Solujen viestintä BIOLOGIAN LAITOS, SEPPO SAARELA, 2010.

Esitys aiheesta: "Solujen viestintä BIOLOGIAN LAITOS, SEPPO SAARELA, 2010."— Esityksen transkriptio:

1 Solujen viestintä BIOLOGIAN LAITOS, SEPPO SAARELA, 2010

2 Kuljetusmekanismit solukalvon läpi
Passiivinen kuljetus Pitoisuusgradientin suuntaan ilman energiaa Kuljetettavalla aineella sähkövaraus, sähkökemiallinen potentiaali Sähkökemiallinen potentiaali Potentiaalienergian minimointi BIOLOGIAN LAITOS, SEPPO SAARELA, 2010

3 Diffuusio 1 Diffusion of one solute Molecules of dye Membrane WATER
BIOLOGIAN LAITOS, SEPPO SAARELA, 2010

4 Diffuusio 2 BIOLOGIAN LAITOS, SEPPO SAARELA, 2010

5 Diffuusio 3 EQUILIBRIUM BIOLOGIAN LAITOS, SEPPO SAARELA, 2010

6 Diffuusio 4 Diffusion of two solutes
BIOLOGIAN LAITOS, SEPPO SAARELA, 2010

7 Diffuusio 5 BIOLOGIAN LAITOS, SEPPO SAARELA, 2010

8 Diffuusio 6 EQUILIBRIUM BIOLOGIAN LAITOS, SEPPO SAARELA, 2010

9 Passiiviset kuljettajat
Polaaristen aineiden kuljettajat transporttereita, vähentävät aktivaatioenergiaa Avustettua kuljetusta (facilitated diffusion) BIOLOGIAN LAITOS, SEPPO SAARELA, 2010

10 Avustetut kuljetusmekanismit 1
Facilitated diffusion BIOLOGIAN LAITOS, SEPPO SAARELA, 2010

11 Kalvokuljetus Biologiset kalvot läpäisemättömiä polaarisille aineille  tarvitaan proteiineja kuljettamiseen kalvon läpi Vesi (polaarinen) läpäisee kalvon  suuri pitoisuus (55.5 M) Veden nopeaan vaihtoon tarvitaan integraalisen kalvoproteiinin muodostama vesikanava eli akvaporiini Kaasut läpäisevät kalvot (O2, N2, CO2) BIOLOGIAN LAITOS, SEPPO SAARELA, 2010

12 Akvaporiinit Munuaisen tubulussoluissa, absorboivat vettä takaisin virtsanmuodostuksen aikana Kasvisolujen vakuolin kalvolla säätelevät vakuolin vesimäärää, ylläpitävät solujen mekaanista rakennetta Virtausnopeus akvaporiinin läpi 5x108 molekyyliä/s (vrt. suurin entsyymireaktionopeus 1x 107 substraattimolekyyliä/s BIOLOGIAN LAITOS, SEPPO SAARELA, 2010

13 Glukoosikuljettajat 1 Punasolujen energiametabolia
GluT1 kiihdyttää glukoosin siirtoa punasoluihin x GluT1 integraaliproteiini, 12 hydrofobista aluetta, -kierteitä muod. kanavan K1-arvo glukoosille 1.5 mM K1-arvo galaktoosille 30 mM BIOLOGIAN LAITOS, SEPPO SAARELA, 2010

14 Glukoosikuljettajat 2 Solutyypeittäin Maksassa GluT2
K1-arvo D-glukoosille 66 mM Glukoosin sisäänotto maksasoluihin tehokasta Glukoosin luovutus maksasoluista verenkiertoon glykolyysissä GluT:n avulla BIOLOGIAN LAITOS, SEPPO SAARELA, 2010

15 Glukoosikuljettajat 3 GluT4 lihaksen ja rasvakudoksen glukoosin kuljettaja Insuliini stimuloi GluT4 Aterian jälkeen glukoosin otto lihaksiin ja rasvasoluihin kiihtyy Insuliini saa aikaan vesikkeleihin varastoituneen GluT4 siirtymisen solukalvolle BIOLOGIAN LAITOS, SEPPO SAARELA, 2010

