Was sind die Hauptfunktionen von Mikrotubuli in der Zelle?

Mikrotubuli sind genau das, was sie klingen: mikroskopische Hohlröhren, die sich in eukaryontischen Zellen befinden, und einige prokaryontische Bakterienzellen, die der Zelle Struktur und Motorfunktionen bieten. Biologiestudenten lernen im Studium, dass es nur zwei Arten von Zellen gibt: prokaryontische und eukaryontische.

Prokaryontische Zellen bilden die einzelligen Organismen, die in den Domänen Archaea und Bacteria unter dem Linné-Taxonomiesystem vorkommen, einem biologischen Klassifikationssystem für alles Leben, während eukaryotische Zellen unter die Eukarya-Domäne fallen, die die Protisten, Pflanzen, Tiere und Pilze überwacht Königreiche. Das Monera-Königreich bezieht sich auf Bakterien. Mikrotubuli tragen zu mehreren Funktionen innerhalb der Zelle bei, die alle für das Zellleben wichtig sind.

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Mikrotubuli sind winzige, hohle, perlenartige röhrenförmige Strukturen, die den Zellen helfen, ihre Form zu erhalten. Zusammen mit Mikrofilamenten und Zwischenfilamenten bilden sie das Zytoskelett der Zelle und sind an einer Vielzahl von motorischen Funktionen der Zelle beteiligt.

Als Teil des Zytoskeletts der Zelle tragen Mikrotubuli bei:

• Formgebung von Zellen und Zellmembranen.
• Zellbewegung, einschließlich Kontraktion in Muskelzellen und mehr.
• Transport bestimmter Organellen innerhalb der Zelle über Mikrotubuli-"Straßen" oder "Förderbänder".
• Mitose und Meiose: Bewegung der Chromosomen während der Zellteilung und Bildung der mitotischen Spindel.
  

Mikrotubuli sind kleine, hohle, perlenartige Röhren oder Röhren mit Wänden, die in einem Kreis aus 13 Protofilamenten aufgebaut sind, die aus Polymeren von Tubulin und kugelförmigem Protein bestehen. Mikrotubuli ähneln Miniaturversionen von perlenbesetzten chinesischen Fingerfallen. Mikrotubuli können 1.000 Mal so lang wie ihre Breite werden. Hergestellt durch die Anordnung von Dimeren – einem einzelnen Molekül oder zwei identischen Molekülen, die aus Alpha- und Beta-Tubulin zusammengefügt sind – existieren Mikrotubuli sowohl in Pflanzen- als auch in Tierzellen.

In Pflanzenzellen bilden sich an vielen Stellen innerhalb der Zelle Mikrotubuli, in tierischen Zellen jedoch Mikrotubuli beginnen am Zentrosom, einer Organelle in der Nähe des Zellkerns, die auch an der Zelle beteiligt ist Einteilung. Das Minus-Ende stellt das befestigte Ende des Mikrotubulus dar, während das entgegengesetzte das Plus-Ende ist. Der Mikrotubulus wächst am Plus-Ende durch Polymerisation von Tubulindimeren und die Mikrotubuli schrumpfen bei ihrer Freisetzung.

Mikrotubuli geben der Zelle eine Struktur, damit sie einer Kompression standhält und eine Autobahn bildet, auf der sich Vesikel (sackartige Strukturen, die Proteine ​​und andere Fracht transportieren) durch die Zelle bewegen. Mikrotubuli trennen während der Teilung auch replizierte Chromosomen an gegenüberliegende Enden einer Zelle. Diese Strukturen können allein oder in Verbindung mit anderen Elementen der Zelle arbeiten, um kompliziertere Strukturen wie Zentriolen, Zilien oder Geißeln zu bilden.

Mit Durchmessern von nur 25 Nanometern lösen und bilden sich Mikrotubuli oft so schnell wieder auf, wie die Zelle sie benötigt. Die Halbwertszeit von Tubulin beträgt nur etwa einen Tag, aber ein Mikrotubulus kann nur 10 Minuten bestehen, da er sich in einem ständigen Zustand der Instabilität befindet. Diese Art von Instabilität wird als dynamische Instabilität bezeichnet, und Mikrotubuli können sich je nach Bedarf der Zelle an- und abbauen.

Zu den Bestandteilen des Zytoskeletts gehören Elemente aus drei verschiedenen Arten von Proteinen – Mikrofilamente, Zwischenfilamente und Mikrotubuli. Zu den engsten dieser Proteinstrukturen gehören Mikrofilamente, die oft mit Myosin in Verbindung gebracht werden, einer fadenförmigen Proteinbildung, die bei Kombination mit dem Protein Aktin (lange, dünne Fasern, die auch als „dünne“ Filamente bezeichnet werden) hilft, Muskelzellen zusammenzuziehen und verleiht den Muskeln Steifheit und Form Zelle.

