The Plant Cell / ER, diktyosomi ja vakuoli

Transkriptio

1 The Plant Cell / ER, diktyosomi ja vakuoli RNAn synteesi ja prosessointi RNAn tehtävät: informaation siirto DNA:lta ribosomeille, ribosomien rakenneosana ja aminohappojen siirrossa sytoplasmasta ribosomeille. Solubiologian luennot 2003, kasvitiede (endoplasminen retikulumi = endoplasmic reticulum) -Solulimakalvosto. On solulimassa eli sytoplasmassa ja muodostuu putkista (tubules) ja rakkuloista (sacs). -Kasvi-, eläin- ja sienisoluissa (elektronimikroskooppi). - Endoplasmakalvosto muodostuu yksikkökalvoista, jotka voivat yhdistyä tuman kalvoon, mutta on erillinen solukalvosta. - Solukalvon kanssa yhdessä ER muodostaa plasmodesmejä =kalvotunneleita, jotka johtavat soluseinien läpi ja näin muodostavat läheisten solujen välille kommunikointikanavia. Näiden plasmodesmi-yhteyksien välityksellä lähes kaikki yksittäisen kasvin solut jakavat fysikaalisesti jatkuvan kalvoston. - Kasveilla ER:ssä syntetisoidaan ja prosessoidaan proteiineja, jotka on tarkoitettu kalvoihin ja vakuoleihin ja syntetisoidaan monenlaisia lipidejä. (endoplasminen retikulumi = endoplasmic reticulum) Sileäksi endoplasmakalvostoksi (smooth ER, ser, SER) kutsutaan sitä osaa, johon ei ole kiinnittynyt ribosomeja. Sen toiminta liittyy rasvahappojen ja lipidien muokkaukseen. Lisäksi ER:ssä ankkuripaikkoja aktiinifilamenteille (saavat aikaan soluliman virtauksen ja säätelevät soluliman kalsiumin konsentraatiota) Klassinen ER:n jaottelu: RER, SER ja tumakalvo. Nykyisin voidaan tunnistaa jo morfologisesti erilaisin kalvostoalatyyppejä. (endoplasminen retikulumi = endoplasmic reticulum) -Endoplasmakalvosto jaetaan tavallisesti karkeaksi eli jyväsekkääksi endoplasmakalvostoksi (rough ER, rer, RER) ja sileäksi eli jyväsettömäksi endoplasmakalvostoksi (smooth ER, ser, SER), - Karkean endoplasmakalvoston (rough ER, rer, RER) kalvoseinämistä osaan on kiinnittynyt ribosomeja ja niiden toiminta liittyy ribosomeilla tuotettujen proteiinien synteesiin ja muokkaukseen. Endoplasmakalvosto muodostaa dynaamisen nopeasti muuttuvan verkostorakenteen, joka muuttuu solusyklin ja kehitysvaiheen mukaan. ER luo tavallaan perustan endomembraanisysteemille, johon kuuluvat kalvojen ympäröimät soluorganellit, jotka vaihtavat kalvomolekyylejä joko lateraalisen diffuusion avulla tai vesikkeli-kuljetuksen avulla. Kaikki ER:t fysikaalisesti yhteydessä toisiinsa > jatkumo solujen välillä. 1

2 Kaksi tärkeää kasvituotetta kasviöljy (oil bodies) ja siementen varastoproteiinit tuotetaan ER:n entsyymien avulla. Oil bodies (öljykappaleet) muodostuvat triasyyliglyserolipisarasta, jota ympäröi yksi kerros fosfolipidejä. Rasvat eli triasyyliglyserolit ovat glyserolin ja pitkä-ketjuisten karboksyylihappojen estereitä. Glyserolin ja rasvahappojen välillä on esterisidos. Siementen varastoproteiinit tuotetaan ER:n entsyymien avulla. Niitä tarvitaan aminohappolähteenä itävälle alkiolle ja edelleen taimen kasvuun. Viljakasvit tuottavat kahdenlaisia varastoproteiineja: globuliineja ja prolamiineja. Globuliini proteiinit (vesiliuokoiset) syntetisoidaan RER:n polysomeilla ja useimmissa tapauksissa kuljetetaan varastovakuoleihin Golgin laitteen avulla. Prolamiinit (hydrofobiset, alkoholiliukoiset) kerääntyvät ns. proteiinikappaleisiin (protein bodies) Kuljetusvesikkelit kuljettavat proteiineja ER:lta Golgin laitteelle. Nämä