SOLU, SEN KEMIA JA YLEISTÄ SOLUBIOLOGIASTA

Transkriptio

1 SOLU, SEN KEMIA JA YLEISTÄ SOLUBIOLOGIASTA Molekyyli- ja solubiologia ELEC-C2210 Veli-Pekka Lehto, M.D., Ph.D. Professori Patologian osasto/haartman-instituutti/hy

2 ? SOLUBIOLOGI PATOLOGI? Mars Curiosity/NASA

3 Mark Tansey Picasso and Bra

4 Patologia Rudolf Virchow 1859 Ei elämää (Mars) 3,6 mrd v. Elämä (Maa)

5 SOLU ON KOMPLEKSINEN SYSTEEMI Solu hyvin monimutkainen dynaaminen,muovautuva aktiivinen eri monimutkaisuuden tasoja (kudos, elin, yksilö) No blueprint >> complex Lentokone monimutkainen staattinen passiivinen yhden tason monimutkaisuus Blueprint >> complicated

6 Mitä on solubiologia? To understand the chain of life from molecules through cells to tissues and organisms is the ultimate goal of cell biologists. Thomas D. Pollard and William C. Earnshaw: Cell Biology. 2nd Ed. Saunders ELSEVIER 2008 No blueprint >>only general principles can be taught!

7 Mitä on solubiologia? Jyrki Heino, Matti Vuento: Biokemian ja solubiologian perusteet. WSOYPro Oy, Helsinki, solut monimutkaisina, tehokkaina ja sopeutuvina järjestelminä. toiminnan ja rakenteen ymmärtäminen tarkastelu usealla tasolla tukeutuu biokemian,molekyylibiologian, rakennebiologian ja mikroskopian menetelmiin.

8 Solubiologian kantava teema Solu on elämän perusyksikkö Solujen rakenne/-teet ja toiminta/-nat ovat seurausta erilaisten makromolekyylien spesifeistä interaktioista (sitoutumiset, vuorovaikutukset, yhteenliittymät)

9 Solun koostumus Makromolekyylit Valkuaisaineet l. proteiinit Tumahapot (nucleic acids) Rasvat l. lipidit Polysakkaridit Vesi Suolat Ionit Pienet metaboliitit

10 Tumahapot l. nukleiinihapot: DNA ja RNA DNA geneettinen informaatio > reproduktio koodi RNA:n ja proteiinien synteesin ohjaamiseksi > rakenne ja toiminnat RNA välittävät geneettisen koodin proteiinisynteesissä entsymaattinen aktiviteetti rakennefunktio geenien luennan säätelyfunktio

11 Proteiinit entsyymit rakennekomponentit interaktiot proteiini-proteiini proteiini-tumahappo proteiini-lipidi proteiini-polysakkaridi

12 Makromolekyylien väliset interaktiot Ei-kovalentit sidokset vallitsevia Vähän kovalentteihin sidoksiin perustuvia interaktioita >> solujen rakenne ja toiminta (ja elämä?) näyttää perustuvan makromolekyylien pintarakenteiden yhteensopivuuteen ja niihin perustuvaan makromolekyylien (pääasiassa?) löyhään ja purkautumiskykyiseen sitoutumiseen toisiinsa.

13 Makromolekyylien väliset interaktiot Rakenne interaktioiden spesifisyyden perustana Esim. proteiinit primäärirakenne eli aminohappojärjestys koodattuna DNA:ssa (geenit) sekundäärirakenne; alfa-kierre, beta-laskos tertiäärirakenne (3-ulotteinen;folding l. laskostuminen) tapahtuu automaattisesti pr.rakenteen perusteella. Kvaternäärirakenne; kompleksi vain oikein laskostuneet proteiinit aktiivisia ts. vuorovaikutuskykyisiä (vrt. denaturoituminen)

14

15 Onko solu itseohjautuvasti rakentunut? Itseohjautuva kokoaminen l. self- assembly Esim. virusten rakentuminen Itseohjautuva kokoaminen tärkeä elementti solujen rakentumisessa. Itseohjautuvuus toteutuu kuitenkin vain elävän solun olosuhteissa, joissa ovat läsnä ohjatun itsekoostumuksen mahdollistavat tekijät.

