BIO112 - Zusatz
Zusätzliche Begriffe zu BIO112 UZH
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Sinneszellen - Gehör
Die Tektorialmembran ist keine Lipidmembran sondern eine gallenartige extrazelluläre Matrix. Sie besteht aus Collagen und Glycoproteinen. Die Sinneszellen im Ohr, die Haarzellen, werden bei Säugetieren nur einmal im Leben gebildet. Bei anderen Vertebraten werden sie erneuert.
Was besitzen die Haarzellen im Gehör an der apikalen Membran?
Die Haarzellen besitzen an der apikalen Membran spezialisierte Zellfortsätze, die Mikrovilli (Auch Sinneshärchen oder Stereocilien genannt). Mikrovilli sind Actin-basiert, ähnlich Filopodien aber stabil. Dienen auch zur Vergrösserung der Darmepithelzelloberfläche. Nicht verwechseln mit Mikrotubuli-basierten Flagellen und Cilien. Schallwellen bewegen die Basilarmembran -> Bewegung der Mikrovilli relativ zur Tektorialmembran -> Mikrovilli kippen seitlich ab. Abkippen öffnet via spezialisierte Cadherin mechanisch gelenkte Ionenkanäle. Ioneninflux verändert das Membranpotential und setzt an der basalen Synapse der Haarzelle Neurotransmitter frei. Jede Tonlage, hat eigene Dimensionen der Basalmembran- und Mikrovillistruktur. Das System muss extrem präzise gebaut sein!
Sinneszellen - Sehen
Im Auge ist die lichtempfindliche Schicht, die Retina (Netzhaut), aus mehreren Neuronenschichten gebaut. Das Licht muss erst durch zwei Neuronenschichten passieren, bevor es auf die sensorische Zellen, die Photorezeptoren trifft. Die äusseren Ganglionenzellen sind mit dem Gehirn verbunden, die darunterliegenden Interneuronen kontrollieren und koordinieren die Reize. Die Photorezeptoren werden nach ihrer Form in Stäbchen und Zapfen eingeteilt. Zapfen-Photorezeptoren reagieren entweder auf rote, grüne oder blaue Wellenlängen. Stäbchen-Photorezeptoren sind besonders lichtempfindlich, sehen aber nur schwarz/weiss.
Aufbau der Photorezeptorzellen
Die hochspezialisierten Photorezeptorzellen = Photorezeptoren haben mehrere Hauptbereiche. Der photosensitive Teil ist das äussere Segment. Ist wohl ein spezialisiertes Cilium da dessen Basis die typische 9+2 Mikrotubuliorganisation zeigt. Das "Cilium" ist gefüllt mit Membranscheiben, welche die photosensitiven Moleküle enthalten. Das innere Segment besitzt viele Mitochondrien und ist die Fabrik wo die photosensitiven Moleküle hergestellt werden. Am anderen Ende der Zelle ist eine Synapse die ein Signal an die Interneuronen weitergibt. Die Photorezeptorzellen sind nicht erneuerbar wohl aber die lichtsensitiven Moleküle welche laufend erneuert werden müssen. In Stäbchen ist die Erneuerung linear geordnet: ER - Golgi - proximale Scheiben - distale Scheiben.
Die Membranscheiben der Photorezeptorzellen
Die Membranscheiben enthalten die Sehpigmente aus dem lichtabsorbierenden Retinal und einem Opsin Protein, welches die spektrale Empfindlichkeit steuert, bestehen.
Im Dunkeln hält cyklisches GMP Kationenkanäle in der Plasmamembran offen. Dies bewirkt eine Sekretion hemmender Neurotransmitter.
Im Lichteinfall geht der Retinal von cis- in trans-Form. cGMP Hemmung, Ioneninflux stoppt, Plasmamembran hyperpolarisiert. Die Neurotransmittersekretion wird gehemmt -> Aktivierung.
Der Verdauungstrakt
Das Endoderm ist der Ursprung verschiedener Zellsysteme wie z.B dem Verdauungstrakt. Der Verdauungstrakt verdaut und absorbiert Nahrung ohne sich selber zu verdauen.
Trick 1: Viel Schleim (Mucus) sekretieren um die Zellen zu schützen.
Trick 2: Zellen fortwährend und schnell ersetzen.
