11 MZB II - Greber

Viele zelluläre Faktoren regulieren die Actin-Dynamik, z.B.
• eine Protein-Kappe am Plus und/oder Minus Ende
• Monomere Untereinheiten bindende Proteine
• Polymer bindende Proteine mit Filament-stabilisierender oder schneidender Wirkung

‘Fluss’ der Untereinheiten durch das Polymer = Treadmilling

• Zwei verschiedene Reaktionen an den Polymer-Enden
• Verschiedene kritische Konzentrationen Cc (- end) > Cc (+ end)

➜ Netto Assembly an den Plus Enden
➜ Netto Disassembly an den Minus Enden

-> Nota bene: Gleiches Funktionsprinzip gilt für Tubulin

■ Muskel Kontraktion
■ Kontraktile Aktivität in Nicht-Muskelzellen
■ Zytokinese
■ Intrazelluläre Organisation, Ausstülpung von Actinfilamenten, retrograder Actinfluss
■ Vesikel & Organelltransport
■ Myosin 6, 7A, 15 – im Innenohr:
  ◆ Mutationen in Maus -> Taubheit

• Myosin II: konventionell, Muskel und nicht-Muskelzellen
• Myosin I (einköpfig): erstes nicht-konventionelles Myosin

• Heute: mehr als 15 Klassen von Myosinen (Numerierung in der Reihenfolge ihrer Entdeckung)

• Laufen auf F-Actin vom Minus zum Plus-Ende: Ausnahme Myosin 6

Myosin-II ist ein dimeres Motorprotein in eukaryotischen Zellen. Es kommt im Sarkomer der Skelettmuskulatur vor und ist unabdingbar für die Muskelkontraktion.

Myosin II: Dickes Filament (das einzige Myosin, das Filamente bildet)

Das globuläre Troponin ist ein Eiweißbaustein des Aktinfilaments und dient (zusammen mit demTropomyosin) als Regulatorprotein.

Ca++ Bindung von Troponin bewirkt, dass Tropomyosin die Aktinbindungsstellen für Myosinbindung frei gibt.

Arp2/3 Komplex

7 Untereinheiten, unter anderem Actin-related Proteins 2 & 3. Stimuliert die Actin-Polymerisation (eliminiert die Lag-Phase). Bindet an die Minus-Enden und die Seiten -> Verzweigungen

-> Dieser Arp2/3 Komplex bilden die Basis für die Anlagerung von Aktin Molekülen und eine darauf folgende Elongation.

Thymosin β4
Bindet 1:1 - puffert alles G-Actin ab und verhindert die Polymerisation

Profilin
Bindet 1:1 - puffert rund 20% des gesamten Actins Stimuliert Nukleotidaustausch und Polymerisation Bindet an die Plasmamembran und verschiedene Proteine Stimuliert Wachstum des F-Actins

ADF/cofilin (Actin depolymerizing factor)
Bindet G- und F-Actin
Beschleunigt Debranching & Schneiden von F-Aktin
Erhöht die Geschwindigkeit des Aktinfilament-Turnovers
-> wichtiger Regulator der Zellmigration
(ADF/cofilin is a family of actin-binding proteins which disassembles actin filaments(

Capping Faktoren:
• stabilisieren oder destabilisieren die Filamente
• verhindern die Elongation
• CapZ am Plus Ende
• Tropomodulin am Minus Ende

1. Vorwärtsschieben
2. Verankerung
3. Vorwärtsbewegung
4. Rückzug des Schwanzes

• Seil-artige Filamente, Durchmesser 10nm zwischen Aktin (=thin filaments) und Myosin (=thick filaments)

• Sehr stabil, oft parallel zu den Mikrotubuli

• Sehr divergent, mehr als 50 verschiedene Gene im Menschen

• Prominent in Zellen, die mechanischen Belastungen ausgesetzt sind: Epidermis, Neuronen: <85% des Totalproteins!

• IF sind zum Teil redundant, z.B. Vimentin knock out Maus ist phänotypisch normal

s.B.