16 Mitä tarvitaan kompleksisuuden ymmärtämiseen/selittämiseen Mikrotaso molekyylien rakenne atomitasolla molekyylien interaktiot interaktioiden dynamiikka Makrotaso mallit (models); yleensä malliorganismit interaktioiden toteaminen ja interventiot malliorganismeissa

17 Kompleksisuus ja emergenssi J. Yasha Kresh: Integrative Systems View of Life: Perspectives from General Systems Thinking. In: Thomas S. Deisboeck and J. Yasha Kresh: Complex Systems Science in Biomedicine. Springer Inc. 2006

18 Kompleksisuus ja ennustamattomuus J. Yasha Kresh: Integrative Systems View of Life: Perspectives from General Systems Thinking. In: Thomas S. Deisboeck and J. Yasha Kresh: Complex Systems Science in Biomedicine. Springer Inc (Weinberg GM An Introduction to general systems thinking. Wiley & Sons, New York)

19 Solubiologian kehityksestä Luettelointi (past) normaali solu/eliö organellien tunnistaminen molekyylien tunnistaminen geenien tunnistaminen sairas solu/eliö sairauksien tunnistaminen mutaatiot >> descriptive Mekanismit (present) norm. organellien funktiot molekyylien interaktiot ja merkitys toiminnoissa geenien yhteistoiminta sairas geenit ja ympäristö (nature and nurture) >> mechanistic

20

21 We have no evidence, only a theory which happens to fit the facts. Captain Spock, The Undiscovered Country Stardate

22 Nothing in Biology Makes Sense Except in the Light of Evolution Theodosius Dobzhansky (1973)

23 Eliölajit E v o l u t i o n Eliöt Multimol. kompleksit (interaktioiden fysiikka) Molekyylit R e d u c t i o n Causality/Laws (kemia, fysiikka)

24 Le Canard de Vaucanson

25 The Origin of Life Common Ancestor 3,5 miljardia v. sitten» Nykyisen elämän vaatimusten kaltaiset olosuhteet» Fosfolipidien spontaani järjestäytyminen lipidikaksoiskalvoiksi > soluseinä (koaservaatit/oparin)» Ribotsyymit (RNA) alkoivat monistaa itseään (RNAmaailma). > Arkkibakteerit (Artchaea) ja bakteerit (procarya l. prokaryootit) >> Eucarya l. eukaryootit l. aitotumalliset (kasvit, eläimet, sienet, protistit l. alkueläimet, levät)

26 Fylogeneettinen puu

27 Elävien olioiden yhteisiä piirteitä Samantyyppinen geneettinen koodi DNA geneettisen koodin kantajana (yleensä) DNA > RNA > proteiini ( Central Dogma ) Proteiinit (ja RNA) katalysoivat kemiallisia reaktioita Proteiinien synteesi ribosomeissa Energian tuotto yksinkertaisia sokereita ja lipidejä pilkkomalla ATP:n käyttö energiataloudessa Lipidikalvojen erottamia toiminnallisia tiloja pumput, kanavat, kantajat >> toimintaperiaatteita voidaan tutkia missä tahansa kokeille ja analyyseille otollisessa organismissa

28 Solun perusrakenne

29 Solun organelleja Solukalvo l. plasmamembraani solun rajapinta ulkomaailmaan Tumakalvo erottaa nukleoplasman ja sytoplasman Solulimakalvosto l. endoplasmikalvosto (endoplasmic reticulum; ER) proteiini- ja lipidisynteesi Golgin laite sokeriryhmien liittäminen proteiineihin

30 Peroksisomit oksidatiiviset reaktiot Lysosomit digestiiviset entsyymit Mitokondriat energiatuotanto Solun tukiranka (cytoskeleton) solun muoto, liike, mitoosi, organellien kuljetus

31 Elävien solujen peruspiirteitä (1) Geneettinen informaatio DNA:ssa (joskus RNA) kahdennetaan ja siirretään tytärsoluille nukleotidit adeniini, sytosiini, guaniini, tymiini (A,C,G,T) vastinparien muodostuminen semikonservatiivinen kahdentuminen vanhat juosteet säilyvät ehjinä ja toimivat malleina uusille

