Mikrotubuli, Spindelapparat und Mitosehemmstoffe
Mikrotubuli sind röhrenförmige Tubulinpolymere des Cytoskeletts: wie sie gebaut sind, was sie leisten, wie sie den Spindelapparat bilden und wie Spindelgifte an ihnen angreifen.
Das Wichtigste in Kürze
- Ein Mikrotubulus ist eine polare Hohlröhre des Cytoskeletts aus 13 Protofilamenten, gebaut aus α- und β-Tubulin-Dimeren.
- Mikrotubuli kommen in allen Eukaryoten vor, in tierischen und pflanzlichen Zellen.
- Sie stabilisieren die Zellform, dienen als Schienen für den gerichteten Organellentransport und bilden den Spindelapparat; selbst sind sie nicht kontraktil.
- Tierische Zellen besitzen am Spindelpol ein Centrosom mit zwei Centriolen aus je neun Mikrotubuli-Tripletts; Centriolen sind keine Chromosomenbestandteile.
- Colchicin, Vinblastin und Vincristin hemmen die Polymerisation, Paclitaxel die Depolymerisation der Mikrotubuli; beides blockiert die Mitose in der Metaphase.
Worum es geht
Mikrotubuli sind die dicksten Fasern des Cytoskeletts und bauen bei jeder Kernteilung den Spindelapparat auf. Genau deshalb sind sie Angriffspunkt wichtiger Arzneistoffe: Colchicin beim Gichtanfall, Vincristin und Paclitaxel in der Tumortherapie.
Bau und Vorkommen
Mikrotubuli gehören neben Aktin- und Intermediärfilamenten zum Cytoskelett. Es sind starre Hohlröhren mit etwa 25 nm Durchmesser. Sie bestehen aus Protein, vorwiegend aus Tubulin. Lipide und RNA gehören nicht zu ihrem Bau.
Tubulin kommt in zwei Typen von Untereinheiten vor: α-Tubulin und β-Tubulin. Je eines lagert sich zu einem Heterodimer zusammen. Die Dimere reihen sich Kopf an Schwanz zu einem Protofilament. 13 Protofilamente schließen sich seitlich zur Röhre. Weil alle Dimere gleich ausgerichtet sind, ist der Mikrotubulus polar. Am Plus-Ende wächst er schnell, am Minus-Ende langsam.
Mikrotubuli sind dynamisch. Sie wachsen durch Anlagerung von Dimeren (Polymerisation) und zerfallen wieder (Depolymerisation). Vor der Mitose löst die Zelle ihr Interphase-Netz auf. Das Tubulin wird dabei nicht abgebaut, sondern als freie Dimere für die Spindel wiederverwendet.
Mikrotubuli finden sich in allen eukaryotischen Zellen. Dass sie in tierischen Zellen ebenso vorkommen wie in Zellen höherer Pflanzen, wird im Examen gerne gefragt. Pflanzenzellen fehlen zwar die Centriolen, Mikrotubuli besitzen sie trotzdem.
Funktionen
Mikrotubuli wirken wie druckfeste Streben und stabilisieren die Zellform. Zugleich sind sie Schienen für den gerichteten Transport. Motorproteine wie Kinesin und Dynein laufen unter ATP-Verbrauch an ihnen entlang. Sie ziehen Vesikel und Organellen gezielt durch das Cytosol. Man kann sich das wie Gleise vorstellen, auf denen Lokomotiven ihre Waggons ziehen. Bei der Kernteilung bilden Mikrotubuli den Spindelapparat. Auch Cilien und Geißeln sind aus ihnen gebaut.
Selbst ziehen sich Mikrotubuli nicht zusammen, sie sind nicht kontraktil. Bewegung entsteht durch Motorproteine oder durch Wachsen und Schrumpfen der Röhren. An der Muskelkontraktion wirken sie nicht mit, denn diese leisten Aktin und Myosin. Mit der Proteinbiosynthese haben sie ebenfalls nichts zu tun. Die Translation läuft an Ribosomen, die nicht an Mikrotubuli gebunden sind.
In Pflanzenzellen liegen Mikrotubuli dicht unter der Plasmamembran. Sie lenken die Ablagerung der Cellulosefibrillen, bilden das Material der Primärwand aber nicht selbst. Beim Öffnen und Schließen der Spaltöffnungen sind sie nicht maßgeblich beteiligt. Das bewirken Turgoränderungen der Schließzellen.
Die Funktionen der Mikrotubuli sind besonders prüfungsrelevant: Formstabilisierung, gerichteter Organellentransport und Kernteilung. Achte darauf, dass sie selbst nicht kontraktil sind und an der Muskelkontraktion nicht mitwirken.
Spindelapparat und Centriolen
Der Spindelapparat verteilt bei der Mitose die Chromosomen auf die Tochterzellen. Seine Spindelfasern sind Mikrotubuli, bestehen also aus Tubulin. Sie gehen von zwei Polen aus. Kinetochor-Mikrotubuli heften sich an das Kinetochor am Centromer der Chromosomen. Polmikrotubuli überlappen in der Mitte und schieben die Pole auseinander. Astralmikrotubuli strahlen zur Zellperipherie und verankern die Spindel. Den Ablauf der Phasen behandelt der Zellzyklus.
