Biologie für Mediziner: Zytoskelett
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Inhaltsverzeichnis |
[Bearbeiten] Eigenschaften des Zytoskeletts
Das Zytoskelett bildet ein weit verzweigtes intrazelluläres Netzwerk aus filamentösen Proteinen, welches der Zelle ihre Form gibt und für zielgerichtete Bewegungen innerhalb der Zelle und für die Zelle als Ganzes notwendig ist. Es besteht aus stabilen Strukturen (Endoskelett) zum Formerhalt und labilen Strukturen, die Motor- und Polymerisations-basierte Bewegungen ermöglichen:
- Stabile Strukuren: Hierzu zählen die Intermediärfilamente wie z.B. Keratin (Haut), Vimentin (Fibroblasten) und Desmin (Muskel).
- Labile Strukturen: Hier unterscheidet man Motor-Strukturen (Myosin, Mikrotubuli- und Aktin-assozierte Motorproteine) von den Polymerisationsstrukturen (Mikrotubuli, Aktin).
Eigenschaften der Zytoskelettbestandteile:
Die Filamente des Zytoskeletts stellen Polymere dar und besitzen einen hierarchischen Aufbau: Aus einfachen Basis-Monomeren aus globulärem Protein bilden sich Protofilamente (Basisstrukturen), die sich zu Makromolekülen, den Filamenten zusammenlagern. Ihr Auf- und Abbau wird durch verschiedenste Kontrollfaktoren dynamisch reguliert.
An diese Filamente binden assoziierte Proteine wie Motorproteine und Brückenproteine und regeln die Funktion.
[Bearbeiten] Intermediärfilamente
Intermediärfilamente sind die mechanisch und chemisch stabilsten Filamente. Sie werden in fast allen Zellen produziert, besonders in mechanisch belasteten Zellen wie z.B. in der Epidermis, und sichern die strukturelle Integrität der Zellen und Gewebe. Sie durchziehen die Zelle bis zu Peripherie und stabilisieren dort über Desmosomen die Zell-Zell-Kontakte. Mittels Adapterproteinen sind viele Organellen und Vesikel stabil am Intermediärfilamentnetzwerk befestigt, wobei die Verbindungen dynamisch gelöst werden können.
Der Zellkern besitzt ein eigenes Netzwerk aus Intermediärfilamenten unterhalb der Kernhülle (Kernlamina).
Beispiele für IF sind das Keratin der Haut (Epithelzellen), das Vimentin der Fibroblasten, das Desmin der Muskulatur und die Neurofilamente der Nervenzellen.
Die Zellen von Pflanzen und Arthropoden besitzen keine Intermediärfilamente.
[Bearbeiten] Struktur der Intermediärfilamente
Bei den Intermediärfilamente handelt es sich um eine sehr große und heterogene Gruppe von Filamentproteinen. Im Allgemeinen sind sie strickartig aufgebaut mit einem Durchmesser von ca. 10 nm.
Die Protofilamente bestehen aus einer α-Helix mit globulären Enden. Zwei dieser Monomere winden sich umeinander und bilden ein Dimer. Ein Dimer und zwei weitere Monomere bilden in der Länge etwas gegeneinander versetzt ein unpolares Tetramer. Die Tetramere können sich seitlich zusammenlagern und flächige Strukturen bilden, die parallel zur Filamentrichtung wie ein Teppich zusammengerollt dicke Filamentstränge bilden. Über die membranständigen Desmosomen sind die Intermediärfilamente benachbarter Zellen miteinander verbunden.
Eine Pathologie der IF stellt die Epidermolysis bullosa simplex (EBS) dar. Ein Keratin-Defekt führt hier zum Stabilitätsverlust der Zell-Zell-Kontakte im Stratum spinosum (Stachelzellschicht) der Haut. Bei geringster mechanischer Belastung kommt es zur Blasenbildung.
[Bearbeiten] Mikrotubuli
Mikrotubuli polymerisieren aus Tubulin-Dimeren und bilden Röhrenstrukturen aus, die einen Durchmesser von etwa 24 nm aufweisen. Sie sind recht steif, können aber auch rasch auf- und abgebaut werden, was man als „dynamische Instabilität“ bezeichnet. Die Polymerisation der MT geht vom Zentrosom bzw. Mikrotubuliorganisationszentrum (MTOC) aus, die Tubuli sind daher in der Zelle sternförmig organisiert.