32

33

34

35 Elävien solujen peruspiirteitä (2) DNA:n koodi määrittää proteiinien ja RNA:n lineaarisen sekvenssin 3D- l. avaruusrakenteen DNA > mrna > polypeptidiketju Geenien luentaa säätelevät geneettisesti koodatut proteiinien ja RNA-molekyylien muodostamat verkostot epigeneettisesti vaikuttavat ympäristötekijät

36

37 Elävien solujen peruspiirteitä (3) Alayksiköt muodostavat spontaanisti makromolekylaarisia (multikomponentti) rakenteita. self-assembly; ei templaatteja, ei entsyymejä. diffuusio tuo komponentit yhteen veden ekskluusio ( lock and key ), elektrostaattiset voimat ja vetysidokset Esim. kromatiini, ribosomit, tukirankarakenteet, kalvot

38

39 Elävien solujen peruspiirteitä (4) Kalvot kehittyvät kalvoista ei de novo syntyä kehittyvät olemassa olevien kalvorakenteiden ekstensioina mm. uudet mitokondriot syntyvät olemassa olevien m:iden laajenemisen ja jakautumisen kautta ovat munasolu- eli maternaalista alkuperää.

40 Elävien solujen peruspiirteitä (5) Proteiinien ja polynukleotidien signaalisekvenssit ohjaavat makromolekyylit määräpaikkoihinsa. Määräpaikoissa reseptorit tunnistavat sekvenssin.

41

42 Elävien solujen peruspiirteitä (6) Solukomponenttien liikkumisen mekanismit Diffuusio pienet molekyylit Avoimet kanavat kalvoissa Konsentraatiogradientin suuntaisesti Pumput (elektrokemialliset ja ATP:sta energian saavat) Konsentraatiogradienttia vastaan ATP-käyttöiset moottoriproteiinit organelli- ja rahtikuljetukset

43

44 Elävien solujen peruspiirteitä (7) Reseptorit ja niihin liittyvät signaalinsiirtotiet välittävät solulle tiedon ympäristöstä Mahdollistaa sopeutumisen nopeasti vaihtuviin olosuhteisiin (kemialliset ja fysikaaliset tekijät) Reseptorit ravintoaineet, kasvutekijät, hormonit, toksiinit aktivoivat spesifeja signaalipolkuja (pathways) Signaalinsiirtoketju signaalin amplifikaatio lateraaliset yhteydet eli signaalinsiirtoketjujen välillä (overlap) Vasteet solussa esim. sähköisen potetiaalin muutokset, entsyymien aktivaatio, geeniluenta

45

46

47

48 Elävien solujen peruspiirteitä (7) Takaisinkytkentä- l. feedback-mekanismit säätelevät solujen molekylaarista rakennetta, kasvua ja erilaistumista mahdollistavat sopeutumisen homeostaasi housekeeping molekyylit ja mekanismit pitävät huolen perustoiminnoista, esim. metabolia spesialisoituneet mekanismit ja molekyylit vastaavat erilaistuneen solun spesifeistä rakenteista ja funktioista

49 Säätelyn tasot, joissa feedback-mekanismi epigeneettiset mekanismit säätelee kromosomialueen luentaa geenisäätely esim. transkriptiofaktorit mrna:n luennan ja hajottamisen (degradaatio) säätely molekyylin jakautuminen ja sijoittuminen solussa (spatiaalinen) hajottavat entsyymit

50

51 Eriytyvä (divergentti) evoluutio Eliöiden biokemialliset samankaltaisuudet viittaavat divergenttiin evoluutioon UCA:sta (universal common ancestor) Divergentin evoluution mekanismit yksittäisten geenien mutaatiot pistemutaatiot, deleetiot geenien duplikaatiot sisargeenien (paralog) evoluutio eriytyy geeniperheet (esim. reseptorit, pumput) geenien lateraalinen siirtyminen (transfer) erityisesti bakteereissa konjugaatio, plasmidit, virusten välityksellä

52

53 Homologit Homologit geenejä, joilla on sama evoluutioalkuperä (common ancestor) Ortologit homologisia geenejä, jotka lähtivät eri teille lajimuodostuksen kautta Paralogit homologisia geenejä, jotka lähtivät eri teille geenin kahdentumisen (duplikaatio) kautta