Zuerst wird die Nahrung in einem spezialisierten Teil, dem Magen, verkleinert. Der Magen ist ebenfalls aus mehreren Zellschichten aufgebaut. Aussen Muskelzellschicht, dann Bindegewebeschicht, dann Schleimhaut. Die Magensäure (pH 1-5) aktiviert Verdauungsenzyme und tötet Krankheitserreger. Die Magenschleimhaut enthält v.a. Zellen die proteolytische Enzyme, Säure und Mucine (Proteine mit langen Polysaccharidketten) sekretieren.
Beim Austritt aus dem Magen wird von den Zellen der Bauchspeicheldrüse und der Brunner'schen Drüse Bicarbonat sekretiert -> neutralisiert Säure. Im Dünndarm geschieht die eigentliche Verdauung und die Nahrungsaufnahme. Das Gewebe ist stark gefaltet -> Oberflächenvergrösserung. Die gefaltete Oberfläche besteht aus zusätzlich gefaltetem Gewebe wobei die Berge Zotten und die Täler Krypten heissen. Zusätzlich haben die Zellen an ihrer apikalen Oberfläche Mikrovilli
Die 5 Zelltypen des Darms
Saumzelle (Enterocyt): Absorption von Nahrtung und Enzymsekretion
Becherzelle: Sekretion von Mucus
Panett-Zelle: Sekretion von Enzymen und anti-bakteriellen Proteinen
Enteroendokrine Darmzelle: Hormonsekretion zur Regulation der Verdauung
Der 5. Zelltyp des Darms
Stammzellen sind der 5. Zelltyp des Darms.
Wegen des Darmkrebses ist die Zellerneuerung des Darmepithels durch Stammzellen recht gut studiert. Der Umsatz der gesamten Schleimhaut dauert etwa 3-5 Tage! Die Stammzellen liegen gut geschützt in den Krypten. Amplifikation via Übergangszellen, welche sie schnell, aber limitiert teilen. Durch die Zellteilungen wandern die Zellen nach und nach in Richtung Zottenspitze. Auf dem Weg differenzieren die Zellen. Nicht alle neu generierten Zellen wandern gleich weit. Einige Zellen, beispielsweise die Paneth-Zellen, bleiben in den Krypten und differenzieren da.
Die Zellen der Leber
Die Leber stülpt sich, neben einer Hauptvene, vom Urdarm aus. Sie ist so direkt mit dem Blutstrom aus dem Darmsystem verbunden und verarbeitet die aufgenommene Nahrung weiter. Dabei wird eine riesige Anzahl Substanzen abgebaut, aufgebaut, umgebaut und gespeichert. Die Leber ist so wichtig für den Lipid- und den Kohlenhydratstoffwechsel und sie sekretiert die meisten Blutplasmaproteine.
Alkoholmissbrauch, Überernährung und Medikamente erhöht Anzahl Triacylglyceridtröpfchen in den Leberzellen. Dies führt mit der Zeit zu Entzündungen und in 10% der Fälle zu einer Leberzirrhose. Wir kennen das auch von der Gänseleber. Die Leber besteht vorwiegend aus Hepatocyten, einem Zelltyp der alles kann!
Hepatocyten in der Leber
Hepatocyten sind grosse, polyploide Zellen, die unregelmässig in Platten und Balken angeordnet sind. Die Hohlräume zwischen den Hepatocyten sind Blutgefüllt und werden Sinusoide genannt. Das Blut ist durch eine dünne Schicht poröser "gefensteter" Endothelzellen von den Hepatocyten getrennt. Zusätzlich kleine Kanäle, die Caniculi sind direkt mit dem Darm verbunden. -> Entledigen Abfallstoffe und liefern Galle, die der Fettaufnahme im Darm dient.
Die Spezielle Gabe der Leber
Sie kann die Grösse des Organs auch im adulten Zustand flexibel anpassen. Es kann ein Teil der Leber entfernt werden, welche nach gewisser Zeit wieder nachwächst.
Die Zellen der Lunge
Die Lunge ist ein stark verzweigtes Röhrensystem. Die Röhren enden in mehreren hundert Millionen Luftbläschen, den Alveoli.
Damit die exponierten Zellen nicht austrocknen, aber gleich genug Raum besitzen, damit wieder Luft "refillt" werden kann müssen zwei Zelltypen zusammen arbeiten: Ein Plattenepithel aus dünnen TypI-Alveolus-Epithelzellen bildet die Alveolioberfläche und ist verantwortlich für den Gasaustausch. Dazwischenliegende TypII-Alveolus-Epithelzellen sezernieren eine phospholipidreiche Substanz, das Surfactant. Dies erniedrigt die Oberflächenspannung des Wassers, dies verhindert das Zusammenkleben und Austrocknen.
