Solubiologian ja biokemian perusteet (4 op) ) Solun rakenne. Campbell & Reed: Biology, 9th ed., Chapter 6, A Tour of the Cell

Transkriptio

1 Solubiologian ja biokemian perusteet (4 op) ) Solun rakenne Campbell & Reed: Biology, 9th ed., Chapter 6, A Tour of the Cell Riitta Julkunen-Tiitto Biologian laitos Luonnonainetutkimuksen laboratorio Joensuun tiedepuisto, huone Puh rjt@uef.fi 10 µ m

2 Luentorunko: Kpl 6 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 Mitä kiinnostavaa on solubiologiassa? Kasvisoluissa? On paljon asioita, joista ei tiedetä Solut ovat monimutkaisia jo itsessään (toimintojen eriytyminen, säätelykysymykset) Solu -yksinkertaisin biologisen organisaation hierarkiassa Solu (1-soluinen tai monisoluinen) + sen ympäristö Elämä itse on kiintoisa- elää, lisääntyä ja kuolla Solun kyky kasvaa ja muuttua (kasvisolun totipotenttisuus) Kasvispesialisteja tarvitaan työelämässä Biotekniikkan sovellutukset (solu/solutehtaat) Kaikki koostuu soluista

4 Kaikki organismit koostuvat soluista! Elämä syntyy (mekanismi vielä selvittämättä) 4.5 miljardia vuotta sitten Maa syntyi 3.5 miljardia vuotta sitten Prokaryoottiset bakteerit 1.5 miljardia vuotta sitten Eukaryoottiset solut - endosymbioottisia yhdistymiä tarvittiin: a) anaerobinen eukaryoottisolu + aerobiset bakteerit => mitokondriot ==> aerobisten eukaryoottisolujen linja - b) aerobiset eukaryoottisolut + fotosynteettiset syanobakteerit => kloroplastilliset solut => nykyiset kasvit 0.5 miljardia vuotta sitten Monisoluiset eukaryootit

5 Yleinen soluteoria Solut ovat elämän rakenneyksikköjä Kaikki elävät organismit koostuvat soluista - elollista luontoa yhdistävä tekijä - kaksi tyyppiä: prokaryoottiset solut ja eukaryoottiset solut Solut ovat elämän toiminnan yksikköjä Solut muodostuvat toisista soluista Poikkeukset yleiseen soluteoriaan - viruksilla kaikki elintoiminnot, mutta ne eivät ole soluja - mitokondriot ja kloroplastit monistuvat itsenäisesti

6 Soluja voidaan luokitella Rakenteen perusteella: prokaryootit (alkeistumalliset) ja eukaryootit (aitotumalliset) - Prokaryootit ilmestyivät 3.5 miljardia vuotta sitten (Arkkieliöt eli arkit ja bakteerit) - Eukaryootit kehittyivät 1.5 miljardia vuotta sitten, ilmeisesti samasta eliölinjasta kuin arkit (Protista, Plantae, Fungae, Animalia) Energiatarpeen perusteella: autotrofit ja heterotrofit - autotrofit käyttävät valoa ja kemiallista energiaa (kasvit) - heterotrofit saavat energiansa autotrofeilta (useat bakteerit ja eläimet) Monisoluiset organismit - koostuvat monimutkaisesta järjestelmästä, jossa solut toimivat yhdessä, tarvitaan uusia mekanismeja solujen väliseen kommunikointiin ja säätelyyn. Tarvitaan myös spesifisiä mekanismeja (hedelmöittyneen munasolun kehitys alkioksi jne.)

7 Soluja voidaan tutkia mikroskoopeilla Sytologia = tutkimusaiheena solun rakenne Valomikroskooppi 1590-luvulta erotuskyky 0.2 µm suurennos max x kontrasti

8 Valomikroskopointi TECHNIQUE (a) Brightfield (unstained specimen). Passes light directly through specimen. Unless cell is naturally pigmented or artificially stained, image has little contrast. [Parts (a) (d) show a human cheek epithelial cell.] RESULT (b) Brightfield (stained specimen). Staining with various dyes enhances contrast, but most staining procedures require that cells be fixed (preserved). 50 µm Figure 6.3 (c) Phase-contrast. Enhances contrast in unstained cells by amplifying variations in density within specimen; especially useful for examining living, unpigmented cells.

