A sejtváz • A citoszkeleton, vagy sejtváz “kötegek” hálózatából felépülő struktúra, mely a sejt szilárdításán, alakjának biztosításán túl, a mozgásban, a szállításban is szerepet játszik. • Három molekuláris komponens építi fel: – Mikrotubulusok (25 nm átmérő) – Mikrofilamentumok (7 nm átmérő) – Intermedier filamentumok (8-12 nm átmérő)
Mikrotubulus (tubulin) Mikrofilamentum (aktin)
A sejtváz funkciói • Támasztja a sejtet és megtartja a sejtalakot Mikrotubulus
0.25 µm
Mikrofilamentumok
• Motor fehérjékkel kölcsönhatásba lép (kinezin/+/, dinein/-/ motorfehérjék)
ATP
(a)
Vezikula A motor fehérje receptora/adaptere
Motor fehérje Microtunulus (ATP-t igényel)
Microtubulus
Vezikula
0.25 µm
A dinein és kinezin motorfehérjéket ígyénylő transzport folyamatok 20.2 • Kinesin- and Dynein-Powered Movements (+)
Pigm ent granule
(+)
ER M TOC
Lysosom e
(+) M itochondrion
ER/Golgi (+)
(+)
Cytosolic dyneins
▲ FIGU RE 2 0 -2 3 General model of kinesin- and dynein-mediated transport in a typical cell. The array of microtubules, w ith their (!) ends pointing toward the cell periphery, radiates from an M TOC in the Golgi region. Kinesin-dependent anterograde transport (red)
Cell m em brane
Cytosolic kinesins
conveys mitochondria, lysosomes, and an assortment of vesicles to the endoplasmic reticulum (ER) or cell periphery. Cytosolic dynein–dependent retrograde transport (green) conveys mitochondria, elements of the ER, and late endosomes to the cell center. [Adapted from N. Hirokawa, 1998, Science 279:518.]
In some cases, a vesicle must traverse microtubule-poor
M EDIA CON N ECTION S
Endosom e
(−)
Video: Cytoplasmic Dynein Dynamics in Living Dictyostelium Cells
Golgi
Secretory vesicle
835
Table 6-1
10 µm
10 µm
10 µm
Column of tubulin dimers Keratin proteins Actin subunit
Fibrous subunit (keratins coiled together)
25 nm 7 nm
a
b
Tubulin dimer
8–12 nm
Mikrotubulusok • A mikortubulusok üreges rudak kb. 25 nm átmérővel és 200 nm - 25 mikrométer hosszúsággal • A mikrotubulusok funkciói: – A sejt alakjának fenntartása – Az organellumok mozgásának segítése – Sejtosztódáskor a kromoszómák elválasztása
c apparatus croscopy. e t semble at
on, 1975, om awa. Part (c) 5.]
is trapped at the interface between the !- and "-tubulin monomers and is thus nonexchangeable. The second GTP lies at the surface of the "-tubulin monomer; this GTP is freely exchangeable with GDP (Figure 20-3a). As discussed later, the
Mikrotubulosok felépülése (a) β Tubulin
α Tubulin
f stable miure but also the axonal such stable ces—sperm uld lose its
structures, d to assemes quickly. le network d the tubuaratus that r cells (Fige disassemorms. bule-based ly, and poins that are rtant propg and shortmits a cell to tures.
GDP
GTP
Taxol
Subunit
(b) α Tubulin
GTP GDP
β Tubulin 8 nm
Protofilam ent
24 nm
▲ FIGU RE 2 0 -3 Structure of tubulin monomers and their organization in microtubules. (a) Ribbon diagram of the dimeric tubulin subunit. The GTP (red) bound to the !-tubulin monomer is
A tubulin két, egymáshoz hasonló, kb. 55 kDa tömegű polipeptidből, az α- és a β-tubulinból álló heterodimer. A sejtekben kimutatható egy harmadik tubulintípus, a γ-tubulin is, mely az MTOC-ben lokalizálódik. Mind az α-, mind a β-tubulin képes egy-egy GTP-molekulát megkötni. A polimerizációs folyamatban a β-tubulinhoz kötött GTP GDP-vé és foszfáttá hidrolizál, az α-tubulinhoz kötött GTP azonban változatlan marad.
