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Lexikon der Biologie: Mikrotubuli

Mikrotubuli [von *mikro- , latein. tubuli = kleine Röhren], Cytotubuli, Gruppe von Filamenten, die am Aufbau des Cytoskeletts (Zellskelett), der Geißeln und Cilien und bei der Ausbildung der Spindelapparate bei der Zellteilung (Cytokinese) beteiligt sind. Mikrotubuli sind röhrenförmige Strukturen mit einem Gesamt-Durchmesser von 25 nm (Durchmesser innen: 15 nm); sie können bis zu 100 μm lang werden. Als allgemeine Konstituenten der Eucyten wurden sie im Elektronenmikroskop erst mit Einführung der Glutaraldehydfixierung (Glutardialdehyd) erkannt (1963), nachdem sie als wichtigste axonemale Komponenten der Undulipodien (Axonema; Cilien) schon lange entdeckt waren. Ein einzelner Mikrotubulus besteht aus 13 Protofilamenten, die zusammen die Röhrenstruktur bilden ( vgl. Abb. 1 ). Die aus Tubulin-Untereinheiten aufgebauten Protofilamente sind etwas gegeneinander versetzt (Steigungswinkel etwa 10 °), so daß eine leicht linksgewundene Helix resultiert ( vgl. Abb. 2 ). Die eigentlichen Bauelemente der Mikrotubuli sind Dimere (Dimerisation), die aus je 1 α- und β-Tubulin zusammengesetzt sind. Jede der Untereinheiten besitzt einen Durchmesser von etwa 5 nm, die relative Molekülmasse beträgt je 50.000; das α,β-Dimere besitzt eine Sedimentationskonstante (Sedimentation) von 6S. Neuere Befunde weisen auf eine dritte Untereinheit hin, das γ-Tubulin. γ-Tubulin ist ein hochkonserviertes Protein, das in Eukaryoten ubiquitär vorkommt. Es hat eine 28–35%ige Sequenzhomologie mit α- und β-Tubulin. In Zellen, in denen die Mikrotubuli vollständig dissoziiert (Dissoziation) sind, kommt das γ-Tubulin im Centromer vor, ohne jedoch fest gebunden zu sein. Es werden immer wieder γ-Tubulin-haltige Körper aus dem Centromer abgegeben, an denen dann der Neuaufbau der Mikrotubuli beginnt. γ-Tubulin wird Zellzyklus-spezifisch (Zellzyklus) exprimiert – am höchsten in der Mitose und am geringsten während der Interphase – also immer abhängig von der Aktivität der Mikrotubulibildung. Ohne das Vorhandensein von γ-Tubulin kommt es in der Zelle zu schweren Störungen: die Kernteilung ist gestört, und die cytoplasmatischen Mikrotubuli sind verkürzt und ungeordnet. – Der Aufbau der Mikrotubuli aus Heterodimeren macht verständlich, daß diese Filamente eine strukturelle und kinetische Polarität aufweisen, d.h., die Polymerisation (Polymere) von Monomeren an den beiden Enden eines Mikrotubulus ist unterschiedlich, und zwar überwiegt sie am sog. Plus-Ende eine ebenfalls stattfindende Depolymerisation. Eine an die Mikrotubuli der Cilien und Geißeln assoziierte ATPase (Adenosintriphosphatasen) ist das Dynein, das mit einem sliding-filament-Mechanismus bei der Geißelbewegung in Zusammenhang steht. Weiterhin besitzen die α,β-Dimere 2 Bindungsstellen für GTP (Guanosin-5'-triphosphat), deren eine, die im β-Tubulin, bei der Polymerisation hydrolysiert wird. Entscheidend für den Wechsel von Polymerisation und Depolarisation ist die Hydrolyse des gebundenen GTP. Innerhalb einer Filamentpopulation werden einige Mikrotubuli langsam länger, andere aber gleichzeitig schnell kürzer (dynamische Instabilität) – je nachdem, ob das Plus-Ende GTP-Tubulin oder GDP-Tubulin (instabil; GDP = Guanosin-5'-diphosphat) enthält. Dieser dynamische Grundzustand ermöglicht dem Cytoskelett auch zelluläre Bewegungen (z.B. Trennung der Chromosomenpaare; Chromosomenpaarung). Mikrotubuli stehen oft mit dem nicht-polymerisierenden Minus-Pol mit Organisationszentren in Verbindung. Solche sog. Nucleationsorte oder MTOCs (= Microtubule Organizing Centers) sind die Centriolen, die der Ausbildung sog. Geißelbasen (Basalkörper) dienen, Centromeren an den Metaphase-Chromosomen und bestimmte, elektronendichte Membranbereiche (Membran). Werden solche