Cytoskelett Zellverbindungen-4 PDF

Inhalte der Vorlesung Zusammenfassung þ Methoden der Zellbiologie: u.a. Mikroskopie, Zellfraktionierung þ Die Plasmamembran (Aufbau/Funktion & Transportvorgänge) þ Die Zelle der Eukaryoten: Überblick über Bau & Funktion...

Inhalte der Vorlesung Zusammenfassung þ Methoden der Zellbiologie: u.a. Mikroskopie, Zellfraktionierung þ Die Plasmamembran (Aufbau/Funktion & Transportvorgänge) þ Die Zelle der Eukaryoten: Überblick über Bau & Funktion þ Zellwand & extrazelluläre Matrix, Zellhüllen þ Zellkern, DNA, Nukleolus, Chromatin, Gen þ RNA, Ribosomen & Proteasom þ Vesikel-Traffic: ER, Golgi Apparat & Exozytose þ Lysosomen, Peroxisomen & Glyoxisomen þ Mitochondrien & Plastiden i Cytoskelett i Zell-Zell-Kontakte & -kommunikation i Zellteilung & Zelltod Dresselhaus  12. Cytoskelett zelluläre Bewegungen PE 35-1 Dresselhaus  12. Cytoskelett Funktionen Ø Bewegungen und Formveränderungen der Zelle Ø mechanische Stütze der Zelle Ø intrazelluläre Bewegungen PE 35-1 Dresselhaus  12. Cytoskelett 3 Cytoskelett-Polymere 1. Mikrofilamente 2. Intermediärfilamente 3. Mikrotubuli PE 35-2 Dresselhaus  12. Cytoskelett Mikrofilamente Mikrofilamente: (Bündel von) Aktin-Filamenten Aktin- Aktin-Netzwerk Filamente (Keratozyte (isoliert) aus der Fischepidermis) Mikrovilli (Epithelzelle) Cortex-Aktin- Filamente (Acanthamoeba) PE 36-2 Dresselhaus  12. Cytoskelett Mikrofilamente Mikrofilamente: (kontraktile Bündel von) Aktin-Filamenten Nierenzelle Endothelzelle Skelettmuskelzellen PE 36-3 Dresselhaus  12. Cytoskelett Mikrofilamente Molekülstruktur von monomerem Aktin (G-Aktin): 42 kDa “Bandmodell” “Oberflächenstrukturmodell” PE 36-5 Dresselhaus  12. Cytoskelett Mikrofilamente Bildung von Aktin-Filamenten Minus-Ende (-) G-Aktin F-Aktin = globuläres Aktin = filamentöses Aktin (42 kDa) (Æ 6-8 nm) primär unverzweigt F Wachstum am Plus-Ende ist 4x schneller als am Minus-Ende ! Plus-Ende (+) Dresselhaus  12. Cytoskelett Mikrofilamente Dynamik von Aktin-Filamenten Minus-Ende (-) Latrunculin A Cytochalasin B/D G-Aktin X X F-Aktin Phalloidin Jasplakinolid Plus-Ende (+) Dresselhaus  12. Cytoskelett Mikrofilamente Aktin-bindende Proteine (ABPs) & Quervernetzung von Mikrofilamenten Funktionen: Ø Verhinderung der Polymerisation Ø Kappen-Bildung Ø Quervernetzung PE 36-11 Dresselhaus  12. Cytoskelett Mikrofilamente Formen des Aktin-Cytoskeletts Thrombozyte (Blutplättchen) kortikales Aktin-Netzwerk unter der Plasmamembran Dresselhaus  12. Cytoskelett Mikrofilamente Formen des Aktin-Cytoskeletts apikale Membran Darmepithelzelle mit Mikrovilli Ausstülpungen werden durch Bündel von Aktin-Filamenten verstärkt Vergrößerung der Oberfläche zur Resorption von Nährstoffen basale Membran Dresselhaus  12. Cytoskelett Mikrofilamente Formen des Aktin-Cytoskeletts sich teilende Hefezelle Aktin in filamentösen Kabeln und Flecken. Dresselhaus  12. Cytoskelett Mikrofilamente Cytoplasma-Strömung § gut zu beobachten in großen, einzelligen Algen wie Nitella und Chara und Pollenschläuchen § Metaboliten/Kompartimente werden (gleichmäßig) in der Zelle verteilt § u.a. ist ER via Myosin an Aktin gebunden und wird bewegt Dresselhaus  12. Cytoskelett Mikrofilamente Zusammenfassung: Aufbau & Aufgaben Ø Monomer: G-Aktin (enthält ATP) è F-Aktin (Æ 7 nm; enthält ADP) Ø F-Aktin = Aktinfilament = Mikrofilament (Helix aus 2 Aktinketten) Ø 1-10% des Zellproteins (Muskelzellen bis 10%) Ø Cytoplasmaströmung Ø Kontraktion von Zellbereichen oder ganzer Zellen (z.B. Cytokinese) Ø Fortbewegung (u.a. amöboide Bewegung) Ø Formgebung und lokale Strukturierung (z.B. Mikrovilli) Ø Motorproteine: Myosine Dresselhaus  12. Cytoskelett 3 Cytoskelett-Polymere 1. Mikrofilamente 2. Intermediärfilamente 3. Mikrotubuli PE 35-2 Dresselhaus  12. Cytoskelett Mikrotubuli Vorkommen HeLa-Zellen Epithel-Zellen Epidermis-Zellen (Mais) Hefe PE 37-2 Dresselhaus  12. Cytoskelett Mikrotubuli Vorkommen Seitenansicht Längsschnitt Querschnitt Cilien an der Oberseite von Muschel-Epithelzellen PE 37-3 Dresselhaus  12. Cytoskelett Mikrotubuli Mikrotubuli bestehen aus α- & β-Tubulin Dimeren Ø Heterodimer Ø je 50 kDa Ø Æ 5 nm Ø 1% des Zellproteins “Bandmodell” “Oberflächenstrukturmodell” PE 37-5 Dresselhaus  12. Cytoskelett Mikrotubuli Aufbau von Mikrotubuli Mikrotubulus-Singulett 1 13 2 α/β-Tubulin-Baustein 12 3 β-Tubulin 11 4 Lumen 10 5 α -Tubulin 9 6 8 7 15 nm Protofilament 25 nm Mikrotubulus Dresselhaus  12. Cytoskelett Mikrotubuli Aufbau von Mikrotubuli 1 2 3 13 2 1 12 3 4 5 Mikrotubulus-Doublett 11 A 4 B (13+10) 10 5 6 9 6 10 7 8 7 9 8 1 2 3 2 3 13 2 1 1 12 3 4 4 5 5 Mikrotubulus-Triplett 11 A 4 B C (13+10+10) 10 5 6 6 9 6 10 7 10 7 8 7 9 8 9 8 Dresselhaus  12. Cytoskelett Mikrotubuli Mikrotubuli sind polar aufgebaut + Ende meist frei im Cytoplasma; dynamisches Schrumpfen α/β-Tubulin-Baustein & Wachsen β-Tubulin α -Tubulin - Ende kommt in vivo nie frei vor (i.d.R. im Centrosom) Mikrotubulus Dresselhaus  12. Cytoskelett Mikrotubuli Dynamik des Mikrotubuli-Aufbaus (-) (+) Tubulin-Dimere Mikrotubulus Tubulin-Dimere das (+) Ende zeigt die höhere Dynamik beim Aufbau und Abbau F „dynamische Instabilität“ Dresselhaus  12. Cytoskelett Mikrotubuli Mikrotubuli (MT)-Gifte Taxol N X X Colchicin N Vinblastin Mikrotubulus α/β-Tubulin Vincristin u.a. Ø Colchicin depolymerisiert MT weil es die weitere Andockung verhindert Ø Taxol stabilisiert MT und verhindert Depolymerisation Dresselhaus  12. Cytoskelett Mikrotubuli MTOC (Mikrotubuli-Organisationszentrum) – in tier. Zellen [engl.: microtubule-organizing center (MTOC)] § Ausgangspunkt von Mikrotubuli in nicht teilenden Zellen § binden das (-) Ende der Mikrotubuli Dresselhaus  12. Cytoskelett Mikrotubuli MTOCs (Mikrotubuli-Organisationszentren) – in tier. Zellen Centrosomen sind typische MTOCs § bilden ein Netzwerk an MT-bindenden Proteinen, z.B. γ-Tubulin § enthalten bei Tieren ein Centriolenpaar § bei Pflanzen und Pilzen keine Centriolen § MT entspringen an der Oberfläche der Centrosomen (- Ende der MTs) § Spindel Pole Bodies (SPBs) in Pilzen mit ähnlicher Funktion