Solun tukiranka. Tukirangan uudelleenjärjestäytyminen fibroblastin jakautumisen aikana. Epiteelisolun tukirangan organisoituminen.

Transkriptio

1 Solun tukiranka Chapter 16 Mikrotubulukset vihreällä Aktiinifilamentteja punaisella Tuman DNA sinisellä Figure 16-1 Molecular Biology of the Cell ( Garland Science 2008) Tukirangan uudelleenjärjestäytyminen fibroblastin jakautumisen aikana Epiteelisolun tukirangan organisoituminen Mikrotubulukset vihreällä Aktiinifilamentteja punaisella Tuma ruskealla Figure 16-2 Molecular Biology of the Cell ( Garland Science 2008) Figure 16-5 Molecular Biology of the Cell ( Garland Science 2008)

2 Tukiranka solun muodonmuutoksen aikana Tukiranka 1 sytoskeleton 3 päätyyppiä 1. Mikrofilamentit 4-6 nm paksuisia, aktiinia 2. Mikrotubulukset läpimitta 25 nm, koostuvat tubuliinista putkia 3. Välikokoiset filamentit läpimitta 10 nm, kemiallinen koostumus vaihtelee lisäksi monet sytosolin proteiinit tukirangan toiminnallisia osia kytkevät säikeitä soluelimiin Figure 16-7 Molecular Biology of the Cell ( Garland Science 2008) Tukiranka 2 Aktiini mikrofilamentit ja mikrotubulukset hajoavat ja muodostuvat uudelleen nopeasti; välikokoiset filamentit pysyvämpiä kantamolekyyleinä sytosolin prot. monomeerit polymerisoituminen säikeet, putket Merkitys tuki + liike myosiini (myös muissa k. lihassoluissa) + aktiini sikiöiden kudosten ja elinten synty (histo- ja organogeneesi) runsaasti solun sisällä 1-5 % kaikista proteiineista Ihmisellä 6 aktiinigeeniä Geenien tuotteet: -4 -aktiinia - - ja -aktiini poikkeavat vain muutaman aminohapon verran

3 Aktiini solu aktiinin osuus prot. % fibroblasti 10 ameeba 15 -aktiinia esiintyy lähinnä lihassoluissa - ja -aktiinia muissa soluissa evoluutiossa säilyneet hyvin, ameebojen aktiini ihmisen kaltainen verihiutale (human) 15 maksasolu 2 Filamenttien lämpötilastabiilisuus Figure 16-8 (part 1 of 2) Molecular Biology of the Cell ( Garland Science 2008) Figure 16-8 (part 2 of 2) Molecular Biology of the Cell ( Garland Science 2008)

4 Aktiini saadaan polymerisoitumaan koeputkessa Aktiiniin sitoutuvia proteiineja 1) Aktiinisäikeiden välisiä poikkisidoksia Filamiini -aktiini Polymerisoituminen koeputkessa lisäämällä suolakonsentraatiota tai nostamalla Ta Figure Molecular Biology of the Cell ( Garland Science 2008) Aktiiniin sitoutuvia proteiineja Aktiiniin sitoutuvia proteiineja 2) Solukalvoon yhdistäviä Filamiini -aktiini Dystrofiini Spektriini Esriini Taliini 3) Aktiinisäikeiden päihin tulpaksi liittyviä proteiineja CapZ (plus-pää) Tropomoduliini (miinus-pää) Kofiliini (plus-pää) Severiini

5 Aktiiniin sitoutuvia proteiineja Aktiiniin sitoutuvia proteiineja 4) Aktiinisäikeitä katkaisevia Severiini Gelsoliini Kofiliini 5) Aktiinin polymerisaatiota edistäviä proteiineja Profiliini Aktiiniin sitoutuvia proteiineja Plasma membrane Glycophorin Band 3 dimer 6) Liikkeeseen tarvittavan molekyylimoottorin muodostuminen Myosiini Tropomyosiini Troponiini Spectrin tetramer Erytrosyytin sytoskeletonin proteiinit. Vuorovaikutus integraalikalvoproteiinien kanssa. Band 4.1 Ankyrin Ankyriini yhdistää spektriinin kolmoisnauhan proteiinit solukalvon anionitransporteriin

