Zellstrukturen und Ihre Funktionen Zytoskelett

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1 Zellstrukturen und Ihre Funktionen Zytoskelett Aktinfilamente Intermediärfilamente Mikrotubuli

2 Zellstrukturen und Ihre Funktionen Zytoskelett Vorkommen: in eukaryontischen pflanzlichen und tier. Zellen ähnliche Strukturen in Bakterien! Funktion: dynamischer Strukturbildner, wichtig für!! die Gestalt zellwandloser Zellen!! die innere Architektur!! zelluläre Bewegungsvorgänge!! den gerichteten Stofftransport innerhalb der Zelle Struktur: Proteinpolymere, je nach Form unterscheidbar in!! Mikrofilamente = Aktinfilamente!! Intermediärfilamente!! Mikrotubuli MreB Crescentin FtsZ

3 Zellstrukturen und Ihre Funktionen Zytoskelett: Aktinfilamente häufigstes Protein in einer eukaryontischen Zelle Durchmesser ca. 6nm Funktion: bestimmt die Zelloberfläche, wichtig für Bewegungsvorgänge Lokalisierung: in der ganzen Zelle verteilt, v.a. im Cortex, direkt unter der Plasmamembran

4 Zellstrukturen und Ihre Funktionen Zytoskelett: Aktin ImmunfluoreszenzAufnahme Elektronenmikroskop. Aufnahme

5 Zellstrukturen und Ihre Funktionen Zytoskelett: Aktinfilamente häufigstes Protein in einer eukaryontischen Zelle Durchmesser ca. 6nm Funktion: bestimmt die Zelloberfläche, wichtig für Bewegungsvorgänge Lokalisierung: in der ganzen Zelle verteilt, v.a. im Cortex, direkt unter der Plasmamembran Struktur: aufgebaut aus Aktinmonomeren = globuläres Protein = G-Aktin, bildet 2 Ketten, die umeinander gewunden sind = F-Aktin Polymerisation ist abhängig von ATP und ein- und zweiwertigen Ionen (K +, Mg 2+ ); +-Ende: schneller Auf- und Abbau; -Ende: langsamer Auf- und Abbau

6 Zellstrukturen und Ihre Funktionen Zytoskelett: Aktin Aktin-Bündel G-Aktin F-Aktin Aktin-Vernetzungsproteine Aktin-Netz

7 Zellstrukturen und Ihre Funktionen Zytoskelett: Aktinfilamente häufigstes Protein in einer eukaryontischen Zelle Durchmesser ca. 6nm Funktion: bestimmt die Zelloberfläche, wichtig für Bewegungsvorgänge Lokalisierung: in der ganzen Zelle verteilt, v.a. im Cortex, direkt unter der Plasmamembran Struktur: aufgebaut aus Aktinmonomeren = globuläres Protein = G-Aktin, bildet 2 Ketten, die umeinander gewunden sind = F-Aktin Polymerisation ist abhängig von ATP und ein- und zweiwertigen Ionen (K +, Mg 2+ ); +-Ende: schneller Auf- und Abbau; -Ende: langsamer Auf- und Abbau je nach Zelltyp existieren unterschiedliche Aktin-Bindeproteine, z.b. Filamin, Ankyrin, Dystrophin, Myosin

8 Zellstrukturen und Ihre Funktionen Zytoskelett: Aktinfilamente z.b. Erythrozytenmembran: Kontakte zwischen den verschiedenen Proteinen fixieren Aktinfilamente und damit den Cortex

9 Zellstrukturen und Ihre Funktionen Zytoskelett: Aktinfilamente Cytochalasin D (Pilze): bindet an +-Ende und inhibiert die Polymerisation Phalloidin (Amanita phalloides, Knollenblätterpilz): bindet seitlich an F- Aktin und verhindert Depolymerisation Prokaryont Listeria monocytogenes: verursacht schwere Formen von Nahrungsmittelvergiftung; verwendet Aktinfilamente, um sich in der befallenen Zelle fortzubewegen bzw. in andere Zellen einzudringen

10 wichtiger Interaktionspartner: Myosin Aktin/Myosin

11 Aktin/Myosin Muskel-Bewegung durch Verkürzung der Sarkomere, ist ATP- und Calcium-abhängig

12 Aktin/Myosin

13 Zellstrukturen und Ihre Funktionen Zytoskelett: Mikrotubuli Durchmesser ca. 27nm außen, Hohlraum von 20nm Funktion: Steuerung von Organellbewegung, Beeinflussung der Zellform, Ausbildung der Mitosespindel Eigenschaft: im Vergleich zu Mikrofilamenten relativ starr Lokalisierung: in ganzer Zelle verteilt, v.a. im Bereich des Zellkerns, in tier. teilungsfähigen Zellen 2 Centriolen, die senkrecht zueinander stehen = Diplosom Struktur: aufgebaut aus Tubulinheterodimeren aus globulären α- und β- Untereinheiten, bildet zunächst Längsreihen = Protofilamente, von denen sich i.a. 13 zur Röhre zusammenlagern Polymerisation ist abhängig von GTP (ohne Ca 2+ ); +-Ende: α-ende; - Ende: β-ende, ist über γ-tubulin fixiert. Zytoskelett, Steuerung von Bewegungsvorgängen, Spindelfasern