Das Surfactant wird erst nach dem 5. Schwangerschaftsmonat sezerniert. Früher geborene Embryonen können ihre Lungen noch nicht mit Luft füllen.
Wie filtert die Lunge den Schmutz und die Keime aus?
Ein dickes Respirationsepithel kleidet die grösseren, äusseren Atemwege aus. Darin arbeiten Becherzellen und Cilienzellen zusammen. Die Becherzellen sekretieren Schleim, der Luftpartikel bindet. Cilienzellen transportieren Schleim und Luftpartikel raus. Makrophagen fressen was trotzem in die Alveoli gelangt.
Stündlich werden mehrere Millionen tote, mit Fremdstoffen beladene Makrophagen mit dem Schleim ausgestossen! Endokrine Zellen regulieren Schleimproduktion, Cilienschlagfrequenz und Muskeln zur Atemverengung.
Die Blutzellen
Es bestehen viele verschiedene Blutzellen mit verschiedenen Funktionen. Sie alle werden aus einer Art von endodermalen Stammzellen hergestellt. Die Determinierung geschieht stufenweise. Alle Blutzellen werden im Knochen-mark hergestellt, ausser T-Zellen die erst im Thymus reifen.
Funktion der Extrazellulären Matrix
Verankerung und Polaritätsvorgabe für Zellen, Regeneration
Signaltransduktion in Geweben
Formgebung von Geweben und Organen
Wassergehalt der Gewebe
Elastizität der Gewebe
Zugfestigkeit und Stabilität der Knochen, Sehnen und Bänder
Form, Gestalt und Polarität der Pflanzenzellen
Die Basallamina
Die Basallamina ist ein dünner (40-120nm) aber wichtiger Teil aller Epithelien und einiger nicht-epithaler Gewebe (Beispiel: Muskeln).
Evolutionär konserviert in allen Metazoen (Laminin, Kollagen IV, Nidogen, Perlecan)
Bestimmt Zellpolarität, beeinflusst den Metabolismus, reguliert Zellteilung, -differenzierung und -migration
Modell der Basallamina
Chemische Komponenten der Extrazellulären Matrix
Kollagen I-III: Zugfestigkeit der Gewebe (Fibrillen -> Fasern)
Kollagen IV,VII: Bildet Netzwerke, e.g in Basallamina
Fibrillin/Elastin: Bildet elastische Fibrillen (Beispiel: In Bindegewebe und Knorpel)
Glycosaminoglycane (GAGs): Lange, unverzweigte Polysaccharide, die ein Gel bilden (Druckresistenz)
Proteoglycane: Proteine mit GAGs
Glycosaminoglycane (GAGs) - Heparansulfat
Glycosaminoglycane (GAGs) - Hyaluronsäure
Ubiquintierung
Posttranslationale Modifikation bestimmter Proteine bei Eukaryoten. Besitzt verschiedene Funktionen, Bsp: Selektive Degradation
Cholesterin (Zusammensetzung)
- apolarer Schwanz
- polarer Kopf (OH)
- apolare Steroidringe
Mikrotubuli
Sind aus Alpha- und Beta-Proteinen aufgebaut und brauchen Chaperone für die richtige Faltung und Zusammensetzung. Beta-Tubuli kann GTP hydrolisieren, Alpha nicht. Es entsteht eine Krümmung bei der Bildung des Tubulus. Sie sind polar -> Das Beta-Ende ist positiv (wächst hauptsächlich hier, kann aber auch am minus-Ende wachsen.)
- Dynamische Stabilität -> Wachsen und schrumpfen fast gleichzeitig
- Dient zum intrazellulären Transport mit Motorproteinen
Auf ihnen findet der Transport der
Chaperone
Protein welches bei der Faltung der Proteine extern mithilft.
Aktinfilamente
Besteht aus Aktin, welches ATP bindet (G-Aktin). Diese binden aneinander und bilden ein F-Aktin.
- Das Plus-Ende wächst schnell, während das Minus-Ende sehr langsam wächst.
-> Dynamisches Gleichgewicht: ATP wird mit der Zeit hydrolisiert -> Filament wird labil und fällt auseinander -> am Plus-Ende wird weiterhin Aktin mit ATP angebunden.
Intermediärfilamente
Organisieren sich ohne Hilfe von ATP -> Besitzen eine Doppelwendel.
- Polypeptide welche ein NH3 und COOH Ende besitzen und sich immer zu zweit parallel anordnen.
