Mikrotubulus

Mikrotubulisind röhrenförmigeProteinkomplexe,die zusammen mit denMikrofilamentenund denIntermediärfilamentendasCytoskeletteukaryotischerZellen bilden. Sie sind mitverantwortlich einerseits für die mechanische Stabilisierung derZelleund ihrer Form, andererseits im Zusammenspiel mit anderen Proteinen für Bewegungen undTransporteinnerhalb der Zelle sowie für aktive Bewegungen der ganzen Zelle.

Struktureller Aufbau eines Mikrotubulus

Der Querschnitt durch einScheinfüßcheneinesSonnentierchenszeigt die kreisförmigen Querschnitte spiralförmig angeordneter Mikrotubuli

Übergeordnet
Zytoskelett
Gene Ontology
QuickGO

Aufbau

Mikrotubuli sind gerichtete Strukturen, deren Enden wegen ihrer Polymerisationsrichtung mit plus und minus bezeichnet werden. Sie bestehen aus Einheiten, die sich ihrerseits alsHeterodimereohnekovalente Bindungaus je einem Molekül α-Tubulin(negativ) und β-Tubulin (positiv) zusammensetzen. Die Einheiten bilden durch längsgerichtete Verknüpfung Subfilamente (sogenannte Protofilamente), von denen meist 13 in seitlicher Verknüpfung die Wand der Mikrotubuli bilden. In der Zelle sind Mikrotubuli typischerweise mit ihrem minus-Ende (über das α-Tubulin) an einMikrotubulus-Organisationszentrum (MTOC) gebunden, welches γ-Tubulin enthält. Die Tubuline verschiedener Organismen sind nicht identisch. Dadurch variieren die Durchmesser der Mikrotubuli zwischen 20 und 30Nanometer.

Die Reihenfolge und genaue Zusammensetzung von Molekülen während der Bildung von Mikrotubuli kann demnach folgendermaßen zusammengefasst werden: Ein β-Tubulin verbindet sich im Rahmen einer nicht vorhandenen kovalenten Bindung mit einem α-Tubulin,welche in verbundener Form ein Heterodimer sind, da sie aus zwei verschiedenen Polypeptiden bestehen (aus dem β-Tubulin und α-Tubulin). Nachdem also die Heterodimere geformt sind, verbinden sie sich zu langen Ketten, die bildhaft in eine Richtung (z. B. nach oben) aufsteigen. Diese Heterodimere, welche in einer bestimmten Richtung verbunden sind, formen Protofilamente. Diese langen Ketten (Protofilamente), lagern sich nun nach und nach nebeneinander an, sodass eine rohrartige Struktur entsteht, welche rohrtypisch einLumenbesitzt. Demnach formen meist 13 Protofilamente die Außenwand der Mikrotubuli. Wichtig ist außerdem, dass die Heterodimere aus einem positiven und negativen Ende bestehen, wobei das Alpha-Tubulin das negative Ende und das Beta-Tubulin das positive Ende formen. Aufgrund der Tatsache, dass die Heterodimere aufeinandergestapelt werden, ergibt sich immer ein negatives und positives Ende. Mikrotubuli wachsen durch eine Addition von Heterodimeren am Plus-Ende.

Mikrotubuli sind relativ vergängliche Strukturen mit einer mittleren Lebensdauer in der Größenordnung von 10 Minuten, sofern sie nicht durch Einbau in größere Strukturen stabilisiert sind. Im Cytoplasma der Zellen liegt in der Regel ein Gleichgewicht zwischenpolymerisiertemund depolymerisiertem Tubulin vor. Die Tubulin-Einheiten werden ständig sowohl am plus- als auch am minus-Ende des Mikrotubulus angebaut und auch wieder depolymerisiert, so dass ein Gleichgewicht entsteht, wobei beide Prozesse am plus-Ende schneller verlaufen. Dabei wächst das Tubusende kontinuierlich und zerfällt immer wieder plötzlich über eine längere Strecke (sieheDynamische Instabilität der Mikrotubuli). Kippt das Gleichgewicht, kann es zur völligen Auflösung der Mikrotubuli kommen. Auch das Gegenteil, die Erschöpfung des Vorrats an Tubulineinheiten, ist möglich. Niedrige Temperatur und ein Überschuss anCalcium-Ionen fördern dieDepolymerisationder Mikrotubuli. Das dynamische Netzwerk von Mikrotubuli-Filamenten in der Zelle entspringt ammicrotubule organizing center(MTOC). Der Auf- und Abbau von Mikrotubuli kann durchZytoskelett-Inhibitorengehemmt werden.

