Citoszkeleton – Sejtmozgás

Dr. habil. Kőhidail LászlóDr. habil. Kőhidail Lászlóegyetemi docensegyetemi docensSemmelweis EgyetemSemmelweis EgyetemGenetikai, Sejt- és Immunbiológiai Genetikai, Sejt- és Immunbiológiai IntézetIntézet

2008.2008.

CitoszkeletonCitoszkeleton

Mikrofilamentumok (aktin)Mikrofilamentumok (aktin) Mikrotubulusok (tubulin)Mikrotubulusok (tubulin) Intermedier filamentumokIntermedier filamentumok

Mikrotubulus asszociált proteinek (MAP-ok)Mikrotubulus asszociált proteinek (MAP-ok) pl.: Motor proteinekpl.: Motor proteinek

SLIDING = elcsúszásSLIDING = elcsúszás

Globuláris fehérjékGlobuláris fehérjék

Fibrilláris fehérjékFibrilláris fehérjék

CaCa2+2+ ATPATP

MikrofilamentumokMikrofilamentumok

CiklózisCiklózis

Az aktin és miozin közötti átmeneti kapcsolatAz aktin és miozin közötti átmeneti kapcsolat Elcsúszás - „sliding”Elcsúszás - „sliding” CaCa2+2+, hőmérséklet és pH-függő, hőmérséklet és pH-függő

MozgóMozgócitoplazmacitoplazma

Álló kérgiÁlló kérgi(cortikális)(cortikális)citoplazmacitoplazma

Aktin filamentumokAktin filamentumok

SzíntestekSzíntestekSejtfalSejtfal

PlazmamembránPlazmamembrán

(Lodish, H. et al. Mol. Cell Biol. 2000, 767)(Lodish, H. et al. Mol. Cell Biol. 2000, 767)

„„Szökőkút” mechanizmusSzökőkút” mechanizmus

CaCa2+2+-függő-függőATP igényesATP igényes

integrinekintegrinek

stressz-fibrillumokstressz-fibrillumok

Álláb-képzésÁlláb-képzés

Mono-Mono-Poli-Poli-Lobo- podiálisLobo- podiálisFilo-Filo-Retikulo-Retikulo-

Aktinhoz kapcsolódó Aktinhoz kapcsolódó proteinekproteinek

kontraktilis kötegkontraktilis köteg aktinin - stressz fibr.aktinin - stressz fibr.

„„tight” parallel kötegtight” parallel kötegfimbrin - filopódiumfimbrin - filopódium

gél-szerű hálózatgél-szerű hálózatfilamin - cortexfilamin - cortex

Migráló keratinocitaMigráló keratinocita

15 15 m/secm/sec

aktin hálózataktin hálózat mikrotubulusokmikrotubulusok

Lobopódium képzésLobopódium képzés

Aktin polimerizációt szabályozó Aktin polimerizációt szabályozó fehérjékfehérjék

-- ++

CofilinCofilinSeverinSeverinGelsolinGelsolin

CAP39CAP39

SeverinSeverin

GelsolinGelsolin

VillinVillin

CapZCapZ

TropomodulinTropomodulin

Listeria monocytogenesListeria monocytogenes • lokális aktin polimerizációlokális aktin polimerizáció• 10 10 m/ perc sebességm/ perc sebesség• nagy áthatoló képességnagy áthatoló képesség

aktinaktin

Aktin nukleációs modell 1. Extracelluláris stimulus1. Extracelluláris stimulus

2. WASP 2. WASP aktiválódásaktiválódás

3. WASP aktiválja 3. WASP aktiválja az Arp2/3az Arp2/3komplexetkomplexetúj filamentumúj filamentum képzésreképzésre

4. Elongáció 4. Elongáció

9. Profilin > ADP/ATP 9. Profilin > ADP/ATP

Aktin-ATP Aktin-ATP kötődése profilinhezkötődése profilinhez

7. Lánc-7. Lánc-öregedésöregedés

8. Cofilin8. Cofilindepolimerizál depolimerizál

6. ‘Capping” prot.6. ‘Capping” prot.elongációt fékezielongációt fékezi

5.. A növekvő filamentumok a membránra erőt fejt ki5.. A növekvő filamentumok a membránra erőt fejt ki

