Das Cytoskelett
Allgemeines
Zellen müssen korrekt geformt, physikalisch robust und richtig strukturiert (im Innern) sein. Manche müssen ihre Form ändern können und sich bewegen können. Alle müssen fähig sein sich zu teilen und die inneren Kompartemente zu rearrangieren. All diese Funktionen hängen won einem System von Filamenten, dem Cytoskelett ab.
3 Haupttypen von Filamenten:
Intermediäre Filamente: geben mechanische kraft und Resistenz; sind stäbchenartige Fasern, Durchmesser ca. 10nm
Microtubuli: bestimmen die Position der membranumschlossenen Organellen und dirigieren intrazellulären Transport; sind lange, hohle Zylinder aus Tubulin, Durchmesser ca. 25nm
Actin Filamente: geben der Zelleoberfläche die Form und sind nötig für die Zellbewegungen; sind zweisträngige rechthändige helicale Polymere, lineare Bündel, Durchmesser ca. 5-9nm
Nur die Filamente allein wären nutzlos. Es wird ein Zusammenspiel von den Filamenten mit accessory proteins benötigt.
Self-Assembly und dynamische Struktur von cytoskelettalen Filamenten
Allgemeines
Die cytoskeletalen Strukturen werden gebildet von repetitiven Ansammlungen von kleinen Untereinheiten. Alle drei Filamente bestehen aus helicalen Zusammensetzungen von Untereinheiten, die selbst-assoziieren in dem sie eine Kombination von End-End und Seite-Seite Proteinkontakte benutzen. Die Polymere werden durch schwache nicht-kovalente Wechselwirkungen zusammengehalten.
Accessory proteins bringen cytoskeletale Strukturen unter die Kontrolle von extrazellulären und intrazellulären Signalen.
Die Polymere bestehen aus multiple Protofilamenten (lange lineare Aneinanderreihungen von Untereinheiten die End-End gekoppelt sind), die lateral miteinander verknüpft sind.
Nuleantion
(= limitierender Schritt in Polymerformation der Cytoskelttfilamente)
kleine Aggregate sind sehr insil und bilden eine kinetische Barriere zur Polymerisation. Wenn sich das System im Gleichgewicht befindet, bedeutet das, dass die Dissoziation von Untereinheiten deren Addition genau ausbalanciert. Die Konzentration der freien Untereinheiten in Lösung an diesem Punkt wird als kritische Konzentration bezeichnet, Cc = koff/kon.
Die Untereinheiten von Actin und Microtubuli sind beide Enzyme, die fähig sind Nucleosidtriphosphate zu hydrolysieren. Das dabei entstehende Nucleosiddiphosphat bleibt in der Untereinheit gefangen.
Aufbau der Microtubuli
Die Microbubuli bestehen aus dem Protein Tubulin (= Untereinheit der Microtubule). Tubulin selber besteht wieder um aus zwei Untereinheiten, dem α-Tubulin und dem β-Tubulin. α- und β-Tubulin besitzen bindungsstellen für ein Molekül GTP. Das GTP in der α-Untereinheit ist physikalisch gefangen. Das β-Tubulin kann sich in der GTP-Form (T-Form) oder in der GDP-Form (D-Form) befinden
In einem Protofilament reihen sich der Länge nach immer abwechslungsweise α- an β-Untereinheit. Das führt zu einer Polarität des gesamten Microtubuli. Es entsteht ein plus end und ein minus end, wobei die Anlagerung und Abspaltung von Untereinheiten am plus end sehr el rascher vorwärts geht. (das geschieht analog in den Actinfilamenten) Die α-Untereinheit des Tubulins zeigt in Richtung minus end.
Eine Filamentverlängerung findet dann statt, wenn die Konzentration an freien Untereinheiten Cc übersteigt. (ΔG ist negativ).
