Cytologie Flashcards
Was ist das Cytoskelett?
Ein Netzwerk aus Proteinfasern, das der Zelle ihre äußere Form verleiht und dynamisch umgebaut werden kann
Woraus besteht das Cytoskelett?
Aus Mikrotubuli, Mikrofilamenten (Actinfilamete) und Intermediärfilamenten (verschiedene Zusammensetzung, z.B. Keratin)
Was sind Actin-Filamente?
Actin-Filamente (F-Actin, synonym: Mikrofilamente) bestehen aus globulären Untereinheiten, dem G-Actin
Was macht G-Aktin?
G-Actin lagert sich spontan zu F-Actin zusammen
Das Zellskelett: Actin - Filamente
Durch Zusammenlagerung von G-Actin-Monomeren beginnt die Entstehung des F-Actins.
Von einer Anfangsstruktur wird das Mikrofilament durch Anlagerung weiterer G-Actin-Einheiten am Plus-Ende unter ATP-Verbrauch verlängert.
Das Wachstum erfolgt v.a. am Plus-Ende, das Minus-Ende verliert eher Monomere.
Daher kommt es zu einem Tret-mühlenmechanismus: Einzelne Monomere (blau) wandern durch das Filament, obwohl dessen Länge gleich bleibt.
Durch Capping-Proteine können die Minus-Enden stabilisiert werden; so kann das Mikrofilament auch länger werden.
Bedeutung der Actin
Actin ist eines der häufigsten Proteine in Zellen (ca. 1-5%, in Muskelzellen 10%). Es ist das „Rohmaterial“ für die Mikrofilamente; deren Ausformung, Dynamik und Vernetzung wird durch zahlreiche Proteine kontrolliert. Diese Proteine kontrollieren die Quervernetzung und die Interaktion mit der Zellmembran, wo sie auch die Membranproteine verankern können.
Auch innerhalb der Zelle können damit unterschiedliche Regionen mit verschiedenen Vernetzungsgraden des Actin-Gerüstes gebildet werden – z.B. Bewegung von Amöben.
Was sind Mikrotubuli?
Mikrotubuli sind hohle Röhren aus parallel liegenden Protofilamenten, die wiederum aus Tubulin-dimeren aufgebaut sind.
Auf- und Abbau erfolgt ebenfalls an verschiedenen Enden; die jeweilige Rate wird auch hier durch assoziierte Proteine bestimmt.
Aus was bestehen Mikrotubuli?
Mikrotubuli bestehen aus vielfach wiederholten Einheiten von Tubulin-Dimeren aus den beiden GTP-bindenden Proteinen α-Tubulin und β-Tubulin.
Tubulin-Dimere lagern sich zu einem Proto-filament hintereinander, die sich dann zu einer flachen Schicht anordnen. Ab einer bestimmten Breite rollt die Schicht sich zum röhrenförmigen Mikrotubulus zusammen.
Mikrotubuli: Dynamik
Mikrotubuli wachsen v.a. durch Anlagerung von Tubulin am
Plus-Ende und schrumpfen v.a. durch Verlust am Minus-Ende.
Beides hängt von der Tubulinkonzentration ab; bei bestimmten
Konzentrationen Zuwachs am +-Ende, Abbau am –Ende:
Tretmühlenzustand, d.h. einzelne Proteine „wandern“.
Die Dynamik des Auf- und Abbaus kann durch Mikrotubuliassoziierte
Proteine (MAP´s) beeinflusst werden. Die MT
gehen meist von einem zentral gelegenen Microtubuleorganizing
center (MTOC) aus; dort sind die Minus-Enden
lokalisiert.
Mikrotubuli-Organisationszentrum (MTOC)
-MTOC: z.B. das Centrosom. Dieses besteht aus zwei Centriolen, die im rechten
Winkel zueinander stehen, und der pericentriolaren Matrix (PC im Bild unten Mitte).
-Funktion: Nucleation und Verankerung von Mikrotubuli (MT).
-Centriolen gibt es nicht in allen Zellen (z.B. nicht in höheren Pflanzen); Vorläufer sind
die Basalkörper (z.B. in Hefen).
-Aufbau der Centriolen meist aus Mikrotubuli-tripletts, aber es sind auch -dupletts und
–singletts möglich.
