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