vesikkelit syntyvät ns. ER:n kuljetus kohdassa (export site ER). Sitä miten nämä vesikkelit löytävät tiensä cis-golgin sisterneihin ei tiedetä. Oil bodies (öljykappaleet) Oil bodies (öljykappaleet) muodostuvat triasyyliglyseroli-pisarasta, jota ympäröi yksi kerros fosfolipidejä. Oil bodies sisältävät myös pääasiallisna proteiineina oleosiineja (joita ei löydy huomattavissa määrin mistään muusta kasvien soluorganelleista, eläimistä, sienistä eikä bakteereista). Oleosiineja on löydetty vain siementen ja siitepölyn öljykappaleista. Ontogenia hypoteesi: syntyvät kun triasyyliglyseroleja kerääntyy ER:iin ja kehittyvät edelleen erillisiksi organelleiksi, jotka joko jäävät ER:n yhteyteen tai irtoavat erillisiksi öljykappaleiksi. Sirkkalehdet ja endospermi-solukot 1-ja 2-sirkkaiskasveilla varastoivat lipidejä spesifisissä organelleissa oleosomeissa (oleosomes aikaisemmin kutsuttiin myös sferosomeiksi (spherosome), jotka häviävät vanhenemisen aikana. Oleosomi on pallomainen läpimitaltaan µm. Prolamiini-varastoproteiineja (kuten maissin zeiini) kerääntyy ns. proteiinikappaleisiin (protein bodies) maissin endospermissä. Kappaleet simikoituvat spesifisestä RER:stä. Helminauhat ovat polysomeja. Triasyyliglyseridit kerääntyvät lipidimono-kerrosten väliin SER:ssa ja silmikoituvat erillisiksi öljypartikkeleiksi = oil bodies kohdissa, joissa on oleosiinimolekyylejä Kuljetusvesikkelien avulla siirretään vastasyntetisoituja eritys- / varastoproteiineja Golgin laitteelle. Vesikkelit tuotetaan kohdassa, jota kutsutaan ns. export site ER. Eläinsoluissa tällaiset ER-domainit ja Golgin laitteet lähellä toisiaan. 2

3 Useimmissa kasvisoluissa kuljetusvesikkelit silmikoituvat useimmiten ER:n kulmista. Nämä kohdat eivät ole välittömässä yhteydessä Golgin kalvostoihin. Diktyosomi muodostuu päällekkäisistä litteistä kalvopusseista (Golgisisternoista), joita yleensä 2-7 tai enemmänkin ja tähän liittyneestä ns. trans- Golgi verkostosta (trans-golgi network, TGN). Kalvopussien laidoilta irtoaa pieniä kalvopeitteisiä rakkuloita (vesikkeleitä), jotka voivat sisältää: - muokattuja proteiineja, jotka erittyvät esim. solukalvoon - varsinaisia eritteitä, jotka siirtyvät yleensä vakuoliin - primaariseinän materiaalia, joka siirtyy vesikkeleissä kehittyvään seinään solun jakautuessa ja kasvaessa TGN meristemaattisessa Nicotianan juurenkärjen solussa Golgin laite koostuu morfologisesti erilaisista sisternoista (kalvopusseista) ja tuottaa myös erilaisia vesikkeleitä. Golgin sisternat ovat tavallisesti jaoteltu cis-, medial- ja transtyyppeihin. Jaottelu perustuu niiden asemaan kalvopinossa, elektronimikroskooppisiin värjäytymisominaisuuksiin ja toimintaan. Cis-sisternat ottavat vastaan ER-vesikkelien tuotteita. Alustavan prosessoinnin jälkeen ER-tuotteet kuin myös Golgin laitteen uudet omat tuotteet siirrteään medial- ja trans-sisternoille ja lopulta TGN:lle. Tuotteet kulkevat siis cis > trans suuntaan. Trans-Golgi sisternat ovat happamin Golgin laitteen osa. Alhaisen ph:n avulla säädellään entsyymiaktiivisuuksia, mutta hapan ympäristö myös aiheuttaa sisternojen ontelon osmoottisen romahtamisen, joka puolestaan työntää uudet tuotteet syntyvin vesikkeleihin. Diktyosomilla on keskeinen merkitys eritysreitillä: se saa vasta syntetisoituja proteiineja ja lipidejä ER:lta ja ohjaa ne joko solun pinnalle tai vakuoleihin. Toisin kuin