Kérgi régió szerkezeteKérgi régió szerkezete

(Svitkina, TM, Borisy GG J. Cell Biol. 1999, 145, 1009)(Svitkina, TM, Borisy GG J. Cell Biol. 1999, 145, 1009)

Aktin – Membrán kapcsolatAktin – Membrán kapcsolat

F-AktinF-Aktin

IntegrinIntegrinFilaminFilamin

ProfilinProfilin- G-aktin- G-aktin

Miozin I.Miozin I.Arp2/3Arp2/3

membránmembrán

EE

-- --

++ ++++

Adhéziós plakkAdhéziós plakk

Az elektromágneses térAz elektromágneses térhatása a citoszkeleton hatása a citoszkeleton átrendeződésére ésátrendeződésére ésaz állábképződésreaz állábképződésre

MiozinMiozin

miozin I.miozin I.150 kD150 kD

miozin II.miozin II.260 kD260 kD

fejfej

nehéz láncnehéz lánc helixhelix

könnyű lánckönnyű lánc

ATPATP - - ADPADP

PPii

Fej: Fej: - ATP-áz- ATP-áz- motor- motor

A CaA Ca2+2+-függő foszforiláció-függő foszforilációhatása a miozin szerkezetérehatása a miozin szerkezetére

Miozinok megoszlása migráló és Miozinok megoszlása migráló és osztódó sejtekbenosztódó sejtekben

miozin I.miozin I.(zöld)(zöld)

miozin II.miozin II.

(piros)(piros)

(Fukui, Y. Mol. Cell Biol 2000, 785)

++--

A citoszkeleton A citoszkeleton globuláris globuláris és fibrillárisés fibrilláris elemeinek elemeinek egymásrahatása és egymásrahatása és ennek fő funkcióiennek fő funkciói

membránmembrán

kezeletlenkezeletlen gátolt F-aktingátolt F-aktin gátolt MTgátolt MT

MikrotubulusokMikrotubulusok

Interfázisos sejtInterfázisos sejt

Osztódó sejtOsztódó sejt

IdegsejtIdegsejt

centrosomacentrosoma

bazális testbazális test

CsillóCsilló

magorsómagorsó

centrosomacentrosoma

axonaxon

MikrotubulárisMikrotubuláris rendszerekrendszerek a sejtekbena sejtekben

-- CentroszómaCentroszóma

- Csilló / ostor- Csilló / ostor

- Magorsó- Magorsó

- Vezikuláris transzport - Vezikuláris transzport

Mikrotubulusok hálózataMikrotubulusok hálózata

ProtofilamentumokProtofilamentumok

dimerdimer

tubulintubulin

tubulintubulin

24 nm

FibroblasztFibroblaszt

Csilló

csillócsilló

ostorostor

ParameciumParamecium

AABB dynein-karokdynein-karok

nexinnexin

tubulin tubulin (13 ill. 11 protofilamentum)(13 ill. 11 protofilamentum)

ATP-független kötődésATP-független kötődés

ATP hidrolízisATP hidrolízis

A A - - pólus felé mozdul el a kar pólus felé mozdul el a kar

A dynein-karok felépítéseA dynein-karok felépítése

A dynein-karok szerepe aA dynein-karok szerepe acsillócsapás kialakulásábancsillócsapás kialakulásában

