Cytoplasmatische Actomyosine und ihre Bedeutung für Zellbewegungen. Anaerober Stoffwechsel bei wirbellosen Tieren: 249. Sitzung am 2. Februar 1977 in Düsseldorf

76 Pages·1977·2.6 MB·German

by  Karl Ernst Wohlfarth-Bottermann

Rheinisch-Westfalische Akademie der Wissenschaften
Natur-, Ingenieur- und Wirtschaftswissenschaften Vortrage· N 269
Herausgegeben von der
Rheinisch-W estfalischen Akademie der Wissenschaften
KARL ERNST WOHLFARTH-BOTTERMANN
Cytoplasmatische Actomyosine
und ihre Bedeutung fiir Zellbewegungen
ERNST ZEBE
Anaerober Stoffwechsel bei wirbellosen Tieren
Springer Fachmedien Wiesbaden GmbH
249. Sitzung am 2. Februar 1977 in Diisseldorf
© 1977 by Springer Fachrnedien Wiesbaden
UrsprUnglich erschienen bei Westdeutscher Verlag GmbH Opladen 1977
ISBN 978-3-663-01765-3 ISBN 978-3-663-01764-6 (eBook)
DOI 10.1007/978-3-663-01764-6
Inhalt
Karl Ernst Wohlfarth-Bottermann, Bonn
Cytoplasmatische Actomyosine und ihre Bedeutung fur
Zellbewegungen ......................................... 7
Literaturnachweise . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 23
Abbildungen ............................................ 25
Diskussionsbei trage
Professor Dr. med. Otto Hauswirth; Professor Dr. rer. nat. Karl
Ernst Wohlfarth-Bottermann; Professor Dr. rer. nat. Ernst Zebe;
Professor Dr. rer. nat. Andreas Sievers; Professor Dr. rer. nat.
Ludwig Heilmeyer; Dr. rer. nat. Manfred Hauser; Professor Dr.
phil. Maximilian Steiner; Professor Dr. phil. Joseph Straub; Pro
fessor Dr. rer. nat. Johann Schwartzkopf/; Professor Dr. phil.
Lothar Jaenicke. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 39
Ernst Zebe, Munster/Westf.
Anaerober Stoffwechsel bei wirbellosen Tieren 51
Literaturverzeichnis . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 71
Diskussionsbeitrage
Professor Dr. phil. Lothar Jaenicke; Professor Dr. rer. nat. Ernst
Zebe; Professor Dr. rer. nat. Ludwig Heilmeyer; Professor Dr.
rer. nat. Walter Kleinow; Professor Dr. phil. Joseph Straub; Dr.
rer. nat. Manfred Hauser. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 75
Cytoplasmatische Actomyosine und ihre Bedeutung
flir Zellbewegungen
Von Karl Ernst WohlJarth-Bottermann, Bonn
Die Erfolge der modern en Zellbiologie beruhen wesentlich auf der An
wen dung von zwei Methoden:
1. der Elektronenmikroskopie, die uns Kenntnisse tiber den feineren Bau
von Zellen und Geweben verschafft hat, und
2. der fraktionierten Ultrazentrifugation von Zellbestandteilen, das heiBt
der Isolierung groBerer Mengen von reinen Zellorganellen aus Zell
homogenaten.
Der zweiten Methode verdanken wir die Fortschritte der modern en Bio
chemie. Beide Methoden haben die wesentlichen Aussagen der im vergange
nen Jahrhundert aufgestellten "Zellenlehre" bestatigt, wonach Zellen die
Bausteine der hoheren Organismen und gleichzeitig ihre kleinsten physiolo
gisch wirksamen Einheiten sind. Der menschliche Korper besteht aus etwa
1014, das heiBt 100 Billionen Zellen, eine unvorstellbar hohe Zahl. Zum
Vergleich mag dienen, daB 1014 Sekunden in etwa 3 Millionen Jahren ver
gehen.
Die Elektronenmikroskopie gibt AufschluB tiber den Zusammenhang der
Zellen im Gewebeverband sowie tiber ihre komplizierte Konstruktion aus
Biomembranen. Diese Technik vermittelt aber immer nur ein statisches Bild.
Bei vielen biologischen Grundvorgangen, wie z. B. wahrend der Embryo
nalentwicklung und bei der Zellteilung, aber auch bei pathologischen Veran
derungen (Metastasierung von Tumoren), spiel en Zellbewegungen eine be
deutende Rolle. Es handelt sich urn die nicht-muskular bewirkte Krafterzeu
gung im Rahmen der allgemeinen Zellmobilitat ("amoboide Bewegung"),
die immer mit Zellgestalt-Veranderungen und einem intrazellularen Orga
nell en-Transport verbunden ist. Solche dynamischen Vorgange konnen mit
Hilfe der Elektronenmikroskopie aber nur sehr begrenzt erfaBt werden.
