The Plant Cell / Sytoskeleton

Transkriptio

1 The Plant Cell / Sytoskeleton Sytoskeleton koostuu solulimassa olevista polymeeriverkostoista Informaatiota rakenteiden 3- ulotteisesta järjestäytymisestä. Solubiologian luennot 2003, kasvitiede Sytoskeletonin kuidut ovat polaarisia (muodostuneet asymmetrisistä alayksiköistä). Polymeerillä on suunta. - Sytoskeleton auttaa ylläpitämään solun muotoa (mekaaninen tuki). Välikokoiset säikeet määritellään alayksikköjensä mukaan (lamiinit, keratiinit jne.) Sytoskeleton-verkosto liuosviljelmässä kasvaneessa porkkanan solussa -Sytoskeleton on oleellinen solun liikkeen kannalta. -Sitä tarvitaan myös informaation kuljetuksessa. - Sytoskeleton on järjestäytynyt (kompleksinen) verkko, joka koostuu kolmenlaisista proteiinifilamenteista: mikrotubuluksista, aktiinifilamenteista ja välikokoiset säikeet. Kasveilla tiedetään olevan eläinten tuman lamiineja vastaavia homologeja. Muita välikokoisia säikeitä? Monet mekaaniset (tukevat) toiminnot, jotka ovat eläinsoluissa välikokoisten säikeiden aikaansaamia ovat kasveilla soluseinän aikaansaamia. Sytoskeleton koostuu solulimassa olevista polymeeriverkostoista Rakenteellinen tuki ankkuroimalla organelleja ja esim. polysomeja Tukee eri solukomponenttien ohjattua solun sisäistä liikettä Mikrotubulit Mikrotubulit ovat globulaaristen α-ja β- tubuliinien (proteiinien) polymeerejä (dimeerit muodostavat onttoja putkia ). Molemmat tubuliinit sitovat GTP:tä, mutta vain β-tubuliini osallistuu GTP:n hydrolyysiin ja GDP-GTP vaihtoon. 1

2 Aktiinifilamentit Aktiinifilamentit ovat aktiiniproteiinin polymeerejä, rakenteeltaan heliksejä (läpimitta noin 7 nm). Aktiini sitoo ja hydrolysoi ATP:tä. Myosiineja 13 eri luokkaa, mutta vasta 2 löydetty kasveista. Myosiini proteiinit liittyvät aktiinifilamentteihin ja liikkuvat päästä polymeerin + päähän päin. Eläinsolu Kasveilta on löydetty myosiiniproteiineja, mutta myosiini I ja II vastaavia ei ole kuvattu. The Plant Cell Cytoskeleton (F-actin) stained with Rhodamine Phalloidin in pea (dark grown) stem cells Laser Confocal Microscopy of intact cells. Dyneiinien ja kinesiinien rakenne ja toiminta Dyneiinien kahdesta eri muodosta vain sytoplasminen on identifioitu kasveista (vesikkelien kuljetus, mikrotubulusten järjestäytyminen). Kinesiinit vesikkelikuljetus ja tumasukkulan muodostuminen Sytoskeletonin lisäproteiinit (accessory proteins) Näitä proteiineja voidaan jaotella toimintansa mukaan. Mekaaniskemialliset entsyymit muuttavat kemiallista energiaa työksi = moottoriproteiinit eli myosiinit, dyneiinit ja kinesiinit. Kaikki käyttävät ATP:tä energian lähteenään ja ovat ns. päädomeinillaan liittyneenä sytoskeletonin polymeeriin: myosiini aktiiniin ja dyneiinit ja kinesiinit mikrotubuleihin. Moottoriproteiinien lisäksi myös lukuisia muita proteiineja on liittyneenä sytoskeletoniin. Jotkut ns. crosslinking proteiinit muodostavat sidoksia samantyyppisten polymeerien välille (esim. aktiiniin liittyvät fimbriini ja α- aktiniini). Jotkut proteiinit stabiloivat, vahvistavat tai heikentävät polymeerejä. Soluliman liikkeeseen, levillä ja korkeammilla kasveilla, tarvitaan aktiinia Levien suurissa nivelvälisoluissa liikkuvassa solulimassa ER:n ja muiden suurten soluorganellien kalvoissa myosiinia. Liikkumalla pitkin aktiinifilamentteja, myosiini ajaa organelleja tiettyyn suuntaan riippuen aktiinifilamenttien polaarisuudesta. Suurten organellien liike saa koko soluliman liikkeelle. Biokemiallinen mekanismi? Diktyosomit liikuvat aktiini filamentteja pitikin. Plastidien liikkeisiin liittyvät myös aktiinifilamentit. Tuman paikka (mekanismi?) mahdollisesti sekä aktiinifilamentteja että mikrotubuleita tarvitaan. Aktiinifilamentit voivat osallistua myös eritykseen esimerkiksi siiteputken kasvaessa aktiinifilamentit ovat asettuneet niin, että ne voivat viedä erittäviä vesikkelejä kärkeen. 2