6 Erytrosyytin proteiinit Mikrofilamentit verihiutaleissa spektriinin tetrameerin päätekompleksin komponentin hypoteettinen järjestys ja vuorovaikutukset Trombosyytit levossa, levymäinen muoto Hyytymisaineen vaikutus solut leviävät keskeltä ulospäin Hyytymisen aikana satelliittimainen muoto, ulospäin useita filopodeja. Aktiinin morfologinen uudelleenjärjestäytyminen, yhteydet solukalvoon Platelet Muscle Aktiinifilamentit filamiinin välityksellä kiinnittyy kolmiulotteisesti geeliin Geeli täyttää trombosyytin sytosolin Kiinnittyminen filamiinin avulla glykoproteiinin 1b- IX-kompleksiin verihiutaleen kalvolla GP 1b-IX on kalvoreseptori kahdelle verihyytymisproteiinille Dystrofiini kiinnittää aktiinifilamentit kalvon integraaliproteiiniin Kompleksi sitoo lamiinin ja agriinin ekstrasellulaariseen matriksiin (ECM)

7 Viimeksi käsiteltiin Aktiiniin sitoutuvia proteiineja 1. Aktiinisäikeiden välisiä poikkisidoksia 2. Solukalvoon yhdistäviä - erytrosyytti, trombosyytti, lihassolu 3. Aktiinisäikeiden päihin tulpaksi liittyviä proteiineja 4. Aktiinisäikeitä katkaisevia 5. Aktiinin polymerisaatiota edistäviä proteiineja 6. Liikkeeseen tarvittavan molekyylimoottorin muodostuminen Epiteelisolu ERM-proteiini esriini ja EBP50 kytkevät aktiinifilamentin kystisen fibroosan läpimenevään reseptoriin (CFTR) Esriini avautuu oligomeeriksi ja syntyy pää-häntädimeeri Capping protein Alkaloidien vaikutus aktiiniin Aktiinisäikeiden päihin tulpaksi liittyviä proteiineja Toksiinit häiritsevät aktiinin monomeeri polymeeri tasapainoa Esim. sieniperäinen alkaloidi sytokalasiini D aktiinifilamentin polymerisoitumisen sitoutumalla F- aktiinin pluspäähän ja estää seuraavan yksikön kiinnittymisen Toinen sienistä erittyvä toksiini latrunkuliini sitoutuu G-aktiiniin ja inhiboi sen kiinnittymisen filamentin päähän

8 Profiliini sitoutuu aktiinin monomeeriin aktiinin polymerisaatiota edistävä proteiini Figure Molecular Biology of the Cell ( Garland Science 2008) Figure Molecular Biology of the Cell ( Garland Science 2008) Profiliini Profiliini ja tymosiini 4 säätelevät G-aktiinin polymerisaatiota Profiliini migraatiossa Profiliini kumuloituu vaeltavan fibroblastin johtaviin ulokkeisiin

9 Aktiinin järjestäytyminen fibroblastissa Actin cross-linking proteins Figure Molecular Biology of the Cell ( Garland Science 2008) Figure Molecular Biology of the Cell ( Garland Science 2008) Aktiinifilamenttikimppujen muodostumen Aktiini mikrovilluksissa Figure 16-49a Molecular Biology of the Cell ( Garland Science 2008) Figure 16-50a Molecular Biology of the Cell ( Garland Science 2008)

10 Aktiiniverkko filaaminin avulla Filamin cross-linker Actin filament Figure 16-50b Molecular Biology of the Cell ( Garland Science 2008) Gelsoliini Jos sytosolin Ca 2+ - konsentraatio on alle 10-6 M, gelsoliini ei sitoudu aktiinifilamenttiin Korkea Ca 2+ -konsentraatio johtaa gelsoliinin ja aktiinin välisen kovalenttisen sidoksen vahvistumiseen Figure Molecular Biology of the Cell ( Garland Science 2008)

11 Mikrofilamentit 1 lihassolun supistumismekanismi 1950-luvun lopulla (Huxley) ATP + Ca 2+ säikeiden väliset sillat epiteelisolun mikrofilamentit tunnetaan parhaiten myös muiden solujen sekä soluorganellien liike nojautuu aktiinisäikeisiin Microfilaments Mikrofilamentti (aktiinifilamentti) Actin filament Actin tubulin 10 µm Fascin cross-linker 36 nm 7 nm

