Zellstrukturen und Ihre Funktionen — Zytoskelett
Aktinfilamente Intermediärfilamente Mikrotubuli
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
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
Zellstrukturen und Ihre Funktionen — Zytoskelett: Aktin
Immunfluoreszenz- Aufnahme
Elektronenmikroskop.
Aufnahme
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+, Mg2+); +-Ende: schneller Auf- und Abbau; –-Ende: langsamer Auf- und Abbau
Zellstrukturen und Ihre Funktionen — Zytoskelett: Aktin
G-Aktin F-Aktin
Aktin-Bündel
Aktin-Vernetzungs-
proteine Aktin-Netz
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+, Mg2+); +-Ende: schneller Auf- und Abbau; –-Ende: langsamer Auf- und Abbau
je nach Zelltyp existieren unterschiedliche Aktin-Bindeproteine, z.B.
Filamin, Ankyrin, Dystrophin, Myosin
Zellstrukturen und Ihre Funktionen — Zytoskelett: Aktinfilamente
z.B. Erythrozytenmembran:
Kontakte zwischen den verschiedenen Proteinen fixieren Aktinfilamente und damit den Cortex
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
Aktin/Myosin
wichtiger Interaktionspartner: Myosin
Aktin/Myosin
Muskel-Bewegung durch
Verkürzung der Sarkomere, ist ATP- und Calcium-abhängig
Aktin/Myosin
Zellstrukturen und Ihre Funktionen — Zytoskelett: Mikrotubuli
Zytoskelett, Steuerung von
Bewegungsvorgängen, Spindelfasern 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 Ca2+); +-Ende: α-Ende; –- Ende: β-Ende, ist über γ-Tubulin fixiert.
Zellstrukturen und Ihre Funktionen — Zytoskelett: Mikrotubuli
Zytoskelett, Steuerung von
Bewegungsvorgängen, Spindelfasern
Zellstrukturen und Ihre Funktionen — Zytoskelett: Mikrotubuli
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!) Immunfluoreszenz-
Aufnahme
Elektronenmikroskop.
Aufnahme
Zellstrukturen und Ihre Funktionen — Zytoskelett: Mikrotubuli
labile Mikrotubuli: müssen schnell umgebaut
werden, z.B. Mitosespindel, werden unter Colchicin- Einfluss schneller desaggregiert
stabile Mikrotubuli: sind sehr stabil, sogar in Anwesenheit von Colchicin, z.B. in Geißeln
Stabilität abhängig von Mikrotubuli-assoziierten Proteinen (MAP)
Immunfluoreszenz- Aufnahme
Elektronenmikroskop.
Aufnahme
Phenolische Verbindungen:
aus den unterirdischen Organen
von Podophyllum peltatum (Berberidaceae)
Alkaloide:
aus Knollen und Samen von Colchicum autumnale
(Colchicaceae) aus der Borke von Taxus brevifolia
(Taxaceae)
Zellstrukturen und Ihre Funktionen — Zytoskelett: Mikrotubuli – Gifte
aus Blättern
von Catharanthus roseus (Apocynaceae)
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
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.
Mitose (tier. Zelle)
Zellstrukturen und Ihre Funktionen — Zytoskelett: Mikrotubuli
Mikrotubuli der Mitosespindel greifen am Kinetochor der Chromosomen an =
Kinetochormikrotubuli
Kinetochor ist spezielle Proteinstruktur am Centromer
Metaphase
Zellstrukturen und Ihre Funktionen — Zytoskelett: Mikrotubuli
3 verschiedene Typen Mikrotubuli sind am Aufbau der Mitosespindel beteiligt:
Kinetochor-MT, Astral-MT und Polar-MT
Mikrotubuli — Mitosespindel
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
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 (100-200 µm) und machen Wellenbewegungen
Mikrotubuli sind im sog. Axonem angeordnet
Bewegung der Flagellen und Cilien
Fortbewegung durch Flagellen (z.B. Spermien)
Fortbewegung durch Cilien (z.B. einzellige Algen)
Transport durch Cilien (z.B. Flimmerepithel)
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)
Zellstrukturen und Ihre Funktionen — Zytoskelett: Intermediärfilamente
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 Zelle
sind extrem stabil Immunfluoreszenz-
Aufnahme
Elektronenmikroskop.
Aufnahme
Zytoskelett:
Intermediärfilamente
• Monomere sind α-helikale filamentöse Proteine
•!Polymerisation ist
unabhängig von ATP oder GTP!
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
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
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
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