Allein die quantitative Bedeutung dieser dynamischen Prozesse ist schon
daran zu ermessen, daB im menschlichen Korper in jeder Sekunde (!) unge
fahr 3 Millionen Erythrozyten neu gebildet werden mtissen.
Die klassischen Objekte fur die Untersuchungen von Zellbewegungen
sind Amoben und Myxomyceten (azellulare Schleimpilze, vgl. Abb. 1). Die
8 Karl Ernst Wohlfarth-Bottermann
Komplexitat ihrer Bewegungsvorgange im Vergleich zur Muskelbewegung
kann nur an einer kinematographischen Dokumentation mit einer nachfol
genden Teilbildanalyse erkannt werden (im Vortrag wurden 2 Filmsequen
zen iiber die Lokomotion von Am6ben undMyxomyceten gezeigt).Die kine
matographische Analyse von wandernden Zellen laBt erkennen, daB diese
Vorgange erheblich komplexer in ihrem Ablauf sind als die Kontraktion
(bzw. Erschlaffung) eines Muskels, die im wesentlichen ja nur in einer re
versiblen linearen Verkiirzung der Myofibrillen besteht. Die hochdynami
schen Prozesse und Formveranderungen, die in einer wandernden Zelle
simultan ablaufen, miissen unter Aufrechterhaltung ihrer komplizierten
Feinstrukturen m6g1ich sein. Ein Vergleich von Filmaufnahmen wandernder
Zellen mit ihrer heute allgemein anerkannten Feinstruktur zwingt zur An
nahme einer Fliissigkeitsnatur der Biomembranen. Diese fUr die kompli
zierte Zellkonstruktion wichtigen Biomembranen gliedern die Matrix der
Zelle, das Grundplasma, in funktionell verschiedene Kompartimente auf.
Es wird im weiteren Verlauf gezeigt, daB das Zellkompartiment "Grund
plasma" - als Grundphase der Zelle - die stoffliche Basis fiir Energietrans
formationen darstellt, die den Bewegungsvorgangen dienen.
Biochemische Basis der Transformation von chemischer Energie
in Bewegung
Es ist eine Erkenntnis des letzten Jahrzehnts, daB fiir eine Umwandlung
von chemischer Energie in mechanische Arbeit (chemomechanische Energie
transformation) vor allem cytoplasmatische Actomyosine verantwortlich
sind1• Wie das muskulare Actomyosin besteht auch das cytoplasmatische
Actomyosin aus den EiweiBen Actin und Myosin. Actin besitzt im mono
meren Zustand ein Molekulargewicht von etwa 45 000 (Abb. 2). Die globu
laren Molekiile k6nnen durch Langsaggregation zu einer Doppel-Helix po
lymerisieren, wodurch ein im Elektronenmikroskop erkennbares Filament
entsteht, das einen Durchmesser von 50 A. besitzt (Abb. 2). Wie sich in
jiingster Zeit herausstellte, betragt der Anteil an cytoplasmatischem Actin
etwa 10-20% des GesamteiweiBes von Eukaryontenzellen.
1 Das andere hierfiir in Betracht kommende EiweiBsystem ist das Tubulin-Dynein. Ein
deutige Nachweise fiir eine chemo-mechanische Energietransformation dieses Systems
der Mikrotubuli sind jedoch auf Cilien und GeiBeln beschrankt. Mikrotubuli scheinen
im Cytoplasma als transitorisches Cytoskelett zu dienen (vgl. Abb.2 und Tab. 1). Auf
funktionell entsprechende EiweiBsysteme bei Prokaryonten kann in diesem Rahmen
nicht eingegangen werden.
Cytoplasmatisdte Actomyosine und ihre Bedeutung fUr Zellbewegungen 9
Das Myosin besitzt in der monomeren Form ein Molekulargewicht von
etwa 500 000 und eine polare Bauweise des MolekUls (Kopf-Schwanz
Struktur). Es kann ebenfalls in spezifischer Weise zu groBeren Aggregaten
zusammentreten, wodurch Myosinfilamente entstehen, wie sie in den Sar
komeren beim quergestreiften Muskel regelmaBig gefunden werden. Ftir die
Interaktion von Actin und Myosin ist wichtig, daB der Kopfteil des Myo
sinmolekUls eine reversible Affinitiit zum Actin besitzt (vgl. Tab. 1). Der
Anteil des cytoplasmatischen Myosins betragt etwa 2-10% der Gesamtzell
proteine. Wesentlich ist, daB cytoplasmatisches Actomyosin bei allen bisher
daraufhin untersuchten hoheren Zellen vorhanden zu sein scheint. FUr Pro
karyonten (Bakterien und Blaualgen) liegen widersprUchliche Angaben tiber
Vorkommen von Actin vor.
