Zellbiologie der Tiere (Fach) / Mikrotubuli (Lektion)

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• Zytoskelett allgemein dynamisches Gerüst ⇒ stützt Zelle ⇒keine Deformation innerer Rahmen, der über Lage der Organellen bestimmt Fortbewegung Schienennetz (lenkt Wanderung von Substanzen/ Organellen in Zelle Bsp Transport von mRNA Molekülen/ Vesikel
• Zytoskelett EInteilung hauptsächlich drei Arten dieser Fasern, die das Zytoskelett aufbauen: Mikrofilamente: ∅5-7nm Actin als Hauptbestandteil Intermediärfilamente:∅10nm Mikrotubuli: ∅24nm röhrenförmig, Tubuline als Hauptbestandteile ⇒ Polymere aus Proteineinheiten, die durch schwache nichtkovalente Bindungen zs. gehalten werden ⇒schneller Auf/Abbau
• Aus Zytoskelettproteinen werden auffällige Strukturen gebildet Haare Mitosespindel Myofibrillen Cilien
• Verantwortlichkeit der Cytoskelettproteine 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 eukaryotischer Zellen von den primitivsten einzelligen Eukayonten bis zum Menschen haben alle MT die gleiche molekulare Organisation Wand besteht aus globulären Proteinmolekülen, in Längsreihen angeordnet = Protofilamente⇒liegen parallel zur Achse des Tubulus sie selbst sind hochdynamische Strukturen, die an vielfältigen Bewegungsvorgängen beteiligt sind: Geißelbewegung, Vesikeltransport, Chromosomenbewegung
• Aufbau der Mikrotubuli im EM erscheinen MT als Röhrchen entweder einfache Röhren: 13 Längsreihen um einen Hohlraum herum= Protofilamente (13 adriges Kabel)⇒frei im Cytoplasma oder doppelte Röhren= Cilien oder dreifache Röhren = Centriolen
• chemischer Aufbau der Mikrotubuli Proteine mit Namen Tubulin kleine globuläre Proteine, 4-5nm∅ ca.50kDa, also ca. 450 Aminosäuren lang es gibt 2 sehr ähnliche Varianten (Isoformen) des Tubulins: α-Tubulin +β-Tubulin ein α-Tubulin und ein β-Tubulin bilden ein Dimer diese Tubulin Dimere lagern sich zu langen Filamenten zusammen
• Tubuline werden posttranslational modifiziert α-Tubulin: Lys40: N-Acetylierung C-Terminus: Tyrolisierung/ Detyrolysierung Glu445: poli-Glutamylierung β-Tubulin: Tyr437,Ser441,Ser444: Phosphorylierungen Glu435,438,441: poly-Glutamylierung
• Molekulare Struktur- Filamentstruktur Monomere ellipsoid 46x40x65Å (BxHxT) 3 Domänen: N-terminal: Nucleotid-bindend, Mittelteil: große Loops, C-terminnal:α-Helices α&β Einheiten sind sehr ähnlich Loops der Mittelteile zeigen zum Lumen Helices liegen an der Außenseite(Protease-sensitiv, zugänglich für Antikörper) 2Grenzen im Protofilament: 1. im Dimer 2. zwischen benachbarten Dimeren Anordnung der Dimere: Nucleotid des β-Tubulins zeigt zum +-Ende der MT,α-Tubulins zum -Ende Taxol bindet an der Kontaktzone beachbarter Protofilamente
• Anordnung der MT Dimere im Filament ist immer gleich an einem Ende des Filaments nur α-Tubuline am anderen nur β-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 Stabilität
• Tubuline binden GTP α-Tubulin: 1x GTP, nicht austauschbar β-Tubulin: 1xGTP, austauschbar ⇒wird bei der Assembly der Mikrotubuli hydrolysiert GTP wird zu GDP hydrolysiert⇒GDP bleibt am Polymer gebunden⇒GDP wird durch neues GTP ersetzt= wieder aufgeladen
