2. Globale Bewegung der Zellen Bewegung durch Pseudopodienbildung Phagozytosen

1.Intrazellulärer Transport

Zur Physik molekularer Motoren

Vom Mensch zum Bakterium

Für Zellen gilt das Zitat von Heraklit panta rhei (πάντα ῥεῖ)

1.Intrazellulärer Transport

Expolaration of intracellular space by superposition of random walk. Cells test possible use of internalized objects moving them around in cytoplasmic space

Expolaration of intracellular space by superposition of random walk. Cells test possible use of internalize objects moving them around cytoplasmic spase

Zellen bewegen sich durch Überlagerung von gerichteter Bewegung und lokalem Irrflug

Exploration of extracellular space by random crawling of cells.

Linearmotoren:Universelle Bewegungsmaschinen

Myosin: Ein Motor für alle Zwecke Super-Familie der Myosine umfasst 19 Mitglieder

Gemeinsames Merkmal:

Der Motorkopf

Unterschied:

Die Schwanzdomäne

Myosin II-Molekül hat langen α-helikalen Schwanz. Die Motoren assoziieren unter Bildung einer Coiled-Coil Struktur – Bildung von Myosin Bündel in Muskel

Der Schwanz bestimmt die Funktion

Myosin I besitzt stark positiv geladene Schwanz-Domäne: Elektrostatische Kopplung an Zellmembranen

Stabilisierung der Zell membranen

Myosin V: Laufender (prozessiver) Motor

Transport von Lasten

Die Kinetik des Arbeitszyklus der Motoren bestimmt deren Funktion und Einsatzgebiet

Die Kinetik Motors bestimmt durch die Zykluszeit tAZ

Die Zeit tArbeit in der Motor an Aktin haftet und Arbeit leistet :

Arbeitsverhältnis rAV

Das Verhältnis aus der Zeiten in der Motorkopf an Aktin haftet und Arbeit leistet zur gesamten Zykluszeit (engl: Duty Ratio)

Die Kinetik des Arbeitszyklus Zyklus der Motoren bestimmt deren Funktion und das Einsatzgebiet

Vergleiche Myosin II in Skelettmuskel und Zellen

Muskel Myosin II: rAV sehr klein. Dafür aber schnell. Sarkomeren benötigen pro Myosin-Bündel ~150 Myosinen um nN-Kräfte zu erzeugen

Myosin II der Zellen. rAV ≈ 0,3: Myosin-Bündel in Zellen benötigt weniger Monomere (etwa 15) um nN-Kräfte zu erzeugen.-

Myosin V Motor mit rAV = 0,8 . Die Lebensdauer des fest gebundenen Zustands ist so lang, dass der hintere Fuss Zeit hat nach vorne zu schwingen und zu binden.

Dadurch kann der Motor alleine laufen

Messung der Kräfte mit Nanomechanischen Methoden.

Messung de Kraefte parallel und senkrecht zur Aktin-Schiene

Aufbau molekularer Maschinen auf Festkörpern

Brücke zwischen Festkörperphysik und Biologischer Physik

Messung der Verteilung der Schrittweite, der Zykluszeit und der Sprungweiten ( M. Rief)

Optische Pinzette Schrittweite

2:Messung der Kraft des Motors. Man erhoeht die Kraft so lange bis Motor stoppt. Die Haltekraft ist FH = 5 pN

1:Messung der Schrittweite und Ruhephasen bei festgehaltener Kraft

Kraft F

Magnet kugel

Myosin V

Measurement of unbinding force under working conditions (Doktorarbeit Alexander Roth)

Measurement of unbinding force Observe unbinding by distance measurement with microinterferomtry nm resolution

Die Regulation der Bildung von Myosin-Bündel in Zellen zur Bildung von Mikromuskeln. Regulation durch Zell-Signalsysteme

Bildung von Bündeln aus Aktin

Durch Übergang der Schwänze der Myosin-Moleküle von geknickter in gerade Form durch Phosphorylierung.