„„Teleszkóp”Teleszkóp”hatáshatás

HajlásHajlás

ProteolízisProteolízis

A csillót felépítő molekulákA csillót felépítő molekulák

70% 70% és és tubulin tubulin dynein karokdynein karok

külső - 9 polipeptid - ATP-ázkülső - 9 polipeptid - ATP-ázbelső - változó összetételbelső - változó összetétel

küllők - 17 polipeptidküllők - 17 polipeptid

több mint több mint 250250 féle molekula féle molekula

Intermedier filamentumokIntermedier filamentumok

A citoszkeleton komponenseinekA citoszkeleton komponenseinek mechanikai jellemzőimechanikai jellemzői

alak

válto

zás

alak

válto

zás

erőerő

aktin filamentumaktin filamentum

mikrotubulusmikrotubulus

intermedier filamentumintermedier filamentumpl. vimentinpl. vimentin

= szakadás= szakadás

HH22N-N- --COOHCOOH

keratinokkeratinok

vimentinvimentin

neurofilam. prot.neurofilam. prot.

nukleáris protnukleáris prot

helikális doménhelikális domén

Az intermedier filamentumok domén szerkezeteAz intermedier filamentumok domén szerkezete

Intermedier filamentumokIntermedier filamentumok

A filamentumokat összekötő protein keresztkötésekA filamentumokat összekötő protein keresztkötésekszáma az intermedier filamentum típusától függőenszáma az intermedier filamentum típusától függőeneltérő.eltérő.

Neuro-filamentumok Neuro-filamentumok – – sok sok keresztkötéskeresztkötés

Gliális filamentumokGliális filamentumok

– – kevéskevés keresztkötés keresztkötés

Mikrotubulus asszociált proteinekMikrotubulus asszociált proteinek(MAP-ok)(MAP-ok)

MAP-ok csoportosításaMAP-ok csoportosítása

• Strukturális MAP-okStrukturális MAP-ok -- MT-összeépüléseMT-összeépülése

-- kapcsolódás MF-hoz és IF-hoz kapcsolódás MF-hoz és IF-hoz

• Motor proteinekMotor proteinek -- elcsúszás MT-nelcsúszás MT-n

• Enzimek, szignál molekulákEnzimek, szignál molekulák- glikolítikus enzimek- glikolítikus enzimek

- kinázok- kinázok

Sejt alak, polaritásSejt alak, polaritás

Membrán transzportMembrán transzport

Molekulák összeépülése Molekulák összeépülése egyes helyekenegyes helyeken

Motor proteinekMotor proteinek

Motor-proteinek szerkezeteMotor-proteinek szerkezete

motor domén

motor domén

asszoc.polipeptidek

asszoc.

polipeptidek

asszoc.

polipeptidek

„nyél”

„nyél”

Kinezin Miozin Dynein

Motor proteinekMotor proteinek

kinezinkinezin dyneindynein

mikrotubulus

könnyű láncokkönnyű láncok

nehéznehézlánclánc

kinezinkinezin dyneindynein

DyneinDyneinNehéz láncNehéz lánc

DynamantinDynamantin

SpectrinSpectrin

Könnyű láncokKönnyű láncok

Összekötő láncokÖsszekötő láncok

Capping proteinCapping protein

p150 p150

p62 p62

Arp1Arp1MembránMembrán

Dynein – membrán kapcsolatDynein – membrán kapcsolat

(Hirokawa, N. Science 1998, 279:519)

++--

kinezinkinezin

dyneindynein

cAMPcAMPcAMPcAMP

pigment sejtekpigment sejtek

MT-motor proteinek és transzportált elemekMT-motor proteinek és transzportált elemek

Cytosol dyneinekCytosol dyneinek Cytosol kinezinekCytosol kinezinek Magorsó kinezinekMagorsó kinezinek

Membrán vezikulumMembrán vezikulum

Mitoch. Mitoch.

LizoszómaLizoszóma

LizoszómaLizoszóma

GolgiGolgi

ERER

MTOCMTOC

(Hirokawa, N. Science 1998, 279:519)

Van más mechanizmus is …Van más mechanizmus is …

Spazmonémás mozgás - Spazmonémás mozgás - VorticellaVorticella

Spazmonéma helixSpazmonéma helix

Kontrakció: Kontrakció: 40%40% ms alatt ms alattSebesség: Sebesség: 8 cm/s8 cm/s

NegativeNegativetöltésektöltések

SemlegesítésSemlegesítés

CaCa2+2+-vel-vel

Aktin-tű mechanizmus Aktin-tű mechanizmus Limulus Limulus polyphemus polyphemus spermiumbanspermiumban

• A megnyúlás sem myosin-motort, sem aktinA megnyúlás sem myosin-motort, sem aktin polimerizációt nem igényelpolimerizációt nem igényel• A köteg kristályszerkezete változikA köteg kristályszerkezete változik

acrosomaacrosoma

aktinkötegaktinköteg

!!

