Cytosol and Cytoskeleton

Zytosol

• Definition und Bestandteile:

  • Das Zytosol ist der flüssige Bestandteil des Zytoplasmas (die Grundsubstanz der Zelle).

  • Es besteht zu bis zu $70\%$ aus Wasser.

  • Weitere Inhaltsstoffe sind Proteine, Lipide, Ribonukleinsäuren (RNA), Kohlenhydrate sowie Ionen.

• Metabolische Prozesse:

  • Im Zytosol findet unter anderem die Glykolyse statt (der erste Teil des Glucosestoffwechsels).

  • Zudem ist es der Ort der Proteinbiosynthese.

• Ionenkonzentration und Osmoregulation:

  • Die Ionenkonzentration im Zytosol unterscheidet sich deutlich vom Extrazellularraum.

  • Es weist eine höhere Menge an Kalium-Ionen auf.

  • Gleichzeitig zeigt es geringere Konzentrationen an Natrium-, Calcium- und Chlorid-Ionen.

  • Diese spezifische Ionenverteilung ist die grundlegende Voraussetzung für die Osmoregulation (den Ausgleich des osmotischen Drucks) der Zelle.

• Strukturelle Einbettung:

  • Das Zytosol wird vollständig vom Zytoskelett durchzogen.

Zytoskelett

• Allgemeine Funktionen:

  • Durch das Zytoskelett können eukaryotische Zellen ihre Form sowie die Position der Zellorganellen verändern.

  • Es ermöglicht den Zellen häufig, aktive Bewegungen auszuführen.

  • Es verleiht der Zelle Stabilität.

  • Es ist essenziell für die Zellteilung, da es den Spindelapparat ausbildet.

• Hauptkomponenten des Zytoskeletts:

  • Mikrotubuli ($25\,\text{nm}$ Durchmesser)

  • Intermediärfilamente ($10\,\text{nm}$ Durchmesser)

  • Mikrofilamente / Aktinfilamente ($5\,\text{nm}$ Durchmesser)

Mikrotubuli

• Struktureller Aufbau:

  • Mikrotubuli weisen einen Durchmesser von ca. $25\,\text{nm}$ auf.

  • Die Grundbausteine sind Tubuline. Hierbei handelt es sich um kugelige/globuläre Proteine.

  • Tubuline liegen als Dimere vor (ein Zweierverbund aus unterschiedlichen Ladungen).

  • Diese Dimere lagern sich zu längs gerichteten, kettenförmigen Protofilamenten zusammen.

  • Genau $13$ Protofilamente bilden gemeinsam einen hohlen Mikrotubulus.

• Dynamische Instabilität:

  • Mikrotubuli unterliegen einer dynamischen Instabilität: Tubuline werden an den Enden ständig auf- und abgebaut.

• Intrazellulärer Transport:

  • Sie ermöglichen intrazelluläre Transportvorgänge und bilden ein Schienensystem für Vesikel.

  • Diese "Schienen" besitzen eine polare Ausrichtung.

  • Auf den Mikrotubuli "fahren" unter Verbrauch von ATP die Motorproteine Kinesin und Dynein, welche sich in entgegengesetzte Richtungen bewegen.

• Zellfortsätze und Bewegung:

  • Mikrotubuli sind ein wichtiger Bestandteil von Kinozilien (Flimmerhärchen), Geißeln (Flagellen) und Teilungsspindeln.

  • Kinozilien zählen zu den "wellenschlagenden Füßchen", sind aktiv bewegbar und stellen besondere Zellfortsätze dar, die Zellbewegungen ermöglichen.

  • $9 \times 2 + 2$-Muster der Kinozilien: In der Mitte befinden sich zwei einzelne Tubuline (Zentral-Mikrotubuli), die kreisförmig von $9$ Doppeltubulinen (Mikrotubuli-Doppelstrang) umgeben sind.

  • Das Motorprotein Dynein (Dynein-Brücken) ist auch hier für die Verbiegung und Bewegung verantwortlich; weitere Strukturen sind Nexin-Brücken und Radialspeichen.

  • Am Fußpunkt sind diese Strukturen im Basalkörper verankert, der aus $9$ Dreier-Gruppen (Triplets) besteht.

Intermediärfilamente

• Eigenschaften und Funktion:

  • Besitzen einen Durchmesser von ca. $10\,\text{nm}$.

  • Dienen hauptsächlich der Stützfunktion und verleihen mechanische Stabilität.

• Gewebespezifität:

  • Keratine sind faserbildende Strukturproteine und speziell auf Epithelzellen beschränkt.

  • Keratine verbinden Desmosomen miteinander und sorgen so beispielsweise für die Festigkeit der Haut.

• Hierarchischer Entstehungsprozess:

  • Ausgangspunkt sind polare Monomere mit einer zentralen $\alpha$-Helix.

  • Monomere lagern sich zu Dimeren zusammen.