9 (d) Differential-interference-contrast (Nomarski). Like phase-contrast microscopy, it uses optical modifications to exaggerate differences in density, making the image appear almost 3D. (e) Fluorescence. Shows the locations of specific molecules in the cell by tagging the molecules with fluorescent dyes or antibodies. These fluorescent substances absorb ultraviolet radiation and emit visible light, as shown here in a cell from an artery. (f) Confocal. Uses lasers and special optics for optical sectioning of fluorescently-stained specimens. Only a single plane of focus is illuminated; out-of-focus fluorescence above and below the plane is subtracted by a computer. A sharp image results, as seen in stained nervous tissue (top), where nerve cells are green, support cells are red, and regions of overlap are yellow. A standard fluorescence micrograph (bottom) of this relatively thick tissue is blurry. 50 µm 50 µm

10 Elektronimikroskooppi soluorganellit - solunhienorakenne kehitettiin 1950-luvulla elektronisuihku fokusoidaan joko tutkittavan osan läpi tai pinnalle: transmission (TEM) tai scanning (SEM) erotuskyky n. 2 nm EM:llä voidaan tutkia vain kuolleita kappaleita, valomikroskoopilla myös eläviä Läpivalaisu (TEM) 2D: läpi menneiden elektronien kuva riippuu näytteeseen kiinnittyneistä raskasmetalleista, joilla näyte on värjätty Pyyhkäisy (SEM) 3D: näyte pinnoitettu kullalla, josta elektronit virittyvät ja detektoidaan kuvana ripset/värekarvat

11 Soluorganelleja voidaan eristää ja tutkia niiden toimintaa Solujen fraktiointi => solun sisällön jaottelu sentrifugoimalla - ultrasentrifugointi => jopa kierrosta/min (rpm) = jopa yli g (maanvetovoiman aiheuttama kiihtyvyys) Fraktoinnissa solut homogenoidaan eli rikotaan solut vaurioittamatta solun sisällä olevia organelleja Homogenaatin sentrifugointi kierroksia lisäämällä => painon mukaan organellit erilleen (painavimmat alhaisemmilla kierroksilla alas, koeputken pohjalle, supernatantti sisältää kevyemmät) Esim. Entsyymien puhdistus

12 Soluorganelleja voidaan eristää ja tutkia niiden toimintaa

13 Prokaryoottiset versus eukaryoottiset solut Koko ja kompleksisuus eroina Solujen yleiset piirteet: - kalvon ympäröimiä - kalvon sisällä puolinestemäinen (semifluidi) aine, sytosoli, jossa eri organellit sijaitsevat - kromosomit, jossa geenit (DNA:na) - ribosomit (proteiinien valmistajat geenien ohjeiden mukaan) Erot: - tumakalvo (puuttuu prokayooteilta = esitumalliset) - tuma versus nukleoidi (DNA-tiivistymä solun keskellä) - sytoplasman organellit (eukaryooteilla kalvon ympäröimiä, erikoisrakenteisia ja toiminnaltaan eriytyneitä)

14 Prokaryoottiset versus eukaryoottiset solut Erot jatkuu: - koko (pienimmät bakteeriset mykoplasmat µm halkaisija, eukaryooteilla µm) - solun koko on suhteessa toimintaan: koko pitää olla riittävä, jotta perusmetabolia toimisi (riittävästi DNA:ta), mutta ei liian suuri - koolla alaraja - useimmat bakteerit kooltaan 1-10 µm