eläinsoluissa (joissa Golgin laite sijaitsee lähellä solun keskustaa) kasvisoluissa ne ovat levinneenä eri puolille sytoplasmaa. Golgin laitteen liikettä voi kuvata ns. stop-and-go tavalla. Ne todennäköisesti pysähtyvät ER:n kuljetuskohtien (ER export site) kohdalla ottamaan lastia ja esimerkiksi kasvavien soulseinien kohdalla purkamaan sitä. Useimmilla Golgin laitteesta irtoavilla vesikkeleillä on proteiinikuori. Vesikkelit, jotka liittyvät ER>Golgi, intra-golgi tai Golgi>TGN kuljetukseen on tuotettu ns. sisternojen silmikointi-mekanismilla, on ns. coat protein (COP) kuori. Silmikointi prosessin jälkeen nämä proteiinit irtoavat vesikkeleistä ja ne käytetään uudelleen. Paremmin tunnettuja proteeinikuoria ovat ns. clathrin-päällysteet, jotka erottelevat vesikkelit, joissa vakuoliin tarkoitetut entsyymit. Golgin laitteiden määrä vaihtelee lajista, solun koosta ja kehitysvaiheesta sekä eritettävän/varastoitavan materiaalin määrästä ja tyypistä riippuen hyvinkin paljon. (Puuvillan jättiläissyysoluissa yli , sipulin apikaalimeristeemin soluissa noin 400). 3

4 Diktyosomi eli Golgin laite on hiilihydraattitehdas Golgin laitteen toimintaan kuuluu myös N- ja O-liittyvien sidosten avulla sokerien (glycans) liittäminen proteiineihin ja soluseinän kompleksisten polysakkaridien muodostaminen. Liitetyt sokeriosat suojaavat proteiineja hajotukselta (proteolyysiltä), jolloin niiden elinikä pitenee. Sokeriosat voivat myös spesifioida plasmalemma- soluseinä interaktioita tai esim. vaikuttaa proteiinien avaruudelliseen rakenteeseen. Useimmilla N-sidoksilla liitetyt proteiinit ovat katalyyttisiä, kun taas O-sidoksilla liitetyt ovat rakenneproteiineja. Esim. N-sidoksilla liitetyt glykaanit syntetisoidaan ER:ssa, mutta oligosakkaridiosan prosessointi tapahtuu Golgin laitteessa. Näihin reaktioihin liittyvät entsyymit eivät ole sattumanvaraisesti Golgin sisternoissa vaan spesifisesti tapauksesta riippuen sijoittuneina joko cis, medial tai trans sisternoihin. O-sidoksilla liitettyjen synteesistä tiedetään vähemmin, todennäköisesti arabinoosisokereita liittävät entsyymit sijaitsevat cissisternoissa. Vesikkeli aloittamassa fuusioitumistaan plasmalemman (PM) kanssa. Vesikkeli, joka on jo fuusioitunut solukalvon kanssa ja tyhjentänyt sisältönsä. Endosytoosi - eli miten ylimääräinen kalvomateriaali poistetaan plasmalemmasta Endosytoosilla tarkoitetaan aineiden aktiivista kuljetusta solukalvosta muodostuneiden rakkuloiden sisällä solun ulkopuolelta solun sisälle. Endosytoosin avulla myös solukalvon ja soluseinän molekyylien turn over ja reseptorien poisto solun pinnalta. (HUOM! Eläinsoluissa endosytoosin avulla ravinteiden ottoa, mutta näin ei tapahdu kasvisoluissa!). Endosyyttinen aktiivisuus on kasvisoluissa pieni! Ylimääräinen kalvomateriaali poistetaan endosytoosin ja clathrinpäällysteisten vesikkelien avulla (kuten eläimillä), vaatii kuitenkin enemmän energiaa. Kasveilla on myös toinen menetelmä eli ns. molekulaarinen kierrätys (molecular recycling). Tässä prosessissa solukalvon lipidit palaavat ER:iin hyppäämällä solukalvosta läheiseen ER:iin (mekanismi?, mutta ei tarvita endosyyttisiä vesikkeleitä tai solukalvon ja ER:n ohimenevää fuusioitumista) Eksosytoosi Kasveissa eksosytoosin tärkein tehtävä on kuljettaa diktyosomeissa (TGN:ssä) syntetisoitunutta materiaalia solukalvon ulkopuolelle. Kasvavissa soluissa tuodaan