Transmembranproteine und Periphere Membranproteine
Lipidanker
Bindet das Protein peripher an die Membran.
DNA Replikation
DNA -> DNA
- Bestandteil des Central Dogma und wird in der Vermehrung von Zellen (Mitose) gebraucht, um das Genmaterial zu replizieren.
Was haben alle Zellen gemeinsam?
- Alle Zellen speichern ihre Erbinformation im gleichen, linearen, chemischen Code
Desoxyribonukleinsäure (DNS/DNA)
- Alle Zellen replizieren ihre Erbinformation durch matrizengesteuerte Polymerisation
- Alle Zellen transkribieren Teile ihrer Erbinformation in die gleiche Zwischenform
Ribonukleinsäure (RNS/RNA)
- Alle Zellen übersetzen RNA auf die gleiche Weise in Protein
- Alle Zellen verwenden Proteine als Katalysatoren
- Alle Zellen arbeiten als (bio)chemische Fabriken, die die gleichen Grundbausteine
handhaben
- Alle Zellen sind von einer Plasmamembran umgeben durch die Nährstoffe und
Abfallstoffe passieren
- Alle Zellen haben Gene, die Abschnitte der Erbinformation, die jeweils einem Protein
entsprechen (zum leben braucht es weniger als 500 Gene!)
- Alle Zellen brauchen (viel) freie Energie
Wieso braucht es Kompartimente in den eukaryotischen Zellen?
Kompartimente ermöglichen die intrazelluläre Arbeitsteilung. Dies ermöglicht eine enorme Differenzierung und Leistungssteigerung. Kompartimentierung ist Voraussetzung für die Entstehung komplexer,
differenzierter Organismen.
Typische Kompartimente einer Eukaryotenzelle
Cytoplasma
Zellkern (Nukleus)
Nukleolus
Golgi Apparat
Centrosom (nur tierische
Zellen und niedere Pflanzen)
Endoplasmatisches Reticulum
Verschiedenste Vesikelarten
Mitochondrien
Zilien/Microvilli
Vakuolen (Pflanzen, Pilze)
Plastiden (Pflanzen)
Was sind Organellen?
Intrazelluläre, membranumhüllte Kompartimente. Sie besitzen eine bestimmte Struktur und Funktion.
Weitere Komponenten der einer typischen Eukaryotenzelle?
Zytoskelett (Aktin, Mikrotubuli, Intermediärfilamente)
Zentriolen
Spindelpolkörper (Pilze)
Extrazelluläre Matrix (Tierische Zellen)
Zellwand (Pflanzen und Pilze)
Chromosomen/DNA
RNA
Lipide
verschiedenste Proteine/
Proteinkomplexe (z.B. Ribosomen)
Nährstoffe/Mineralien/Salze
Wasser!
Eigenschaften von Wasser
- In festem Zustand leichter als in flüssigem
- Netzwerk von Wasser extrem dynamisch
- Es ist polar
- Ionen lösen sich in Wasser
Organische Moleküle in der Zelle
Bausteine:
- Zucker -> Polysaccharide
- Nukleotide -> Nukleinsäuren DNA/RNA
- Aminosäuren -> Proteine
- Lipide/Fettsäuren -> Fette/Membranen
Oligosaccharide
Kurze Zuckerketten welche meist an andere Biomoleküle (Proteine, Lipide) angehängt werden. Dies ist wichtig für die Zell-Zell-Erkennung. Wichtig für die Zell-Zell-Erkennung, wird aber auch von Viren missbraucht.
- Beispiel: Blutgruppensystem (A und B-Typen exprimieren verschiedene Glycosyltransferasen welche die Zuckeranhängsel Proteinen verschieden modifizieren. Das Immunsystem bekämpft uinbekannte Zuckeranhängsel.
Polysaccharide
Lange Zuckerketten.In tierischen und Pilzen als Glykogen bezeichnet (Pflanze: Stärke -> andere Verzweigung). Glykogen wird in den Muskel- und Leberzellen gespeichert.
Lange Zuckerketten -> Kohlenhydrate
Kohlenhydrate
- Lange Zuckerketten welche als natürliches Produkt in der Photosynthese hergestellt werden. Die Ketten (Disaccharide, Oligosaccharide, Stärke) werden bei der Verdauung in Monosaccharide zerteilt.
