Mikrotubuli

Mikrotubuli sind röhrenförmige Proteinstrukturen, die ein elementarer Bestandteil des Cytoskeletts (Zellskelett) von Eukaryoten sind. Außerdem spielen Mikrotubuli eine wichtige Rolle in der Ausbildung des Spindelapparates, bei der Mitose und beim Transport von Vesikeln.

Mikrotubuli: Aufbau

Wofür sind Mikrotubuli überhaupt gut? Um diese Frage zu beantworten, schauen wir uns zunächst ihre Zusammensetzung an.

Mikrotubuli Zusammenbau

Zuerst betrachten wir die kleinsten Einheiten des Mikrotubuli und arbeiten uns dann zu den größeren Strukturen vor.

Mikrotubulie: Tubulin-Heterodimere

Die kleinsten Untereinheiten, aus denen Mikrotubuli aufgebaut sind, nennen sich Tubuline. Das sind kleine, kugelförmige Proteine. Sie haben verschiedene Formen, die hier wichtigen sind aber die α- und β-Tubuline. Jeweils ein α-Tubulin lagert sich mit einem und β-Tubulin zusammen, um ein sogenanntes Heterodimer zu bilden.

Abbildung 1: Tubulin-Heterodimer

Jedes dieser Heterodimere hat ein positives und ein negatives Ende. Das α-Tubulin bildet dabei das negative Ende, während das β-Tubulin das positive Ende darstellt.

Mikrotubuli: Protofilamente

Die Tubulin-Heterodimere lagern sich längst zusammen und bilden dabei lange Ketten. Diese nennt man auch Protofilamente. Beim Kettenwachstum orientieren sich die Dimere so, dass sich α- und β-Tubuline immer abwechseln.

Die Bezeichnung der positiven und negativen Enden bezieht sich jetzt nicht mehr auf jedes Dimer, sondern auf die Enden des Protofilaments. Das Ende, das mit einem α-Tubulin aufhört, ist jetzt das negative Ende und die andere Seite – die jetzt mit einem β-Tubulin aufhört – ist das positive Ende.

Abbildung 2: Protofilament

Der Anbau von neuen Dimeren, und somit auch das Wachstum der Protofilamente, geschieht immer am positiven Ende der Kette.

Mikrotubuli

Von diesen Protofilamenten sind jeweils 13 seitlich aneinander gelagert und bilden dadurch starre, stabile Röhren: Mikrotubuli. Je nach Organismus haben Mikrotubuli einen Durchmesser von jeweils 20 bis 30 Nanometern.

Abbildung 3: Aufbau eines Mikrotubulus

Diese Röhren schweben nicht einfach lose in der Zelle herum. Mikrotubuli fangen mit ihrem Wachstum meistens in sogenannten Mikrotubulus-Organisationszentren (MTOC) an. Dadurch sind Mikrotubuli mit ihrem Minus-Ende oft in so einem MTOC verankert und können mit ihrem positiven Ende gerichteter zu einem bestimmten Ziel wachsen (meistens die Zellwand).

Mikrotubuli: dynamische Instabilität

Nicht alle Mikrotubuli sind stabil, wie in Abbildung 3 dargestellt, und bilden ein festes Gerüst. Einige Mikrotubuli sind sehr dynamische Strukturen, sie können nicht in einem Zug direkt zu ihrem Ziel wachsen. Stattdessen werden sie immer wieder ein Stückchen abgebaut, bevor sie erneut weiterwachsen können. Diesen Zustand nennt man auch dynamische Instabilität.

Stabilität der Mikrotubuli

Was ist der Grund für die dynamische Instabilität? Hierfür betrachten wir, wie sich die einzelnen Tubulin-Dimere überhaupt zur komplexen Struktur der Mikrotubuli anordnen können.

An das β-Tubulin – also die positive Seite – ist GTP gebunden. Nur in dieser GTP-gebundenen Form kann das Tubulin in den wachsenden Strang eingebaut werden.

Lagern sich neue Tubulin-Dimere an die wachsenden Protofilamente an, werden nach einer Weile die GTP-Moleküle an den Tubulinen zu GDP hydrolysiert. Normalerweise spalten sich die GTP-Moleküle so langsam, dass am wachsenden Ende eines Filaments immer eine sogenannte "GTP-Kappe" bestehen bleibt. Diese Kappe ist nötig für die Stabilität der Mikrotubuli.

Instabilität der Mikrotubuli

Manchmal ist die Konzentration der neuen Tubulin-Dimere in der Umgebung der wachsenden Mikrotubuli jedoch so gering, dass der Einbau neuer Dimere langsamer verläuft als die Spaltung der GTP-Moleküle in den bereits verbauten Dimeren. In solchen Fällen kommt es zu einer sogenannten catastrophe. Es besteht nun keine GTP-Kappe mehr, weshalb das Ende des Mikrotubulus instabil ist und anfängt zu zerfallen. Es lösen sich immer mehr Dimere ab und die Filamente schrumpfen.

Dieser Vorgang wird dann gestoppt, wenn wieder genug Tubulin-Dimere zur Verfügung stehen, die eingebaut werden können. Bei so einer rescue kann sich wieder eine GTP-Kappe ausbilden und die Mikrotubuli können weiterwachsen, bis es erneut zu einer catastrophe kommt.

Mikrotubuli: Funktion

Wie bereits erwähnt haben Mikrotubuli essenzielle Aufgaben in der Zellteilung oder der Zellstabilisierung.

