Zellbiologie (Subject) / Mikrotubuli/Mikrofilamente/Membranen (Lesson)

VL

This lesson was created by violetta91.

Learn lesson

This lesson is not released for learning.

back  |  next 1 / 2

• Zytoskelett charakteristische Gestalt Organisation der Organellen in einer Zelle zielgerichte transportation der Zellbestandteile  Bewegung Für alle diese Dinge sind mehrere Arten von Proteinen verantwortlich, die eine dynamisch veränderbare Matrix bilden können. Die Basis bilden Proteine, die lange und relativ stabile faserförmige Polymere bilden. Man findet diese Proteine bei allen Eukaryonten; bei Prokaryonten in ähnlicher, abgewandelter Form!
• Zytoskelett - Arten der Fasern Mikrofilamente: ∅ 5 - 7 nm Actin als Hauptbestandteil Intermediärfilamente: ∅ 10 nm Mikrotubuli: ∅ 24 nm röhrenförmig; Tubuline als Hauptbestandteile
• Zytoskelett - Aus diesen Proteinen werden einige sehr auffällige Strukturen gebildet Haare Mitosespindel Myofibrillen Cilien
• Die Zytoskelettproteine sind verantwortlich für Bewegung in Zellen:–Transport von Organellen–axonaler Transport–Plasmaströmung–Cytokinese–Chromosomentransport Bewegung von Zellen:–amöboide Bewegung–Zellwanderung im Embryo–Wundheilung–Cilienschlag–Chemotaxis
• Mikrotubuli MT findet man im Cytoplasma aller eukaryontischen Zellen Von den primitivsten einzelligen Eukaryonten bis zum Menschen haben alle MT die gleiche molekulare Organisation. Sie selbst sind hochdynamische Strukturen, die an vielfältigen Bewegungsvorgängen beteiligt sind:–Geißelbewegung–Vesikeltransport (ER → Golgi ...)–Chromosomenbewegung sind ein Bestandteil des Cytoplasmas aller eukaryotischer Zellen – mit einer Ausnahme von Erythrozyten Größe – Dimension in der Zelle: z.B. in Fibroblasten ~ 1.000 mm2 Oberfläche! (entspricht etwa der Größe der Cytoplasma-membran, 10 x mehr wie die Kernhülle!)
• Aufbau der Mikrotubuli im elektronenmikroskopischen Bild erscheinen die MT als Röhrchen; Durchmesser 25 nm; Wandstärke 5 nm entweder einfache Röhren13 Längsreihen um einen Hohlraum herum = Protofilamente(~ 13-adriges Kabel!)→ frei im Cytoplasmaoder doppelte Röhrchen→ in Cilienoder dreifache Röhrchen→ Centriolen
• Chemischer Aufbau der Mikrotubuli Proteine mit Namen Tubulin: kleine, globuläre Proteine, 4 - 5 nm ∅ ca. 50 kDa, also ca. 450 Aminosäuren lang es gibt zwei sehr ähnliche Varianten (= Isoformen) des Tubulins: a-Tubulin + b-Tubulin ein a-Tubulin und ein b-Tubulin bilden ein Dimer diese Tubulin Dimere lagern sich zu langen Filamenten zusammen Tubulin Monomere↓Tubulin Dimere↓"Nuclei"↓  - Polymerisation "Assembly"Mikrotubuli → Depolymerisation "Disassembly" →Tubulin Dimere
• Tubuline modifizierung Tubuline werden posttranslational modifiziert ! a-Tubulin:Lys40 - N-AcetylierungC-Terminus - Tyrosylierung/ Detyrosylierung (Tubulin Tyrosinligase TTL / Carboxypeptidase)Glu445 - poly-Glutamylierung und poly-Glycinylierung b-Tubulin:PhosphorylierungenTyr 437 Ser 441Ser 444poly-Glutamylierung (Reste 1- 8!)Glu 435 Glu 438Glu 441poly-Glycinylierung (bis zu 13 Reste!)?