15 Bakteerisolun rakenne värekarva: tarttumiselin Bakteerin kromosomi (a) Tyypillinen sauvamainen bakteeri nukleoidi: solu DNA: kasautuma (ei kalvoa ympärillä) ribosomit: proteiinien synteesielin plasma membraani: ympäröi sytoplasmaa soluseinä: jäykkä rakenne plasma membraanin ulkopuolella kapseli: hyytelömäinen ulkopinta joillakin esitumallisislla Flagella: liikkumiselin, joillakin bakteereilla 0.5 µm (b) Elektronimikroskooppikuva (TEM) bakteerista Bacillus coagulans Peptidoglykaani (gr+) tai, peptidoglykaani ja ulkomembraani (gr-)

16 Kasvisolujen koko n Solujen koko Nisäkkäiden solut 4-20 µm Pienimmät kasvisolut (sinilevät) kooltaan n. 0.5 µm Kookkaimpia ovat eräiden levien (Chara) nivelvälisolut (pituus mm) ja Acetabularia-viherlevä n mm Siemenkasvien solut voivat vaihdella kooltaan voimakkaasti - suurimpia esim. männyn putkisolut eli trakeidit (1-3 mm), pellavan kuidut (40-65 mm) ja nokkosen kuidut (50-75 mm) - kasvikunnan pisimmät kuidut mm ramiella (Boehmeria nivea) 1 (milli) mm = 10-3 m, 1 (mikro) µm = 10-6 m, 1 (nano) nm = 10-9 m Ihminen ei näe 0.1 mm (100 µm) pienempiä kappaleita ja valomikroskoopin erotuskyky 200 nm

17 Eläinsolun rakenne

18 Kasvisolun rakenne

19 Kasvi- ja eläinsolun erot Eläinsolussa ei ole kloroplasteja- kasvisolussa on Eläinsolussa on sentrioleja - kasvisolussa ei ole Eläinsolussa on useita pieniä vakuoleja - kasvisolussa yksi tai muutamia suuria vakuoleja Eläinsolussa ei ole soluseinää - kasvisolussa on

20 Solujen määrä Solujen määrä kasviyksilössä yleensä pienempi kuin vastaavankokoisessa eläimessä Keskikokoisessa puussa n. yhtä paljon soluja kuin aikuisessa ihmisessä eli n. 60 miljardia Etenkin suurikokoisissa kasveissa on suuri määrä kuolleita soluja (puutuneet solut ja kaarnan solut) Kasvit menettävät vuosittain paljon soluja

21 Plasmakalvo (membraani) Rajoittaa jokaista solua - valikoiva este, joka sallii hapen, ravinteiden ja jätteiden riittävän liikkeen soluympäristössä Koostuu kaksoiskerroksesta fosfolipidejä, johon on liittynyt erilaisia proteiineja Fosfolipiden hännät ovat sisäänpäin (hydrofobisia) Fosfolipidien päät ovat ulospäin (hydrofiilisiä) Osa proteiineista/niiden osista ja hiilihydraattien sivuketjut ovat hydrofiilisiä ja ovat asettautuneet /ovat kontaktissa kalvon ulkopuolisen, vesimäisen liuoksen kanssa Hiilihydraatti-sivuketjuja tavataan plasmakalvon ulkopuolisella pinnalla Erittäin aktiivinen solun osa: kuljettajaproteiinit - ravintoaineiden kuljetus solun sisään, solun ionitasapainon säätelyvastaanottajaproteiinit eli reseptorit viestimolekyyleille - endo- ja eksosytoosi-ilmiöt

22 Plasmakalvon (plasmamembraanin) rakenne

23 Solun kalvorakenteista Eukaryootisilla soluilla on myös solunsisäinen, hieno kalvorakenne => jakaa solun eri osiin, lokeroihin Osallistuvat solumetaboliaan Monet entsyymit muodostetaan kalvoilla Sisäinen kalvotussysteemi mahdollistaa useiden erilaisten solutoimintojen samanaikaisen tapahtumisen Kalvosysteemit olennaisia solun organisaatiolle Jokaisella kalvotyypillä oma lipidi/proteiinikoostumus => spesifinen kalvon tehtävän mukaan