Wenn die Addition von Untereinheiten so schnell wird, dass das GTP der vorherigen Untereinheit nicht gespalten werden konnte, d.h. die Untereinheiten bleiben in ihrer T-Form, entsteht ein GTP-cap (für Actin: ATP-cap)
Dynamische Insilität: schnelle Interkonversion zwischen einem wachsenden und schrumpfenden Status, bei einer gleich bleibenden freien Untereinheitskonzentration Der Wechsel zum schrumpfenden Status heisst Catastrophe, der Wechsel zum wachsenden heisst Rescue.
Aufbau des Actinfilaments
Die Actin Untereinheit wird von einem einzelnen globulären Protein gebildet. Jedes dieser Monomere hat eine Bindungsstelle für ATP. Die Kopf-zu-Schwanz-Anordnung der Untereinheiten generiert wie bei den Microtubuli eine strukturelle Polarität.
Treadmilling: am plus end hinkt die ATP-Hydrolyse nach, die Untereinheiten befinden sich in T-Form, am minus end jedoch in D-Form. Die Einheiten der D-Form werden vom minus end wieder abgespalten, d.h. das Filament wächst am plus end und schrumpft am minus end. → Treadmilling erfordert konstanten Energiekonsum. (Pendant zur dynamischen Insilität an dem Micrrotubuli)
Nutzen des Treadmilling und der dynamischen Insilität: schnelle Anpassung und Flexibilität
→ Actin und Tubulin haben die nucleosidtriphosphat-Hydrolyse deshalb entwickelt um sich sehr schnell nach der Polymerisation wieder zu depolymerisieren.
Actin und Tubulin sind in allen eukaryotischen Zellen vorhanden.
Aufbau von Intermediären Filamenten
Intermediäre Filamente sind nicht in allen eukaryotischen Zellen vorhanden. Sie sind eng verwandt mit den nuclear lamins.
Ihre mechanischen Eigenschaften sind vor allem nützlich für Weichtiere und hauptsächlich in Zellen vorhanden die mechanischem Stress ausgesetzt sind.
Intermediäre Filamente sind in die Länge gezogene Moleküle, deren zentrale α-helicale Domäne eine parallele aufgewickelte Spule formt mit einem anderen Monomer. Dieses Paar eines parellen Dimers verbindet sich in einer antiparallelen Art und bildet ein versetztes Tetramer. Die Tetramere verbinden sich lateral und bilden so das Filament, das sich aus acht parallelen Protofilamenten aufbaut die wiederum aus Tetrameren bestehen.
Diese Filamente besitzen nicht die Polarität der anderen Filamente.
Dies Intermediären Filamente Können leicht gebeugt, aber nur sehr schwer gebrochen werden.
Von Intermediären filamenten gibt es eine grosse Anzahl verschiedener Typen:
Keratine: die diverseste Famile der IF's, Heterodimer aus Typ I (acid) und Typ II (basisch) Keratinkette
Neurofilamente: vorhanden in hohen Konzentrationen in den Axons der Vertebraten.; bestehen aus heterodimeren die aus NF-L plus entweder NF.M oder NF-H gebildet werden
Vimentin-änliche: Desmenin (gehört zu dieser Familie) kommt im Skelett-, Herz- und glatten Muskel vor
Einfluss von Drogen auf die Filamentpolymerisation
Gewisse Pflanzen, Pilze und Schwämme produzieren Toxine, die entweder an die Filamentform oder an die freien Untereinheiten binden.
Latrunculin: silisiert actinmonomere und verursacht so die Depolymerisation der Actinfilamente
Phalloidin: silisiert Actinfilamente → netto Erhöhung der Actinpolymerisation
Colchicin: silisiert freies Tubulin und verursacht so Microtubulidepolymerisation
Taxol: silisiert Microtubuli → netto Erhöhung der Microtubulepolymerisation
→ Taxol z.B. tötet Zellen die sich teilen, da beides, Polymerisation und Depolimerisation wichtig für die Funktion des mitotischen Spindelapparates sind → Taxol kann also zur Krebsbehandlung angewandt werden
Wie Zellen ihre Cytoskelett-Filamente regulieren
Die Zelle reguliert die Länge, die Silität, die Anzahl und die Geometrie der Cytoskelett-Filamenten. Diese Regulierungen übernehmen die accessory proteins.