• Molekulare Struktur - Filamentstruktur Monomere:ellipsoid46 x 40 x 65 Å (B x H x T)3 Domänen: N-terminal: Nucleotid-bindend Mittelteil: große Loops C-terminal: a-Helicesa und b Untereinheiten sind sehr ähnlich Dimere: 46 x 80 x 65 Å Loops der Mittelteile zeigen zum Lumen. Helices liegen an der Außenseite. (Protease-sensitiv, zugänglich für Antikörper, Bindung von MAPs) 2 Grenzen im Protofilament: 1. im Dimer 2. zwischen benachbarten DimerenAnordnung der Dimere: Nucleotid-Bindungsstelle des b-Tubulins zeigt zum + Ende der MT; a-Tubulin zeigt zum – Ende.Taxol bindet an der Kontaktzone benachbarter Protofilamente.
• Die Anordnung der Dimere im Filament ist immer gleich - Mikrotubuli an einem Ende des Filaments nur a-Tubuline, am anderen Ende nur b-Tubuline! Polarität, zwei unterschiedliche Enden! das Wachstum ist an diesen Enden unterschiedlich schnell! + Ende: schneller Aufbau, aber auch schneller Abbau – Ende: langsamer Auf- und Abbau= dynamische Instabilität !
• Tubuline binden GTP a-Tubulin: 1 x GTP, nicht austauschbar!  b-Tubulin: 1 x GTP, austauschbar → wird bei der Assembly der Mikrotubuli hydrolysiert
• Wie wachsen / schrumpfen MT? Wachsende und schrumpfende Enden sehen unterschiedlich aus! Wachstum: lange, gebogene, flache Strukturen (“sheets”), die sich allmählich zu Röhren schließen. Verkürzung: Protofilamente dissoziieren als Ringe, danach weitere Dissoziation zu Dimeren.
• Dynamische Instabilität - MT GTP ist notwendig Ca2+ nur in niedrigen Konzentrationen! langsame Bildung eines “Primers” schnell (+) und langsam (-) wachsendes Ende Kritische Konzentration GTP-Hydrolyse / + Ende mit GTP-Tubulin
• Intrazelluläre Verteilung von Mikrotubuli MTOC (= Microtubule Organizing Centre) Experiment:•Behandlung von Zellen mit einer Substanz, die Mikrotubuli zerstört•Absetzen der Substanz → MT bilden sich neuAber: dies geschieht nicht zufällig, sondern von einem bestimmten Punkt aus, dem "Organisationszentrum" (MTOC, Centrosom)Polarität der MT: - Ende am MTOC + Ende zeigt davon weg
• Mikrotubuli-Organisationszentren - Tierische Zellen The minus ends of microtubules in cells are generally embedded in a microtubule-organizing center, while the plus ends are often near the plasma membrane In tierischen Zellen befinden sich dort Centriolen:•9 Dreifachtubuli, im Kreis angeordnet, bilden einen kurzen Zylinder•ein zweiter, fast identischer Zylinder steht im rechten Winkel dazu•die Centriolen werden während der S-Phase verdoppelt•Zellen in der G1-Phase haben nur ein MTOC, in der G2-Phase zwei.
• Intrazellulärer Transport an Mikrotubuli Viele Substanzen und Organellen müssen in der Zelle oft über größere Distanzen transportiert werden.Bsp.: axonaler Transport, schneller und gerichteter Transport von Vesikeln Axonaler Transport:→ Ribosomen befinden sich nur im Zellkörper von Neuronen.→ In den Axonen und Synapsen findet keine Proteinsynthese statt!→ Alle Proteine müssen entlang des Axons zu den Synapsen transportiert werden!!!
