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Lösungen Kapitel 20

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Aufgabe 20.1:

Wie sich Skelettmuskel und glatte Muskeln unterscheiden.

Einige Besonderheiten der glatten Muskulatur wurden in Kapitel 20.4.2 beschrieben. Man beachte zur Beantwortung der Frage auch Kapitel 18.6.

Zellen der glatten und der Skelettmuskeln unterscheiden sich hinsichtlich der Struktur, Funktion und Regulation fundamental.

Zur Struktur: Die glatten (engl. smooth) Muskelzellen (GMZ) sind 20-500 LaTeX: \mu m lang. Das Verhältnis Aktin: Myosin im Skelettmuskel ist 6:1, im Herzmuskel 4:1 und in den GMZ 16:1. Die Aktin Filamente sind an intrazelluläre Protein-Aggregate (sog 'dichte Körper' oder engl 'dense bodies') sowie an Adhäsionsdomänen fixiert, welche die Zell-Zell Verbindungen vermitteln (s. Abb.20.A.1). Diese supramolekularen Komplexe spielen die die Rolle der Z-Scheiben in Skelettmuskeln. Auf der Außenseite sind diese Domänen mit Netwerken aus Intermediärfilamenten (z.B. Desmin) verbunden.

Abb. 20.A.1 Struktur des kontraktilen Apparates der glatten Muskelzellen. Links: Anordnung von SMZ, die durch Adhäsionsdomänen verbunden sind. Die linken Einsätze zeigen schematisch die Struktur der Mikromuskeln und eine EM-Aufnahme, welche die dicken und dünnen Filamente zeigt. Man beachte, dass die dünnen Filamente an supramolekulare Proteinkomplexe (die Dichten Körper) gebunden sind, welche die Rolle der Z-Scheiben im Sarkomeren übernehmen. Das rechte Bild zeigt schematisch die Kopplung dieser intrazellulären Sarkomere (oder Mikromuskeln) und die Kontraktion der Zellen. Die EM-Aufnahme findet man in Bond, M. et al. J Cell Biol.95, 403-423 (1982). Mehr Information zur glatten Muskelzelkken findet man in der Monographie Pollard and Earnshaw 'Cell Biology' (Elseveir Amsterdam).


Zur Funktion:

2) Der Arbeitszyklus der Aktin-Myosin II Motoren in GMZ ist wesentlich langsamer, sie erzeugen aber größere Kräfte.

3) Die Aktivierung der glatten Muskeln erfolgt ebenfalls durch Phosphorylierung der leichten Kette des Myosins (nach dem Schema in Abbildung 28.4). Sie wird zwar ebenfalls durch Erhöhung des intrazellulären Ca-Spiegels ausgelöst. Dabei fungiert jedoch Calmodulin als Aktivator der MLC-Kinase und nicht die Rho-GTPase (s.Kapitel 18.6). Die SMZ- Kontraktion wird auch nicht durch unseren Willen, sondern durch Hormone und Signalmoleküle (wie das NO-Gas im Fall der die Adern umgebenden GMZ) ausgelöst.

4) Die Empfindlichkeit der Muskeln kann langfristig über die Rho-GTPasen eingestellt werden, die über die MLC-Phosphatasen die Zahl der phosphorylierten und damit aktiven Myosine festlegt (s. Kapitel 28.7).

Ergänzung zur Rhythmik der GMZ: Die Kontrolle der glatten Muskulatur des Darmes ist ein wenig erforschtes Beispiel rhythmischer Prozess in unserem Körper. Die glatte Muskulatur des Darmes enthält eine Population zwischenräumlicher Zellen, sog. Cajal-Zellen. Dis ist ein komplexes Zellsystem, zwischen den autonomen Nerven und den glatten Muskelzellen des Darmtrakts. Sie dienen als Schrittmacherzellen der Darmkontraktion. Die Frequenzen der Rhythmik liegen bei 3 LaTeX: min^{-1} in Magen und 12 LaTeX: min^{-1} im Zwölffingerdarm.



Aufgabe 20.2:

Die Zytokinese eine Aufgabe des Aktin-Myosin Motors. Wie Tochterzellen sich trennen.

Einleitende Bemerkung: Diese Aufgabe dient dazu, sich mit dem Problem der Zellteilung auseinander zu setzen. Sie soll auch zeigen, wie mutierte Zellen Auswege finden, um mutationsbedingte Defekte auszugleichen. Tierische Zellen teilen sich durch Ausbildung der Teilungsfurche, die am Ende der Anaphase beginnt (s. Abbildung:2-9 und 20.A.2). Sie besteht aus zwei Stufen [Glotzer (2005)]. Zuerst wird die Position der Furche festgelegt, an der in der zweiten Stufe Aktin und Myosin rekrutiert werden. Es bildet sich in der Ebene der Furche ein komplizierter supramolekularer Komplex aus rund 20 Komponenten. Dort sammeln sich auch Vesikel an, die dazu dienen, die Fläche der Membran für die Bildung der beiden Trennwände zu liefern. Bei der Entwicklung der Embryone werden die Zellen nicht getrennt, sondern sie adhärieren durch Vermittlung von Cadherinen, um die Endothelzellschichten der Embryone zu bilden (Siehe [Urven et al 2006]). Dictyostelium-Zellen trennen sich nach der Teilung vollständig und dieser Prozess soll hier betrachtet werden.