24 Tuma - sisältää suurimman osan solun DNA:sta Solun geneettinen kirjasto (suurin osa geeneistä, vrt. mitokondriot ja kloroplastit) Koko n. 5 µm (halkaisija) Kaksinkertainen tumakalvo eli tumakotelo, kalvojen välitilan koko nm Tumakalvo ei yhtenäinen - aukot eli tumahuokoset (n. 100 nm), aukkoja ympäröi proteiininen rakenne, joka säätelee makromolekyylien ja partikkeleiden liikettä ulos/sisään Aukkojen ympärillä tumakalvot (sisä- ja ulkokalvo) puristuneet yhteen Tumakotelon sisäpuolella tumalamina (nukleaarinen lamina), verkkomainen proteiininen rakenne (intermediate filament) => tuman muodon ylläpitäjä

25 Tuma Tumakotelon sisällä nestemäisen tumaplasma Nukleaarinen matriksi (kuitumainen kehys), ulottuisi tuman sisäosien läpi (todisteita olemaassa) 1 µm Nucleus Nuclear envelope: Inner membrane Outer membrane Nucleolus Chromatin Nucleus Nuclear pore Pore complex Rough ER Surface of nuclear envelope µm Ribosome 1 µm Close-up of nuclear envelope Pore complexes (TEM). Nuclear lamina (TEM).

26 Tuma Kromatin - DNA + proteiinit, säikeinen materiaali tumaplasmassa Solun jakautuessa kromatin kondensoituu - kromosomit näkyviin Eukaryoottisilla lajeilla lajityypilliset kromosomimäärät- ihmisellä 46, paitsi sukusolut, joissa 23 kromosomia Tumajuvänen (nukleolus, kalvoton, näkyvissä solun jakautumisten välissä)- ribosomaalisen RNA:n synteesipaikka (liittyy proteiineihin ja kuljetetaan sytoplasmaan ribosomien pääkomponenteiksi) Nukleoluksien lukumäärä voi vaihdella soluissa (vaihtelee lajeittain ja solun lisääntymissyklin mukaan) Tuma ohjaa proteiinisynteesiä syntetisoimalla lähetti-rna:ta ja lähettämällä sen sytoplasmaan tumahuokosten kautta

27 Ribosomit - solun proteiinien rakentajat Koostuvat ribosomaali-rna:sta ja proteiineista - proteiinien syntetisoijat Rakenne: iso ja pieni-alayksikkö Määrä soluissa riippuu proteiinisynteesiaktiivisuudesta - esim. Ihmisen haiman solut - muutamia miljoonia ribosomeja Kalvottomia Joko vapaina sytoplasmassa tai sidottuina endoplasmaattisessa kalvostossa (endoplasmatic reticulum) ja tumakalvolla Molemmat tyypit rakenteellisesti samanlaisia, mutta niiden syntetisoimien proteiinien määränpäät eroavat - vapaiden ribosomien proteiinit toimivat sytosolissa - sidottujen ribosomien proteiinit toimivat kalvoissa tai eritetään solusta (esim. Haiman ruoansulatusentsyymit)

28 Ribosomit - solun proteiinien rakentajat

29 Endomembraanisysteemi Sisältää kalvoista muodostuneet solun osat, jotka muuttuvat toisikseen ilman selvää rajaa tai ovat vesikkeleiden välityksellä yhteydessä toisiinsa. Metabolista toimintaa, proteiinien kuljetusta, synteesiä Tumakalvo Endoplasmakalvo (ER) Golgin laite Lysosomit Vakuolit Plasmamembraani

30 Endoplasmakalvosto (ER) kolmiulotteinen, koko sytoplasman täyttävä, pienten kalvojen ympäröimien putkien ja säkkien (kisternit) muodostama verkosto, joka sulkee sisäänsä lumeniksi kutsutun osan sytoplasman tilavuutta kalvoston osat ovat kiinni toisissaan ja ulommassa tumakalvossa erittäin hyvin kehittynyt soluissa, joissa muodostetaan eritettäviä proteiineja (hormonit, soluväliaineen molekyylit)