Mikrofilamente, kleine stäbchenförmige Gebilde mit einem mittleren Durchmesser von 4 bis 7 nm, tragen neben ihrer Arbeit im Zytoskelett auch zur Zellbewegung bei. Die Zwischenfilamente mit einem durchschnittlichen Durchmesser von 10 nm wirken wie Verzurrungen, indem sie Zellorganellen und den Zellkern fixieren. Sie helfen der Zelle auch, Spannungen standzuhalten.

Mikrotubuli können völlig stabil erscheinen, sind aber in ständigem Fluss. Zu jedem Zeitpunkt können sich Gruppen von Mikrotubuli im Prozess der Auflösung befinden, während andere im Prozess des Wachstums sein können. Wenn der Mikrotubulus wächst, bilden Heterodimere (ein Protein, das aus zwei Polypeptidketten besteht) Kappen am Ende des Mikrotubulus, die sich beim Schrumpfen für die erneute Verwendung lösen. Die dynamische Instabilität der Mikrotubuli wird als stationärer Zustand im Gegensatz zu einem echten Gleichgewicht angesehen, da sie eine intrinsische Instabilität aufweisen – sich in und aus der Form bewegen.

Die Zellteilung ist nicht nur wichtig, um Leben zu reproduzieren, sondern um aus alten Zellen neue zu machen. Mikrotubuli spielen eine wichtige Rolle bei der Zellteilung, indem sie zur Bildung der mitotischen Spindel beitragen, die während der Anaphase eine Rolle bei der Migration duplizierter Chromosomen spielt. Als "makromolekulare Maschine" trennt die mitotische Spindel replizierte Chromosomen auf gegenüberliegende Seiten, wenn sie zwei Tochterzellen erzeugt.

Die Polarität der Mikrotubuli, wobei das angefügte Ende ein Minus und das schwebende Ende ein positives ist, macht sie zu einem kritischen und dynamischen Element für die Gruppierung und den Zweck der bipolaren Spindel. Die beiden Pole der Spindel aus Mikrotubuli-Strukturen helfen dabei, doppelte Chromosomen zuverlässig zu segregieren und zu trennen.

Mikrotubuli tragen auch zu den Teilen der Zelle bei, die ihr bei der Bewegung helfen und sind strukturelle Elemente von Zilien, Zentriolen und Geißeln. Die männliche Samenzelle zum Beispiel hat einen langen Schwanz, der ihr hilft, ihr gewünschtes Ziel, die weibliche Eizelle, zu erreichen. Genannt ein Flagellum (der Plural ist Flagella), dieser lange, fadenartige Schwanz erstreckt sich von der Außenseite der Plasmamembran, um die Bewegung der Zelle anzutreiben. Die meisten Zellen – in Zellen, die sie haben – haben im Allgemeinen ein bis zwei Geißeln. Wenn auf der Zelle Zilien vorhanden sind, breiten sich viele von ihnen über die gesamte Oberfläche der äußeren Plasmamembran der Zelle aus.

Die Flimmerhärchen auf Zellen, die die Eileiter eines weiblichen Organismus auskleiden, helfen beispielsweise, die Eizelle auf ihrem Weg in die Gebärmutter zu ihrer schicksalhaften Begegnung mit der Samenzelle zu befördern. Die Geißeln und Zilien von eukaryotischen Zellen sind strukturell nicht die gleichen wie die in prokaryotischen Zellen. Mit Mikrotubuli gebaut, nennen Biologen die Mikrotubuli-Anordnung ein "9 + 2-Array", weil a Flagellum oder cilium besteht aus neun Mikrotubuli-Paaren in einem Ring, der ein Mikrotubulus-Duo in der Center.

Die Funktionen der Mikrotubuli erfordern Tubulinproteine, Verankerungsstellen und Koordinationszentren für Enzym- und andere chemische Aktivitäten innerhalb der Zelle. In Zilien und Flagellen trägt Tubulin zur zentralen Struktur des Mikrotubulus bei, zu der auch Beiträge anderer Strukturen wie Dyneinarme, Nexinverbindungen und radiale Speichen gehören. Diese Elemente ermöglichen die Kommunikation zwischen Mikrotubuli und halten sie auf eine Weise zusammen, die der Bewegung von Aktin- und Myosinfilamenten während der Muskelkontraktion ähnelt.

Obwohl sowohl Zilien als auch Flagellum aus Mikrotubuli-Strukturen bestehen, unterscheiden sie sich deutlich in ihrer Art und Weise, wie sie sich bewegen. Ein einzelnes Flagellum treibt die Zelle in ähnlicher Weise an, wie der Schwanz eines Fisches einen Fisch vorwärts bewegt, in einer peitschenartigen Bewegung von einer Seite zur anderen. Ein Geißelpaar kann ihre Bewegungen synchronisieren, um die Zelle vorwärts zu treiben, so wie die Arme einer Schwimmerin beim Brustschwimmen funktionieren.

