Intermediärfilamente sind ein primärer Bestandteil des Zytoskeletts, obwohl sie nicht in allen Eukaryoten vorkommen und in Pilzen und Pflanzen fehlen. Diese Filamente, die sich durch das Zytoplasma und die innere Kernmembran erstrecken, bestehen aus einer großen Familie von Proteinen, die grob in fünf Klassen eingeteilt werden können.
Der Aufbau der IF beginnt mit der Faltung der IF-Proteine in eine konservierte alpha-helicale Stabform, gefolgt von einer Reihe von Polymerisations- und Annealing-Ereignissen, die zur Bildung von Filamenten mit einem Durchmesser von etwa 8 bis 12 nm führen. Verschiedene IF-Kombinationen werden in verschiedenen Zelltypen gefunden, jedoch interagieren nicht alle IF-Klassen miteinander. Im Gegensatz zu anderen Komponenten des Zytoskeletts (z. B. Aktinfilamente, Mikrotubuli) fehlt den Intermediärfilamenten die Polarität, sie sind stabiler und ihre konstituierenden Untereinheiten binden keine Nukleotide (wie z. B. ATP) (nachzulesen in ).
Zahlreiche laterale Wechselwirkungen und weniger longitudinale Wechselwirkungen zwischen den konstituierenden Protofilamenten innerhalb eines IFs erzeugen eine hohe Zugfestigkeit und machen IFs resistent gegen Kompressions-, Biege-, Verdrehungs- und Streckungskräfte. (B) Mikrotubuli haben mehr longitudinale Wechselwirkungen zwischen konstituierenden Tubulindimeren innerhalb der Protofilamente und weniger laterale Wechselwirkungen zwischen den Protofilamenten. Die stabilen longitudinalen Wechselwirkungen innerhalb einzelner Protofilamente fördern die Steifigkeit innerhalb der Mikrotubuli und machen sie widerstandsfähig gegen Biege- und Druckkräfte. Im Gegensatz dazu sind die schwächeren lateralen Wechselwirkungen zwischen Protofilamenten anfällig für Brüche, wenn sie durch Verdrehungskräfte belastet werden.
Welche Funktion haben Intermediärfilamente?
Die enge Verbindung zwischen Protofilamenten verleiht Intermediärfilamenten eine hohe Zugfestigkeit. Das macht sie zur stabilsten Komponente des Zytoskeletts. Intermediärfilamente finden sich daher in besonders haltbaren Strukturen wie Haaren, Schuppen und Fingernägeln.
Die primäre Funktion der Intermediärfilamente ist es, den Zellzusammenhalt herzustellen und den akuten Bruch von Epithelzellblättern unter Spannung zu verhindern. Ermöglicht wird dies durch umfangreiche Wechselwirkungen zwischen den einzelnen Protofilamenten eines Intermediärfilaments, die seine Widerstandsfähigkeit gegenüber Druck-, Verdrehungs-, Streck- und Biegekräften erhöhen. Diese Eigenschaften ermöglichen es den Intermediärfilamenten auch, die verlängerten Axone von Nervenzellen zu stabilisieren, sowie die Innenseite der Kernhülle auszukleiden, wo sie helfen, die DNA der Zelle zu nutzen und zu schützen.
Proteinklassen der Intermediärfilamente, Struktur und Funktionen
- Typ I und II: Keratine
- Typ III: Desmin, Vimentin
- Typ IV: Neurofilamente
- Typ V: Lamine
Keratinproteine umfassen die beiden größten Klassen von Intermediärfilamentproteinen. Historisch wurden die beiden Keratintypen nach den allgemeinen physikalischen Eigenschaften ihrer zusammengesetzten Aminosäuren als sauer (Typ I) oder basisch (Typ II) eingeteilt. Keratinproteine setzen sich zunächst zu Dimeren mit einer sauren und einer basischen Kette zusammen, dann zu Protofilamenten und schließlich zu IFs. Im Jahr 2006 wurde eine universelle Nomenklatur für jedes der damals bekannten Keratin-Gene und -Proteine, insgesamt 54 (28 Typ I und 26 Typ II), festgelegt, um einen internationalen Konsens für ihre Benennung und Klassifizierung zu erreichen .
Die Expression von bestimmten sauren und basischen Keratinen kann zelltypspezifisch sein. Keratine kommen in epithelialen Geweben vor und ihre Expression kann sich im Laufe des Lebens einer Zelle verändern. Keratine sorgen für eine lebenswichtige interne Unterstützung und Kohäsion der epithelialen Zellschichten. Zum Beispiel wird die Basalschicht von Epithelzellen, die sich ständig teilen und neue Hautzellen hervorbringen (Keratinozyten), mit Keratinfilamenten gefüllt, wenn sie reifen. Die Keratinfilamente verankern die Hautzellen an der extrazellulären Matrix (ECM) an ihrer Basis und an den benachbarten Zellen an ihren Seiten durch Strukturen, die Hemidesmosomen bzw. Desmosomen genannt werden. Wenn diese Hautzellen absterben, bildet die Schicht der abgestorbenen Zellen eine wesentliche Barriere für den Wasserverlust. Folglich sind Mutationen in Keratin-Genen bekannt dafür, für eine Vielzahl von Hautkrankheiten verantwortlich zu sein. Keratinhaltige Strukturen befinden sich auch außerhalb der Epithelzellschicht (z. B. Haare und Nägel).