Cytoskelett II: Molekulare Motoren

Cytoskelett II: Molekulare Motoren
(Alberts 4th edition, S 949 – 968)
Motorproteine
MP binden an polare Filamente (entweder Aktin oder Mikrotubuli) und nutzen die Energie
der ATP-Hydrolyse für Fortbewegung. Ihre Funktion besteht in den meisten Zellen darin,
Vesikel und membranumschlossene Organellen zu transportieren, aber auch
Muskelkontraktion und die Ausbildung des Spindelapparates bei der Zellteilung ist auf
Motorproteine zurückzuführen. Jedes Motorprotein besitzt eine Kopfregion, wo die motor
domain liegt. Hier wird ATP gebunden und hydrolysiert und die Bewegungsrichtung
vorgegeben. In der Schwanzregion befinden sich je nach Motorprotein verschieden lange tails
mit sehr unterschiedlichen AS-Sequenzen, die die Art der Fracht bestimmen.
Aktin-assoziierte Motorproteine: Myosin-Familie
Myosin II ist das erste Motorprotein, welches identifiziert wurde. Es besitzt 2 heavy chains
und je 2 x 2 light chains. Die heavy chains besitzen eine globuläre Domäne am N-Terminus
und eine lange coiled-coil Domäne bildet den tail. Durch Interaktionen der tails miteinander
entstehen bipolare, dicke Filamente, die aus mehreren 100 Myosinfilamenten bestehen. Die
Köpfe stehen an beiden Enden nach außen weg, in der Mitte ist die kopffreie Zone
(= bare zone).
Myosin I wurde in den 70er Jahren entdeckt. Es besitzt eine Motordomäne wie Myosin II,
aber einen anderen tail und nur einen Kopf (deshalb Myosin I). Danach wurden mehrere
Myosintypen entdeckt, fast alle mit der Motordomäne am N-Terminus, aber mit
unterschiedlichsten tails. Der Mensch besitzt ca. 40 unterschiedliche Myosin-Gene.
Alle Myosintypen bis auf einen bewegen sich zum positiven Ende des Aktinfilaments.
Mikrotubuli-assoziierte Motorproteine: Kinesine und Dyneine
Kinesin bewegt sich zum positiven Ende des Mikrotubulus. Es ist strukturell ähnlich wie
Myosin, da es 2 heavy chains mit 2 globuläre Motordomänen (meist am N-Terminus) und
coiled-coil tails besitzt.
Es gibt mindestens 10 Familien von Kinesin-related-proteins (KRPs). Nur eine davon bewegt
sich zum negativen Ende und hat die Motordomäne am C-Terminus. Einige KRPs spielen
eine Rolle beim Ausbilden des Spindelapparates und bei der Chromosomenseparation bei der
Zellteilung. Kinesine haben je eine Bindestelle für membranumschlossene Organellen (z.B.
Mitochondrien) und eine Bindestelle für Mikrotubuli.
Dyneine wandern zum negativen Ende des Mikrotubulus und sind mit Kinesinen nicht
verwandt. Sie sind die größten und schnellsten Motorproteine und bestehen aus 2 bis 3 heavy
chains (mit der Motordomäne) und vielen light chains.
Die 2 Hauptgruppen sind cytoplasmatsiche Dyneine und axonemale Dyneine.
Cytoplasmatische Dyneine befinden sich in allen eukaryotischen Zellen und sind für die
Lokalisierung des Golgi-Apparates und für Vesikeltransport zuständig. Axonemale Dyneine
sind auf die Bewegungen der Mikrotubuli spezialisiert, durch die Wimpern und Geißeln
schlagen.
Fortbewegung der Motorproteine
Myosin: ATP-Hydrolyse wird an eine Konformationsänderung gekoppelt und durch einen
Zyklus aus binden (am Aktinfilament), loslösen und an neuer Stelle wieder binden kommt es
zur Fortbewegung. Am Start des Zyklus ist der Myosinkopf fest an das Aktinfilament
gebunden. Wird nun ATP gebunden, wird der Myosinkopf kurzfristig freigegeben und durch
die Hydrolyse des ATPs ändert sich die Stellung des Kopfes. Das bei der Hydrolyse
entstehende Phosphat wird abgegeben und der Kopf bindet wieder fest mit dem
Aktinfilament, allerdings an einer anderen Stelle als zuvor. Letztendlich wird das ADP
abgegeben und es kommt zum sogenannten power stroke, wobei der Myosinkopf seine
ursprüngliche Position wieder einnimmt und das Myosinfilament sich vorwärts bewegt.
