Wusstest Du, dass eine Muskelkontraktion und das menschliche Hörorgan mikroanatomische Ähnlichkeiten haben? Und hast Du schon einmal gehört, dass Eiben eine Rolle bei der Tumorbehandlung spielen können? Das muss Dir wohl ziemlich komisch vorkommen.
Die Antwort auf diese Fragen befindet sich jedoch in einem winzigen Bestandteil des menschlichen Körpers: dem Cytoskelett. Es bildet das dreidimensionale Stützgerüst der menschlichen Zellen.
Allgemeines zum Cytoskelett
Jedes Lebewesen besitzt ein Stützgerüst, von welchem es zusammengehalten wird. Dieses Gerüst, genannt Cytoskelett, bildet die Grundlage der Zellen.
Genau wie der Mensch durch das Skelett gestützt wird, benötigt auch der kleinste Teil des menschlichen Organismus ein Skelett, um seine mechanische Stabilität zu wahren. Diese Aufgabe wird vom sogenannten Cytoskelett übernommen, ein Geflecht aus Proteinen im Cytoplasma der Eukaryotenzelle.
Das Cytoskelett ist das dreidimensionale Stützgerüst einer Zelle und befindet sich im Cytosol.
Es besteht aus drei Hauptbestandteilen: den Mikrotubuli, den Intermediärfilamenten und den Aktin- oder Mikrofilamenten. So bildet es den Bewegungs- und Stützapparat einer Zelle.
Das Cytoplasma ist der Inhalt der Zelle, welcher aus den Zellorganellen, dem Cytoskelett und der Zellflüssigkeit, genannt Cytosol, besteht.
Cytoskelett Funktion
Jede Zelle wird durch ihre spezifische Form definiert. Um diese aufrechtzuerhalten, benötigt sie ein Cytoskelett, auch “Zellskelett” genannt. Dieses sogt für Dynamik und Stabilität und kontrolliert, dass alle Zellorganellen an ihrem vorgesehenen Platz positioniert sind.
Jedoch ist das Cytoskelett nicht nur für die mechanische Stabilisierung, sondern auch für den Transport von Vesikeln oder Organellen innerhalb der Zelle verantwortlich.
Tierische Zellen besitzen, im Gegensatz zu pflanzlichen Zellen, keine Zellwand. Daher spielt das Cytoskelett für sie eine besonders wichtige Rolle.
Auch im Rahmen der Zellteilung ist das Zellskelett nicht wegzudenken, denn hier bilden die Mikrotubuli die benötigte Teilungsspindel aus. Zudem beteiligt sich durch sie das Zellskelett an der Stützung einiger Zellfortsätze.
Cytoskelett Aufbau
Das Zellskelett ist ein Zusammenspiel aus mehreren Proteinen, den sogenannten Filamenten. Jedes der einzelnen Bestandteile wird von unterschiedlichen Proteinen gebildet und bekommt so eine ganz eigene Funktion im Cytoskelett. Aktinfilamente und Mikrotubuli gewährleisten in Kombination mit Motorproteinen die aktive Zellbewegung.
Das Zellskelett besitzt die Fähigkeit zum selbstständigen Auf- und Abbau. Diese Eigenschaft spielt bei der Zellteilung und Zellerneuerung eine wichtige Rolle und wird durch Begleitproteine gesteuert. Sie sorgen auch dafür, dass die einzelnen Filamente in Verbindung zueinander oder zu anderen Membranproteinen stehen.
Mikrotubuli
Die Mikrotubuli bilden mit einem Durchmesser von 25 nm den größten Teil des Zellskeletts. Ihre kleinste Einheit bilden die α- und β-Tubuline – kleine, kugelförmige Proteine, aus denen 13 Stück einen Mikrotubulus ergeben.
Jeweils ein α- und ein β-Tubulin werden dann zu einem Dimer zusammengeschlossen.
Diese Tubulin-Dimere lagern sich längst zusammen und bilden lange Ketten (Protofilamente). Von diesen Ketten sind immer 13 Stück seitlich aneinander gelagert und bilden dadurch die Mikrotubuli.
Besonders wichtig sind die Mikrotubuli bei der Mitose, da sie dort die Bildung des Spindelapparates übernehmen.
Innerhalb der Zelle sind Mikrotubuli der essenzielle Faktor während des Stofftransportes.
Hierfür bilden sie ein Gerüst für Motorproteine innerhalb des Cytosols. An diese “Transportschiene” können Vesikel, Organellen oder Makromoleküle binden und so durch die Zelle hindurch Stoffe transportieren. Zwei Beispiele für Motorproteine sind Kinesin und Dynein, die durch ATP-Spaltung aktiviert werden.