12 Mikrofilamentit 2 Mikrofilamentit 3 Aktiini G-aktiini (globular) (filamentous) ATP hydrolyysi, Ca 2+ ADP F-aktiini kierteinen säie lihakset ja mikrovillukset tunnetaan parhaiten Aktiinia sitovat proteiinit: aktiini + myosiini + tropomyosiini liike aktiini + -filamiini yhtenäinen geeli aktiini + fimbriini yhdensuunt. säiekimput aktiini + vinkuliini kiinnittyminen solumembraaniin Ca 2+ -ionien ohjailu tropomyosiinitroponiini-cjärjestelmä lihassolussa muissa kalmoduliini säikeiden kiinnittyminen alustaan kiinnityslevyn (adhesion plate) avulla Mikrotubulukset 1 Tubuliini ja keratiini jopa 50 % solun tubuliinista liukoisena läpimitta 25 nm, pituus useita µm erityisen runsaasti ulokkeissa, esim. aksonit; 15 % proteiineista tubuliinia solun kuljetusverkosto kromosomien liikkeiden ohjaus punasolun plasmamembraanin alla kaksoiskoveruus verihiutaleissa osallistuu aktiivisesti hyytymistapahtumaan Makrofagit

13 Mikrotubulus Mikrotubuluksen rakenne 10 µm Tubulin dimer 25 nm Tubulin heterodimerin alfa tubulin beeta tubulin GTP cap Dimers on alfa tubulin beeta tubulin Mikrotubuluksen rakentuminen alayksiköistään Mikrotubulukset 2 Mikrotubulusten organisaatiokeskukset toinen pää yl. ankkuroitunut ±solun keskelle (sentriolin lähelle) MAP (organisaatiokeskus) identtinen sentriolin kanssa keskellä parilliset sentriolit Dimers off

14 Mikrotubuluksen organisointikeskus Mikrotubulukset 3 Microtubule organizing center (MTOC) Tubuliini mikrotubulusten sisältämä proteiini esiintyy kahtena polypeptidiketjuna MW 50 kd tubuliiniyksiköt pituussuunnassa peräkkäin EM kuvassa ohuina rihmoina liukoinen tubuliini vapaana sytosolissa polymerisoitumalla varsinainen tubuliini (camp) säätelee Mikrotubuluksen poikkileikkaus Mikrotubulukset 4 Microtubule cross section Dyneiini tumasukkulan mikrotubulusten proteiini ATPaasin aktiviteettia liike samanlaista kuin värekarvoissa ja siimoissa mikrotubulusten aktiivista liikettä: tubuliini-dyneiini (vrt. lihasten aktiinimyosiini)

15 Moottoriproteiinit Molekyylimoottorit Assosioituvat sytoskeletoniin Sitoutuvat polaroituineisiin tukirangan filamentteihin Saavat energiansa syklisesti toistuvista ATPhydrolyysistä kuljettaa molekyyliä eteenpäin Jokaisessa eukaryottisolussa on tusinoittain erilaisia moottoriproteiineja Kuljettavat kalvorakenteisiin liittyviä organelleja, mm. mitokondrioita, Golgin laitteen varsia, eriterakkuloita sopiviin paikkoihin solussa Kuljettavat tukirangan filamentteja supistuksen ja jännityksen aikana (lihassupistus, ripsiliike, solunjakautuminen, DNA- ja RNA-polymeraasi) Liikkeelle energia nukelosiditrifosfaateilta Tukirangan motorisen molekyylin liike Esim. cilia ja flagella Motorisen molekyylin kiinnittyminen reseptoriin Näin esim. transmitteriä sisältävä vesikkeli kulkee kohti aksonin kärkeä. Organelle Receptor for motor molecule Microtubule of cytoskeleton Motor molecule (ATP powered) Motor molecule (ATP powerwd) Microtubule of cytoskeleton

16 Motoristen molekyylien liike 1 Motoristen molekyylien liike 2 Kinesiini, suunta positiivinen Light chains Heavy chains Dyneiini, suunta negatiivinen Light chain Microtubule Heavy chain Myosiini II Kinesiini ja dyneiini ovat moottoriproteiineja, jotka kuljettavat mm. solunkuljetusrakkuloita päinvastaisiin suuntiin. Kinesiinin avulla tapahtuu liike mikrotubuluksen plus-päätä kohti ja dyneiinin avulla miinus-päätä kohti Figure 16-54a Molecular Biology of the Cell ( Garland Science 2008)