PE A-3 Dresselhaus  12. Cytoskelett Mikrotubuli Aufbau der Centriolen fungiert als MTOC - enthält Triplett-MT Triplett-Mikrotubuli A B C 9x3 Dresselhaus  12. Cytoskelett Mikrotubuli Aufbau der Basalkörper der Cilien (Wimpern) & Flagellen (Geißeln) fungiert als MTOC - enthält Triplett-MT Triplett-Mikrotubuli A B C 9x3 Dresselhaus  12. Cytoskelett Mikrotubuli Aufbau der Cilien (Wimpern) & Flagellen (Geißeln) Beispiele für MT enthaltende Strukturen Cilien Geißeln / Flagellen Epithelzellen Gameten vielzelliger Tiere und niederer Pflanzen Æ 0.25 µm; 2-20 µm lang Æ 0.25 µm; 10-200 µm lang sehr viele pro Zelle 1 - wenige pro Zelle Ruderbewegung Wellenbewegung Dresselhaus  12. Cytoskelett Mikrotubuli Aufbau der Cilien (Wimpern) & Flagellen (Geißeln): Axonembereich Prinzipiell gleicher Aufbau Axonem § Plasmamembran § zentrales Bündel von MT = Axonem § 9x2 + 2 Anordnung § Basalkörper (9x3 Anordnung) Übergangszone Basalkörper Dresselhaus  12. Cytoskelett Mikrotubuli Aufbau der Cilien (Wimpern) & Flagellen (Geißeln): Axonembereich Radialspeichen Verbindungs-Proteine A B Dresselhaus  12. Cytoskelett Mikrotubuli Aufbau der Cilien & Flagellen (Axonembereich): Motorprotein Dynein isolierte MTs im Flagellum Dynein verursacht „Gleiten“ der MT Dynein verursacht „Biegung“ Dresselhaus  12. Cytoskelett Mikrotubuli Zusammenfassung: Aufbau & Aufgaben Ø aus α- & β-Tubulin Dimeren (je 50 kDa; 1% des Zellproteins) Ø Mikrotubulus (Æ 25 nm) besteht aus 13 Protofilamenten Ø Mikrotubuli-Aufbau ist sehr dynamisch (+ & - Ende; MTOC) Ø Herstellung der äußeren Zellform Ø Gleitschienen u.a. zum Transport von Vesikeln (Cytosen), Organellen Ø Positionierung von Organellen Ø Herstellung komplexer Aggregate: Centriol, Kernteilungsspindel, Basalkörper, Cilien & Flagellen Ø Motorproteine: Dynein [Richtung (-) Ende], Kinesin [Richtung (+) Ende] Dresselhaus  12. Cytoskelett Intermediärfilamente (IF) Vorkommen Fibroblast Nierenzelle Nierenzelle (Vimentin: grün; MT: rot) (Pfeile: Vimentin) (Vimentin in der Mitose) PE 38-4 Dresselhaus  12. Cytoskelett Intermediärfilamente (IF) Aufbau & Eigenschaften § Æ ca. 10 nm (zwischen MT & MF) § aus „fädigen“ Proteinen aufgebaut § seilartige Fasern § weniger dynamisch als MF und MT § stabilere, dauerhafte Strukturen § hohe Zugfestigkeit Dresselhaus  13. Zell-Zell-Verbindungen 2. Haftverbindungen 3 Typen: Haftung an Mikrofilamenten, Intermediärfilamenten oder an die ECM Zonula adherens Desmosomen Hemidesmosomen Keratin (IF) Aktin (MF) Kollagen (ECM) PE 33-7 Dresselhaus  12. Cytoskelett Intermediärfilamente (IF) Zusammenfassung Funktionen Ø Schutz der Zellen bei mechanischen Belastungen Ø involviert in Zell-Zell-Verknüpfungen (Gewebeverband) Vorkommen Ø sehr variable Komponente des Cytoskeletts Ø vor allem in tierischen Zellen, die mechanischen Belastungen ausgesetzt sind Ø z.B.: in Haut-Epithelzellen: Keratine in Muskelzellen: Desmin u.a. in Erythrozyten: Spektrin in Fibroblasten: Vimentin in Nervenzellen (Neuronen): Neurofilamentproteine im Zellkern aller Zellen: Lamine (nukleare Lamina) Dresselhaus  12. Cytoskelett Interaktionen der Cytoskelettelemente Plectin verbindet Cytoskelettkomponenten Plectin Mikrotubuli: rot, F-Aktin: gelb Intermediärfilamente: orange Plectin: hellblau PE 38-7 Dresselhaus  12. Cytoskelett Motorproteine zelluläre ATPase-Motoren Motor-Protein Myosin I Myosin II Myosin V Kinesin Dynein Filament-Typ F-Aktin F-Aktin F-Aktin Mikrotubuli Mikrotubuli Mikrofilamente F Myosine Intermediärfilamente F (-) Mikrotubuli F Kinesine (Richtung + Ende) F Dyneine (Richtung - Ende) PE 39-1 Dresselhaus  12. Cytoskelett Motorproteine Kinesine: Struktur & Funktion (2 leichte & 2 schwere Ketten: 4 Proteine) Kopf verdrehte Spirale Hals Stengel1 Stengel2 leichte Ketten Kinesine wandern an MT in (+)-Richtung PE 39-8/9 Dresselhaus  12. Cytoskelett Motorproteine Kinesin & Dynein arbeiten antagonistisch Ladung Ø Kinesine wandern in (+)-Richtung - + Ø Dyneine wandern in (-)-Richtung PE 40-1 Dresselhaus  12. Cytoskelett Motorproteine Interaktion verschiedener Motorproteine mit Cytoskelettkomponenten Intermediärfilament (IF) Arp: Actin related protein Mikrotubulus PE 40-4 Dresselhaus  12. Cytoskelett Motorproteine ATPase-Mechanismus von Myosin (Aktin-Filamente) 1. 2. 3. 4. 1. schnelles Gleichgewicht zw. freiem und gebundenem Myosin 2. Pi dissoziiert / leichte Kette von Myosin rotiert 3. ADP dissoziiert 4. ATP-Bindung / Kopf dissoziiert PE 39-6B Dresselhaus  12. Cytoskelett Gifte Zusammenfassung Colchizin – Alkaloid aus Colchium spec. (Herbstzeitlose) Ø Verhinderung der Polymerisation von Tubulin-Dimeren Vinblastin & – Alkaloide aus Vinca spec. (Immergrün) Vincristin Ø Verhinderung der Polymerisation von Tubulin-Dimeren Taxol – Gift der Eibe (Taxus spec.) Ø stabilisiert MT irreversibel Phalloidine – Gift des grünen Knollenblätterpilzes (Amanita phalloides) Ø Anhäufung von Mikrofilamenten Cytochalasine – Toxine aus primitiven Pilzen (Helminthosporium spec.) Ø Auflösung der Mikrofilamente Dresselhaus  Inhalte der Vorlesung Zusammenfassung þ Methoden der Zellbiologie: u.a. Mikroskopie, Zellfraktionierung þ Die Plasmamembran (Aufbau/Funktion & Transportvorgänge) þ Die Zelle der Eukaryoten: Überblick über Bau & Funktion þ Zellwand & extrazelluläre Matrix, Zellhüllen þ Zellkern, DNA, Nukleolus, Chromatin, Gen þ RNA, Ribosomen & Proteasom þ Vesikel-Traffic: ER, Golgi Apparat & Exozytose þ Lysosomen, Peroxisomen & Glyoxisomen þ Mitochondrien & Plastiden þ Cytoskelett i Zell-Zell-Kontakte & -kommunikation i Zellteilung & Zelltod Dresselhaus  13. Zell-Zell-Verbindungen...insbesondere bei tierischen Zellen tierische Epithelzellen / Nervenzellen / Muskelzellen u.a. PE 33-1 Dresselhaus  13. Zell-Zell-Verbindungen...insbesondere bei tierischen Zellen 3 funktionelle Verbindungstypen 1. tight junctions (Zonula occludens) F undurchlässigie Zell-Zell-Verbindungen 2. Haftverbindungen A: Zonula adherens in Assoziation mit Mikrofilamenten B: Macula adherens (Desmosomen) in Assoziation mit Intermediärfilamenten (insb. Keratine) 3. kommunizierende