Aufgaben der Mikrotubuli: Mit Hilfe von verschiedenen Helferproteinen sind MT beteiligt an:
- der Erhaltung und Veränderung der Zellform, sowie an der Polarität,
- am gerichteten intrazellulären Transport von Vesikeln und anderen Zellbestandteilen
- an der Zellteilung durch Bildung der Mitosespindel
- am Aufbau des Zentrosoms, der Zilien und Geiseln
Aufbau der MT: MT entstehen durch Polymerisation und Aggregation von Tubulin-Dimeren. Diese Heterodimere aus einem α- und einem β-Tubulin bilden im streng geordneten Aufbau eines Tubulus 13 parallele Protofilamente, wobei sich α- und β-Tubulin regelmäßig abwechseln.
Das Wachstum des "nackten" MT erfolgt an beiden Enden, allerdings am Minus-Ende (Richtung MTOC) langsamer als am peripheren Plus-Ende, was zu einem gerichteten Wachstum in Plus-Richtung führt.
Mechanismus der Polymerisation: α- und β-Tubulin liegen jeweils in 2 Formen vor:
- Die GTP-beladene Form hat eine hohe Affinität zum Plus-Ende und begünstigt die Polymerisation. GTP-Mikrotubuli sind sehr stabil.
- Die GDP-beladene Form neigt zur Lyse. GDP-Mikrotubuli sind extrem instabil und depolymerisieren leicht.
Das Wachstum der Tubuli erfolgt durch schnelle Aggregation von GTP-Tubulin am Plus-Ende. Eine intrinsische GTPase-Aktivität des Tubulins hydrolysiert GTP dann langsam zu GDP + Pi. Dabei herrscht eine Kopplung von Hydrolyse und Polymerisation. In einem Mikrotubulus siedelt sich die β-Untereinheit am Plus-Ende (α-Tubulin) an. Die β-Untereinheit kann zwar GTP binden, aber nicht hydrolysieren. Dies ist der β-Untereinheit erst möglich, wenn die α-Untereinheit andockt. Dies bedeutet, dass innerhalb des Mikrotubulus die destabilisierenden GDP-beladenen Formen zunehmen, während am Plus-Pol GTP-beladene Formen überwiegen und für Stabilität sorgen (Das GTP-Tubulin „verklebt“ quasi das Plus-Ende des MT).
Nun sind zwei Situationen denkbar:
- Ist die Polymerisation langsamer als die Hydrolyse, so findet man am Plus-Ende u. U. nur einen einzelnen Ring aus GTP-Tubulin-Untereinheiten, die das Plus-Ende stabilisieren, indem er die Trennung der internen GDP-Untereinheiten verhindert.
- Verläuft die Polymerisation schneller als die Hydrolyse, dann formiert sich am Plus-Ende eine große Kappe aus GTP-Untereinheiten und stabilisiert so den Mikrotubulus. Ein Entfernen dieser GTP-Tubulin-Kappe führt zur Depolymerisation.
Regulation der Depolymerisation:
- Nimmt das Angebot an GTP-Tubulin ab, verliert der MT seine GTP-Tubulin-Schutzkappe und er kollabiert, was man als „katastrophale Depolymerisation“ bezeichnet.
- Häufiger noch kommt es zum Abreißen des MT. Dieser bricht dann vom Minusende her zusammen.
- MT können auch ATP-abhängig vom Protein Katanin (von jap. katana: Schwert) zerkleinert werden
Geschwindigkeit von Polymerisation und Zusammenbruch: Wachstum: 8 μm/s, Schrumpfung: 17 μm/s.
Bedeutung für den Formerhalt der Zelle: Durch eine zielgerichtete Veränderung der Verteilung der dynamischen Instabilität kann die Zelle ihre Form verändern.
Toxikologie: Taxole wie z.B. Paclitaxel (aus der pazifischen Eibe, verwendet als Zytostatikum) stabilisieren MT und verhindern ihren Abbau. Cholchizin, das Gift der Herbszeitlosen verhindert hingegen die MT-Polymerisation. In beiden Fällen resultiert eine Mitosehemmung, die sich besonders auf proliferierende Zellen (Immunzellen, Epithelien, Krebszellen u.a.) auswirkt.