17 Myosiini II bipolaarinen paksu filamentti poikkijuovaisessa lihaksessa Figure 16-54b Molecular Biology of the Cell ( Garland Science 2008) Figure 16-55a,b Molecular Biology of the Cell ( Garland Science 2008) EM-kuvan perusteella kaavamainen esitys Myosiinin aktiivisuus on voitu osoittaa Aktiini merkitty fluorisoivalla falloidiinilla. ATP:n lisääminen filamenttien liukuminen Videokuvaus Figure 16-55c Molecular Biology of the Cell ( Garland Science 2008) Figure Molecular Biology of the Cell ( Garland Science 2008)

18 Myosiinin superperheen jäsenet Välikokoiset filamentit Figure Molecular Biology of the Cell ( Garland Science 2008) Välikokoiset filamentit Välikokoinen filamentti jokseenkin suoria paksuus n. 10 nm koko siis mikrotubulusten (25 nm) ja mikrofilamenttien (6 nm) väliltä esiintyy lähes kaikissa soluissa tukevat solun rakennetta ja lisäävät solun kestävyyttä Keratiini lähes kaikissa välikokoisissa filamenteissa keratiinifilamentit es. epiteelisoluissa desmosomeihin liittyvissä tonofilamenteissa 5 µm Protein subunits Fibrous subunits 10 nm

19 Vimentiini Desmiini lihassolun intermediaarisäikeen proteiini desmiinisäikeeseen liittyy aktiinia liittää lihassolun myofibrilleja Z-levyihin pitää paikallaan lihassolun organelleja supistumisen kuluessa Vimentiini menkymaalisissa soluissa Neurofilamentit ja periferiini Hermosoluissa Nestiini Hermo- ja lihaskantasoluissa Lamiini A ja B Erilaistuneet solut Lamiini Lamiini muodostaa verkon tumakotelon sisälle Lamiinit kiinnittyvät fosfolipidikalvoon isoprenyylin avulla ja stabiloivat tumakotelon Tonofilamentit osa solun tukirankaa solukalvoon kiinnittyviä säikeisiä levyjä paksuus n. 10 nm soluliman ja solukalvon liittyminen yhteen desmosomeissa

20 Table 16-1 Molecular Biology of the Cell ( Garland Science 2008) Table 16-2 Molecular Biology of the Cell ( Garland Science 2008) Sentrioli eli keskusjyvänen lähellä solun keskustaa interfaasivaiheessa Golgin laitteen tuntumassa, sytosentrumissa parillinen ( diplosomi) pituus 0,3 µm, paksuus 0,1 µm lieriömäinen 9 triplettiä (kaksi avointa, yksi suljettu) merkitys mitoosissa replikoitumiskykyisiä sis. mahd. oman genomin (vrt. mitokondriot) Figure 16-23a Molecular Biology of the Cell ( Garland Science 2008)

21 Värekarvat (cilia) ja ripset (flagella) Ciliat ohuita, halk. 0,5 µm pituus 2-10 µm liikkuvia ympärillä solukalvo runs./solu värekarvaliike koordinoitua, autom. liikettä hiukkaset haluttuun suuntaan esim. munatorven pinnan värekarvojen aaltoliike kuljettaa munasolun kohti kohtua nopeus tuhansia µm/min Flagellat tavallisesti cilioita pitempiä, µm muutamia/solu Figure 16-30a Molecular Biology of the Cell ( Garland Science 2008) Ciliumin hienorakenne Ciliumin poikkileukkaus Cilium Basal body Axoneme Centriole Basal body

22 Cilioiden edestakainen lyönti Cilioiden peittämä paramecium 25 µm Direction of organism s movement Direction of active stroke Direction of recovery stroke A dense nap of beating cilia covers this Paramecium, a motile protist (SEM) Flagella 1 µm Propulsion of a sperm cell is an example of falgellate locomotion (SEM) Tyvikappale (basal body 9+0 tyyppiä epiteelisolun latvassa liittyvät ao. soluista ulospistäviin värekarvoihin ja ripsiin Aksoneema värekarvojen keskellä oleva akseli 9+2 rakenne kaksoisputkirakenne (kaksi mikroputkea, dupletti) dyneiinivarret

23 katalysoi ATP:n hydrolyysiä vap. energiaa, mikrotubulusvarret liikkuvat toisiaan pitkin tubuliini-dyneiini analoginen lihaksen aktiini-myosiinin kanssa parill. putket eivät lyhene liukuvat toistensa lomiin keskellä oleva putkipari liikkeen suunta