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1. Struktur und Dynamik der zytoskeletalen Filamentsysteme2. Regulation der zytoskeletalen Komponenten3. Molekulare Motoren4. Zytoskelett und Zellverhalten

Literatur:Alberts et al., „Molecular Biology of the Cell“, Garland Science

Das Zytoskelett Das Zytoskelett (Gastvorlesung R. Brandt, Neurobiologie)(Gastvorlesung R. Brandt, Neurobiologie)

1. Struktur und Dynamik der zytoskeletalen Filamentsysteme1. Struktur und Dynamik der zytoskeletalen Filamentsysteme

Drei FilamentsystemeDrei Filamentsysteme (in den meisten eukaryontischen Zellen)(in den meisten eukaryontischen Zellen)-- Aktinfilamente (Mikrofilamente)Aktinfilamente (Mikrofilamente)-- MikrotubuliMikrotubuli-- IntermediIntermediäärfilamenterfilamente

FunktionenFunktionen: : -- mechanische mechanische StabilisierungStabilisierung-- GerGerüüstst zur Verankerung vonzur Verankerung von

Zellbestandteilen (Organelle,Zellbestandteilen (Organelle,Proteine, RNA)Proteine, RNA)

-- IntrazellulIntrazelluläärer rer TransportTransport-- ZellZellbewegungbewegung

EigenschaftenEigenschaften: : -- Physikalische StabilitPhysikalische Stabilitäät aber t aber

trotzdem trotzdem dynamischdynamisch-- spezifische spezifische BindeproteineBindeproteine-- PolaritPolaritäätt-- Kontakt mit Plasmamembran Kontakt mit Plasmamembran

und extrazellulund extrazelluläärer Matrixrer Matrix

(David Goodsell „The Machinery of Life“, (David Goodsell „The Machinery of Life“, Springer, 1993) Springer, 1993)

1. Struktur und Dynamik der zytoskeletalen Filamentsysteme1. Struktur und Dynamik der zytoskeletalen Filamentsysteme

Struktur und intrazellulStruktur und intrazellulääre Verteilungre Verteilung

-- MembrankortexMembrankortex (Aktin): Mechanische (Aktin): Mechanische Stabilisierung und Verankerung von Stabilisierung und Verankerung von MembranproteinenMembranproteinen

-- SternfSternföörmiges Auswachsen von rmiges Auswachsen von ZentrosomenZentrosomen (Mikrotubuli):(Mikrotubuli):Mechanische Stabilisierung, Mechanische Stabilisierung, Verankern von Organellen, Verankern von Organellen, „„AutobahnAutobahn““ ffüür den Transportr den Transport

-- Netzwerk und Verankerung an Netzwerk und Verankerung an DesmosomenDesmosomen ((„„DruckknDruckknööpfepfe““) ) (Intermedi(Intermediäärfilamente):rfilamente):Mechanische Stabilisierung von Mechanische Stabilisierung von Gewebe (Epithel)Gewebe (Epithel)

1. Struktur und Dynamik der zytoskeletalen Filamentsysteme1. Struktur und Dynamik der zytoskeletalen Filamentsysteme

Prinzipien der Bildung von ZytoskelettPrinzipien der Bildung von Zytoskelett--FilamentenFilamenten::

-- Aufbau aus Aufbau aus UntereinheitenUntereinheiten-- NichtkovalenteNichtkovalente AssoziationAssoziation-- Polymerisation folgt einem Polymerisation folgt einem NukleationsNukleations--ElongationsElongations--MechanismusMechanismus-- Nukleation ist geschwindigkeitsbestimmend Nukleation ist geschwindigkeitsbestimmend

1. Struktur und Dynamik der zytoskeletalen Filamentsysteme1. Struktur und Dynamik der zytoskeletalen Filamentsysteme

MikrotubuliMikrotubuli::

-- Aufbau aus Aufbau aus Tubulin HeterodimerenTubulin Heterodimeren(globul(globulääre Proteine)re Proteine)

-- GTP Bindung an GTP Bindung an -- und und --TubulinTubulin-- 13 Protofilamente13 Protofilamente-- Strukturelle Strukturelle PolaritPolaritäätt

1. Struktur und Dynamik der zytoskeletalen Filamentsysteme1. Struktur und Dynamik der zytoskeletalen Filamentsysteme

MikrotubuliMikrotubuli::

-- NukleationsNukleations--ElongationsElongations--MechanismusMechanismus

Lag-Phase

Wachstums-Phase

(Brandt, R., Lee, G. (1993) (Brandt, R., Lee, G. (1993) J. Neurochem.J. Neurochem. 61:99761:997--1005)1005)

-- Centrosomen fCentrosomen föördern die Nukleationrdern die Nukleation

1. Struktur und Dynamik der zytoskeletalen Filamentsysteme1. Struktur und Dynamik der zytoskeletalen Filamentsysteme

MikrotubuliMikrotubuli::

-- Dynamische InstabilitDynamische Instabilitäätt

•• Tubulin istTubulin ist GTPaseGTPase•• GTPGTP--Hydrolyse ist nicht notwendig fHydrolyse ist nicht notwendig füür die Polymerisationr die Polymerisation aber faber füür die r die

