Solun rakenne, jatkoa

Transkriptio

1 Solubiologian ja biokemian perusteet (4 op) Solun rakenne, jatkoa Campbell & Reed: Biology, 8th ed., Chapter 6, A Tour of the Cell Riitta Julkunen-Tiitto Biologian laitos Luonnonainetutkimuksen laboratorio Joensuun tiedepuisto, huone Puh rjt@uef.fi

2 Luentorunko Mitä kiinnostavaa on solubiologiassa? Kasvisoluissa? Kaikki organismit koostuvat soluista! Yleinen soluteoria Solujen tutkiminen Prokaryoottiset versus eukaryoottiset solut Solujen koko Kasvi- ja eläinsolun ja erot Solun osat: plasmakalvo, kalvorakenteet, tuma, ribosomit, Golgin laite, lysosomit, vakuoli, mitokondrio, kloroplasti, peroksisomit, sytoplasmasäikeistö, mikrotubulukset, siimat, siliat eli värekarvat, mikrofilamentit, soluseinä, ekstrasellulaarinen matriksi, intrasellulaariset yhteydet

3 Vakuolit

4 Vakuolit Kasvisoluissa, kalvon ympäröimiä = tonoplasti Vastaavat eläinsolujen lysosomien tehtäviä Täysikasvuisessa solussa suuri keskusvakuoli 80-90% solun kokonaistilavuudesta Vakuolin kalvo säätelee ionien ja muiden aineiden pääsyä onteloon valikoivasti Vakuolin ph happamampi kuin sytoplasman Tukee kasvisolua mekaanisesti => sisältö puristaa kasvisolun sytoplasmaa soluseinää vastaan Keskusvakuoli syntyy pienten vakuolien yhtyessä (pienet vakuolit lähtöisin joko Golgin laitteesta tai ER:stä) Vakuolin sisältö, soluneste (cell sap): - vesipitoinen, runsaasti erilaisia varastoaineita (proteiinit) - sokerit, suolat ja orgaaniset hapot => osmoottinen potentiaali

5 Vakuolit Epäorgaaniset ionit ( kalium, kloridi) Myrkylliset alkaloidit (kiniini, kokaiini, kofeiini) Väriaineet - antosyaanit (punaiset-siniset - antavat värin solulle) Flavonoidit, tanniinit ja muut polyfenolit Runsaasti erilaisia entsyymejä (esim. hydrolyyttiset entsyymit, kuten proteaasit, ribonukleaasit, glykosidaasit) Monien solujen jätepaikka (metabolian sivutuotteet, jotka voisivat olla haitallisia sytoplasmassa) Hyönteisten houkuttajat - kasvin suoja bioottisia ja abioottisia tekijöitä vastaan Merkittävä rooli solun kasvussa - solu pitenee, kun vakuoli absorboi vettä

6 Mitokondriot - aerobinen energia-aineenvaihdunta µm pitkiä Mitochondrion Intermembrane space Outer membrane Free ribosomes in the mitochondrial matrix Inner membrane Cristae Matrix Mitochondrial DNA 100 µm

7 Mitokondriot Muuttaa hankittua energiaa sellaiseksi, että solu voi käyttää sitä (vrt. kloroplastit) Soluhengitys (respiraatio), katabolinen prosessi, jossa ATP:tä muodostetaan mm. sokereista ja rasvoista happen läsnäollessa Kaksoiskalvon ympäröimä, jonka muodostavat sytosolin vapaat ribosomit ja mitokondrion omat ribosomit - ulompi sileä, sisempi poimuttunut kristoiksi, sis. kalvoproteiinit Sisäosa = matriksi (viskoosia nestettä + ents. ja aineenvaihd.-tuotteita Sisältää myös pienen määrän DNA:ta ja RNA:ta - mitokondrion tuottamien proteiinien synteesin ohjaus Semiautonominen organelli (kasvaa ja lisääntyy solun sisällä) Tavataan lähes kaikissa eukaryoottisissa soluissa (kasvit, eläimet, sienet, protistat) - alkuperäisin aerobinen bakteeri Yksi suuri - satoja, jopa tuhansia pieniä/solu - lukumäärä määräytyy solun aktiivisuuden mukaan

8 Kloroplastit - valoenergian talteenotto µm, /solu, kork. kasvit Tehtävät: - fotosynteesi, tärkkelyksen muodostus/hajotus - nitriitin pelkistys ammoniakiksi, aminohappojen synteesi - proteiinisynteesi, sulfaatin pelkistys - DNA:n, RNA:n, klorofyllien, rasvojen ym. synteesi/hajotus Chloroplast Chloroplast DNA Ribosomes Stroma Inner and outer membranes Granum Thylakoid 1 µm