Harántcsíkolt izomHarántcsíkolt izom

Az harántcsíkolt izom Az harántcsíkolt izom izomrostjának szerkezeteizomrostjának szerkezete

T- tubulusT- tubulus

Sarcoplazmatikus Sarcoplazmatikus retikulumretikulum

MiofibrillumMiofibrillum

IzomrostIzomrost

SarcolemmaSarcolemma

A sarcomer FM és TEM A sarcomer FM és TEM szerkezeteszerkezete

A csíkA csíkI csíkI csíkI csíkI csík I csíkI csík

H csíkH csík

miozinmiozin miozinmiozin+ aktin+ aktin

miozinmiozin+ aktin+ aktin

aktinaktinaktinaktin

Sarcomer felépítéseSarcomer felépítése

• Két Z-vonal által határolt működési egységKét Z-vonal által határolt működési egység

• Z vonal – Z vonal – -aktinin-aktinin + + dezmindezmin

• Vékony filamentum – kb. 600 db Vékony filamentum – kb. 600 db -helikális -helikális aktinaktin molekula + molekula + tropomiozintropomiozin + +

troponinektroponinek

• Vastag filamentum – kb. 150-400 db Vastag filamentum – kb. 150-400 db miozin II.miozin II. molekula molekula

A „nyílhegy-képződés” A „nyílhegy-képződés” molekuláris hátteremolekuláris háttere

- +

+ -

-aktinaktin

miozinmiozin fejekfejek

A sarcomer felépítéseA sarcomer felépítése

Z- vonal Aktin fil. Miozin vastag fil

M vonal

H.cs. izom – vékony filamentumának H.cs. izom – vékony filamentumának felépítésefelépítése

Troponin komplexTroponin komplex

Troponin komplexTroponin komplex

TropomiozinTropomiozin

Tn CTn C Tn ITn I Tn TTn T

Troponin - TropomiozinTroponin - Tropomiozin

Troponin:Troponin:

• Tn-T tropomiozint kötTn-T tropomiozint köt• Tn-C CaTn-C Ca2+2+ kötő kötő

(4 Ca(4 Ca2+2+/mol/mol = calmodulin)= calmodulin)• Tn-I inhibitorTn-I inhibitor

Tropomiozin:Tropomiozin:

• kettős kettős -helix-helix• erősíti a filamentumoterősíti a filamentumot (7 kötőhelymol)(7 kötőhelymol)• gátolja a filamin-aktin kötődéstgátolja a filamin-aktin kötődést• elősegíti a miozin II kötéstelősegíti a miozin II kötést

H.cs. izom – vastag filamentumának H.cs. izom – vastag filamentumának felépítésefelépítése

könnyű láncokkönnyű láncok

nehéz láncoknehéz láncok„„zsanér”zsanér”

fejfej

134 nm

miozin fejekmiozin fejek

„„rúd”rúd”bipoláris szerkezetbipoláris szerkezet

Miozin II bontásaMiozin II bontása

trypsintrypsin

papainpapainLMMLMM

HMMHMM

S1S1S2S2

SarcomeSarcomerr

CaCa2+ 2+ csatornákcsatornák

T- tubulusokT- tubulusok

Sarcopl.Sarcopl.retikulumretikulum

0.5 nm0.5 nm

A CaA Ca2+2+ kiürülésének mechanizmusa kiürülésének mechanizmusa

Tropomiozin hatásaTropomiozin hatása

Az aktinhoz kötődőAz aktinhoz kötődőtropomiozin gátolja atropomiozin gátolja amiozin bekötődésétmiozin bekötődését