Mikrotubulus szerkezete
Mikrotubulusok dinamikus instabilitása
Fluorescent recovery after photobleaching (FRAP)
A mikrotulusok dinamikus instabilitása 822
CHAPTER 20 • Microtubules 50 M icrotubule length (µm )
(a) Assem bly (elongation)
Catastrophe
40 Disassem bly
30
Rescue
20 10
Assem bly
0
(b) Disassem bly (shrinkage)
30
60
90
Tim e (m in)
▲ EX PERIM EN TA L FIGU RE 2 0 -9 Rate of microtubule grow th in vitro is much slower than shrinkage. Individual microtubules can be observed in the light microscope, and their lengths can be plotted at different times during assembly and disassembly. Assembly and disassembly each proceed at uniform rates, but there is a large difference between the rate of assembly and that of disassembly, as seen in the different slopes of the lines. Shortening of a microtubule is much more rapid (7 !m/min) than grow th (1 !m/min). Notice the abrupt transitions to the shrinkage stage (catastrophe) and to the elongation stage (rescue). [Adapted from P. M . Bayley, K. K. Sharma, and S. R. M artin,
Frayed ends
1994, in M icrotubules, Wiley-Liss, p. 118.]
▲ EX PERIM EN TA L FIGU RE 2 0 -8 Cryoelectron microscopy allow s observation of disassembled microtubules. M icrotubules undergoing assembly (a) or disassembly (b) can be quickly frozen in liquid ethane and examined in the frozen state in a cryoelectron microscope. In assembly conditions, microtubule ends are relatively smooth; occasionally a short protofilament is seen to extend from one end. In disassembly conditions, the protofilaments splay at the microtubule ends, giving the ends a frayed appearance. Splaying of protofilaments probably promotes the loss of tubulin subunits from their ends, leading to shrinkage of the microtubule. [M icrographs courtesy of
Dynamic Instability Is an Intrinsic Property of Microtubules Under appropriate in vitro conditions, some individual microtubules oscillate between growth and shortening phases (Figure 20-9). In all cases, the rate of microtubule growth is much slower than the rate of shortening. When first discovered, this behavior of microtubules, termed dynam ic instability, was surprising to researchers because they expected that under any condition all the microtubules in a solution or the same cytosol would behave identically.
E. M andelkow and E. M . M andelkow.]
0:00
A
0:27
of
NS
A
3:51 B
C
C
Mikrotubulosok felépülése
repeats of a conserved, positively charged four-residue amino acid sequence that binds the negatively charged Cterminal part of tubulin. This binding is postulated to neu-
found in axons and dendrites of neurons as well as in no neuronal cells. Each of these M APs is derived from single precursor polypeptide, which is proteolytica processed in a cell to generate one light chain and o heavy chain. O ther stabilizing M APs include M AP2, M AP4, Tau, a M AP4, thecsoportját most widespread of all the M APs, ACLIP170. MAP-ok egyik az ún. found in neuronal and non-neuronal cells. In mitosis, M A struktúrafenntartó (szerkezeti) regulates microtubule stability, and CLIP170 cross-lin fehérjék alkotják. Ezek hosszú, microtubules to chromosomes. M AP2 is found only dendrites, where it forms melyek fibrous cross-bridges betwe szálszerű molekulák, a microtubules and links microtubules to intermediate filamen mikrotubulusokhoz asszociálva Tau, which is much smaller than most other MAPs, is prese kilógnak azok felületéről. in both axons and dendrites. This protein exists in several i
Mikrotubulus asszociált fehérjék (MAPs) (a) MM TsTs
M Ts Ts M
Különösen nagy mennyiségben fordulnak EN TAidegszövetben. L FIGU RE 2 0 -12 Spacing of ! EX PERIM elő (b) M icrotubule
M AP2
25 nm
Tau
25 nm
