Vorlesung Zytoskelett_2016

2016.12.01.
Prüfungsthema
Das Zytoskelett. Filamenten-Typen,
Polymerisationsvorgang, mechanische
Eigenschaften (Elastizität, Persistenzlänge).
Nukleationsfaktoren (Formine, Arp2/3).
Das Zytoskelett
den 01. Dezember 2016
In dem Buch: Seite 339-342.
Funktionen
Definition
„Das Zytoskelett ist das dynamische Eiweissgerüst der
eukarioten Zellen, das aus spezifischen Proteinfilamenten
aufgebaut ist.”
/Biophysik für Mediziner. Damjanovich S./
• Polymere aus Baueinheiten
• Mechanische Stütze → Bestimmung
von Zellform, Polarität
• Verankerung von Zellorganellen
• Bewegung von Zellorganellen
(intrazelluläre Bewegungen, auch
während der Zellteilung)
• Bewegung der Zelle
Dynamisches Netzwerk von Proteinen im Zytoplasma
https://www.youtube.com/watch?v=vAaQ4WS8QhI
Mikrofilamente
Das Filament:
 Globuläres Aktin (G-Aktin)→ filamentales Aktin
 Polymerisation (kritische Konzentration, Keimbildung
(Nukleation), Verlängerung (Elongation)
4
ATP
2
Das Monomer:
•
•
•
•
Vier flexible Subdomaine
375 Aminosäuren (Gewicht von ca. 42 kDa.)
G-Aktin bindet das Nukleotid (ATP oder ADP)
Hoch konserviertes Protein
3
PDB 2BTF
1
•
•
•
•
Durchmesser: 7nm
Länge: 1-2 mm (in vivo!)
Helikale Struktur
ATP Hydrolyse : treadmilling
(Tretmühle Mechanismus)
• Stukturelle Polarität
• „ATP Kappe”
G-actin
1
2016.12.01.
Polymerisationsvorgang
•
Jedes Aktinfilament besitzt ein (+)-Ende (barbed end) und ein (-)-Ende (pointed end). ATPAktin bindet bevorzugt am (+)-Ende und das Filament wächst an diesem Ende.
• Das ATP wird in der Folge zu ADP hydrolisiert.
• Am (-)-Ende ADP-Aktin dissoziiert und das Filament von dieser Seite verkürzt wird.
(dynamische Instabilität)
• Aktinmonomere binden aber das ATP stärker als das ADP, tauschen damit das Nukleotid
aus und können wieder am (+)-Ende eingefügt werden.
Mikrotubuli

a- und b Tubulin Untereinheiten

Heterodimere

Durchmesser: 25nm – hohles
Rohr, besteht aus 13
Protofilamenten
Abwechselnder Auf- und Abbau der
Mikrotubuli

Strukturelle Polarität:

+ Ende: Polarisation,

- Ende: Depolimerisation
 Die Stabilität der Mikrotubuli hängt von
der lokalen Konzentration an GTPTubulin ab.
http://csls-text.c.u-tokyo.ac.jp/active/06_01.html
Intermediärfilamente
• Durchmesser: 8 -12 nm
• In der Zellen kommt nur die filamentäre Form vor
Polymerisation der
Intermediärfilamente
• Die hydrophoben Stabregionen
von zwei Monomeren verbinden
miteinander→ ein Dimer
• N-terminaler Kopf
• Zentrale Stabregion
• Carboxy-Terminus ist gewebespezifisch (Schwanz)
• Nicht dynamisch, aber sehr widerstandsfähig
• 2 Dimere -> Ein Tetramer
(antiparallel Orientation,
strukturelle Apolarität)
• Longitudinale Orientation der
Tetramere -> Protofilament
Vimentin
• 8 Protofilament-> Filament
2
2016.12.01.
Die Elastizität der zytoskeletalen Filamente
Innere Elastizität
Zytoskeletale Filamente als Festkörper:
Federkonstanten
 Dehnsteifigkeit
wo
𝐹
∆𝐿
=𝐸∙
𝐴
𝐿

F: Kraft

A: Querschnitt des Körpers

L: Ruhelänge

∆L: Verlängerung

E: Young- oder Elastizitätsmodul
http://web.physik.rwthaachen.de/~hebbeker/lectures/ph1_0102/p112_l04/p1
12_l04.html
 Biegesteifigkeit
F
biomechanicalregulation-lab.org
Thermische Elastizität
Persistenzlängen
 Verursacht von der thermischen
Wechselwirkung zwischen dem Molekül und
seiner Umgebung
ein paar mm
10 mm
1mm
R
Ihre Parameter:
 L: Konturlänge (die volle Länge des
gestreckten Filaments)
 Lp: Persistenzlänge (der Abstand, innerhalb
dessen die Kette als steif anzusehen ist)
 R: der Abstand zwischen den zwei
Endpunkten des Polymers
 (𝑅2 )𝑀𝑖𝑡𝑡𝑒𝑙 =2·LP·L
Untersuchung der Polymerisation
Beispiel: Wirkung des Formins DAAM auf die Polymerisationsgeschwindigkeit von Aktin
http://www.uni-leipzig.de/~pwm/web/?section=introduction&page=cytoskeleton
Untersuchung der Polymerisation
TIRF: fluoreszent markierte Aktin Moleküle
3
2016.12.01.
Gibt es bakterielles Zytoskelett?
http://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S0092867405001935
http://www.biofizika.aok.pte.hu/researchgroup/Bakterielles_Zytoskelett
4