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Neues aus der Welt der Wissenschaft |
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"Young Science": Zellulärer Transportmechanismus |
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| | | Mikrotubuli spielen eine wichtige Rolle bei der Zellteilung. Sie sind die "Seilbahnen" innerhalb der Zellen und können im Verein mit speziellen Proteinen Objekte wie Organellen gerichtet transportieren. Um ein besseres Verständnis für den Transportmechanismus innerhalb der Zellen zu erlangen, wird die Elektronenmikroskopie zur Erforschung ihrer Struktur verwendet, berichtet die APART-Stipendiatin Angelika Krebs in einem Gastbeitrag in der Reihe "Young Science". |
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Mikrotuboli - "Seilbahnen" innnerhalb der Zellen |
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Von Angelika Krebs
Mikrotubuli sind für jede Zelle lebensnotwendig. Man findet sie im Cytoplasma, da sie ein wichtiger Bestandteil des Cytoskeletts sind, und somit für Gestalt und Form der Zelle verantwortlich sind. Außerdem spielen Mikrotubuli eine sehr wichtige Rolle bei der Zellteilung, denn sie organisieren die Chromosomen für die Tochterzellen in der Mitosespindel.
Mikrotubuli können alleine arbeiten oder zusammen mit anderen Proteinen komplexere Strukturen bilden. Bekannte Beispiele hierfür sind Cilien oder Geißeln, die für die Fortbewegung der Zellen wichtig sind.
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Motorproteine
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Motorproteine besitzen die Fähigkeit, an Mikrotubuli "entlangzuwandern" (siehe Abbildung). Sie binden mit einem Ende an einen Mikrotubulus, während sie am anderen Ende die "Ladung" (Vesikel, Granula, Organellen oder Chromosomen während der Zellteilung) an sich binden.
Kinesin und Dynein, zwei Proteine, die man im Cytoplasma vieler Zellen findet, sind die bekanntesten Vertreter dieser Motorproteine. Adenosintriphosphat (ATP) liefert die Bewegungsenergie für den Transport, indem es Konformationsänderungen der Motorproteine herbeiführt.
Diese Konformationsänderungen werden durch Hydrolyse des gebundenen ATP und Freisetzung von Adenosindiphosphat (ADP) und Phosphat wieder aufgehoben, was zu einem entlang wandern der Motorproteine entlang der Mikrotubuli führt. Die "Ladung" kann so über relativ weite Strecken transportiert werden.
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Aufbau der Mikrotubuli
Mikrotubuli sind Polymere, die aus zwei kleinen, globulären Proteinen aufgebaut sind (alpha und beta Tubulin). Beide Proteine bilden stabile Heterodimere. Diese Heterodimere formen lange Ketten, so genannte Protofilamente. In weiterer Folge lagern sich mehrere Protofilamente durch laterale Wechselwirkung zusammen. Dann schließt sich dieser Aufbau zu einem hohlen Zylinder (Mikrotubulus) zusammen, der an einem Ende rasch verlängert werden kann.
Meist lagern sich 13 Protofilamente zusammen, was einem Außendurchmesser von etwa 30 nm entspricht. Seltener treten Miktotubuli mit 11 - 15 Protofilamenten auf, wobei der Durchmesser dieser Mikrotubuli mit der Zahl der sie aufbauenden Protofilamente variiert. Die meisten Mikrotubuli durchlaufen in den Zellen eine ständige Polimerisation und Depolimerisation, weil dauernd vorwiegend an einem Ende Tubulineinheiten angelagert werden, während sie am anderen Ende dissoziieren. |
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Untersuchungen an der Struktur |
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Unser Interesse gilt vor allem dem Transportmechanismus innerhalb der Zellen, also dem Zusammenspiel von Mikrotubuli und Motorproteinen. Insbesondere sind wir an der Struktur der Mikrotubuli interessiert und an der Frage, welche strukturellen Änderungen bei Bindung der Motorproteine und während des Entlangwanderns an den Mikrotubuli erfolgen.