microtubules depends on length of projection domain in bound microtubule-associated proteins. Insect cells Atransfected MAP-ok szerepe sokrétű: w ith DNA expressing either long-armed M AP2 or short-armed Tau protein grow long axonlike processe •protein elősegítik a tubulin (a) Electron micrographs of cross sections through the process polimerizációt, induced by the expressionstabilizálják of M AP2 (left) orés Tau (right) in transfected cells. Note that the spacing between microtubules •(M Ts) kötegekbe rendezik in M AP2-containing cells isalarger than in Tau-containing cells. Both cell types contain approximately the same number mikrotubulusokat. microtubules, but the effect of M AP2 is to enlarge the caliber Aof csoporton belül(b)azDiagrams egyesof association between the axonlike process. microtubules and M APs. Note the difference in the mikrotubulusok közötti távolságot a lengths of the projection arms in M AP2 and Tau. [Part (a) from J. Chen et al.,
felszínükről kilógó MAP-ok hossza 1992, Nature 360:674.] határozza meg.
Centroszómák és centriólumok • Számos sejtben, a mikortubulusok növekedése a sejtmag közelében elhelyezkedő centroszómából indul (“-” vég) • A centroszóma egy “mikrotubulus organizáló centrum” • Állati sejtekben a centroszóma két centriólumból épül fel, melyek mindegyike 9 tripletnyi mikrotubullust tartalmaz.
Centroszóma
Mikrotubulus Centriólumok 0,25 µm
Egy centriólum hosszmetszete
Mikrotubulusok
Egy centriólum keresztmetszete
contains many proteins that are necessary for initiating the assembly of microtubules (see Figure 20-13). O ne of these proteins, !-tubulin, was first identified in genetic studies designed
The results of these studies reveal that complexes are localized to one end of a microtubule and are not present along the sides (Figure 20-15a). This location is consistent with a role for
Gamma tubulin gyűrű az MTOC-ban (a)
(b) (+) end
αβ -Tubulin
(−) end
γ-TuRC
▲ EX PERIM EN TA L FIGU RE 2 0 -15 The !-tubulin ring complex (!-TuRC) is localized to one end of the microtubule. (a) A fluorescence micrograph (left) and an electron micrograph (right) of microtubules stained w ith gold-labeled antibodies to !-tubulin or XGRIP, a microtubule-binding protein. Both proteins
presenting a row of !-tubulin subunits, w hich can directly bind #"-tubulin subunits. This model is supported by plotting the positions of gold-labeled antibodies to either !-tubulin (red) or XGRIP109 (yellow ) from several experiments onto a microtubule end. [Parts (a) and (b, right) from T. J. Keating and G. G. Borisy, 2000,
• A csilló és az ostor ultrastruktúrája hasonló: – A mikrotubulusokból álló magot a plazmamembrán burkolja be – Az alapi test horgonyozza le a csillót és az ostort – Mindkettőben a dinein nevű motorfehérje található, melynek segítségével tud mozogni a csilló/ostor
A mozgás iránya
(a) Ostor mozgása
5 µm
Az organizmus mozgásánank iránya
Lecsapás
Visszatérés
(b) A csilló mozgása
15 µm
0.1 µm
Külső mikrotubulus duplet Dinein fehérje Központi mikrotubulus Küllő Fehérje keresztkapcsolatok a dupletek között
Mikrotubulusok
Plazma membrán
(b) A csilló keresztmetszete
Alapi test
0.5 µm
(a) A csilló hosszmetszete
0.1 µm Triplet
(c) Az alapi test keresztmetszete
Plazma membrán
• A dinein „sétálása” hogyan mozgatja a csillót? − A Dinein karok váltakozva megragadják, elmozdulnak rajta, majd elengedik a másik mikrotubulust – A fehérje keresztkapcsolatok megszabják a szúszás mértékét – A dinein karok által kifejtett erő a dupletek görbülését, a csilló elhajlását okozza
Mikrotubulus dupletek
ATP
Dinein fehérje (a) A kihorgonyzatlan tubulusok mozgása ATP
A dupletek között fehérje kereszthidak
Kihorgonyzás
(b) A kereszt-kötő fehérjék hatása 1
3 2
(c) Hullámszerű mozgás
Mikrofilamentumok (Aktin filamentumok) • A mikrofilamentumok rúd alakú struktúrák kb. 7 nm átmérővel, melyek az aktin alegységek csavart ikerláncából épülnek fel • Szerkezetileg ellenállnak a nyújtásnak, így a sejt húzó erőknek való ellenállásában vesznek részt • A plazma membrán alatt 3D hálózatot ún. kortexet (kéreg) alakítanak ki segítve ezzel a sejt alakjának kialakítását • Mikrofilamentális kötegek alakítják ki a mikrovillusokat is.