1) Vimentin-artige:
  Zelltyp spezifisch
2) Keratine:
  In Epithelzellen und Derivaten (Haare, Nägel, 40-70 kDa)
  -stets aus Typ I/Typ II-Heterodimeren; Typ I (sauer), Typ II (neutral/basisch)
3) Neuronale IF:
  In Neuronen
4) Nukleäre Lamine:
  Ubiquitär, A,B,C (65-75kDa)

Das Gleichgewicht der IF Proteine ist auf Seite des Polymers

• Im Gleichgewicht: nur 1~5% der Proteine löslich

• Löslichkeit korreliert mit der Umbaurate:
t1/2 ~20-180 min (Zytokeratine - Lamine)

• Relative Löslichkeit: Typ V < Typ III < Typ IV, I, II

Definition: IFAP = Intermediate Filament assoziiertes Protein

IF & Mikrotubuli sind oft verbunden, zB über IFAP Plectin

Keratinmutationen - Epidermolysis bullosa simplex

Keratin K14-/- (Maus/Mensch): Bindungspartner K5 unstabil -> keine Filamente ‘Dominant-negative’ Effekte von Keratinmutationen

Mechanische Belastung des Epithels: -> Ablösung der Epidermis

-> Oft ist es besser, keine IFs zu haben als 05.04.2016 aggregierte oder schlecht verankerte Filamente Zellbiologie für angehende Mediziner, Greber

"Als Lamin wird ein Intermediärfilament vom Typ V bezeichnet. Sie sind in allen eukaryontischen Zellkernen zu finden."

Stabilisierung der inneren & äusseren Kernmembran

Die Lamina ist ein Proteinnetzwerk
Relativ undynamisch (t1/2 > 3h)

Gestörte proteolytische Prozessierung von Pre-LaminA -> HGPS

Genetische Krankheit 1:8,000,000

- Genomische Instabilität
- Defekte mechanische Kernstabilität

Phänotypische Syndrome:

•Haarausfall
•zerknitterte Haut
•Verlust von Unterhautfett
•Gestörte Zahnentwicklung & verfrühter Zahnausfall
•Kurzwüchsigkeit (ca 100 cm) •Arteriosklerose
•Osteoporose
•Hüftluxationen
•Frühzeitiger Tod (Durchschn 14 Jahre) •Häufige Herzschläge & Hirnblutungen

Ein Mikrotubulus aus 13 Protofilamenten & α/β-Tubulin

Dimere der Protofilamente sind Kopf-Schwanz geordnet
  -> polarisierte Struktur

Protofilamente assoziieren lateral: Mikrotubulus
(+) Ende : wächst schnell
(-) Ende : oft im MT organisierenden Zentrum wächst langsam

1. Zellformänderungen durch regulierte Aktivität Actin-bindender Proteine (s.B.)

2. Fragmentierung von Megakaryozyten
• Vorläuferzellen von Blutplättchen (platelets)
• Chemische Signale von verletztem Gewebe
  -> Platelet Bildung -> Blutgerinnung
Positiver Feedback Loop durch Platelet Zytokine -> Blutverklumpung

1. Vorwärtsschieben
2. Verankerung
3. Vorwärtsbewegung
4. Rückzug des Schwanzes

S.B.

(Jedes Aktinfilament besitzt ein (+)-Ende und ein (-)-Ende. ATP-Aktin bindet bevorzugt am (+)-Ende und das Filament wächst an diesem Ende. Das ATP wird in der Folge zu ADP hydrolysiert, wodurch die Bindungsstärke zu den benachbarten Aktinen nachlässt. Am (-)-Ende läuft die Hydrolyse von ATP zu ADP schneller als die Anlagerung eines neuen ATP-Aktins ab, sodass ADP-Aktin dissoziiert und das Filament von dieser Seite verkürzt wird. Aktinmonomere binden aber ATP stärker als ADP, tauschen damit das Nukleotid aus und können wieder am (+)-Ende eingefügt werden. Dieser schnelle Kreislauf ist für die Zellbewegungen wichtig und wird als Treadmilling bezeichnet)

Die zelluläre Konzentration von freiem Tubulin ist 15 μM, rund 50% des Totaltubulins. Das ist nicht genug für spontanes MT Assembly.

Es braucht dazu einen Nukleator, das MT organisierende Zentrum “MTOC”, in den meisten Zellen = Zentrosom.

Das Zentrosom besteht aus verschiedenen Proteinen und hat neben der MT Nukleation und Stabilisation auch Zellzyklus-spezifische Aufgaben. 

Generelle Orientierung der MT: MT (-) Enden am MTOC, (+) Enden gegen aussen

β-Tubulin GTP hydrolysiert zu GDP und freiem P im MT
-> kurzlebige GTP:Tubulinkappe am Plus Ende

s.B.

