Bevegelse, kontraksjon og cytoskjelettet Flashcards
Hvordan er intermediære filamenter bygget opp? Gjør kort rede for funksjon til keratinfilamenter, laminer og nevrofilamenter.
Intermediære filamenter danner først en dimer (parallell coiled;coil), deretter legges to dimerer antiparallelt som en tetramer. Endelig bygger tetramerene opp lange multimerer, som går sammen (ofte 8 av gangen) og danner et ferdig intermediært filament. Ved at grunnenhetene er antiparallelle mangler de retning, og er derfor ikke egnet for at motorproteiner kan bevege seg langs dem. Hovedfunksjon til intermediære filamenter er strekkfasthet og struktur. Keratinfilamenter knytter sammen desmosomer og hemidesmosomer og er utbredt i epitelceller, spesielt der vevet er utsatt for mekanisk stress. Nevrofilamenter finnes i nerveceller, forgrenet ut i akson og dendritter, og motvirker at disse rives i stykker. Laminer danner et stillas på innsiden av kjernehylsteret. (Dette stillaset løser seg opp før mitosen, men laminene er hele tiden gjennom mitosen bundet til fragmenter av kjernemembran. Når den nye kjernen skal dannes bindes laminene igjen sammen slik at kjernehylsteret reetableres.
Hvordan foregår aksonal transport?
Med aksonal transport menes trafikk av vesikler, organeller og molekyler fra cellelegemet (somta) og mot aksonterminalen (anterograd aksonal transport) eller den motsatte veien (retrograd aksonal transport). Denne trafikken skjer ved hjelp av motorproteiner. Halene på motorproteinene er festet til vesikler/molekyler som skal transporteres, hodene beveger seg langs mikrotubuli. Kinesiner beveger seg mot +;enden av mikrotubuli og er ansvarlige for anterograd transport, dyneiner beveger seg den andre veien. ATP forbrukes under bevegelsen. I tillegg til trafikk langs mikrotubuli er det også noe transport langs aktinfilamenter.
Hvordan er aktinfilamenter bygget opp, og hvordan kan de stå bak raske endringer i cellens form? Bruk gjerne tegninger.
Enkeltstående aktin-molekyler (globulært aktin eller G-aktin) kan bindes sammen i lange kjeder til filamenter (F-aktin). F;aktin består av to parallelle kjeder av aktinmonomerer. Aktinmonomerene ligger etter hverandre med samme molekylære orientering. Det blir dermed en retning på filamentet (dette er essensielt for at motorproteiner skal kunne bevege seg langs det), som til enhver tid har to ender: minus-enden og pluss-enden. Pluss-enden er den siden av filamentet som forlenges raskest, men aktintråden kan vokse i begge ender. Aktinfilamentet er ustabilt, og vil brytes ned raskt i begge ender dersom endene ikke stabiliseres ved binding til bestemte proteiner. Polymerisering av aktin er ATP-krevende: kun ATP-bundet G-aktin kan bindes til filamentet, ATP hydrolyseres deretter til ADP. Aktinfilamenter kan danne ulike nettverk, og bindes til membraner. Dette reguleres av aktin;bindende proteiner. Cellen har til enhver tid et stort overskudd av G;aktin, dette hindres fra å polymerisere av egne aktin-sekvestrerende proteiner. Disse slipper taket når polymerisering skal foregå. Capping-proteiner stabiliserer endene av F-aktin, og kan i tillegg være festet i membraner. Kryssbindende proteiner organiserer aktinfilamentene i ulike typer nettverk (gel-liknende nettverk, parallelle eller antiparallelle bunter etc.). Nukleeringsproteiner starter polymeriseringen av et filament, fragmenterende proteiner angriper langs fiberen og kutter denne opp i flere kortere filamenter for raskere nedbrytning. Cellen kan danne utløpere (mikrovilli, lamellipodier, filopodier) ved at aktinfilamenter forlenges og dytter membranen foran seg. Motsatt kan det dannes furer og invaginasjoner ved at aktinfilamenter forankret i membranen trekkes inn i cellen. Disse prosessene er dynamiske og hurtige.
Skisser bestanddelene av og funksjonen til skjelettmuskelcellens kontraktile apparat.