Az egyes sejtvázelemek jellegzetes eloszlást mutatnak
Mikrovillus
Plazma membrán
Mikrofilamentumok (aktin filamentumok)
Intermedier filamentumok 0.25 µm
Cell m em brane (+)
(+)
(+) M yosin
(+)
Vesicle
M icrofilam ent
Vesicle M icrotubule
Kinesin
(−)
▲ FIGU RE 2 0 -2 4 Cooperation of myosin and kinesin at the cell cortex. M icrotubules approach the actin-rich cell
In some cases, a vesicle must traverse micr regions in the cell. F • butAmicrofilament-rich mikrofilamentumok during endocytosis, vesicles from the actin szerepet játszanak membrane are carried inward, awhereas duri vesicles from the endoplasmic reticulu sejtderived motilitásában, are moved outward. The results of several co illetve a membrán experiments imply that microtubule and m alatti vezikula motor proteins bind to the same vesicles and their transport. O ne piece of evidence was o szállításban. microscopy of vesicle movements in extrude from a squid giant axon. As observed many • vesicles Miozin traveled along microtubule tracks; movement continued at the periphery of the motorfehérjével toplasm through a region containing microfila képesekSubsequent experiments demon microtubules. given vesicle could move on a microtubule o összekapcsolódni. ment. Thus at least two motor proteins, myos kinesin or cytosolic dynein, must be bound vesicle (Figure 20-24). The discovery that a can travel along both cytoskeletal systems sug a neuron, synaptic vesicles are transported at kinesin in the microtubule-rich axon and through the actin-rich cortex at the nerve t myosin motor.
Eukaryotic Cilia and Flagella Contain a of Doublet Microtubules Studded
• A mikrofilamentumok szerepet játszanak a sejt motilitásában. Miozin motorfehérjével képesek összekapcsolódni. • Az izomsejtekben a szabályosan elhelyezkedő vékony filamentumok (aktin) • A vastag mizoin filamentumokkal párhuzamosan helyezkednek el, és képesek azok közé csúszni összehúzódáskor.
