Solujen viestintä. Diffuusio 1. Diffuusio 2. Kuljetusmekanismit solukalvon läpi

Transkriptio

1 Kuljetusmekanismit solukalvon läpi Solujen viestintä Chapter 11 Passiivinen kuljetus Pitoisuusgradientin suuntaan ilman energiaa Kuljetettavalla aineella sähkövaraus, sähkökemiallinen potentiaali Sähkökemiallinen potentiaali Potentiaalienergian minimointi Molecules of dye Diffuusio 1 Membrane Diffuusio 2 Diffusion of one solute WATER

2 Diffuusio 3 Diffuusio 4 Diffusion of two solutes EQUILIBRIUM Diffuusio 5 Diffuusio 6 EQUILIBRIUM

3 Passiiviset kuljettajat Avustetut kuljetusmekanismit 1 Polaaristen aineiden kuljettajat transporttereita, vähentävät aktivaatioenergiaa Avustettua kuljetusta (facilitated diffusion) Facilitated diffusion Kalvokuljetus Akvaporiinit 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 (O 2, N 2, CO 2 ) Munuaisen tubulussoluissa, absorboivat vettä takaisin virtsanmuodostuksen aikana Kasvisolujen vakuolin kalvolla säätelevät vakuolin vesimäärää, ylläpitävät solujen mekaanista rakennetta Virtausnopeus akvaporiinin läpi 5x10 8 molekyyliä/s (vrt. suurin entsyymireaktionopeus 1x 10 7 substraattimolekyyliä/s

4 Glukoosikuljettajat 1 Glukoosikuljettajat 2 Punasolujen energiametabolia GluT1 kiihdyttää glukoosin siirtoa punasoluihin x GluT1 integraaliproteiini, 12 hydrofobista aluetta, -kierteitä muod. kanavan K 1 -arvo glukoosille 1.5 mm K 1 -arvo galaktoosille 30 mm Solutyypeittäin Maksassa GluT2 K 1 -arvo D-glukoosille 66 mm Glukoosin sisäänotto maksasoluihin tehokasta Glukoosin luovutus maksasoluista verenkiertoon glykolyysissä GluT:n avulla Glukoosikuljettajat 3 Kuljetustapahtuma ryhmät 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 Uniportti Kuljetetaan yhtä ainetta Symportti Kahden tai useamman aineen samanaikainen kuljetus samaan suuntaan Antiportti Kahden tai useamman aineen kuljettaminen vastakkaisiin suuntiin

5 Aktiivinen kuljetus Aktiivinen kuljetus Vaatii energiaa Aine siirretään konsentraatiogradienttia vastaan Kuljettajaproteiinit tarvitsevat ulkopuolisen energialähteen Energia ATP:ltä Kuljettaja-ATPaaseja OUTSIDE OF CELL Aktiiviset kuljetusmekanismit Oligosaccharides Na + /K + ATPaasi ATPaasit pumppaavat ioneja niiden konsentraatiogradienttia vastaan kuluu energiaa out 3 Na + ATPaasi solukalvo INSIDE OF CELL Binding site for ATP ATP ADP + P in 2 K +

6 Na-K-ATPaasi 1 Initial state: pump open to inside 3 Na + are taken from inside OUTSIDE OF CELL Na + /K + ATPaasi 2 Esim. mahan limakalvo pumppaa H + gradientti 1: (10 6 ) ph solussa 7, ulkopuolella 1-2 Na-K-ATPaasi 3 INSIDE OF CELL ATP phosphorylates α subunits Na-K-ATPaasi 3 5. Dephosphorylation triggers conformational change Pump open to outside, ready to start second half of cycle A conformational change following phosphorylation expels 3 Na + to outside 4. Two K + accepted from outside

7 Aktiivinen kuljetusmekanismi ATPaasityypit 1 Neljä tyyppiä Rakenne Toimintamekanismi Sijainti erilaisia Na/K-pumpun toiminta konsentraatiogradienttia vastaan ATPaasityypit 2 ATPaasityypit 3 P-tyyppi Katioininkuljettajia Fosforyloituvia Inhiboituvat vanadaatilla tai ouabaiinilla Na + K + -ATPaasi (Na+/K+ antiportteri) Ca 2+ -ATPaasi Mahalaukun seinämän parietaalisolujen H + ja K + antiportteri 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)

8 Protonipumppu 1 Protonipumppu 2 EXTRACELLULAR FLUID CYTOPLASM Diffusion of H + Sucrose ATPaasityypit 4 Kuljetusmekanismit, yhteenveto F-tyyppi Bakteerien solukalvoilla Eukaryosyyttien mitokondrioissa Kloroplasteissa Käänteisessä roolissa protonipumppuina Kalvon lävistävä protonikanava eli F 0 -osa ja F 1 -osa (sis. ATPsyntaasin) Siirtää lääkeaineita ulos soluista (multidrug transporter) Aktivoiduttuaan lisää syöpäkudoksen vastustuskykyä samanaikaisesti useille lääkeaineille Lipofiiliset aineet, esim. melatoniini Diffusion through lipid bilayer Facilitated diffusion BIOLOGIAN LAITOS, SEPPO Passive SAARELA, transport 2013 Active transport