Motorproteine aktivieren und steuern aktive Transporte innerhalb einer Zelle oder beeinflussen ihre Fortbewegung. Durch ATP-Hydrolyse wird den Motorproteinen die benötigte Energie geliefert.
Auch bilden die Mikrotubuli einen Teil des Bewegungsapparates von Zilien und Flagellen, welche der Fortbewegung und Signalaufnahme einer Körperzelle dienen. Im menschlichen Gewebe bilden Zilien Flimmerepithel, z. B. in den Bronchien oder den Eileitern. Flagellen dienen als Fortbewegungsprotein der männlichen Spermien.
Flimmerepithel ist ein spezielles Gewebe, welches aus beweglichen Härchen (Zilien) besteht. Flimmerepithel sitzt z. B. in den Atemwegen und reinigt diese.
Mikrotubuli können in zwei verschiedenen Formen auftreten. Dabei gibt es die 9 × 2 + 2-Anordnung und die 9×3-Anordnung. Je nachdem, in welchem Bereich sie eingebaut sind, unterscheidet sich diese Form.
So kommen die Mikrotubuli in Zilien überwiegend in einer 9 × 2 + 2-Anordnung vor. Die 9 × 3-Form nehmen Mikrotubuli z. B. während der Meiose und der Mitose an, und bilden damit den Ausgangspunkt für den Spindelapparat. Die 9 x 3-Anordnung ist teilweise auch bei Zilien oder an der Basis von Geißeln zu finden.
Zusammengefasst kann also gesagt werden, dass Mikrotubuli in Form ihrer ersten Anordnung einzelne Zellbestandteile (z. B. Chromosomen) bewegen können, in ihrer zweiten Form wiederum aktiv oder passiv eine ganze Zelle.
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Intermediärfilamente
Intermediärfilamente bilden den stabilsten Teil des Cytoskeletts. Sie haben einen Durchmesser von ca. 10 nm und können hervorragend mechanische Einwirkungen auf die Zelle aufnehmen. Dies wird durch ihre Zugfestigkeit gewährleistet, welche sie durch Verankerungen, wie Zell-Zell- und Zell-Matrix-Kontakten hervorrufen.
Im Gegensatz zu den anderen Filament-Arten besitzen sie jedoch keine eigenen, bisher bekannten Motorproteine. Auch bestehen sie verglichen mit den anderen beiden Zellbestandteilen nicht aus globulären, sondern langen Faserproteinen.
Faserproteine sind wasserunlösliche Proteine und dienen dem Aufbau von Gerüstelementen (z. B. Cytoskelett) in Geweben und Zellen.
Globuläre Proteine sind wasserlösliche Proteine und spielen eine wichtige Rolle bei chemischen Reaktionen, z. B. dem Glucosestoffwechsel oder der Sauerstoffspeicherung.
Ein Dir sicherlich bekannter Begriff wird das Keratin sein. Es ist eines der vier Hauptbestandteile der Intermediärfilamente und ist vorwiegend in Epithelzellen zu finden. Keratin ist für den Zusammenhalt einzelner Gewebe verantwortlich, da es Zellen untereinander verankern kann. Überwiegend kommt es in Haaren oder Nägeln vor.
Intermediärfilamente sind daher besonders zahlreich in mechanisch stark beanspruchten Zellen vorzufinden.
Am Beispiel des Keratins kann verdeutlicht werden, dass die Intermediärfilamente am ehesten für einen stabilen Halt der Zelle sorgen.
Aktinfilamente/Mikrofilamente
Hast Du Dich schon einmal gefragt, wieso sich Muskeln anspannen können und warum genau Du überhaupt Geräusche wahrnehmen kannst? Ja, erstaunlicherweise hängen beide Vorgänge zusammen, denn sie werden jeweils durch Mikrofilamente ermöglicht.
Aktin gehört zu den Strukturproteinen und ist ein wichtiger Teil des Cytoskeletts. Es ist vor allem in der kleinsten Einheit der Muskelfasern zu finden. Interagiert es dort zusammen mit Myosin, so kommt es zur Muskelkontraktion.
Mikrofilamente/Aktinfilamente bilden den kleinsten Teil des Cytoskeletts und bestehen überwiegend aus Aktinomeren mit einem Durchmesser von nur 7 nm. Mikrofilamente sind netzartig im Cytosol angeordnet und bilden durch ihre Struktur eine hervorragende stabilisierende Stütze. Mikrofilamente sind vermehrt als Stütze unter der Zellmembran zu finden, in der sie unter anderem auch für die Verankerung von Rezeptoren sorgen.