9 Kloroplastit eli viherhiukkaset Kaksinkertainen kalvo - ulkokalvo läpäisevä, sisäkalvo tiivis Kalvojen välissä välikalvotila Kalvon sisällä strooma, jossa sisäinen kalvosto, tylakoidikalvosto, jonka sisään jää tylakoidin ontelo Tylakoidit ovat litistyneitä kalvosäkkejä, jotka joillakin alueilla ovat kasautuneet päällekkäin = graana Strooma sisältää kloroplastin DNA:n, ribosomeja ja monia entsyymejä Tylakoidikalvostolla on proteiini-pigmenttikompleksit eli monimutkaiset proteiini-väriaineyhdistymät, jotka suorittavat valoenergian vangitsemisen Kalvolla on lisäksi mm. joukko entsyymejä, jotka osallistuvat fotosynteesitapahtumiin Kloroplastit eivät ole staattisia ja jäykkiä, vaan niiden muoto on plastinen, ne kasvavat ja voivat jakautua kahdeksi

10 Peroksisomit koko µm solusta riippuen metabolinen, yksinkertaisen kalvon omaava rakenne sisältävät erikoisia entsyymejä, joiden synteesi solulimassa siirtävät vetyä eri aineista hapelle => H 2 O 2 sivutuotteena H 2 O 2 on toksinen solulle => entsymaattisesti muutetaan vedeksi rasvahappojen hajotus, alkoholien detoksifikaatio maksassa tuottavat lipidejä osallistuvat kolesterolin valmistukseen

11 Mitokondriot Kloroplastit Peroksisomit Eivät ole endomembraanisysteemiin kuuluvia

12 Solun tukiranka (cytoskeleton) kuituverkko, joka ulottuu läpi sytoplasman Mikrotubulukset Mikrofilamentit Välikokoiset säikeet

13 Solun tukiranka (cytoskeleton) Solun rakenteellinen tuki (mekaaninen, muodon ylläpito, tärkeää etenkin eläinsoluille) Rakenteen lujuus perustuu rakenteeseen eli eri elementtien vastakkaisiin voimiin Ankkuroi solun organellit ja jopa sytosolin entsyymimolekyylit Joustava, voi muuttaa asemaansa => nopea solun muodon Microtubule muutos 0.25 µm Microfilaments

14 Solun tukiranka (cytoskeleton) Toimii solun liikkeissä: liikeproteiinit (motor molecules) Lihassolun supistuminen, ripsien ja flagellojen liikkeet, sytopl. virtaus Liikemolekyylien (proteiinit) liukuminen Toimii solun säätelyssä: solun ulkopuolisten signaalien kuljetus solun sisään ja asianomaiseen kohteeseen Liikemolekyyli-avusteinen organellin kuljetus mikrotubulusta pitkin Liikemolekyylit työskentelevät muuttaen muotoaan, liikkuen eteen ja taakse ATP antaa voiman näille konformaatio- muutoksille

15 Välikokoinen säie monisoluisten eläinten soluissa, solurakenteen tuki, kestävyys

16 Mikrotubulukset 10 µm Length : 250 nm- 25 µm Lisäävät puristuskestävyyttä Column of tubulin dimers 25 nm α β Tubulin dimer

17 ATP Vesicle Receptor for motor protein Motor protein (ATP powered) Microtubule of cytoskeleton (a) Motor proteins that attach to receptors on organelles can walk the organelles along microtubules or, in some cases, microfilaments. Microtubule Vesicles 0.25 µm Figure 6.21 A, B (b) Vesicles containing neurotransmitters migrate to the tips of nerve cell axons via the mechanism in (a). In this SEM of a squid giant axon, two vesicles can be seen moving along a microtubule. (A separate part of the experiment provided the evidence that they were in fact moving.) SEM, kaksi vesikkeliä (sisältävät neurotransmittereitä) liikkuvat mikrotubulusta pitkin

18 Sentrosomit ja sentriolit sentrosomi tuman läheisyydessä mikrotubulusten syntypaikka eläinsolussa eläinsolun sentrosomissa kaksi sentriolia, joissa kussakin 9 tripletti mikrotubulusta asettautuneena ympyrän kehälle, nontubulin-proteiini (sininen) yhdistää tripletit sentriolin kahdentuvat ennen solun jakautumista hiiva- ja kasvisoluissa mikrotubuluksia organisoiva keskus, MTOC

