Bestandteile des Cytoskeletts

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1 Bestandteile des Cytoskeletts

2 Ergänzungen* zur Vorlesung Biophysik III (Biomechanik) TU Kaiserslautern R. Diller, Sommersemester 2004 Die nachstehend verwendeten und teilweise modifizierten Abbildungen sind mit der jeweiligen Quelle gekennzeichnet: alberts: B. Alberts, D. Bray, J. Lewis, M. Raff, K. Roberts, J. D. Watson: Molecular Biology of the cell; Garland 1994 berg: H.C. Berg: Random Walks in Biology; Princeton University Press, 1993 boal: D. Boal: Mechanics of the cell; Cambridge 2002 cotterill: R. Cotterill: Biophysics, An Introduction; Wiley 2002 daune: M. Daune: Molekulare Biophysik; Vieweg 1997 howard: J. Howard: Mechanics of Motor Proteins and the Cytoskeleton; Sinauer Associates 2001 koolman: J. Koolman, K. H. Röhm: Taschenatlas der Biochemie; Thieme 2003 leuba: S.H. Leuba, J. Zlatanova: Biology at the Single-Molecule Level; Pergamon 2001 löffler: G. Löffler, P.E. Petrides: Biochemie und Pathobiochemie; Springer 1998 lottspeich: F. Lottspeich, H. Zorbas: Bioanalytik; Spektrum 1998 rehm: H. Rehm, F. Hammar: Biochemie light; Verlag Harri Deutsch 2001 schliwa: M. Schliwa: Molecular Motors; Wiley 2003 silbernagl: S. Silbernagl, A. Despopoulos: dtv-atlas Physiologie; Thieme 2001 *Die Ergänzungen sind Illustrationen zu Teilen der Vorlesung, sie decken den durchgenommenen Stoff nicht ab!

3 Typische Tierzelle (a), typische Pflanzenzelle (b) Ribosomen RNA Zellkern DNA (Chromosomen) Lehninger p.33 ca µm

4 Cytoskelett Protein Filament - Gerüst in den meisten eukariotischen Zellen; dynamisches Netzwerk - Kabel-ähnliche Aktin Filamente - Seil-ähnliche intermediäre Filamente - Röhren-ähnliche Mikrotubuli - Dazu Hilfsproteine, die Quervernetzung zu anderen Filamenten und zu weiteren Zellbestandteilen herstellen. bestimmt Morphologie und Stabilität insbesondere von Tierzellen, die im Gegensatz zu Pflanzenzellen nicht durch eine Zellwand (Cellulose) sondern nur durch die fluide Plasma-Membran begrenzt sind. Motorproteine benutzen Filamente, um Organellen etc. durch die Zelle zu transportieren.

5 Strukturelemente des Cytoskeletts (Fortbewegung, Transport, Stabilität) Aktin-Filamente 25 nm 25 µm Mikrotubuli 25 nm 25 µm Intermediär-Filamente alberts787 alberts nm 25 µm

6 Strukturelemente des Cytoskeletts a b c b a löffler196 c howard120 a: Aktinfilamente b: Intermediär-Filamente c: Mikrotubuli

7 Aktin Aktin-Protein Einheit: - MW: 45 kda - Röntgen-Struktur: z. B. 1J6Z bei protein data bank ( (1.54 Å (2001)) - Bindungstasche f. ATP (Polymerisierung) und Mg 2+ -Ion lehninger11 ATP: Adenosin-Triphosphat

8 Aktin - Monomer (1J6Z)

9 Aktin - Filamente Aktin - Filament - Struktur durch Elektr.-Mikroskopie - Aussendurchmesser: ca. 6 nm - Darstellung als 2-strängige, rechtsdrehende (links) Helix mit Steigung 72 nm/wdg = 26 Actin-Einheiten/Wdg oder als 1-strängige, linksdrehende (rechts) Helix mit Steigung 5.5. nm/wdg = 2 Actin-Einheiten/Wdg. - Asymmetrie der Aktin-Monomere bewirkt Existenz eines "+" - Endes (schnelle Polymerisierung) und eines "-" - Endes (langsame Polymerisierung): Das Filament ist polar. Protofilament howard125

10 Tubulin Tubulin-Protein-αβ-Dimer Einheit: - MW: jeweils 50 kda - Elektr.-Beugung-Struktur: z. B. 1TUB bei protein data bank ( (3. Å (2001)) - Bindungstasche f. GTP (Polymerisierung) und Mg 2+ -Ion - Translationssymmetrie

11 Tubulin Dimer (1TUB)

12 Mikrotubuli - Filament Mikrotubuli - Filamente - Struktur durch Elektr.-Mikroskopie: Röhren von etwa 25 nm Durchmesser, 18 nm Innendurchmesser - Tubulin-Dimere bilden lineare Protofilamente. 13 Protofilamente lagern sich lateral aneinander und rollen sich zu einer Röhre. - Axial sind zwei benachbarte Dimere um 0.92 Å gegeneinander veschoben, nach 13 Protofilamenten entspricht das der Länge von 3 Monomeren. Der Mikrotubulus entspricht damit einer 3-er Helix von Monomeren. - Asymmetrie der Tubulin-Dimere bewirkt Existenz eines "+" - Endes (schnelle Polymerisierung) und eines "-" - Endes (langsame Polymerisierung): Das Filament ist polar. Modell: 3-er Helix Protofilament Kryo- Elektronenmikroskopie:

13 Intermediär-Filament - Protein Coiled coil Intermediär-Protein Einheit: - MW: kda - Lange α-helices, keine Struktur bekannt - keine Bindungstasche f. Nukleotide - je zwei Einheiten bilden einen "coiled coil" - Dimer (z. B. Keratin) mit "Steigung" = 14 nm/periode α - Helix: 3.64 AS'n/Wdg= 0.15 nm/as C.C.: Hydrophobizitäts-Periode: 7/2 = 3.5 AS'n Pitch = 0.15/(1/3.64-1/3.5)=14 nm 14 nm - Mit Periode 7 wiederholen sich die AS'n: hydrophobe AS'n in a und d, sonst hydrophile AS'n howard131 howard131

14 Intermediär - Filament Intermediär - Filamente - Unterschiedliche Strukturen vermutet - Beispiel: 2 coiled coil - Dimere (A) bilden einen antiparallelen Tetramer, ein Protofilament (B). 2 Protofilamente bilden eine Protofibrille (C). 4 Protofibrillen winden sich zu einem Intermediär-Filament (16 coiled coils) mit ca. 10 nm Durchm. - Filamente i. d. R. nicht polar howard132