14 Zellstrukturen und Ihre Funktionen Zytoskelett: Mikrotubuli Zytoskelett, Steuerung von Bewegungsvorgängen, Spindelfasern

15 Zellstrukturen und Ihre Funktionen Zytoskelett: Mikrotubuli ImmunfluoreszenzAufnahme Mikrotubuli-organisierende Zentren (MTOC) = Nucleationsstellen für Mikrotubuli in der Zelle ( Fixierung des -Endes des Mikrotubulus, z.b. bestimmte Membranbereiche, Basalkörper von Geißeln, Polregionen der Kernteilungsspindel; bei tier. Zellen im zytosol. MTOC Centriolenpaar vorhanden (nicht in Pflanzen oder Pilzen!) Elektronenmikroskop. Aufnahme

16 Zellstrukturen und Ihre Funktionen Zytoskelett: Mikrotubuli ImmunfluoreszenzAufnahme labile Mikrotubuli: müssen schnell umgebaut werden, z.b. Mitosespindel, werden unter ColchicinEinfluss schneller desaggregiert stabile Mikrotubuli: sind sehr stabil, sogar in Anwesenheit von Colchicin, z.b. in Geißeln Stabilität abhängig von Mikrotubuli-assoziierten Proteinen (MAP) Elektronenmikroskop. Aufnahme

17 Zellstrukturen und Ihre Funktionen Zytoskelett: Mikrotubuli Gifte Phenolische Verbindungen: Alkaloide: aus Knollen und Samen von Colchicum autumnale (Colchicaceae) aus der Borke von Taxus brevifolia (Taxaceae) aus Blättern von Catharanthus roseus (Apocynaceae) aus den unterirdischen Organen von Podophyllum peltatum (Berberidaceae)

18 Zellstrukturen und Ihre Funktionen Zytoskelett: Mikrotubuli Colchicin bindet an β-tubulin freier Tubulin-Heterodimere und verhindert die Polymerisation Podophyllotoxin wirkt wie Colchicin und verhindert die Polymerisation Vinca-Alkaloide destabilisieren Mikrotubuli und verhindern die Polymerisation Taxol stabilisiert Mikrotubuli und veranlasst freie Heterodimere zur Aggregation β-tubulin hat intrinsische GTPase-Aktivität > Spaltung in GDP + Pi GTP an α-tubulin bleibt erhalten

19 Zellstrukturen und Ihre Funktionen Zytoskelett: Mikrotubuli bei Organellbewegung Die MAPs Kinesin und Dynein sind ATP-getriebene Molekülmaschinen, die sich an Schienen aus Mikrotubuli entlang bewegen, allerdings in entgegengesetzten Richtungen: Dynein bewegt sich in Richtung -Ende, Kinesin in Richtung +- Ende der Mikrotubuli.

20 Mitose (tier. Zelle)

21 Zellstrukturen und Ihre Funktionen Zytoskelett: Mikrotubuli Mikrotubuli der Mitosespindel greifen am Kinetochor der Chromosomen an = Kinetochormikrotubuli Kinetochor ist spezielle Proteinstruktur am Centromer Metaphase

22 Zellstrukturen und Ihre Funktionen Zytoskelett: Mikrotubuli 3 verschiedene Typen Mikrotubuli sind am Aufbau der Mitosespindel beteiligt: Kinetochor-MT, Astral-MT und Polar-MT

23 Mikrotubuli Mitosespindel

24 Zellstrukturen und Ihre Funktionen Zytoskelett: Mikrotubuli Nervenzellen mit Dendriten und Axons als Fortsätze, die beide über Mikrotubuli (und Neurofilamente) stabilisiert werden, mit unterschiedlichen MAPs, -Enden sind nicht verankert Axons: Mikrotubuli sind alle parallel angeordnet mit +-Ende vom Zellkörper weg weisend Dendriten: Mikrotubuli sind sowohl als auch orientiert

25 Zytoskelett: Mikrotubuli in Flagellen und Cilien Tierzellen und eukaryontische Mikroorganismen haben Flagellen oder Cilien zur Fortbewegung; Cilien sind kürzer (2-10 µm), können vorwärts und rückwärts schlagen; Flagellen sind länger ( µm) und machen Wellenbewegungen Mikrotubuli sind im sog. Axonem angeordnet

