Seppo Saarela (eläintieteen osuus)

Esitys aiheesta: "Seppo Saarela (eläintieteen osuus)"— Esityksen transkriptio:

1 Seppo Saarela (eläintieteen osuus) http://cc.oulu.fi/~ssaarela/sb.htm
Solubiologia (5 op) Seppo Saarela (eläintieteen osuus)

2 Tentit ja muut suoritukset
Kotitentti: solun kemia, solubiologiset tutkimusmenetelmät, solubiologian historia (esseevastausten palautus vko 41 perjantai klo 16 mennessä) Tentit (eläintieteen osuus): 1 vk. torstai klo salissa L4, uusinta perjantai klo salissa YB210

3 Mistä löytyy tietoa? Oppikirja: Molecular Biology of the Cell: Alberts, Bray, Johnson, Lewis, Raff, Roberts & Waalter. Garland Molecular Cell Biology (6. painos) 2008 Lodish, Berk, Zipursky, Matsudaira, Baltimore & Darnell. Freeman Solubiologia (2. painos) 2004, Jyrki Heino & Matti Vuento. WSOY

4 Mistä löytyy … Tieteelliset lehdet: Cell, Nature, Science
http//:cc.oulu.fi/~ssaarela/

5 Kemian perustiedot oletetaan Kemialliset reaktiot
Lähtötaso-oletus Kemian perustiedot oletetaan hankituiksi jo aiemmin Kemialliset reaktiot Solubiologian kannalta tärkeät yhdisteet

6 Plasma membrane Peroxisome Mitochondrion Nucleus Nucleolus Rough ER Smooth ER Golgi apparatus Nuclear pore Lysosome Cytoskeletal fibers

7 Kantasolukeksintö mahdollistaa henkilökohtaiset soluvaraosat
Kari Alitalo & Timo Otonkoski Helsingin Sanomat

8 Sisältö 1 Solubiologian opiskelusta
Käytännön ohjeita solubiologian opiskeluun Solubiologian historia Solubiologian kannalta tärkeitä tiedemiehiä ja keksintöjä. Nämä asiat kuuluvat "hauska tietää" -kategoriaan.

9 Sisältö 2 Solubiologiset tutkimusmenetelmät Solun kemia
Solun rakenteen ja toiminnan kannalta tärkeät pienmolekyylit, makromolekyylit, epäorgaaniset ja orgaaniset yhdisteet. KOTITENTTI TÄHÄN SAAKKA!

10 Sisältö 3 Solun rakenne ja toiminta SOLUKALVO
Solukalvon kemiallinen koostumus ja hienorakenne Aineiden kulkeutuminen solukalvon läpi Solukalvojen erilaistumat ja solujen kiinnittyminen toisiinsa

11 Sisältö 4 Endosytoosi Eksosytoosi
Sytosoli ja solunsisäinen kalvosto Tärkeimpiä käsiteltäviä organelleja eläintieteen osuudessa ovat: Endoplasmakalvosto Golgin laite

12 Sisältö 5 Lysosomit Peroksisomit
Glyoksisomien rakenne ja toiminta opiskellaan kasvitieteen osuudessa. Kalvostojen liike

13 Sisältö 6 Ribosomit ja valkuaisainesynteesi
Energian virtaus ja energia-aineenvaihdunta soluissa Mitokondriot Energia-aineenvaihdunta

14 Sisältö 7 Anaerobinen ja aerobinen soluhengitys
Fototrooppinen energia-aineenvaihdunta käsitellään kasvitieteen osuudessa Solun tukiranka Tuma Ainoastaan tuman rakenne käsitellään tässä yhteydessä. Tuman merkitys solun toiminnan kannalta ja perinnöllisen informaation siirrossa käsitellään perinnöllisyystieteen osuudessa.

