Kapitel 2: Cytoskelett

Question 1

Aus welchen Filamenten ist das Cytoskelett aufgebaut und wie gross ist deren jeweiliger Durchmesser?

Answer 1

• Mikrotubuli (25nm)
• Intermediärfilamente (10nm)
• Actinfilamente (7nm, werden auch Mikrofilamente genannt)

Question 2

Nenne Funktionen des Cytoskeletts (7)

Answer 2

• Transportweg
• Kraftgenerator
• Kraftsensor
• Stabilisator
• Zellformgeber
• Baugerüst
• Signaltransduktion

Question 3

Woraus besteht ein Actin-Filament und wie wird es aufgebaut?

Answer 3

Actinfilamente sind zweisträngige helikale Strukturen aus Actin-Monomoren (G-Actin). Actin-Monomere könnender zu Filamenten (F-Actin) polymerisieren, wenn sie ATP gebunden haben. Als Ausgangspunkt der Polymerisation dient ein sogenannter Keim (ein spontan gebildetes Aggregat aus Actin-Monomeren). Durch Addition von ATP-gebundenen Actin-Monomeren). Durch Addition von ATP-gebundenen Actin-Monomeren kann daraus ein (polares!) Polymer entstehen. Das Gleichgewicht der Polymerisation ist erreicht, wenn sich Zerfall und Anlagerung der Untereinheiten die Waage halten.

Question 4

Wie kommt der Tretmühlenmechanismus von Actin zustande?

Answer 4

Am (-)-Ende läuft die ATP-Hydrolyse schneller ab als die strukturell ungünstige Addition neuer ATP-gebundene Actin-Monomere. Weil durch die ATP-Hydrolyse die Bindung zu den benachbarten Actinen abgeschwächt wird, zerfällt das (-)-Ende langsam. Am (+)-Ende verläuft die Anlagerung neuer ATP-Actine schneller als der Zerfall durch die ATP-Hydrolyse, folglich findet dort ein Wachstum statt. Durch das schrumpfende (-)-Ende un d das wachsende (+)-Ende bleibt der Actin-Strang gleich lang, bewegt sich aber Tretmühlen-artig fort.

Question 5

Wie sind Mikrotubuli aufgebaut?

Answer 5

Mikrotubuli sind lange, recht rigide, polare Hohlzylinder aus obligaten Heterodimeren aus alpha- und beta-Tubulin welche sich längsgerichtet zu Protofilamenten zusammenlagern (nur wenn beide ein GTP gebunden haben); 13 Protofilamente bilden dann durch laterale Kontakte ein Mikrotubuli-Filament. Das (+)-Ende wird stets durch ein beta-Tubulin gebildet, das (-)-Ende durch ein alpha-Tubulin. Das Wachtsum findet v.a. Am (+)-Ende statt.

Question 6

Wie unterscheiden sich alpha- und beta-Untereinheiten eines Tubulin-Heterodimers?

Answer 6

Beta-Tubulin ist eine GTPase, während GTP beim alpha-Tubulin eine konstitutive Komponente darstellt

Question 7

Wodurch wird das Wachstum eines Mikrotubuli-Filaments limitiert?

Answer 7

Die Konzentration an freien Untereinheiten ist beschränkt, weshalb irgendwann deren kritische Konzentration erreicht wird

Question 8

Was versteht man unter der dynamischen Instabilität von Mikrotubuli-Filamenten? Welches Ende ist instabiler?

Answer 8

Geht das GTP-Cap eines Mikrotubuli-Filaments durch eine Katastrophe verloren, so findet eine rapide Depolymerisation statt. Das Filament wächst erst wieder, wenn eine neues GTP-Cap ausgebildet wird (Rettung). Diese dynamische Instabilität ermöglich den Mikrotubuli räumlich-zeitliche Flexibilität. Weil das (-)-Ende langsamer wächst als das (+)-Ende wird es eher von der Hxdrolyse eingeholt (=> Katastrophe) und ist deshalb instabiler.

Question 9

Wieso können Substanzen, welche die Polymerisation von Mikrotubuli verhindern, chemotherapeutisch zur Krebsbehandlung eingesetzt werden?

Answer 9

Krebszellen befinden sich häufiger in der Mitose als andere Zellen und sind deshalb mehr auf die aus Mikrotubuli bestehenden mitotischen Spinden angewiesen

Question 10

Wie sieht der Assemblierungsmechanismus von Intermediärfilemnten aus?

Answer 10

Zwei monomers intermediäre Filamentproteine lagern sich parallel zu einem Coiled-Coil-Dimer zusammen. Zwei solche Dimere können sich antiparallel zu einem Tetramer zusammenlagern. Dieses ist aufgrund seiner Symmetrie nicht mehr polar! Acht Tetramere können sich schliesslich zu einem seilartigen Filament umwinden.