Skeletal muscles contract according to the sliding filament model: Studentene bør ha med i besvarelsen det som er understreket. Elementer som bør være med er aktin, myosin, tropomyosin, troponin C og troponin T. An action potential originating in the CNS reaches an alpha motor neuron, which then transmits an action potential down its own axon. The action potential propagates by activating sodium dependent channels along the axon toward the synaptic cleft. Eventually, the action potential reaches the motor neuron terminal and causes a calcium ion influx through the calciumdependent channels. The Ca2+ influx causes vesicles containing the neurotransmitter acetylcholine to fuse with the plasma membrane, releasing acetylcholine out into the extracellular space between the motor neuron terminal and the motor end plate of the skeletal muscle fiber. The acetylcholine diffuses across the synapse and binds to and activates nicotinic acetylcholine receptors on the motor end plate of the muscle cell. Activation of the nicotinic receptor opens its intrinsic sodium/potassium channel, causing sodium to rush in and potassium to trickle out. Because the channel is more permeable to sodium, the muscle fiber membrane becomes more positively charged, triggering an action potential. The action potential spreads through the muscle fiber’s network of T;tubules, depolarizing the inner portion of the muscle fiber. The depolarization activates L;type voltage;dependent calcium channels (dihydropyridine receptors) in the T tubule membrane, which are in close proximity to calcium; release channels (ryanodine receptors) in the adjacent sarcoplasmic reticulum. Activated voltage; gated calcium channels physically interact with calcium;release channels to activate them, causing the sarcoplasmic reticulum to release calcium. The calcium binds to the troponin C present on the actin-containing thin filaments of the myofibrils. The troponin then allosterically modulates the tropomyosin. Normally the tropomyosin sterically obstructs binding sites for myosin on the thin filament; once calcium binds to the troponin C and causes an allosteric change in the troponin protein, troponin T allows tropomyosin to move, unblocking the binding sites. Myosin (which has ADP and inorganic phosphate bound to its nucleotide binding pocket and is in a ready state) binds to the newly uncovered binding sites on the thin filament (binding to the thin filament is very tightly coupled to the release of inorganic phosphate). Myosin is now bound to actin in the strong binding state. The release of ADP and inorganic phosphate are tightly coupled to the power stroke (actin acts as a cofactor in the release of inorganic phosphate, expediting the release). This will pull the Z-bands towards each other, thus shortening the sarcomere and the I;band. ATP binds myosin, allowing it to release actin and be in the weak binding state (a lack of ATP makes this step impossible, resulting in the rigor state characteristic of rigor mortis). The myosin then hydrolyzes the ATP and uses the energy to move into the “cocked back” conformation. In general, evidence (predicted and in vivo) indicates that each skeletal muscle myosin head moves 10;12 nm each power stroke, however there is also evidence (in vitro) of variations (smaller and larger) that appear specific to the myosin isoform. The previous two steps repeat as long as ATP is available and calcium is present on thin filament. While the above steps are occurring, calcium is actively pumped back into the sarcoplasmic reticulum. When calcium is no longer present on the thin filament, the tropomyosin changes conformation back to its previous state so as to block the binding sites again. The myosin ceases binding to the thin filament, and the contractions cease.
Hvordan er sarkomeren i skjelettmuskelceller bygget opp?
Sarkomeren er avgrenset på hver side av Z-skiven. Fra denne går de tynne mikrofilamentene (MF) av F-aktin inn mot midten. Fra midten av sarkomeren går tykkere bunter av motorproteinet myosin i kylets tunge kjede består av et globulært hode og en lange hale. Halene til to tunge kjeder er tvunnet rundt hverandre i “coiled coils”. Z-skiven inneholder capping-proteiner slik at plussenden ikke depolymeriserer, og alpha-aktinin som kryssbinder aktin, dermed danner de lange kjedene av sarkomerer i proteinet tropomodulin og hindrer depolymelisering av minusenden. Langs etter MF ligger lange side-bindene tropomyosin proteiner og blokkerer for myosinbinding.Tropomyosin er regulert av det kalsiumsensitive troponin komplekset. Det elastiske proteinet, titin, som med ca 25000 aminosyrer er vårt største protein og som strekker seg fra Z-skiven til midten av sarkomeren, bidrar til at sarkomeren har konstant lengde i avslappet tilstand. Dette siste er ikke nødvendig fbestått besvarelse på denne oppgaven. Generelt er det også viktigere at studenten forstår den mekaniske oppgaven til hver proteinklasse enn at hun husker nøyaktige navn på proteiner.
Beskriv mekanismen for kontraksjon i tverrstripet muskulatur.