15 Sisältö 8 Erilaistuneita soluja 1. Lihassolu 2. Hermosolu
Signaalien välitysmekanismit 1. Sähköinen signaalinvälitys 2. Hormonit ja reseptorit Solujen erilaistuminen ja solukuolema

16 Mikä virhe pakinassa? Miksi Jeppe juo?
Kuopiolaiset ovat löytäneet viinageenin! Ihmiset, joilta puuttuu geeneistään ihastuttava valkuaisaine nimeltään neuropeptidi Y, sortuvat jupotteluun. Sanomalehti Kaleva kesä 2000

17 Solujen vanheneminen Scientific American 1997
Terveessä mitokondriossa happi sitoutuu oksidatiiviseen fosforylaatioon Vanhenemisen myötä ATP:tä syntyy vähemmän ja vapaiden radikaalien osuus lisääntyy. Scientific American 1997

18 Mitä kuva mahtaa esittää?
Mihin solurakenteisiin vapaat radikaalit “iskevät”? Scientific American 1997

19 Kysymyksiä Mistä solut tulevat? Miten organismit muodostavat sidoksia?
Miten tulehtunut kudos nopeasti täyttyy valkosoluilla? Solujen alkuperän ymmärtäminen on tärkeää biologiassa ja lääketieteessä!

20 Mistä solut tulevat? Rudolf Virchow - lääkäri ja antropologi
osoitti 1850-luvulla, että solut muodostu-vat aina toisista soluista

21 Solut eivät peräisin nonsellulaarisesta materiaalista!
Syöpäkudoksen nopea kasvu johtuu orga-nismin omien solujen kontrolloimattomas-ta jakautumisesta. Valkosolujen nopea kasautuminen tulehtuneeseen kudokseen on peräisin verenkierrosta.

22 Elävät organismit Saavat energiaa ympäristöstä
Suorittavat kemiallisia reaktioita Muuttuvat ajan mukana Reagoivat ympäristöön Lisääntyvät

23 Voidaanko solu määritellä?
Solu on kaikkien organismien pienin toiminnallinen yksikkö. Molekulaarisella tasolla kaikki solut muistuttavat toisiaan. Moderni solubiologia pyrkii selittämään ja etsimään ominaisuuksia soluorganellien ja pienempien solurakenteiden tasolla.

24 Solubiologian juuret

25 Historia 1 Soluoppi eli sytologia (kreik. kytos = kotelo)
Robert Hooke (1665): cellula (= solu, suom. Lönnrot) 1674 van Leeuwenhoek - kuvasi useita solutyyppejä

26 Historia 2 1800-luku Schleiden ja Schwann (1838): “Kaikki eläimet ja kasvit rakentuvat soluista” Hertwig: Uusi yksilö syntyy kahden solun yhteensulautumisesta Mendel (1865)

27 Historia 3 1900-luku Sumner (1926): Entsyymit ovat valku-aisaineita
Beadle ja Tatum (1940): Mutaatiokäsite Averly (1944): DNA sisältää geneettisen informaation Watson ja Crick (1953): DNA:n rakenne kaksoishelix

28 Historia 4 1950-luku elektronimikroskopia kehittyi (tosin keksittiin jo 1931)  soluorganellit (Palade, Claude, de Duve 1974) 1980-luku yhdistelmä-DNA, DNA:n emäsjärjestys (Berg, Gilbert, Sauger)

29 Historia 5 Konfokaali- ja scanning-elektronimikroskooppi yleiseen käyttöön 1990-luku videotekniikka mikroskopoinnissa (Allen ja Inoue) transgeenisten eläinten tuottaminen Immunoblottaus, Northern, Western PCR, q-PCR (RT-PCR) 2000-luku geenisiru Genomiikka Transkriptomiikka Proteomiikka Fysiomiikka

30 Solubiologisia tutkimusmenetelmiä

31

32 Skaalaus 10m 1m Mikroaallot (radio- 0.1 m aallot) 1 cm 1 mm
Ihmisen pituus 1m Eräiden hermo ja lihassolujen pituus Mikroaallot (radio- aallot) 0.1 m Kananmuna 1 cm Sammakon muna 1 mm Infrapuna (IR) 100 μm Kasvi- ja eläinsolut Näkyvä valo 10 μm Tuma, bakteerit, mitokondrio 1 μm UV-valo 100 nm Mykoplasma, virukset 10 nm Röntgensäteet Ribosomit, pallomaiset proteiinit, lipidit 1 nm Pienet molekyylit -säteet

33 Mikroskoopit Suurennus ja erotuskyky valomikroskooppi max 1000 x
elektronimikroskooppi jopa x tärkeämpi on resoluutio eli erotuskyky

34 Valomikroskoopin periaate
Hooke, van Leeuwenhoek 1600-luku objektiivi yl x okulaari 4-16 x kondensori kohdistaa valon, useita osalinssejä suurennus = obj x okul.