Microtubuli-beeinflussende Proteine
Die Micrutubuli entspringen aus den Centrosomen (=MTOC = microtubule-organizing center) in der Mitte der Zelle. Sie platzieren ihr minus end im Centrosom und wachsen mit ihrem plus end nach aussen. Ein Centrosom besteht aus einer Centrosom-Matrix, die über 50 Kopien von γ-TuRC und 2 rechtwinklig zueinander stehender Centriolen. γ-TuRC dient als Vorlage ein Microtubuli mit 13 Protofilamenten zu "nucleiert".
→γ-Tuubulin ist sehr alt, es ist entstanden durch eine Genduplikation des Gens für die Microtubuliuntereinheit.
Stathmin an 2 Tubulin-Heterodimere und verhindert so, dass sie ans Ende eines Microtubulis angehängt werden. Durch Phosphorylation von Stathmin werden die Heterodimere wieder zur Verlängerung verfägbar.
MAPs silisieren Microtubuli gegen ein "Auseinanderfallen" und vermittelt die Interaktion von Microtubuli mit andern Zellkompartimenten. → zahlreich vertreten in Neuronen. Dazu gehören MAP2, tau (diese v.a. in Vertebraten) und XMAP215 (in allen Eukaryoten)
Catastrophin induziert Catastrophes (machen das Gegenteil der MAPs)
Katanin depolymerisiert Microtubuli des Spindelapparates während der Mitose, diese Trennung der Filamente benötigt Energie in Form von ATP
Proteine zu Actin-Filamenten
Actin-Filament-Nucleation tritt meistens an der Plasmamembran auf. Diese Filamente im Zellcortex (=Peripherie) bestimmen die form und die Bewegungen der Zelloberfläche. Die Nucleation wird meist von externen Signalen reguliert und wird von ARPs katlysiert. Der ARP-Komplex nucleiert das Actin-Filament-Wachstum an den minus ends, so dass eine schnelle Verlängerung am plus end stattfinden kann.
→ARP ist sehr alt, es ist entstanden durch eine Genduplikation des Gens für die Actinuntereinheit.
Thymosin bindet an Actinmonomere, die so für eine Addition ans Filament nicht zur Verfügung stehen.
Profilin bindet ein Actinmonomer dort, wo es an minus end anschliessen würde, der Profilin-Actin-Komplex bindet also an ein freies plus end. Die Aktierung von Profilin verschiebt Actin aus dem Thymosin-gebundenen Status an ein plus end eines wachsenden Filaments.
Profilin befindet sich auf der cytosolischen Seite der Plasmamembran, da es dort an die aciden Membranphospholipide bindet.
Tropomyosin bindet an 7 aneinander anschliessende Actinuntereinheiten in einem Protofilament und hemmt so jegliche Interaktion des Filaments mit anderen Proteinen
Cofilin (Actin depolymerizating factor) desilisiert Actinfilamente. Es bindet Actinmonomere und Actinfilamente, wo es seitlich andockt und die Actinhelices noch fester miteinender verwindet. Da Cofilin lieber an ADP-enthaltende Monomere bindet und diese vom Filament ablöst, löst es treadmilling aus.
Plus end capping proteine (z.B CapZ) silisieren das plus end und machen das Ende inaktiv gegen Filamentwachstum und -depolymerisation. Eine Erhöhung der inositol phospholipide (PIP2) im Cytosol (ausgelöst durch das richtige Signal) entfernt die Caps von den plus Enden und macht sie für Veränderungen verfügbar.
Im Muskel bindet das CapZ ans plus end und Tropomodulin ans minus end, wobei Tropomodulin nur an Actinfilamente, die schon durch Tropomyosin silisiert sind.
