Solun kalvorakenteet ja niiden välinen kuljetus

Transkriptio

1 Solun kalvorakenteet ja niiden välinen kuljetus Solun kalvorakenteet ja kalvoliikenne Elina Ikonen akatemiaprofessori Biolääketieteen laitos, Anatomia Suomen Akatemia Kalvotutkimuksen huippuyksikkö Mitkä ovat solun kalvorakenteet, mitkä ovat niiden tehtävät? 2. Miten kalvorakenteiden välinen kuljetus tapahtuu? 3. Miten kalvorakenteiden välistä kuljetusta ohjataan? Kalvoliikenne on solun perusmekanismeja, säilynyt evoluutiossa hiivasta ihmisen neuroneihin Solun topologia Sytosoli Mitä kalvoissa kuljetetaan? Kalvoproteiinit ja lipidit Kuljetus kalvosta toiseen Kuljetus sytoplasman ja kalvojen välillä Kuljetus ulos solusta ja solun sisään Mikro-organismit Endos. Golgi Tuma Lysos. ER Tumahuokoset (nuclear pores) vihreä = sytoplasminen, sisäpuoli valkoinen = eksoplasminen/lumenaalinen, ulkopuoli SOLUKALVO: Kommunikaatio ulkomaailman kanssa Kolesteroli-sfingolipidi-lautat solukalvoissa -materiaalin otto soluihin: endosytoosi -materiaalin erittäminen soluista: eksosytoosi Toimivat mm. solusignaloinnissa soluadheesiossa 1

2 TUMA Kuljetusta tumaan ja sieltä ulos organisoi tumahuokonen (nuclear pore complex, NPC) -DNA -koneistot DNA:n monistamiseksi -koneistot DNA:n informaation ilmentämiseksi: RNA-synteesi ja RNAiden prosessointi -RNAiden kuljetus ulos tumasta tumahuokosten läpi < 50 kda proteiinit diffundoituvat vapaasti läpi, isommat vaativat aktiivisen kuljetuksen ENDOPLASMAKALVOSTO (ER) -proteiinien synteesi -lipidien synteesi SYNTEESITEHDAS, SUURI PINTA-ALA! -proteiinien laskostumista auttavat olosuhteet ja proteiinikoneisto -proteiinien glykosylaation alkuvaiheet ja siihen tarvittava entsyymikoneisto Tumakotelo on kaksoiskalvo, joka on jatkuva ER-kalvoston kanssa -biosynteettisellä reitillä eteenpäin kuljetettavan materiaalin lajittelu -Ca 2 -ionien varastofunktio ja siihen liittyvät proteiinit Syntetisoituvan proteiinin translokaatio ER:n lumeniin: signaalipeptidi ohjaa Signaalihypoteesi Lääketieteelliset ja biotekniset sovellukset -proteiinien tuottaminen rekombinantti-dna-menetelmin: erityssignaalit (esim. insuliini, kasvuhormoni, erytropoietiini, interferoni) -paikannussignaalien tunnistaminen DNA-sekvenssistä: ennusteet geenin koodaaman proteiinin paikantumisesta ja toiminnasta -perusta sellaisten tautien syntymekanismien tuntemukselle, joissa proteiinien solunsisäinen kuljetus on häiriintynyt 2

3 Lipididropletit varastoivat lipidejä, muodostuvat endoplasmakalvostosta voivat lähes täyttää sytoplasman (adiposyyteissa) rasvamaksa GOLGIN LAITE sokeripuiden muokkaus: -proteiinien sokeriosien edelleen prosessointi -glykolipidien synteesi kuljetettavien proteiinien lajittelu oikeisiin osoitteisiin Golgin laitteen toiminnat Mannoosi-6-fosfaatin (M6P) avulla M6P-reseptori tunnistaa trans-golgissa lysosomeihin ohjattavat proteiinit lajittelu sokerien modifiointi lajittelu M6P tunnistus ei toimi: useiden lysosomaalisten entsyymien puutoksesta aiheutuva lysosomaalinen kertymäsairaus, I-solutauti Jatkuva ja säädelty eritys trans-golgista Esimerkki säädellystä erityksestä: Histamiinin vapautuminen syöttösolujen granuloista IgE-välitteisen stimuluksen seurauksena Eritettävien molekyylien varastointi rakkuloihin, joista vapautuminen stimuluksesta 3

