Ihre Besonderheit ist, dass feste Partikel aufgenommen werden, dazu zählen die bereits genannten Zellbestandteile und Pathogene. Andere Formen der Endozytose sind die Pinozytose und die rezeptorvermittelte Endozytose.
Die Pinozytose ist dadurch charakterisiert, dass gezielt Flüssigkeiten von außerhalb der Zelle aufgenommen werden. In diesen Flüssigkeiten können sich auch gelöste oder ungelöste Substanzen befinden. Außerdem ist es – anders als bei den restlichen Endozytose Arten – nicht nötig, dass Rezeptoren gebunden werden, damit dieser Prozess beginnt.
Bei der rezeptorvermittelten Endozytose werden Moleküle in Zellen aufgenommen, die vorher an spezielle Rezeptoren auf der Zelloberfläche binden. Diese Rezeptoren befinden sich auf sogenannten "Coated pits". Das sind kleine Dellen auf der Zellmembran, die mit den Rezeptoren überzogen sind. Die Innenseite der Membran ist an diesen Stellen mit anderen Proteinen überzogen – den sogenannten Clathrinen.
Bei Bindung des Moleküls an die Rezeptoren dellt das coated pit weiter ein, bis sich ein Vesikel bildet, das außen mit den Clathrinen bedeckt ist. Das Vesikel kann seinen Inhalt nun weiter in die Zelle transportieren.
Im Gegensatz zur Phagozytose sind die hierbei genutzten Membranbereiche, also die coated pits, nicht so groß. Die enstehenden Vesikel sind also auch um ein vielfaches kleiner.
In der folgenden Abbildung kannst du die Unterschiede der drei Möglichkeiten zur Endozytose noch einmal zusammengefasst sehen:
Abbildung 4: Übersicht der verschiedenen Typen der Endozytose
Wie bereits erwähnt, wird Phagozytose von Zellen namens Phagozyten für die Immunabwehr genutzt. Dazu zählen Makrophagen, dendritische Zellen und Granulozyten.
In den StudySmarter Artikeln zu den Zellen des Immunsystems kannst du mehr über sie erfahren.
Eines haben die folgenden Immunzellen gemeinsam: Sie sind Phagozyten. In ihren Funktionen finden sich allerdings einige Unterschiede.
Makrophagen sind vor allem dafür verantwortlich, Mikroorganismen aufzunehmen und zu zersetzen. Auch Bestandteile von zerstörten, körpereigenen Zellen, die nach einer Infektion im Blut vorhanden sind, können von Makrophagen aufgeräumt werden. Die Phagozytose ist eine der Hauptaufgaben der Makrophagen. Eine andere ist es, Bestandteile der zersetzten Mikroorganismen zu speziellen Rezeptoren auf ihrer eigenen Oberfläche zu bringen.
Diese Rezeptoren können die Bestandteile dann binden und nach außen hin präsentieren. Andere Zellen des Immunsystems können die Bestandteile in den Rezeptoren der Makrophagen erkennen und fangen als Reaktion daraufhin an, sich zu vermehren oder weiterzuentwickeln. Auf diese Weise stehen mehr Immunzellen zur Verfügung, die eine Infektion bekämpfen können.
Dendritische Zellen haben ebenso wie Makrophagen die Aufgabe, Pathogene durch Phagozytose aufzunehmen, zu zersetzen und die Bestandteile anschließend anderen Immunzellen zu präsentieren. Im Unterschied zu Makrophagen nehmen sie allerdings auch viele bereits zersetzte Bestandteile von Mikroorganismen per Pinozytose auf, um diese zu präsentieren.
Ein weiterer Unterschied zu Makrophagen ist, dass sie durch die Präsentierung der Bestandteile zusätzlich dazu fähig sind, andere Zellen des Immunsystems zu aktivieren. Sie machen die anderen Zellen also überhaupt darauf aufmerksam, dass es eine Infektion gibt und eine Immunantwort angebracht ist.
Granulozyten sind eine weitere Gruppe von Immunzellen. Einige Untergruppen sind dazu fähig, Phagozytose zu betreiben. Dabei werden Bakterien, Pilze oder Parasiten aufgenommen und zersetzt. Sie haben die Besonderheit, sehr häufig im Blut vorzukommen und daher im Fall einer Infektion sehr schnell zur Stelle zu sein (anders als beispielsweise Makrophagen, die etwas länger brauchen, um beim Infektionsherd anzukommen).