35 Valomikroskooppi

36 Resoluutio eli erotuskyky
Resoluutio paranee, kun aallonpituus lyhenee tai objektiivin numeerinen apertuuri kasvaa

37 Resoluutio 2 Objektiivin numeerinen apertuuri kasvaa, kun objektiivin avautumiskulma kasvaa Objektiiveja, joiden NA jopa 0.95

38 Resoluutio 3 Immersioöljyä (taitekerroin sama kuin objektiivilla) käyttämällä objektiivin ja kohteen välissä taitekerroin paranee. NA voi olla jopa 1.4 Näin mikroskoopin erotuskyvyn max  1/3 käytetyn valon aallonpituudesta r  0.2 m  mitokondriot voi erottaa pistemäisinä

39 Resoluutio 4 Elektronivuon aallonpituus  10 pm  erinomainen erotuskyky

40 Fluoresenssimikroskooppi
Valonsäde valolähteestä kulkee ekskitaatiosuotimen kautta (musta viiva) Näytteen valaiseminen tämän valonsäteen avulla saa aikaan molekyylien fluoresenssin (elektronien virittyminen), emittoituu ja lähettää valoa pitemmällä aallonpituudella (sininen)

41 Fluoresenssimikroskooppi
Näytteeseen kohdistetaan UV-valoa ( nm) objektiivin jälkeen UV leikataan pois suotimella  fluorisoiva aine näkyy vihreänä (fluorisoivat värit)

42 Fluoresenssimikroskopia 1
Fluoresenssimikro-graafi osoittaa pitkien aktiinisyiden jakautumisen fibroblastisoluviljel-mässä Ihmisen ihon fibroblasteja käsiteltiin ensin detergentillä ja sitten värjättiin antiaktiini antibodylla

43 Fluoresenssimikroskopia 2
Hiiren lisäkives: suurennus 1.25x40 (Ahti Pyörnilä)

44 Fluoresenssimikroskopia 3
Metsäsopuli (Myopus schisticolor), ruskea rasvakudos (BAT), suurennus 10x100x1.25 (Ahti Pyörnilä ja Seppo Saarela)

45 Fluoresenssimikroskopia 4
Osoittaa sympaattisten hermopäätteiden (noradren-ergisten) esiintymisen Helmipöllön sydän: Noradrenaliinin fluoresenssi, 10x40x1.25 (Ahti Pyörnilä)

46 Fluoresenssimikroskopia 5
Heat shock proteiinin ekspressoituminen C. elegans mutantissa. Fluoresenssiajastin Proteiini, joka vaihtaa väriä ajan funktiona Terskikh et al. (2000) Science 24 Nov

47 Pimeäkenttämikroskooppi
Vain kohteen rajapinnoista siroava valo päästetään ohjektiiviin Tumma tausta  voidaan erottaa pienempiä kohteita

48 Faasikontrastimikroskooppi
Vaihevastakohta-mikroskooppi Näytteen läpi kulkeneeseen valoon aiheutetaan 1/4- aallon vaihe-ero  yhdistetään sironneeseen valoon  vaihe-erot muuttuvat amplitudieroiksi kontrasti kuvan osien välille

49 Faasikontrastimikroskooppi
Optiikka Suora valo mustalla Näytteestä lähtenyt hajavalo punaisella

50 Interferenssimikroskooppi
Kaksi sädettä: näytteeseen ja näytteestä ohi Säteiden yhdistäminen  vaihe-ero  amplitudiero Muistuttaa faasikontrastia, mutta antaa 3D-vaikutelman

51 Mikrograafeja Fibroblasti kudosviljelmässä:
Valomikroskopia ilman värjäystä Faasikontrastimikroskopia Interferenssikontrasti-mikroskopia Pimeäkenttämikroskopia

52 KONFOKAALIMIKROSKOPIA
Konfokaalimikroskoopilla saadaan laservalo keskitetyksi hyvin tarkkaan yhdelle optiselle tasolle, jolloin sen pyyhkäisy antaa kuvan kyseisestä solutasosta. Ottamalla kuvia peräkkäisistä leiketasoista voidaan tiettyjen matemaattisten algoritmien avulla suodattaa kuvista pois kuvia vääristävä informaatio. Näin optimoitujen tasokuvien avulla voidaan seuraavaksi tehdä kohteesta kolmi-ulotteinen mallinnos, jota voidaan vapaasti pyörittää kaikissa suunnissa.

