Zytoskelett - Uni
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Vorlesung Biologie für Mediziner WS 2007/8 Teil 1 Zellbiologie (Prof. R. Lill) Themengebiet: Zytoskelett Cytoskelett - Einführung • Stützfunktion • Druckwiderstand, Steifheit der Zellen • Dynamische Struktur der Zellen (Umbau je nach Umweltbed.) • „Muskulatur“ (Zellkriechen, Kontraktionen) • Bewegung (motility) von Zellorganellen • Segregation der Chromosomen (Mitose) STABILITÄT plus DYNAMIK 3 Zytoskelett-Arten im Vergleich Cytoskelett - Arten und Funktionen • In dieser Form nur in Eukaryoten (bakterielle Verwandte besitzen unterschiedliche Funktionen) • Drei Typen, ihre Hauptfunktionen und Hauptorte – Aktinfilamente (Mikrofilamente) Bewegung (in) der Zelle Cortex der Zelle 5-7 nm – Intermediärfilamente Mechanische Stabilität, Stützfunktion Kernlamina, gesamte Zelle 10 nm – Mikrotubuli Organisation des Cytoskeletts, Bewegung in der Zelle Centrosom, Axon, Zilien AF IF MT 25 nm Cytoskelett - Bauprinzipien A) N x Aktin, Mikrotubuli B) N x Intermediärfilamente • Aus Monomeren entstehen lineare Filamente beliebiger Länge • Vernetzung der Filamente • Vertauung der Zelle (mech. Schutz) • „Fahrstrassen“ • Zellorganisation (Lage der Organellen) Aktinfilamente - Grundlagen • Kommt in allen Eukaryoten vor • Baustein Aktin (375 As) (G-Aktin ⇔ F-Aktin) • Aktin bindet ATP Plus Minus Aktinfilamente - Grundlagen • Kommt in allen Eukaryoten vor • Baustein Aktin (375 As) (G-Aktin ⇔ F-Aktin) • Aktin bindet ATP Prinzip der Polymerisation / Depolymerisation Minus - Ende Plus - Ende Aktinfilamente - Polymerisation • Bevorzugtes Wachstum am Plus-Ende Freies Monomer Im Polymer - :::: U + 9 Aktinfilamente - Polymerisation • Bevorzugtes Wachstum am Plus-Ende Freies Monomer T T Im Polymer D/T T D D D :::: D U ATP caps + T T T T 9 Aktinfilamente - Polymerisation • Bevorzugtes Wachstum am Plus-Ende Freies Monomer T T Im Polymer D/T - kon koff T D D D :::: D + T T T kon koff ATP caps Bei hoher Konzentration an T T Nettowachstum Aktinfilamente - Depolymerisation • Bevorzugtes Schrumpfen am Minus-Ende Freies Monomer D T Im Polymer D/T D D D D :::: D + D D T kon koff Bei niedriger Konzentration an T kon koff T Nettoschrumpfen Aktinfilamente - Dynamik • Freies Monomer D T Im Polymer D/T - kon koff D D D D :::: D + D T T ATP caps nur am Plus-Ende Bei mittlerer Konzentration an T T kon koff Tretmühleneffekt t = 0 min t = 1 min t = 2 min Polymerisation von Aktinfilamenten in vitro Filme a19-02-actin_polmerization.swf v19-02-actin_filaments_a.mov Aktinfilamente - Dynamik Aktin Gifte = Mykotoxine (Amanita Pilze, Schimmelpilze) demonstrieren Bedeutung der Dynamik des Aktinfilaments Cytochalasin D Latrunculin bindet an Plus-Ende des F-Actins bindet an G-Aktin Phalloidin bindet an Seite des F-Aktins P C P keine Polymerisation keine Depolymerisation L ÖDynamik der Aktinfilamente essentiell für gesunde Zelle Formgebung durch Aktinfilamente Aktin und Aktin-bindende Protein bestimmen die Form von Zellen Fibroblast Phasen der Blutgerinnung (Thrombozyten, Blutplättchen) Zellbewegung durch Aktinfilamente Filme MCB.1801.Keratinocyten MCB.1803.Zellbewegung Formgebung durch Aktinfilamente (De-)Polymerisation und Struktur des Aktinfilaments werden durch Aktin-Bindeproteine kontrolliert Kontraktile Bündel (Stressfasern, Zellteilungsring) Gelartige Netzwerke (Zellcortex) Parallele Bündel (Mikrovilli Filopodien Lamellipodien) Î Zusammenlagerung einzelner