• Entwicklung des ersten künstlichen Systems, in dem MT-Bewegung gezeigt wurde: Riesenaxone von Tintenfischen:Axone präparierenCytoplasma ausquetschen Frage: Was wird benötigt, damit sich Vesikel an Mikrotubuli entlang bewegen können?= Kinesin + Kinesin rezeptor
• Motorproteine - MT 1. Kinesine:Proteinkomplexe, die ihre Fracht in Richtung + Ende der MT transportieren = anterograder Motor 2. Dyneine:Proteinkomplexe, die in Richtung – Ende transportieren (= retrograder Motor)
• Motorprotein-Struktur - ATPasen- Monomere, Dimere und Oligomere aus schweren Ketten- Leichte Ketten (LCs) Kopf- globulär- ATPase- Motordomäne Stab- a-helical- Dimerisierung- Polymerisierung Schwanz- globulär- Fracht-Bindung- Regulation
• Cilienschlag - Cilien, Flagellen, Geißeln haarförmige Gebilde an der Zellmembran, die auf Bewegung spezialisiert sind (in Flimmerepithelien, Spermien, einzelligen Algen,Ciliaten, ...) Komplex aus MT und assoziierten Proteinen, genannt Axonem
• Bau von Cilien Jedes Axonem besteht aus: 2 zentralen, einzelnen Mikrotubuli, 9 äußeren Paaren von Mikrotubuli.= 9 x 2 + 2 Struktur An der Basis der Cilien befindet sich ein MTOC mit Ähnlichkeit zu Centriolen (Basalkörperchen). Die Bewegung entsteht durch Wechselwirkung der Dynein-Arme mit den benachbarten Mikrotubuli (analog zur Wechselwirkung der dicken und dünnen Filamente im Muskel)
• Nexin-Brücken sind essentiell für Cilienschlag Proteolytische Spaltung der Querbrücken → Doublets gleiten auseinander Querbrücken intakt → Querbrücken setzen Gleitbewegung in Krümmung um
• Mikrofilamente - Wo Mikrofilamente findet man im Cytoplasma aller eukaryotischen Zellen in großen Mengen. Von den primitivsten einzelligen Eukaryoten bis zum Menschen haben alle Mikrofilamente die gleiche molekulare Organisation. Sie selbst sind hochdynamische Strukturen, die an vielfältigen Bewegungsvorgängen beteiligt sind. z. B.:–Cytokinese–Muskelbewegung–Plasmaströmung
• Aufbau der Mikrofilamente im elektronenmikroskopischen Bild erscheinen sie als lange Fäden; Durchmesser 5 - 7 nm Grundlage ist ein Protein mit Namen Actin: kleines, globuläres Protein, 4 - 5 nm ∅ ca. 42 kDa, also ca. 375 Aminosäuren lang es gibt mehrere, sehr ähnliche Isoformen (= Varianten) des Actins viele Actin-Untereinheiten (Monomere, G-Actin) polymerisieren zu langen, fadenförmigen Aggregaten (F-Actin) es gibt eine Reihe Actin-bindender Proteine, die die Eigenschaften des Actins beeinflussen
• Polymerisation von Actin                                      PolymerizationG (globuläres) Actin             →→                  F (filamentöses) Actin[Monomer]                               ←                              [Polymer]                                                                      nicht-kovalente Verbindung! induzierbar durch 1 mM MgCl2, 100 mM KCl, ... Polymerisation kann experimentell verfolgt werden:-low / high shear viscosity-Sedimentation (low speed / high speed)-UV Absorption-Fluoreszenz Spektroskopie (höhere Fluoreszenz von Pyren-F/A)
• Polymerisation von Actin - Ablauf monomeres G-Actin↓↓↑ langsam (rate-limiling step)1. Bildung eines "polymerization nucleus"↓↑2. Elongation(Addition von Monomeren an beiden Enden der Nuclei) Abbildung angucken!!
• Physiologische Phasen - Polymerisation von Actin Bezug Zeit & Viskosität lag-Phase (Bildung von Nuclei) exponentielle Phase der Polymerisation stationäre Phase Q: was passiert, wenn man Nuclei zu G-Actin gibt?A: keine lag-Phase!