19 Ripset ja värekarvat (ciliat ja flagellat) mikrotupulukset erikoistavalla järjestäytyneet avustavat solujen liikkeissä (a) Motion of flagella. A flagellum usually undulates, its snakelike motion driving a cell in the same direction as the axis of the flagellum. Propulsion of a human sperm cell is an example of flagellatelocomotion (LM). Direction of swimming 1 µm (b) Motion of cilia. Cilia have a backand-forth motion that moves the cell in a direction perpendicular to the axis of the cilium. A dense nap of cilia, beating at a rate of about 40 to 60 strokes a second, covers this Colpidium, a freshwater protozoan (SEM). Figure 6.23 B

20 Ripset ja värekarvat (ciliat ja flagellat) 0.1 µm Outer microtubule doublet Dynein arms Plasma membrane Microtubules Plasma membrane Central microtubule Outer doublets cross-linking proteins inside Radial spoke Basal body (b) (a) 0.5 µm 0.1 µm Triplet (c) Figure 6.24 A-C Cross section of basal body ydin koostuu mikrotubuluksista, plasmakalvo uloinna 9 paria reunoilla ja 1 pari keskellä = 9 +2 yhdistävät proteiinit mikrotubulusten välillä kehällä olevien mikrotubulusten välillä liikemolekyylit = dyneinproteiini (suurimolekyylinen) => vastuussa karvan taipumisliikkeestä

21 Etenevä liike Dyneiini-proteiini vuorotellen irrottaa ja tarttuu vierekkäisestä mikrotubulus parista liu uttaen sitä ylöspäin (mikäli ristisitovaa proteiinia ei ole) tähän liikkeeseen tarvitaan ATP:tä ATP

22 Taipuva liike ATP ripsissä ja värekarvoissa vierekkäiset mikrotubulusparit eivät voi liukua kauas toisistaan, sillä niitä pitää kiinni ristisidosproteiinit. Aaltomainen liike Dyneiinien liike alkaa ripsen tai värekarvan pohjalta ja menee kärkeen toistuvasti

23 10 µm Lisäävät jännityskestävyyttä Actin subunit 7 nm

24 Mikrofilamentit eli aktiinifilamentit Lihassolun supistumisessa Myosiini käsivarsi toimii liikemolekyylinä => lihas supistuu, kun aktiini/myosiinofilamentit lähestyvät toisiaan => solu lyhenee Actin filament Muscle cell Myosin filament Myosin arm (a) Myosin motors in muscle cell contraction

25 Mikrofilamentit eli aktiinifilamentit toimivat lihassolun supistuessa, ameebaliikkeissä ja kasvisolun sytoplasmavirtauksissa Myosiini (arms, käsivarsi) toimii liikemolekyylinä =>Lihas supistuu, kun aktiini/myosiinofilamentit lähestyvät toisiaan => solu lyhenee Aktiini ja myosiini- interaktio (supistuminen) ameeba-solun päässä työntää nesteen kohti pseudopodiota (samoin liikkuvat veren valkosolut) Myosiini-moottorit liittyneenä organelleihin nestemäisessä sytosolissa voivat ohjata virtausta aktiini-vuorovaikutuksin

26 Mikrofilamenttien rakennerooli Absorboivan solun pinta-ala lisääntyy voimakkaasti mikrovilluksien ansiosta! Microvillus Plasma membrane Microfilaments (actin filaments) Välikokoiset säikeet Intermediate filaments Figure µm

27 Välikokoiset säikeet 5 µm Lisäävät jännityskestävyyttä pysyvämpiä solun rakenteita kuin mikrofilamentit ja mikrotubulukset pitävät solun rakennetta yllä ja soluelimiä paikoillaan: tuma (tumalamina), hermosolujen vahvisteena Keratin proteins Fibrous subunit (keratins coiled together) 8 12 nm

28 Kasvisolujen soluseinä ja solujen väliset yhteydet suojaa solua, ylläpitää solun muodon, tukee koko kasvia, estää liiallisen veden oton useita mikrometrejä paksu polysakkaridi-mikrofibrillit muiden polysakkaridien ja proteiinien matriksessa keskilamelli koostuu pektiini-polysakkaridista ja liimaa solut yhteen matuurin soluseinän vahvistaminen: erilaiset yhdisteet / sekundaarinen soluseinä, polysakkarideista, useita kerroksia solujen välissä yhteydet - plasmodesmit (vapaasti liikuvat: vesi, pienet molekyylit, tietyt proteiinit, RNA)

29 Kasvisolujen soluseinä selluloosa on glukoosimolekyyleistä muodostunut (4000/ selluloosamolekyyli), lineaarinen, hyvin stabiili, äärimmäisen liukenematon mikrofibrilli koostuu kymmenistä selluloosamolekyyleistä mikrokapillaaritilat täytetty matriksilla, väliaineella, joka koostuu mm.: hemiselluloosasta, pektiinistä, ligniinistä, proteiineista, vesi, lisäaineet