Ca Ca 2+2+ hatására a hatására a miozin-kötőhelymiozin-kötőhelyszabaddá válikszabaddá válik

Ca2+

Ca2+

Az un. „sliding” mechanizmusAz un. „sliding” mechanizmus

ADP + PiADP + Pi

ADP + PiADP + Pi

ADP + PiADP + Pi

ATPATP

Miozin fej + aktin Miozin fej + aktin = = aktomiozinaktomiozin komplex komplex

ADP+Pi leválik ADP+Pi leválik a miozin fejrőla miozin fejről

ATP kötődik a miozin fejhez;ATP kötődik a miozin fejhez;megszűnik az AM komplexmegszűnik az AM komplex

ATP hidrolíziseATP hidrolízise

ERŐKIFEJTÉSERŐKIFEJTÉS

A sarcomer megrövidülésének A sarcomer megrövidülésének mechanizmusamechanizmusa

SarcomerSarcomer

A A csíkcsík

Az aktin és proteinjeinek kapcsolata a Az aktin és proteinjeinek kapcsolata a slidinget megelőzőenslidinget megelőzően

AktinAktin

Aktin + Aktin + TMTM

[Aktin-[Aktin-TMTM] + ] + Tn-TTn-T

[Aktin-[Aktin-TMTM--Tn-TTn-T] + ] + Tn-ITn-I

[Aktin-[Aktin-TMTM--Tn-TTn-T--Tn-ITn-I] + ] + Tn-CTn-C

[Aktin-[Aktin-TMTM--Tn-TTn-T--Tn-ITn-I--Tn-CTn-C]]

Miozin nem tud kötődniMiozin nem tud kötődni

Ca Ca 2+2+ kötődik kötődik és Tn-I gátlása és Tn-I gátlása TM-en megszűnikTM-en megszűnik

TMTMTn-TTn-TTn-ITn-ITn-CTn-CAKTINAKTIN MIOZINMIOZIN

ATPATP MgMg2+2+

ATP-ázATP-áz

TMTMTn-TTn-TTn-ITn-ITn-CTn-CAKTINAKTIN MIOZINMIOZIN

ATPATP MgMg2+2+

ATP-ázATP-áz

CaCa2+2+ [10 [10-8-8 10 10-6-6 M] M]

TMTMTn-TTn-TTn-ITn-ITn-CTn-C

MgMg2+2+

ATP-ázATP-áz

ATP – ADP + PiATP – ADP + Pi

MIOZINMIOZINAKTINAKTIN

SLIDINGSLIDING

Az izommozgás energiaforrásaAz izommozgás energiaforrása

kreatinkreatin foszfát + ADP foszfát + ADP kreatin + ATPkreatin + ATP(arginin foszfát)(arginin foszfát) (arginin)(arginin)

kreatin kinázkreatin kináz

G = - 3 kcal/molG = - 3 kcal/mol

Harántcsíkolt izom fehérjéiHarántcsíkolt izom fehérjéi

-aktinin (sárga) – Z-lemez -aktinin (sárga) – Z-lemez

aktin (piros)aktin (piros)

A H.cs. izom szerkezetét stabilizáló A H.cs. izom szerkezetét stabilizáló egyéb fehérjékegyéb fehérjék

Nebulin:Nebulin:aktinhoz kapcsolódikaktinhoz kapcsolódikSzerkezetét stabilizáljaSzerkezetét stabilizáljaSzabályozza az aktin felépülésétSzabályozza az aktin felépülését

Titin Titin ((Ms 3x10Ms 3x1066 ): ):Miozint tartja centrális helyzetbenMiozint tartja centrális helyzetben

Dystrophin:Dystrophin:aktin és izom-membrán fehérjék közöttiaktin és izom-membrán fehérjék közöttikapcsolatot teremti megkapcsolatot teremti megHiánya – muscularis dystrophiaHiánya – muscularis dystrophia

Dezmin, VimentinDezmin, Vimentin::az egyes Z lemezeket fűzi összeaz egyes Z lemezeket fűzi össze