Kinesin „wandert“ auf einem Mikrotubulus mithilfe der Proteindynamik im Nanobereich . Die Dynamik von Proteindomänen kann nun mittels Neutronen-Spin-Echo -Spektroskopie sichtbar gemacht werden.

Motorproteine ​​sind eine Klasse von molekularen Motoren , die sich entlang des Zytoskeletts von Zellen bewegen können. Sie tun dies, indem sie chemische Energie durch die Hydrolyse von ATP in mechanische Arbeit umwandeln . [ 1 ]

Zellfunktionen

Die Wirkung des Myosins entlang der Aktinfilamente bewirkt die Verkürzung und Verlängerung des Sarkomers ; verantwortlich für die Muskelkontraktion bzw. -relaxation.

Motorproteine ​​sind die treibende Kraft hinter den meisten aktiven Transportvorgängen von Proteinen und Vesikeln im Zytoplasma . Kinesine und zytoplasmatische Dyneine spielen eine wesentliche Rolle beim intrazellulären Transport, beispielsweise beim axonalen Transport , bei der Bildung des Spindelapparats und der Trennung der Chromosomen während Mitose und Meiose . Axonemales Dynein , das in Zilien und Flagellen vorkommt , ist entscheidend für die Zellmotilität von Spermien und den Flüssigkeitstransport in der Trachea. Das Muskelprotein Myosin treibt die Kontraktion von Muskelfasern bei Tieren an.

Erkrankungen, die mit Defekten von Motorproteinen einhergehen

Die Bedeutung von Motorproteinen in Zellen wird deutlich, wenn sie ihre Funktion nicht erfüllen. So wurden beispielsweise Kinesin- Defizienzen als Ursache der Charcot-Marie-Tooth-Krankheit und einiger Nierenerkrankungen identifiziert . Dynein-Defizienzen können zu chronischen Infektionen der Atemwege führen , da die Zilien ohne Dynein nicht funktionieren. Zahlreiche Myosin-Defizienzen sind mit Krankheitszuständen und genetischen Syndromen assoziiert. Da Myosin II für die Muskelkontraktion essenziell ist, verursachen Defekte im muskulären Myosin erwartungsgemäß Myopathien. Myosin ist aufgrund seiner Rolle beim Wachstum der Stereozilien für den Hörvorgang notwendig; daher können Defekte in der Myosinproteinstruktur zum Usher-Syndrom und zu nicht-syndromaler Taubheit führen . [ 2 ]

Zytoskelett-Motorproteine

Motorproteine, die das Zytoskelett zur Bewegung nutzen, lassen sich anhand ihres Substrats in zwei Kategorien einteilen : Mikrofilamente oder Mikrotubuli . Aktinbasierte Motorproteine ​​( Myosin ) bewegen sich entlang von Mikrofilamenten durch Interaktion mit Aktin , und Mikrotubuli- Motoren ( Dynein und Kinesin ) bewegen sich entlang von Mikrotubuli durch Interaktion mit Tubulin .

Es gibt zwei grundlegende Arten von Mikrotubuli -Motoren: Plus-End-Motoren und Minus-End-Motoren, je nachdem, in welche Richtung sie sich entlang der Mikrotubuli- Kabel innerhalb der Zelle "bewegen".

Aktinmotoren

Myosin

Myosine sind eine Superfamilie von Aktin- Motorproteinen, die chemische Energie in Form von ATP in mechanische Energie umwandeln und so Kraft und Bewegung erzeugen. Das erste identifizierte Myosin, Myosin II, ist für die Muskelkontraktion verantwortlich . Myosin II ist ein längliches Protein, das aus zwei schweren Ketten mit Motorköpfen und zwei leichten Ketten besteht. Jeder Myosinkopf enthält eine Aktin- und eine ATP-Bindungsstelle. Die Myosinköpfe binden und hydrolysieren ATP, wodurch die Energie für die Bewegung zum Plus-Ende eines Aktinfilaments bereitgestellt wird. Myosin II ist auch für die Zellteilung essenziell . Beispielsweise liefern bipolare dicke Filamente des nicht-muskulären Myosins II die Kontraktionskraft, die für die Zellteilung in zwei Tochterzellen während der Zytokinese notwendig ist. Neben Myosin II sind viele weitere Myosintypen für verschiedene Bewegungen nicht-muskulärer Zellen verantwortlich. So ist Myosin beispielsweise an der intrazellulären Organisation und der Bildung aktinreicher Strukturen an der Zelloberfläche beteiligt. Myosin V ist am Transport von Vesikeln und Organellen beteiligt. [ 3 ] [ 4 ] Myosin XI ist an der Zytoplasmaströmung beteiligt , bei der die Bewegung entlang von Mikrofilamentnetzwerken in der Zelle es Organellen und Zytoplasma ermöglicht , in eine bestimmte Richtung zu strömen. [ 5 ] Es sind achtzehn verschiedene Myosinklassen bekannt. [ 6 ]