FUr ein molekularbiologisches Verstandnis des Elementarmechanismus der
Triebkrafterzeugung cytoplasmatischer Actomyosine sind die intensiv un
tersuchten und heute weitgehend verstandenen Vorgange wahrend der che
momechanischen Energietransformation beim quergestreiften Muskel von
Wichtigkeit. Nach der Theorie des sogenannten Gleitmechanismus kommt
es, bedingt durch die Affinitiit des Myosinkopfes zum Actin, zu einer BrUk
kenverbindung zwischen Actinfilamenten und Myosinfilamenten. Durch
Konformationsanderungen, die am Kopfteil des MyosinmolekUls ablaufen
(Kippbewegungen), verbunden mit einem zyklisch sich wiederholenden
BrUckenschlag und Wiederablosen des Myosinkopfes vom Actin, wird eine
Scherkraft zwischen Actin und Myosin erzeugt, die in einer relativen Lage
verschiebung der beiden Filamente resultiert und zur Kontraktion fUhrt,
das heiBt zu einer linearen VerkUrzung der Muskelsarkomeren. Die Energie
fUr dies en Vorgang wird von der energiereichen Zwischenverbindung ATP
(Adenosintriphosphat) geliefert. ATP zerflillt hierbei in ADP (Adenosin
diphosphat) und Phosphat, wobei Energie freigesetzt wird. Der Kopf des
MyosinmolekUls funktioniert als Enzym der ATP-Spaltung (ATPase). Vor
aussetzung fUr das Funktionieren eines solchen Gleitmechanismus ist nicht
nur eine polare Anordnung des aggregierten Myosins (Myosindimere oder
hohere Aggregate wie Myosinfilamente), sondern auch ein polarer Bau der
F-Actin-Kette. Wie fUr den quergestreiften Muskel und fUr das cytoplas
matische Actin bewiesen ist, liegt ein solcher polarer Bau beim F-Actin
filament vor. Auch cytoplasmatisches Myosin aggregiert in vitro zu polar
gebauten Myosinfilamenten.
10 Karl Ernst Wohlfarth-Bottermann
Kontraktionsnachweis bei cytoplasmatischen Actomyosin-Fibril/en
und ihre Feinstruktur
Der direkte Nachweis, daB cytoplasmatische ActomyosinfibriIlen Kon
traktionen ausflihren konnen, wurde bei tierischen Gewebekulturzellen ge
flihrt. Bestimmte Zellstamme entwi<keln in Gewebekultur sogenannte "stress
fibrils", die Actomyosin-Natur besitzen (als spezifische cytochemische Nach
weismethoden der Actomyosin-Natur wird heute neben der zu einem spe
zifischen Muster flihrenden Anlagerung von Myosin an die Actin-Kette die
Technik der Immunfluoreszenz benutzt, die auf der Koppelung von Fluo
rochromen an Actin- bzw. Myosin-Antikorper beruht). Der direkte Kon
traktionsnachweis an ActomyosinfibriIlen aus Gewebekulturzellen wurde
moglich, nachdem es gelang, mit Hilfe eines Feinstrahl-Lasers einzelne Ac
tomyosinfibriIlen aus den Zellen herauszuschneiden, das heiBt zu isolieren,
und darauf folgend durch Zusatz von A TP im geeigneten Ionenmilieu die
Kontraktion im Lichtmikroskop zu induzieren.
Cytoplasmatische ActomyosinfibriIlen wurden zuerst bei azellularen
Myxomyceten entde<kt, schon Anfang der 60iger Jahre in ihrer Feinstruktur
analysiert und funktionell gedeutet. Dieses Objekt stellt auch heute noch die
beste Quelle fUr die Isolation der kontraktilen Proteine und nach ihrer Rei
nigung flir die biochemische Untersuchung dar. Abb.3 zeigt Actomyosin
fibriIlen bei schwacher elektronenmikroskopischer VergroBerung, Abb. 4 ihre
Feinstruktur. Man erkennt eine Parallelanordnung zahlreicher etwa 50 A.
breiter Filamente (F-Actin, vgl. Abb. 2), jedoch keine di<keren Myosinfila
mente, wie sie in den Sarkomeren des quergestreiften Muskels vorkommen.