→ Actin Filamente bilden 2 Arten von höheren Strukturen: Bündel und Netzwerke
Fimbrin ist ein actin-bündelndes Proteine, ein kleiner Querverbinder mit 2 Actin-bindenden Domänen, die eng zusammen auf einer Polypeptidkette liegen → die Filamente liegen also so dicht beisammen, dass keine Interaktionen mit Myosin II möglich ist, was bedeutet, dass diese Bündel immobil sind.
α-Actinin ist ebenfalls ein actin-bündelndes Protein, deren Bindungsdomänen aber weiter von einander entfernt liegen. → Die Filamente sind so weit auseinander, dass sich Myosin II einlagern kann und die Fasern so kontraktil werden
Villin bündelt Actinfilamente der Microlli, die Bindungsdomänen siegen dicht beisammen
Spectrin netzformender Querverbinder, es verbindet ein zwei-dimensionales Netz aus kurzen Actinfilamenten mit der Plasmamembran.
Filamin fördert die Formation eines lockeren sehr skosen Gels durch Verknüpfung zweier Actinfilamente rechtwinklig zueinander
Gelosin Filament-Trennungs-Protein das keine Energie benötigt. Seine Aktität wird durch hohe Ca2 -Konzentrationen ausgelöst. Nach dem Gelosin ein Filament getrennt hat bleibt es am plus end haften und agiert als Cap protein, durch eine Erhöhung der PIP2-Konzentration wird es wieder entfernt
Proteine der EMR-Familie verbinden Actin-Filamente mit der Plasmamembran. Ihre N-terminalen Domänen an Glycoproteine der Plasmamembran auf der Cytosolischen Seite (Z-B CD44) und ihre C-terminale Domänen binden direkt seitlich an die Actin-Filamente
Proteine zu den Intermediären Filamenten
Filaggrin bündelt Keratin filamente in sich differenzierenden Zellen und der äusseren Hautschicht ihre spezielle Zäheit.
Plectin bündelt Vimentin
→ dass die Cytoskelettfilamente Strukturen höherer Ordnung bilden ist allgemein wichtig
Spezielle Verbindungen von Filamenten über die Plasmamembran
Focal contacts: hoch spezialisierte Verbindungen zwischen Actin-Filamenten und der extrazellulären Matrix. Integrins (Proteine die verschiedene Komponenten der extrazellulären Matrix binden) aktieren FAK (focal adhesion kinase), die sehr zahlreich ist bei focal contacts. FAK hilft bei der Regulierung vom Überleben, Wachstum, Bewegung und der Differentation der Zelle als Antwort auf die extrazelluläre Umgebung
Adherens junctions: Cadherin-vermittelte Zell-Zell.Kontakte.
Desmosome: Zell-Zell-Übergänge wo Intermediäre Filamente in der Plasmamembran verankert sind
Hemidesmosome: Zell-extrazelluläre Matrix-Übergänge
Extrazelluläre Signale
Extrazelluläre Signale können die Aktität von accissory proteins beeinflussen. Zum Beispiel einige monomere GTPasen der Rho protein family:
Cdc42: löst Actinpolymerisation und deren Bündelung aus zur Bildung von Filopodia oder microspikes; verursacht eine Erhöhung der Actin-Nucleation
Rac: löst Actinpolymerisation an der Zellperipherie aus →Bildung von lamellipodialen Ausstülpungen: verursacht indirekt die Formation von grossen Lamellipodia
Rho: löst die Bündelung von Actinfilamenten mit Myosin II Filamenten zu Stressfasern; erhöht die Menge der Aktität des contractilen Myosins in der Zelle
Molekulare Motoren
Allgemeines
Motor Proteine binden an polarisierte cytoskeletale Filamente und benutzen aus den ATP-Hydrolyse-Zyklen um sich an den Filamenten entlang zu bewegen. Sie binden ATP in ihrer "Kopf"-Region (=motoor domain) und hydrolysieren das ATP auch dort.