Wie du bisher gelernt hast, ist die Phagozytose ein nützliches Werkzeug, um Infektionsgefahren schnell und sauber loszuwerden. Einige Erreger sind allerdings weit genug entwickelt, dass sie genau diese Mechanismen – die uns eigentlich schützen sollten – nutzen, um ihre Infektion voranzutreiben. Sie können den Mechanismus entern, der von Phagozyten genutzt wird, um Partikel aufzunehmen und sich dadurch Zugang zur Zelle verschaffen.
Der bekannteste Erreger, der sich die Phagozytose zunutze macht, ist das Bakterium Mycobacterium tuberculosis. Es wird in Makrophagen aufgenommen und kann dort nicht zerstört werden. Diese Bakterien besitzen spezielle Bestandteile in ihrer Zellwand, die es verhindern, dass sie von den Verdauungsenzymen im Phagolysosom zersetzt werden können. Dadurch können sie über Jahre hinweg überleben, bis sie eines Tages anfangen, sich zu vermehren. So eine Infektion kann dann die Krankheit Tuberkulose auslösen, vor allem in Menschen, die bereits ein geschwächtes Immunsysten besitzen.
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Was versteht man unter Phagozyten?
Phagozyten sind Zellen, die Phagozytose betreiben können. Dazu zählen in Säugern Makrophagen, dendritische Zellen und einige Granulozyten. Sie sind wichtig für die Immunabwehr, da sie Erreger und tote Zellen aus dem Blut aufnehmen und verwerten können. Außerdem können sie andere Zellen des Immunsystems aktivieren und somit die Immunantwort erhöhen.
Wie läuft die Phagozytose ab?
Bei der Phagozytose binden feste Partikel (z.B. Mikroben oder Zellbestandteile) an Rezeptoren auf der Oberfläche von Phagozyten. Diese umschließen die Fremdkörper daraufhin mit ihrer Membran und kapseln sie ab, sodass sich im Inneren der Zelle ein Vesikel befindet. Dieses Vesikel wird Phagosom genannt und verschmilzt mit einem Lysosom, gefüllt mit Verdauungsenzymen. Die Verdauungsenzyme zersetzen den Fremdkörper in kleine Bestandteile, die nun entweder aus der Zelle transportiert oder für die Weiterführung der Immunantwort genutzt werden können.
Wo findet die Phagozytose statt?
Die Phagozytose findet in Phagozyten – bestimmten Arten von Immunzellen – oder Protisten statt. Die Aufnahme von Substanzen geschieht über die Zellmembran. Ihre Zersetzung geschieht im Zellinneren, also im Cytosol.
Welche Zellen sind zur Phagozytose fähig?
In Säugern wird Phagozytose durch Phagozyten durchgeführt. Dazu zählen Makrophagen, dendritische Zellen und einige Granulozyten. Protisten (also Ein– und Wenigzellige Eukaryoten) können Phagozytose zur Nahrungsaufnahme nutzen.
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Lily Hulatt ist Digital Content Specialist mit über drei Jahren Erfahrung in Content-Strategie und Curriculum-Design. Sie hat 2022 ihren Doktortitel in Englischer Literatur an der Durham University erhalten, dort auch im Fachbereich Englische Studien unterrichtet und an verschiedenen Veröffentlichungen mitgewirkt. Lily ist Expertin für Englische Literatur, Englische Sprache, Geschichte und Philosophie.
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Gabriel Freitas ist AI Engineer mit solider Erfahrung in Softwareentwicklung, maschinellen Lernalgorithmen und generativer KI, einschließlich Anwendungen großer Sprachmodelle (LLMs). Er hat Elektrotechnik an der Universität von São Paulo studiert und macht aktuell seinen MSc in Computertechnik an der Universität von Campinas mit Schwerpunkt auf maschinellem Lernen. Gabriel hat einen starken Hintergrund in Software-Engineering und hat an Projekten zu Computer Vision, Embedded AI und LLM-Anwendungen gearbeitet.
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