26 Bewegung der Flagellen und Cilien Fortbewegung durch Cilien (z.b. einzellige Algen) Fortbewegung durch Flagellen (z.b. Spermien) Transport durch Cilien (z.b. Flimmerepithel)

27 Flagellen, Cilien, Geißeln, Fimbrien, Pili Flagellen und Geißeln sind synonyme Begriffe für relativ lange zelluläre Fortsätze, die der Fortbewegung der Zelle dienen! bei eukaryontischen Zellen bestehen diese Fortsätze aus Mikrotubuli! bei prokaryontischen Zellen bestehen diese Fortsätze aus helikalen Filamenten (Flagellin) Cilien sind eukaryontische, zelluläre Fortsätze aus Mikrotubuli, die der Fortbewegung bzw. dem Transport (z.b. Trachea) dienen; Fimbrien und Pili sind Fortsätze auf der Bakterienoberfläche aus Proteinen (Röhren) die der Anheftung an eukaryontische Zellen dienen (Fimbrien) bzw. dem Bakterien/Bakterien-Kontakt (Pili)

28 Zellstrukturen und Ihre Funktionen Zytoskelett: Intermediärfilamente ImmunfluoreszenzAufnahme Vorkommen: in nahezu allen eukaryontischen Zellen multizellulärer Organismen; in Pilzen und einzelligen Eukaryonten wird es kontrovers diskutiert Größe: Durchmesser 8 10nm Funktion: Stärkung der Zelle, Organisation der Zellen in Geweben, mechanische Stabilität der Plasmamembran; keine Beteiligung an Bewegungsvorgängen Lokalisierung: als Netzwerk in der gesamten Elektronenmikroskop. Aufnahme Zelle sind extrem stabil

29 Zytoskelett: Intermediärfilamente Monomere sind α-helikale filamentöse Proteine! Polymerisation ist unabhängig von ATP oder GTP!

30 Zellstrukturen und Ihre Funktionen Zytoskelett: Intermediärfilamente Einteilung in 6 Klassen (in höheren Wirbeltieren): Typ I: sauere Keratine kommt zusammen mit Typ II: basische Keratine als 1:1-Heterodimere bzw. heteropolymere Keratinfilamente in Epithelzellen vor, sind wichtiger Bestandteil der Desmosomen und Hemidesmosomen weitere Unterteilung: ca. 10 Keratine sind spezifisch für hartes Epithel, d.h. Haare, Nägel, Wolle, ca. 20 Keratine = Zytokeratine sind spezifisch für Epithel in inneren Körperhöhlen Typ III: Vimentin; Desmin; gliales fibrilläres saures Protein (GFAP); Peripherin kommen entweder als homo- oder heteropolymere Filamente in Mesenchym, Muskel, Gliazellen, Astrozyten, Neuronen vor

31 Zellstrukturen und Ihre Funktionen Zytoskelett: Intermediärfilamente Typ III: Vimentin: spezifisch für Blutgefäße, einigen Epithelzellen, mesenchymalen Zellen wie Fibroblasten; Filamente enden häufig an der Kernmembran und an Desmosomen bzw. Hemidesmosomen => Aufhängung der Organellen im Zytoplasma? Desmin: verknüpft im Muskel Myofibrillen zu Bündeln, stabilisiert Sarcomere in den kontrahierenden Muskeln gliales fibrilläres saures Protein (GFAP): in Gliazellen, Astrozyten Peripherin: in Neuronen des peripheren Nervensystems

32 Zellstrukturen und Ihre Funktionen Zytoskelett: Intermediärfilamente Einteilung in 6 Klassen (in höheren Wirbeltieren): Typ IV: Neurofilamente (NF-L, NF-M, NF-H, mit niedrigem L, mittlerem M und hohem H Molekulargewicht), Internexin bilden Heteropolymere, die für den Axondurchmesser der Nerven verantwortlich sind Nicht-Standard-Typ IV: Filensin, Phakinin Zellen der Augenlinse Typ V: Lamin A, B, C bilden eine stabilisierende Proteinschicht im Nukleus jeder Zelle Typ VI: Nestin entspricht Neurofilament im embryonalen Nervensystem

33 Zellstrukturen und Ihre Funktionen Zytoskelett: Intermediärfilamente Molekulare Bedeutung: wichtig bei Krebsdiagnose, da Tumorzellen ihre normale Morphologie verlieren für richtige Therapie ist aber die Zuordnung zu den verschiedenen Krebstypen wichtig Bsp.: Brustkrebs: Zellen enthalten meist Keratin- aber keine Vimentinfilamente => epithelialer Ursprung nicht mesenchymatisch Sarkom = mesenchymatischer Ursprung Karzinom = epithelialer Ursprung Myelom = Knochenmarkkrebs Melanom = Haut- und Schleimhautkrebs Lymphom = Vermehrung der Lymphozyten