proteiineja ja lipidejä, joita tarvitaan plasmalemman (solukalvon) laajenemista varten ja polysakkarideja glykoproteiineja ja proteoglykaaneja primaariseinää varten. Kasveilla turgor-paine puristaa solukalvon tiukasti soluseinää vasten. Kun eksosytoosi vesikkeli yhdistyy solukalvoon niin turgor-paine puristaa vesikkelin sisällön ulos ja litistää vesikkelin kiekkomaiseksi solukalvoon kiinnittyneeksi kalvopussiksi. Jos solukalvo ei voi laajentua niin kalvopussi jää paikoilleen kunnes ylimääräinen kalvoaines poistetaan. (mieti miten eläinsoluilla) turgor-paine = turgori, nestejännitys, joka normaalisti vallitsee solussa. Kasvisolun vakuolit -Vakuolit ovat nesteen täyttämiä soluorganellejä, joita ympäröi kalvo, jota kutsutaan tonoplastiksi. Tavallisesti täyttävät yli 30 % solun tilavuudesta, mutta suurissa jo erilaistuneissa soluissa vakuolit voivat täyttää jopa 90 % solun tilavuudesta. -Apikaalimeristeemeissä eli kärkikasvumeristeemeissä (meristeemi = kasvusolukkoa, jakautumiskykynsä säilyttävää solukkoa, jonka solujen jakautuminen ylläpitää kasvin kasvamista) on tyypillisesti lukuisia pieniä vakuoleja, jotka yhtyvät yhdeksi tai muutamaksi suuremmaksi vakuoliksi solujen vanhetessa ja laajetessa. -Kasvivakuolien ph vaihtelee tyypillisesti välillä, mutta skaala on laaja 2.5 (eräät sitrushedelmien vakuolit) 7.0 (ei aktiiviset varastoproteiini vakuolit) -Vakuolilla on useita tehtäviä kasvisoluissa ja kun ottaa huomioon vakuolien yksinkertaisen rakenteen niin toiminnallinen moninaisuus on aika yllättävää. 4

5 Kasvisolun vakuolit varastona ja yhdisteiden kierrätyksessä -Vakuolit varastoivat suuren määrän molekyylejä (epäorgaanisia ioneja, orgaanisia happoja, sokereita, entsyymejä, sekundaari metaboliitteja). tonoplastissa olevat proteiinit kuljettavat nämä (varastoproteiineja lukuunottamatta) vakuoliin. Vakuolin tehtävät kasveissa - tukevat rakennetta - Soluseinät tukevat ja ympäröivät kasvisoluja. Näiden lisäksi tärkeä merkitys on myös osmoosilla. Kun kasvilla on vettä, vakuoli on täyttyneenä ja päinvastoin veden puutteessa vakuoli kutistuu ja ainoastaan soluseinät pitävät yllä rakennetta. Kasvisolun vakuolit varastona ja yhdisteiden kierrätyksessä -Kaikkia primaarimetabolian tuotteita voidaan ottaa vakuoleista ja käyttää tarvittaessa. -Useimmat hedelmien ja vihannesten tuoksut ovat peräisin vakuoleissa varastoiduista aineista. -Monet vakuoleista löydetyt hydrolyyttiset entsyymit muistuttavat eläinten lysosomeista löytyneitä entsyymejä, joten kasvisolujen vakuoleilla voi olla myös vastaavia tehtäviä kuin eläinten lysosomeilla (solun rakenneaineiden turnover). Tällaista kierrätystä tarvitaan paitsi solun normaalissa toiminnassa, mutta myös esimerkiksi arvokkaiden yhdisteiden / ravinteiden säilyttämisessä ohjelmoidun solukuoleman aikana. Kasvisolun vakuolit ph ja ionitasapaino - Kontrolloimalla protonien ja muiden vapauttamista solulimaan, solut voivat säädellä ei pelkästään sytosolin ph:ta vaan myös entsyymien aktiivisuutta, sytoskeletonin rakennetta ja kalvojen fuusioitumistapahtumia. Kasvisolun vakuolit suuria soluja halvalla - Evoluution kannalta kasveille on ollut tärkeää kehittää sellaisia rakenteellisia ratkaisuja, joilla voidaan kerätä auringon energiaa energeettiseti edullisella tavalla (kloroplastit). - Tämä ongelma ratkaistiin lisäämällä vakuolien tilavuutta. Kun yhdisteiden määrä vakuolissa