Die Furche wird durch tangentiale Kontraktion eines ringförmigen Bands aus Aktinfilamenten gebildet, der sich spontan am Aktincortex des Äquator der Mutterzelle anlagern und, zusammen mit bipolaren Bündeln aus Myosin II, einen kontraktiles System bilden. Zahlreiche Experimente zeigen, dass die bipolaren Bündel des Myosin II die Aktinfilamente aktiv kontrahieren. Der Ring kontrahiert bis auf einen Proteinkomplex und sich überlappende Mikrotubuli und man bezecihnet den Komplex oft als Mittelkörper (s. Abb.9A.1b). Dabei handelt es sich um LaTeX: \gamma-Tubuin, (eine Modifikation des LaTeX: \alpha-,und LaTeX: \beta-Tubulins).

Ca spielt eine wesentliche Rolle für die Kontraktion der Furche, wie Experimente mit Ca-Indikatoren zeigen. Eine Ca-Welle dringt senkrecht zur Längsachse der Doppelzelle ein (aber nicht parallel) und läuft zum Zentrum mit LaTeX: v=3 \frac{\mu m}{s}. Sie entstehen wahrscheinlich durch sukzessives Öffnen der Ca- Vesikel durch IP3 (s. Aufgabe 9.1 und G. Karp 1999,Ch 14). Wie wir aus der Aufgabe 20.1 und Kapitel 19 wissen, ist Ca zur Aktivierung der Motorköpfe durch Phosphorylierung der leichten Ketten (mittels MLC-Kinase) notwendig.

Abb 20.A.2) Zur Erinnerung an die letzten Phasen des Zellzyklus. b) Struktur der Zelle zu Beginn der Mitose; Das Bild zeigt die Stuktur des Mittelkörpers der u. a. aus den Mikrotubuli der Spindel und den Aktin-Myosin Motoren besteht. Das rechte Bild zeigt, dass die Kontraktion des Rings durch eine eindringend solitäre Ca-Welle vermittelt wird.


Die Kontraktion des Ringes: In zahlreichen Experimenten wurde gezeigt, dass die Kontraktion des Ringes durch die bipolaren Myosin-Motoren (oder Myosin Mikrobündel) vermittelt wird. Dies legt auch schon die oben erwähnte, zum Zentrum der Furche laufende solitäre Ca-Welle nahe. Abb. 20.A.2b zeigt ein Modell der Kontraktion. Wie im Skelettmuskel laufen die Motorköpfe zu den plus-Enden des Aktins. Zwei entgegen gerichtete Filamente (wie die im Bild 20.A.2b gezeigten) schieben sich so zusammen, dass sie maximal überlappen, während zwei gleich gerichtete nicht gegeneinander bewegt werden. Daher wird der Ring insgesamt kontrahiert, wenn die dünnen Filamente an den Aktin-Cortex gekopplet sind.

Abb 20.A.2b) c) Modell der Kontraktion einer Ansammlung von Aktinfilamenten, die alternierend orientiert sind. Die grünen Motorköpfe der bipolaren Myosin-Mikrobündel laufen in Richtung der plus-Enden und verschieben daher benachbarte dünnen Filamente so, dass sie versuchen, sich maximal zu überlappen. Dadurch werden die die Bündel verkürzt. d) Trennung von Mutanten der Dictyostelium Zellen ohne Myosin II durch entgegengerichtete Bewegung der Tochterzellen auf Glasssubstrat (Bild nach R. Neujahr et al J. Cell. Sci. 110,123-127 (1997))


Wie Zellen Mutationen überwinden. Inzwischen hat sich aber auch gezeigt, dass die Motorköpfe nicht unbedingt notwendig sind, um den Aktinring zu kontrahieren, sondern allein die Bindung zwischen MyosinII und Aktin ausreicht [Uehara et al 2010]. Zwei auf Oberflächen adhärierende Tochterzellen der Dictyostelien können sich auch trennen, indem sie in entgegen gesetzte Richtung laufen wie Abb. 20.A.2b zeigt. An dem Beispiel zeigt sich wieder, dass das Verhalten der Zellen durch redundante Regulationsprozesse gesteuert wird. Dies macht die Aufklärung zellulärer Mechanismen sehr kompliziert.

Literatur: G. Karp 'Cell and Molecular Biology' Wiley 1999 Uehara, R. et al, Current Biology 20; 1080-1085 (2010) R. Neujahr et al, J Cell Sci 110;123-127 (1997) L Urven et al., Journal of Cell Science 119; 4342-4352 (2006) M. Glotzer, Science 307;1735-1739 (2005)