Zur Physik molekularer Motoren Vom Mensch zum Bakterium ... · 2. Globale Bewegung der Zellen...
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2. Globale Bewegung der Zellen Bewegung durch Pseudopodienbildung Phagozytosen
1.Intrazellulärer Transport
Zur Physik molekularer Motoren
Vom Mensch zum Bakterium
Für Zellen gilt das Zitat von Heraklit panta rhei (πάντα ῥεῖ)
1.Intrazellulärer Transport
Expolaration of intracellular space by superposition of random walk. Cells test possible use of internalized objects moving them around in cytoplasmic space
Expolaration of intracellular space by superposition of random walk. Cells test possible use of internalize objects moving them around cytoplasmic spase
Zellen bewegen sich durch Überlagerung von gerichteter Bewegung und lokalem Irrflug
Exploration of extracellular space by random crawling of cells.
Linearmotoren:Universelle Bewegungsmaschinen
Myosin: Ein Motor für alle Zwecke Super-Familie der Myosine umfasst 19 Mitglieder
Gemeinsames Merkmal:
Der Motorkopf
Unterschied:
Die Schwanzdomäne
Myosin II-Molekül hat langen α-helikalen Schwanz. Die Motoren assoziieren unter Bildung einer Coiled-Coil Struktur – Bildung von Myosin Bündel in Muskel
Der Schwanz bestimmt die Funktion
Myosin I besitzt stark positiv geladene Schwanz-Domäne: Elektrostatische Kopplung an Zellmembranen
Stabilisierung der Zell membranen
Myosin V: Laufender (prozessiver) Motor
Transport von Lasten
Die Kinetik des Arbeitszyklus der Motoren bestimmt deren Funktion und Einsatzgebiet
Die Kinetik Motors bestimmt durch die Zykluszeit tAZ
Die Zeit tArbeit in der Motor an Aktin haftet und Arbeit leistet :
Arbeitsverhältnis rAV
Das Verhältnis aus der Zeiten in der Motorkopf an Aktin haftet und Arbeit leistet zur gesamten Zykluszeit (engl: Duty Ratio)
Die Kinetik des Arbeitszyklus Zyklus der Motoren bestimmt deren Funktion und das Einsatzgebiet
Vergleiche Myosin II in Skelettmuskel und Zellen
Muskel Myosin II: rAV sehr klein. Dafür aber schnell. Sarkomeren benötigen pro Myosin-Bündel ~150 Myosinen um nN-Kräfte zu erzeugen
Myosin II der Zellen. rAV ≈ 0,3: Myosin-Bündel in Zellen benötigt weniger Monomere (etwa 15) um nN-Kräfte zu erzeugen.-
Myosin V Motor mit rAV = 0,8 . Die Lebensdauer des fest gebundenen Zustands ist so lang, dass der hintere Fuss Zeit hat nach vorne zu schwingen und zu binden.
Dadurch kann der Motor alleine laufen
Messung der Kräfte mit Nanomechanischen Methoden.
Messung de Kraefte parallel und senkrecht zur Aktin-Schiene
Aufbau molekularer Maschinen auf Festkörpern
Brücke zwischen Festkörperphysik und Biologischer Physik
Messung der Verteilung der Schrittweite, der Zykluszeit und der Sprungweiten ( M. Rief)
Optische Pinzette Schrittweite
2:Messung der Kraft des Motors. Man erhoeht die Kraft so lange bis Motor stoppt. Die Haltekraft ist FH = 5 pN
1:Messung der Schrittweite und Ruhephasen bei festgehaltener Kraft
Kraft F
Magnet kugel
Myosin V
Measurement of unbinding force under working conditions (Doktorarbeit Alexander Roth)
Measurement of unbinding force Observe unbinding by distance measurement with microinterferomtry nm resolution
Die Regulation der Bildung von Myosin-Bündel in Zellen zur Bildung von Mikromuskeln. Regulation durch Zell-Signalsysteme
Bildung von Bündeln aus Aktin
Durch Übergang der Schwänze der Myosin-Moleküle von geknickter in gerade Form durch Phosphorylierung.
