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Zellkern
Zytoskeleton
Dr. Orsolya KántorInstitut für Anatomie, Histolgie und
EmbryologieSemmelweis Universität
Budapest
2011 September
Zellkern (Nukleus)•Eukaryotische „Erfindung”•Enthält die DNS (~2m/Zellkern, meistens diploider DNS Gehalt) an Histonen gebunden (=Chromatin), in Chromosomen gegliedert (46, XY)•Form, Größe: variabel, oft typisch•Anzahl: meistens eins
kernlos: rote Blutkörperchenmehrkernig: z. B. Osteoklast
HeterochromatinEuchromatinNukleolus (↑)
Barr-Körperchen:Inaktiviertes X-Chromosom (eingekreist)
Zellkern- EM
Euchromatin
Heterochromatin
Nucleolus
KernhüllePhasenkontrastmikroskopisches Bild
LeberzelleBestandteile:•Kernmembran, mit Poren•Kernlamina•Nukleoplasma (Grundsubstanz)•Kernmatrix•Chromatin → Chromosomen•Nukleolus
Kernmatrix, Nukleoplasma:
•Wasser, Ione, solubile kleine
Moleküle, besondere RNS
•Auch Makromolekulare Komplexe:
Enzyme, Umbau, Regulation
Funktionelle Aspekte
• Zellkern enthält die Erbsubstanz (DNS)→ bei Zellteilung weitergegeben (Replikation,
semikonservativ)→ das genetische Programm wird umgesetzt (Transkription,
Translation) → Zellkern ist die Kommandozentrale der Zelle
• Zwangsläufig mit Transportvorgängen verbunden
Zentrales Dogma der Molekularbiologie:
DNS
RNS Protein
ReplikationTranskription
Kernhülle, Kernlamina•Äußere Membran → rER, mit Ribosomen besetzt
•innere Membran → mit Kernlamina, Chromatin (3) verbunden
•Perinukleärer Spalt → rER Lumen
•Mit Kernporen (2,↑)
Kernlamina:
•30-100 nm dick
•Mechanische Stütze der Kernhülle
•Aus intermediär Filamenten (Lamine)
•Zieht sich auch über die Kernporen (↑)
•Zellteilung: Lamin wird phosphoryliert →
Kernlamina zerfällt in Bruchstücke
KernporenZellkern, freeze-fracture
•30-50 nm im EM, eigentlicher Kanal: 9 nm (ein großer, 8 kleinere, periphäre Kanäle)Transportschleusen: •kleine Moleküle: nicht sehr selektiv •Makromoleküle: Kernlokalisationssignal (NLS)
Porenkomplex:•Oktagonal•An beiden Seiten mit Fibrillen verbunden (→innen: Kernkorb)•Säulenkomponente mit 8 Speichen +Außen- + Innenring
Transport durch die Kernporen(Kern)proteine müssen in den Zellkern hinein:•Enzyme der Transkription, Replikation•Transkriptionsfaktore (Regelung der Transkr.)•Proteine für RNS Prozessierung •Proteine für DNS Konsensation•Bestimmte Hormonrezeptore (z. B. für Steroidhormone)•Ribosomale Proteine•Kernexportrezeptore
Kernlokalisationssequenz, Kernimportrezeptore, Energie (GTP)
Substanzen müssen aus dem Kern heraus:•Kernimportrezeptore•RNS: mRNS, tRNS•Ribosomale Untereinheiten
Kernexportsignal, Kernexportrezeptore, Energie
Über ein gewisses Molekulargewicht ist der
Kerntransport nicht möglich → verschiedene
Zusammensetzung von Kern und Zytoplasma
DNS Kondensierung - Chromatin
Gesamtergebnis: 1/10 000 seiner ursprünglicher Länge
~3,2 x 109 Basenpaar, 2 m/Zelle→zerbrechlich→ist zu Proteinen assoziiert
Chromatin= DNS+Proteine (Histone, non-Histone)Nukleosom (~146 Bp DNS, 1,65x Windungen +2xHistone 2A, 2B, 3, 4), dazwischen Linker DNS (~wenige-80 Bp mit Histon 1)
22x2 somatische Chromosomen + Sexchromosomen (X oder Y)=46 ChromosomenEnthalten mehrere Gene
Chromatinfaden (Solenoid), H1-Histon zieht die Nukleosomen zusammen, Faden wickelt sich um Proteine der Nukleoplasma herum