In tierischen Zellen sitzt an jedem Pol ein Centrosom. Es ist das Organisationszentrum, an dem die Mikrotubuli mit ihrem Minus-Ende beginnen. Jedes Centrosom enthält zwei Centriolen, die rechtwinklig zueinander stehen. Ein Centriol ist ein kurzer Zylinder aus neun Mikrotubuli-Tripletts. Um die Centriolen liegt das pericentrioläre Material. Zellen höherer Pflanzen haben keine Centriolen und bauen ihre Spindel ohne sie auf.
Das Centriol liegt im Centrosom am Spindelpol. Es ist kein Bestandteil eines Chromosoms und auch nicht direkt an eines angelagert. Das Centromer dagegen ist die Einschnürung des Chromosoms, an der das Kinetochor sitzt.
Mitosehemmstoffe
Die Spindel funktioniert nur, wenn ihre Mikrotubuli ständig wachsen und schrumpfen. Deshalb ist Tubulin Angriffspunkt bestimmter Zytostatika. Diese Mitosehemmstoffe oder Spindelgifte binden direkt an Tubulin. Es gibt zwei Wirkprinzipien. Polymerisationshemmer verhindern den Aufbau der Röhren. Depolymerisationshemmer verhindern ihren Abbau und frieren die Mikrotubuli ein. In beiden Fällen kann die Spindel die Chromosomen nicht trennen, und die Zelle bleibt in der Metaphase stehen.
| Wirkstoff | Herkunft | Wirkung am Mikrotubulus | Bedeutung |
|---|---|---|---|
| Colchicin | Colchicum autumnale (Herbstzeitlose) | hemmt Polymerisation | Gichtanfall, Polyploidie in Pflanzenzellen |
| Vinblastin, Vincristin | Catharanthus roseus (Madagaskar-Immergrün) | hemmen Polymerisation | Zytostatika |
| Paclitaxel | Taxus-Arten (Eibe) | hemmt Depolymerisation | Zytostatikum |
Colchicin, Vinblastin und Vincristin sind Alkaloide. Colchicin ist kein Cofaktor der Polymerisation, sondern blockiert sie. Es hemmt auch die Mikrotubuli von Fresszellen und beeinträchtigt so deren Wanderung und Phagocytose. Darauf beruht seine Wirkung beim akuten Gichtanfall. In Pflanzenzellen verdoppeln sich unter Colchicin die Chromosomen, ohne dass sich die Zelle teilt. So entsteht Polyploidie, die man in der Pflanzenzüchtung nutzt.
Der eigentliche Angriffspunkt der Vinca-Alkaloide ist ebenfalls Tubulin. Anders als manche Antibiotika greifen sie nicht an Ribosomen an. Auch die Plasmamembran schädigen sie nicht irreversibel. Sie wirken auf Tumorzellen und normale Zellen nach demselben Prinzip. Ihre Selektivität beruht nur darauf, dass sich Tumorzellen häufig teilen. Daher treffen sie auch das Knochenmark. Vincristin schädigt zudem Nerven, deren Axone Mikrotubuli als Transportschienen brauchen.
Quiz
Aussage 1
Auch die Zellen höherer Pflanzen enthalten Mikrotubuli.
Mikrotubuli gehören zum Cytoskelett aller Eukaryoten, also tierischer und pflanzlicher Zellen. Pflanzen fehlen nur die Centriolen.
Aussage 2
Motorproteine wie Kinesin transportieren Vesikel und Organellen gerichtet entlang von Mikrotubuli.
Mikrotubuli dienen als Schienen, an denen Motorproteine unter ATP-Verbrauch Organellen gezielt durch das Cytosol ziehen.
Aussage 3
Centriolen sind Strukturelemente der Chromosomen und sitzen direkt am Centromer.
Centriolen liegen im Centrosom am Spindelpol und gehören nicht zum Chromosom. Am Centromer sitzt das Kinetochor.
Aussage 4
Vinblastin und Vincristin wirken zytostatisch, weil sie an Ribosomen die Translation blockieren.
Der Angriffspunkt der Vinca-Alkaloide ist Tubulin. Sie hemmen die Polymerisation der Mikrotubuli und stören so den Spindelapparat.
Aussage 5
Paclitaxel stört die Mitose, indem es den Abbau der Mikrotubuli verhindert.
Paclitaxel hemmt die Depolymerisation und friert die Mikrotubuli ein, sodass die Spindel die Chromosomen nicht trennen kann.
Aussage 6
Mikrotubuli verkürzen sich aktiv und sind deshalb wesentlich an der Muskelkontraktion beteiligt.
Mikrotubuli sind nicht kontraktil. Die Muskelkontraktion leisten Aktin und Myosin.
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