Dazu ist es notwendig, die Strukturen aller mitwirkenden Proteine im Detail zu untersuchen. Für die kleineren Proteine bietet sich dabei die Methode der Röntgenkristallographie an. Die Struktur der relativ großen Mikrotubuli und der Mikrotubuli-Motorproteinkomplexe kann man im Elektronenmikroskop untersuchen.
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Elektronenmikroskopie |
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Bei der Methode der Elektronenmikroskopie werden Abbilder von Proben mit Hilfe von Elektronenstrahlen gewonnen, indem die Elektronen durch das Objekt abgelenkt werden. (siehe Abbildung von Mikrotubuli im Elektronenmikroskop).
Elektronenmikroskopie in Kombination mit dreidimensionaler Bildrekonstruktion liefert eine Struktur, die sowohl Einzelheiten der Oberfläche und Form, sowie Details im Inneren des untersuchten Objekts wiedergibt. Dreidimensionale Bildrekonstruktion ist ein computeraufwendiger Prozess, der auf der Annahme beruht, dass jedes Abbild des untersuchten Objektes eine zweidimensionale Projektion derselben dreidimensionalen Struktur darstellt.
Da viele Projektionen miteinander vereint werden müssen, besteht die Schwierigkeit darin, die Information der einzelnen Bilder richtig miteinander zu kombinieren.
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Strukturänderungen während des Transportes |
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Am Computer kann man dann die Strukturen (Kristallstrukturen der kleineren Proteine bzw. elektronenmikroskopische Strukturen der großen Mikrotubuli-Motorproteinkomplexe) miteinander kombinieren und so erforschen, wie die Proteine im dreidimensionalen Raum aneinandergelagert sind.
Auch lassen sich Strukturänderungen während des Transportvorganges untersuchen. Damit sind Mikrotubuli ein interessantes Beispiel für die Notwendigkeit, Teilergebnisse aus verschiedenen wissenschaftlichen Disziplinen zu kombinieren.
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European Molecular Biology Laboratory |
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Die Arbeiten werden am European Molecular Biology Laboratory (EMBL) in Heidelberg, Deutschland in der Gruppe von Andreas Hönger durchgeführt.
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Das European Molecular Biology Laboratory |
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Das EMBL wurde 1974 gegründet und wird von 15 Europäischen Mitgliedsstaaten und Israel unterstützt. Die Institution besteht aus fünf Einrichtungen: Dem Hauptlabor in Heidelberg und Außenstationen in Hamburg (Deutschland), Grenoble (Frankreich), Hinxton (U.K) und Monterotondo (Italien).
In Heidelberg arbeiten etwa 600 Personen vorwiegend aus Europa, aber auch aus anderen Teilen der Welt. Grundlagenforschung an der Natur des Lebens selber stellt den Kern der Forschungsarbeiten dar.
Ein weiterer Schwerpunkt ist die Entwicklung von neuen wissenschaftlichen Methoden und deren Anwendung. Durch das Zusammenarbeiten von Wissenschaftlern verschiedener Nationalitäten mit verschiedenen Fachdisziplinen wird das Arbeiten am EMBL besonders abwechslungsreich und spannend.
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"YOUNG SCIENCE" - Biographie Angelika Krebs
Mag Dr. Angelika Krebs, APART Stipendiatin der Österreichischen Akademie der Wissenschaften am Europäischen Molekularbiologie Laboratorium in Heidelberg, Deutschland.
Studium der Chemie an der Universität Graz; Dissertation 1995 am Institut für physikalische Chemie über Strukturuntersuchungen an großen Proteinkomplexen mit der Methode der Röntgenkleinwinkelstreuung. Arbeitete drei Jahre am Medical Research Council, Laboratory of Molecular Biology in Cambridge, U.K an der Strukturbestimmung von Membranproteinen mittels Elektronenmikroskopie. Seit Mai 2000 als APART Stipendiatin am EMBL in Heidelberg Arbeit an der Bestimmung der Struktur von Mikrotubuli mit Elekronenmikroskopie in Kombination mit Röntgenkristallographie. |
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 Angelika Krebs |
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01.01.2010 |