Organisation

Querschnitt durch Axoneme der Geißeln vonChlamydomonas rheinhardtii(Chlorophyta)

Mit den Mikrotubuli sind zahlreiche Proteine assoziiert, sogenannteMAPs(microtubule associated proteins). Die bekanntesten sind Motorproteine wieDyneinundKinesin.Einige MAPs können anscheinend Mikrotubuli stabilisieren. MAPs können Mikrotubuli zu größeren Strukturen verbinden. Zu nennen sind hier insbesondere dieAxoneme,Achsfäden beweglicher Zellanhänge: der motilenZilienund der eukariotischenFlagellen(Geißeln). Ein Axonem ist ein Bündel, in dem neun Doppeltubuli zwei einzelne im Zentrum umgeben; man spricht von einer (9×2 + 2)-Struktur (siehe Abbildung). Die Doppeltubuli haben einen asymmetrischen Querschnitt, in dem ein vollständiger „A-Tubus “mit einem unvollständigen „B-Tubus “verschmilzt.

Eine andere Organisationseinheit bildenZentriolen;das sind Röhrchen nach dem (9×3 + 0)-Muster. Einzeln fungieren sie alsBasalkörpervon Zilien und Geißeln. In tierischen Zellen bildet ein rechtwinklig verbundenes Paar von Zentriolen mit einer umgebenden Matrix, die γ-Tubulin enthält, das Zentralkörperchen,Zentrosom,MTOC, das sich meist nahe dem Zentrum der Zelle findet und von dem einige hundert Mikrotubuli in alle Richtungen sternförmig auswachsen. Erreichen sie die Rindenschicht der Zelle, den sogenannten Zellkortex, so können sie, indem sie dort mit anderen Elementen des Zytoskeletts Kontakt aufnehmen, helfen, die Gestalt der Zelle zu stabilisieren. Das Zentrosom wird vor der Zellteilung verdoppelt, und die zwei Zentrosomen bilden jetzt die Pole desSpindelapparats,der wiederum aus Mikrotubuli besteht und dessen Aufgabe es ist, die Chromosomen auf die Tochterzellen zu verteilen.

Funktion

Kinesin bewegt sich entlang eines Mikrotubulus, wobei die einzelnen Köpfe alternierend am beta-Tubulin binden.

Abgesehen vom ständigen Auf- und Abbau an den Enden sind Mikrotubuli steif und unveränderlich. Dennoch haben sie nicht nur Stützfunktionen in der Zelle.Motorproteine,die sich (vorstellbar etwa wie Spannerraupen) an den Mikrotubuli unterATP-Verbrauch entlanghangeln, tragenVesikelundGranulaedurch die Zelle.Kinesinetransportieren meist in Richtung Plus-Ende,Dyneinein Richtung Minus-Ende. Vor derZellteilungbilden Mikrotubuli denSpindelapparat,über welchen dieChromatidenzu den Polen der Zelle (Minus-Enden der Mikrotubuli) gezogen werden. In Nervenzellen wandern mitNeurotransmitterngefüllte Vesikel vom Zellkörper zu denSynapsenin Plusrichtung, sieheaxonaler Transport.