16 Kuljetustapahtuma ryhmät
Uniportti Kuljetetaan yhtä ainetta Symportti Kahden tai useamman aineen samanaikainen kuljetus samaan suuntaan Antiportti Kahden tai useamman aineen kuljettaminen vastakkaisiin suuntiin BIOLOGIAN LAITOS, SEPPO SAARELA, 2010

17 Aktiivinen kuljetus BIOLOGIAN LAITOS, SEPPO SAARELA, 2010

18 Aktiivinen kuljetus Vaatii energiaa
Aine siirretään konsentraatiogradienttia vastaan Kuljettajaproteiinit tarvitsevat ulkopuolisen energialähteen Energia ATP:ltä Kuljettaja-ATPaaseja BIOLOGIAN LAITOS, SEPPO SAARELA, 2010

19 Aktiiviset kuljetusmekanismit
OUTSIDE OF CELL Oligosaccharides INSIDE OF CELL Binding site for ATP BIOLOGIAN LAITOS, SEPPO SAARELA, 2010

20 Na+/K+ ATPaasi ATPaasit pumppaavat ioneja niiden konsentraatiogradienttia vastaan kuluu energiaa out Na+ ATPaasi solukalvo ATP ADP + P in K+ BIOLOGIAN LAITOS, SEPPO SAARELA, 2010

21 Na-K-ATPaasi 1 Initial state: OUTSIDE pump open to inside OF CELL
3 Na+ are taken from inside BIOLOGIAN LAITOS, SEPPO SAARELA, 2010

22 Na+/K+ ATPaasi 2 Esim. mahan limakalvo pumppaa H+
gradientti 1: (106) pH solussa 7, ulkopuolella 1-2 BIOLOGIAN LAITOS, SEPPO SAARELA, 2010

23 Na-K-ATPaasi 3 ATP phosphorylates α subunits INSIDE OF CELL Pump open
to outside, ready to start second half of cycle A conformational change following phosphorylation expels 3 Na+ to outside BIOLOGIAN LAITOS, SEPPO SAARELA, 2010

24 Na-K-ATPaasi 3 5. Dephos- phorylation triggers conformational change
4. Two K+ accepted from outside BIOLOGIAN LAITOS, SEPPO SAARELA, 2010

25 Aktiivinen kuljetusmekanismi
Na/K-pumpun toiminta konsentraatiogradienttia vastaan BIOLOGIAN LAITOS, SEPPO SAARELA, 2010

26 ATPaasityypit 1 Neljä tyyppiä Rakenne Toimintamekanismi Sijainti
erilaisia BIOLOGIAN LAITOS, SEPPO SAARELA, 2010

27 ATPaasityypit 2 P-tyyppi Katioininkuljettajia Fosforyloituvia
Inhiboituvat vanadaatilla tai ouabaiinilla Na+K+-ATPaasi (Na+/K+ antiportteri) Ca2+-ATPaasi Mahalaukun seinämän parietaalisolujen H+ ja K+ antiportteri BIOLOGIAN LAITOS, SEPPO SAARELA, 2010

28 ATPaasityypit 3 V-tyyppi Vakuolityypin ATPaasit Protonipumppuja
Happamoittavat eläinsolujen endosomeja, lysosomeja, Golgin laitetta ja eritysrakkuloita Ei reversiibeliä fosforylaatiota Inhibiittoreita: bafilomysiini A, konkanamysiini A Periferaalinen kalvoproteiini ja 7 alayksikköä sekä inegraalinen kalvoproteiini + 3 alayks. (= protonikanava) BIOLOGIAN LAITOS, SEPPO SAARELA, 2010

29 Protonipumppu 1 EXTRACELLULAR FLUID CYTOPLASM
BIOLOGIAN LAITOS, SEPPO SAARELA, 2010

30 Protonipumppu 2 Diffusion of H+ Sucrose
BIOLOGIAN LAITOS, SEPPO SAARELA, 2010

31 ATPaasityypit 4 F-tyyppi Bakteerien solukalvoilla
Eukaryosyyttien mitokondrioissa Kloroplasteissa Käänteisessä roolissa protonipumppuina Kalvon lävistävä protonikanava eli F0-osa ja F1-osa (sis. ATPsyntaasin) Siirtää lääkeaineita ulos soluista (multidrug transporter) Aktivoiduttuaan lisää syöpäkudoksen vastustuskykyä samanaikaisesti useille lääkeaineille BIOLOGIAN LAITOS, SEPPO SAARELA, 2010