Histone: viele positive Ladungen (Lysin, Arginin)→ binden sich fest an negativ geladene Zucker-Phosphat Gerüst, Histone können kovalent modifiziert werden→ Regulation der Genexpression
Schleifenbildung, Verbindung zu Scaffold Proteinen
Weitere Verfaltung, Verdrillung
InterphasechromosomDichte Regionen: Heterochromatin (90%)
-Konstitutives Heterochromatin (z. B. perinukleäres Heterochromatin, meistens nicht-kodierende Sequenzen: Telomer, Satellita DNS, Zentromer)
-Fakultatives Heterochromatin: kodierende Sequenzen, die gerade nicht transkribiert werden (ruhig gestellte Gene)
Lockere Regionen: Euchromatin (~10%, wird gerade transkribiert, aktive Gene) →RNS SyntheseSind an einigen Stellen an Kernmembran oder an Fibrillen der nukleären Matrix geankert → Chromosomen besitzen ein Territorium innerhalb des Zellkerns
Chromosom•46, 23 homologe Paare
•44 Autosomen, 2 Sex-Chromosomen
(Gonosomen)
•Chromatiden
•Chromomer: Bandmuster (CG bzw. TA-
reiche Regionen)
•Centromer
verbindet die Chromatiden
Ansatzstelle der Kinetochoren-
Mikrotubuli bei Zellteilung
•Telomere: Endabschnitte
Repetitive, nicht kodierende Sequenzen
Shützt die terminale, kodierende DNS-
Bereiche
Menschlicher Karyogram
Metaphasechromosom Anaphasechromosom
Telomerase: Enzym, verlängert die Telomere
Nukleolus
•Ribosomenfabrik
•~1 μm, meistens 1-2/Zelle (max. 10)
•Verschwindet vor Zellteilung
•Enthält Kopien der ribosomale Gene
(Chr. 13, 14, 15, 21, 22) →
•Nukleolus Organisator Region (NOR,
in Form von fibrillären Lakunen)
•Pars fibrosa: rRNS Prozessierung
•Pars granulosa: fertige ribosomale
Untereinheiten
LM
EM
Zytoskeleton
Aufbau, Funktionen
Dynamisches Netzwerk von Proteinen im Zytoplasma
•Polymere aus Baueinheiten
•Mechanische Stütze →
Bestimmung von Zellform, Polarität
•Verankerung von Zellorganellen
• Bewegung von Zellorganellen
(intrazelluläre Bewegungen, auch
während der Zellteilung)
•Bewegung der Zelle
Zytoskelett
1. Mikrotubuli (25 nm Ø)
2. Mikrofilamente (6-8 nm Ø)
• polymerisiert aus globulären Proteinen,
• schneller Auf- und Abbau (dynamische Instabilität),
• assoziierte Motorproteine,
• konservative Proteine
fibrilläre Proteine, widerstandsfähiges und festes Skelett, keine dynamische Instabilität, neu in der Evolution
Mikrofilament-Bündel
Intermediär-filament
Mikrotubuli
EM Bild
3. Intermediäre Filamente (10 nm Ø)
grün: Mikrotubuli,
rot: Aktin-Mikrofilamente
blau: Zellkern
Intermediärfilamente (IF)•~10 nm dick•Zugfest → mechanische Festigung (z. B. Epithelzellen der Haut, Neurone, Muskelzellen)•umringen oft den Zellkern, strahlen in die Peripherie aus → sind oft an Zell-Zell-Verbindungen verankert (z. B. Desmosom)•Auch im Zellkern: Lamin (Kernhülle)
Gruppen:1.Keratin (Epithel)2.Vimentin und Verwandte
Vimentin: BindegewebszellenDesmin: MuskelzellenGFAP: Gliazellen
1.Neurofilamente (NF-L, -M, -H)2.(Kern)Lamine
Hilfsproteine: •Plectin (grün), Filaggrin: hilft bei Quervernetzung, Verankerung an Desmosomen
Grün: Keratin
Mikrotubulus
IF
Mikrotubuli (MT)•Aufbau: aus Tubulin Heterodimeren
•Lange, steife Röhren, äu. Durchm.: 25 nm
→Schienensystem, intrazell. Transport von
Organellen
•Bildung komplexer Aggregaten: Zentriol,
Basalkörper, Teilungsspindel, Zilien,
Flagellen
Polarisiert:
+ (β) Ende
- (α) Ende
•Entspringen aus dem Zentrosom (MTOC)
Tubulin Dimer→Protofilament→13 Protofilamente=Mikrotubulus
Grün: MT
Gelb: MTOC
Polarität!