Vielleicht hast Du schon einmal vom Aktin-Myosin-Komplex oder dem Querbrückenzyklus gehört. Genau jene Aktine sind es, um die es hier geht. Sie bilden in Muskelzellen in Form von α-Aktinen die Basis der Muskelkontraktilität und weisen hier einen hohen Aktingehalt auf.
Funktionstüchtig sind Aktine jedoch immer erst in Kombination mit ihren spezifischen Motor- und Begleitproteinen, wie dem Myosin.
Geh noch einmal zurück zur Zellteilung und spring in die Telophase der Mitose. Damit schlussendlich Tochterzellen aus der Mitose hervorgehen können, muss der Zellkörper abgeschnürt werden.
Diese Aufgabe wird von einem kontraktilen Ring übernommen. Er besteht aus Aktin- und Myosinfilamenten des Cytoskeletts und funktioniert wie die Muskelkontraktion einer Muskelfaser.
Aktin und Myosin bilden die kontraktile Einheit eines Muskels. Bei einer Kontraktion gleiten beide Proteine aneinander vorbei.
Das Myosin besitzt eine Bindungsstelle für ATP und Aktin. Ist das ATP an das Myosin gebunden, so ist der Muskel in einem relaxierten Zustand. Wird das ATP jedoch durch Hydrolyse in ADP + Phosphat gespalten, so lagert sich das Aktin an das Myosinköpfchen an. Dadurch werden die Filamente gegeneinander verschoben und es kommt zu einer Muskelkontraktion.
Mehr über die Muskelkontraktion kannst Du in der StudySmarter Erklärung zum Thema Muskulatur erfahren!
Und wie funktioniert das nun mit dem Hören? In Deinem Ohr sitzen kleinste Haarzellen, sogenannte Mikrovilli, welche als Rezeptoren dienen. Sie übertragen die Reize, welche durch Schallwellen auf Dein Ohr gelangen, weiter über den Hörnerven bis zum Gehirn. Aktinfilamente dienen ihnen als stabilisierende Einheit.
Cytoskelett Pflanzenzelle
In der Pflanzenzelle ist das Cytoskelett ein wenig anders aufgebaut. Jedoch sind die Unterschiede zur tierischen Zelle trotz dessen nicht allzu groß. Das pflanzliche Cytoskelett ist im Gegensatz zum tierischen nur für die räumliche Form der Zelle verantwortlich und nicht für ihre Bewegung. Da die pflanzliche Zelle jedoch eine Zellwand besitzt, welche größtenteils Form- und Stützfunktionen übernimmt, ist das pflanzliche Cytoskelett verglichen zu Tierzellen schwacher ausgeprägt.
Auch das pflanzliche Zellskelett besteht aus einem filamentösen Netzwerk aus Aktinfilamenten und Mikrotubuli. Dieses Netz ermöglicht lebenswichtige Prozesse. In der Pflanzenzelle sind die Proteine im Cytosol eher parallel angeordnet. Hier bilden sie den Randbereich des Cytoplasmas aus und ähneln jenen der Tierzellen.
Stoffwechselstörungen im Cytoskelett
Die drei Bestandteile des Cytoskeletts bilden einen bedeutungsvollen Teil des menschlichen Körpers. Sie unterstützen alle lebenswichtigen Funktionen und bilden deren Basis. Was passiert jedoch, wenn dieses Gleichgewicht aus dem Ruder gerät?
Dies kann zwei mögliche Folgen haben: Makel im Cytoskelett können durch Gendefekte weitervererbt oder durch externe Toxine beschädigt werden. Oftmals sind hiervon die Muskeln betroffen.
Schädigung durch Gendefekt – Muskeldystrophie Typ Duchenne
Gendefekte werden zumeist durch Mutationen hervorgerufen. Die “Duchenne-Muskeldystrophie” wird durch eine Nonsense-Mutation auf dem X-Chromosom in den muskulären Proteinen hervorgerufen. Sie betrifft überwiegend Kinder.
Die Nonsense-Mutation ist eine Mutationsart, bei der frühzeitig ein Stopp-Codon entsteht. Dies führt zum Abbruch der Translation während der Proteinbiosynthese.
Der Typ Duchenne ist der schwerwiegendste Typ der Muskeldystrophien und zeichnet sich vorwiegend durch eine Schwäche der Beckengürtelmuskulatur aus. Ausgelöst wird dieses Krankheitsbild durch das Fehlen von Dystrophin, welches durch den Gendefekt nicht mehr synthetisiert werden kann.