Nur in dieser Form könenn die Motoren zu Bündel aggregierenund Mikromuskeln in zellen bilden

Abb 28.4Zwei Wege der Aktivierung der Aktin-Myosin Spannungsfasern über die durch Rho-GTPasen und Calmodulin (CM) vermittelten Signalwege. Die Prozesse können durch Wachstumsfaktoren, Hormone wie Histamin oder Entzündungen eingeleitet werden. Die beiden GTPasen Rho-A und Gαβγ fungieren als biochemische Schalter, die beide über den Hormon-Rezeptor eingeschaltet werden können und die MLCK-Kinase aktivieren. Man beachte, dass die Rho-GTPase auch an der Membran verankert sein kann. Auf dem linken Weg erfolgt die Aktivierung des Myosins auf dem Umweg der Inhibition der MLC-Phosphatase (MLCP), welche das Motorprotein dephosphoryliert und damit deaktiviert. Es unterdrückt auf diese die Wirkung der MLC-Kinase (MLCK). Die Aufgabe der Inhibition von MLCP übernimmt die durch die Rho-GTPase gesteuerte Kinase ROCK [Garcia], und zwar durch Phosphorylierung der Phosphatase. Gleichzeitig kann auf diesem die Bildung von Myosin-Mikrobündel vermittelt werden. Dadurch dominiert die MLC-Kinase den Prozess und veranlasst die Bildung von Myosin-Mikrobündel und die Aktivierung des Motors.

Auf Mikrotubuli laufende Motoren.

Motoren der Kinesin und Dynein-Familien

Aufgabe: Transport von Vesikeln zwischen Kernregion und Peripherie des zytoplasmatischen Raums.

Aktin

Cortex Zentro-

som

Funktion der Mikrotubuli-basierte Linear-Motoren Antrieb von Flagellen und Geisseln der Kleinstlebewesen

Flagellen (Geisseln) der Einzeller,Pantoffeltierchen

Spermien

Der Gleitmotor

Beweis: 1:Isolation des Flagellums, 2: Auflösung der Verbindungen zwischen den Mikrotubuli. 3: Zugabe von ATP

Ergebnis: Die Mikrotubuli gleiten gegeneinander

Flagellen führt das Gleiten zu einer Verbiegung der

Flagellen

FIGURE 2 Anterior dorsal surface of a freeze-dried Paramecium fixed during forward swimming . Metachronalwaves travel from left posterior to right anterior (MWarrow) . The effective stroke of all cilia Takes place from a left anterior to a right posterior direction, out of the plane of the micrograph (ES arrow) .ES, cilia in the effective stroke ; eES, cilia at end of the effective stroke ; RS, cilia in the recovery

FIGURE 2 Anterior dorsal surface of a freeze-dried Paramecium fixed during forward swimming . Metachronalwaves travel from left posterior to right anterior (MWarrow) . The effective stroke of all cilia Takes place from a left anterior to a right posterior direction, out of the plane of the micrograph (ES arrow) .ES, cilia in the effective stroke ; eES, cilia at end of the effective stroke ; RS, cilia in the recovery

Metachronale Wellen: Zwei Arten von Wellen

Richtung der Metachronalen Welle und der Kraftschläge sind gleich

Bronchien Entfernung Partikel

Richtung des Kraftschlags und der Welle sind entgegen gerichtet

Erzeugung hydrodynamischer Felder an Oberfläche der Eimnzeller

Leben bei kleinen Reynoldszahlen Das Problem: Die Reibungskraft

Da beim Kraftschlag das Flagellum gestreckt und beim Erholschlag gebogen ist, entseht im erste Fall ein gerichteter hydrodynamischer Fluss ,aber im zweiten nicht

Warum haben Bakterien keine Flossen? Die Natur musste bei der Evolution neuer Lebensformen die Skakalengesetze der Physik beachten.

Ein solches Beispiel ist der Paradigmenwechsel beim Schwimmen. Bei Übergang von Einzellern (wie Bakterien) zu höheren Lebensformen (wie den Fischen)

Change of Paradigm from Linear- to Rotation Motor. Why??

Newtonיsches

Gesetz Kraft pro Umfang

Equal Re if B. would swim with v= 1000 000 m/sec

Fisch Re ≈ 1 000 000

Bakterium Re ≈ 0,0 1

Drive through anisotropy of frictional force

Reibungskraft Antriebskraft

Bakterien und Spermien schrauben sich durch Wasser

Taylor Gleichung:

K0 Bessel FunktionenKraft ist Effekt zweiterOrdnung

Zusammenfassung G. Taylor

Bakterien erforschen die Umgebung wie Zellen durch Überlagerung statistischer und gerichteter Bewegung

Art der Bewegung hängt von Drehrichtung ab Drehung im Uhrzeigersinn: Taumeln Drehung im Gegenzeigersinn: Geradlinige Bewegung

Einstellung durch Rotationsrichtung durch Topologie der Flagellen

Normal: GUZ

Superhelikal UZ

Messung der Drehmomente des Rotationsmotors

Measurement of Binding Forces with Magnetic Tweezers (Myosin-Actin-Motor

Actin Trail

Piezoelektrischer Antrieb der Elektromotilität der Zellen