Das Zytoskelett Eine Einführung

Transkript

1 Filamentsystem der Zelle (Filament = Fasern, Fäden) im Gegensatz zum Makroskelett z.b. des Menschen ist das Zytoskelett dynamisch und besteht aus Proteinen Aufgaben: Das Zytoskelett Eine Einführung statisch: Formgebung Mechanische Festigkeit (Stützung der Plasmamembran) dynamisch: Muskelkontraktion Wanderung von Fibroblasten und Leukozyten Geißeln von Spermien Zellteilung (Mitose) (Transport der rganellen und der Chromosomen) CH-Zelle (Aktin stain)

2 Das Zytoskelett Allgemeine Eigenschaften statisch dynamisch Zytoskelettstruktur einer Zelle B) Die Filamente sind aus einzelnen kleinen Untereinheiten zusammengesetzt, die untereinander nicht kovalent verbunden sind. => hohe Dynamik

3 H 3 C Das Zytoskelett Ein aktuelles Drug Target Eine Reihe von Alkaloiden hemmen die Mitose durch Interaktion mit dem Zytoskelett und werden daher als Antikrebsmittel zur Hemmung der Zellteilung eingesetzt. Beispiele: Klassische Wirkstoffe: Destabilisierung des Zytoskeletts -Colchicin - Vinblastin Neuere Wirkstoffe: Stabilisierung des Zytoskeletts - Taxol H N - Epothilone H 3 C H 3 C CH 3 NHAc N H H N NH H H H NH H H Colchicin Vinblastin Taxol Epothilon A H H H H H S N

4 Die verschiedenen Filamentarten Man Unterscheidet drei Arten von Filament drei verschiedene Proteinfamilien 1. Actinfilament - Form der Zelle - Mobilität von Zellen 2. Mikrotubuli - Lage von rganellen - Intrazellulärer Transport (Stoffe, rganellen etc.) Intermediärfilament - mechanische Festigkeit - Wíderstand gegen Scherkräfte 4. Hilfsproteine - Die Funktion der Filamentarten ist an zahlreiche Hilfsproteine gebunden - Motorproteine, Stabilisatoren etc.

5 Aktinfilamente Eigenschaften: Doppelsträngige helikale Proteine Durchmesser 5-9 nm Weit über die Zelle verteilt (besonders innen um die Plasmamembran) Auskragungen an der Zelloberfläche Dynamische Strukturen wie Lamellipodien und Filipodien: Bewegung der Zelle Stabilere Strukturen: Stereocilien im Innenohr (schwingen bei Geräuschen) Anheftung der Zelle Kontraktion von Muskeln

6 Aktinfilamente sind polar aufgebaut: Aufbau von Aktinfilamenten

7 Mikrotubuli Eigenschaften: Hohlzylinder aus dem Protein Tubulin Durchmesser ~ 25 nm Sternförmige Anordnung vom Zentrum einer Interphasezelle (Centrosom) Bildung der Mitosespindel Weitere Funktionen: Cilium oder Flagellum (Peitsche) Transport von Material (z.b. in Axonen)

8 Aufbau von Mikrotubuli

9 Intermediärfilament Eigenschaften: Seilähnliche Fasern Durchmesser 10 nm u.a. an der Innenfläche der Kernhülle Schutzkäfig für die DNA der Zelle Weitere Funktionen: Zusammenhalt von Zellverbänden (Viele Unterschiedliche Filament-unterarten, z.b. epitheliales IF: Keratine axonales IF: Neurofilamente nucleäre IF: Lamin A, B und C)

10 Grundsätze der Filamentstabilität Für die hohe Dynamik der Filamente (Auf- und Abbau) sind kovalent verknüpfte Polymere ungeeignet Die Stabilität wird durch multiple hydrophobe Wechselwirkung zwischen den einzelnen Protofilamenten erreicht.

11 Intermedäres Filament große hydrophobe Interaktionsflächen

12 Spontane Polymerisation von Filamenten Wachstum findet spontan statt (bei ausreichender Salzkonzentration) Reagenzglasversuche Wachstum ist kinetisch gehemmt Anwesenheit von Polymerisationskeimen beschleunigt das Wachstum Im (dynamischen) Gleichgewichtszustand halten sich Auf- und Abbau die Waage Der Gleichgewichtszustand besteht bei einer kritischen Konzentration an Monomeren (C c ). Unterhalb dieser Konzentration findet keine Polymerisation statt, sondern nur Abbau Hier Beispielhaft gezeigt: Actin

13 Filamentwachstum ist am + Ende schneller Actinmonomere und Tubulin sind polar aufgebaut Die Polymere sind ebenfalls polar Das Plus-Ende ist definitionsgemäß das schneller wachsende Ende Am Minus-Ende ist die Konformation der eingebauten Monomere anders, daher langsamere Polymerisation Theoretische Betrachtung des Filamentwachstums: Aus thermodynamischen Gründen ist die C c für beide Enden gleich Wenn das Plus-Ende wächst, wächst daher auch das Minus-Ende Unterhalb von C c schrumpft das Plus-Ende ebenso viel schneller als das Minus- Ende Die Ausbildung eines GTP/ATP-Caps ermöglicht auch das gerichtete Wachstum von Filamenten

14 Nucleotidhydrolyse und Filamentwachstum Die freien Monomere haben Nucleotidtriphosphate (NTPs) gebunden. Zur Erinnerung: Actin (ATP), Tubulin (GTP) Konvention: NTP gebunden: T-Form Kurz nach Bindung an das Polymer werden NTPs hydrolysiert Die NTP-Hydrolyse bewirkt eine Änderung der Konformation Verlust an Bindungsaffinität zu den Nachbarmonomeren Die Filament-Polymerisation kann schneller sein als NTP-Hydrolyse Ausbildung eines NTP-Caps am Plus-Ende Die kritischen Konzentrationen Cc für das Plus- und das Minus-Ende sind nun unterschiedlich Dadurch kann es unter bestimmten Bedingungen zu einem Wachstum am Plusund einem Schrumpfen am Minus-Ende kommen Treadmilling

15 Ausbildung von NTP-Caps Bedeutung für die Stabilität

16 Gerichtetes Filamentwachstum durch Nukleotidhydrolyse (Tretmühlenwachstum)

17 Treadmilling unter dem Mikroskop (C) (D) Links: Ein farblich markierter Filamentstrang (mit einem unmarkierten Bereich) Man kann sehen, wie sich die relative Lage innerhalb der Faser verändert. Rechts: Wachsender Tubulinstrang. Man kann die Polarität beim Wachstum (Plus-Ende) gut erkennen.

18 Wirkweise von Stathmin

19 Profilin Thymosin Antagonismus

20 Capping von Filamenten beeinflusst die Dynamik hne Capping: Wachstum am Plus-Ende (schnell) und am Minus-Ende (langsam) Mit Capping am Plus-Ende: Wachstum (der Schrumpfen) am Minus-Ende Geringere Dynamik, flachere Gerade

21 Capping von Tubulin Erhöhung oder Erniedrigung der Dynamik MAP-Protein: Stabilisierung (siehe Seite zuvor) Catastrophin: Destabilisierung des Plus-Endes