Citoszkeleton. Sejtek rugalmassága. Polimer mechanika: Hooke-rugalmasság. A citoszkeleton filamentumai. Fogászati anyagtan fizikai alapjai 12

Fogászati anyagtan fizikai alapjai 12.

Citoszkeleton

Sejtek rugalmassága

Eukariota sejtek dinamikus vázrendszere Három fő filamentum-osztály: A. Vékony (aktin) B. Intermedier C. Mikrotubulus

Mikrotubulusok

Polimerizáció: monomer alegységekből

Aktin

Szerep: A. Mozgás, alakváltozás B. Sejtosztódás C. Intracelluláris transzport

DNS

1

2

Polimer mechanika: Hooke-rugalmasság

A citoszkeleton filamentumai

• A rugóállandó (D=F/∆l) nem csak anyagfüggő.

Hajlítómerevség: l

• A rugóállandó (D) függ a test

s

alaki paramétereitől, az erő irányától. F Longitudinális merevség: A

F

D Torziós merevség:

l M Aktin (rodamin-phalloidin)

Vimentin (anti-vimentin)

Mikrotubulusok (GFP-tubulin)

D 3

D

4

Polimer mechanika: „termikus” rugalmasság R

lp = elemi vektorokból (N db, irányukat tartó kis egységből) felépülő polimer

EΘ k BT

Alegységek összeállásának folyamata A polimerizáció fázisai: 1. Lag fázis: nukleáció 2. Növekedés fázisa 3. Equilibrium (egyensúly) fázisa

Θ = hajlítási tehetetlenségi nyomaték (körkeresztmetszetű rúd esetén: Θ=r4π/4)

Merev lánc

Polimer mennyiség

lp>>L

Equilibrium

l = korrelációs hossz (az elemi vektorok átlagos hossza) Nl = L = kontúrhossz R = vég-vég távolság lp = perzisztenciahossz (milyen távolságon belül tartja meg az irányát a molekula)

Szemiflexibilis lánc lp~L

Növekedés

Flexibilis lánc

Lag

lp<
Idő 6

5

Polimerizációs egyensúlyok

Aktin monomer (G-aktin)

1. valódi equilibrium

nukleotid

• aktin: összfehérje 5%-a (eukarióta sejtekben)

2. dinamikus instabilitás: folyamatos, lassú növekedést követő katasztrofikus depolimerizáció

• alegység: globuláris (G-) aktin • 43 kDa,

3. Treadmilling: taposómalom

• 1 molekula kötött adenozin nukleotid (ATP vagy ADP)

7

8

Aktin filamentum (F-aktin)

Aktin filamentum (F-aktin) Szerepe:

37 nm

•

cortex (a sejt pereme)

•

„stress” rostok,

•

sejtnyúlványok (lamellipodia, filopodia, microspikes, focal contacts, invagináció)

“szöges” (+) vég

•

mikrovillus

Szerkezete, tulajdonságai: •

~7 nm vastag, hossza in vitro több 10 µm, in vivo 1-2 µm

•

Szemiflexibilis polimerlánc (perzisztenciahossz: ~10 µm)

•

Szerkezeti polarizáció („szöges”, „hegyes” vég)

•

Aszimmetrikus polimerizáció: ATP sapka

“hegyes” (-) vég

ATP sapka

9

Aktin hálózat Ti implantátumokon

Stress rostok

cortex

filopodium

10

A mikrotubuláris rendszer • Alegység: tubulin • Idegszövetben az összfehérje 10-20%-a

• α- és β-tubulin • 1 molekula kötött guanozin nukleotid (GTP vagy GDP)

Ti

Ti Osseotite® 11

12

A mikrotubulus α

Intermedier filamentumok

β

• ~25 nm vastag, üreges

• • • • protofilamentum

8-10 nm átmérő kémiailag ellenálló fibrózus monomer, polimerizáció ATP/GTP nélkül a szövetspecifikus monomerek egymástól a végeik szerkezetében különböznek: hám

• 13 protofilamentum • merev polimerlánc (perzisztenciahossz: néhány mm!) • szerkezeti polarizáció:

keratinok

izom

dezmin

kötöszővet

vimentin

glia

gliális fibrilláris savanyú fehérje

ideg

neurofilamentum

Intermedier filamentum dimer:

+vég: polimerizáció gyors, β-alegység által terminált

Fej

1A

-vég: polimerizáció lassú, α-alegység által terminált

2A

1B

Farok 2B

• GTP-sapka 13

14

Intermedier filamentumok feltételezett szerepe:

Intermedier filamentum nyújtása (dezmin)

∆s ~ molekulahossz

mechanikai stabilitás ∆d ~ erő

Erő 500 nm

IF aktin

MT

Deformáció 15

16

Szívizom-elfajulás dezmin mutáció miatt

Intermedier filamentumok szöveti funkciói Szöveti mechanikai stabilitás biztosítása Epiteliális (hám-) sejtekben: • kórkép: epidermolysis bullosa simplex. Enyhe mechanikai hatásra (pl. dörzsölés) fellépő hólyagos hámszétesés. • oka: mutáció a keratin génben

normál szívizom

dezmin mutáció 18

Az „élő anyag” rugalmassága

Vizsgálómódszerek

kollagén mon. kollagén fibr. fibrilin vadászgörény aorta (részek) elastin

sertés aorta (részek)

a. radialis patkány aorta humán aorta

19

20

Vizsgálómódszerek

pásztázó akusztikus mikroszkópia (SAM)

szisztolé

nanoindenter

visszaverődött pulzushullám

pulzushullám-sebesség

miográf 21