30 Fig. 5-8 Cell walls Cellulose microfibrils in a plant cell wall Microfibril Selluloosa kasvin soluseinässä 10 µm 0.5 µm Cellulose molecules vetysidos glykosidisidos β Glucose monomer

31 Ekstrasellulaarinen (ECM) matriksi eläinsoluilla proteoglykaani (sis. jopa 95 % hiilihydraatteja) on muodostunut ydinproteiiniin kiinnittyneistä haaroittuneista polysakkaridi-ketjuista kollageenisäikeet (lujat) työntyneet proteoglykaani-kompleksien väleihin fibronektiini liittää ektrasellulaarisen matriksin solun plasmakalvoon integriinin avulla kolme eri glykoproteiinia: proteoglykaani, kollageeni (eniten) ja fibronektiini ECM tukee, sitoo, liikuttaa ja säätelee solua kommunikaatio solun ulko- ja sisäpuolisen tilan välillä integriinin välityksellä vaikuttaa tuman geeniaktiivisuuteen (mekaanisin ja kemiallisin signaalein): fibronektiini integriini mikrofilamentit Collagen EXTRACELLULAR FLUID A proteoglycan complex Polysaccharide molecule Carbohydrates Fibronectin Core protein Plasma membrane Integrins Proteoglycan molecule Integrin Figure 6.29 Micro- CYTOPLASM filaments

32 Solujen väliset yhteydet yhdistävät solun korkeampaan rakennetasoon ja toimintaan (solukko>kudos>elin>elinsysteemi) Plasmodesmit kasvisoluissa kanavia vierekkäisten solujen välillä Niiden läpi liikkuvat vapaasti vesi, pienet molekyylit, jopa proteiinit ja RNA Cell walls Interior of cell Interior of cell 0.5 µm Plasmodesmata Plasma membranes

33 Eläinsolujen väliset yhteydet 1) Tiiviit liitokset 2) Desmosomit 3) Aukkoliitokset TIGHT JUNCTIONS Tight junctions prevent fluid from moving across a layer of cells Tight junction 0.5 µm At tight junctions, the membranes of neighboring cells are very tightly pressed against each other, bound together by specific proteins (purple). Forming continuous seals around the cells, tight junctions prevent leakage of extracellular fluid across A layer of epithelial cells. DESMOSOMES Tight junctions Intermediate filaments Desmosome Desmosomes (also called anchoring junctions) function like rivets, fastening cells Together into strong sheets. Intermediate Filaments made of sturdy keratin proteins Anchor desmosomes in the cytoplasm. Gap junctions 1 µm GAP JUNCTIONS Figure 6.31 Space between cells Plasma membranes of adjacent cells Extracellular matrix Gap junction 0.1 µm Gap junctions (also called communicating junctions) provide cytoplasmic channels from one cell to an adjacent cell. Gap junctions consist of special membrane proteins that surround a pore through which ions, sugars, amino acids, and other small molecules may pass. Gap junctions are necessary for communication between cells in many types of tissues, including heart muscle and animal embryos.

34 Tiiviit liitokset (tight junction) estää nesteiden virtauksen epiteelisolujen välistä, esim. ruuansulatuskanavan ja rauhassolut okludiini- ja klaudiini-proteiineja, molemmat solukalvon 4:sti läpäiseviä pitää yllä solun polaarisuutta epiteelisolussa Tight junctions prevent fluid from moving across a layer of cells Intermediate filaments Tight junction Desmosome Gap junctions Tiivis liitos Space between cells Plasma membranes of adjacent cells Extracellular matrix

35 Desmosomit Tight junctions prevent fluid from moving across a layer of cells ankkuriliitos, kiinnittää solut toisiinsa sisältävät kadheriini-proteiineja keratiineja sisältävät välikokofilamenttisäikeet liittävät ne sytoplasmaan Intermediate filaments Tight junction Desmosome Gap junctions Space between cells Plasma membranes of adjacent cells Extracellular matrix

36 Aukkoliitokset (gap junction) hydrofiilinen kanava,vierekkäisten solujen välillä (vrt. plasmodesmit kasveilla) Tight junctions prevent fluid from moving across a layer of cells kuljettaa pieniä molekyylejä: ioneja, sokereita, aminohappoja kanava muodostunut useista konneksiini-, membraaniproteiinien ympäröimistä aukoista Intermediate filaments Tight junction Desmosome Gap junctions aukkoliitos Space between cells Plasma membranes of adjacent cells Extracellular matrix