• Die Anordnung der Monomere im Filament ist immer gleich - Polymerisation von Actin Polarität des Filaments mit zwei unterschiedlichen Enden! das Wachstum ist an diesen Enden unterschiedlich schnell! + Ende: schneller Aufbau – Ende: langsamer Aufbau
• ATP & Kinetik der Polymerisation kurz nach der Polymerisation wird ATP zu ADP hydrolysiert (Pi dissoziiert langsam) Unterhalb einer Mindestkonzentration an freiem G-Actin stoppt die Polymerisation = kritische Konzentration! (kritische Konzentration höher für ADP-Actin!)
• Actin: Polymerisation - Bindung Myosin Köpfchen binden in nur einer Richtung an F-actin- "arrowhead" Komplexe- Visualisierung der Filament-Polarität: "pointed end – barbed end" arrowhead Komplexe wirken als Polymerisations-Nuclei- pointed end = slow growing end- barbed end = fast growing end
• Drogen auf Aktin Cytochalasin DAlkaloid isoliert aus dem Pilz Zygosporium mansonii.Bindet an das barbed (+) end von Actin Filamenten.→ induziert Filament Depolymerisation PhalloidinToxin aus dem giftigen Pilz Amanita phalloides.Bindet entlang von Actin Filamenten.→ verhindert Filament Disassembly (Stichwort: rohes Fleisch essen !!!)
• Actin + Drogen                  PhalloidinG-Actin            →              F-Actin                         ←               Cytochalasin
• Actin-bindende Proteine Scheinbarer Widerspruch im Experiment: unter Bedingungen wie sie in der Zelle herrschen, findet man in vitro fast nur F-Actin trotzdem gibt es in Extrakten von Zellen eine größere Menge nicht polymerisierten Actins!? Erklärung:Man fand Proteine, die an G-Actin binden und das Monomer in der Zelle stabilisieren!= Identifikation der ersten Actin-bindenden Proteine
• Actin-bindende Proteine - Funktion regulieren die Organisation von Actin auf unterschiedliche Art und Weise nach der Primärsequenz kann man heute > 48 unterschiedliche Klassen Actin-bindender Proteine unterscheiden! es bewährt sich eine Einteilung der Proteine nach ihrer grundlegenden FunktionF-Actin seitlich bindende Proteine Filament-schneidende Proteine bündelnde Proteine Capping Proteine Netzwerk-stabilisierende Proteine Membran-verankernde Proteine MotorproteineG-Aktin Monomer-stabilisierende Proteine
• Mikrofilamente - Probleme in der Zelle lokalisierte Induktion der Polymerisation lokal unterschiedliche Strukturierung Längenregulation - Stabilisierung
• Aufbau von Microvilli Villin Actionfilamete Fimbrin Laterale verlägerung (extention) Action oortex linked by speotrin Intermediate filamente Linked to cell membrane Plasmalemma
• Subzelluläre Organisation der Mikrofilamente Stressfasern - antiparallele Bündel (kontraktil) Cortex - Netzwerke Filopodien - parallele Bündel
• Aufbau des quergestreiften Muskels A - Muskel B - Faserbündel C - Muskelfaser D - Myofibrille - Z-Sarkomer-Z E - Myofilamente aus = dünnes Filament - dickes Filamen
• Mikrofilamente - Grundlage für Bewegungsvorgänge Interaktion der dünnen Myofilamente mit den dicken Myofilamenten Regulation der Interaktion durch Ca2+, Tropomyosin, Troponin-Komplex, Kinasen, ... räumliche Integration und Organisation der Filamente Längenregulation der Filamente
• Dünne Myofilamente - Mikrofilamente Tropomyosin: deckt Myosin-Bindungsstellen ab  Troponin: reguliert Bindungsort des Tropomyosins(T=Tropomyosin-Bindung, C=Calcium-Bindung, I=Inhibition) Bild!!