Genomische Repräsentation von Myosinmotoren: [ 7 ]

Mikrotubuli-Motoren

Kinesin

Kinesine bilden eine Superfamilie verwandter Motorproteine, die sich entlang von Mikrotubuli anterograd fortbewegen . Sie sind essenziell für die Spindelbildung bei der mitotischen und meiotischen Chromosomenseparation während der Zellteilung und transportieren außerdem Mitochondrien , Golgi-Apparate und Vesikel innerhalb eukaryotischer Zellen . Jedes aktive Kinesin-Motorprotein besitzt zwei schwere und zwei leichte Ketten. Die beiden globulären Motordomänen der schweren Ketten wandeln die chemische Energie der ATP-Hydrolyse in mechanische Arbeit um und ermöglichen so die Bewegung entlang der Mikrotubuli. [ 8 ] Die Transportrichtung der Fracht kann je nach Kinesin-Typ zum Plus- oder Minus-Ende der Zelle verlaufen. Im Allgemeinen transportieren Kinesine mit N-terminalen Motordomänen ihre Fracht zu den Plus-Enden der Mikrotubuli an der Zellperipherie, während Kinesine mit C-terminalen Motordomänen Fracht zu den Minus-Enden der Mikrotubuli im Zellkern transportieren. Es sind vierzehn verschiedene Kinesinfamilien bekannt, sowie einige zusätzliche Kinesin-ähnliche Proteine, die keiner dieser Familien zugeordnet werden können. [ 9 ]

Genomische Repräsentation von Kinesinmotoren: [ 7 ]

Dynein

Dyneine sind Mikrotubuli-Motoren, die eine retrograde Gleitbewegung ausführen können. Dynein-Komplexe sind deutlich größer und komplexer als Kinesin- und Myosin-Motoren. Dyneine bestehen aus zwei oder drei schweren Ketten und einer großen, variablen Anzahl assoziierter leichter Ketten. Sie treiben den intrazellulären Transport zum Minus-Ende der Mikrotubuli an, das sich im Mikrotubuli-Organisationszentrum nahe dem Zellkern befindet. [ 10 ] Die Dynein-Familie lässt sich in zwei Hauptgruppen unterteilen. Axonemale Dyneine ermöglichen den Schlag von Zilien und Flagellen durch schnelle und effiziente Gleitbewegungen der Mikrotubuli. Die zytoplasmatische Dynein-Gruppe hingegen vermittelt den Transport intrazellulärer Fracht. Im Vergleich zu 15 axonemalen Dynein-Typen sind bisher nur zwei zytoplasmatische Formen bekannt. [ 11 ]

Genomische Repräsentation von Dynein-Motoren: [ 7 ]

Pflanzenspezifische Motoren

Im Gegensatz zu Tieren , Pilzen und nicht-vaskulären Pflanzen besitzen die Zellen von Blütenpflanzen keine Dynein-Motoren. Sie enthalten jedoch eine größere Anzahl verschiedener Kinesine. Viele dieser pflanzenspezifischen Kinesingruppen sind auf Funktionen während der Pflanzenzellmitose spezialisiert . [ 12 ] Pflanzenzellen unterscheiden sich von Tierzellen durch ihre Zellwand . Während der Mitose wird die neue Zellwand durch die Bildung einer Zellplatte, ausgehend von der Zellmitte, aufgebaut. Dieser Prozess wird durch einen Phragmoplasten , ein für die Pflanzenzellmitose einzigartiges Mikrotubuli-Netzwerk, ermöglicht. Der Aufbau der Zellplatte und schließlich der neuen Zellwand erfordert Kinesin-ähnliche Motorproteine. [ 13 ]

Ein weiteres für die pflanzliche Zellteilung essentielles Motorprotein ist das Kinesin-ähnliche Calmodulin-bindende Protein (KCBP), das einzigartig für Pflanzen ist und teils aus Kinesin und teils aus Myosin besteht. [ 14 ]

Andere molekulare Motoren

Neben den oben genannten Motorproteinen gibt es viele weitere Proteintypen, die in der Zelle Kräfte und Drehmomente erzeugen können . Viele dieser molekularen Motoren sind in prokaryotischen und eukaryotischen Zellen weit verbreitet, einige, wie beispielsweise solche, die an Zytoskelettelementen oder Chromatin beteiligt sind, kommen jedoch nur in Eukaryoten vor. Das in den äußeren Haarzellen der Säugetier-Cochlea exprimierte Motorprotein Prestin [15 ] bewirkt eine mechanische Verstärkung in der Cochlea . Es wandelt Spannung direkt in Kraft um, arbeitet im Mikrosekundenbereich und besitzt piezoelektrische Eigenschaften.