Eine andere Art von Bewegung erzeugen Zilien undGeißeln.Die oben beschriebenen Axoneme enthalten unter anderemDynein.Indem das Dynein die Mikrotubuli gegeneinander verspannt, krümmt es das Axonem (Auch hierfür wird ATP verbraucht). Zilien können durch in Phase und Richtung koordinierten Flimmerschlag Strömung erzeugen, sieheWimpertierchen,oder Material in einem Lumen transportieren, sieheFlimmerepithel.Geißeln bewegen einzelne Zellen fort (z. B.Spermien), indem sie hin und her schlagen. Den (9×2 + 2)-Bauplan der Axoneme hat die Evolution vom primitiven Einzeller bis zum Menschen beibehalten. Auch der (9×2 + 0)-Bauplan tritt häufig auf. Zilien dieses Typs sind meist unbeweglich. Sie bilden spezialisierteZellkompartimente– z. B. das Außensegment beiziliärenPhotorezeptorzellen,die Chemorezeptoren derRiechzellenoder Strömungsdetektoren in Flüssigkeiten.

Bedeutung in der Krebsbekämpfung

Endothelzellenunter dem Mikroskop. Die Mikrotubuli sind grün, Aktinfilamente rot markiert worden. Die Zellkerne sind blau markiert.

Starke Bedeutung kommt den Mikrotubuli bei der Bekämpfung vonKrebszu. Substanzen, die das dynamische Gleichgewicht des Auf- und Abbaus der Mikrotubuli stören, behindern insbesondere die korrekte Ausbildung und Funktion desSpindelapparatsund wirken dadurch alsMitosegifte,d. h., sie verhindern die korrekte Zellteilung und damit das Wachstum von Tumoren und Metastasen. Einige werden alsZytostatikaim Rahmen derChemotherapiegenutzt.Alkaloideaus derRosafarbenen Catharanthe(Catharanthus roseus,früherVinca roseus), dasVincristinund dasVinblastin,fällen Tubulin aus.Paclitaxel(Taxol), ein Alkaloid aus derPazifischen Eibe(Taxus brevifolia), und dasEpothilonaus demMyxobakteriumSorangium cellulosumstabilisieren Mikrotubuli und hindern sie am Depolymerisieren.

DieZytostatikawirken allerdings auch in anderen Geweben bzw. Organen, in denen sich Zellen teilen. Das sind z. B. Oberhaut, Haarfollikel, das Knochenmark als Bildungsstätte von Immun- und Blutzellen, die Leber und die Keimdrüsen. Dementsprechend haben Zytostatika viele erheblicheNebenwirkungenwie Haarausfall, Darmbluten oder erhöhteInfektionsanfälligkeit.

Bedeutung für die Pflanzenzüchtung

Colchicin,einAlkaloidaus derHerbstzeitlosen(Colchicum autumnale), hemmt diePolymerisationder Mikrotubuli, indem es die Tubulineinheiten bindet und dem Kreislauf entzieht. Durch gezielte Behinderung derMeioseließ es sich erfolgreich zur ZüchtungpolyploiderPflanzen einsetzen. Bei tierischen Organismen gilt Colchicin als keimgutschädigend.

Quantenphysik und Bewusstsein

Stuart HameroffundRoger Penrosehaben gemeinsam die Hypothese aufgestellt, dassbewusstseinsbildendeGehirnfunktionenauf makroskopischenQuanteneffektenberuhen, die sich in den Mikrotubuli desZellskelettsabspielen. Bei höherenEvolutionsstufenseien es die Mikrotubuli derHirnneuronen,aber im Prinzip gelte dieser fastpanpsychischeMechanismus sogar fürEinzellermitZytoskelett.

Weblinks

Commons:Microtubules– Sammlung von Bildern

• Wissenschaftliche Illustration - Mikrotubuli

Literatur

• Klaus Werner Wolf, Konrad Joachim Böhm:Organisation von Mikrotubuli in der Zelle.In:Biologie in unserer Zeit.27, 2, 1997,ISSN0045-205X,S. 87–95.
• James R Davenport, Bradley K Yoder: An incredible decade for the primary cilium: a look at a once-forgotten organelle. In: Am J Physiol Renal Physiol. 289, Nr. 6, 2005, S. F1159-1169.doi:10.1152/ajprenal.00118.2005.PMID 16275743.