Question 11

Vergleiche die mechanische Eigenschaften der cytoskelettalen Filamente

Answer 11

Intermediärfilamente weisen eine seilartige Festigkeit bei guter Deformierbarkeit auf und somit von den drei Filamenttypen des Cytoskeletts die besten mechanischen Eigenschaften, um Kräften zu widerstehen. Actin-Filamente sind relativ flexibel und elastisch, Mikrotubuli sind eher rigide

Question 12

In welchen Kategoriene werden Intermediärfilamente unterteilt? Nenne je ein Beispiel
(4)

Answer 12

• Epitheliale: Keratin (Haut, Haare, Nägel; Quervernetzung durch Disulfidbrücken sorgt für Robustheit)
• Vimentinartige: Vimentin (kommt in allen Zellen mesenchymale Ursprungs vor)
• Neuronale: Neurofilamente (kleiden Innenseite der Axonmembranen aus)
• Nukleäre: Kernlamine (bilden die innere Auskleidung der Zellkernmembran, die Lamina)

Question 13

Wie beeinflussen Profilin und Thymosin die Actinpolymerisieung?

Answer 13

Beide binden freies G-Actin. Thymosin verhindert dadurch deren Assemblierung, Profilin dagegen verschnellert die Filament- Elongation

Question 14

Welcher Komplex ermöglicht die Bildung von verzweigten F-Actin-Netzwerken?

Answer 14

Der Arp2/3-Komplex. Dieser bindet an bestehende F-Actin-Filamente und initiiert als Keim die Bildung eines neuen, vom bestehenden Filament ausgehenden Filaments

Question 15

Nenne zwei Proteine, die bei einem Mikrotubuli-Filament eine Katastrophe auslösen können

Answer 15

• Kinesin 13: induziert durch Bindung ans GTP-Cap eine Katastrophe am (+)-Ende
• Katanin: Schneidet Mikrotubuli in der Mitte durch, woraufhin die Fragmente rapide depolymerisieren

Question 16

Wo findet man gamma-Tubulin?

Answer 16

Ringkomplexe aus gamma-Tubulin (gamma-TuRC) findet man im Centrosom. Diese fungiert als MTOC (Mikrotubuli Organizing Center), an welchem viele Mikrotubuli mit ihrem (-)-Ende an einem gamma-TuRC befestigt sind und von deren (+)-Enden von dort aus gerichtet auswachsen. Diese gerichtete Polarität ist sehr wichtig, zum Beispiel für den direktionalen Transport

Question 17

MAP-2 und Tau dienen der Quervernetzung von Mikrotubuli-Filamenten
Richtig/Falsch

Answer 17

Richtig.
MAP-2 und Tau vernetzen Mikrotubuli-Filamente, wobei die laterale Abstände der Filamente bei einer Vernetzung durch Tau etwas kleiner sind als bei einer Vernetzung durch MAP-2

Question 18

Welche Krankheit kann durch eine Keratin- oder Plectinmutation ausgelöst werden?

Answer 18

Die Hautkrankheit Epidermolysis bullosa (“Schmetterlingshaut”)

Question 19

Welche Motorproteine sind verantwortlich für Actin-basierte und Mikrotubuli-basierte Motilität? In welche Richtung bewegen sich diese molekularen Motoren auf dem jeweiligen Filament?

Answer 19

• Actin-basierte Motilität: Myosine. Myosine laufen zum (+)-Ende hin (ausser Myosin IV)
• Mikrotubuli-basierte Motilität: Dyneine und Kinesine. Dyneine wandern stets zum (-)-Ende eines Mikrotubuli-Filaments, die meisten (nicht alle) Kinesine zum (+)-Ende.

Hinweis: Alle oben aufgeführten Motorproteine sind ATPasen!

Question 20

Actin und Tubulin werden durch Multigenfamilien codiert. Was für Vorteile haben solche Genfamilien?

Answer 20

Multigenfamilien ermöglichen die funktionelle Divergenz (Spezialisierung) von Isoformen und/oder regulatorische Flexibilität.

Question 21

Wieso gibt es keine Motorproteine für Intermediärfilamente?

Answer 21

Weil Intermediärfilamente unipolar Strukturen sind, auf denen sich ein Motorprotein nicht orientieren könnte. Es wäre keine gerichtete Bewegung möglich.

Question 22

Transportproteine spielen eine Rolle bei der Lokalisieruhng von mRNA
Richtig/Falsch

Answer 22

Richtig
Beispiel: In der Entwicklung von Drosophila sind die Transportproteine durch Lokalisierung von mRNA an der embryonalen Musterbildung beteiligt

Question 23

Wie unterscheiden sich eukaryotische Flagellen und Flagellen von Bakterien?

Answer 23

Die Flagellen der Prokaryoten sind Proteinfäden ausserhalb der Zellmembran, die sich nicht aktiv verformen, sondern durch einen Rotationsmotor in Drehung versetzt werden und so das Bakterium bewegen. Die Flagellen der Eukaryoten dagegen sind von der Zellmembran umschlossene Aussstülpunge der Zelle, in welchen sich Mikrotubuli befinden. Diese bewirken Bewegung durch aktive Formveränderung

Question 24

Bei Eukaryoten sind Cilien und Flagellen synonyme Begriffe.

