Hilfsproteine - Molekulare Motoren Motorproteine an Actinfilamenten: Myosine Bedeutung: Muskelkontraktion, Zellmigration Motorproteine an Mikrotubuli: Kinesin und Kinesin-Verwandte Proteine (KRP) Bedeutung: - Transport von Organellen vom Zellkörper zum Ende von Axonen - Bildung der Meiose- und Mitose-Spindel, Chromosomentrennung - Das KRP BimC kann bipolare Motoren bilden, die Mitosespindeln auseinander drücken Dyneine Bedeutung: - Vesikeltransport, Lokalisierung des Golgi-Apparats, - Schlagbewegung von Cilien und Flagellen
Hilfsproteine - Molekulare Motoren Beispiel: Myosin II Aufbau: 2 Schwere Ketten (grün, ca. 2000 Aminosäuren) 4 leichte Ketten (blau) Funktionsweise: Kopf- oder Motordomäne lagert sich an Filamentschiene an Durch ATP-Hydrolyse werden multiple Zyklen der Konformationsänderung ermöglicht. Dabei wandert das Motorprotein an der Filamentschiene entlang Angebundene Fracht wird mitbewegt Kopfdomäne: Art des Gleises und Bewegungsrichtung Schwanzdomäne: Art der Fracht (biologische Funktion)
Myosin bildet selbst Filamente aus
Actin- Filamente wandern über Myosin-Monomere (ATP-Abhängig)
Die Motordomänen der Myosine sind stark konserviert
Kinesin und Kinesin verwandte Proteine (KRP) Große Ähnlichkeit zu Myosin Dyneine sind weniger homolog
Krafterzeugung durch Motorproteine Beispiel Myosin
ATP-Bindung initiiert eine große Konformationsänderung
Freisetzung von Phosphat bewirkt den Kraftschlag Rückkehr in die Ausgangsstellung
Mechanochemischer Zyklus von Kinesin und Myosin
Wirkweise von Kinesin Ausgangssituation: Das führende Köpfchen ist an den Mikrotubulus gebunden ATP-Bindung (führendes Köpfchen) bewirkt, dass das nachfolgende Köpfchen eine Bindungsstelle bindet, die vor der des Leitköpfchens ist (in Richtung Plus Ende) Hydrolyse des ATPs und Verlust des ADPs (folgendes Köpfchen) bewirken Wiederherstellung in die Ausgangskonformation Wirkweise von Myosin Bewegung erfolgt ebenfalls in Plus-Richtung (Actinfibrille!) Die Kopfdomäne ist nur ca. 5% der Zeit angeheftet Zusammenarbeit vieler Myosine zur Bewegung eines Actinfilaments
KRPs können auch zum - -Ende von Mikrotubuli wandern Überlagerung von Mikrotubuli (Kryoelektronenmikroskopie) mit Röntgenstruktur des Kinesins (links) oder Ncd (ein KRP, rechts) Anpassung der Arbeitsweise an die Zellfunktion
Funktion der Motorproteine kann reguliert werden Beispiel Melanosomentranport in der Haut von Fischen mit induzierbarem Farbwechsel, induziert durch Signalmoleküle
Regulierte Wanderung von Melanosomen Die verschiedenen Motorproteine (Kinesin und KRPs) können differentiell aktiviert/deaktiviert werden Gezeigt ist ein Melanosom, das an einem Mikrotubulus entlang wandert Plötzliche Richtungsänderung Die Aktivität der Motorproteine wird u.a. durch Phosphorylierung reguliert
Phosphorylierung aktiviert Myosin durch Konformationsänderung
Muskelfasern entstehen durch Fusion aktinreicher Zellen Die Myofibrillen oder Muskelfasern haben Dimensionen, die über die einer normalen Zelle hinausgehen. Sie können die Länge eines ganzen Muskels erreichen. Die Muskelfasern sind nicht mit Actinfilamenten gleichzusetzen sondern bestehen aus kleineren aneinander gereihten Untereinheiten, die jeweils mehrere Actinfasern enthalten
Myofibrillen bestehen aus kleineren sich wiederholenden Einheiten, den Sarkomeren
Muskelkontraktion Interaktion von Actin- und Myosinfibrillen Entspannt Kontrahiert Bei der Muskelkontraktion wandern die beiden Enden der Myosinfibrille an den Actinfibrillen entlang zur Z-Platte. Dies resultiert in einer aufeinander zu Bewegung der beiden Z-Platten Kontraktion
Ca 2+ Ionen Einstrom in die Zelle löst Muskelkontraktion aus Die mehrkernige Muskelzelle wird von einer großen Plasmamembran umgeben Schlauchförmige Einstülpungen der PM bilden die T-Tubuli die durch die Zelle laufen Das Endoplasmatische Retikulum ändert seine Form und Funktion Sarkoplasmatisches Retikulum Die Nervenreizweiterleitung (Membrandepolarisierung) läuft durch die T-Tubuli Freisetzung von Ca 2 + aus dem Sarkoplasmatischen Retikulum
Skelettmuskel Im Skelettmuskel wird das Actin durch einen Tropomyosin gegenüber Myosin abgeschirmt Ca 2 + löst diese Bindung sodass Myosin binden kann Angriffspunkt für einige natürliche Zellgifte
Cilien und Flagellen aus Mikrotubuli und Dyneinen Flagellen befinden sich vor allem in Samenzellen Cilien sind analog aufgebaut, aber meist kürzer Vor allem in den Atemwegen aber auch im Eileiter Ein Zyklus (siehe Bild) dauert ca. 0,1 Sekunden Die Bewegung entsteht durch die Krümmung des inneren Kerns, des Axonems
Aufbau eines Axonems Das Axonem besteht fast ausschließlich aus Mikrotubuli Die einzelnen Tubuli sind durch das Protein Nexin vernetzt
Dynein zusammen mit Nexin-Vernetzung bewirkt Krümmung des Axonems