32 Kuljetusmekanismit, yhteenveto
Lipofiiliset aineet, esim. melatoniini Diffusion through lipid bilayer Facilitated diffusion Active transport BIOLOGIAN LAITOS, SEPPO SAARELA, 2010 Passive transport

33 Ionoforit Ioneja kalvon läpi kuljettavia orgaanisia yhdisteitä
Myrkkyjä tai antibiootteja Valinomysiini kuljettaa K+-ioneja gradientin suuntaan Monensiini (Na+/H+-vaihtaja) Gramisidiini muodostaa kalvoon ionikanavan ioneille, toimii myös matalissa Ta:ssa BIOLOGIAN LAITOS, SEPPO SAARELA, 2010

34 Ionikanavat Nernstin kaava: E(mV) = 58 log(Cout/Cin)
solukalvoissa kaliumkanavia ja kloridikanavia Eivät ole kyllästettävissä Virtaus jopa 108 ionia/s Kanava sulkeutuu tai avautuu vasteena solutapahtumaan (10-3s) jos molemmat (Cl- ja K- kanavat kiinni: V = 0 mV jos K-kanava auki ja Cl-kanava kiinni: V = -58 mV jos molemmat kanavat auki: V = 0 mV Nernstin kaava: E(mV) = 58 log(Cout/Cin) BIOLOGIAN LAITOS, SEPPO SAARELA, 2010

35 Depolarisaatio ja ionikanavat
Toiminta hermoim-pulssin aikana ennen depolarisaatiota kanavat kiinni, jännite solun sisällä negat. V=-70 mV Na-kanava aukeaa hieman  Na+ virtaa sisään depolarisaatio Na-kanava sulkeutuu ja K-kanava avautuu  K+ virtaa ulos  depolarisaatio jatkuu  potentiaali lepotasolle –70 mV Na- ja K-kanavat kiinni BIOLOGIAN LAITOS, SEPPO SAARELA, 2010

36 Potassium channel OUTSIDE CELL PLASMA MEMBRANE INSIDE CELL Sodium channel Kanavan sytoplasman puoleisella pinnalla vesionkalo, K:lla säilyy vesivaippa. Vesi korvautuu onkalossa pp-ketjulla. 1. Resting state BIOLOGIAN LAITOS, SEPPO SAARELA, 2010

37 Kanava auki muutaman ms
Activation gate OUTSIDE CELL INSIDE CELL Kanava auki muutaman ms 2. Depolarizing phase Kanavan ympärillä posit. varautuneita polypeptidiketjujen jaksoja, reagoivat kalvopot. muutoksiin BIOLOGIAN LAITOS, SEPPO SAARELA, 2010

38 Sytoplasman puoleinen proteiinidomeeni toimii inaktivaatioporttina
OUTSIDE CELL INSIDE CELL Inactivation gate 3. Repolarizing phase Sytoplasman puoleinen proteiinidomeeni toimii inaktivaatioporttina BIOLOGIAN LAITOS, SEPPO SAARELA, 2010

39 4. Undershoot OUTSIDE CELL INSIDE CELL
BIOLOGIAN LAITOS, SEPPO SAARELA, 2010

40 Aktiopotentiaali 5 Region of depolarization
BIOLOGIAN LAITOS, SEPPO SAARELA, 2010

41 Aktiopotentiaali 6 Inactivated Na+ channels
Movement of action potential BIOLOGIAN LAITOS, SEPPO SAARELA, 2010

42 Ionikanavat 2 monet myrkyt sitoutuvat hermon toiminnan kannalta tärkeisiin proteiineihin, kuten: tetrodotoksiini (eristetty japanilaisesta fugu-kalasta, pallokala Spheroides rubripes)  salpaa Na-kanavan Saksitosiini siimaeläimen (Gonyaulax) tuottama myrkky  estää Na-kanavan toiminnan Dendrotoksiini, mustan mamban myrkky  salpaa K-kanavaan vaikuttava myrkky Bungarotoksiini, cobtoksiini käärmemyrkkyjä BIOLOGIAN LAITOS, SEPPO SAARELA, 2010