• Myosin II (Kontraktion) Kopf-Domäne- globulär- ATPase- Filament-Bindung Stab-Domäne- a-helical- Dimerisierung- Polymerisierung Schwere KetteLeichte Ketten
• Dicke Filamente - Myosin-Filamente - ca. 250 Myosin II Moleküle- bipolar Bare Zone Shape of a single myosin molecule Myosin tail Myosin heads
• Muskelkontraktion - Querbrücken-Zyklus relaxiert kontrahiert A - Myosinkopf, Aktion, ATP B - ATP bindet, Spalte öffnet sich, Myosin dissoziiert von Aktin C - ATP-Spalte schließt sich, findet statt D - Myosin bindet wieder an Aktin E - Verlust des gamma-Phosphats, Beginn des Arbeitstaktes F - Freisetzung von ADP
• Funktionen von Biomembranen Abgrenzung von Zellen gegenüber der Außenwelt (= Zellmembran, Plasmamembran) Abgrenzung von Reaktionsräumen innerhalb von Zellen (Organellen der Eukaryotenzellen) Kontrollierter Stoffaustausch mit der Umgebung (Zelle - Nachbarzelle / Organelle - Zytoplasma) Mechanische Verankerung in der Umgebung (zusammen mit dem Zytoskelett) Signalweiterleitung Umwelt ↔ innen
• Chemische Hauptbestandteile von Biomembranen Lipide > Proteine Lipide bilden die Grundsubstanz– Lipide sind konstitutive Bestandteile aller Membranen– Lipide geben den Membranen ihre grundlegenden physikalisch-chemischen Eigenschaften Proteine sind funktionell essenzielle Bestandteile der Biomembranen– Etwa 30% aller Säugerzellproteine sind in oder auf Membranen (Transportproteine, Rezeptoren, ...)– Etwa 70% aller Säugerzellproteine müssen durch mindestens eine Membran hindurch
• Fluid Mosaic Model DAS Membranmodell, stammend aus den 70er Jahren: Sanger & Nicolson Das strukturelle Gerüst einer Membran besteht aus Lipiden, die sich in der Ebene der Membran frei bewegen können; darin befinden sich Proteine, die innerhalb der Membran ebenfalls lateral (frei) beweglich sind
• Beginn der "Doppelmembran-Ära" Phospholipid Monolayer Experiment von Gorter and Grendel, 1925 Ergebnis: Erys haben eine "doppelt so große" Lipidschicht, wie man sie für einen Monolayer errechnet hatte = Doppelschicht
• Beginn der "Doppelmembran-Ära" Phospholipid Monolayer Experiment von Gorter and Grendel, 1925 Ergebnis: Erys haben eine "doppelt so große" Lipidschicht, wie man sie für einen Monolayer errechnet hatte = Doppelschicht
• Wie sind Membranlipide aufgebaut? - Lipidzusammensetzung Was passiert in wässriger Umgebung? hydrophob wasserabweisend hydrophil wasserlöslich Alle Membranen enthalten Phospholipide (PL); PL sind die hauptsächlichen amphipatischen Lipide. Glycolipide und Sterole sind in der Plasmamembran von Säugerzellen konzentriert. In Pflanzen dominieren Glycolipide in den Chloroplasten. Bakterielle Membranen besitzen keine Sterole. In der optimalen Anordnung trennen sich die hydrophoben Molekülteile vom Wasser ab, die hydrophilen Anteile sind zum Wasser hin ausgerichtet.
• Chemische Struktur von Lipiden - Variabilität Prinzipieller Aufbau eines Phospholipids Variation der Kopfgruppe Variation der Fettsäureketten- Anzahl der Doppelbindungen- Lage der Doppelbindungen Zentrales verknüpfendes Molekül Glycerin oder Ceramid 2 Fettsäuren verestert mit Glycerin und dritte OH-Gruppe verestert mit hydrophilen Molekülen (nur Speicherfette sind Triacylglycerole!!!) Cholesterin, Sphingolipide, Ceramide, ...  Extreme Variabilität! (Bsp.: Erythrocyten enthalten in ihrer Membran etwa 400 unterschiedliche Lipide!)

back  |  next 1 / 2