Molekulare Motoren

Molekulare Motoren
Gliederung:
1. Aktin-Myosin Komplex
- Einführung in das Muskelsystem
- Aufbau der Aktinfilamente
- Aufbau der Myosinstäbe
- Aufbau und Funktion des Aktin-Myosin Systems
- Signalübertragung
- Andere Proteine
- Myosin in anderen Zellarten
- Experimente
2. Kinesin
- Aufbau und Funktion
- Experimente
Molekulare Motoren können sich durch Konformationsänderungen bewegen und Arbeit
leisten. Die dafür benötigte Energie entziehen sie der ATP-Hydrolyse. Sie beteiligen sich an
der DNA Replikation, Protein Synthese, Änderung dessen Form, also an Bewegungen, und
am Transport innerhalb der Zelle. Das Aktin-Myosin System ist für die Veränderung der
Form der Zelle verantwortlich und das Kinesin für den Transport von Vesikel oder anderen
Objekten anhand von Mikrotubulli.
1.1DasMuskelsystem
Die Muskeln bestehen aus Muskelfasern. Diese sind riesige
Zellen die aus dem Zusammenschmelzen mehrer Zellen
entstanden sind. Die Kerne dieser Zellen findet man unter der
Zellmembran. Hauptbestanteil dieser Zellen sind die
Myofibrillen, die eine zylindrische Form haben, mit einem
Diameter von 1-2 Mikrometer, die meistens genau so lang wie der Muskel selbst sind. Die
dunklen und hellen Streifen die man auf sie beobachten kann, geben dem Muskel seinen
Namen: Quergestreifter Muskel.
Elektronenmikroskop Aufnahme eines Myofibrills
Schaut man sich eine Elektronenmikroskop Aufnahme eines Myofibrills so entdeckt man
Einheiten die sich immer wieder wiederholen. Sie heißen Sarkomere. Jedes Sarkomer ist etwa
2,5 Mikrometer lang und es erstreckt sich zwischen zwei Z-Scheiben. An diesen sind die
Aktinfilamente befestigt die eine Art Gerüst aufbauen (I-Band). Diese werden von den
Myosin-Filamenten, die eigentlichen Motoren (A-Band) zusammengezogen. Je stärker der
Muskel kontrahiert desto kürzer wird das I-Band während das A-Band nicht an Länge verliert.
1.2 Aktin
Das Monomere Aktin heißt globuläres G-Aktin. Es ist ein Polypeptid, das 375 Aminosäuren
enthält. Es besitzt zwei paare von komplementären Bindungsstellen. (Schlüssel-Loch Prinzip).
Ein Paar liegt polar, das andere seitlich, so dass die Moleküle sich zu einem verdrillten,
doppelsträngigen Filament zusammenlagern können (den faserigen F-Aktin). Dieses weist pro
vollständiger Windung (77 Nanometer lang und 8nm breit) 14 Monomerpaare auf. Die
Polymerisation verläuft gerichtet, von der Anheftungsstelle weg (diese wird plus Pol genannt)
und ist reversibel. Dabei wird ATP hydrolisiert. Sie wird durch das Pilzgift Cytochalasin B
gehemmt.
1.3 Myosin
Die Grundeinheit der
Myosin Filamente ist das
Myosinmolekül (B). Das ist
ein langes doppelsträngiges
Protein mit einem 135 nm
langem Schwanz und zwei
knollenförmigen Köpfchen.
Der Schwanz besteht aus
zwei identischen,
umeinander gewundenen
Strängen mit nahezu
perfekter Alpha-HelixKonformation (A). Durch
eine Störung in dieser
regelmäßigen Struktur
entsteht ein Scharnier
zwischen einem
hydrophoben, 110 nm
langem Stamm und einem
hydrophileren
Halsabschnitt, der die
Köpfchen trägt. An dieser
Stelle lässt sich das Molekül
durch hydrolitische Enzyme
leicht spalten: in schweres
(HMM oder Heavy
meromyosin) und leichtes
Meromyosin (LMM).
Ein zweites Scharnier zwischen Kopf und Halsbereich des HMM kann ebenfalls leicht zerschnitten
werden; dabei entstehen die Subfragmente S1 und S2. Myosinmoleküle lagern sich zu dicken, 1.5 bis
mehr als 5 Mikrometer langen Stäben mit 15-20 nm Durchmesser zusammen. Sie legen sich dabei
mit ihren hydrophoben LMM-Schwänzen aneinander und lassen die hydrophileren HMM-Stiele und
Köpfchen – schraubig angeordnet- aus der Oberfläche des Stabs herausragen. Der ganze Stab ist
symmetrisch aufgebaut (D). In seiner Mitte befindet sich ein 300 nm langer, nackter Abschnitt, der
aus den ineinander greifenden Stielen jener Moleküle besteht, die die ersten Köpfchen auf jeder Seite
stellen. Die Wechselwirkung hier ist ionischer Natur.