Aktinfilamente durch Aktin-bindende Proteine Aktinfilamente Wichtige Aktin-bindende Proteine • Fimbrin • α-Actinin • Villin α-Actinin Î Bündel in Cortex an Filopodien, Mikrospikes Fimbrin Villin in Microvilli Terminales Netz Aktinfilamente Wichtige Aktin-bindende Proteine • Filamin Î Netzwerk in Cortex, aber nicht in Bündeln “Büroklammer” • Myosin Î Kontraktile Bündel Motorproteine (ATP) Myosin I in ganzer Zelle, Organellenbewegung Myosin II vor allem im Muskel, Zellteilungsring Myosin V in ganzer Zelle, Organellenbewegung Bewegung durch Myosin-Motor auf Aktinfilamenten Filme Actin-Myosin Beating heart Aktinfilamente Wichtige Aktin-bindende Proteine • Spektrin Membranskelett Æ (Erythrozyt) Aktin und Krankheiten Pathologisch bedeutsame Prozesse • Dystrophin Duchenne Muskel Dystrophie F-Aktin Muskelzelle • Bewegung von pathogenen Bakterien in Zellen Listeria monocytogenes (Lebensmittelvergiftung) Film Mikrotubuli - Einführung 3 Hauptfunktionen • Organisation des Cytoskeletts • Organellenbewegung und -positionierung • Zellteilung MTOC Mikrotubuli Aufbau • Dimer aus α-Tubulin und β-Tubulin • Bindung von GTP an α− und β−Untereinheit • Hydrolyse von GTP nur an β-Untereinheit Mikrotubuli Aufbau • 13 Protofilamente bilden Tubus (Röhre) B- und C-Tubus: + 10 Protofilamente • Polymerisation braucht GTP (GTP cap) • GTP-Hydrolyse erfolgt spontan • GDP Protofilament ist leicht gekrümmt, Triebkraft für die Depolymerisation Mikrotubuli Dynamik des Auf- und Abbaus • GTP cap (s. Aktin) • Ohne GTP cap: Depolymerisation Abbrechen gekrümmter Filamente Mikrotubuli Dynamik des Auf- und Abbaus • GTP cap (s. Aktin) • Ohne GTP cap: Depolymerisation Abbrechen gekrümmter Filamente • Dynamische Instabilität ↔ Actin (Tretmühle) Mikrotubuli - Dynamische Instabilität In vitro Filme Dynamic instability v20-01-microtubules.mov Mikrotubuli Science 2006 Dynamik des Auf- und Abbaus α,β-Tubulin γ-Tubulin • GTP cap (s. Aktin) • Ohne GTP cap: Depolymerisation Abbrechen gekrümmter Filamente • Dynamische Instabilität DNA Intermediate filaments ↔ Actin (Tretmühle) • Bevorzugtes Wachstum und Schrumpfen am Plus-Ende ↔ Actin vor allem wg. γ-Tubulin-Ring am Minus-Ende γ-Tubulin Ring Mikrotubuli - Gifte • Colchicine (Safran, Herbstzeitlose) bindet an Monomere Î Vinblastin, Vincristin, Colcemid (Tumortherapie) Ö Depolymerisation der Mikrotubuli MTOC Unbehandelte Zelle • Taxol + Colcemid, Entfernen von Colcemid (Eibe) bindet an Mikrotubuli (Tumortherapie) Î Dynamik der Mikrotubuli wichtig für Vermehrung der Zellen Mikrotubuli - MTOC MTOC (= Mikrotubuli Organisationszentren) • In den meisten tierischen Zellen: Am Centrosom und an Basalkörperchen • In Nervenzellen: Am Centrosom Weitere Microtubuli in Axonen und Dendriten (Transport von Neurotransmitterenthaltenden Vesikeln, Organellen) Mikrotubuli - Überstrukturen • Centriolen (2 pro Zelle, senkrecht) Chromosomensegregation MT Anordnung 9 x 3 • Basalkörperchen (am Fuß der Zilien) Basal bodies bei Flagellen einer Alge 2 Centriolen Mikrotubuli - Überstrukturen • Zilien (0.25 µm Durchmesser) Kinozilien Bewegung von Flüssigkeiten, Zellen, Schleim Atmungstrakt (109 K./cm2) Magen/Darm Eileiter Bei Protozoen (Nahrungsaufnahme, Zellbewegung) Basal body Zilien in der Luftröhre Scanning EM: Epithelgewebe der Trachea Infektion mit Influenzavirus Immunofluoreszenzmarkierte Zilien Zilienschlag live in Zellkultur © Profs. Matrosovich & Klenk Bewegung von Schleim durch Zilien in