3 Gruppen von cytoskeletalen Motor Proteinen:
Myosin: (Actin-basierende Motor Proteine) Myosin II: (hat zwei Köpfe) besteht aus zwei schweren Ketten, von denen jede eine globuläre Kopf-Domäne am N-Terminus besitzt, gefolgt von einer langen AS-Sequenz, die der Dimerisierung der Ketten dient. Das führt zur Formation eines bipolaren "dicken Filaments". Durch die Hydrolyse von ATP in der Motor-Domäne bewegt sich der Myosin-Kopf richtung plus end des Actin-Filaments. (Herz- und glatte Muskulatur enthalten ähnliches Myosin, das aber von anderen Genen codiert wird)
Myosin I: (ein Kopf) Motor-Domäne ähnlich wie Myosin II, der Schwanz ist aber total anders und es funktioniert als Monomer. Es besitzt eine zweite ATP-Bindungsstelle oder eine Membranbindungsstelle am Schwanzund ist für intrazelluläre Organisationen da (Es gibt noch weitere hinauf bis Myosin XVIII)
→Myosins findet man in fast allen Eukaryoten und sie entwickelten sich früh, v.a. die Myosin-Schwänze haben sich diversifiziert während der Evolution, je nach dem mit welcher Ladung sie interagieren müssen.
Kinesin: (bewegt sich entlang Microtubuli, und zwar hauptsächlich in plus Richtung, also der Zellperipherie entgegen) ist strukturell ähnlich wie Myosin II.
Es gibt mindestens 10 Familien von KRPs, Die meisten haben ihre Motor-Domäne am N-Terminus und bewegen sich Richtung plus end. In einer Familie befindet sich der Kopf am C-Terminus und diese bewegt sich deshalb Richtung minus end (Richtung Centrosom), ein Beispiel wäre KIFC2.
die meisten Kinesine haben an ihrem Schwanz Bindungsstellen für entweder membranumschlossene Organellen oder für andere Microtubuli und spielen eine wichtige Rolle in der Formation der meiotischen Spindel.
spezielle KRPs: KIF2: Motor-Domäne befindet sich in der Mitte und hat deshalb Motor-Aktität verloren, dient der Erhöhung der dynamischen Insilität (gehört zu den Catastrophinen)
KIFI B: funktioniert als Monomer und bewegt membran-umschlossene Organellen entlang den Microtubuli;
Dynein: (bewegt sich entlang der Microtubuli, aber hauptsächlich in minus Richtung) setzt sich aus zwei oder drei schweren Ketten und elen verschiedenen leichten Ketten zusammen.
cytoplasmatisches Dynein: in allen eukaryotischen Zellen, sie leiten Vesikel und lokalisieren den Golgi Apparat korrekt. Axonemales Dynein: werden benutzt zur Bewegung der Cilia und Flagella
→Die ATPase-Aktität der Motor Proteine wird ausgelöst durch deren Bindung an die entsprechenden Filamente.
Funktionsweise von Myosin
Die Bewegung von Myosin entlang der Actin-Filamente entsteht durch das Schwingen einer 8.5nm langen α-Helix (= Hebelarm). An der Basis des Hebelarms gleich neben dem Kopf befindet sich eine Helix, die die Bewegungen der ATP-Bindungsstelleam Kopf mit kleinen Rotationen der Umwandlungsdomäne verbinden. Eine kleine Anderung an dieser Stelle dann bewirken, dass die Helix wie ein langer Hebel zu schwingen beginnt. Diese Konformationsänderung hat zur Folge, dass der Myosinkopf das Actin loslässt und an einer anderen Stelle wieder andockt.
Solange Myosin kein ATP gebunden hat, ist es eng ans Actin gebunden = rigor state. Durch die Bindung von ATP löst sich das Myosin vom Actin. Während eines ATPase-Cyclus für eine längere Zeit vom Actin gelöst als daran gebunden. Myosin-Bewegungen des Actin sind einiges schneller als die von Kinesin.
Myosin-Aktität wird durch Phosphorylation reguliert. Durch die Ausschüttung der myosin light-chain kinase (MILCK), die vom Ca2 -Level abhängt, verursacht eine Phosphorylation von Myosin II was die Bildung bipolarer Filamente fördert, was zu einer Zellkontraktion führt. MILCK löst während der Mitose auch die Bildung des kontraktilen Rings aus, der die Zellen in zwei teilt.
