Eukaryoten Netzwerk im Zytoplasma eukaryotischer Zellen Große Ende-Ende Abstand: Netzwerkbildung schon bei niedrigen Konzentrationen

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1 Physikalische Grundlagen der zahnärztlichen Materialkunde 12. Mechanische Eigenschaften von Zellen Historie, Messmethoden Mikropipette Aspiration Rasterkraftmikroskop Zelle: Substratdehnung Balázs Kiss kolloidales System, aber Eigenform membrangebundene Organellen Zytoskelett: 1-2% Volumenanteil aktive passive Mikrorheologie 2 Das Zytoskelett Prokaryoten? Eukaryoten Netzwerk im Zytoplasma eukaryotischer Zellen Große Ende-Ende Abstand: Netzwerkbildung schon bei niedrigen Konzentrationen Drei Klassen von Zytoskelettfilamenten: A. Aktinfilamente B. Intermediärfilamente C. Mikrotubuli Polymere: aus Monomer-Untereinheiten Mikrotubuli Aktin prokaryotische Zellen: zu den eukaryotischen homologe Proteine 3 Rolle: A. Bewegung, Formveränderung B. Zellteilung C. Intrazellulärer Transport DNS 4

2 Zytoskelettfilamente Polymermechanik: Hookesche Elastizität Die Federkonstante (D=F/Δl) ist nicht nur materialabhängig. Abbiegung: l Die Federkonstante (D) hängt von Formparametern des Körpers und der Kraftrichtung ab. F s Dehnung: A F Torsion: D l M Aktin (Rhodamin-Phalloidin) Vimentin (anti-vimentin) Mikrotubuli (GFP-Tubulin) D 5 D 6 Polymermechanik: Biopolymere Polymermechanik: FJC, WLC 1. Linear 2. Zweigförmig 3. Zirkulär Freely Jointed Chain Worm-Like Chain R R Aktinfilament Elastizitätsmechanismen: Rotation um den kovalenten Bindungen Proteoglykane reibungsfreie Beugung von Segmenten Plasmid-DNS Deformation der Bindungen ein, aus Elementarvektoren (die ihre Richtung behalten) aufgebautes Polymer l = Korrelationslänge (duchschnittliche Länge der Elementarvektoren) Nl = L = Konturlänge R = Ende-Ende-Abstand l p = Persistenzlänge (wie lange behält ein Molekül seine Richtung) cos s exp s l p s falls s<<l p : cos( )~1, und (s)~0 falls s>>l p : cos( )~0, also (s) liegt zwischen 0 und 360 s 7 8

3 Exkurison : Brownsche Bewegung 1 3 mv 2 kbt (für ideale Gase) 2 2 Exkursion : Entropie Die Moleküle des Wassertropfens permanent von allen Seiten gegen die größeren, sichtbaren Pollenteilchen (gelb) stoßen. Folge: Pollen macht unregelmäßig zuckende Bewegungen in dem Wassertropfen. charakterisiert die Unordnung bzw. die thermodynamische Wahrscheinlichkeit therimsche Anregung l p Polymermechanik: thermische Elastizität E k T B Spröde Kette l p >>L Semiflexible Kette l p ~L Θ = Flächenträgheitsmoment (bei einem Stab mit Kreisquerschnitt: Θ=r 4 π/4) Arbeit Elastische Kette l p <<L 9 10 Wie entstehen die Polymere? Die Phasen der Polymerisation: Polymerisationsgleichgewichte 1. Wahres Equilibrium 1. Lag Phase: Nukleation (Verzögerungsphase) Anzahl der Polymere 2. exponentielles Wachstum 3. Equilibrium (Gleichgewicht) Equilibrium 2. Dynamische Instabilität:katastrophische Depolymerisation nach ein langsames, aber kontinuierliches Wachstum 3. Treadmilling : Wachstum Lag Zeit 11 12

4 Aktin Monomer (G-Aktin) Aktin Filament (F-Aktin) Nukleotid Nu Aktin: 5% der Gesamteiweiß (in eukaryotischen Zellen) Untereinheit: globuläres (G-) Aktin Struktur und Eigenschaften: 43 kda 1 verbundenes Adenosin Nukleotid (ATP oder ADP) ~7 nm dick, die Länge beträgt in vitro grob 10 µm, in vivo 1-2 µm Verhält sich als semiflexible Polymerkette (Persistenzlänge: ~10 µm) Polarisierte Struktur: (+)-Ende, (-)-Ende Asymmetrische Polymerisation: ATP- Kappe ATP-Kappe Aktinnetz auf Ti Implantaten Aktin Filament (F-Aktin) Rolle: Cortex (Rand der Zelle) Stressfasern Zellverlängerungen (lamellipodia, filopodia, microspikes, focal contacts, Invagination) Mikrovilli elastische Linkermoleküle: Verfestigung bei höherer Belastung: Ti 15 Ti Osseotite 16

5 Mikrotubuli Das Mikrotubulus Untereinheit: Tubulin 10-20% der Gesamteiweißgehalt von Nervengeweben α- und β-tubulin α Protofilament 1 verbundenes Guanosin Nukleotid (GTP oder GDP) - Ende β + Ende ~25 nm dick, röhrenförmig 13 Protofilamente spröde Polymerkette (Persistenzlänge: ein Paar mm!) polarisierte Struktur: (+)- Ende: schneller Aufbau, (β-tubulin) (-)- Ende: langsamer Aufbau, (α-untereinheit) GTP-Kappe Intermediärfilamente Ausdehnung von Einzelmolekülen (Desmin) Durchmesser: nm chemisch widerstandsfähig fibrillares Monomer, Polymerisation ohne ATP/GTP die gewebespezifische Monomere unterscheiden sich in der Struktur der C-Termini: s ~ Länge des Moleküls d ~ Kraft 500 nm Epithelien Keratine Muskel Desmin Bindegewebe Vimentin Gliazellen glial fibrillar acidic protein Nervenzellen Neurofilament Struktur eines Dimers: N-Terminus 1A 1B 2A 2B C-Terminus Kraft (nn) Ausdehnung Relaxation 19 Verlängerung (µm) 20

6 Kraft Vermutete Rolle der Intermediärfilamente : mechanische Stabilität IF Aktin Verfestigung! MT In Epithelien: Krankheitsbild: epidermolysis bullosa simplex (Schmetterlingskrankheit). Bei milden mechanischen Einwirkungen (zbs. Reibung) entstehen Blasen und Wunden mit möglicher Narbenbildung Ursache: Mutation im Genen, die Keratin kodieren Im Herzen: Gewebespezifische Rolle der IF Krankheitsbild: Kardiomyopathie Ursache: Desmin Gen Mutation Deformation 1 Pa = 10 dyne/cm Die Elastizität der lebendigen Geweben Kollagen Mon. Kollagen Fibr. Fibrilin Elastin Frettchen Aorta (Teile) Schwein Aorta (Teile) A. radialis Ratten Aorta menschliche Aorta 23