Zilien, die viel kürzer als Flagellum sind, bedecken die äußere Membran der Zelle. Das Zytoplasma signalisiert den Zilien, sich koordiniert zu bewegen, um die Zelle in die Richtung zu bewegen, in die sie gehen muss. Wie eine Blaskapelle treten ihre harmonisierten Bewegungen alle im Takt zu demselben Schlagzeuger. Einzeln funktioniert die Bewegung eines Ziliums oder Flagellums wie die eines einzelnen Ruders, das mit einem kräftigen Schlag durch das Medium geht, um die Zelle in die Richtung zu bewegen, in die sie gehen muss.

Diese Aktivität kann mit Dutzenden von Schlägen pro Sekunde auftreten, und ein Schlag kann die Koordination von Tausenden von Zilien beinhalten. Unter dem Mikroskop können Sie sehen, wie schnell Ciliaten auf Hindernisse in ihrer Umgebung reagieren, indem sie schnell die Richtung ändern. Biologen untersuchen immer noch, wie sie so schnell reagieren, und müssen noch den Kommunikationsmechanismus entdecken, durch den das Innere der Zelle den Zilien und Geißeln sagt, wie, wann und wohin sie gehen sollen.

Mikrotubuli dienen als Transportsystem innerhalb der Zelle, um Mitochondrien, Organellen und Vesikel durch die Zelle zu bewegen. Einige Forscher beziehen sich auf die Funktionsweise dieses Prozesses, indem sie Mikrotubuli mit Förderbändern vergleichen, während andere Forscher bezeichnen sie als ein Schienensystem, auf dem sich Mitochondrien, Organellen und Vesikel durch die Zelle.

Als Energiefabriken in der Zelle sind Mitochondrien Strukturen oder kleine Organe, in denen Atmung und Energiegewinnung ablaufen – beides biochemische Prozesse. Organellen bestehen aus mehreren kleinen, aber spezialisierten Strukturen innerhalb der Zelle, jede mit ihren eigenen Funktionen. Vesikel sind kleine sackartige Strukturen, die Flüssigkeiten oder andere Substanzen wie Luft enthalten können. Aus der Plasmamembran bilden sich Vesikel, die sich abkneifen, um einen kugelförmigen Sack zu bilden, der von einer Lipiddoppelschicht umgeben ist.

Die perlenartige Konstruktion der Mikrotubuli dient als Förderband, Schiene oder Autobahn, um Vesikel, Organellen und andere Elemente innerhalb der Zelle an die Orte zu transportieren, an denen sie benötigt werden. Mikrotubuli-Motoren in eukaryotischen Zellen umfassen Kinesine, die sich zum Plus-Ende des Mikrotubulus bewegen – dem Ende, das wächst – und dyneine die sich zum gegenüberliegenden oder negativen Ende bewegen, wo der Mikrotubulus an der Plasmamembran anhaftet.

Als „Motor“-Proteine ​​bewegen Kinesine Organellen, Mitochondrien und Vesikel entlang der Mikrotubuli Filamente durch die Hydrolysekraft der Energiewährung der Zelle, Adenosintriphosphat oder ATP. Das andere Motorprotein, Dynein, wandert diese Strukturen in entgegengesetzter Richtung entlang von Mikrotubuli-Filamenten zum Minus-Ende der Zelle, indem es die in ATP gespeicherte chemische Energie umwandelt. Sowohl Kinesine als auch Dyneine sind die Proteinmotoren, die während der Zellteilung verwendet werden.

Jüngste Studien zeigen, dass Dynein-Proteine, wenn sie zum Ende der Minusseite des Mikrotubulus wandern, sich dort ansammeln, anstatt abzufallen. Sie hüpfen über die Spanne, um sich mit einem anderen Mikrotubulus zu verbinden, um etwas zu bilden, was einige Wissenschaftler "Astern" nennen, von Wissenschaftlern angenommen, dass sie ein wichtiger Prozess bei der Bildung der mitotischen Spindel sein, indem die mehreren Mikrotubuli zu einem einzigen umgewandelt werden Aufbau.

Die mitotische Spindel ist eine "fußballförmige" Molekülstruktur, die Chromosomen an gegenüberliegende Enden zieht, kurz bevor sich die Zelle teilt, um zwei Tochterzellen zu bilden.

Das Studium des zellulären Lebens wird seit der Erfindung des ersten Mikroskops im letzten Teil fortgesetzt des 16. Jahrhunderts, aber erst in den letzten Jahrzehnten gab es Fortschritte bei der zellulären Biologie. Beispielsweise entdeckten Forscher das Motorprotein Kinesin-1 erst 1985 unter Verwendung eines videounterstützten Lichtmikroskops.

Bis zu diesem Zeitpunkt existierten Motorproteine ​​als eine Klasse mysteriöser Moleküle, die den Forschern unbekannt waren. Während die technologische Entwicklung voranschreitet und die Studien fortgesetzt werden, hoffen die Forscher, tief in die Zelle vorzudringen um alles herauszufinden, was sie darüber lernen können, wie das Innenleben der Zelle so funktioniert einwandfrei.