Fogászati anyagtan fizikai alapjai 12. Sejtek rugalmassága Citoszkeleton Eukariota sejtek dinamikus vázrendszere Három fő filamentum-osztály: A. Vékony (aktin) B. Intermedier C. Mikrotubulus Polimerizáció: monomer alegységekből Szerep: A. Mozgás, alakváltozás B. Sejtosztódás C. Intracelluláris transzport Mikrotubulusok DNS Aktin 1 2 A citoszkeleton filamentumai Polimer mechanika: Hooke-rugalmasság A rugóállandó (D=F/ l) nem csak anyagfüggő. Hajlítómerevség: l A rugóállandó (D) függ a test alaki paramétereitől, az erő irányától. s F Longitudinális merevség: A F D Torziós merevség: l M Aktin (rodamin-phalloidin) Vimentin (anti-vimentin) Mikrotubulusok (GFP-tubulin) D 3 D 4
Polimer mechanika: termikus rugalmasság Alegységek összeállásának folyamata elemi vektorokból (N db, irányukat tartó kis egységből) felépülő polimer l = korrelációs hossz (az elemi vektorok átlagos hossza) R Nl = L = kontúrhossz R = vég-vég távolság l p = perzisztenciahossz (milyen távolságon belül tartja meg az irányát a molekula) l p EΘ = kt B Merev lánc l p >>L Szemiflexibilis lánc l p ~L Flexibilis lánc l p <<L Θ = hajlítási tehetetlenségi nyomaték (körkeresztmetszetű rúd esetén: Θ=r 4 π/4) A polimerizáció fázisai: 1. Lag fázis: nukleáció 2. Növekedés fázisa 3. Equilibrium (egyensúly) fázisa Polimer mennyiség Lag Növekedés Equilibrium Idő 5 6 Polimerizációs egyensúlyok Aktin monomer (G-aktin) 1. valódi equilibrium 2. dinamikus instabilitás: folyamatos, lassú növekedést követő katasztrofikus depolimerizáció 3. Treadmilling: taposómalom aktin: összfehérje 5%-a (eukarióta sejtekben) alegység: globuláris (G-) aktin 43 kda, 1 molekula kötött adenozin nukleotid (ATP vagy ADP) nukleotid 7 8
Aktin filamentum (F-aktin) Aktin filamentum (F-aktin) Szerepe: 37 nm cortex (a sejt pereme) stress rostok, sejtnyúlványok (lamellipodia, filopodia, microspikes, focal contacts, invagináció) szöges (+) vég mikrovillus Szerkezete, tulajdonságai: ~7 nm vastag, hossza in vitro több 10 µm, in vivo 1-2 µm Szemiflexibilis polimerlánc (perzisztenciahossz: ~10 µm) Szerkezeti polarizáció ( szöges, hegyes vég) Aszimmetrikus polimerizáció: ATP sapka hegyes (-) vég ATP sapka 9 Aktin hálózat Ti implantátumokon Stress rostok cortex filopodium 10 A mikrotubuláris rendszer Alegység: tubulin Idegszövetben az összfehérje 10-20%-a α- és β-tubulin 1 molekula kötött guanozin nukleotid (GTP vagy GDP) Ti Ti Osseotite 11 12
α A mikrotubulus β ~25 nm vastag, üreges protofilamentum 13 protofilamentum merev polimerlánc (perzisztenciahossz: néhány mm!) szerkezeti polarizáció: +vég: polimerizáció gyors, β-alegység által terminált -vég: polimerizáció lassú, α-alegység által terminált GTP-sapka 8-10 nm átmérő kémiailag ellenálló fibrózus monomer, polimerizáció ATP/GTP nélkül a szövetspecifikus monomerek egymástól a végeik szerkezetében különböznek: Intermedier filamentum dimer: Fej 1A Intermedier filamentumok hám izom kötöszővet glia ideg keratinok dezmin vimentin gliális fibrilláris savanyú fehérje neurofilamentum 1B 2A 2B Farok 13 14 Intermedier filamentum nyújtása (dezmin) Intermedier filamentumok feltételezett szerepe: s ~ molekulahossz d ~ erő 500 nm Erő mechanikai stabilitás aktin IF MT Deformáció 15 16
Intermedier filamentumok szöveti funkciói Szívizom-elfajulás dezmin mutáció miatt Szöveti mechanikai stabilitás biztosítása Epiteliális (hám-) sejtekben: kórkép: epidermolysis bullosa simplex. Enyhe mechanikai hatásra (pl. dörzsölés) fellépő hólyagos hámszétesés. oka: mutáció a keratin génben normál szívizom dezmin mutáció 18 Az élő anyag rugalmassága Vizsgálómódszerek kollagén mon. kollagén fibr. fibrilin elastin vadászgörény aorta (részek) sertés aorta (részek) a. radialis patkány aorta humán aorta 19 20
Vizsgálómódszerek pásztázó akusztikus mikroszkópia (SAM) nanoindenter szisztolé visszaverődött pulzushullám pulzushullám-sebesség miográf 21