Funktionsweise von Kinesin
An der Nucleotid Bindungsstelle befinden sich Switch loops. Die kleinen Bewegungen dieser loops reguliert das Andocken und Loslassen der Motor-Domäne an eine Verbindungsregion, die die Motor-Domäne mit der Dimerisierungsregion verbindet.
Kinesin bildet eine rigor-ähnliche enge Verbindung mit Microtubuli wenn ATP gebunden ist. Während eines ATPase-Cyclus befindet sich ein Kinesin-Kopf die Hälfte der Zeit gebunden.
Ein einzelnes Dimer von Kinesin durchläuft ele ATPase-Cyclen entlang eines Microtubuli ohne zu dissoziieren, immer ein Kopf von den beiden ist ans Microtubuli gebunden. Der Grund dafür ist, dass nur eine kleine Anzahl von Kinesin-Molekülen fähig sein muss eine Mitochondrien den ganzen Axon hinunter zu ziehen. Kinesin
Kinesin bewegt Zellorganellen in Richtung Zellperipherie (in plus Richtung der Microtubuli)
Funktionsweise von Dynein
Bewegt Zellorganellen in Richtung Zellzentrum (in minus Richtung der Microtubuli), z.B. die Positionierung des Golgi-Apparates.
Die Bindung von Dynein an membranumschlossene Organellen wird durch Macromolekülansammlungen vermittelt. Dynein muss mit Dynactin assoziieren, um Organellen effizient translokieren können. Dynactin enthält ein kurzes actin-ähnliches Filament (Arp1), das mit Ankyrin und Spectrin assoziiert. Ankyrin und Spectrin befinden sich auf der Membranoberfläche des Golgi-Apparatus. Über Arp1verknüpft Dynactin also Dynein mit Organellen
Die Muskelkontraktion
Die Muskelkontraktion hängt von einem ATP-angetriebenen Gegeneinander-Gleiten von einer Masse von Actin-Filamenten und einer Masse Myosin II Filamenten ab.
Die kleinsten kontraktilen Einheiten sind die Sarcomere und die Aneinanderreihung solcher Einheiten bildet eine Myofibrille.
Aufbau eines Sarcomers: Das Sarcomer wird von beiden Seiten durch eine Z-Bande begrenzt. Die Actin-Filamente sind mit ihrem plus end an der Z-Bande befestigt und ihre gecappten minus ends überlappen im mittleren Bereich des Sarcomeres mit den Myosin-Filamenten.
Die Z-Bande besteht aus CapZ und α-Actinin und capped so die Actin-plus-ends. Die genaue Länge jedes Filaments wird von einem Vorlageprotein (Nebulin) festgelegt Die minus ends werden gecapped und silisiert von Tropomodulin. Die dicken Filamente sind zwischen den Z-Banden platziert. Sie werden von Titin, einem Vorlageprotein positioniert.
Die Sarcomere verkürzen sich, wenn die Myosin-Filamente in Richtung der Actin-plus-ends gleiten. Die synchrone Verkürzung von sehr elen hintereinander geschalteter Sarcomere ermöglicht es dem Muskel schnell genug zu kontrahieren um rennen oder fliegen zu können.
Einleitung der Muskelkontraktion: Ein Nervenimpuls löst ein Actionspotential in der Muskelzellen-Plasmamembran aus.Diese elektrische Erregung breitet sich schnell in Membranfalten aus, die transverse tubules (= T tubules). Von dort wird das signal durch eine kleine Lücke ins Sarcoplasmatische Reticulum geleitet. Das wiederum löst die Öffnung der Ca2 -Ausschüttungskanäle des SR aus. Ca2 strömt ins Cytosol und initiiert die Kontraktion jeder einzelnen Myofibrille. 4 Ca2 binden an Troponin C, welches Troponin I vom Actinfilament befreit. Troponin I bildet mit Troponin T einen Komplex, der das Tropommyosin am Actinfilament so verschiebt, dass es die Bindungsstelle von Myosin am Actinfilament blockiert. Wenn also Troponin vom Actin wegdissoziiert, gibt Tropomyosin die Myosinbindungsstellen frei und der Muskel kann kontraheiren.