43 Ionikanavan toiminnan tutkiminen
yksittäisen ionikanavan toimintaa voidaan tutkia patch clamp –tekniikalla solukalvo imetään mikropipetin sisään Peter Agre ja Roderick MacKinnon (amer.) v kemian Nobel vesikanavien (Agre) ja ionikanavien (MacKinnon) tutkimuksista BIOLOGIAN LAITOS, SEPPO SAARELA, 2010

44 Patch clamp -tekniikka 1
Glass pipette Membrane Ion channel BIOLOGIAN LAITOS, SEPPO SAARELA, 2010

45 Patch clamp -tekniikka 2
BIOLOGIAN LAITOS, SEPPO SAARELA, 2010

46 Patch clamp -tekniikka 3
BIOLOGIAN LAITOS, SEPPO SAARELA, 2010

47 Miten hermosolut kommunikoivat toistensa kanssa?
aktiopotentiaalin kulku aksonia pitkin myelinisoitu hermo sähköinen synapsi Ca-kanava presynaptisella puolella ligandi= molekyyli, joka spesifisesti sitoutuu toiseen molekyyliin neurotransmitteri voi tuottaa ekskitatorisen (Na-kanava + neurotransmitteri) tai inhibitorisen (Cl-kanava + neurotransmtteri) vaikutuksen postsynaptiseen neuroniin BIOLOGIAN LAITOS, SEPPO SAARELA, 2010

48 Miten hermosolut ... yleisin inhibitorinen neurotransmitteri –aminovoihappo (GABA) neurotransmitterin vapautuminen on riippuvainen ainakin neljästä proteiinista BIOLOGIAN LAITOS, SEPPO SAARELA, 2010

49 GABA-erginen neuroni Cl- GABA or glycine GABA or glycine
Action potential Presynaptic cell GABA or gylicine receptor Ca2+ BIOLOGIAN LAITOS, SEPPO SAARELA, 2010

50 of presynaptic neurons Dendrites of postsynaptic neuron
Synaptic terminals of presynaptic neurons Dendrites of postsynaptic neuron Myelin sheath Cell body of postsynaptic neuron Axon hillock Axon of postsynaptic neuron Terminal branches of presynaptic neurons BIOLOGIAN LAITOS, SEPPO SAARELA, 2010

51 Synaptic terminals of presynaptic neurons
Cell body of postsynaptic cell Synaptic terminals of presynaptic neurons BIOLOGIAN LAITOS, SEPPO SAARELA, 2010

52 Sisäeriterauhanen ENDOCRINE GLAND Endocrine cells release
hormones into bloodstream BIOLOGIAN LAITOS, SEPPO SAARELA, 2010

53 Hormoni vapautuu verenkiertoon
Hormone travels through circulation BIOLOGIAN LAITOS, SEPPO SAARELA, 2010

54 Hormonin vaikutus kohdesoluun
Hormones act on target cells BIOLOGIAN LAITOS, SEPPO SAARELA, 2010

55 Avoeritteinen rauhanen
EXOCRINE ORGAN Exocrine organ release products into ducts Erite vapautuu tiehyeseen BIOLOGIAN LAITOS, SEPPO SAARELA, 2010

56 Erite kulkeutuu tiehyttä myöten kohteeseen
Transport o exported products through duct system BIOLOGIAN LAITOS, SEPPO SAARELA, 2010

57 Parakriininen rauhanen
PARACRINE GLAND Paracrine cells release signals to nearby target cells BIOLOGIAN LAITOS, SEPPO SAARELA, 2010

58 Hormonien vaikutuskohteet
Medulla Epinephrine transport via the circulatory system Adrenal gland Kidney Glucose Glycogen stores Dilates bood vessels BIOLOGIAN LAITOS, SEPPO SAARELA, 2010

59 Reseptorit 1 Epinephrine Epinephrine binds to receptor and the
receptor es activated Binding site Epinephrine receptor Activated receptor Cell BIOLOGIAN LAITOS, SEPPO SAARELA, 2010

60 Agonisti Isoproterenol Isoproterenol binds to receptor and
imitates the action of epinephrine Binding site Epinephrine receptor Activated receptor Cell BIOLOGIAN LAITOS, SEPPO SAARELA, 2010

