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Lexikon der Biochemie: intermediäre Filamente

intermediäre Filamente, sehr widerstandsfähige, seilartige, langlebige Faserproteine mit großer Bedeutung für die Struktur und mechanische Belastbarkeit der meisten tierischen Zellen. Die Bezeichnung intermediär ist darauf zurückzuführen, dass ihr elektronenmikroskopisch ermittelter Durchmesser von 8-10 nm zwischen dem der Actin-Filamente (Actin) und der Mikrotubuli liegt (Cytoskelett). Strukturell besonders gut ausgebildete i. F. finden sich im Cytoplasma von Zellen, die mechanisch anspruchsvoll belastet werden. Sehr hoch ist das Vorkommen in Epithelien sowie entlang der Axone von Nervenzellen und in den unterschiedlichsten Muskelzellen. In vielen tierischen Zellen ist der Zellkern von einem Geflecht aus i. F. umgeben, das sich nach außen bis zur Peripherie der Zelle erstreckt und mit der Plasmamembran in Wechselwirkung steht. Die i. F. sind Polymere aus Faserproteinen mit einem N-terminalen Kopf, einem C-terminalen Schwanz und einer stäbchenförmigen Domäne im mittleren Bereich. Letztere besteht aus einer langgestreckten α-Helix mit einer sog. Heptaden(Siebener)-Wiederholungseinheit. Die langen Tandem-Wiederholungen enthalten ein ganz bestimmtes Sequenzmotiv aus sieben Aminosäuren (a-b-c-d-e-f-g)n, von denen die Reste a und d gewöhnlich apolar sind. Dieses Motiv begünstigt die Ausbildung von Doppelwendel-Dimeren aus zwei parallel verlaufenden α-Helices. Die meisten Proteine der i. F. enthalten eine ähnliche stabförmige Domäne, bestehend aus etwa 310 Aminosäurebausteinen und einer ausgedehnten α-Helix., während die C- und N-terminalen Enden keine helicale Struktur ausbilden und in den verschiedenen i. F. hinsichtlich Größe und Sequenz differieren (Abb.). Man kann die cytoplasmatischen i. F. der Wirbeltierzellen in vier Klassen unterteilen: 1) Keratin-Filamente, 2) Vimentin und Vimentin-ähnliche Filamente, 3) Neurofilamente und 4) Lamine. Die größte Vielfalt zeigen die Keratin-Filamente in Epithelzellen und ihren Abkömmlingen (Haare, Nägel u. a.). Die einzelne Epithelzelle ist in der Lage, verschiedene Keratine zu synthetisieren, die alle zu einem System von Keratin-Filamenten copolymerisieren. In Epithelzellen sind Keratin-Filamente an Desmosomen und Hemidesmosomen gekoppelt. Desmosomen und Hemidesmosomen sind spezialisierte Zellverbindungen, die benachbarte Zellen verbinden bzw. für die Verankerung der Zelle an der darunter befindlichen Basalmembran sorgen. Die Heterogenität der Keratine ist groß und kann medizinisch zur Diagnose von Krebserkrankungen der Epithelien genutzt werden.
Eine spezielle Gruppe von Proteinen intermediärer Filamente sind die Lamine A, B und C (Mr 65-75kDa) aus der Kernlamina von Eukaryontenzellen. Sie unterscheiden sich von den anderen Proteinen der i. F. a) durch eine etwas längere mittlere, stabförmige Domäne; b) durch die Ausbildung eines flächigen, blattartigen Geflechtes unter Mitwirkung anderer Proteine; c) durch ein spezielles Transportsignal , das nach der Synthese den Transport in den Kern veranlasst; d) die gebildeten Netzwerke zerfallen zu Beginn der Mitose und werden danach neu gebildet. Offenbar bildete ein Lamin des Zellkerns in der Evolution den ersten Typ eines i. F.
Vimentin (Mr 54kDa) in vielen Zellen mesenchymaler Herkunft und Vimentin-ähnliche Proteine, wie Desmin (Mr 53kDa) in Muskeln, das saure fibrilläre Gliaprotein (Mr 50 kDa) in den Gliazellen und das Peripherin (Mr 66kDa) in Neuronen bilden Polymere von i. F. aus Proteinen eines einzigen Typs. Vimentin ist das verbreiteste Protein der i. F. im Cytoplasma. Es kommt in Fibroblasten, Endothelzellen und Leucocyten vor, aber auch andere Zellen exprimieren es temporär während der Entwicklung. Das saure fibrilläre Gliaprotein ist für die Bildung der Gliafilamente in den Astrocyten des ZNS sowie in verschiedenen Schwannschen Zellen des peripheren Nervensystems verantwortlich. Die Neurofilament-Proteine NF-L, NF-M und NF-H (Mr 60-130 kDa) von Säugetieren, bezeichnet nach niedriger, mittlerer und hoher relativer Molekularmasse, bilden die neuronalen i. F., die sich über die Länge eines Axons erstrecken und in ausgereiften Nervenzellen den wichtigsten Cytoskelettbestandteil eines Axons darstellen. [K. Albers u. E. Fuchs Int. Rev. Cytol. 134 (1992) 243; Y.-H. Chou et al. Cell 62 (1990) 1.063; S. Okabe et al. J. Cell. Biol. 121 (1993) 375; M. Stewart Curr. Opin. Cell. Biol. 5 (1993) 3; P.A. Coulombe Curr. Opin. Cell. Biol. 5 (1993) 17; D.W. Cleveland et al. J. Cell. Sci. Suppl. 15 (1991) 85; E.A. Nigg Cell. Biol. 3 (1992) 245; P.A. Janmey Curr. Opin. Cell. Biol. 3 (1991) 4]



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