3 Pituuskasvu uusia mikrofibrillejä Kortikaaliset mikrotubulit ja solun laajuuskasvu Mikrotubuleita on tavallisesti heti solukalvon sisäpuolella ja ne ovat samansuuntaisesti orientoituneita. Lyhyesti: yksittäisissä soluissa tai juurissa ja varsissa kasvu on pitkittäisakselin suuntaista. Kortikaaliset mikrotubulit ovat asettuneet poikittain kasvuun nähden. Kun pituuskasvu loppuu poikittaiset mikrotubulit orientoituvat uudelleen. Kortikaalisten mikrotubulien polaarisuus? järjestäytymismekanismi? Järjestäytymismekanismi todennäköisesti muistuttaa signaalinvälitysreittiä. Jotta ryhmä samaansuuntaan orientoituneita mikrotubuleita voidaan tuottaa tarvitaan 1) signaali, joka spesifioi suunnan 2) signaali täytyy vastaanottaa ja välittää mikrotubuleille 3) mikrotubulien on järjestäydyttävä ohjeiden mukaisesti. Arabidopsis thaliana, juuren solun kortikaalisia mikrotubuleita Mikrotubulusten orientaatio määrää mikrofibrillien orientaation soluseinässä Solun ulkopuolinen tila (ekstrasellulaarinen) selluloosamikrofibrillien distaaliset päät integroituvat olemassa olevaan seinään solukalvo sytosooli solukalvoon liittynyt mikrotubulus selluloosasyntaasi kompleksi Selluloosasyntaasi kompleksit ovat integraalisia kalvoproteiineja, jotka jatkuvasti syntetisoivat selluloosamikrofibrillejä solukalvon ulkopinnalla. Mikrofibrillien distaaliset päät integroituvat soluseinään 3

4 The Plant Cell / Mitoosi ja sytokineesi Solubiologian luennot 2003, kasvitiede Tuman jakautuminen - mitoosi Interfaasi - solun koko kasvaa ja solu toimii normaalisti, kromosomit replikoutuvat Profaasi - tumakelmu katoaa, kromatidit tulevat esiin (sentriolit liikkuvat) ja tumasukkula alkaa muodostua Metafaasi- kromatidit ovat solun keskellä olevassa tasossa Anafaasi- kromatidit siirtyvät tumasukkulan rihmojen vetäminä kohti solun vastakkaisia päitä Telofaasi - kromosomit ovat solun vastakkaisissa päissä, tumakelmu muodostuu uudelleen ja solulima jakautuu kahtia. Sytoskeleton ja mitoosi Tumasukkula koostuu sadoista tai tuhansista mikrotubuleista ja niiden lisäproteiineista. Mikrotubulien - pää on kohti napaa. Jotkut mikrotubulit yltävät navasta kromosomien kintokoreihin kun taas toisten pituus vaihtelee. Tumasukkulassa mikrotubulit ovat hyvin dynaamisia - puoliintumisaika noin 1 min. On muodostunut 2 geneettisesti identtistä tumaa ja edelleen solua. Sytoskeleton ja mitoosi Kasvi- ja eläinsolujen tumasukkulat eroavat toisistaan navoissa olevien rakenteidensa puolesta. Eläinsoluissa tumasukkulan napa on hyvin fokusoitunut (johtuu sentrosomista) kun taas kasveilla se on leveä (monia mikrotubuleitten lähtöpaikkoja, joita toiset mikrotubulit yhdistävät). Kromosomien liikkeet ovat samanlaisia kasvi- ja eläinsoluissa. 4

5 Sytoskeleton ja sytokineesi = solulima jakautuu Fragmosomi ja preprofaasi nauha auttavat solun jaon suuntaamisessa. Fragmosomi on ohut kerros solulimaa, joka muodostuu tulevan soluseinän tasoon ja se muodostuu todennäköisesti jo solusyklin S-vaiheessa. Fragmosomissa on sekä mikrotubuleita että aktiinifilamentteja. Fragmosomit näkyvät etenkin vakuolisoituneissa suurissa soluissa. Preprofaasi-nauha = aktiinifilamenttien ja mikrotubulien muodostama kehä, joka ympäröi solua solukalvon sisäpuolella kohdassa, jossa tuleva solun seinä liittyy jakautuvan solun seinään. Preprofaasi- nauha muodostuu profaasissa. Sytokineesi eli soluliman jakaantuminen tytärsolujen kesken Erot mitoosin ja meioosin välillä Mitoosissa syntyy tytärsoluja, joissa on sama määrä kromosomeja kuin vanhemmaissolussa, kun taas meioosissa tuotetaan gameetteja, joissa on vaan puolet sukupuolisolun kromosomeista. Diktyosomien muodostamat rakkulat (vesikkelit) ja mikrotubulukset muodostavat levymäisen keskeltä laidoille laajenevan fragmoplastin (sis. aktiinia, myosiinia ja mikrotubuleita) solun keskitasossa. Fragmoplastiin muodostuu ensin keskilevy ja molemmat primaariseinät. Plasmodesmit muodostuvat. Keskilevy laajenee keskeltä laidoille kun sen reunoille liittyy uusia diktyosomi vesikkeleitä. Kun keskilevy saavuttaa soluseinät niin vesikkelien kalvo yhtyy solukalvoon. Mitoosi tapahtuu somaattisissa soluissa ja meioosi sukupuolen määräävissä soluissa. Sekä mitoosi että meioosi perustuvat DNA:n replikaatioon. 5