Kinesin: Der vordere Kopf des Kinesindimers, das leading Kinesin, ist an den Mikrotubulus
gebunden. Dabei ist wichtig, dass die sog. linker region (verbindet den Kopf mit der coiledcoil dimerisierter Domäne) unstrukturiert ist und erst andockt wenn ATP gebunden wird.
Dadurch ändert sich die Konformation und der zweite Kinesinkopf wird vorwärts bewegt. Das
An- und Abdocken der linker region wird durch kleine Bewegungen von swich loops
reguliert. Die Bewegung des Kinesins erinnert an eine schrittweise Hand-über-HandBewegung. Kinesin, das sich „rückwärts“ bewegt (zum negativen Ende) unterscheidet sich
in der Orientierung der Köpfe.
Befestigung der Fracht am Motorprotein
Kinesin: ER-Membranen besitzen membran-assoziierte Rezeptoren für Kinesin, die direkt
oder indirekt mit den tails von Kinesin interagieren.
Dynein: Viele akzessorische Proteine sind notwendig, um die Fracht zu befestigen. Dynaktin
ist ein Proteinkomplex, der an Dynein bindet. Er besteht im Wesentlichen aus einem kurzem
Aktin-ähnlichen Filament aus Arp1 (aktin-related-protein). Ankyrin und Spektrin sind
Proteine, die mit Dynaktin assoziieren und an Glykoproteine in der Golgi-Membran binden
und so die Fracht befestigen.
Regulation der Motorproteine
Bsp.: Einige Fischarten können eine sofortige Änderung der Hautfarbe erzielen, indem
Pigmente schlagartig ihre Position in der Zelle ändern. Die Pigmente bewegen sich entlang
der Mikrotubuli. Sie sind entweder in der ganzen Zelle verteilt oder im Zentrum versammelt.
Die Bewegung nach Innen geht schnell und reibungslos, Bewegung nach außen findet nur
stockend und langsam statt. Das kommt daher, dass im Normalzustand Kinesin und Dynein
beide mit dem Pigment assoziiert sind. So kommt eine langsame Bewegung nach außen
zustande (Kinesin setzt sich gegenüber Dynein durch).
Durch hormonelle Signale werden die light chains des Kinesins phosphoryliert, Kinesin wird
inaktiv und Dynein transportiert das Pigment schnell zum Zentrum, wodurch sich die
Hautfarbe ändert.
Myosin wird ebenfalls durch Phosphorylierung reguliert. Es liegt in der Zelle in 2 Formen
vor: extendet state (= aktiv) und bent state (= inaktiv). Die Myosin light chain Kinase
(MLCK) phosphoryliert die sogenannte regulatory light chain, wodurch der tail seine Struktur
ändert, polymerisieren kann und somit aktiv wird.
Muskelkontraktion
entsteht durch ATP-getriebenes Ineinandergleiten von Aktinfilamenten und Myosin II
Filamenten.
Die Muskelfaser eines Skelettmuskels ist eine riesige Zelle, die durch Fusion von mehreren
Zellen entsteht. Im Inneren befinden sich Myofibrillen, kontraktile Elemente der Zelle. Sie
haben eine zylindrische Struktur und sind meist so lang wie die Zelle selbst. Eine Myofribrille
besteht aus einer Kette von sich wiederholenden kontraktilen Untereinheiten, den
Sarcomeren.