54 Douglas L. Theobald A formal test of the theory of of universal common ancestry Nature 465, (2010)

55 Tavoite Oppia ymmärtämään elämänilmiöiden molekylaarinen perusta solutasolla

56 Sen saavuttamiseksi on opittava ymmärtämään Elämälle tärkeiden molekyylien rakenne ja luonne Elämälle tärkeiden molekyylien välisten interaktioiden kemiallinen ja fysikaalinen perusta

57 Siksi on opiskeltava... Tärkeimpien makromolekyylien (tumahapot, proteiinit, lipidit, polysakkaridit) rakenne, luonne ja ominaisuudet Makromolekyylien rakenneosien väliset kemialliset sidokset Makromolekyylien laskostumisen (3D) determinantit Makromolekyylien välisten interaktioiden fysiikka ja kemia (mm. kinetiikka ja termodynamiikka)

58 Makromolekyylit katalyytteina (proteiinit, RNA) Multimolekylaaristen organellien ja rakenteiden itseohjautuva rakentuminen (selfassembly) Polymerisaation mekanismit ja merkitys Proteiinien konformaatiomuutosten biokemiallinen perusta ja merkitys (erityisesti sigbaalinsiirrossa)

59 Reduktionistinen lähestymistapa Asetetaan biologisesti relevantti kysymys. Esim. mikä on solun jakautumismekanismi, tai, mikä on perinnöllisyyden aineellinen perusta Käytetään genetiikan ja biokemian menetelmiä ilmiöön liittyvien molekyylien tunnistamiseksi. Tutkitaan tunnistettujen rakenteellisia ja toiminnallisia ominaisuuksia. Luodaan hypoteesi siitä, miten löydetyt molekyylit toimittavat tehtävänsä ja selittävät ilmiön. Luodaan malli, jota hiotaan uuden empiirisen tiedon karttuessa

60

61 Emergenssi Kokonaisuus on enemmän kuin osiensa summa. (Aristoteles) Life is a relationship among molecules and not a property of any molecule. (Linus Pauling)

62 Emergenssi Humpty-Dumpty sat on a wall, Humpty-Dumpty had a great fall. All the king s horses and king s men, Couldn t put Humpty-Dumpty together again. Lewis Carroll

63

64

65 Solubiologian tutkimusstrategiat (1) Muotoillaan biologisesti mielekäs kysymys. Inventoidaan komponentit (analyysi). Paikannetaan komponentit solussa Mitataan komponenttien konsentraatiot in situ. Selvitetään komponenttien atomitason rakenne.

66 Solubiologian tutkimusstrategiat (2) Etsitään ja tunnistetaan interaktoivat komponentit. Tunnistetaan mahdollinen liittyminen jo tunnettuun signaalinsiirtoreittiin. Mitataan tasapainovakiot. Rekonstituoidaan tutkittu biologinen ilmiö käyttämällä sen rakennekomponentteja. Testataan ilmiötä mallisysteemissä. Luodaan matemaattinen malli. Simulaatiot

67 Tutkimusmenetelmät Valomikroskopia Abben resoluutioraja

68 Tutkimusmenetelmät Valomikroskopia (konventionaalinen) kirkaskenttä fluoresenssi DIC pimeäkenttä polarisaatio Supraresolution light microscopy (SRLM)

69

70

71

72 Tutkimusmenetelmät Elektronimikroskopia transmissio pyyhkäisy jäädytys (cryo) immuno

73 Tutkimusmenetelmät Malliorganismit Soluviljelmät Geenien metsästys käyttäen hyväksi mutaatioiden tuottamia fenotyyppejä Käänteinen genetiikka (reverse genetics) Biokemiallinen fraktiointii

74

75 Tutkimusmenetelmät Geenien ja cdna:n eristäminen Rakennebiologiset menetelmät Genomin massamittainen tutkiminen (esim. arrays)

76

77 Systems Biology

78 Synthetic Biology

79 esiesiaste esiaste kasvain

80 Robbe-Grillet Cleansing Every Object in Sight/MARK TANSEY

81 Integrative Systems View of Life Thus, the task is not so much to see what no one yet has seen, but to think what nobody yet has thought about that which everybody sees. Shopenhauer

82

83 Gérard Battail: Information and Life. Springer, 2014 Nested soft codes Barbieri s organic codes