Die Köpfchen der Myosinmoleküle bilden Haken, an die sich Aktinfilamente anhängen. Sie
sind so um den Stamm angeordnet, dass jeweils 6 parallele Aktinfilamente daran binden
können. Damit eine solche Struktur zustande kommt, müssen die Aktinfilamente
entsprechend orientierte Bindungsstellen für die Myosinköpfchen besitzen. Das kann man
ausnutzen, um Aktinfilamente in Gewebeschnitten zu identifizieren und ihre Polarität zu
bestimmen. Man verwendet dazu gereinigte Myosinköpfchen, die man enzymatisch von ihren
Stielen getrennt hat. Sie binden spezifisch an Aktinfilamente und „Dekorieren“ sie:
Im Bild sieht man ein
Aktinfilament (rot) das
mit Myosinköpfchen
(gelb) dekoriert wurde.
Dadurch kann man die
Aktin-Myosin
Bindungsstellen
identifizieren
1.3 Aktin-Myosin Komplex
Myosinköpfchen bindet an das Aktinfilament. Die Anziehung zw. Bindungstasche und
Köpfchen beruht entweder auf die Coulomb-Wechselwirkung von Partialladungen oder auf
Van-der-Waals Kräfte.
Wenn man sich einzelne Aktin-Myosin-Einheiten anschaut, sieht man dass jedes der 6
Aktinfilamente, die den Myosinschaft umgeben, auf seiner Oberfläche noch unbesetzte
Myosinbindungsstellen hat. Deshalb können die 6 Filamente des ersten Bündels zusätzliche
Myosinschäfte binden die wiederum weitere Aktinfilamente um sich scharen uns so weiter.
So entsteht eine Struktur mit sechseckiger Symmetrie.
1.3.1 Bewegung
Überall wo die Myosinköpfchen an Bindungsstellen eines Aktinfilaments haften, krümmen
sie sich an ihren Stielen heftig nach innen und reißen das Filament zur Schaftmitte. Dann
lösen sie sich wieder ab. Inzwischen haben andere Myosinköpfchen passende Bindungsstellen
erreicht und ziehen das Filament nochmals. Dies setzt sich fort, solange Ca-Ionen vorhanden
sind. Weil alle Aktinfilamente an beiden Enden des Myosinschafts auf gleicher weise nach
innen gezogen werden, gleiten die zwei gegenüberliegenden Aktinbündel aufeinander zu und
letztlich ineinander hinein. Dabei zerren sie ihre jeweiligen Verankerungspunkten näher
zueinander.
1.3.2 Energieerzeugung
Das freie Myosinköpfchen bindet ATP und hydrolisiert es. Der Prozess ist reversibel da die
Energie im ADP und Pi gespeichert wird. Während dieser zwei Phasen kann sich das
Myosinköpfchen frei entlang des Aktinfilaments bewegen. Nähert es sich aber einer AktinBindungsstelle geht es eine leichte Bindung mit dieser ein. Dabei wird das Pi frei gesetzt und
das Myosinköpfchen befestigt sich an das Aktinfilament. Jetzt findet eine
Konformationsänderung statt. Das Köpfchen biegt sich am Stiel und zieht das Aktin mit.
Dabei wird das ADP frei gesetzt und an ein neues ATP wird gebunden und ein neuer Zyklus
beginnt. Dieser ganze Prozess findet nur in der Gegenwart von Ca-Ionen statt. Wenn weder
ATP noch Ca-Ionen vorhanden sind, bleiben Aktin und Myosin starr miteinander verbunden.
Deshalb tritt nach dem Tod die Totenstarre ein. Jedes Myosinfilament enthält um die 500
Köpfchen und jedes von ihnen durchläuft etwa 5 solche Zyklen in einer Sekunde, bei einer
raschen Muskelkontraktion. Das heißt das die Aktin und Myosinfilamente mit einer
Geschwindigkeit von 15 Mikrometer/Sek aneinander vorbei gleiten.
