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Proteintransport - Stau in der Zelle

24.03.2017

Sich treiben lassen auf der Umleitung: Motorproteine behindern sich in Zellfortsätzen gegenseitig, deshalb kommen frei diffundierende Proteine effektiver zum Ziel, zeigt ein theoretisches Modell von LMU-Physikern.

Zu Ferienbeginn kommt es zu langen Staus auf den Autobahnen, da die Fahrzeuge der Urlauber sich gegenseitig behindern. Ein ähnlicher Effekt kann auch beim Transport von Proteinen in Zellfortsätzen auftreten.


Foto: Kara / Fotolia.com

Quelle: LMU

Das zeigen Simulationen der LMU-Physiker Professor Erwin Frey und Isabella Graf, über die sie im Fachmagazin Physical Review Letters berichten. Die Wissenschaftler haben ein theoretisches Modell entwickelt, das nahelegt, dass die Proteine schneller vorankommen, wenn sie sich abseits der Transportbahnen einfach von der Diffusion treiben lassen – und erst kurz vor dem Ziel auf Transportvehikel „umsteigen“.

Zellfortsätze sind fingerförmige Ausstülpungen von Zellen, die durch starre Bündel aus Aktinfilamenten in ihrem Inneren stabilisiert werden. Damit Proteine ihre Funktion – etwa bei der Zellwanderung, der Wundheilung und der Signalübertragung – erfüllen können, müssen sie bis zur Spitze der Ausstülpung gelangen. Dies kann entweder passiv durch Diffusion im Zytoplasma geschehen, oder indem die Proteine mithilfe von Motorproteinen, die sich wie auf Schienen entlang der Aktinfilamente bewegen, aktiv bis zur Spitze transportiert werden.

„Naiv würde man davon ausgehen, dass der gerichtete Transport sehr viel schneller ans Ziel führt als die diffusive Bewegung“, sagt Graf. „Wir haben nun aber das Zusammenspiel zwischen gerichteter Bewegung und Diffusion in einem halbgeschlossenen System, wie es auch die Zellfortsätze darstellen, mithilfe eines mathematischen Modells simuliert und dabei zu unserer Überraschung festgestellt, dass der diffusive Transport effizienter ist.“

Das Modell der Wissenschaftler legt nahe, dass der gerichtete, aktive Transport von Proteinen im Zellfortsatz erheblich behindert wird, weil sich die Motorproteine gegenseitig räumlich behindern. Da sie sich weder durchdringen noch überholen können, entstehen Korrelationen und die Motoren können sich nicht mehr unabhängig voneinander bewegen. Dadurch kommt es zu einem „biologischen Stau“ auf den Aktinfilamenten, der – ebenso wie der reale Stau auf der Autobahn – das Fortkommen deutlich bremst.

Das von den Wissenschaftlern entwickelte mathematische Modell berücksichtigt diese gegenseitigen Behinderungen sowie die Dichte der Motorproteine und kann den Transportstrom auf dem Aktinfilament akkurat vorhersagen. Aus ihren Simulationen schließen die Wissenschaftler, dass Proteine durch diffusive Bewegungen an die Spitze des Zellfortsatzes gelangen – kurz vor dem Ziel aber möglicherweise noch auf die Motoren umsteigen.

„An der Spitze des Fortsatzes hat der Stau, wenn er nicht zu lang wird, potenziell auch einen positiven Effekt“, sagt Graf. „Wenn die Proteine nur langsam vorwärts kommen, halten sie sich dadurch länger in diesem Bereich auf und haben mehr Zeit, ihre Aufgaben zu erfüllen.“ Darüber hinaus deutet das Modell darauf hin, dass es biologisch sinnvoll sein könnte, dass sich die Motoren an der Spitze leichter von den Aktinfilamenten lösen als weiter hinten, denn dies könnte verhindern, dass sich zu lange Staus auf den Filamenten bilden, und gleichzeitig ermöglichen, dass sich sie Proteine bevorzugt an der Spitze aufhalten.
Physical Review Letters 2017

Publikation:
Generic transport mechanisms for molecular traffic in cellular protrusions
Isabella R. Graf and Erwin Frey
Physical Review Letters 2017
http://journals.aps.org/prl/abstract/10.1103/PhysRevLett.118.128101

Kontakt
Prof. Dr. Erwin Frey
Lehrstuhl für Theoretische Physik – Statistische Physik
Tel.: +49(0)89/2180-4538
E-Mail:
erwin.frey@physik.lmu.de
http://www.theorie.physik.uni-muenchen.de/17ls_th_statisticphys_en/members/group...

Contact:
Prof. Dr. Erwin Frey
Statistical and Biological Physics
Phone: +49 (0) 89 / 2180-4538
erwin.frey@physik.lmu.de

Luise Dirscherl | Ludwig-Maximilians-Universität München
Weitere Informationen:
http://www.uni-muenchen.de/

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