Mikrotubuli-aktive Wirkstoffe ändern MT Anzahl oder Dynamik

depolymerisierend:
❀ Colchicin
  ◆ aus der Herbstzeitlose (Colchicum autumnale)
✇ Nocodazol
  ◆ Benzimidazole-Derivat
stabilisierend:
❀ Taxol
  ◆ aus der Eibe (Taxus)

• In Neuronen laufen Kinesine mit Neurotransmittoren gefüllten Vesikeln vom Zellkörper in die Axonenden.
• In den Lungen binden die mukoziliären Transporter und in den Spermien die Dyneine an die Mikrotubuli der Zilien respektive Flagellen und ermöglichen Krümmung und koordiniertes Schlagen.
• In der Mitose helfen Kinesine & Dyneine beim Spindelaufbau, dem korrekten Ausrichten der Chromosomen und der Zytokinese.
• Dyneine lenken die migrierende Zelle. Sie bewegen sich zum vorderen Ende der Zelle und ziehen die Mikrotubuli in bestimmte Richtungen.

-> Essenz: Jeder Zelltyp besitzt seinen eigenen Satz von Motoren

Mikrotubuli-basierte Motoren

Kinesine:
>10 Hauptfamilien
>45 Mitglieder
Oft mit spezialisierten Funktionen
  Organellentransport
  mitotische Spindel
  intrazelluläre Signalübertragung
Variable Eigenschaften
  schnelle oder langsam
  hoch prozessiv oder wenig prozessiv

Kinesin 1 (konventionelles Kinesin): läuft zum Plus Ende

1. diffundierendes Suchen nach einer Bindungsstelle auf dem Filament.
2. schwache Bindung.
3. starke Bindung.
4. konformationelle Aenderung.
5. Ablösung vom Filament.

Mikrotubuli-basierte Motoren

Läuft zum Minus-Ende

-Zytoplasmatische Hauptform mit multiplen Funktionen
  wenig prozessiv
  oft Ensemble mehrerer Dyneine
Aufbau:
-500 kD schwere dimere Kette, bindet MT und mehrere ATPs

Zilien, oder auch Kinozilien, sind bis zu 10 µm lange und 0,25 µm breite, frei bewegliche Zellfortsätze
Die Funktion der Zilien besteht im Transport von Flüssigkeits- und Schleimfilmen. Alle Kinozilien schlagen koordiniert hintereinander, so dass ein gleichmäßiger Flimmerstrom entsteht

Zilien sind uralte Strukturen, vorhanden in den ältesten Eukaryoten.
■
Die meisten differenzierten eukaryotischen Zellen haben ein nicht motiles Zilium, teilende Zellen haben keine Zilien.
■
Nicht-motile (primäre) Zilien haben sensorische Funktionen

Zilien haben kein eigenes Genom & werden de novo gebildet

Axonem: strukturelles Gerüst des Ziliums (ohne Membran & lösliches Material), 2 singuläre Mikrotubuli, umgeben von 9 Doppelmikrotubuli

Basalkörper: spezialisiertes Zentriol mit 9x3 Mikrotubuli in perizentriolärem Material. Notwendig für Aufbau von F.

ACHTUNG: Bakterien haben Flagellin, kein Tubulin

Flagellares Dynein bewirkt Beugung von Flagellen

Zilienbeugung initiiert Signalübertragungsprozesse & bewirkt Strömung von extrazellulärer Flüssigkeit: zB Spermienbewegung, Mucusbewegung in Lunge

Dynein bewirkt Beugung der Zilien / Flagellen

Dyneinmotoren üben Kraft auf die Doppelmikrotubuli aus. Das Gleiten der Doppelmikrotubuli wird durch flexible Proteinverbindungen verhindert. Es entstehen Beugebewegungen des Flagellums.

Das Zentrosom ist ein Zellorganell, das eine zentrale Rolle bei der Organisation des Zytoskeletts und der Zellteilung spielt.

Das Zentrosom besteht aus einem Zentriolenpaar, ähnlich wie der Basalkörper eines Flagellums

Das Zentriol ist ein in der Nähe des Zellkerns befindliches, aus Mikrotubuli bestehendes Organelltierischer Zellen.

Zentriolen sind zu zweit als sogenanntes Diplosom organisiert. Das Diplosom ist umgeben von einer dem Cytoplasma gegenüber dichteren Matrix, dem Zentroplasma. Die Einheit aus Zentroplasma und Diplosom wird als Zentrosom bezeichnet.