Verbindungen (Stoffaustausch) A: gap junctions B: Plasmodesmata (bei Pflanzen) C: chemische Synapsen (insb. Neuronen) Dresselhaus  13. Zell-Zell-Verbindungen 1. tight junctions tight junction (Zonula occludens) einer Epithelzelle TEM Gefrier-Bruch “Interpretation” PE 33-2 Dresselhaus  13. Zell-Zell-Verbindungen Methodik Gefrierbruch-/Gefrierätz-Elektronenmikroskopie 1. Kryofixierung (-196°C) 2. Brechen 4. Replikation 3. Ätzen 5. Reinigung & SEM Dresselhaus  13. Zell-Zell-Verbindungen 1. tight junctions tight junction (Zonula occludens) einer Epithelzelle TEM Gefrier-Bruch “Interpretation” PE 33-2 Dresselhaus  13. Zell-Zell-Verbindungen 1. tight junctions tight junction (Zonula occludens) einer Epithelzelle Zelle 1 Zelle 2 Occludin Claudin PM 1 PM2 Ø verhindern das Eindringen von extrazellulärer Flüssigkeit Ø umgeben ringförmig die ganze Zelle Ø Membranen von benachbarten Zellen sind miteinander “verklebt“ Dresselhaus  13. Zell-Zell-Verbindungen 2. Haftverbindungen Desmosomen (Macula adherens) & Hemidesmosomen Keratin-Filamente Cadherine Desmosomen cytoplasmatischer Plaque (Desmoplakin) Hemidesmosomen Keratine extrazelluläre Matrix (z.B. Basalmembran) ü verbinden benachbarte Zellen fest miteinander ü haben Kontakt zu Intermediärfilamenten (z.B. Keratin, Vimentin) ü verankern Zellen an der extrazellulären Matrix (ECM): Hemidesmosomen Dresselhaus  13. Zell-Zell-Verbindungen 3. kommunizierende Verbindungen Plasmodesmata (Pflanzen) glattes ER Desmotubulus Cytosol Mittellamelle + 2 Primärzellwände Plasmamembran verbinden fast alle Zellen in höheren Pflanzen miteinander F Symplast: Gesamtheit der Protoplasten (verbundene Zellinnenräume) F Apoplast: Gesamtheit der Zellwände (extrazelluläre Bereiche) Dresselhaus  13. Zell-Zell-Verbindungen 3. kommunizierende Verbindungen Plasmodesmata (Feinstruktur) cytoplasmatische und ER-Verbindungen zwischen Zellen: F in Tüpfeln befinden sich viele Plasmodesmata F Ausschlußgröße kann reguliert werden (normal ca. 1 kDa) Raven 4-18 Dresselhaus  13. Zell-Zell-Verbindungen 3. kommunizierende Verbindungen gap junctions (nur bei tier. Zellen) Connexin Connexon-Kanal gap junction-Kanal aus 6 Connexinen aus 12 Connexinen Ø regulierbare Verbindungskanäle zwischen den Zellen Ø Ausschlußgröße ca. 1 kDa (Ionen, Monosaccharide, Aminosäuren passieren ungehindert) Ø schließen bei hohen Ca2+ Konzentrationen und niedrigem pH Dresselhaus  13. Zell-Zell-Verbindungen 3. kommunizierende Verbindungen gap junctions (nur bei tier. Zellen) - Ca2+ + Ca2+ Aufnahme: Rasterkraftmikroskop (Atomkraftmikroskop) [engl. atomic/scanning force microscope; AFM] Müller et al., EMBO J. (2002) Dresselhaus  13. Zell-Zell-Verbindungen 3. kommunizierende Verbindungen gap junctions (nur bei tier. Zellen) 2 nm-Gap TEM Gefrier-Bruch isolierter gap junction PE 33-5 Dresselhaus  13. Zell-Zell-Verbindungen Zusammenfassung 3 Zell-Zell-Verbindungstypen F Funktionen F Vorkommen F Zusammensetzung, Verankerung Methoden F Rasterkraftmikroskop F Gefrierbruch-Elektronenmikroskopie Dresselhaus