Weblinks: Die Dynamik und Mechanik der plus-Enden von Mikrotubuli, Hartman, Jim: „Katanin, an AAA ATPase that Takes Apart Stable Microtubules“
[Bearbeiten] Höhere Aggregationsmuster der Mikrotubuli
Mikrotubuli können nicht nur als Singlett, sondern auch als Doublett oder Triplett vorliegen. Dabei schließen sich einem MT aus 13 Protofilamenten (A-Tubulus) seitlich in Längsrichtung ein oder zwei weitere Mikrotubuli (B- und C-Tubulus) mit jeweils 10 Protofilamenten an.
[Bearbeiten] Zentrosom
Das Zentrosom oder MTOC ist der Startpunkt des MT-Wachstums und besitzt sog. Nucleationsstellen aus ringförmig angeordnetem γ-Tubulin. (Die Nucleation kann allerdings auch frei im Plasma erfolgen).
Das Zentrosom setzt sich aus zwei Zentriolen zusammen, die senkrecht aufeinander stehen und einer perizentriolären Masse, in die Hunderte von Nucleationszentren aus γ-Tubulin integriert sind.
Ein Zentriol besteht aus 9 MT-Tripletts. Muster: 9 x 3
An der Verbindung der Minus-Enden der MT mit dem MTOC sind weitere Proteine (dGrip-Familie) beteiligt, mit denen das γ-Tubulin Komplexe bildet (γ-TURC).
Mechanismus der Nucleation: Im Zytosol polymerisisiert sich der MT seitlich an einem γ-Tubulin-Ring (Matritzenmechanismus). Ein Teil des Rings linearisiert sich und dient als Nucleationsprotofilament (Protofilamentmechanismus).
Die helicale Struktur des γ-TURC bedingt die helicale Struktur des MT.
[Bearbeiten] Mikrotubuli-assoziierte Proteine (MAPs)
Mikrotubuli-assoziierte Proteine können verschiedene Aufgaben erfüllen:
- Sie beeinflussen die Stabilität der MT (Bsp.: Catastrophin)
- Sie vernetzen MT statisch untereinander (Bsp.: MAP2, TAU)
- Sie vernetzen MT mit anderen Filamenten (Bsp.: Plektrin verbindet MT mit IF)
- Sie sind mit MT als Motorproteine verbunden (Bsp.: Kinesin, Dynein):
- Transport von Vesikeln und Organellen entlang der MT
- Bewegung der Zelle bzw. von Zellteilen wie Zilien und Geißeln
[Bearbeiten] Vesikeltransport am MT
Der Vesikeltransport am MT zeigt folgende Besonderheiten:
- Unterschiedlich große Vesikel wandern mit gleicher Geschwindingkeit am MT entlang.
- Der Vesikeltransport erfolgt in beide Richtungen.
- An einem MT können gleichzeitig mehrere Vesikel besfestigt sein.
- Vesikel können die Bewegungsrichtung ändern.
Zwei MT-assoziierte Motorproteine sind dafür verantwortlich: Dynein und Kinesin. Beide besitzen zwei globuläre „Köpfe“ und einen Vesikel-Bindungsteil.
[Bearbeiten] Kinesin und Dynein
Die Kinesinköpfe binden direkt an die MT und zwar an jedes 2. Tubulinmolekül. Zudem binden sie ATP, welches durch die intrinsische ATPase-Aktivität der Kinesinköpfe zu ADP und Pi hydrolysiert wird. Die im ATP gespeicherte Energie wird dabei in eine mechanische Bewegung umgesetzt.
Die Bewegung entlang des MT, die einem „Watscheln“ gleich kommt, kommt nun durch zwei Vorgänge zustande: Einerseits durch die abwechselnde Bindung und Lösung der ATPase-Köpfe vom MT. Andererseits durch die relativ kleine Konformationsänderung, die durch einen langen Hebelarm im Molekül in eine große Bewegung umgesetzt wird.
Der Bewegungszyklus des Kinesinwanderung wird bestimmt von der ATP-Bindung, der ATP-Hydrolyse und der Freisetzung von ADP und anorganischem Phosphat. An einem MT können gleichzeitig mehrere Vesikel-Motorprotein-Komplexe wandern.