9 Ionoforit Ionikanavat 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 solukalvoissa kaliumkanavia ja kloridikanavia Eivät ole kyllästettävissä Virtaus jopa 10 8 ionia/s Kanava sulkeutuu tai avautuu vasteena solutapahtumaan (10-3 s) jos molemmat (Cl- ja K- kanavat kiinni: V = 0 mv jos K-kanava auki ja Clkanava kiinni: V = -58 mv jos molemmat kanavat auki: V = 0 mv Nernstin kaava: E(mV) = 58 log(c out /C in ) Ionikanavan aukeaminen Kemialliset ja sähköiset signaalit Jännite-ero solukalvon sisä- ja ulkopuolen välillä Sitojamolekyylien (ligandien) konsentraatio Depolarisaatio ja ionikanavat Open sesame. A proposed structure for the BK (Ca-activated K-channel) channel includes gating ring [(A) view from intracellular side], which is made of two regulator of K+ conductance domains (RCK1 and RCK2). The structure offers insight into how changes in intracellular concentration of calcium ions (Ca2+) can trigger the gate to close and open [(B and C) views parallel to membrane panel]. Toiminta hermoimpulssin 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 S. Weyand et al., Science 329, (2010) Published by AAAS

10 OUTSIDE CELL Potassium channel OUTSIDE CELL Activation gate INSIDE CELL 1. Resting state Sodium channel PLASMA MEMBRANE Kanavan sytoplasman puoleisella pinnalla vesionkalo, K:lla säilyy vesivaippa. Vesi korvautuu onkalossa pp-ketjulla. INSIDE CELL 2. Depolarizing phase Kanavan ympärillä posit. varautuneita polypeptidiketjujen jaksoja, reagoivat kalvopot. muutoksiin Kanava auki muutaman ms OUTSIDE CELL OUTSIDE CELL INSIDE CELL Inactivation gate INSIDE CELL 3. Repolarizing phase Sytoplasman puoleinen proteiinidomeeni toimii inaktivaatioporttina 4. Undershoot

11 Aktiopotentiaali 5 Aktiopotentiaali 6 Region of depolarization Inactivated Na + channels Movement of action potential Ionikanavat 2 Ionikanavan toiminnan tutkiminen monet myrkyt sitoutuvat hermon toiminnan kannalta tärkeisiin proteiineihin, kuten: tetrodotoksiini (eristetty japanilaisesta fugukalasta, pallokala Spheroides rubripes) salpaa Na-kanavan Saksitosiini siimaeläimen (Gonyaulax) tuottama myrkky estää Nakanavan toiminnan Dendrotoksiini, mustan mamban myrkky salpaa K-kanavaan vaikuttava myrkky Bungarotoksiini, cobtoksiini käärmemyrkkyjä 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

12 Patch clamp -tekniikka 1 Patch clamp -tekniikka 2 Glass pipette Membrane Ion channel Patch clamp -tekniikka 3 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 (Clkanava + neurotransmtteri) vaikutuksen postsynaptiseen neuroniin

13 Miten hermosolut... GABA-erginen neuroni yleisin inhibitorinen neurotransmitteri aminovoihappo (GABA) neurotransmitterin vapautuminen on riippuvainen ainakin neljästä proteiinista GABA or glycine Cl - GABA or glycine Action potential Presynaptic cell GABA or gylicine receptor Ca 2+ Dendrites of postsynaptic neuron Synaptic terminals of presynaptic neurons Cell body of postsynaptic cell Synaptic terminals of presynaptic neurons Myelin sheath Axon Axon of hillock postsynaptic neuron Cell body of postsynaptic neuron Terminal branches of presynaptic neurons

14 Sisäeriterauhanen ENDOCRINE GLAND Endocrine cells release hormones into bloodstream Hormoni vapautuu verenkiertoon Hormone travels through circulation Hormonin vaikutus kohdesoluun Hormones act on target cells Avoeritteinen rauhanen EXOCRINE ORGAN Exocrine organ release products into ducts Erite vapautuu tiehyeseen

15 Erite kulkeutuu tiehyttä myöten kohteeseen Transport o exported products through duct system Parakriininen rauhanen PARACRINE GLAND Paracrine cells release signals to nearby target cells Adrenal gland Hormonien vaikutuskohteet Medulla Epinephrine transport via the circulatory system Reseptorit 1 Kidney Epinephrine Binding site Epinephrine receptor Epinephrine binds to receptor and the receptor es activated Glycogen stores Glucose Cell Activated receptor Dilates bood vessels