  • Immer zwei Dimere verbinden sich versetzt zueinander und bilden Tetramere.

  • Tetramere lagern sich über Zwischenstufen (Oktamere) zu Protofilamenten zusammen.

  • Die Protofilamente bilden schlussendlich lange, spiralförmige Fasern = Intermediärfilamente.

Mikrofilamente (Aktinfilamente)

• Struktureller Aufbau:

  • Besitzen einen Durchmesser von ca. $5\,\text{nm}$.

  • Der Grundbaustein ist G-Aktin (globuläre, kugelförmige Proteine).

  • G-Aktin-Monomere verbinden sich zu langen Ketten, den Fibrillen (F-Aktin).

  • Zwei F-Aktine winden sich als Doppelhelix zusammen und bilden das finale Aktinfilament.

• Funktion und Vorkommen:

  • Dienen zur Stabilisierung von Zellen und deren Oberflächenstrukturen.

  • Essenziell für den Aufbau von Mikrovilli (fingerförmige, meist unverzweigte Ausstülpungen der Zellmembran).

  • Mikrovilli befinden sich beispielsweise in den Nierentubuli oder im Darmepithel.

  • Im Darmepithel bilden Mikrovilli den sogenannten Bürstensaum, der zur Oberflächenvergrößerung dient und somit die Nährstoffresorption steigert.

Zellkontakte – Verschlusskontakte und Haftkontakte

• Allgemeines zu Zellkontakten:

  • Spezielle Zellkontakte sind notwendig, damit sich Einzelzellen zu Geweben zusammenlagern können.

  • Sie ermöglichen zudem die interzelluläre Kommunikation.

  • Unterteilung in verschließende, haftende und kommunizierende Verbindungen.

• Verschlusskontakte (Zonula occludens / "Tight Junction"):

  • Bringt benachbarte Zellen so eng zusammen, dass kein Stoffdurchtritt durch den Interzellularraum möglich ist (undurchlässige Verbindung).

  • Wichtig für die Abdichtung bei Epithelgeweben (Grenzgewebe), wie z. B. im Darmepithel oder bei den Zellen der Blut-Hirn-Schranke.

  • Aufbau: Gürtelförmige Struktur, die aus Membranproteinen der Familie der Claudine sowie aus Occludin besteht.

  • Verleiht den Epithelzellen eine Polarität (Ausbildung unterschiedlicher Zelleigenschaften an verschiedenen Stellen der Zelle).

• Haftkontakte:

  • Zonula adhaerens ("Gürteldesmosom" / Desmosom im weiteren Sinn):

  • Läuft gürtelförmig um Epithelzellen herum, ist jedoch lockerer gefügt als eine Tight Junction.

  • Stellt über Haftung (Adhäsion) eine Verknüpfung zweier Zellen her.

  • Haftung erfolgt durch das Glykoprotein Cadherin an den Aktinfilamenten (lineare Proteinpolymere des Zytoskeletts).

  • Dient der mechanischen Stabilität im Zellverband.

  • Macula adhaerens ("Desmosom" im engeren Sinn):

  • Bildet in Epithelzellen der Darmwand druckknopfartige Plaques.

  • Sind punktförmige Strukturen.

  • Setzt ebenfalls über Cadherine am Zellskelett an, verankert sich dort jedoch an den Intermediärfilamenten.

  • Hemidesmosom:

  • Stellt einen Zell-Matrix-Kontakt dar.

  • Verbindet eine Zelle mit dem Raum außerhalb der Zelle (Extrazellulärmatrix).

  • Nutzt hierfür Integrine (Eiweißmoleküle), die als Transmembranproteine dauerhaft in der Zellmembran verankert sind.

Kommunikationskontakte und Systematischer Überblick

• Kommunikationskontakte (Gap Junctions):

  • Dienen der direkten Kommunikation zwischen den Zellen.

  • Bestehen aus Connexinen (Transmembranproteinen), die in der Membran einen Hohlzylinder bilden.

  • Aufbau: $6$ Connexine bilden $1$ Connexon; ein funktioneller Gap-Junction-Kanal besteht aus $2$ zusammengesetzten Connexonen gegenüberliegender Membranen (Kanal kann geschlossen oder geöffnet sein).

  • Bei Nervenzellen bilden sie elektrische Synapsen.

  • Im Herzen sind sie für die elektrische Erregungsleitung zuständig.

• Systematischer Überblick der Zellkontakte:

  • Undurchlässige Verbindungen (Verschlusskontakte):

  • Zell-Zell-Kontakt: Tight junctions (Zonula occludens)

  • Haftverbindungen (Haftkontakte):

  • Zell-Zell-Kontakt: Desmosomen (Macula adhaerens), Gürtel-Desmosomen (Zonula adhaerens)

  • Zell-Matrix-Kontakt: Hemidesmosomen, Fokalkontakte

  • Kommunizierende Verbindungen (Kommunikationskontakte):

  • Zell-Zell-Kontakt: Gap junctions