Als Brückenmoleküle verbinden Kinesin und Dynein dabei den MT mit Ladungen wie Vesikel oder Zellorganellen.
Vesikel
o_o
|
Kinesin | ->
|
/ \
O O
- T T T T T T T T T T T T T T T T T T T T +
Zentrosom Mikrotubulus Peripherie
(MTOC) - T T T T T T T T T T T T T T T T T T T T +
O O
<- \_/ Dynein
|_|
Vesikel
Die Bewegung am MT ist gerichtet:
- Kinesin wandert bevorzugt von Minus- in Plus-Richtung (vom Zentrosom weg).
- Dynein wandert bevorzugt von Plus- in Minus-Richtung (zum Zentrosom hin).
Durch die antiparallele Verlegung von MT in Zellfortsätzen ist allerdings auch ein bidirektionaler Kinesintransport möglich!
Kinesin und Dynein können gleichzeitig am MT wandern. Dabei können die Moleküle auch spontan ihre Transportrichtung umkehren.
Nicht nur für den Vesikeltransport, auch für die Zellenorganellen sind die Motorproteine wichtig. So haftet sich z.B. das ER an wachsende MT und gleitet mit ihm durchs Zytosol. Auch die Position des Golgi-Apparats wird von den MT bestimmt, wobei die Golgi-Stapel von Plus- in Minus-Richtung gezogen werden und daher meist in der Nähe des MTOC angesiedelt sind.
Pathologie: Eine Ursache für die primäre ziliäre Dyskinesie ist ein Defekt im Dynein-Gen auf Chromosom 5p15-p14. Die Erkrankung kommt mit einer Häufigkeit von 1: 30.000 vor und zeichnet sich durch eine gestörte Zilienbewegung aus. Die Hälfte der Patienten prägt das Vollbild, das sog. Kartagener-Syndrom aus mit der Trias Situs inversus, Bronchiektasen und chronische Sinusitis.
Weblinks: Kinesin-Homepage, Animation der Kinesinbewegung, Animation des Kinesinwalk, Homepage des Kartagener Syndrom Primäre Ciliäre Dyskinesie e.V.
[Bearbeiten] MT-vermittelte Zellbewegung
[Bearbeiten] Zilien
Zilien finden sich beim Menschen im Flimmerepithel der Atemwege und der Tuba ovarica. Sie besitzen das Mikrotubuliaggregationsmuster 9 x 2 + 2. Das zentrale Doublett wird von einer inneren Scheide eingeschlossen, von der aus radiale Speichen zu den A-Tubuli der äußeren Doubletts ziehen. Die äußeren Doubletts sind durch Nexin elastisch miteinander verbunden. Die Bewegung wird durch das Motorprotein Dynein realisiert. Die Dynein-Arme reichen dabei im 9x2-Ring jeweils vom A-Tubulus zum benachbarten B-Tubulus des nächsten Doubletts.
Unterhalb der Zellmembran sind die Zilien jeweils an einem Basalkörperchen befestigt. Dieses ist wie das Zentriol aus 9 Tripletts aufgebaut (3 x 9).
Zilien schlagen koordiniert in Wellen. Der einzelne Zilienschlag besteht dabei aus einem Kraftschlag und einem Rückholschlag. Die Bewegung kommt dadurch zustande, dass die Dynein-Arme die äußeren MT-Doupletts gegeneinander verschieben, während das zentrale MT-Douplett fest mit seinem Basalkörperchen verbunden ist.
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[Bearbeiten] Geißel der Eukaryonten
Die Geißel der Eukaryonten ist nicht mit der Bakteriengeißel zu verwechseln! Die Geißel der Bakterien funktioniert ganz ohne Mikrotubuli und analog der ATP-Synthase, wobei ein Protonengradient in eine Drehbewegung umgesetzt wird, die die Geißel rotieren lässt.
Die Eukaryonten-Geißel hat Ähnlichkeiten mit den Zilien. Auch hier bilden jeweils 9 Doubletts plus zwei zentrale MT das Innere (Axonem) einer Geißel: 9 x 2 + 2. Dynein bildet wieder den molekularen Motor. Die benachbarten Doubletts werden von elastischen Filamenten auseinander gehalten, um die Reibung zu vermindern. Brückenproteine vermitteln die Krümmung und Umsetzung der Dyneinbewegung in die schlangenartige Geißel-Bewegung.