61 Antagonisteja Epinephrine antagonists (alprenolol and propanolol)
Alprenolol and propanolol bind to the epinephrine receptor but not activate the receptor Alpreneolol Propanolol Binding site Epinephrine receptor Cell BIOLOGIAN LAITOS, SEPPO SAARELA, 2010

62 Blokattu reseptori Epinephrine The bound molecules prevent epinephrine
from binding BIOLOGIAN LAITOS, SEPPO SAARELA, 2010

63 Neuraalinen viestintä
NEURAL TRANSMISSION Neurons release neurotransmitters to adjacent neurons BIOLOGIAN LAITOS, SEPPO SAARELA, 2010

64 Kalvoreseptori 1 Signal-molecule binding site alfa-helix in the Plasma
membrane Plasma membrane Tyrosine kinase region of protein Inactive proteins Tyrosine-kinase receptor proteins (inactive monomers) BIOLOGIAN LAITOS, SEPPO SAARELA, 2010

65 Reseptorin aktivoituminen
Signal molecules Activated proteins Cellular response Cellular response Activated tyrosine-kinase receptor (phosphorylated dimer) BIOLOGIAN LAITOS, SEPPO SAARELA, 2010

66 Ionikanava 1 Ions Signal molecule (ligand) Plasma membrane Ion-channel
protein CYTOSOL BIOLOGIAN LAITOS, SEPPO SAARELA, 2010

67 Ionikanava avautuu Change in ion concentration triggers cellular
responses BIOLOGIAN LAITOS, SEPPO SAARELA, 2010

68 Kanava sulkeutuu ja ligandi dissosioituu
Ligand dissociates; channel closes BIOLOGIAN LAITOS, SEPPO SAARELA, 2010

69 G-proteiini Signal molecules ECF Ligand-gated channel Receptor region
Integrin G protein coupled receptor G protein Bridging protein Enzyme region Cytoskeleton BIOLOGIAN LAITOS, SEPPO SAARELA, 2010

70 Toisiolähetti cAMP 1 Extracellular space Hormone Activated adenylate
cyclase Cytosol sAMP phosphodisterase BIOLOGIAN LAITOS, SEPPO SAARELA, 2010

71 Toisiolähetti cAMP 2 Extracellular space Epinephrine Epinephrine
receptor Plasma membrane Activated adenylate cyclase Active glycogen synthase Cytosol Inactive protein kinase Active protein kinase Inactive glycogen synthase BIOLOGIAN LAITOS, SEPPO SAARELA, 2010

72 Kaskadin loppupäässä lopputuotteena on glukoosi
Inactive phosphorylase kinase Active phosphorylase kinase Inactive glycogen phosphorylase Active glycogen phosphorylase Glycogen Glucose phosphate BIOLOGIAN LAITOS, SEPPO SAARELA, 2010 Glucose

73 Radioaktiivisen ligandin kiinnittyminen reseptoriin
A receptor interacts with a ligand + Radioactive ligand Receptor BIOLOGIAN LAITOS, SEPPO SAARELA, 2010

74 Syklinen AMP Cyclic AMP Adenine Sugar Phosphate
BIOLOGIAN LAITOS, SEPPO SAARELA, 2010

75 cAMP vaihe 1 Energia GTP:ltä Hormone Receptor Galfa-GTP
dissociates from Gβγ and binds to adenylate cyclase, activating synthesis of cAMP Adenylate cyclase G protein BIOLOGIAN LAITOS, SEPPO SAARELA, 2010

76 cAMP vaihe 2 GTP binds to Galfa inactive adenylate cyclase G protein
BIOLOGIAN LAITOS, SEPPO SAARELA, 2010

77 cAMP vaihe 3 ATP cAMP Galfa-GTP dissociates from
Gβγ and binds to anenylate cyclase, activating synthesis of cAMP Active adenylate cyclase slow GTPase acivity of Galfa hydolyzes GTP to GDP ATP cAMP BIOLOGIAN LAITOS, SEPPO SAARELA, 2010

78 cAMP vaihe 4 Galfa-GDP dissociates from adenylate cyclase and
returns to Gβγ BIOLOGIAN LAITOS, SEPPO SAARELA, 2010