- Sie sind der Hauptlieferant der meisten Zellen, weil sie anaerob über die Glycolyse abgebaut werden können. Das Endprodukt (Pyruvat) wird dann noch in den Mitochondrien durch Oxidierung noch in 15x Energie verwertet.
Nucleotide als Energielieferanten
ATP -> Adenosintriphosphat, entsteht in der Glycolyse und Oxidation
GTP -> Guanintriphosphat, entsteht während dem Citratzyklus
- Sie binden nicht kovalent an ihre Zielenzyme und generieren durch Abostossung eines Phosphates Energie. (Hydrolyse)
- Die Anhydridbindungen bei den Triphosphaten zwischen den Phosphaten kann sehr leicht hydrolisiert werden und generiert viel Energie.
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Cartes-fiches
Funktionen des Cytoskeletts
Es ist sehr dynamisch und dient als:
Transportweg
Kraftgenerator
Kraftsensor
Stabilisator
Baugerüst
Baustein
Zellformgeber
Signaltransduktion
Aufbau der Filamente
Die Filamente sind aus 1-2 kleinen Proteineinheiten aufgebaut.
Sie lagern sich nicht kovalent, sondern mit Hilfe vieler hydrophober Wechselwirkungen linear und auch seitlich aneinander. Die seitliche Anlagerung dient zur Stabilität, da thermische Kräfte die rein linearen Protofilamente zebrechen würden.
Actin
Actin ist eines der konserviertesten Proteine der Zellen.
Es braucht Chaperone zur korrekten Faltung, so stellt die Zelle sicher, dass keine falschen Moleküle im Umlauf sind.
Individuelle Actin Moleküle (G-Actin) polymerisierien nur zu Filamenten (F-Actin) wenn sie ATP gebunden haben, weil ATP die Konformation des G-Actin und damit die Bindungskonstante k(on) verändert und Energie liefert.
Actin besitzt ein + und - Ende, womit die Filamente polar sind.
Actin Polymerisierung
Bei der Polymerisierung holt sich das Ende eines ATP gebundenen F-Actins ein vorbeischwimmendes G-Actin.
Gleichzeitig werden aber auch seitliche, laterale Verbindungen eingegangen so, dass immer ein Doppelstrang entsteht.
Die Struktur des Actins bestimmt die Natur der lateralen Bindung so, dass der Doppelstrang zu eienr Helix verzwirnt.
F-Actin Dynamik
Actin ist eine ATPase
G-Actin hydrolysiert ATP langsam, F-Actin hydrolysiert ATP schnell. Folge: Hydrolysierte Einheiten sind weniger stabil gebunden vor allem die beiden am -Ende haben ein Problem.
Es kann auch ein neues ATP-Actin am -Ende binden. Das ist strukturell weniger günstig. Es fallen hinten eher Einheiten weg. -> Treadmilling (Tretmühlenmechanismus)
Beim +-Ende entsteht eine ATP-Kappe.
F-Actin Keimbildung
Die Untereinheit bilden spontan kleine, instabile Aggregate.
Ab einer bestimmten Grösse sind die Aggregate stabil genug um als Keime für die Polymerisierung eines Filaments zu dienen.
In vitro: Bedingungen müssen stimmen
Polymerisierung läuft bis ein Gleichgewicht erreicht wird - die kritische Konzentration. -> Es ist nicht mehr genug freies G-Actin da um Wachstum zu ermöglichen. Die F-Actine müssen dann länger suchen -> Wachstumsgeschwindigkeit langsamer als Hydrolysegeschwindigkeit.
F-Actin in der Zelle
Actin ist eines der häufigsten Proteine in der Zelle.
Actinfilamente bedecken die Zellmembraninnenseite der meisten tierischen Zellen und bilden so eine mechanisch stabilisierende Hülle, den Actin Cortex (Zellrinde)
Mikrotubuli
Mikrotubuli werden aus zwei Untereinheiten gebaut, die fast identisch sind.
Die Alpha- und Beta-Tubulin brauchen Chaperone (Co-Faktoren) zum richtigen falten und zu ihrer Dimerisierung.
Alpha/Beta-Tubulindimere polymerisieren nur zu Protofilamenten wenn beide ein GTP gebunden haben. Beta-Tubulin kann GTP hydrolysieren, Alpha-Tubulin kann dies nicht.
Auch Mikrotubuli sind polar wobei das Beta-Tubulin Ende das +Ende ist.
Mikrotubuli aus reinem Tubulin wachsen auch am -Ende. (Hydrolisiertes Tubulin destabilisiert die Struktur.