Unterhalb der Zellmembran ist die Geißel wieder an einem Basalkörperchen befestigt. Dieses ist wie das Zentriol aus 9 Tripletts aufgebaut (3 x 9).
Vorkommen: Spermiengeißel, eukaryontische Einzeller
 Chlamydomonas reinhardtii (Grünalge), ein Flagellat mit 2 Geißeln. |
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Weblinks: KEGG: Flagellar assembly - Escherichia coli K-12 MG1655 (prokaryot!)
[Bearbeiten] Aktinfilamente
Aktinfilamente (syn. Mikrofilamente) sind die dynamischsten der zellulären Filamente. Sie sind dünn, nicht besonders steif (außer wenn sie gebündelt werden) und können in der Zelle unterschiedlich angeordnet sein. Ihr Aufgabenspektrum bewegt sich zwischen Stabilisierung (Bündel) und dynamischer Formveränderung der Zelle.
Anordnung in der Zelle: Bei Darmepithelzellen befinden sich parallel angeordnet AF hauptsächlich in den Mikrovilli. Andere Zellen werden kreuz und quer von kontraktilen AF durchzogen. Bei amöboid beweglichen Zellen wie z.B. Makrophagen sind AF für die Ausbildung der Lamellipodien (blattförmige Füßchen) oder Filopodien (fingerförmige Füßchen) verantwortlich. Bei der Zytokinese (Zellteilung) bilden die AF schließlich einen kontraktilen Ring, der die Zelle in der Mitte durchschnürt.
Struktur: Die Struktur und Dynamik der AF ähnelt in mancher Hinsicht der der MT.
AF bestehen aus Aktin-Monomeren, die freien Einheiten bezeichnet man als G-Aktin (globulär), das im AF gebundende als F-Aktin (fibrillär).
G-Aktin kann ATP binden und besitzt eine intrinsische ATPase-Aktivität. Dabei kann sich nur ein mit ATP beladenes G-Aktin an ein AF binden, die ATP-Hydrolyse begünstigt andererseits wieder die Auflösung.
AF sind polar aufgebaut und besitzen ein rasch wachsendes Plus- und ein langsam wachsendes Minusende. Die Polarität kommt dadurch zustande, dass ein am Plusende angelagertes G-Aktin eine (durch die Bindung am Filament begünstigte) Konformationsänderung durchmacht, so dass das folgende G-Aktin wieder exakt an die Bindungsstelle passt.
Am Minusende muß hingegen das G-Aktin, das binden will, zuerst die Konformation ändern, bevor es sich dort anlagern kann, was entsprechend langsamer vonstatten geht.
_ - _ _ _ _ _ _ _ + _
<_| <_<_<_<_<_<_<_< <_|
<_<_<_<_<_<_<_<
G-Aktin F-Aktin G-Aktin
Weblinks: KEGG: Regulation of actin cytoskeleton - Homo sapiens (human)
[Bearbeiten] Aktinassoziierte Proteine
Noch stärker als bei den Mikrotubuli wird die Funktion des Aktins von seinen Aktin-bindenden Proteinen geregelt. Hier lassen sich verschiedenste unterscheiden:
- Proteine als Aktin-Nucleationszentren
- Aktin-Filament-schneidende Proteine
- Aktin-vernetzende Proteine
- Kappen-Proteine
- Seitlich bindende Filamentproteine
- Motorproteine
- Aktin-Bündel-bildende Proteine
- Aktin-Monomer-bindende Proteine
Etwa 5% des zellulären Gesamtproteingehalts einer Durchschnittszelle besteht aus Aktin, davon liegt etwa die Hälfte frei und die Hälfte als Filament vor.
[Bearbeiten] Aktin-Monomer-bindende Proteine
Kleinere Bindungsproteine binden gezielt an Aktinmonomere und beeinflussen ihre Polymerisationseigenschaften. Gelsolin schneidet z.B. unter dem Einfluss steigender Kalziumkonzentrationen Aktinfilamente und bedeckt dann eines der Schnittenden, so dass eine Repolymerisation an diesem Pol verhindert wird.