Organisationszentren in vitro mit α,β-Dimeren, GTP und Mg2+-Ionen (Magnesium) zusammengebracht, so kommt es zur Polymerisation von Mikrotubuli. In intakten Zellen kommt γ-Tubulin vor allem an diesem Mikrotubuli-Organisations-Zentrum (MTOC) vor. Möglicherweise aggregiert das γ-Tubulin am MTOC in Form eines Kreises oder eines Zylinders und dient dann als Polymerisationszentrum. Das MTOC schützt das Minus-Ende des Mikrotubulus vor Depolymerisation. Ein Mikrotubulus, der von einem solchen Zentrum aus wächst, kann stabilisiert werden, wenn sein sog. Plus-Ende von spezifischen Proteinen eingefangen wird, um seinen Abbau zu verhindern. Für die Mikrotubuli wurden eine Reihe solcher assoziierter Proteine festgestellt (sog. MAPs = Microtubule Associated Proteins), die wohl stabilisierende Funktion haben, die Geschwindigkeit des Auf- und Abbaus modifizieren und für laterale Verbindungen sorgen. – Beim Krallenfrosch Xenopus (Krallenfrösche) konnten jüngst (2001) 2 Proteine isoliert werden (XMAP215 und XKCM1), mit denen sich die Polymerisationsrate von Tubulinmolekülen in vitro regulieren läßt – möglicherweise ein weiterer Schritt zum Verständnis so komplexer zellulärer Prozesse wie der Organisation der Zellteilungsspindel. – Andere Bindungsstellen existieren für bestimmte Alkaloide, die als Spindelgifte bekannt geworden sind (Mitosegifte) und die Aggregation zu Mikrotubuli verhindern (z.B. Colchicin). – Bei den Pflanzen sind Mikrotubuli auch als sog. corticale Mikrotubuli unterhalb des Plasmalemmas (Plasmamembran) lokalisiert. Die corticalen Mikrotubuli in den Zellen der äußeren Epidermis können bei Keimlingen (zumindest der Bedecktsamer; Keimpflanze) unter Licht oder Hormoneinfluß ihre Orientierung verändern. Parallel zu ihnen erfolgt dann die Synthese der Cellulosemikrofibrillen (CMF; Cellulose), welche (entsprechend der Orientierung der Mikrotubuli) zu einer Verbreiterung (longitudinal orientierte CMF) oder Streckung (transversal orientierte CMF) der Zelle führen kann (bei gleichzeitiger Wasseraufnahme). Makroskopisch manifestiert sich dieser Prozeß in einer z.B. phototropischen (Phototropismus) oder gravitropischen (Gravitationsbiologie, Gravitropismus, Diageotropismus) Krümmung des Hypokotyls bzw. der Coleoptile. Neben den labilen Mikrotubuli im Cytoplasma kennt man auch stabile Strukturen, z.B. Geißeln, Axopodien der Sonnentierchen oder die Cytoskelette begeißelter Einzeller. Hier treten acetylierte α-Untereinheiten (Acetylierung) auf. – Durch Plasmodesmen hindurchgehende tubuläre Strukturen (Desmotubuli) wurden verschiedentlich als Mikrotubuli angesehen. Es scheint sich dabei jedoch um einen Tubulus des endoplasmatischen Reticulums (ER) zu handeln, der eine Verbindung von ER-Zisternen zwischen benachbarten Pflanzenzellen herstellt. – Taxol, ein aus der pazifischen Eibe Taxus brevifolia gewonnener Tumorhemmstoff (Krebs), stört das Auf- und Abbaugleichgewicht der Mikrotubuli, indem es eine unnatürliche Form von Tubulin stabilisiert. Dadurch blockiert es die Zellteilung und damit die Vermehrung von Tumorzellen. Farbwechsel, Kinesin.

B.L./S.Kl.

Lit.: Hyams, J.S., Lloyd, C.W.: Microtubules. New York 1994.



Mikrotubuli

Abb. 1:
elektronenmikroskopische Aufnahme von Mikrotubuli im Querschnitt



Mikrotubuli

Abb. 2: Schematische Darstellung (Seitenansicht) eines kurzen Abschnitts aus einem Mikrotubulus. Die aus α, β-Dimeren aufgebauten 13 Protofilamente bilden zusammen eine röhrenförmige Struktur von 25 nm Außen- und 15 nm Innendurchmesser. Die einzelnen Protofilamente sind um jeweils 10 gegeneinander versetzt. Mikrotubuli sind sehr empfindliche Strukturen: bei geringen Änderungen des Zellmilieus zerfallen sie in die dimeren Untereinheiten, können aber auch schnell wieder aus diesen aufgebaut werden.

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