Das Myosin liegt zumindest teilweise in Fadenform als Filament mit einem
Durchmesser oberhalb und unterhalb 50 A. vor, erreicht jedoch unter norma
len Bedingungen anscheinend nicht die hohe Aggregationsstufe wie in der
quergestreiften Muskulatur.
Myxomyceten bestehen aus groBflachig kultivierbaren Plasmodien, das
heiBt nicht-zellig gegliederten Protoplasmamassen (Abb. 1). Die Moglichkeit
der Massenkultur erleichtert wesentlich die praparative Isolierung der Ac
tomyosine, eine Technik, die aus einer Homogenisation der Plasmodien,
einer KCI-Extraktion und einer schrittweisen Sauberung und Anreicherung
der kontraktilen EiweiBe besteht. Es ist moglich, sowohl Actin als auch
Myosin in einer so reinen Form darzustellen, daB im zellfreien System aus
den beiden Proteinen eine Resynthese von Actomyosinfibrillen gelingt. Der
"self-assembly"-ProzeB wird praparativ liber das parakristalline Actin er
reicht. Zwischen die in dieser Actinform parallelisierten Actin-Ketten wird
in vitro Myosin eingelagert. Solche synthetischen Fibrillen sind morpholo-
Cytoplasmatische Actomyosine und ihre Bedeutung fUr Zellbewegungen 11
gisch nicht von natiirlichen Fibrillen in situ zu unterscheiden. Ihre volle
Funktionsfahigkeit kann durch den Nachweis ihrer Kontraktilitat als er
bracht gelten. Das bedeutet, daB der chemomechanische Koppelungsvorgang
auch an der synthetischen Struktur im zellfreien System studiert werden
kann.
Die Kontraktionsfahigkeit cytoplasmatischer Actomyosinfibrillen ver
schiedener Herkunft ist also sowohl am natiirlichen Objekt in situ als auch
an der resynthetisierten Struktur in vitro nachgewiesen. Wahrscheinlich
werden in Zukunft synthetische Actomyosinfibrillen das Studium des mole
kularen Kontraktionsmechanismus cytoplasmatischer Actomyosine erleich
tern. Bislang ist es namlich nicht gelungen, native Fibrillen aus Protoplas
maadern zu isolieren. Die Griinde hierfiir liegen in der hohen Transforma
tionsbereitschaft dieser Strukturen, wodurch sie eine Zellhomogenisation
nicht iiberstehen. Diese bemerkenswert dynamischen Eigenschaften cyto
plasmatischer Actomyosine werden in einem gesonderten Teil des Vortrages
geschildert.
Ahnlichkeiten der cytoplasmatischen Actomyosine
mit Muskel-Actomyosinen
Auch cytoplasmatische Actomyosine konnen zu "Fadenmodellen" verar
beitet werden, wie sie fiir das Muskel-Actomyosin seit langem bekannt
sind. Man spritzt das in KCI gelOste EiweiB durch enge Diisen in eine
rotierende Petrischale mit destilliertem Wasser, wodurch es in Form eines
Fadens ausfallt. Auf A TP-Zugabe kontrahieren diese Faden, wenn gleich
zeitig ein geeignetes Ionenmilieu geboten wird. Das Actomyosin liegt in
solchen Fadenmodellen ohne Strukturordnung als ungeordnetes Raumnetz
vor, so daB das Kontraktionsverhalten des cytoplasmatischen Actomyosins
mit dem des Muskel-Actomyosins bei vergleichbarer (niedriger) Struktur
ordnung gepriift werden kann2• Benutzt man zur Herstellung der Faden
modelle geniigend reines Actin und Myosin, so ist das Kontraktionsverhal-
2 Die Gefugeveranderungen, die in einem kontrahierenden Fadenmodell ablaufen, bieten
starke Indizien fur einen Filament-Gleitmechanismus. Ein solcher kann nicht nur zwi
schen parallelisierten F-Actin-Ketten ablaufen, sondern auch in einem ungeordneten
Raumnetz von F-Actin, wenn die Actin-Filamente die "richtige" Polaritat besitzen.
Die hierbei zu beobachtende Volumenkontraktion des Actornyosingels nach Zugabe von
A TP wird im biochemischen Schrifttum als "Superprazipitation" bezeichnet. Dieser Aus
druck ist irrefuhrend, wei! der Eindruck einer Fallungsreaktion erweckt wird. Es han
delt sich aber im Gegenteil urn eine aktive Kontraktion, wobei das ungeordnete Acto
myosin-Netzwerk recht genau die normale Anordnung des cytoplasmatischen Acto
myosins im Grundplasma intra vitam simuliert. Bei Insertion des F-Actin-Netzes an der
Zellmembran kommt es zu einer Volumenkontraktion der Zelle (vgl. Abb. 12).