Transport entlang von Mikrotubuli

Mikrotubuli sind nicht nur selbst zuständig für viele Aufgaben, sondern dienen auch als Gerüst für Motorproteine. Diese Motorproteine haben Vesikel (kleine Membranbläschen mit Inhalt), ganze Organellen oder Biomakromoleküle gebunden und können diese durch die Zelle transportieren, indem sie sich über Mikrotubuli bewegen. Zu diesen Motorproteinen zählen zum Beispiel Kinesin oder Dynein.

Mikrotubuli: Aufbau der Motorproteine

In ihrem Aufbau ähneln sich Kinesine und Dyneine:

Meistens haben sie zwei Kopfdomänen (=Motordomänen), mit denen sie wie mit zwei Füßen auf den Mikrotubulix befestigt sind. Von hier führen zwei lange, verwundene α-Helices zur Schwanzdomäne. An ihrem Ende ist die Ladung befestigt.

Es gibt auch Ausnahmen: Manche Kinesine haben zum Beispiel an beiden Enden Kopfdomänen, sodass sie keine Ladung transportieren, sondern zwei Mikrotubuli binden können.

Mikrotubuli: Bewegung der Motorproteine

Ein Unterschied zwischen Kinesinen und Dyneinen ist ihre Bewegungsrichtung:

Kinesine bewegen sich meistens in Richtung der positiven Enden der Mikrotubuli und transportieren ihre Ladung somit von innerhalb der Zelle an ihren Rand. Dyneine bewegen sich meistens entgegengesetzt.

Für ihre Fortbewegung nutzen beide den sogenannten Hand-over-hand-Mechanismus:

Die zwei Kopfdomänen werden abwechselnd voreinander gesetzt, sodass sich das Motorprotein auf den Mikrotubuli vorwärts bewegen kann. Dabei ist immer mindestens eine der Kopfdomänen auf dem Mikrotubulus befestigt.

Abbildung 4: Vorwärtsbewegung eines Motorproteins auf dem Mikrotubulus

Sowohl Dynein als auch Kinesin benötigen für diesen Vorgang Energie in Form von ATP. Für jeden Schritt wird in einer Kopfdomäne ein ATP Molekül aufgebraucht und für den nächsten Schritt mit einem neuen Molekül ersetzt. Je nachdem, ob gerade ATP, die gespaltene Form ADP oder nichts gebunden ist, bindet die Motordomäne fest oder schwach am Mikrotubulus und ermöglicht es dem Protein, sich gerichtet nach vorne zu bewegen.

Mikrotubuli: Nutzen der Motorproteine

Viele der Ladungen, die durch Motorproteine über Mikrotubuli transportiert werden, sind Vesikel. Diese entstehen zum Beispiel, wenn Zellen durch Endozytose Stoffe durch ihre Membran aufnehmen und sie dabei in kleine Membranbläschen verpacken. Diese Stoffe müssen dann zu den entsprechenden Zellorganellen transportiert werden, um dort weiterverarbeitet zu werden.

Mikrotubuli: Zellteilung

Bei der Zellteilung spielen nicht nur Mikrotubuli, sondern auch die bereits erwähnten Motorproteine eine Rolle.

Mikrotubuli: Ausbildung des Spindelapparates

Zu den wichtigsten Aufgaben der Mikrotubuli zählt die Bildung des Spindelapparates, der Chromosomen bei der Zellteilung auf die beiden Seiten der Zelle zieht.

Dafür trennen sich die beiden Zentriolen, aus denen das Zentrosom der Zelle aufgebaut ist, und platzieren sich beide an entgegengesetzten Seiten der Zelle. Hier dienen sie erneut als Zentrosomen und somit als MTOC. Die Mikrotubuli können hier dynamisch und sternförmig aus ihnen herauswachsen.

Abbildung 5: Spindelapparat zieht Schwesterchromatiden während der Mitose auseinanderQuelle: wikipedia.de

In diesem Fall ist es wichtig, dass die Mikrotubuli eine dynamische Instabilität besitzen: durch das ständige Auf- und Abbauen fällt es ihnen leichter, ihr recht kleines Ziel zu finden: die Zentromere der Chromosomen.

Mikrotubuli: Bewegung des Spindelapparates

Es reicht allerdings nicht aus, nur Mikrotubuli wachsen zu lassen, damit der Spindelapparat funktioniert.

Motorproteine mit zwei Kopfdomänen sind zum Beispiel dazu fähig, gleich zwei Mikrotubuli zu binden. Diese können dann entweder festgehalten werden, um den Spindelapparat zu stabilisieren oder durch andere Kinesine gegeneinander verschoben werden. Dadurch kann der Spindelapparat zusammen- und auseinandergezogen werden.

Andere Kinesine sind dafür verantwortlich, dass die Mikrotubuli an die Chromosomen binden können.

Mikrotubuli: Bildung von Geißeln

Mikrotubuli und Dyneine arbeiten auch bei Geißeln zusammen (der eukaryotischen Form von Flagellen): Diese sind ähnlich aufgebaut wie Zilien, bewegen sich aber andersartig, sodass sie eher für die Fortbewegung von Zellen verantwortlich sind. Zum Beispiel nutzen Spermien ihre Geißel, wenn sie ihren Weg zur Befruchtung einer Eizelle zurücklegen müssen.

Auch hier sind die Mikrotubuli – wie in Zilien – in einer bestimmten Form zueinander angeordnet, um Geißeln ihre Form und Bewegung zu ermöglichen: Neun Bündel aus jeweils zwei Mikrotubuli sind im Kreis angeordnet und in der Mitte des Kreises finden sich noch einmal zwei Mikrotubuli. Diese Anordnung wird auch -Struktur genannt oder als Axonem bezeichnet. Als MTOC für Axoneme dienen sogenannte Basalkörper.