- Ein Alpha-Tubulin kann sich leichter an ein GDP-Betatubulin binden. Eine GTP-Betatubulin hat mehr Mühe sich an ein GTP-Alphatubulin zu binden. Deswegen wächst das Plus-Ende des schneller als das Minus-Ende.)
Mikrotubuli Polymerisierung
Wie beim Actin formen auch Tubulindimere bei der Polymerisierung lineare Protofilamente die lateral aneinander binden, allerdings auf zwei Arten:
B-Gitter (stabil)
A-Gitter (weniger stabil)
Sie sind so gleich, dass beide Anordnungen möglich sind. Die laterale Anordnung ist leicht gekrümmt und deswegen Röhrchenförmige Gebilde entstehen.
Mikrotubuli Polymerisierung
Die laterale Bindung der Tubulindimere ist leicht gekrümmt so, dass sich mehrere Protofilamente zu einem Tubus aufrollen.
Wie wachsen Mikrotubuli?
Mikrotubuli wachsen Blattförmig. Der Tubus ist erst mit dem Verschluss der Gitternaht vollendet. Beta-Tubulin ist eine GTPase (Alpha-Tubulin nicht!)
Im Protofilament hydrolysiert Beta-Tubulin sein GTP effizient zu GDP -> Konformationsänderung -> noch stärkere Krümmung des Protofilaments nach aussen.
Stabilisierende GTP-Tubulin Kappe und laterale Bindungen halte Mikrotubulus.
Mikrotubuli aus reinem Tubulin haben auch am wachsenden -Ende eine GTP-Kappe.
Wachstum stoppt bei kritischer Konzentration.
Dynamische Instabilität
Mikrotubuli weisen kein Tretmühlenverhalten auf. Stattdessen zeigen beide Enden, wenn sie frei sind, dynamische Instabilität
Übergänge von Wachstum zu Schrumpfen und umgekehrt heissen Katastrophe und Rettung
Mechanische Eigenschaften Actinfilamente
Sie sind relativ flexibel und elastisch (Persistenzlänge wenige zehntel Mikrometer)
Mechanische Eigenschaften Mikrotubuli
Sie sind steifer als Actin Filamente (Persistenzlänge mehrere mm), brechen aber leichter wenn Kräfte zu gross werden. Bei zu grossem Druck brechen sie wie Skistöcke und depolymerisieren an der Bruchstelle.
-> Wegen der Steifheit enthalten die langen Axone Mikrotubuli.
Mikrotubuli in Medizin
Wichtig in der Krebsbekämpfung, da sie zuständig für die Zellvermehrung sind. (Beispiel: Taxol, Nocadazole)
Die meisten Viren missbrauchen die Mikrotubuli für ihre Zwecke, indem sie die Mikrotubuli benutzen um von A nach B zu kommen.
Wo kommen Intermediärfilamente vor?
Vor allem in tierischen Zellen und vor allem im Zusammenhang mit mechanischer Belastung.
Aufbau der Intermediärfilamente
Die Untereinheiten der Intermediärfilamente zeigen eine sehr hohe Diversität. (Grösse, Proteinsequenz etc.)
Die Strukturelle Gemeinsamkeit ist eine Supersekundärstruktur, die zentrale Doppelwendel (coiled coil). Sie besitzen auch viele verschiedene variable Enden.
Wie bauen sich die Intermediärfilamentproteine zusammen? Und was brauchen sie dafür?
Die Intermediärfilamentproteine organisieren sich selbst zu Filamenten. Dazu brauchen sie weder ATP noch GTP aber hydrophobe Wechselwirkungen!
Ein Monomer besitzt ein +-(NH2) und ein --Ende (COOH).
Ein Dimer besteht aus zwei Monomeren die sich parallel angeordnet haben.
Ein Tetramer besteht aus antiparallelen Dimeren, sie sind die lösliche Grundeinheit. Diese Tetramere können sich Kopf an Kopf verbinden.
Acht Tetramere verbinden sich lateral und rollen sich zu einem Filament auf. Teilweise können sich Filamente noch weiter zu beispielsweise Neurofilamenten bündeln. Da sich die Tetramere antiparallel lagern, heben sich ihre Enden gegenseitig auf, somit besteht keine Polarität.
Eigenschaften von Intermediärfilamenten
Intermediärfilamente sind deutlich weniger dynamisch als Mikrotubuli oder Actin, aber sie sind nicht fix.