• Wie wachsen/ schrumpfen MT? wachsende und schrumpfende Enden sehen unterschiedlich aus Wachstum: lange, gebogene, flache Strukturen, die sich allmählich zu Röhren schließen Verkürzung: Protofilamente dissozieren als Ringe, danach weitere Dissoziation zu Dimeren schnelles MT-Wachstum: Dimere werden schnell angefügt⇒Hydrolyse von GTP hält nicht Schritt⇒Kappe aus GTP Tubulindimeren entsteht am Plus-Ende0 begünstigt Anlagerung weiterer Untereinheiten und Wachstum Mikrotubuli mit offenen Enden: (spontane Reaktion) →Rohr schließt =Hydrolyse GTP⇒Untereinheiten GDP entstehen= andere Konformation! ⇒passen nicht gut in Protofilament= mechanische Spannung destabilisiert MT (Lösung)→Protofilamente biegen sich vom +-Ende nach außen= katastrophale Depolymerisierung
• Dynamische Instabilität 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 MT de-/polymerisieren je nach Bedürfnis der Zelle
• MTOC (Microtubuli organization centre) MT bilden sich von MTOC, Centrosom Polarität der MT: -Ende am MTOC, +Ende zeigt davon weg (in der Nähe der Membran steuern Zahl der Mikrotubuli, Polarität, Zahl der Protofilamente, Zeitpunkt und Ort der Entstehung
• MTOC in tierischen Zellen befinden sich dort Centriolen 9 dreifach Tubuli 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 G2Phase zwei
• Bau von Centriolen 9 Fibrillen, jede Fibrille A,B,C Mikrotubuli, radiale Speiche zur Mitte Centriolen paarweise in rechter Anordnung
• axonaler Transport an Mikrotubuli Ribosomen befinden sich nur im Zellkörper von Neuronen in den Axonen und Synapsen findet keine Proteinbiosynthese statt! ⇒MT sind mit (-) Ende Richtung Zellkörper orientiert= Transport Richtung Synapse alle Proteine müssen entlang des Axons zu den Synapsen transportiert werden Motorproteine bewegen sich schrittweise von Bindungsstelle zur nächsten ( nur in 1 Richtung) Protein durchläuft Konformationsänderungen die sich zu mechanischem Zyklus summieren ⇒gekoppelt mit chem. Zyklus
• Motorproteine Transport an Mikrotubuli Bindung ATP Molekül an Motor Hydrolyse des ATPs Freisetzung von ADP & Pi vom Motor und Bindung neues ATP ⇒Hydrolyse= Kraftschlag mit jeder Bindung Konformationsänderung im Hals⇒ verstärken Bewegung innerhalb Motordomäne⇒anderer Kopf bewegt sich zu Bindungsstelle am Protofilament vorwärts (Hand über Hand Mechanismus?)
• Motorproteine Kinesine: Proteinkomplexe, die ihre Fracht in Richung + Ende der MT transportieren = anterogader Motor Dyneine(Krafterzeuger bei Anordnung der Spindel und Chromosomenwanderung): Proteinkomplexe, die in Richtung -Ende transportieren (retrogader Transport) Mysoine: benutzen MT als Schienen
• Motorproteinstuktur Kopf: globulär, ATPase, Motordomäne ⇒binden an MT und ATP hydrolysierende Kraft Stab: α-helical, Dimerisierung, Polymerisierung Schwanz: globulär, Fracht-Bindung, Regulation
• Cilienschlag Cilium im starren Zustand stößt sich am umgebendem Medium ab bewegt Zelle in eine Richtun, die im rechten Winkel zu eigener Bewegung steht Kraftschlag und Erholungsschlag
• Cilien, Flagellen, Geißeln haarförmige Gebilde an der Zellmembran, die auf Bewegungen spezialisiert sind (in Flimmerepithelien, Spermien, einzelligen Algen, Ciliaten..) Komplex aus MT und assoziierten Proteinen, genannt Axonem in vielzelligen Organismen bewegen Cilien Teilchen und Flüssigkeiten durch Hohlräume im Körperinnern
• Bau von Cilien jedes Axonem besteht aus : 2 zentralen, einzelnen MT, 9 äußeren Paaren von MT ⇒9x2+2Struktur an der Basis der Cilien befindet sich ein MTOC mit Ähnlichkeit zu Centriolen ( Basalkörperchen) die Bewegung entsteht durch Wechselwirkungen der Dynein-Arme mit den benachbarten Mitkrotubuli (analog zur Wechselwirkung der dicken und dünnen Filamente im Muskel)

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