Das Endothel ist ein einfaches Plattenepithel. Die flache Endothelzelle hat eine Längsachse, die entlang der Strömungsrichtung ausgerichtet ist. Sie sitzt auf einer Basalmembran. Ultrastrukturelle Untersuchungen haben weitere Details ergeben.
Die Zelle enthält kleine Mikrovilli auf ihrer Oberfläche. In ihrem Zytoplasma befinden sich Mitochondrien, Golgi-Körperchen, zahlreiche pinozytotische Vesikel, das endoplasmatische Retikulum und kontraktile Filamente. Die kontraktilen Filamente sind nur selten im Einsatz zu sehen. Ausnahmen sind die Kontraktion der venösen Endothelzellen bei akuten Entzündungen und die Milzkapillaren, die sehr aktiv zu sein scheinen.
Die Vesikel haben einen Durchmesser von etwa 50-70 Nanometern. Sie wurden als ein Weg vorgeschlagen, auf dem Makromoleküle die Zelle vom Gefäßlumen aus durchqueren könnten. Gelegentlich sind deutliche stäbchenförmige zytoplasmatische Strukturen zu sehen. Diese elektronendichten Strukturen werden als Weibel-Palade-Körperchen bezeichnet und sind vermutlich das Lager für den Faktor VIII der Gerinnungskaskade.
Die interzelluläre Verbindungsstelle macht weniger als 1 % der Gesamtoberfläche der Endothelzelle aus. Sie ist weniger als 20 Nanometer breit und kann sich bis zu 1000 Nanometer zwischen benachbarten Zellen erstrecken. An den engsten Stellen berühren sich die Zellen über Tight Junctions. Zwischen den Bereichen der tight junctions - den junctional strands - gibt es Unterbrechungen in der Barriere, die den Durchgang von Wasser und kleinen Stoffwechselprodukten ermöglichen. Die Anzahl und Überlappung der Junktionsstränge bestimmen die Durchlässigkeit des Endothels. So haben Hirnkapillaren, die fast vollständig von tight junctions bedeckt sind, eine niedrige Durchlässigkeit; die Abdichtung wird als Zonula occludens bezeichnet. Der Interzellularraum ist wie die Zelloberfläche durch ein Netzwerk von Sialoglykoproteinen negativ geladen. Diese Ladung trägt zu den Filtereigenschaften des Endothels bei. Die Basalmembran wirkt den Oberflächenbelastungen der Zelle entgegen; sie ist durch Glykoprotein-Laminin-Moleküle verbunden.
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