Kurssiin sisältyvät kappaleet kirjasta Tortora et al. (Microbiology) ja Alberts et al. (Essential Cell Biology), 1/2 Luento 1: Yleisten asioiden jälkeen: MB, luku 1 (s. 28-49) Luento 2: Luku 1 jatkuu + Mikrobien kasvu ja kasvatus alkaa, MB luvut 6 ja 7 (s. 175-226) Luento 3: Mikrobien kasvu ja kasvatus, MB luvut 6 ja 7 (s. 175-226) Luento 4: Mikroskopia, MB luku 3 (s. 77-97) Luento 5: Solujen toiminnallinen anatomia, MB luku 4 (s. 98-132) Luento 6: Virukset yleisesti, bakteerit yleisesti, MB luvut 13 ja 11 (s. 384-406, 316-339), Eukaryootit, MB luku 12 (s. 345-363) 4.12.2017 1 Kurssiin sisältyvät kappaleet kirjasta Tortora et al. (Microbiology) ja Alberts et al. (Essential Cell Biology), 1/2 Luento 7: Mikrobigenetiikka, MB luku 8 (s. 227-263) Luento 8: Bioteknologia ja DNA-teknologia, MB luku 9 (s. 264-289) Luento 9: Soluorganellit ja proteiinien kuljetus, ECB luku 15 (s. 487-523) Luento 10: Solusignalointi, ECB luku 16 (s. 525-564) Luento 11: Solusykli, ECB luku 18 (604-644) 4.12.2017 2 1
Alberts Bray Hopkin Johnson Lewis Raff Roberts Walter Essential Cell Biology FOURTH EDITION Chapter 16 Cell Signaling Copyright Garland Science 2014 2
GENERAL PRINCIPLES OF CELL SIGNALING Signals Can Act over a Long or Short Range Each Cell Responds to a Limited Set of Extracellular Signals, Depending on Its History and Its Current State A Cell s Response to a Signal Can Be Fast or Slow Some Hormones Cross the Plasma Membrane and Bind to Intracellular Receptors Some Dissolved Gases Cross the Plasma Membrane and Activate Intracellular Enzymes Directly Solunetti: http://www.solunetti.fi/fi/solubiologia/solujen_valinen_viestinta/ Solujen välinen viestintä on välttämätöntä monisoluisen organismin toiminnalle. Solut voivat vaikuttaa toisiinsa joko suoran kontaktin tai viestimolekyylien välityksellä. Elimistössä tapahtuva solujen välinen viestintä on jaettu viiteen ryhmään. Jaottelu perustuu lähinnä viestimolekyylin kulkeman matkan pituuteen. 1. Endokriininen viestinvälitys 2. Parakriininen viestinvälitys 3. Kontaktiin perustuva viestinvälitys 4. Autokriininen viestinvälitys 5. Synaptinen viestinvälitys 3
Endokriininen Endokriinisessä viestinnässä umpieritysrauhasten tuottamat hormonit erittyvät verenkiertoon ja jakaantuvat siten joka puolelle kehoa. Tämä järjestelmä ei pysty nopeisiin vasteisiin. - esim. lisämunuaisen adrenaliini, sukupuolirauhasten hormonit - Huomaa tässä reseptorien suuri merkitys, esimerkkinä testosteronireseptorien puutos! 4
Parakriininen Parakriinisessä viestinnässä viestimolekyylit vapautuvat paikallisesti ja voivat siirtyä solusta toiseen myös aukkoliitosten kautta. Näin vaikuttavia molekyylejä ovat esimerkiksi eräät kasvutekijät, eikosanoidit sekä verisuonia laajentava typpioksidi (NO). Nämä viestimolekyylit yleensä inaktivoidaan nopeasti, joten ne eivät pääse vaikuttamaan laajalla alueella. 5
NO, typpioksidi, syntetisoidaan arginiinista, muutetaan nopeasti nitraateiksi ja nitriiteiksi (5-10 s) -Esim. endoteelisolut verisuonissa vapauttavat NO -> sileät lihassyyt verisuonen seinämässä rentoutuvat -> verisuoni laajenee Nitroglycerine (lääke) -> NO 6
Kontaktiin perustuva eli jukstakriininen Kontaktiin perustuvassa, jukstakriinisessä viestinnässä signalointi tapahtuu vierekkäisten solujen kesken. Solun pinnan molekyylit voivat sitoutua toisen solun pinnalla oleviin reseptoreihin, joiden kautta ärsyke välittyy soluun ja voi aktivoida solun viestinvälitysjärjestelmän. Tämän tyyppinen viestintä on yleistä immuunijärjestelmässä sekä yksilönkehityksen aikana. 7
Synaptinen Synaptista viestintää tapahtuu hermosoluissa esim. hermosolun ja lihassolun välillä. Synapsikohdissa sähköinen impulssi (jopa 100 m/s) muuttuu kemialliseksi viestiksi. Sähköiset ärsykkeet aikaansaavat aksonin kärjessä hermovälittäjäaineiden vapautumisen synapsirakoon (<100 nm). Vastaanottajasolu reagoi erittäin nopeasti viestiä tuovan aksonin aikaansaamaan ärsykkeeseen. 8
Hormonaalisesssa viestinvälityksessä viesti leviää verenkierron mukana koko elimistöön ja vaikuttaa kaikkiin niihin soluihin, joissa on viestimolekyylin reseptori. Synaptisessa viestinvälityksessä sen sijaan viesti kohdistuu vain tiettyyn soluun, koska viestimolekyyli joko hajotetaan tai otetaan takaisin soluun vapautumisensa jälkeen. Autokriininen (ei kirjassa) Autokriinisessä viestinnässä solu vapauttaa aineita, jotka vaikuttavat sen omaan toimintaan. Syöpäsolut esimerkiksi tuotttavat usein itse erilaisia kasvutekijöitä, jotka saavat aikaan syöpäsolujen tehokkaamman jakautumisen. Myös yksilönkehityksen aikana autokriininen signalointi on tärkeässä asemassa tietyn solupopulaation erilaistumisen säätelyssä. 9
suomeksi mikä? 10