Nur in dieser Form könenn die Motoren zu Bündel aggregierenund Mikromuskeln in zellen bilden
Abb 28.4Zwei Wege der Aktivierung der Aktin-Myosin Spannungsfasern über die durch Rho-GTPasen und Calmodulin (CM) vermittelten Signalwege. Die Prozesse können durch Wachstumsfaktoren, Hormone wie Histamin oder Entzündungen eingeleitet werden. Die beiden GTPasen Rho-A und Gαβγ fungieren als biochemische Schalter, die beide über den Hormon-Rezeptor eingeschaltet werden können und die MLCK-Kinase aktivieren. Man beachte, dass die Rho-GTPase auch an der Membran verankert sein kann. Auf dem linken Weg erfolgt die Aktivierung des Myosins auf dem Umweg der Inhibition der MLC-Phosphatase (MLCP), welche das Motorprotein dephosphoryliert und damit deaktiviert. Es unterdrückt auf diese die Wirkung der MLC-Kinase (MLCK). Die Aufgabe der Inhibition von MLCP übernimmt die durch die Rho-GTPase gesteuerte Kinase ROCK [Garcia], und zwar durch Phosphorylierung der Phosphatase. Gleichzeitig kann auf diesem die Bildung von Myosin-Mikrobündel vermittelt werden. Dadurch dominiert die MLC-Kinase den Prozess und veranlasst die Bildung von Myosin-Mikrobündel und die Aktivierung des Motors.
Auf Mikrotubuli laufende Motoren.
Motoren der Kinesin und Dynein-Familien
Aufgabe: Transport von Vesikeln zwischen Kernregion und Peripherie des zytoplasmatischen Raums.
Aktin
Cortex Zentro-
som
Funktion der Mikrotubuli-basierte Linear-Motoren Antrieb von Flagellen und Geisseln der Kleinstlebewesen
Flagellen (Geisseln) der Einzeller,Pantoffeltierchen
Spermien
Der Gleitmotor
Beweis: 1:Isolation des Flagellums, 2: Auflösung der Verbindungen zwischen den Mikrotubuli. 3: Zugabe von ATP
Ergebnis: Die Mikrotubuli gleiten gegeneinander
Flagellen führt das Gleiten zu einer Verbiegung der
Flagellen
FIGURE 2 Anterior dorsal surface of a freeze-dried Paramecium fixed during forward swimming . Metachronalwaves travel from left posterior to right anterior (MWarrow) . The effective stroke of all cilia Takes place from a left anterior to a right posterior direction, out of the plane of the micrograph (ES arrow) .ES, cilia in the effective stroke ; eES, cilia at end of the effective stroke ; RS, cilia in the recovery
FIGURE 2 Anterior dorsal surface of a freeze-dried Paramecium fixed during forward swimming . Metachronalwaves travel from left posterior to right anterior (MWarrow) . The effective stroke of all cilia Takes place from a left anterior to a right posterior direction, out of the plane of the micrograph (ES arrow) .ES, cilia in the effective stroke ; eES, cilia at end of the effective stroke ; RS, cilia in the recovery
Metachronale Wellen: Zwei Arten von Wellen
Richtung der Metachronalen Welle und der Kraftschläge sind gleich
Bronchien Entfernung Partikel
Richtung des Kraftschlags und der Welle sind entgegen gerichtet
Erzeugung hydrodynamischer Felder an Oberfläche der Eimnzeller
Leben bei kleinen Reynoldszahlen Das Problem: Die Reibungskraft
Da beim Kraftschlag das Flagellum gestreckt und beim Erholschlag gebogen ist, entseht im erste Fall ein gerichteter hydrodynamischer Fluss ,aber im zweiten nicht
Warum haben Bakterien keine Flossen? Die Natur musste bei der Evolution neuer Lebensformen die Skakalengesetze der Physik beachten.
Ein solches Beispiel ist der Paradigmenwechsel beim Schwimmen. Bei Übergang von Einzellern (wie Bakterien) zu höheren Lebensformen (wie den Fischen)
Change of Paradigm from Linear- to Rotation Motor. Why??
Newtonיsches
Gesetz Kraft pro Umfang
Equal Re if B. would swim with v= 1000 000 m/sec
Fisch Re ≈ 1 000 000
Bakterium Re ≈ 0,0 1
Drive through anisotropy of frictional force
Reibungskraft Antriebskraft
Bakterien und Spermien schrauben sich durch Wasser
Taylor Gleichung:
K0 Bessel FunktionenKraft ist Effekt zweiterOrdnung
Zusammenfassung G. Taylor
Bakterien erforschen die Umgebung wie Zellen durch Überlagerung statistischer und gerichteter Bewegung
Art der Bewegung hängt von Drehrichtung ab Drehung im Uhrzeigersinn: Taumeln Drehung im Gegenzeigersinn: Geradlinige Bewegung
Einstellung durch Rotationsrichtung durch Topologie der Flagellen
Normal: GUZ
Superhelikal UZ
Messung der Drehmomente des Rotationsmotors
Measurement of Binding Forces with Magnetic Tweezers (Myosin-Actin-Motor
Actin Trail
Piezoelektrischer Antrieb der Elektromotilität der Zellen