Was sind Geißeln und Cilien
Geißeln und Cilien, aber auch der Schwanz eines Spermiums sind aus Mikrotubuli aufgebaut, die in einer komplexen Struktur, dem Axonem, organisiert sind. Die Kernstruktur besteht aus neun Mikrotubulipaaren, die durch das Protein Nexin aneinander gekoppelt sind. Von diesem äußeren Ring laufen „Speichen“ zu zwei einzelnen Mikrotubuli in der Mitte (9+2 Muster). Von einem Mikrotubulipaar zum nächsten erstrecken sich die Dynein-Arme.
Durch koordinierte Aktivierung der Dynein-Proteine auf einer Seite wandert das Dynein zum Minus-Pol, dadurch verkürzt sich die Struktur auf dieser Seite und die Geißel krümmt sich. Dieser Prozess ist ATP-abhängig; Dynein hat eine ATPase-Aktivität. Rechts ist gezeigt, wie ATP-Zugabe zwei locker verbundene (oben) oder fest verankerte (unten) Mikrotubli bewegt.
Cilien- und Flagellenbewegung
Links: Geißel oder Flagellum (Fl) von Eukaryoten mit dem typischen spiraligen Bewegungsmuster; daneben Wimper oder Cilie (Ci) mit einem peitschenförmigen Bewegungsablauf (z.B. in Flimmerepithelien etc.)
Rechts: Achtung: Die Flagellen der Prokaryoten sind völlig anders aufgebaut: das Filament besteht aus „solidem“ Protein, die Bewegung wird durch einen rotierenden Proteinkomplex geleistet (einzige Radstruktur in der Natur!) (sehe Bilder)
Welche sind die Funktionen der Mikrotubuli?
Der Schlag von Geißeln erfolgt in einem dreidimensionalen Muster, Cilien schlagen dagegen nur in einem zweidimensio- nalen Bereich. Die Schlagfrequenz von Cilien kann 5-20 Hz betragen, Nikotin etc. hemmt den Schlag.
Übersicht der Mikrotubuli-Beteiligung:
Mitose : Entwicklung und Wachstum: MT bilden Teilungsspindel und verteilen die Tochterchromosomen zu den Zellpolen
Axonstruktur : MT stützen die langen Axone
Vesikeltransport : MT transportieren in Vesikel verpackte Stoffe vom Ort ihrer Synthese zum Ort der Freisetzung
Pigmentverteilung: MT steuern die Verteilung der Pigmentkörper in der Zelle und beeinflussen so die Färbung eines Tieres
Geißelbewegung : MT treiben bspw. Spermien durch Flüssigkeiten
Cilienbewegung : Atmung, Verdauung: Cilien treiben Schleim und andere Flüssigkeiten über die Oberfläche von Epithelien
Phospholipide und Biomembranen
Alle Phospholipide in tierischen Zellen haben eine ähnliche Raumstruktur und
gehören entweder zu den Phosphoglyceriden (a) oder den Sphingolipide (b). Die
Grundgerüste sind unterschiedlich: Bei Phosphoglyceriden handelt es sich um
Glycerin, bei Sphingolipiden um Sphingosin.
Phospholipide sind amphipatische Moleküle (synonym = amphiphil), da der Cholin-
Kopf als polare Gruppe hydrophil ist und die Fettsäurereste hydrophob.
Aus was bestehen Membranen?
Nach dem Flüssigmosaikmodell bestehen Membranen aus Lipiden, (u.a. Phospholipide, Cholesterin und Glycolipide). In die Lipiddoppel-schicht sind Proteine eingelagert. Alle Elemente können in der Membran lateral diffundieren (flüssig-kristalliner Charakter).
Im Innen- und Außenblatt der Membran kommen meist unter-schiedliche Lipide vor.
Was macht Cholesterin?
Der Gehalt an Cholesterin ist in verschiedenen Membranen sehr unterschiedlich und beeinflusst die Eigenschaften stark: Es verstärkt die Fluidität, verringert aber die Durchlässigkeit für gelöste Substanzen.
Membraneigenschaften-FRAP
Die laterale Beweglichkeit von Membranproteinen kann mit mikroskopischen Methoden (FRAP) quantifiziert werden. In speziellen Bereichen der Membran ist eine hohe Dichte an Cholesterin und Glycolipiden zu beobachten; dort sind auch Phospholipide mit langen Fettsäuren bevorzugt zu finden. Durch die erhöhte Membrandicke lagern sich hier auch Proteine mit langen Transmembrandomänen bevorzugt ein: lipid rafts, Mikrokompartimente der Zellmembran. Durchschnittliche Größe (1-1000 nm), Funktion und Lebensdauer sind noch nicht abschließend geklärt.