Siehe auch

Referenzen

  1. ^ Alberts, Bruce; Johnson, Alexander; Lewis, Julian; Raff, Martin; Roberts, Keith; Walter, Peter (2002), „Molekulare Motoren“ , Molekularbiologie der Zelle. 4. Auflage , Garland Science , abgerufen am 3. April 2025.
  2. ^ Hirokawa N, Takemura R (Oktober 2003). „Biochemische und molekulare Charakterisierung von Erkrankungen, die mit Motorproteinen in Verbindung stehen“. Trends in Biochemical Sciences . 28 (10): 558–65 . doi : 10.1016/j.tibs.2003.08.006 . PMID 14559185 . 
  3. ^ Alberts B, Johnson A, Lewis J, Raff M, Roberts K, Walter P (2002-01-01). „Molekulare Motoren“ . NCBI – National Institutes of Health .
  4. ^ Warshaw, DM (Februar 2012). „Neigung und Drehung von Myosin V während der Bewegung entlang von Aktinfilamenten, detektiert durch Fluoreszenzpolarisation“ . The Journal of General Physiology . 139 (2): 97–100 . doi : 10.1085/jgp.201210769 . PMC 3269787. PMID 22291143 .  
  5. ^ Hartman MA , Spudich JA (April 2012). „Die Myosin-Superfamilie auf einen Blick“ . Journal of Cell Science . 125 (Pt 7): 1627–32 . doi : 10.1242/jcs.094300 . PMC 3346823. PMID 22566666 .  
  6. ^ Thompson RF, Langford GM (November 2002). „Evolutionsgeschichte der Myosin-Superfamilie“. The Anatomical Record . 268 (3): 276–89 . doi : 10.1002/ar.10160 . PMID 12382324. S2CID 635349 .  
  7. ^ a b c Vale RD (Februar 2003). „Der molekulare Motor-Werkzeugkasten für den intrazellulären Transport“ . Cell . 112 (4): 467–80 . doi : 10.1016/S0092-8674(03)00111-9 . PMID 12600311 . 
  8. ^ Verhey KJ, Kaul N, Soppina V (2011-01-01). „Kinesinassemblierung und -bewegung in Zellen“. Annual Review of Biophysics . 40 : 267–88 . doi : 10.1146/annurev-biophys-042910-155310 . PMID 21332353 . 
  9. ^ Miki H, Okada Y, Hirokawa N (September 2005). „Analyse der Kinesin-Superfamilie: Einblicke in Struktur und Funktion“. Trends in Cell Biology . 15 (9): 467–76 . doi : 10.1016/j.tcb.2005.07.006 . PMID 16084724 . 
  10. ^ Roberts AJ, Kon T, Knight PJ, Sutoh K, Burgess SA (November 2013). „Funktionen und Mechanik von Dynein - Motorproteinen“ . Nature Reviews Molecular Cell Biology . 14 (11): 713–26 . doi : 10.1038/nrm3667 . PMC 3972880. PMID 24064538 .  
  11. ^ Mallik R, Gross SP (November 2004). „Molekulare Motoren : Strategien für die Zusammenarbeit“ . Current Biology . 14 (22): R971–82. Bibcode : 2004CBio...14.R971M . doi : 10.1016/j.cub.2004.10.046 . PMID 15556858. S2CID 14240073 .  
  12. ^ Vanstraelen M, Inzé D, Geelen D (April 2006). „Mitosespezifische Kinesine in Arabidopsis“ . Trends in Plant Science . 11 (4): 167–75 . Bibcode : 2006TPS....11..167V . doi : 10.1016/j.tplants.2006.02.004 . hdl : 1854/LU-364298 . PMID 16530461 . 
  13. ^ Smith LG (März 2002). „Pflanzliche Zytokinese: Auf dem Weg zum Ziel“ . Current Biology . 12 (6): R206-8. Bibcode : 2002CBio...12.R206S . doi : 10.1016/S0960-9822(02)00751-0 . PMID 11909547 . 
  14. ^ Abdel-Ghany SE, Day IS, Simmons MP, Kugrens P, Reddy AS (Juli 2005). „Ursprung und Evolution des Kinesin-ähnlichen Calmodulin-bindenden Proteins“ . Plant Physiology . 138 (3): 1711–22 . doi : 10.1104/pp.105.060913 . PMC 1176440. PMID 15951483 .  
  15. ^ Dallos P, Fakler B (Februar 2002). „Prestin, ein neuer Typ von Motorprotein“. Nature Reviews Molecular Cell Biology . 3 (2): 104–11 . doi : 10.1038 / nrm730 . PMID 11836512. S2CID 7333228 .