31 Endoplasmakalvosto (ER)

32 Endoplasmakalvosto (ER): Tehtävät - Sileä ER ei ribosomeja etenkin hormoneja erittävissä soluissa (munasarjat) lipidien synteesipaikka (entsyymit öljyjen, fosfolipidien, steroidien synteesiin) hiilihydraattimetabolia (glykogeeni varastoituu maksan soluihin, joissa sileän ER:n entsyymit vapauttavat glukoosin sen ionisesta muodosta, glukoosi-fosfaatista), myrkkyjen ja lääkeaineiden hajotus, etenkin maksan soluissa (usein -OH liitetään => liukoisuus lisääntyy ja helpompi kuljettaa pois solusta muut erityistehtävät, kuten Ca 2+ -ionien varastointi lihassoluissa

33 Endoplasmakalvosto (ER) Tehtävät - Karkea ER pinnalla ribosomeja, jotka toimittavat eritettävien proteiinien ja solun kalvoproteiinien translaation - vrt. sytoplasman vapaat ribosomit eivät muodosta eritettäviä proteiineja jotkut haiman solut erittävät insuliini-proteiinia, hormonia vereen monet eritettävät proteiinit ovat glykoproteiineja (kovalenttisesti sidottu hiilihydraatin, oligosakkaridin kanssa) kun eritettävät proteiinit on muodostettu, ne pidetään erillään kalvopussin avulla, - näitä muodostuu nk. transitionaali-er:n alueella ja kutsutaan kuljetusvesikkeleiksi kalvon muodostaja (proteiinien ja fosfolipidien lisäys), syntesitoi omat fosfolipidit

34 Endoplasmakalvosto (ER) Endosytoosi: pieni osa solukalvostoa kuroutuu sytoplasmaan sulkien sisäänsä pienen nestetilavuuden ja solukalvon ulkopinnalle mahdollisesti sitoutuneet molekyylit kuroutuma irtoaa solukalvosta => endosomi-rakkula (vesicle) => kulkee sisäänpäin ja luovuttaa sisältönsä toisille rakkuloille Eksosytoosi (solun sisäosista kalvorakkulan sisältämän materiaalin kuljetus ulkopuolelle)

35 Golgin-laite Golgin-laite: tuottaa, varastoi, muokkaa ja lähettää tuotteita Golgin-laite laaja soluissa, jotka erikoistuneet eritykseen cis face ( receiving side of Golgi apparatus) 6 1 Vesicles also transport certain proteins back to ER 5 Vesicles move from ER to Golgi Vesicles transport specific proteins backward to newer Golgi cisternae 2 Vesicles coalesce to form new cis Golgi cisternae Cisternae 3 Cisternal maturation: Golgi cisternae move in a cisto-trans direction 4 Vesicles form and leave Golgi, carrying specific proteins to other locations or to the plasma membrane for secretion trans face ( shipping side of Golgi apparatus) µm

36 Golgin-laite Kalvojen ympäröimiä, pinoiksi asettautuneita, litteitä, muodoltaan säkkimäisiä rakkuloita (kisternit) Useita jopa satoja pinoja/solu Kukin kisternin kalvo erottaa sen sytosolin sisätilasta Golgin-laitteella on selvä polariteetti- kisternin kalvot vastakkaisilla puolilla kalvopinoa eroavat tiheyden ja molekyyli-koostumuksen puolesta eli puhutaan cis- ja trans-puolista Toiselta laidalta eli ns. cis-puolelta Golgin laite on vastakkain endoplasmakalvoston kanssa lähellä tumaa Vastakkaiselta trans-puolelta Golgin-laite on on lähempänä solukalvoa