Dynamische Instabilität der MikrotubuliMikrotubuli sind in ständigem Auf- und Abbau
→schnelle Umformung
Tubulin Dimere können GTP binden→ feste Bindung
zwischen den Dimeren → Mikrotubulus wächst, am +
Ende: „GTP-Kappe”
Wenn der Einbau von GTP-bindende Tubulin Dimere
langsamer läuft, als die spontane GTP-Hydrolyse:
Am + Ende sind Dimere, die GDP binden → weniger
feste Bindung → Dimere dissoziieren vom
Mikrotubulus → Mikrotubulus schrumpft
Organisation der Mikrotubuli - Zentrosom
Zentrosom= Zentriolenpaar + amorphe Proteinmasse (MTOC)
MTOC:
Enthält u. a. γ-Tubulin: Ausgangspunkt für
ein Mikrotubulus → bestimmt gleichzeitig
die Polarität
Zentriolen:
LängsschnittQuerschnitt
EM
•0,3-0,6 μm lange Zylinder, Durchm.: 0,2 μm
•2 kurze Röhrchen aus Mikrotubulus-Tripletts (9x3),
die rechtwinklig zueinander stehen
•13 Protofilamente, einige gemeinsam
•Rolle bei Zellteilung, Entstehung von Basalkörpern
bei Kinozilien
•Können aus postmitotischen Zellen (z. B. Neurone)
fehlen
Zentrosom mit Mikrotubuli
Mikrotubulus assoziierte Proteine (MAP)
Capping Proteine: MT stabilisierend
Motorproteine: intrazelluläre Bewegung
•Kopf: ATP-ase, bindet an MT
(Energie aus ATP-Spaltung wird in
kinetische Energie verwandelt)
•Schwanz: bindet an Zellorganellum
(Fracht), organellumspezifisch
•Kinesine: wandern Ri. + Ende
•Dyneine: wandern Ri. – Ende
Transport von synaptischen Vesikeln entlang Mikrotubuli
Bidirektional
Anterograder (ortograder) Transport: Kinesin
Retrograder Transport: Dynein
Mikrofilamente (Aktin)
•5% des Proteingehalts
•7 nm, verdrillt, kürzer, biegsamer als MT
•Aus Monomeren: G (glob.) → F (filamentär)
•Polarität: + Ende – schnelleres
- Ende – langsameres
•Dynamische Instabilität
•Bündeln, Netzwerke
Wachstum
AufbauAbbau Rot: Aktin
Rolle von Aktinfilamenten
•Kontraktiler Ring →Zellteilung
•Bildung von Lamellipodien, Filopodien →Amöboide Bewegung
•Gerüst für Mikrovilli,Stereozilium
•Mit anderen Proteine: kleine, kontraktile Bündel
•Zellkortex: mechanische Stütze für die
Plasmamembran (Membrangerüst)
•Zellverbindungen: Rolle beim Aufbau von Zonulae
adherentes, Punktdesmosomen, Fokalkontakte
Rot: Aktin
Aktin assoziierte ProteineThymosin, Profilin: Regulation der Polymerisierung
Capping Proteine: schützen vor Abbau
Tropomyosin: stabilisierend
Fimbrin, Villin: Bündelung
Spektrin, Filamin: Netzwerkbildung
Vinculin, Aktinin, Talin: Befestigung zur Zellmembran
Myosin: Motorprotein
Myosin(e)Aktinabhängiges Motorprotein
Bindet und hydrolysiert ATP
Myosinfamilien:
Muskulatur
Jede Zelle
•Kopf: Bindungsstelle für ATP und
Aktin
•Hals
•Schwanz: Bindung zu anderen
Zellkomponenten (andere
Myosinmoleküle, Vesikeln)
Kopf
Schwanz
Quellen:
Plattner, Hentschel: Zellbiologie, Thieme, 2011Alberts: Lehrbuch der molekularen Zellbiologie,
Wiley VCH, 2005Welsh: Lehrbuch Histologie, 2010Darvas: SejtbiológiaFolien von Prof. Pál Röhlich
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