Sie haben einen langsamen Umsatz und haben mechanische Aufgaben als Anker und Stütze. -> Verdienen am ehesten den Namen Cytoskelett. Ihre Bauart macht sie extrem flexibel und zäh (seilartig)
Einteilung von Intermediärfilamenten
Intermediärfilamente werden nach verschiedensten Kriterien, aber noch sehr uneinheitlich kategorisiert..
Im Alberts:
Epitheliale
Vimentinartige
Neuronale
Nukleäre
Kernlamine
Lamine sind die am meisten verbreiteten Intermediärfilamente und daher wohl die ursprünglichsten.
Sie bilden die Lamina, eine innere Auskleidung der Zellkernmembran. Das Laminnetzwerk verleiht dem Zellkern Festigkeit und dient als Anker für Proteine und DNA.
Mutationen in den Lamingenen verursachen verschiedenste Gebrechen die als Laminopathien zusammengefasst werden.
Keratine
Keratine sind die variabelsten Intermediärfilamente. Unsere Hautzellen produzieren bis zu 20 verschiedene Keratine.
Keratine bestehen aus jeweils einem sauren und einem basischen Keratin (Heterodimer). Keratinfilamente werden durch kovalente Disulfidbindungen quervernetzt was entscheidend für ihre Robustheit ist. (Sie überstehen sogar den Zelltod).
Defekte Keratine verursachen gleich mehrere Erbkrankheiten.
Neurofilamente
Neurofilamente kleiden die Innenseite der Axonmembran aus. Darum können die Axone meterlang werden. Die Menge an produzierten Neurofilamentproteinen bestimmt wahrscheinlich die dicke und somit die Leitfähigkeit der Axone.
Die Organisation des Cytoskeletts
Um die Vielfalt an Cytoskelettverteilungen die in Zellen auftreten zu ermöglichen, benutzt die Zelle viele verschiedene Werkzeuge. Sogar innerhalb der Zelle gibt es Variationen. Je nachdem, in welchem Stadium eine Zelle ist, braucht sie andere Werkzeuge. DIe Kontrolle des Cytoskeletts geschieht durch chemische Modifikation der Filamente oder mit Hilfe von Proteinen die mit dem Cytoskelett (Filament oder Bausteine) assoziieren.
Beispiel: Mikrotubuli in wachsenden Neuronen:
Actinfilamente in vivo
In der Zelle sind Actinfilamente meistens gebündelt oder in einem Netzwerk.
Zellwerk muss Nukleatoren an verschiedene Orte transportieren, welche verschiedene Filamente produzieren muss.
Die Kontrolle der Actinpolymerisierung
Die Zelle besitzt viele Möglichkeiten die Lokalisierung und das Wachstum der Actinfilamente zu kontrollieren.
Profilin und Thymosin kontrollieren den G-Actin Pool und sind dabei Konkurrenten. Profilin bindet so dass Actin nur noch am +Ende binden kann, Thymosin verhindert jegliche Bindung.
Eine der wichtigsten Kontrollfunktionen der Actinpolymerisierung
Die Lokalisierung der Keimbildung. Keimbildung durch den Actin-Related-Protein (Arp) 2/3 Komplex. der Arp2/3 Komplex simuliert ein freies F-Actin Ende.
Er braucht Aktivierung durch NPFs (Nucleation Promoting Factors) welche den Komplex lokalisieren, und er funktioniert am besten wenn er seitliche an ein existierendes Actinfilament gebunden ist. -> So entstehen verzweigte F-Actin Netzwerke.
https://www.youtube.com/watch?v=d_uWtjyNb-Y
Keimbildung und Elongation bei der Actinpolymerisierung
Keimbildung und Elongation durch Formine -> F-Actin Filamente. Bei der Keimbildung stabilisieren Formindimere ein Actindimer was ein F-Actin-Ende vorgaukelt.
Gewisse Formine besitzen auch Hilfsarme ("Schnurrhaare")
Bündelung oder Vernetzung nach der Actinfilamentbildung
Actinfilamente werden nach der Bildung oft durch weitere Proteine gebündelt oder vernetzt.
Zudem gibt es Proteine die sie an Membranen anhaften. Actinfilamente werden manchmal auch Phosphoryliert, Acetyliert etc.
Kontrolle der Mikrotubulipolymerisierung
Die Zelle besitzt viele Möglichkeiten um Lokalisierung und das Wachstum der Mikrotubuli zu kontrollieren. Zentral sind die Kontrolle der Keimbildung und die Kontrolle der Katastrophe.