53 Biologian laitoksen konfokaalimikroskooppi
Zeiss LSM5 Pascal Katja Anttila, 2004 Photo: Joose Kankare

54 Vesikanava Rotan jalkapohjan poikkijuovainen lihassolu
Mika Kaakinen, 2004

55 Vesikanava kaksoisvärjäyksellä
näkyy vihreänä Z-levyn prot. näkyy punaisena Mika Kaakinen, 2004

56 Elektronimikroskooppi
Valolähteenä elektronisuihku (katodisädeputki), jännite kV  vaikuttaa aallonpituuteen ja erotuskykyyn Linsseinä magneetit Kuva syntyy fluorisoivalle kalvolle (vrt. TV) TEM eli transmissio-EM, läpivalaisuelektronimikroskooppi - leikkeet - elektronien absorptio

57 Pyyhkäisy-EM (SEM) Scanning-EM Soveltuu pintojen kuvaamiseen
Ei linssejä Kuva muodostuu piste pisteeltä suihkun pyyhkiesssä (“scanning”) näytteen pintaa Syntyy sekundaarielektroneja

58 Scanning electron microscope
Pyyhkäisyeletronimikros-kooppi Kuva syntyy sekundaari-elektronien avulla, jotka emittoituvat näytteeseen Vahvistetaan tuikekiteen ja vahvistimen avulla  monitorille Näytteen pinta päällys-tetään esim. kullalla

59 Valo- ja elektronimikroskoopin optiset järjestelmät
Valomikroskooppi käyttää näkyvää valoa ja linssejä kuvanmuodostukseen Kuva silmän verkkokal-volle, filmille tai video-kuvaksi sähköiseen muotoon EM käyttää elektroni-suihkua, joka emittoituu fluorisoivalle kalvolle tai filmille

60 Elektronimikroskoopit (TEM, SEM)
Vasemmalla TEM:n periaate ja oikealla SEM:n periaate TEM:n periaate muistuttaa valomikroskooppia SEM:ssä näytettä pommitetaan elektroneilla ja sen jälkeen mitataan niiden sirontaa näytteen pinnasta

61 SEM-kuva Kesykyyhkyn väive Näytettä on rutisteltu pinseteillä!
Photo: Riitta Harjula

62 SEM-kuva Potnapekan pää Riitta Harjula

63 SEM-kuva Ampiaisen jalan karvoja

64 SEM-kuva Kirva

65 Paramecium eri mikroskoopeilla kuvattuna
Valomikroskoopissa SEM

66 Paramecium Elektronimikroskoop-pikuva (TEM)

67 Analyyttinen-EM Alkuaineiden pitoisuudet näytteistä

68 High Performance Liquid Chromatography
Photo: Joose Kankare

69 Tehokkaat sekvensointilaitteet
Mahdollista saada jopa yhdessä 9 tuntia kestävässä ajossa tietomäärä, jonka kokoaminen aiemmilla järjestelmillä vei vuosia (vrt. esim. ihmisen genomiprojekti) Soveltuu laajojen näyteaineistojen käsittelyyn Auttaa esim. sellaisten diagnostisten markkeriyhdistelmien valinnassa, jotka kuvaavat hyvin varhaisia vaiheita sairauksien kehittymisessä - metabolinen oireyhtymä - sydän- ja verenkiertoelimistön sairauksien alkuvaiheet

70 Tehokkaat sekvensointilaitteet …
Erikoistarpeita OY:ssa erilaiset näytemateriaalit, kasvi, eläin, mikrobi, humaani, solulinja, DNA, RNA, koko genomi, valitut geenialueet Roche