4 Esimerkki säädellystä erityksestä: Synaptisten vesikkelien eksosytoosi ja kierrätys MITOKONDRIO Ulkokalvo ATPsyntaasi sisäkalvolla Sisäkalvo Matrix Jahn and Fasshauer 2012 Nature 490: presynaptisella kalvolla aktiiviset vyöhykkeet, joissa valmiina synaptiset vesikkelit odottamassa aktiopotentiaalin tuloa -vesikkelifuusion laukaisee jänniteherkkien Ca 2 -kanavien läpi hermopäätteeseen virtaa Ca 2 -synaptisten vesikkelien on uusiuduttava tehokkaasti, jotta neuroni voi vastata nopeasti uudelleen -solun aerobinen energiantuotanto (sitruunahappokierto, hengitysketjun komponentit) -rasvahappojen β-oksidaatio Mitokondrioiden muoto vaihtelee -steroidihormonien ja sappihappojen synteesi -mitokondriaalinen DNA Proteiinin kuljetus mitokondrioon: proteiinissa N-terminaalinen kohdennussekvenssi ohjaa mitokondrion ulkokalvon reseptoriin PEROKSISOMI -hapetusreaktiot myrkyllisten yhdisteiden tuhoamiseksi (katalaasi: H 2 O 2 -> H 2 O and O 2 ) -rasvahappojen β-oksidaatio -lipidien synteesi Proteiinin kuljetus peroksisomeihin Tautiesimerkki: Zellwegerin syndroma peroksisomit puuttuvat peroksisomeihin ohjautuvien proteiinien reseptorin mutaatio Kalvokuljetuksen vaiheet 1. Lastin valinta 2. Vesikkelin muodostus 3. Vesikkelin siirto solun tukirankaa pitkin LYSOSOMIT -happamia hajotusorganelleja: paljon happamia hydrolaaseja, jotka pilkkovat proteiineja, lipidejä, polysakkarideja > pillokomistuotteet kuljetetaan ulos lysosomeista, prekursoreita solun käyttöön 4. Vesikkelin telakoituminen 5. Vesikkelin fuusion ja lastin tyhjennys Tautiesimerkki: lysosomaaliset kertymäsairaudet lysosomaalisen entsyymin tai kuljetusprosessin puutos 4

5 Kuljetusvesikkelin komponentit Vaippaproteiinit toimivat eri kuljetusreiteillä ER-Golgi COPII Golgi-ER COPI GTPaasi vaippaproteiinit reseptori lasti Alberts et al. Molecular Biology of the Cell Klatriini:parhaiten tunnettu vaippaproteiini toimii solukalvolla, endosomeissa ja Golgin laitteessa LDL:n otto soluun reseptorivälitteisellä endosytoosilla tapahtuu klatriinipeitteisissä vesikkeleissä Klatriini Adaptiini Reseptori Endosytoosimekanismeja: Fagosytoosi 5

6 Endosomaaliset kalvorakenteet Proteiinien lajittelu endosomeissa Varhainen endosomi Myöhäinen endosomi Lysosomi Kierrättävä endosomi Lisääntyvä happamuus kierrätys tubulaarisista osista hajotukseen menevät proteiinit ubiquitinyloidaan -> sisäkalvoihin Vaippaproteiinit irtoavat vesikkelistä Vesikkelikuljetus tapahtuu mikrotubuluksia pitkin Vesikkelit liikkuvat mikrotubuluksia pitkin moottoriproteiinit ja suuntaan kulkemista varten Mikrotubulusten minus-päähän liikuttava dynein-moottorikompleksi dynein _ kinesin _ microtubules Tautiesimerkki: ALS (amyotrophic lateral sclerosis), mutaatio dynein-kompleksin proteiinissa 6

7 Vesikkelit tarttuvat kortikaaliseen aktiini-tukirankaan myosiinin avulla Spesifinen kuljetuskoneisto määrittää vesikkelien kohdekalvon: Rabs, t- ja v-snares 1. Rab GTPaasit: liikkuvat sytoplasman, vesikkeli- ja kohdekalvon välillä, säädellään GDP-GTP-syklillä t=target SNARE v=vesicle SNARE 2. v- ja t- SNARE proteiinikompleksit muodostuvat pariutuvat proteiinit muodostavat vetoketjun ( zipper-like bundle ) 3. SNAP/NSF kompleksi toimii fuusiossa ja v- ja t- SNARE kompleksien purkamisessa Kalvoliikenne (eli kalvokierto, vesikkeliliikenne) * solun perusmekanismi, säilynyt evoluutiossa hiivasta ihmisen neuroneihin Kalvoliikenne *kalvokierron häiriöitä esiintyy monissa sairauksissa * vaiheet: - lastin valinta ja vesikkelien muodostus - vesikkelien kuljetus solun tukirankaa pitkin - vesikkelin fuusio kohdekalvoon ja lastin tyhjennys * koneistoissa useita, toisiaan varmistavia komponentteja *kalvokierron koneiston häiriöistä johtuvat sairaudet yl. harvinaisia, ~2/3:ssa taudeista neurologisia oireita *oireisto tyypillisesti sen mukaan missä soluissa varmistusmekanismit pettävät ja/tai kuljetuskapasiteetin vaatimus suuri 7