Profilin' bindet an G-Aktin und inhibiert die Anlagerung an F-Aktin.
[Bearbeiten] Proteine als Aktin-Nucleationszentren
Zellen untersuchen ständig ihre unmittelbare Umgebung. Dazu bilden sie kleinere Zellfortsätze (Filopodien) aus, die durch gezielte Poylmerisation eines Aktinfilaments an der Zellmembran entstehen. Die entsprechenden Aktin-Nucleationszentren ähneln in ihrem Mechanismus der MT-Polymerisation am Zentriol.
Mikrobiologie: Listerien besitzen auf ihrer Oberfläche Aktin-Nucleationszentren. Damit lassen sie sich durch die Zelle und von einer Zelle in die benachbarte Zelle schieben.
Weblinks: Listerien in einer Zelle (mov)
[Bearbeiten] Aktinbündelung und Mikrovilli
Mikrovilli sind Ausstülpungen des Plasmalemms, die mit einem dichten Aktinfilamentbündel und wenig Zytosol gefüllt sind. Sie vergrößern in hohem Ausmaß die Resorptionsfläche resorbierender Zellen z.B. im Dünndarm.
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[Bearbeiten] Aktinvernetzende Filamentproteine
Es gibt zahlreiche Aktin-vernetzende Proteine, wobei die Spektrin- und Filamin-Familie wahrscheinlich am wichtigsten sind.
Spektrin bildet mit Aktin in praktisch allen Zellen dicht unter der Membran ein elastisches, stabiles und dehnbares Netzwerk aus, den sogenannten Aktincortex. Dieser ist über spezielle Ankerproteine (Ankyrin) mit der Membran verbunden, so dass das Plasmalemm zwischen diesen Ankerpunkten verspannt ist. Der Aktincortex sichert z.B. auch Erythrozyten ihre Elastizität, wenn sie enge Kapillaren passieren müssen. Das submembranäre Netzwerk umfasst hier die Proteine Aktin, Spektrin, Bande 4.1.- und Bande 4.9-Protein sowie Ankyrin.
Filamin-Aktin-Netze weisen eine eher lose, gelartige Konsistenz auf. Auch sie sind wichtig für die Erhaltung der Zellform und der Motilität. Filamin ist eher im Zellinnneren vertreten.
[Bearbeiten] Seitlich bindende Filamentproteine
Weiterhin gibt es aktinassoziierte Proteine (ARP), sie sich seitlich an bestehende Aktinfilamente anlagern und dort Aktin-Nucleationskomplexe bilden, so dass neue Aktinfilamente seitlich aussprossen und verzweigte Aktinfilamentnetze entstehen. Dazu gehören z.B. die Proteine ARP2 und ARP3, die strukturell mit dem Aktin verwandt sind.
[Bearbeiten] Aktinvermittelte Zellbewegung
Die aktinabhängigen Motilitätsstrukturen unterscheiden sich völlig vom aktinabhängigen Zytoskelett und müssen davon abgegrenzt werden.
Bewegung durch Aktin und Aktin-assoziierte Motorproteine kann verschiedene Formen haben:
- Filopodien - 1-dimensionales Aktinfilament
- Lamellipodien - 2-dimensionales Netzwerk aus Aktinfilamenten
- Kontraktile Zellen - 3-dimensionales Netzwerk aus Aktin und Aktin-assoziierten Motorproteinen
[Bearbeiten] Lamellipodien
Lamellipodien sind sehr dynamische Zellstrukturen, die der Fortbewegung dienen. Sie strecken sich wie flache Arme nach vorne. Finden sie keinen Kontakt zum Substrat, so werden sie als „Ruffles“ nach hinten geklappt (hochgestellte Lamellipodien). Die Aktinkonzentration ist in der Lamellipodienfront am höchsten, wo sich auch das Nucleationszentrum befindet.
Auslöser der Lamellipodienbildung sind Lockstoffe wie Hormone oder Wachstumsfaktoren, auf die sich die Zellen zubewegen möchten.
Mechanismus: In das Lamellipodium wird ein Aktinfilamentnetzwerk vorgeschoben, das an der Rückseite wieder abgebaut wird oder mittels Myosinfilamenten aktiv kontrahiert werden kann. In Wachstumsrichtung initiieren ARP-Proteine die Aktinpolymerisation, hinten erfolgt die Netto-Depolymerisation durch Cofilin.