Dystrophin ist ein Strukturprotein, welches im Sarkolemm (Zellmembran einer Muskelzelle) der Skelettmuskulatur vorkommt. Es sorgt für eine adäquate Verankerung des Cytoskeletts mit der extrazellulären Matrix.
Das Protein dient als Stabilisator und Stoßdämpfer der Muskeln und spielt somit eine wichtige Rolle bei der Verletzungsprävention.
Typische Symptome dieses Krankheitsbildes sind Muskelabbau, Verlust der Gehfähigkeit und Verkrümmung der Wirbelsäule.
Du kannst Dir das Prinzip so vorstellen: Deine Muskeln sind durch viele einzelne Stränge aufgebaut. Diese bestehen ihrerseits wiederum aus weiteren Strängen, die perlschnurartig aus Aktin aufgebaut sind.
Das Dystrophin ist hierbei eine Art Anker, der alle Ketten mit der äußeren Wand verbindet und so stabilisiert. Ist dieser Anker nicht mehr vorhanden, so kann das Gerüst nicht aufrechterhalten werden und stürzt in sich zusammen.
Bei diesem Krankheitsbild sterben die Muskelzellen nach und nach ab und werden schlussendlich durch Binde- und Fettgewebe ersetzt. Dadurch wird dem Körper die Fähigkeit zur richtigen Bewegung verwehrt.
Ein weiteres Beispiel für einen Gendefekt ist ALS (Amyotrophe Lateralskelrose). Anders als bei der Muskeldystrophie werden hierbei die Nervenzellen, welche in Verbindung zur Muskulatur stehen, zerstört.
Schädigung durch Toxine
Toxine, auch Zellgifte genannt, tun einer Zelle im Allgemeinen nichts Gutes, sondern bewirken zumeist das Gegenteil. Warum sie jedoch auch lebensrettend sein können, erfährst Du nun.
Taxol ist ein Pflanzengift, welches aus Eiben gewonnen werden kann. Auch das Colchicin ist ein solches Pflanzengift, jedoch aus den Pflanzen der Herbstzeitlosen. Beide haben gemeinsam, dass sie für die Tumortherapie eingesetzt werden können, da sie die Ausbildung des Spindelapparates während der Mitose verhindern. Aus Taxol wird wiederum Paclitaxel, ein Zytostatikum, gewonnen.
Zytostatika sind chemisch, toxische Wirkstoffe, die zumeist im Rahmen einer Chemotherapie verwendet werden. Sie besitzen die Fähigkeit, den Zellzyklus zu verhindern oder zu verzögern und können somit Einfluss auf die Vermehrung von Tumorzellen nehmen.
Paclitaxel wirkt direkt auf das β-Tubulin der Mikrotubuli ein. Diese sorgen für die Ausbildung des Spindelapparates während der Mitose. Nach Ausbildung bindet jedoch das Taxol an das β-Tubulin, wodurch der Abbau und damit der weitere Teilungsverlauf der Zelle unterbrochen werden. Jene Zelle stirbt schlussendlich ab. Zumeist sind hiervon Zellen mit einer hohen Teilungsrate (z. B. Tumorzellen) betroffen.
Cytoskelett – Das Wichtigste
- Das Cytoskelett ist ein dreidimensionales Stützgerüst einer Zelle im Cytosol
- Seine drei Hauptbestandteile sind Mikrotubuli, Intermediärfilamente und Aktin-/Mikrofilamente
- Es bildet Stütz- und Bewegungsapparat, Teilungsspindel, Zellfortsätze
- Mikrotubuli übernehmen die Ausbildung des Spindelapparates und sind essenziell für den interzellulären Stofftransport
- Die filamentären Proteine werden z. T. durch Motorproteine unterstützt, welche aktive Transporte innerhalb einer Zelle und ihre Fortbewegung beeinflussen
- Intermediärfilamente sind die stabilsten und zugfestesten Bestandteile des Cytoskelettes
- Aktinfilamente spielen eine Rolle bei der Signalübertragung und der Muskelkontraktion
- Stoffwechselstörungen im Cytoskelett können durch Gendefekte oder Toxine hervorgerufen werden
Nachweise
- mpg.de: Zwei Skelette treffen sich: die pflanzliche Zellwand und das Zytoskelett. (22.07.2022)
- link.springer.com: Struktur und Dynamik des Cytoskeletts. (25.07.2022)
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