37 Golgin-laite Kuljetusrakkulat: ER:stä tulevat rakkulat (sis. proteiineja) kulkeutuvat cis-golgiin yhtyen = vastaanottava puoli Samalla periaatteella proteiinit/ fosfolipidit kulkevat Golginlaitteen eri osien läpi => tällöin Golgin laitteen entsyymit muokkaavat niitä kemiallisesti lisäten niihin mm. hiilihydraatti- tai fosfaattiosia => muokkauksen seurauksena proteiini voi saada ikään kuin osoitelapun, joka ohjaa sen kulkua ulos solusta tai sen joutumista muihin soluorganelleihin tai kalvorakenteisiin Proteiini-tuote lähtee pois Golgin-laitteesta trans-puolelta = lähettävä-puoli Golgin-laite voi myös itse tuottaa tiettyjä makromolekyylejä, esim. monet soluista eritettävät polysakkaridit (pektiinit) ovat sen tuotteita

38 Lysosomit Vain eläinsoluissa Pyöreitä, n. 1 µm halkaisijaltaan Kalvorakkuloita, sisältäen hiilihydraatteja, proteiineja, rasvoja ja nukleiinihappoja hajottavia entsyymejä (hydrolyyttisiä entsyymejä) ph on alle 5 eli huomattavasti alhaisempi kuin sytoplasman (ph 7) - Happamuus auttaa hajottavien entsyymien toimintaa - ph:ta pidetään yllä pumppaamalla vety-ioneja sytosolista lysosomiin - jos lysosomi rikkoutuu ja osa sisällöstä pääsee sytosoliin => ei vaaraa sytosolille, koska hydrolyyttiset entsyymit eivät toimi korkeammassa ph:ssa - kuitenkin, jos tapahtuu paljon lysosomien rikkoutumisia => solu voi tuhoutua = autohajotus (sulatus)

39 Lysosomit Solun kierrätyskeskuksia - endosytoosin kautta tulleiden molekyylikompleksien ja vioittuneiden organellien hajotus - käyttökelpoisten hajotustuotteiden (aminohapot, hiilihydraatit) palautus sytoplasmaan - auttavat solua jatkuvasti uudistumaan, esim. ihmisen maksan solut kierrättävät puolet makromolekyyleistään joka viikko

40 Lysosomit - muodostuminen Lysosomien kalvo ja inaktiiviset hydrolyttiset entsyymit karkean ER:n tuotetta

41 Lysosomit -muodostuminen Golgin laite prosessoi lysosomin lopulliseen muotoonsa. Mannoosi-6-fosfaatti hydrolyyttisessa entsyymissä ohjaa sen lysosomille reseptorin välityksellä.

42 Lysosomit - hajotus (Ameebat ja jotkut ihmisen solut, esim. makrofagit, pystyvät fagosytoosiin) Ruokapartikkeli kuroutuu plasmakalvosta Lysosomi nielaisee vioittuneen organellin Hajotetut partikkelit sytosoliin

43 Lysosomit ovat tärkeitä eläinsoluille Ohjelmoitu solujen tuhoutuminen omien lysosomaalisten entsyymien toimesta hyvin tärkeää monien monisoluisten organismien kehitykselle Esim. Ihmisalkion käden muodostus - lysosomit hajottavat kudokset sormien välistä Joitakin periytyviä sairauksia aiheutuu lysosomien metabolian häiriöistä

44 Rotan maksa Mitokondrion osia Peroksisomin osia Lysosomi Vesikkeli hajotus Mitokondrio Peroksisomi

45 Organellien väliset yhteydet 1 Nuclear envelope is connected to rough ER, which is also continuous with smooth ER Nucleus Rough ER 2 Membranes and proteins produced by the ER flow in the form of transport vesicles to the Golgi 3 Golgi pinches off transport vesicles and other vesicles that give rise to lysosomes and vacuoles Smooth ER cis Golgi Nuclear envelope trans Golgi Transport vesicle 4 Lysosome available 5 Transport vesicle carries for fusion with another proteins to plasma vesicle for digestion membrane for secretion