Cytologie

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Zellaufbau

Mikrotubuli

In diesem Beitrag erklären wir dir, wie der Aufbau und die Funktion der sogenannten Mikrotubuli aussehen und was du unter der dynamischen Instabilität verstehen kannst.

Du willst den Inhalt dieses Beitrags noch schneller verstehen? Dann schau dir gerne unser Video zum Thema an.

Inhaltsübersicht

Mikrotubuli einfach erklärt

Die Mikrotubuli sind innerhalb der Zellen der Eukaryoten ein Bestandteil des sogenannten Cytoskeletts . Dieses kannst du dir als ein großes Netzwerk aus verschiedenen Proteinen vorstellen. Die Prokaryoten besitzen eine Struktur im Cytoplasma, die dem Cytoskelett stark ähnelt. Trotzdem enthalten sie keine Mikrotubuli im eigentlichen Sinne.

Ein Mikrotubulus ist grundsätzlich eine kleine, röhrenförmige Eiweißstruktur. Er ist mit einer Größe von nur ca. 15 bis 25 nm extrem klein.

Mikrotubuli,, Tubulin, Tubulinen, Protofilamente
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Mikrotubuli

Die Mikrotubuli haben mehrere Aufgaben innerhalb der Zelle. Zum Einen besteht der Spindelapparat innerhalb der Kernteilungen Mitose und Meiose aus ihnen. Somit sind sie direkt an der richtigen Anordnung der Chromosomen%Verweis beteiligt. Sie spielen also für dein Zellwachstum und während der Fortpflanzung eine extrem wichtige Rolle.

Zum Anderen sind sie in der Lage, die Bewegungen der Vesikel innerhalb der Zelle zu steuern. Die Vesikel enthalten meist verschiedenste Signalstoffe, die zu den unterschiedlichen Zellorganellen transportiert werden.

Definition

Die Mikrotubuli (en.: microtubule (Sg.), microtubules (Pl.)) sind röhrenförmige Proteinkomplexe innerhalb eukaryotischer Zellen. Sie bilden die Grundlage für das Cytoskelett und spielen eine wichtige Rolle in der Ausbildung der Mitosespindel und im Vesikeltransport.

Mikrotubuli Aufbau

Ihr Aufbau ist durch eine Basisstruktur, das Protofilament, gegeben. Ein Filament kannst du dir als kleine, fadenförmige Struktur aus Protein (= Proteinfilament) vorstellen.

Die Protofilamente sind dabei aus den sogenannten \alpha-Tubulinen am einen Ende und \beta-Tubulinen am anderen Ende aufgebaut. Das sind kugelförmige Proteine aus ca. 450 Aminosäuren. Ein Mikrotubulus besteht aus ungefähr 13 dieser Protofilamente. Die Protofilamente sind dabei durch das sogenannte Kopf-Schwanz-Prinzip aufgebaut. Das bedeutet, dass ein \alpha-Tubulin (Kopf) immer mit einem \beta-Tubulin verbunden ist.

Mikrotubuli Aufbau, Mikrotubulus, Protofilament, Tubulin, Intermediärfilament
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Aufbau der Mikrotubuli

Diese Art der Verknüpfung tritt in sehr vielen Verbindungen auf. Analog dazu existieren auch Kopf-Kopf-Verknüpfungen und Schwanz-Schwanz-Verknüpfungen.

Über das \alpha-Tubulin sind die Mikrotubuli an das sogenannte Mikrotubulus-Organisationszentrum (MTOC) gebunden.
Dieses kannst du dir als Startpunkt des Wachstums, also der Verknüpfung der Mikrotubuli vorstellen. Es gibt mehrere verschiedene Arten von MTOCs. Eines der wichtigsten MTOCs, das Centrosom befindet sich in der tierischen Zelle .

Die Mikrotubuli bilden zusammen mit den Mikrofilamenten und den Intermediärfilamenten das Cytoskelett aus.

Ein Mikrofilament wird auch oft als Aktinfilament bezeichnet, da es vor allem aus dem Protein Aktin besteht. Es unterscheidet sich von einem Mikrotubulus vor allem durch seine Größe. Mit einem Durchmesser von nur ca. 6 nm ist ein Mikrofilament sogar noch kleiner als ein Mikrotubulus.

Die Intermediärfilamente bestehen ebenfalls aus mehreren Proteinen. Sie sind mit einem Durchmesser von ca. 10 nm etwas größer als die Mikrofilamente.

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Mikrotubuli Funktion

Die Mikrotubuli erfüllen mehrere wichtige Funktionen innerhalb der Zelle.

Grundsätzlich geben sie der Zelle innerhalb des Cytoskeletts eine gewisse mechanische Stabilität. So ist die Zelle gegen die meisten Außeneinwirkungen gut geschützt.