1.4 Signalübertragung
Das Signal von der Nervenzelle erzeugt
auf der Zellmembran ein
Aktionspotential. Dieses verbreitet sich
sehr schnell in den Transversalen Tubulli,
Einstülpungen der Zellmembran die jedes
Myofibrill umgeben. Von diesen gelangt
das Signal auf unbekannter Art und
Weise zum Sarkoplasmatischen
Reticulum das die Ca-Ionen frei setzt.
Die Konzentration an Ca-Ionen wächst
sehr schnell wird aber auch schnell
wieder abgebaut und die Ionen werden
im S Reticulum zurückgepumpt (30
Millisekunden) wodurch die Myofibrillen
sich entspannen. Durch dieses System
gelangt der Signal gleichzeitig an alle
Myofibrillen.
Das Tropomyosin ist ein 41 nm
langes rigides Molekül, das aus
zwei identische alpha-helix
Strängen besteht, wovon jedes 284
Aminosäuren besitzt. Es windet
sich um ein Aktinfilament und
verstärkt es. Gleichzeitig verdeckt
es die Myosin Bindungsstellen.
Daran befestigt sich auch das
Troponim.
Daran befestigt sich auch das Troponim. Das ist ein Komplex aus 3 Polypeptiden : Troponin T, I
und C. Es hat eine längliche Form, I und C bilden den Kopf und T den Schwanz. Das Troponin T
bindet sich an dem Tropomyosin und ist für dessen Ausrichtung verantwortlich, während das
Troponin I an das Aktin bindet. Zusammen verhindern sie die Wechselwirkung zw Myosin und
Aktin. Das Troponin C hat 4 Bindungsstellen für Ca-Ionen. Wenn diese besetzt werden löst das
Troponin C die Bindung zw. Troponin I und Aktin. Dadurch rutscht das Tropomyosin und läst
die Bindungstelle zw. Aktin und Myosin frei so dass diese sich binden können. Dadurch wird die
Muskelaktivität nur in der Gegenwart von Ca-Ionen möglich.
1.5 Andere Proteine
Auch andere Proteine spielen eine wichtige Rolle im Sarkomer. Das alpha-actinin bindet die
Aktinfilamente an der Z-Scheibe in parallelen Reihen. An der M-Linie vernetzt das myomesin
die Myosinfilamente miteinander in hexagonaler Reihenfolge. Die Myosinfilamente werden
durch andere Proteine stabilisiert, die sich an das Myosin befestigen. Das Titin läuft parallel
zur Aktin und verbindet das Myosin mit den Z-Scheiben.
1.6 Myosin in anderen Zellarten
Myosin findet man in fast allen Eukaryonten. Im Gegensatz zu Aktin das in der Natur in
gleicher Form auftritt, existiert Myosin unter vielen verschiedenen Formen. Bis jetzt wurden
22 Arten von Myosin entdeckt. Sie unterscheiden sich in den meisten Fällen im Bau des
Schwanzes das für verschiedene Frachten spezialisiert ist oder in der Funktion das es in der
Zelle übernimmt. Im menschlichen Genom wurden bis jetzt 39 Gene gefunden die für die
Bildung der verschiedenen Myosinarten zuständig sind.
1.6.1 Myosin in glatten Muskeln
Die „primitivsten“ Muskelzellen, im Sinne dass sie den Nichtmuskelzellen am meisten ähneln
sind die glatten Muskelzellen. Diese Muskelart trifft man z.B. in der Magen-, Darm- oder
Arterienwände, überall dort wo eine langsame und lang anhaltende Kontraktion nötig ist. Sie
bestehen aus spindelförmigen Zellen mit nur je einem Kern. Die Aktin-Myosin Filamente sind
nach keinen genauen Muster geordnet und bilden keine Myofibrillen. Sie sind wie ein Netz
über die Zelle verbreitet und an der Zellmembran befestigt. Dadurch verbinden sie auch die
Zellen untereinender. Diese Anordnung ist nur ein Model da sie nicht genau bekannt ist. Es
erlaubt aber der Zelle sich stärker zusammen zu ziehen als die Zellen der Quergestreiften
Muskeln
1.6.2 Myosin in Nichtmuskel Zellen
Obwohl es Myosin in fast allen Eukaryonten gibt, findet man feste Myosinstäbe nur in
Muskelzellen. In diesen Zellen bilden die Myosinmoleküle kleinere Gebilde und das nur wenn
es die Situation verlangt. Wird das Molekül nicht gebraucht so verschließen leichte
Myosinketten die Aktin-Bindungsstellen der Köpfchen. Gleichzeitig binden sie sich an den
Myosin-Schwanz und verkneulen dadurch das Molekül. Wird das Molekül phosphorylisiert
(phosphorylated) so befreien die leichten Myosinketten den Schwanz und öffnen die AktinBindungsstellen der Köpfchen. Dann folgt eine spontane Zusammenlagerung der Moleküle zu
einem Myosinstab der auf die gleiche Art und Weise wie die Myosinstäbe in Muskelzellen
arbeitet. Solche Gebilde müssen z.B. bei der Zellteilung entstehen wenn der Kontraktionsring
die Mutter- und Tochterzelle teilt.