Die Kontrolle der Mikrotubulikeimbildung
Die meisten Zellen besitzen Mikrotubuli organisierende Zentren (MTOCs). In den MTOCs finden sich der r-Tubulinringkomplex (r-TuRC). r-Tubulin ist eine Tubulinvariante die im Komplex mit anderen Proteinen ein bestehendes Mikrotubuliende simulieren kann. Gleichzeitig stabilisiert der r-TuRC das -Ende. Die Konsequenz davon ist, dass +Enden wachsen von MTOC aus. Die ist beispielsweise für den gerichteten Transport extrem wichtig!
Wo befinden sich die r-TuRCs?
Die r-TuRCs sind oft im Centrosom konzentriert (v.a. in kultivierten Zellen). Aber im lebenden Organismus wachsen Mikrotubuli wohl in den meisten Zellen von anderen Orten. Zudem gibt es auch im Centrosom Mikrotubuli mit freiem und deshalb wohl dynamischem -Ende
Kontrolle der Mikrotubulikatastrophe
Die wachsenden Mikrotubulienden sind in vivo meist an viele Proteine gebunden, die wie Formine am +Ende binden. Die meisten dieser Proteine laufen aber nicht wie die Formine mit sondern erkennen die GTP-Tubulinkappe an die sie kurz binden. Da sich die Kappe verschiebt scheinen sich auch die +TIPs zu verschieben. Die meisten +TIPs verhindern die Katastrophe und fördern gleichzeitig das Wachstum.
Ausnahme: Kinesin13 löst Katastrophen aus indem es die Protofilamente nach aussen zieht.
Bündelung der Mikrotubuli
Nach der Bildung werden Mikrotubuli durch weitere Proteine gebündelt. Zudem werden sie mit anderen Zellstrukturen verbunden (Beispielsweise Intermediärfilamente und Actinfilamente.)
Auch Mikrotubuli, v.a. die stabilen werden chemisch modifiziert (phosphorylierung etc.)
IFaPs
Intermediärfilament-assoziierte Proteine (IFaPs)
Was für Actin und Mikrotubuli gilt, gilt z.T. auch für Intermediärfilamente. Die Filamente aggregieren zwar spontan aber meist sind Hilfsproteine da, die dies unterstützen und Intermediärfilamente auch mit anderen Zellstrukturen verbinden.
Beispiel: Filaggrin verbindent Filamente untereinander. Plectin verbindet Filamente untereinander, mit Actinfilamente, mit Mikrotubuli und mit Proteinen der Membranen. Plectinmutationen verursachen Blasenbildung der Haut, Herz- und Skelettmuskeldefekte.
Motorproteine
Motorproteine können an den Cytoskelettfilamenten entlanglaufen. Dabei verbrauchen sie bei jedem Schritt ein ATP. Es gibt sie für Actin und Mikrotubuli, nicht aber für Intermediärfilamente. Weil die Intermediärfilamente nicht polar sind (Polarität hebt sich gegenseitig auf) ist keine Richtung für die Proteine da.
Kinesin Motorproteinfamilie
Kinesine sind Mikrotubulimotoren. Es bestehen sehr viele Varianten und sehr viele verschiedene Aufgaben. Einige bewegen sich Richtung + und andere Richtung -Ende. Die meisten Kinesine laufen als Dimere (Doppelwendel). Mono- und Tetramere Kinesine kommen vor. Kinesine können aus mehreren Untereinheiten bestehen.
Der Kinesinmarsch
ATP-Kinesin bindet fest an die Mikrotubuli, ADP-Kinesin nur schwach. Der Krafterzeugende Schritt ist der Austausch von ADP mit ATP. Über 100 Schritte pro Sekunde sind möglich. Die Schritte betragen ca. jeweils 8nm.
Dynein
Dynein ist ein grosser Mikrotubulimotorkomplex der Richtung -Ende läuft. Dyneine sind die grössten und schnellsten Motoren (14 Mikrometer/sec). Cytoplasmatisches Dynein hat zwei gekoppelte Motordomänen (A) und funktioniert oft in Verbindung mit dem Dynactinkomplex (B). Die Dyneine des Axonems in Cilien und Flagellen habis bis zu drei Motordomänen.
Der Dyneinmarsch
Dynein bindet in der Nucleotidfreien Form am stärksten an die Mikrotubuli und wird von ATP freigesetzt. Der Krafterzeugende Schritt ist die gleichzeitige Freigabe von ADP und Phosphat. Der Schritt macht ebenfalls 8nm,