Beim Vorschieben des Füßchens werden neue fokale Adhäsionspunkte aus großen Proteinkomplexen gebildet. Diese sind in der Zelle mit Aktin verbunden sind und heften sich außen über Integrine an das Substrat. Die Zellen „laufen“ damit „wie auf Zehenspitzen“.
[Bearbeiten] Myosine
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Es gibt etwa 30-40 Arten von Myosinen, die alle einen ähnlichen Aufbau aus Kopf, Hals und Schwanz haben. Sie sind neben den MAPs die wichtigsten Motorproteine der Zelle und zuständig für Vesikeltransport, Muskelkontraktion und Zellmotilität.
Der Myosinkopf besitzt eine intrinsische ATPase-Aktivität, die noch gesteigert wird, wenn Myosin mit Aktin interagiert. Die chemische Energie im ATP wird unter der Hydrolyse in eine kinetische Energie ungesetzt.
Neben dem Transport via Dynein/Kinesin am Mikrotubulus können Vesikel auch Myosin V binden und damit an Aktinfilamenten entlang wandern. Während der Transport am MT eher langsam und kontinuierlich erfolgt ist der Myosin-gekoppelte Transport wegen dem größeren Hebelarm schneller, wechselt aber auch häufig die Richtung, wegen den in verschiedenen Raumrichtungen angeordneten Aktinfilamenten.
Muskelzellen sind Zellen, die sich auf die Kontraktion spezialisiert haben. Dafür besitzen sie eine speziellen Aufbau, der in Skelett- und Herzmuskel geordneter ist als in glatten Muskelzellen. Der kontraktile Apparat besteht aus:
- F-Aktin - dünne Filamente
- Myosinbündel aus Myosin II-Dimeren - dicke Filamente
- Titin: Elastische Aufhängung der Myosinfilamente
- Regulatorische Proteine:
- Tropomyosin - das fibrilläre Protein blockiert unter Ruhebedingungen die Myosin-Bindungsstelle am Aktin.
- Troponine: Troponin T bindet an Tropomyosin, Troponin I unterdrückt die Aktin/Myosin-Bindung und Troponin C bindet Calcium.
Im quergestreiften Skelettmuskel sind diese Proteine regelmäßig angeordnet und führen zur bereits im Lichtmikroskop sichtbaren Querstreifung. Die I-Bande ist im EM heller (isotrop) als die A-Bande (anisotrop) und wird von der sehr dunklen Z-Scheibe geteilt. Die A-Bande ist dunkler mit zwei weißen Streifen, die von der H-Zone mit der M-Linie gebildet werden. Den Bereich zwischen zwei Z-Scheiben nennt man Sarkomer bzw. kontraktile Einheit.
Bei der Muskelkontraktion gleiten die Filamente ineinander (sliding filament theory), wobei sich H-Zone und I-Bande verkürzen und die Z-Scheiben aufeinanderzubewegen.
Kontraktionsablauf (Querbrückenzyklus):
- Die Muskelzelle wird depolarisiert und Calcium aus den L-Tubuli freigesetzt (Skelettmuskel) und strömt ggf. auch von außen ein (Herzmuskel).
- Calcium bindet an Troponin C und führt zu einer Konformationsänderung, die das Tropomyosin etwas zur Seite bewegt, so dass die Myosin-Bindungsstelle am Aktin frei wird.
- Der Myosinkopf hat ATP gebunden. Die ATP-Hydrolyse führt zur Bindung an Aktin. Die Abspaltung von anorganischem Phosphat Pi und ADP bewirkt die Kippbewegung des Kopfes.
- Damit sich der Myosinkopf wieder vom Aktin ablösen und wieder aufrichten kann, muß er wieder ATP binden. (ATP ist sozusagen ein „Weichmacher“. Der ATP-Mangel post mortem führt zum Rigor mortis.)
Die Muskelkontraktion kommt durch die gleichzeitige Aktion zahlreicher Myosinköpfe zustande, die durch den Calciumeinstrom synchron aktiviert werden.
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Weblink: Animation der Myosinkopfbewegung