1.7 Experimente
Lichtmikroskop Aufnahme von Aktinfilamente
Elektronenmikroskop Aufnahme von Myosinmoleküle
Um sich die Wechselwirkung zw. Aktin und Myosin zu veranschaulichen befestigt man
Myosinköpfchen, die man enzymatisch von ihren Stielen abgetrennt hat, auf einer Glasplatte.
Darauf lässt man Aktinfilamente frei laufen.
Kraftmessen mit einer Glaspinzette
Für diesen Versuch braucht man eine sehr kleine Glas Pinzette mit 0,2mm Durchmesser und
einer Elastizitätskonstante von 2-20 pN/mm. Die Spitze der Pinzette wird mit Hilfe von
modifiziertem Myosin das wie eine Art Superkleber wirkt an einem Ende eines
Aktinfilaments festgemacht. Man lässt dann das Aktinfilament über die Myosinköpfe nieder
und man beobachtet wie stark die Pinzette gebogen wird. Daraus kann man dann die Kraft
messen mit der die Köpfchen an das Aktin ziehen.
Die Laserfallen benutzt man um Polystierenkügelchen (1mm Durchmesser) einzufangen. An
denen bindet man mit Hilfe von modifiziertem Myosin die beiden Enden eines
Aktinfilaments. An einer größeren Kugel befestigt man nur wenig Myosinköpfchen damit das
Aktinfilament möglichst nur von einem Köpfchen bewegt wird. Mit Hilfe eines Photodioden
Detektors kann man diese Bewegung im nm-Bereich messen. Die Schrittweite der
Myosinköpfchen aus Quergestreiften Muskeln beträgt 10 nm während bei glatten Muskeln die
Bewegung in zwei Schritte geschieht: einmal 6 nm etwas langsamer und nach 5 milisekunden
5,5 nm sehr schnell.
2.1 Aufbau eines Kinesinmoleküls
Kinesin ist ein Molekulares Motor
das für den Transport von Vesikeln
und anderen Frachten entlang von
Mikrotubulli verantwortlich ist, wie
z.B. die Chromosomen Migration
während der Zellteilung. Es ist ein
etwa 350 Aminosäuren langes
Protein. An einem Ende hat es 2
Köpfchen die an das Mikrotubule
binden während sich am anderen
Ende die Fracht befestigt. Es läuft
immer in Richtung des +Pols des
Mikrotubuls, d.h. in Richtung der
Zellmembran.
2.2 Funktion
Das Kinesin funktioniert über das Hand-over-Hand Prinzip, dabei ist ein Ende immer am
Mikrotubulli befestigt. Es lässt nicht los bevor sich das andere Ende an der nächsten
Bindungstelle befestigt hat. Schneidet man ein Ende weg so bindet das andere am
Mikrotubulli, lässt aber nur sehr langsam los. Es kann sich nicht mehr bewegen.
2.3 Experimente
In Laborversuchen befestigt man Kinesinmoleküle an einer Glasplatte und lässt über sie
Mikrotubulli laufen. Man kann das – Ende des Mikrotubulli fluoreszent markieren und
dadurch beweisen dass die Kinesinmotoren immer in Richtung des +Pols laufen. Verringert
man die Dichte der Motoren auf der Glasplatte so merkt man dass ein einziger Motor das
Mikrotubulli mit der gleichen Geschwindigkeit von 1 Mikrometer pro Sekunde bewegt, wie
10 oder 100 gleichzeitig. Seine Schrittweite beträgt 8 nm.
In diesem Versuch verbindet man das Kinesinmolekül mit einem Kraftmäßer, das kann ein
elastischer Glasstab sein oder eine optische Falle. Dadurch kann man die Kraft messen mit der
das Molekül am Stab zieht. Mit einer Kraft von 5 pN leistet der Motor eine Arbeit von 40*1021 J das einem Wirkungsgrad von 40% entspricht da es bei jedem Schritt ein ATP-Molekül
hydrolisiert.