Richtig/Falsch

Answer 24

Falsch.
Beide sind zwar aus Mikrotubuli und Dyneinmotoren aufgebaut, aber Flagellen kommen einzeln vor und sind länger als die meist in Gruppen vorkommenden Cilien. Flagellen bewegen sich eher wellenartig, Cilien (Kinocilien) eher peitschenartig.

Question 25

Wie ist ein eukaryotisches Flagellum aufgebaut?

Answer 25

Der Grundaufbau wird als Axonem bezeichnet und besteht aus einem zentralen Mikrotubulipaar, um welches herum 9 weitere Mikrotubuli-Dupletts ringförmig angeordnet sind (9x2 + 2). Das axonemale Bewegungsprotein ist das Dynein. Dyneinmotoren und weitere Hilfsproteine verbinden die Dupletts im Ring untereinander und verbinden diese auch mit dem zentralen Mikrotubulipaar.

Question 26

Primärzilien transportieren Flüssigkeits- und Schleimfilme.

Richtig/Falsch

Answer 26

Anders als Kinozilien sind die Primärzilien nichtmotil, sondern dienen primär der Signalrezeption. Sie enthalten kein Dynein und ihnen fehlt das zentrale Mikrotubulipaar (9x2 + 0)

Question 27

In welche drei Stufen lässt sich das Kriechen von Zellen grob einteilen?

Answer 27

• Ausstülpung
• Anheftung
• Zug

Question 28

Wie läuft die Zellfortbewegung mittels Blebbing ab?

Answer 28

Durch ein Signal wird lokal der Actincortex aufgelöst. Der Zellinnendruck stülpt daraufhin die Zellmembran nach aussen, es entsteht ein Bleb. In diesem bildet sich dann ein neuer Actincortex, der sich zusammenzieht und so die Zelle vorwärtszieht

Question 29

Wie kann eine Zelle gerichtet über ein festes Substrat migrieren?

Answer 29

Die Zelle bildet dünne Fortsätze der Plasmamebran, sog. Lamellipodien, aus. Dies geschieht durch Actin-Polymerisation. Arp2/3-Komplexe binden dabei an bestehende Actinfilamente und dienen als Keim für die Polymerisation neuer Filamente. Proteine wie Integrine u.v.m bewerkstelligen fokale Adhäsionen (verankernde Zellverbindung) des Lammelipodiums an das Substrat, was es der Zelle ermöglicht, eine Zugkraft zu generieren und sich nach vorne zu ziehen. Um den hinteren Teil der Zelle nachzuziehen, wird das Actingerüst am Hinterende mit Hilfe des Motorproteins Myosin zusammengezogen.

Question 30

Filopodien sind nicht direkt an der Zellfortbewegung beteiligt
Richtig/Falsch

Answer 30

Filipodien sind länglich-dünne Ausstülpungen, welche z.B an der Front eines Lamellipodiums entstehen. Sie fungieren als Sensoren und diene der Zelle zur Exploration ihres nahen Umfelds

Question 31

Welche GTPasen sind an der ständigen, dynamischen Reorganisation des Actin-Cytoskeletts beteiligt? (3)

Answer 31

• Rho
• Rac
• CDC42

Question 32

Welche Arten von Muskulatur findet man im menschlichen Körper? Welche könne willentlich gesteuert werden? (3)

Answer 32

• Glatte Muskulatur
• Herzmuskulatur
• Skelettmuskulatur (willentlich steuerbar)

Question 33

Wie kommt es, dass Skelettmuskelfaserzellen Syncytien sind?

Answer 33

Sie entstehen aus der Verschmelzung von Myoblasten

Question 34

Welches ist die kleinste funktionelle Einheit eines Skelettmuskels? Wie ist eine solche Einheit aufgebaut?

Answer 34

Die kleinste Funktionelle (resp. Kontraktile) Einheit eines Skelettmuskels ist das Sarkomer. Aneinandergereiht bilden sie die Myofibrillen. Ein Sarkomer besteht aus dicken Myosin- und dünneren Actinfilamenten und wird begrenzt durch Z-Scheiben. Nebulin ist stark mit dem Actinfilament assoziierte und bestimmt die minimale Länge des Sarkomers, Titin verbindet die Z-Scheiben mit dem dicken Myosinfilament, wirkt als molekulare Feder und bestimmt als solche die Maximallänge des Sarkomers. Die (-)-Enden der Actinfilamente sind Tropomodulin-gecapt, die (+)-Enden and der Z-Scheide CapZ-gecapt.

Question 35

Wie wird eine Muskelkontraktion in einem Skelettmuskel ausgelöst?

Answer 35

Wird eine Muskelzelle durch einen Nervenreiz stimuliert, so leitet T-Tubuli (Einstülpungen der Muskelzellmembran) das Aktionspotential ins Innere der Muskelzelle. Dadurch werden Ca2+ strömt ins Cytosol der Muskelzelle aus. Im entspannten Muskel sind die Myosinbindungsstellen von Actin durch Tropomyosin blockiert. Bindet nun ein Kalzium an Troponin, so ändert dies sein Konformation und verschiebt dadurch das Tropomyosin. Dies erlaubt es dem Myosin, an die freigewordene Bindungsstelle auf dem Actin zu binden und so eine Kontraktion zu bewirken.