Ein Sarcomer besteht aus parallel angeordneten und sich teilweise überlappenden dünnen
Aktinfilamenten und dicken bipolaren Myosinfilamenten. Am positiven Ende sind die dünnen
Filamente mit der Z-Scheibe verbunden. Die dicken Filamente bestehen aus polymerisiertem
bipolarem Myosin II (ca. 300 Köpfe pro Filament).Sie sind hexagonal um die Aktinfilamente
angeordnet. Zur Sarkomerverkürzung kommt es, wenn sich die dicken Myosinfilamente zum
positivem Ende der Aktinfilamente bewegen somit zwei Aktinfilamente zusammen ziehen.
Außer den beiden Filamenten befinden sich in einem Sarcomer noch viele akzessorische
Proteine. Die Z-Scheibe z.B. besteht aus a-Aktinin und CapZ. Sie trennt die Sarcomere
voneinander und bindet das positive Ende der Aktinfilamente. Nebulin ist ein riesiges Protein,
das die Länge der Aktinfilamente bestimmt. Es befindet sich in der Furche der Aktin-Helix.
Tropomodulin capped und stabilisiert das negative Ende der Aktinfilamente. Titin positioniert
die Myosinfilamente, es wirkt wie eine molekulare Feder und sorgt dafür, dass das Sarkomer
nach der Verkürzung wieder in den Ursprünglichen Zustand gelangt.
Initiierung der Muskelkontraktion
An der Nervenendplatte wird das Aktionspotential des Nervs an die Plasmamembran des
Muskels weitergeleitet. Von dort wird ein Signal an die t-Tubuli (transversal-Tubuli,
Einstülpungen der Plasmamembran der Muskelfaser) gesendet. Proteine in der Membran
verändern ihre Position, wodurch vom sarkoplasmatischem Retikulum Ca2+-Kanäle geöffnet
werden und Ca2+ ins Cytosol gelangt. Es kommt zur Muskelkontraktion. Eine ATPgetriebene Ca2+-Pumpe befördert Ca2+ zurück ins SR.
Auf den Aktinfilamenten befinden sich die akzessorischen Proteine Tropomyosin und
Troponin. Tropomyosin bindet in der Furche der Aktin-Helix. Troponin ist ein Komplex aus
Troponin I, T und C. Troponin I bindet an Aktin und Troponin T. Der Troponin I, T-Komplex
verhindert im Ruhezustand, dass Myosinköpfe binden, weil die Bindestelle durch
Tropomyosin blockiert wird. Bei Ca2+-Anstieg tritt Troponin C in Wechselwirkung mit
Ca2+, wodurch der Troponin I, T-Komplex nicht mehr an Tropomyosin bindet, welches seine
Position ändert und somit die Bindestelle für Myosin freigibt. Die 2 Prozesse, die sehr viel
Energie verbrauchen sind zum einen die Ca2+-Pumpe, und zum anderen die ATPase vom
Myosin-Motor.
Herzmuskel
Das Herz ist mit ca. 3 x 109 Kontraktionen im Leben der meist beanspruchteste Muskel. Hier
sind spezielle Isoformen von Myosin und Aktin vorhanden. Schon geringe Abweichungen
(Punktmutationen) sind meist schwerwiegend.
Familial hypertrophic cardiomyopathy kann durch verschiedene Punktmutationen in der
Motordomäne des Myosins ausgelöst werden. Diese Krankheit löst eine verdickte
Vorkammerwand und übermäßiges Wachstum im Herzen aus. FHC führt bei Athleten
manchmal ohne jede Vorwarnung zum Tod.
Wimpern & Geißeln
bestehen aus Mikrotubuli und Dynein. Sie können gezielt bewegt werden. Im Inneren befindet
sich das Axonem. Es besteht aus 9 speziellen Doppelmikrotubuli ( = 1 kompletter
Mikrotubulus und ein inkompletter MT), die ringförmig um 1 Paar einzelne Mikrotubuli
angeordnet sind. In bestimmten Abständen verbinden akzessorische Proteine die Mikrotubuli
miteinander. Ciliary Dynein verbindet benachbarte Doppelmikrotubuli. Es sorgt für die
schlagende Bewegung der Geißel. Dynein will zum Ende des Mikrotubulus wandern und
damit zwei Mikrotubuli gegeneinander bewegen, diese Bewegung wird jedoch durch linking
proteins verhindert und die Kraft wird zur Biegung verwendet.