Vesikelbewegung

Außerdem sind sie für die Vesikelbewegung innerhalb der Zelle zuständig. Ein Vesikel ist eine kugelförmige Struktur mit einer eigenen Membran. Ihre Aufgabe ist der Transport von Stoffen innerhalb der Zelle oder zu anderen Zellen. Die Mikrotubuli legen eine Art „Schienensystem“ für die Vesikel, durch das sie sich bewegen können. Die Vesikel binden sich dabei über sogenannte Motorproteine (Kinesin, Dynein, Myosin) an die Mikrotubuli.

Ein solches Motorprotein besteht grundsätzlich aus einer sogenannten Kopfregion mit zwei Köpfen und einer Schwanzregion. Die Kopfregion ist in der Lage, an die Mikrotubuli zu binden und Energie in Form von ATP zu produzieren. Die Schwanzregion bindet die Vesikel an sich. Durch das Spalten von ATP zu ADP wird Energie frei, welche die räumliche Anordnung der Kopfregion verändern kann. Das Motorprotein bewegt sich so schrittweise nach vorne, wobei immer einer der beiden Köpfe an den Mikrotubulus gebunden ist.

Motorprotein, Mikrotubuli, Vesikel
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Motorprotein für die Vesikelbewegung

Bestandteile des Spindelapparates

Die nächste „Aufgabe“ eines Mikrotubulus ist, dass sie die Hauptbestandteile des Spindelapparates in der Mitose und der Meiose ausmachen.

In unserem Beitrag Mitose und Meiose im Vergleich haben wir dir diese beiden Arten der Kernteilung nochmal kurz dargestellt und verglichen.

Der Spindelapparat wird aus drei Mikrotubulus-Arten aufgebaut. Das sind die Polar-, Astral- und Kinetochor-Mikrotubuli. Die polaren Mikrotubuli sind von Zellpol zu Zellpol aufgespannt. Sie können somit über die Äquatorialebene des Spindelapparates hinausreichen.
Die astralen Mikrotubuli stellen die Verbindung zum Cytoskelett her. Sie sind dabei sternförmig um die Zellpole angeordnet.

Kinetochor Mikrotubuli

Die Kinetochor Mikrotubuli sind wahrscheinlich die wichtigsten der drei Arten. Sie sind maßgeblich an der Trennung der Chromosomen beteiligt.

Sie werden in der Prophase der Mitose gebildet. In der darauffolgenden Prometaphase binden sie an die sogenannten Kinetochoren der Chromosomen. Diese kannst du dir als kleine Proteinstrukturen vorstellen, die am Centromer der Chromosomen sitzen. Sie sind dabei eine Art Bindungsstelle für einen Kinetochor Mikrotubulus. Nachdem an den Kinetochor angedockt wurde, werden die Chromosomen auseinandergezogen.

Polar Mikrotubuli, Astral Mikrotubuli, Kinetochor Mikrotubuli
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Polar-, Astral- und Kinetochor-Mikrotubuli

Geißelbewegung

Die vierte Aufgabe eines Mikrotubulus betrifft die sogenannten Geißeln an bestimmte Zelltypen. Eine Geißel ist das Fortbewegungsorgan vor allem in Prokaryoten. Trotzdem existieren sie auch an einigen eukaryotischen Zellen, wie zum Beispiel den Spermien.

Geißel, Mikrotubuli, Motorprotein
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Geißelbewegung durch Mikrotubuli und Motorprotein

Sie sind von einer eigenen Zellmembran umgeben und mit Zytoplasma gefüllt. Im Inneren bestehen sie aus Mikrotubuli. Sie sind in einer bestimmten Struktur in ihrem Querschnitt angeordnet. Diese Struktur kannst du auch als 9×2+2 bezeichnen. Neun Doppelmikrotubuli formen dabei einen Kreis, in dessen Mitte sich zwei einzelne Mikrotubuli befinden.

Diese Anordnung wird auch oft als Axonem bezeichnet. Das Axonem ist für die Bewegung der Geißel verantwortlich. Durch verschiedenste Motorproteine innerhalb des Axonems können die Mikrotubuli zusammen- oder auseinandergezogen und gegeneinander verschoben werden. Dadurch entsteht die typische ellipsenförmige Bewegung der Geißel.

Dynamische Instabilität

Innerhalb der Zelle befinden sich sogenannte stabile und dynamische Mikrotubuli. Der stabile Mikrotubulus ist durch seine Struktur vor allem für den Vesikeltransport und die Stabilität der Zelle verantwortlich. Der dynamische Mikrotubulus kommt bei Funktionen vor, die einen schnellen Umbau erfordern. Das ist zum Beispiel bei der Mitose der Fall.

Die dynamische Instabilität bezeichnet dabei den ständigen Auf- und Abbau der Mikrotubuli innerhalb der Zelle.

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