der Luftröhre Schleimtröpfchen (rot) werden aus Gobletzellen freigesetzt und durch Zilien (braun) bewegt. Schleimbewegung live in Zellkultur © Profs. Matrosovich & Klenk Inst. für Virologie, Marburg Mikrotubuli - Überstrukturen • Zilien (0.25 µm Durchmesser) Kinozilien: Aufbau ist komplex MT Anordnung 9 x 3 Mikrotubuli - Überstrukturen • Flagellen (länger) Vorkommen bei Spermien, Protozoen (Einzellern) Peitschenbewegung (dreiköpfige Dyneine) MT Anordnung 9 x 2 + 2 Geiselbewegung der Spermien Mikrotubuli-assoziierter Transport • • • • Wichtig für Positionierung der Organellen in der Zelle Besonders wichtig in Nervenzellen (Transport zur Synapse) Verschiedene Transportgeschwindigkeiten (bis zu 25 cm/Tag = 3 µm/s) Verschiedene Transportrichtungen (zum Plus- und Minuspol) • Verschiedene Motorproteine: getrieben durch ATP-Hydrolyse – Kinesin – Dynein Mikrotubuli-assoziierte Motorproteine Mitochondrium läuft auf Mikrotubulus • Kinesine (≈ 350 kDa) ATP ATP MikrotubulusBindung – wandern bevorzugt zum Plus-Ende – zwei schwere und zwei leichte Ketten – ATP-abhängiger Transport von Organellen, synaptischen Vesikel, wichtig bei Mitose – Schrittgröße 8 nm (von β− zu β-Tubulin) CargoBindung Filme Cell.16_7.Kinesin.mov kinwalk_ribbon.avi Mikrotubuli-assoziierte Motorproteine • Dyneine (> 1 MDa) – wandern bevorzugt zum Minus-Ende (bei Axonen zum Zellkörper) – zwei schwere und zwei leichte Ketten (und weitere Proteine) – ATP-abhängiger Transport von Organellen ins Zellinnere ATP Hydrolyse abhängige Konformationsveränderung der Dyneine beim Kraftschlag Mikrotubuli-vermittelter Transport von Organellen Verfolgung über Video-Fluoreszenzmikroskopie Wachstum der Mikrotubuli in Zellfortsätzen von Pilzen (Hyphen) Transport von Vesikeln (Endosomen) entlang der Mikrotubuli © Prof. Steinberg, MPI Marburg Intermediärfilamente • Feste Fasern im Cytosol (z.B. Tonofilamente) • Verankerung an Desmosomen und Hemidesmosomen • Auskleidung der Innenmembran des Kerns (Lamina) • Vor allem in Zellen mit mechanischem Stress (Epithelgewebe, Muskel, Nerven) Film v19-05-IntFilamentsMitotic.mov t = 0 min Filamentaufbau t = 20 min Intermediärfilamente 4 verschiedene Klassen von IF: Zytokeratine Lamine • Zytokeratine Saure Zytokeratine in Epithelien, 1:1 Basische Zytokeratine ⇒ an Desmosomen • Lamine (Zellkern!!) Netzwerk In (fast) allen Eukaryoten Intermediärfilamente Vimentin 4 verschiedene Klassen von IF: • Typ III Intermediärfilamente Desmin in Muskelzellen Vimentin in Adipocyten, Fibroblasten ⇒ Umhüllung von Lipidtröpfchen GFAP (glial fibrillary acidic protein) in Gliazellen, Astrocyten • Neurofilament-bildende IF NF-L, NF-M, NF-H in Neuronen GFAP DNA Aufbau der Intermediärfilamente Coiled coil Symmetrisches Molekül (keine Pole!) Chemische Quervernetzungen Aufbau der Intermediärfilamente Tonofilamente Intermediärfilamente Unterschiede zu Aktinfilamenten und Mikrotubuli • Symmetrie der IF (keine Pole) • Dynamik des Auf-/Abbaus gering • Abbau und Aufbau bei Laminen gesteuert durch Phosphorylierung und Dephosphorylierung (ATP Æ ADP + IF-Pi ) • Keine Bewegung an IF (keine Motorproteine) Medizinische Bedeutung der Intermediärfilamente • Mutationen in Zytokeratinen Æ Epidermolysis bullosa simplex (EBS, Blasenkrankheit) durch genetische Mutation im Keratin 14 oder 15 erfolgt eine Konformationsänderung, die Bildung von Heterodimeren stört • Zelltyp-spezifisches Expressionsmuster der IF bedeutend für Tumordiagnose EBS