16 Agonisti Antagonisteja Epinephrine antagonists (alprenolol and propanolol) Binding site Isoproterenol Epinephrine receptor Cell Isoproterenol binds to receptor and imitates the action of epinephrine Activated receptor Alprenolol and propanolol bind to the epinephrine receptor but not activate the receptor Alpreneolol Binding site Epinephrine receptor Propanolol Cell Blokattu reseptori Neuraalinen viestintä NEURAL TRANSMISSION Epinephrine Neurons release neurotransmitters to adjacent neurons The bound molecules prevent epinephrine from binding

17 Kalvoreseptori 1 Reseptorin aktivoituminen alfa-helix in the membrane Signal-molecule binding site Plasma membrane Signal molecules Activated proteins Tyrosine kinase region of protein Inactive proteins Cellular response Cellular response Tyrosine-kinase receptor proteins (inactive monomers) Activated tyrosine-kinase receptor (phosphorylated dimer) Ionikanava 1 Ionikanava avautuu Signal molecule (ligand) Ions Plasma membrane Ion-channel protein CYTOSOL Change in ion concentration triggers cellular responses

18 Kanava sulkeutuu ja ligandi dissosioituu G-proteiini Ligand dissociates; channel closes Ligand-gated channel Integrin Signal molecules Receptor region ECF G protein coupled receptor Bridging protein Enzyme region G protein Cytoskeleton Toisiolähetti camp 1 Hormone Extracellular space Activated adenylate cyclase Toisiolähetti camp 2 Extracellular space Epinephrine Epinephrine receptor Plasma membrane Activated adenylate cyclase Cytosol samp phosphodisterase Cytosol Active glycogen Inactive protein synthase kinase Active protein Inactive kinase glycogen synthase

19 Kaskadin loppupäässä lopputuotteena on glukoosi Radioaktiivisen ligandin kiinnittyminen reseptoriin Inactive phosphorylase kinase Active phosphorylase kinase A receptor interacts with a ligand Inactive glycogen phosphorylase Active glycogen phosphorylase Receptor + Radioactive ligand Glycogen Glucose phosphate Glucose Syklinen AMP Cyclic AMP camp vaihe 1 Hormone Adenine Energia GTP:ltä Receptor Phosphate Sugar Galfa-GTP dissociates from G βγ and binds to adenylate cyclase, activating synthesis of camp G protein Adenylate cyclase

20 camp vaihe 2 camp vaihe 3 GTP binds to Galfa Galfa-GTP dissociates from G βγ and binds to anenylate cyclase, activating synthesis of camp G protein inactive adenylate cyclase slow GTPase acivity of Galfa hydolyzes GTP to GDP ATP Active adenylate cyclase camp camp vaihe 4 Ca:n sitoutuminen kalmoduliiniin Ca 2+ - calmodulin kinase Ca 2+ Calmodulin Ca 2+ -calmodulin Galfa-GDP dissociates from adenylate cyclase and returns to G βγ Phosphorylation of other proteins Autophosphorylation Activated Fully active

21 Typpioksidi (NO) Muita kuin reseptorivälitteisiä signaaleja 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 Vapaat radikaalit Typpioksidia syntyy solussa A:B kovalenttinen sidos A + :B - A: - B + A B ionit ionit radikaalit C + C: - C arginiini NO NOS (NO-synteesi) NO tumorit + bakteerit (seinämä) NOS (makrofagit) Carboniumion Vapaa radikaali Carbanion -elektrofiilinen -reaktiivinen

22 Typpioksidin muut vaikutukset inhibiittori N-methyl-arginiini NOS bacteriocide makrofageissa NO välttämätön, jotta niiden tehtävä tappajasoluina toteutuu 1. Verisuonissa vasodilataatio (laajeneminen) NO vapautuu endoteelisoluista diffundoituu ympäröivään sileään lihakseen relaksaatio ylimäärä voi aiheuttaa septistä shokkia, hoitona NOSinhibiittoria 2. Neuronit tuottavat NO:ia aivoissa aivojen ulkopuolella Typpioksidi... Typpioksidi 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 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

23 Viagra 1 Viagra 2 Viagra Hesarin kuukausiliite lokakuu 1998 (Jorma Palo) engl. kemistiryhmä kehitti lääkettä rintakipuihin glyseryylinitraatti eli nitroglyseriini (Nitro) koodinimi: UK kemiallinen yhdiste: sildenafiilisitraatti ei tehonnut, potilaat eivät palauttaneet Vaikutusmekanismi: nitroglyseriini NO vasodilataatio UK laajensi verisuonia mutta ei sepelvaltimoissa vaan siittimen hermopäätteistä ja endoteelisoluista vapautui NO GMP erektio fosfodiesteraasientsyymi hajoittaa GMP Tavoitteena oli että: sildenafiilisitraatti inhiboi fosfodiesteraasia ja GMP tehosi 4000x fosfodiesteraasin tyyppi 5:een kuin tyyppi 3:een Viagra 3 tyyppi 5 peniksessä ja tyyppi 3 sepelvaltimoissa Viagraa valmistetaan Irlannissa Ringaskidde (pieni kalastajakylä) kemistit engl. Kentistä (Nicholas Terret ym.) 1991