79 Ca:n sitoutuminen kalmodu-liiniin
Ca2+ - calmodulin kinase Calmodulin Ca2+ -calmodulin Ca2+ Autophosphorylation Activated Fully active Phosphorylation of other proteins BIOLOGIAN LAITOS, SEPPO SAARELA, 2010

80 Muita kuin reseptorivälitteisiä signaaleja
BIOLOGIAN LAITOS, SEPPO SAARELA, 2010

81 Typpioksidi (NO) epätavallinen signaalimolekyyli (signaalimol. yleensä amiineja MW ~100 tai proteiineja MW ~10 000) vain kaksi atomia N (14) + O (16)  MW 30 kaasu kemiaalisilta ominaisuuksiltaan vapaa radikaali BIOLOGIAN LAITOS, SEPPO SAARELA, 2010

82 Vapaat radikaalit A:B kovalenttinen sidos A+ :B- A:- B+ A· ·B
ionit ionit radikaalit C C: C· Carboniumion Vapaa radikaali Carbanion elektrofiilinen -reaktiivinen BIOLOGIAN LAITOS, SEPPO SAARELA, 2010

83 Typpioksidia syntyy solussa
arginiini NO NOS (NO-synteesi) NO tumorit + bakteerit (seinämä) NOS (makrofagit) BIOLOGIAN LAITOS, SEPPO SAARELA, 2010

84 inhibiittori N-methyl-arginiini  NOS  bacteriocide
makrofageissa NO välttämätön, jotta niiden tehtävä ”tappajasoluina” toteutuu BIOLOGIAN LAITOS, SEPPO SAARELA, 2010

85 Typpioksidin muut vaikutukset
1. Verisuonissa vasodilataatio (laajeneminen) NO vapautuu endoteelisoluista diffundoituu ympäröivään sileään lihakseen  relaksaatio ylimäärä voi aiheuttaa septistä shokkia, hoitona NOS-inhibiittoria 2. Neuronit tuottavat NO:ia aivoissa aivojen ulkopuolella BIOLOGIAN LAITOS, SEPPO SAARELA, 2010

86 Typpioksidi ... 3. Ruoansulatuskanava NO välittää relaksaatiota
välttämätön normaalin peristaltiikan toiminnan kannalta 4. Penis pelviksen alueen neuronit tuottavat NO:ia  erektio 5. Aivoissa NO toimii neurotransmitterina kuljettaa viestejä eri suuntiin kuin tavall. transmitterit BIOLOGIAN LAITOS, SEPPO SAARELA, 2010

87 Typpioksidi ... 6. Solukuolemat
välittää aivoissa epätavallisia solukuolemia neurodegenera-tiiviset sairaudet (esim. Huntingtonin tauti) typpioksidin life time n. 5 s NO voimakkaan tutkimuksen kohteena: neurobiologit, fysiologit, kemistit, biokemistit, biologit BIOLOGIAN LAITOS, SEPPO SAARELA, 2010

88 Viagra 1 Viagra Hesarin kuukausiliite lokakuu 1998 (Jorma Palo)
engl. kemistiryhmä kehitti lääkettä rintakipuihin glyseryylinitraatti eli nitroglyseriini (Nitro) koodinimi: UK-92480 kemiallinen yhdiste: sildenafiilisitraatti ei tehonnut, potilaat eivät palauttaneet Vaikutusmekanismi: nitroglyseriini  NO  vasodilataatio BIOLOGIAN LAITOS, SEPPO SAARELA, 2010

89 Viagra 2 UK-92480 laajensi verisuonia mutta ei sepelvaltimoissa vaan
siittimen hermopäätteistä ja endoteelisoluista vapautui NO  GMP  erektio fosfodiesteraasient-syymi hajoittaa GMP Tavoitteena oli että: sildenafiilisitraatti inhiboi fosfodiesteraasia ja GMP tehosi 4000x fosfodiesteraasin tyyppi 5:een kuin tyyppi 3:een BIOLOGIAN LAITOS, SEPPO SAARELA, 2010

90 Viagra 3 tyyppi 5 peniksessä ja tyyppi 3 sepelvaltimoissa
Viagraa valmistetaan Irlannissa Ringaskidde (pieni kalastajakylä) kemistit engl. Kentistä (Nicholas Terret ym.) 1991 BIOLOGIAN LAITOS, SEPPO SAARELA, 2010