Das Ca2 wird aber sofort wieder über eine Ca2 -ATPase ins SR zurück gepumpt. Der ganze Kontraktionsprozess benötigt also Unmengen von Energie.
Aufbau von Cilia und Flagella
Flagella: lange Geisseln, die die Zellen befähigen durch Flüssigkeiten zu schwimmen. (siehe Spermium)
Cilia: sind kürzer als Flagella und schlagen mit einer Geissel-artigen Bewegung, die eine Zelle als Propeller durch eine Flüssigkeit bewegt oder die Flüssigkeit über die Oberfläche einer Zelle oder eines Gewebes bewegt.
→ Die Bewegungen von Cilia und Flagella werden durch das Beugen ihres Kerns (= Axoneme) verursacht.
Ein Axoneme setzt sich aus neun speziellen Duplett-Microtubuli zusammen, die in einem Ring um einzelnes Paar von Microtubuli bilden. An regelmässigen Positionen an den Microtubuli befinden sich accessory proteins, welche die Mircotubuli untereinander querverbinden. Ciliares Dynein formt Brücken zwischen benachbarten Duplett-Microtubuli. Die Dynein-Kraft wird in eine Beugungsbewegung umgewandelt.
Cilia und Flagella sind durch Basalkörper in der Zelloberfläche verankert.
→ bakterielle flagella sich lange helicale Filamente, die sich aus sich repetierenden Einheiten von Flagellin zusammensetzen.
Das Cytoskelett und Zellverhalten
Polarisiertes Zellwachstum: Hefezellen, die nicht schwimmen können, erreichen ihre Partner in dem sie polarisiert wachsen. Dieses Wachstum erfordert eine Ausrichtung des Actin-Skeletts als Antwort auf Paarungs-Faktor-Signal. Wenn das Signal an den Rezeptor bindet, wird Cdc42 aktiert, was eine Neuanordnung der Actin-Filamente auslöst. Das Signal wird an die Microtubuli weitergeleitet und verursacht so polarisiertes Wachstum.
Das Cxtoskelett positioniert auch RNA-Moleküle in der Zelle.
Wie Zellen über ein festes Substratum kriechen
Kriechen stellt die hauptsächliche Fortbewegungsart der Tiere dar. Macrophagen z.B. kriechen zu den Stellen im Körper, die verletzt sind. Osteoclasten tunneln sich in den Knochen und bilden Kanäle die mit Osteoblasten gefüllt werden und erneuern und remodellieren die Knochen ständig. Fibroblasten migrieren durchs Bindegewebe und erneuern verletzte Strukturen.
Dieses Kriechen hängt vom actin-reichen Cortex der Zelle ab. 3 verschiedene Aktitäten gehören dazu:
Protrusion: Actin-reiche Strukturen werden am vorderen Teil der Zelle ausgestossen.
Attachment: Des Actin-Skelett verbindet sich durch die Plasmamembran hindurch mit dem Substratum
Traction: Die Masse des hinterhergezogenen Cytoplasmas wird vorwärts gezogen
Plasmamembran Protrusion
Protusion kommt dadurch zustande, dass die Actin-Polimerisation die Plasmamembran vorwärts stösst. Verschiedene Zellen bilden verschiedene protrusive Strukturen. Dazu gehören Filopodia (= Microspikes), Lamellipodia und Pseudopodia. Alle sind mit dichtem filamentösen Actin gefüllt.
Filopodia: sind ein-dimensional und werden von Wachstumszapfen und Fibroblasten gebildet.
Lamellipodia: Zwei-dimensional, werden von Epithelzellen und Fibroblasten und enthalten orthogonale Querverbindungen.
