Zellzyklus und Cytoskelett

= komplexes Netzwerk filamentarer Proteine, das sich durch Cytoplasma erstreckt

• Zellform und -festigkeit

• Verankern von Organellen und zellularen Strukturen

• Organellen-Bewegung

• Chromosomenbewegung, Mitose

• Bewegung: Kriechen, Chemokinese (Reaktion aus Chemikalien), Chemotaxis (Stoffkonzentrationsgradient)

1. Mikrofilamente (Stuzung, Transport) aus Akin

2. Mikrotubuli (Transport) aus aplha/beta-Tubuli

3. Imtermadiare Filamente (Stuzung, Formgebung) u.a. aus Keratin, Lamin

• Hochkonserviert (>80% der 375 Aminosäuren sind identisch zw. menschlichem und Amöben-Aktin)

• Bindet und spaltet ATP (ATPase)

• Existiert als ADP-Aktin und ATP-Aktin, aber niemals ohne Nukleotid

• ATP-Bindung bewirkt eine Änderung der Proteinstruktur (Konformationsänderung)

• G-Aktin assembliert zu langen helikalen F-Aktin Polymeren.

• Im Filament sind Aktin-Untereinheiten gleich orientiert: ATP/ADP-bindende Grube zeigt zum (-) Ende.→ Filament ist polarisiert

—> erfolgt spontan

1. Nukleation (Startphase):

   • Ein paar G-Aktin-Monomere lagern sich spontan zusammen

   • bilden einen Startkern (Nukleus)

   • Langsam und energieaufwendig

2. Elongation (Wachstumsphase):

   • Schnelles Anfügen neuer Aktin-Monomere, vor allem am + Ende des Filaments.

   • Das Filament wächst schnell.

3. Erhaltungsphase (steady state):

   • Gleichgewicht: Monomere werden am + Ende angelagert und am – Ende entfernt.

   • Länge bleibt konstant, aber es gibt ständigen Austausch (Tretmühlen-Effekt)

     —> am + Ende eines Aktinfilaments neues G-Aktin angelagert,während am – Ende gleichzeitig Aktin abgebaut wird.

• Bestehen aus α- und β-Tubulin Untereinheiten

• Offene Röhren von 25 nm Durchmesser

• Kleinste Untereinheit eines Mikrotubulus ist ein Heterodimer aus α- und β-Tubulin

• Heterodimere formen Protofilamente

• 13 Protofilamente formen einen Mikrotubulus

• Protofilamente können in einzelnen, doppelten und

  dreifachen Mikrotubuli angeordnet sein

• α- und β-Tubulin sind GTP-bindende Proteine

• Mikrotubuli besitzen eine Polarität

• β-Tubulin spaltet GTP

• α-Tubulin bindet GTP irreversibel

• β-Tubulin bindet GTP reversibel

=> Alle Mikrotubuli entspringen MTOCs (Mikrotubuli-organisierenden Zentren)

1. Mikrotubuli wachsen vom Centrosom aus, wie Strahlen.

2. Das Centrosom = Startpunkt.

3. γ-Tubulin ist wie ein Startblock für den Aufbau von Mikrotubuli

4. Bei der Zellteilung bilden sie die Spindelfasern, die Chromosomen ziehen

• Unterscheiden sich in Funktion und Struktur von anderen cytoskeletären Filamentsystemen

• Funktionen:

  • Stabilisierung der Zellform

  • Organisation von Zellen zu Geweben

• Sehr stabil

• IF-Untereinheiten binden keine Nukleotide

• Beispiele für IF-Untereinheiten: Lamin, Sytokeratin, Neurofilamin

• Benötigt bei zellulären und interzellulären Prozessen

• Molekulare Motoren, die unter ATP-Verbrauch mechanische Kraft erzeugen und sich entlang von Cytoskelett-Filamenten bewegen können

• Fkt. Einheiten sind meist Dimere oder Multimere

• 2 große Untereinheiten, mehrere kleine

• Globulärer N-terminus mit Motor-Aktivität (ATPase, Mikrotubuli-bindend)

• Globulärer C-terminus als Andockstelle für „Fracht“

• Kinesine laufen (i.d.R.) vom (-) zum (+) Ende der Mikrotubuli

—> 2 Motordomänen arbeiten in Tandem (Prozessivität)

• Motorproteine des Mikrofilamentsystems

• >20 Klassen von Myosinen

• Bestehen aus schweren und leichten Untereinheiten („Ketten“)

• Alle schweren Ketten besitzen Kopf-, Nacken, und Schwanz-Domänen

  • Kopf-Domäne hat Motor-Aktivität (ATPase, Aktin-Bindung)

  • Nacken-Domäne assoziiert mit „leichten Ketten“

• Leichte Ketten haben meist eine regulatorische Funktion

=> Zyklisch wiederkehrende Abfolge von Interphase („Wachstum“) und M-Phase („Teilung“)

Zyklusdauer:

Bakterien: E. coli 20-25 min

1. G1-Phase

   • Zelle wächst

   • Organellen werden dupliziert

   • „normaler Metabolismus“

   • Vorbereitung auf S-Phase

   • Entscheidung zwischen Zellzyklus und Wachstumsarrest

2. S-Phase

   • DNA-Replikation und Duplikation der Chromosomen

3. G2-Phase

   • Zelle wächst

   • Vorbereitung auf Mitose (z.B. Synthese spezifischer Proteine)

     
     

Normalerweise verdoppelt die Zelle während des Zellzyklus nicht nur ihre DNA, sondern auch ihren Zellinhalt.

Ausnahme: Furchungsteilung bei manchen Tierembryonen: Die befruchtete Eizelle führt mehrere Zellteilungen ohne Größenwachstum durch (z.B. bei Amphibien). G1 und G2

Phasen sind hier drastisch verkürzt.

MPF = mitosis promoting factor

• Induziert den Eintritt in die Mitose

Cdc28

• Proteinkinase (Protein Phosphorylierung)

• überträgt Phosphat auf eine Aminosäure im Zielprotein (meist Serin, Threonin oder Tyrosin)

  ➜ Das verändert die Funktion des Zielproteins:

  • es kann aktiviert oder deaktiviert werden

    
    

Cdk/ Cyclin-Komplexe

• treiben den Zellzyklus an, ihre Aktivität ist essentiell für den Übertritt von einer Phase des Zellzyklus in die nächste (z.B. G1 → S, G2 -> Mitose), aber auch Übergänge innerhalb einer Zyklusphase (z.B. Metaphase → Anaphase (während der Mitose))

=> kontrollieren den Zellzyklus

• M-Cyclin + M-Cdk → Mitose aktiviert

• S-Cyclin + S-Cdk → DNA-Replikation aktiviert

—> Das Zusammenspiel einer Reihe von Mechanismen sorgt dafür, dass spezifische CDK/ Cyclin-Komplexe nur zu bestimmten Zeitpunkten im Zellzyklus aktiv sind

=> Im Erwachsenen finden noch viele Zellteilungen statt. (z.B. Blutkörperzellen: 3 Mio/sec)

—> Die Zahl der Zellen in allen Organen wird von Regenerations- und Differenzierungsprozessedurch ein komplexes Netzwerk von Signalen gesteuert.

=> Der Restriktionspunkt: Entscheidung zw. Proliferation (Wachstum und Vermehrung) und Differenzierung

=> halten den Zyklus bei Fehlern an

=> nach reperatur wird der Zyklus fortgesetzt