Aufrechterhaltung der dynamischen InstabilitAufrechterhaltung der dynamischen Instabilitäätt

1. Struktur und Dynamik der zytoskeletalen Filamentsysteme1. Struktur und Dynamik der zytoskeletalen Filamentsysteme

MikrotubuliMikrotubuli::

-- Dynamische InstabilitDynamische Instabilitäät t in lebenden Zellenin lebenden Zellen

1. Struktur und Dynamik der zytoskeletalen Filamentsysteme1. Struktur und Dynamik der zytoskeletalen Filamentsysteme

-- Aufbau aus Aufbau aus Aktin MonomerenAktin Monomeren(globul(globulääre Proteine; Gre Proteine; G--Aktin)Aktin)

-- ATP BindungATP Bindung-- Helikale Struktur Helikale Struktur (2(2--strsträängig)ngig)-- Strukturelle Strukturelle PolaritPolaritäätt-- NukleationsNukleations--ElongationsElongations--

MechanismusMechanismus

AktinAktin--Filamente (Mikrofilamente, FFilamente (Mikrofilamente, F--Aktin):Aktin):

1. Struktur und Dynamik der zytoskeletalen Filamentsysteme1. Struktur und Dynamik der zytoskeletalen Filamentsysteme

-- „„TreadmillingTreadmilling““

AktinAktin--Filamente (Mikrofilamente, FFilamente (Mikrofilamente, F--Aktin):Aktin):

•• Gerichtete Fortbewegung ohne Motorproteine (aber unter Gerichtete Fortbewegung ohne Motorproteine (aber unter Energieverbrauch) Energieverbrauch)

1. Struktur und Dynamik der zytoskeletalen Filamentsysteme1. Struktur und Dynamik der zytoskeletalen Filamentsysteme

-- Sukzessive Aggregation Sukzessive Aggregation gestreckter Molekgestreckter Moleküülele

-- Keine NukleotidKeine Nukleotid--BindungBindung-- Keine PolaritKeine Polaritäätt-- Sehr stabil Sehr stabil (keine dynamische(keine dynamische

InstabilitInstabilitäät oder t oder „„treadmillingtreadmilling““))

IntermediärIntermediär--Filamente:Filamente:

1. Struktur und Dynamik der zytoskeletalen Filamentsysteme1. Struktur und Dynamik der zytoskeletalen Filamentsysteme

-- Expression verschiedener Familien in unterschiedlichen ZelltypenExpression verschiedener Familien in unterschiedlichen Zelltypen

IntermediärIntermediär--Filamente:Filamente:

Genetischer Keratindefekt: Genetischer Keratindefekt: Epidermolysis bullosa simplexEpidermolysis bullosa simplex ((„„blistering blistering diseasedisease““))

1. Struktur und Dynamik der zytoskeletalen Filamentsysteme1. Struktur und Dynamik der zytoskeletalen Filamentsysteme

Substanzen, die Aktinfilamente oder Mikrotubuli beeinflussen:Substanzen, die Aktinfilamente oder Mikrotubuli beeinflussen:

ZytoskelettZytoskelett--Homologe in Bakterien: Homologe in Bakterien: -- FtsZ FtsZ äähnelt strukturell Tubulin, bildet Zhnelt strukturell Tubulin, bildet Z--Ring und bindet GTPRing und bindet GTP-- Auch AktinAuch Aktin--Homologe in vielen BakterienHomologe in vielen Bakterien-- In wenigen FIn wenigen Fäällen evtl. auch Intermedillen evtl. auch Intermediäärfilamentrfilament--HomologeHomologe

2. Regulation der zytoskeletalen Komponenten2. Regulation der zytoskeletalen Komponenten

-- NukleationNukleation-- WachstumWachstum-- StabilitStabilitäätt-- LLäängenge-- VernetzungVernetzung

Regulation über ZytoskelettRegulation über Zytoskelett--assoziierte Proteine:assoziierte Proteine:

Mikrotubuli:Mikrotubuli:-- Regulation der Nukleation durch Regulation der Nukleation durch --Tubulin im MTOC Tubulin im MTOC

((„„microtubule organizing centermicrotubule organizing center““), z.B. am ), z.B. am CentrosomCentrosom

(Brandt, R., Lee, G. (1993) (Brandt, R., Lee, G. (1993) J. Neurochem.J. Neurochem. 61:99761:997--1005)1005)

2. Regulation der zytoskeletalen Komponenten2. Regulation der zytoskeletalen Komponenten

Mikrotubuli:Mikrotubuli:

2. Regulation der zytoskeletalen Komponenten2. Regulation der zytoskeletalen Komponenten

-- NukleationNukleation-- WachstumWachstum-- StabilitStabilitäätt-- LLäängenge-- VernetzungVernetzung

Regulation über ZytoskelettRegulation über Zytoskelett--assoziierte Proteine:assoziierte Proteine:

AktinAktin--Filamente:Filamente:-- Regulation der Nukleation durch den Regulation der Nukleation durch den ARPARP ((„„actin related actin related

proteinsproteins““) ) KomplexKomplex

2. Regulation der zytoskeletalen Komponenten2. Regulation der zytoskeletalen Komponenten

-- NukleationNukleation-- WachstumWachstum-- StabilitStabilitäätt-- LLäängenge-- VernetzungVernetzung

Regulation über ZytoskelettRegulation über Zytoskelett--assoziierte Proteine:assoziierte Proteine:

AktinAktin--Filamente:Filamente:-- Regulation der Nukleation durch den ARP (Regulation der Nukleation durch den ARP („„actin related actin related

proteinsproteins““) Komplex ) Komplex

Bildung eines NetzwerksBildung eines Netzwerks

2. Regulation der zytoskeletalen Komponenten2. Regulation der zytoskeletalen Komponenten

AktinAktin--Filamente:Filamente:

2. Regulation der zytoskeletalen Komponenten2. Regulation der zytoskeletalen Komponenten

AktinAktin--Filamente:Filamente:

3. Molekulare Motoren3. Molekulare Motoren

-- Binden an Binden an polarepolare ZytoskelettfilamenteZytoskelettfilamente-- Wandeln chemische Energie (ATP) in mechanische Energie umWandeln chemische Energie (ATP) in mechanische Energie um-- KKöönnen Organellen transportieren oder Filamente gegeneinander nnen Organellen transportieren oder Filamente gegeneinander

verschiebenverschieben

AktinAktin--abhängige Motorproteine:abhängige Motorproteine:Myosine Myosine (fast alle bewegen sich in Richtung plus(fast alle bewegen sich in Richtung plus--Ende von FEnde von F--Aktin)Aktin)-- Myosin II (Myosin II („„two headedtwo headed““) ) –– globulglobuläärer Kopf und langgestreckte rer Kopf und langgestreckte

SchwanzdomSchwanzdomäänene

3. Molekulare Motoren3. Molekulare Motoren

AktinAktin--abhängige Motorproteine:abhängige Motorproteine:

Myosin II Myosin II –– ZyklusZyklus

Rigor (Leichenstarre)Rigor (Leichenstarre)

3. Molekulare Motoren3. Molekulare Motoren

-- Binden an Binden an polarepolare ZytoskelettfilamenteZytoskelettfilamente-- Wandeln chemische Energie (ATP) in mechanische Energie umWandeln chemische Energie (ATP) in mechanische Energie um-- KKöönnen Organellen transportieren oder Filamente gegeneinander nnen Organellen transportieren oder Filamente gegeneinander

verschiebenverschieben

MikrotubuliMikrotubuli--abhängige Motorproteine:abhängige Motorproteine:

Kinesine Kinesine (fast alle bewegen sich in Richtung (fast alle bewegen sich in Richtung plusplus--Ende von Mikrotubuli)Ende von Mikrotubuli)

DyneineDyneine (bewegen sich in Richtung (bewegen sich in Richtung minusminus--Ende von Mikrotubuli)Ende von Mikrotubuli)

Dynein arbeitet in einem Dynein arbeitet in einem Komplex von vielen Komplex von vielen ProteinenProteinen

3. Molekulare Motoren3. Molekulare Motoren

MikrotubuliMikrotubuli--abhängige Motorproteine:abhängige Motorproteine:

„„HandHand--üüberber--HandHand““ Bewegung Bewegung von Kinesinvon Kinesin

4. Zytoskelett und Zellverhalten4. Zytoskelett und Zellverhalten

Muskelbewegung:Muskelbewegung:

„„sliding filamentsliding filament““ HypotheseHypothese

SarkomerSarkomer

4. Zytoskelett und Zellverhalten4. Zytoskelett und Zellverhalten

Muskelbewegung:Muskelbewegung:

„„sliding filamentsliding filament““ HypotheseHypothese

SarkomerSarkomer

4. Zytoskelett und Zellverhalten4. Zytoskelett und Zellverhalten

Zilien und Flagellen:Zilien und Flagellen:

Fortbewegung von Zellen (z.B. Fortbewegung von Zellen (z.B. Spermien) oder Bewegung Spermien) oder Bewegung eines Fleines Flüüssigkeitsfilms (z.B. ssigkeitsfilms (z.B. Atemwegsmucosa) Atemwegsmucosa)

4. Zytoskelett und Zellverhalten4. Zytoskelett und Zellverhalten

Zilien und Flagellen:Zilien und Flagellen:

Fortbewegung von Zellen (z.B. Fortbewegung von Zellen (z.B. Spermien) oder Bewegung Spermien) oder Bewegung eines Fleines Flüüssigkeitsfilms (z.B. ssigkeitsfilms (z.B. Atemwegsmucosa) Atemwegsmucosa)

4. Zytoskelett und Zellverhalten4. Zytoskelett und Zellverhalten

Mitosespindel:Mitosespindel:

4. Zytoskelett und Zellverhalten4. Zytoskelett und Zellverhalten

Das Zytoskelett in Nervenzellen:Das Zytoskelett in Nervenzellen:

aus: Bray, „Cell Movements“