Beim Vorwärtsbewegen bleiben die Actin-Filamente in Bezug auf das Substrat stationär. Sie sind mit ihren plus ends nach vorn gerichtet. Die minus ends sind mit den Seiten anderer Actin-Filamenten über ARP-Komplexe verbunden und bilden so das zwei-dimensionale Netz. Dieses Netz als ganzes vollzieht Treadmilling. (Siehe oben, Cofilin hilft bei der Depolimerisation der D-Form Monomere)
Pseudopodia: dreidimensional, werden von Amöben gebildet.
Attachment
Je stärker die adhesiven Kräfte zwischen der Zelle und dem Substratum sind, umso langsamer bewegt sich die Zelle vorwärts.
Während sich Lamellipodium, Filopodium oder Pseudopodium vorwärtsbewegt, kann es neue Attachment-Stellen bilden (dort ist die Plasmamembran extrem nah dem Substrat).
Traction
An den Attachment-Stellen wird es der Zelle ermöglicht Traction auf dem Substratum zu generieren und seinen Körper vorwärts zu schieben. Myosin II transportiert den Zellkörper über ein polarisiertes Feld von Actin-F.
Externe Signale
Polarisierte Zellbewegung nützt nicht el wenn sie nicht als Antwort auf Umweltveränderungen geschieht. Diese können entweder chemisch oder physikalisch sein.
Chamotaxis: Zellbewegung in eine Richtung die von einem Gradienten an gelösten Chemikalien bestimmt wird. Zum Beispiel Neutrophile (gehören zu den weissen Blutzellen) registrieren schon ganz niedrige Konzentrationen von den N-formylierten peptiden, die von bakteriellen Proteinen stammen. Die Neutrophile bewegen sich dann in die Richtung wo die Peptide herkommen und können so das Bakterium bekämpfen.
Die richtung der Zellmigration kann such von chemischen Signalen kommen, die sich mit der extrazellulären Matrix der Zelloberfläche verbinden. Durch die Aktierung ihrer Rezeptoren erhöhen diese Signale die Zelladhesion und geben so der Actinpolymerisation eine Richtung.
Diese Rezeptor-Aktierung kann aber auch Dynein beeinflussen Microtubuli zur protrusiven Region zu bringen. Microtubli verursachen dort erhöhte Zelladhesion und aktiert GTPase, die wiederum die Actinpolymerisation stimuliert, was insgesamt zu erhöhter Protrusion führt → positives Feedback
Neuron-Sizialisierung in Abhängigkeit des Cytoskeletts
Axon: die Microtubuli sind mit ihren minus ends Richtung Zellkörper orientiert. Es sich eine ganze Meng Microtubuli hintereinander geschaltet, da ein Axon el länger als ein Microtubuli ist.
Entlang dieser Microtubuli werden Proteine und vesikel transportiert, um am Ende der Axons Synapesen zu bilden. Diese Proteine können nur im Zellkörper produziert werden, wo die Zelle ihre Ribosome hat.
Dieser anterograde Transport wird von Proteinen der Kinesinfamilie geführt, das ein Transport in plus Richtung ist.
Alte Komponenten vom Axonende zum Zellkörper zurücktransportiert und dort recycled. Dieser retrograde Transport hängt vom cytoplasmatischen Dynein ab, das er in minus Richtung führt.
Actin-Filamente kleiden Axon-Cortex aus und Motor-Proteine die an Actin binden sind ebenfalls zahlreich vorhanden (z.B. Myosin V)
Neurofilamente (=spezialisierte Intermediäre Filamente der Neuronen) geben dem Axon den Halt und die Struktur.
Die konstruktion des verzweigten Neuronen hängt von Actin ab. An der Spitzte des wachsenden Axons enthalten eine spezielle Struktur, die growth cones, die sehr reich an Actin ist und entweder Filopodia oder Lamellopodia bilden.
Dendriten: Microtubuli ligen parallel aber mit gemischter Polarität, d.h. dass sowohl plus als auch minus ends Richtung Zellkörper zeigen.
Dendriten werden ebenfalls durch die growth-cone-Aktität gebildet.
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