Solujen viestintä BIOLOGIAN LAITOS, SEPPO SAARELA, 2010

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

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

Diffuusio 2 BIOLOGIAN LAITOS, SEPPO SAARELA, 2010

Diffuusio 3 EQUILIBRIUM BIOLOGIAN LAITOS, SEPPO SAARELA, 2010

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

Diffuusio 5 BIOLOGIAN LAITOS, SEPPO SAARELA, 2010

Diffuusio 6 EQUILIBRIUM BIOLOGIAN LAITOS, SEPPO SAARELA, 2010

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

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

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

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

Glukoosikuljettajat 1 Punasolujen energiametabolia GluT1 kiihdyttää glukoosin siirtoa punasoluihin 50 000 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

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

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

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

Aktiivinen kuljetus BIOLOGIAN LAITOS, SEPPO SAARELA, 2010

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

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

Na+/K+ ATPaasi ATPaasit pumppaavat ioneja niiden konsentraatiogradienttia vastaan kuluu energiaa out 3 Na+ ATPaasi solukalvo ATP ADP + P in 2 K+ BIOLOGIAN LAITOS, SEPPO SAARELA, 2010

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

Na+/K+ ATPaasi 2 Esim. mahan limakalvo pumppaa H+ gradientti 1: 1 000 000 (106) pH solussa 7, ulkopuolella 1-2 BIOLOGIAN LAITOS, SEPPO SAARELA, 2010

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

Ionikanavan toiminnan tutkiminen yksittäisen ionikanavan toimintaa voidaan tutkia patch clamp –tekniikalla solukalvo imetään mikropipetin sisään Peter Agre ja Roderick MacKinnon (amer.) v. 2003 kemian Nobel vesikanavien (Agre) ja ionikanavien (MacKinnon) tutkimuksista BIOLOGIAN LAITOS, SEPPO SAARELA, 2010

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

Muita kuin reseptorivälitteisiä signaaleja BIOLOGIAN LAITOS, SEPPO SAARELA, 2010

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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