kasvaa niin myös osmoottinen veden otto lisääntyy kehittäen turgor-paineen, jota tarvitaan solun laajenemiseen. Samalla N-rikkaan soluliman (sytoplasman) tilavuus pysyy samana (tärkeää, koska N usein kasvua rajoittava tekijä). Tällä tavoin kasvit pystyvät vähentämään huomattavasti kustannuksia, joita muuten syntyisi esim. pinta-alaltaan laajojen lehtien (aurinkoenergian kerääjät) ylläpidosta. - Jotta turgor-painetta voitaisiin jatkuvasti ylläpitää on yhdisteitä aktiivisesti kuljetettava vakuoliin. Tonoplastin läpi menevä elektrokemiallinen gradientti ylläpitää yhdisteiden ottoa. elektrokemiallinen gradientti puolestaan muodostuu ja ylläpidetään kahden protonipumpun avulla (V-tyypin H+-ATPaasi ja vakuolin H+-pyrofosfataasi H+-PPaasi). Vakuolin tehtävät kasvisolussa - suola stressissä soluliman suojana Planta ( Springer-Verlag 2002) DOI /s Mimura et al. Rapid increase of vacuolar volume in response to salt stress. Mangroven (Bruguiera sexangula (Lour.) Poir) soluviljelmän yksittäisessä solussa havaitaan vakuolin koon muutos 150 mm NaCl käsittelyssä 0-16 h. HuoM. solun koko ei muutu. 5

6 Kasvisolun vakuolit puolustautuminen patogeeneja ja kasvinsyöjiä (=herbivorit) vastaan - Kasvisolut keräävät vakuoleihin huomattavan määrän toksisia yhdisteitä sekä vähentämään herbivorien syöntiä että tuhoamaan patogeenisia mikrobeja. Tällaisia yhdisteitä ovat: -fenoliset yhdisteet, alkaloidit, syanogeeniset glykosidit ja proteaasi-inhibiittorit > hyönteis- ja eläinherbivorit -soluseinää hajottavat entsyymit (kitinaasi ja glukanaasi), defenssimolekyylit (saponiinit) > patogeenisienet ja bakteerit -lateksit (hydrofobiset polymeerit) > hyönteis- ja sienimyrkkyjen ominaisuuksia ja antiherbivorisia ominaisuuksia Useissa kasvisoluissa on kaksi erillistä vakuolisysteemiä -Miten varastoproteiinit ja hydrolyyttiset entsyymit voivat olla samassa vakuolissa? Ongelma ratkesi kun havaittiin, että useissa kasvisoluissa (ainakin joissakin kehitysvaiheissa) on toiminnallisesti erilaisia vakuoleja: -neutraalit proteiineja varastoivat vakuolit -happamat, lyyttiset vakuolit - Kehityksen aikana varastoproteiinit mobilisoidaan joko fuusioimalla eri vakuolityypit tai tuomalla spesifisiä lyyttisiä entsyymejä varastovakuoleihin. Kasvisolun vakuolit toksisten yhdisteiden eristäminen - Kasvit eivät voi siirtyä pois myrkyllisiltä mailta eivätkä ne myöskään voi päästä eroon toksista yhdisteistä (esim raskasmetallit tai toksiset metaboliitit kuten oksalaatit). Kasvit voivat kuitenkin eristää tällaiset yhdisteet vakuoliin. -Esimerkiksi oksalaatin poistamiseksi spesifisissä soluissa on vakuoleja, joissa orgaaninen kalsiumia sisältävä matrix. Oksalaatti reagoi kalsiumin kanssa ja muodostuu kalsiumoksalaatti-kiteitä. -Toksisten yhdisteiden kerääntyminen lehtien vakuoleihin on eräs syy lehtien säännölliseen varisemiseen. Kasvisolun vakuolit pigmentaatio - Vakuoleja, jotka sisältävät antosyaanipigmenttejä on monissa eri tyyppisissä kasvisoluissa. Värikkäät terälehdet houkuttelevat pölyttäjiä ja värikkäät hedelmät taas siementen levittäjiä. Jotkut lehtipigmentit suojelevat esim UV:lta ja estävät täten foto-oksidatiivisia vaurioita fotosynteesikoneistossa. Tällainen suojaus on erityisen tärkeää ikivihreille kasveille, jotka elävät olosuhteissa, joissa talvikuukausien aikana olosuhteet estävät absorboidun valoenergian käytön fotosynteesiin. 6