Kontraksjon: myosinhodet kan binde seg til 1) aktin og 2) undergå konformasjonsendringer. Motorproteinet myosin er en ATPase, der steg 1 og 2 er regulert av binding av ATP/ADP. Studenten bør kunne beskrive en syklus som f. eks. starter med A) myosinhodet med ADP og fosfat (Pi) bundet, har I) lav konformasjon. B) Ved binding til aktin frigjøres Pi, som gir i) økt affinitet til aktin og ii) trekkes et kort stykke inn mot midten av sarkomeren. C) ADP løsner og erstattes med ATP. Dermed løsner myosinhodet fra aktin samtidig som det gjenvinner sin utstrakte konformasjon fra A. D) Ved hydrolyse av ATP er vi så tilbake til A igjen, men myosinhodet vil nå feste seg lengre fremme skiven). Ved repeterte A-D sykluser og forbruk av energi i form av ATP fra mitokondriene får vi dermed gliding av MF mot midten av sarkomeren. Samtidig aktivitet i mange myosinhoder i hver ende av myosinfilamentene bevirker forkortning av sarkomeren, og dermed sammentrekning av muskelcellen og muskelen som helhet. Regulering: I avslappet tilstand av muskulaturen hindres binding av myosinhodet til aktintråden sterisk ved at tropomyosinmolekyler, som ligger utstrakt langsetter aktintrådene, stenger for setet på aktin der myosinhodet bindes. komplekset troponin. Ved binding av Ca2+ får vi en konformasjonsendring av troponinkomplekset. Resultatet er at tropomyosintråden trekkes bindingssetet på aktintråden avdekkes og kontraksjonssyklusen kan settes i gang. Kontraksjonen er således regulert av nivået av fritt Ca2+. Normalt er Ca2+ lavt i cytosol, grunnet aktiv pumping inn i sarkoplasmatisk retikulum (SR). Ved nervestimulering av muskelcellen utløses aksjonspotensialer som brer seg langsetter rørene. Det elektriske signalet er strømmer ut i cytosol (detaljer utover aksjonskoplingen behøves ikke). (Det vil være et pluss om besvarelsen inneholder noe om at fravær at ATP gjør at myosinhodet holdes fast bundet til aktintråden, siden ADP da ikke byttes ut. Dette ansvarlig for dødsstivhet, rigor mortis).
Gjør rede for oppbygning av cilier.
Cilier er utvekster av celleoverflaten som beveger seg i ordnete, sveipende bevegelser. Det som skaper bevegelsen er en anordning av mikrotubuli som kalles et aksonem. Aksonemet er forankret i et basallegeme, som består av ni triple mikrotubulus;rør. Høyere opp går dette over i ni dobbeltrør (består av A; og B;rør satt sammen) som danner en ytre sirkel, med to enkle mikrotubuli i sentrum. Bevegelse skapes ved innbyrdes paralleforskyvning av dobbeltrørene. Motorproteiner i dynein; familien (ytre og indre dynein;armer) er forankret i A;røret og “klatrer” langs B;røret på nærmeste dobbeltrør under forbruk av ATP. I tillegg inngår en rekke mikrotubulus;bindende proteiner som samler rørene og binder aksonemet sammen. Siden dobbeltrørene er forankret i bunnen og sideveis til hverandre vil innbyrdes glidning av dobbeltrørene fremkalle krumning av aksonemet.
Beskriv oppbygningen av en sarkomer i en tverrstripet skjelettmuskelcelle. Forklar hvordan srakomerenhetene gir oppgav til forkortning av cellen, og hvordan denne mekanismen er regulert.
En sarkomer avgrenses i hver ende av en Z-skive. Festet i hver Z-skive sitter parallelle aktinfilamenter som strekker seg i begge mengderetninger. Tvinnet rundt hvert aktinfilament er et annet filamentøst protein, tropomyosin, som igjen er bundet til mange troponinkomplekser. Uavhengig av aktinfilamenter består sarkomeren også sentralt av myosinbunter. Myosin II-molekylene er organisert parallelt med myosinhodene i hver ende av myosinbuntene. I en tverrstripet skjelettmuskelcelle sitter mange sarkomerer etter hverandre i myofilamenter. Forkorting av cellen skjer ved at hver sarkomer forkorter seg. Dettte skjer ved ar myosinhodene klarerer langs aktinfilamenter mot hver Z-skive (mot aktiners plussende). Bevegelsen skapes gjennom ATP-krevende konformasjonsendring i myosin-molekylene i fire trinn:
- I fravær av ATP sitter myosinhodene festet til aktin
- Ved binding til ATP løsner myosinhodet fra aktin
- ATP hydrolyseres til ADP og fosfat, samtidig som vinkelen på myosinhodets hals endres til en mindre spiss vinkel (myosinhodet spennes som hanen på en revolver)
- Myosinhodet binder så til aktinfilamentet og knekker tilbake til utngsngskonformasjonen samtidig som ADP frigis. Kontraksjoner reguleres ved frisetting av kalsiumioner fra sarkoplasmisk retikulum. Aksjonspotensialet ledes fra den nevromuskulære synapsen langs plasmamembranen og ned i T-rørene der spenningsavhengige membranproteiner står i direkte kontakt med kalsiumkanaler i SR. I sarkomerene vil de frigitte Ca2+ ioner bindes til troponinkomplekset, dette forårsaker en konformasjonsendring som drar tropomyosinfilamentet sideveis slik at aktinfilamentets bindingssete for myosin blir tilgjengelig. Så lenge disse setene er tilgjengelige vil myosinbevegelsen foregå syklisk inntil eventuelt ATP er oppbrukt. Ved sterk anstrengelse vil lavt ATP nivå begrense forkortning av sarkomerene. Kontraksjonen avsluttes ved at Ca2+ ioner pumpes tilbake fra cytosol til SR-lumen.