Recycling von Membranen und Membranproteinen
Nicht nur die Membranen werden ständig als Vesikel aus der Zellmembran abgeschnürt und wieder aufgebaut, auch die Membranproteine unterliegen einem permanenten Recycling. Die Verweildauer kann dabei von Minuten bis Wochen liegen; nur sehr wenige Proteine im Körper haben längere Lebensdauern.
Recycling von Membranen und Membranproteinen: Prozess
Rezeptoren auf der Zelloberfläche erkennen und binden Zielmoleküle. Daraufhin lagern sich Clathrin-Adaptor-Komplexe von der cytosolischen Seite an die Membran an und führen zur Abknospung von Vesikeln (coated pits). Nach Abschnürung des Vesikels wird die Hülle wieder abgeworfen und der Vesikel in der Zelle weiter transportiert. Dabei dienen Membranproteine des Vesikels als „molekulare Adress-Aufkleber“ Oben EM Aufnahmen, unten Schema der beteiligten Proteine
Extrazelluläre Matrix
Die extrazelluläre Matrix besteht aus Makromole-külen, die zum Teil an den Zellen verankert sind. Ihre Bestandteile sind essentiell für die Zusammen-lagerung von Zellen zu Geweben und Organen.
Zell-Zell Interaktionen
Die Elemente der extrazellulären Domänen von Membranproteinen können mit
gleichartigen Domänen (homotypisch) oder anderen Domänen (heterotypisch)
anderer Zellen interagieren und damit Zellen verankern oder Zellprozesse steuern
Membranproteine
Für die hydrophoben Abschnitte (α-Helices oder β-Barrels) in der Struktur von Proteinen ist es energetisch günstig, im hydrophoben Innenbereich der Membran zu liegen.
Transmembranproteine durchspannen die gesamte Doppelschicht. Auf beiden Seiten der Membran liegen freie Abschnitte des Proteins, oft mit Abwandlungen, beispielsweise den Kohlenhydratketten von Glycoproteinen.
Periphere Membranproteine sind nicht in die Membran eingebettet, sondern an die frei liegenden Regionen integraler Membranproteine oder über Glycolipidanker an die Membran gebunden.
Notwendigkeit der Zellverbindungen
Zellverbindungen sind vor allem in Epithelien notwendig, um
- Die mechanische Stabilität zu gewährleisten
- Eine komplette Abdichtung der Extrazellularwege zu erreichen
- Kommunikation zwischen den Zellen zu ermöglichen
Tight junctions
Tight junctions verhindern die Bewegung von gelösten Stoffen durch den Raum zwischenden Epithelzellen. Im Bereich von Tight Junctions fehlt ein Interzellulärraum. Lange Reien von Tight-Junction-Proteinen vilden ein komplexes Netzwerk, das in der unteren Hälfte der EM-Aufnahme (Gefrierätz-Technik) deutlich erkennbar ist.
Desmosomen
Desmosomen heften benachbarte Zellen eng aneinander, behindern jedoch eine Bewegung von Stoffen im Interzellulärraum kaum. In der desmosomalen Plaque verankerte Zelladhäsionsproteine überbrücken der Interzellulärraum und bilden so die eigentliche Verbindung zwischen den Zellen. Im Cytoplasma verspannen Keratinen verankerten Hemidesmosomen heften Epithelzellen an die Basallamina
Gap Junctions
Gap Junctions ermöglichen die Kommunikation mit anrenzenden Zellen. Gelöste kleine Moleküle und elektrische Signale können durch den Kanal treten, den durch zwei Connexone (aus je sechs Connexinen) gebildet wird
Membrantransport
Wie Moleküle durch Zellmembranen geschleust werden, hängt von ihrer Fettlöslichkeit sowie von Richtung und Stärke des Konzentrationsgradienten ab.
Fettlösliche Stoffe diffundieren ungehindert entlang des Konzentrationsgradienten.
Hydrophile Substanzen können durch Membrankanäle oder mit Hilfe von Carriern ohne Energieverbrauch durch die Membran diffundieren
Aktiver Transport kann Moleküle unter Energieverbrauch entgegen einem Konzentrationsgradienten über die Membran transportieren.
Kraftwerke der Zelle
In Mitochondrien wird aus dem Energiestoffwechsel heraus ein Gradient von Protonen erzeugt, der in den zentralen Energielieferanten (ATP) umgesetzt wird