Izomrost Aktin filamentum Miozin filamentum Miosin fej
(a) A miosin motorfehérje szerepe az izomösszehúzódásban
• Az amőboid mozgást az aktin és a miozin helyi kontrakciója indítja el • Pseudopodia (álláb) kinyújtása és visszahúzása az aktin alegységek reverzibilis összeszeelésének és összehúzódásának köszönhető
Kortex (külső citoplasma): gél aktin hálózattal Belső citoplasma: szól aktin alegységekkel Pseudopodium kinyújtása
(a) Amőboid mozgás Nem mozgó kérgi citoplazma (gel) Kloroplasztisz Áramló citoplazma (sol)
Vacuole
Párhuzamos aktin filamentumok (b) A citoplazma áramlása növényi sejtekben
Sejtfal
Citoplazma áramlás
• A citoplasmikus áramlás a citoplazma körkörös folyása a sejtekben • Ez az áramlás segít elosztani az anyagokat a sejtben • Növényi sejtekben az aktin-miozin kölcsönhatás és a szól-gél átalakulás irányítja a citoplazma áramlását
Köztes (intermedier) filametumok • Az intermedier filamentumok 8–12 nm átmérőjűek • A sejt alakjának meghatárázásában és a sejtorganellumok rögzítésében játszanak szerepet • Az intermedier filamentumok stabilabb struktúrák, mint a másik kettő
Extracelluláris komponensek a sejtek között
• A legtöbb sejt szintetizál és szekretál fehérjéket a plazmamembránon kívülre • Ilyen extracelluláris struktúrák: – A növények sejtfala – Az állati sejtek extracelluláris mátrixa (ECM) – A sejtek közötti kapcsolatok
• A növényi sejtek fala többrétegű struktúra: – Elsődleges sejtfal: arányaiban vékony és flexibilis – Középlemez: vékonyréteg a szomszédos sejtek elsődleges sejtfala között – Másodlagos sejtfal (számos sejtben): a plazmamembrán és az elsődleges fal között alakul ki
• A plazmodezmák alakítanak ki csatornákat a szomszédos sejtek között
Másodlagos sejtfal Elsődleges sejtfal Közép lemez
1 µm
Központi valuólum Citoszól Plazma membrán Növényi sejtek sejtfalai
Plazmodezma
Az állati sejtek extracelluláris mátrixa (ECM) • Az állati sejteknek nincsen sejtfala, de többsejtű szervezetben a komplex extracelluláris mátrixszal (ECM) vannak körülvéve • Az ECM elsősorban glikoproteinekből épül fel, mint kollagén, proteoglikánok, fibronektin, laminin. • ECM fehérjék a plazmamembrán integrin fehérjéihez kapcsolódnak
Kollagén
EXTRACELLULÁRIS FOLYADÉK
Proteoglikán komplex
Poliszaharid molekula Szénhidrát
Fibronektin
mag fehérje Integrin
Proteoglikán molekula
Plazma membrán
Proteoglikán komplex CiTOPLASMA Mikrofilamentumok
ECM az állati sejtek között
• Az ECM szerepei: – – – –
Támasztás Adhézió Mozgás Szabályozás
A sejtek közötti kapcsolatok • A szöveti környezet szomszédos sejtjei gyakran tapadnak le, hatnak kölcsön és kommunikálnak közvetlen fizikai kontaktusokon keresztül • A sejtkapcsoló struktúrák elősegítik a kontaktusok kialakulását • Számos sejtkapcsoló struktúra létezik – Plazmodezma – Szoros kapcsolat (Tight junctions) – Dezmoszóma – Rés kapcsolat (Gap junctions) – Adherens öv (zonula adherent)
A növényi sejtek plazmodezmái • A plazmodezmák csatornák, melyek átfúrják a növényi sejt falát • A plazmodezmákon keresztül víz és kisméretű oldott anyagok/molekulák (néha fehérjék és RNS is) az egyik sejtből a mésik sejtbe képesek jutni.
Sejtfalak A sejt belseje
A sejt belseje 0.5 µm
Plazmodezma
Plazma membránok
Szoros kapcsolat, dezmoszóma és rés kapcsolat • A szoros kapcsolatban a szomszédos sejtek membránja összenyomódott, és megakadályozza az extracelluláris folyadék szivárgását • A dezmoszómák a sejteket erősen egymáshoz horgonyozzák • A rés kapcsolatok citoplazmatikus összeköttetést biztosítanak a sejtek között.
Tight junction Tight junctions prevent fluid from moving across a layer of cells
0.5 µm
Tight junction Intermediate filaments
Desmosome
Gap junctions
Space between cells Plasma membranes of adjacent cells
Desmosome
1 µm
Extracellular matrix Gap junction
0.1 µm