GENERAL PRINCIPLES OF CELL SIGNALING Signals Can Act over a Long or Short Range Each Cell Responds to a Limited Set of Extracellular Signals, Depending on Its History and Its Current State A Cell s Response to a Signal Can Be Fast or Slow Some Hormones Cross the Plasma Membrane and Bind to Intracellular Receptors Some Dissolved Gases Cross the Plasma Membrane and Activate Intracellular Enzymes Directly Asetyylikoliini, keskus- ja ääreishermoston välittäjäaine (neurotransmitter) 11
Erilaiset yhdistelmät signaalimolekyylejä -> erilaiset reaktiot kohdesolussa GENERAL PRINCIPLES OF CELL SIGNALING Signals Can Act over a Long or Short Range Each Cell Responds to a Limited Set of Extracellular Signals, Depending on Its History and Its Current State A Cell s Response to a Signal Can Be Fast or Slow Some Hormones Cross the Plasma Membrane and Bind to Intracellular Receptors Some Dissolved Gases Cross the Plasma Membrane and Activate Intracellular Enzymes Directly 12
GENERAL PRINCIPLES OF CELL SIGNALING Signals Can Act over a Long or Short Range Each Cell Responds to a Limited Set of Extracellular Signals, Depending on Its History and Its Current State A Cell s Response to a Signal Can Be Fast or Slow Some Hormones Cross the Plasma Membrane and Bind to Intracellular Receptors Some Dissolved Gases Cross the Plasma Membrane and Activate Intracellular Enzymes Directly 13
14
Intracellular receptors: Intracellular receptors are receptors located inside the cell rather than on its cell membrane. Classic hormones that use intracellular receptors include thyroid (kilpirauhanen) and steroid hormones. Examples are the class of nuclear receptors located in the cell nucleus and cytoplasm and the IP 3 receptor located on the endoplasmic reticulum. Inositol trisphosphate receptor (InsP3R) is a membrane glycoprotein complex acting as a Ca 2+ channel activated by inositol trisphosphate (InsP3). InsP3R is necessary for the control of cellular and physiological processes including cell division, cell proliferation, apoptosis, fertilization, development, behavior, learning and memory. 15
Intracellular receptors -> transcription regulators Inducible or repressive action? 16
GENERAL PRINCIPLES OF CELL SIGNALING Cell-Surface Receptors Relay Extracellular Signals via Intracellular Signaling Pathways Some Intracellular Signaling Proteins Act as Molecular Switches Cell-Surface Receptors Fall into Three Main Classes Ion-channel coupled Receptors Convert Chemical Signals into Electrical Ones In biochemistry, an effector molecule is usually a small molecule that selectively binds to a protein and regulates its biological activity. In this manner, effector molecules act as ligands that can e.g. increase or decrease enzyme activity. In some cases, proteins can be considered to function as effector molecules, especially in cellular signal transduction cascades. 17
välitys siirtyminen vahvistaminen yhdistäminen jakautuminen 18
Molecular switches ON-OFF Aktivaation lisäksi myös inaktivaatio tärkeää! Miksi? Anna esimerkki ihmiskehossa. GENERAL PRINCIPLES OF CELL SIGNALING Cell-Surface Receptors Relay Extracellular Signals via Intracellular Signaling Pathways Some Intracellular Signaling Proteins Act as Molecular Switches Cell-Surface Receptors Fall into Three Main Classes Ion-channel coupled Receptors Convert Chemical Signals into Electrical Ones 19
Kinaasi on entsyymi, joka siirtää fosfaattiryhmiä korkeaenergisiltä luovuttajamolekyyleiltä (kuten ATP:ltä) tietyille kohdemolekyyleille (substraateille). Tätä fosfaattiryhmien siirtoa kutsutaan fosforylaatioksi. Fosfaattiryhmien poiston eli defosforylaation tekevät puolestaan fosfataasientsyymit. 20
Toinen esimerkkimuoto: GTP:n sitoutuminen ja sen hydrolyysi (aktivoitava proteiini sisältää GTPaasientsyymin) GENERAL PRINCIPLES OF CELL SIGNALING Cell-Surface Receptors Relay Extracellular Signals via Intracellular Signaling Pathways Some Intracellular Signaling Proteins Act as Molecular Switches Cell-Surface Receptors Fall into Three Main Classes Ion-channel coupled Receptors Convert Chemical Signals into Electrical Ones 21
Ionikanavareseptorit ovat perustilassaan suljettuja. Kun reseptoriin sitoutuu ligandi, kanava avautuu ja ionit pääsevät kulkeutumaan muodostuneen vesihuokosen kautta kalvon läpi konsentraatiogradienttinsa suuntaisesti. Tapahtuma on nopea ja lyhytkestoinen. Reseptorit palaavat perustilaansa hyvin nopeasti. Useat hermovälittäjäaineiden reseptorit ovat ionikanavareseptoreita. 22
Ionikanavareseptorin kautta kulkeutuvat ionit vaikuttavat hermosoluissa sijaitsevien jänniteherkkien kanavien toimintaan ja voivat synnyttää tai ehkäistä aktiopotentiaalin muodostumista. Ionikanavareseptorien vaikutus solujen ionitasapainoon on nopeampaa kuin esimerkiksi G-proteiinien välityksellä aktivoituvien ionikanavien. G-proteiinikytkeiset reseptorit ovat solukalvon läpäiseviä reseptoreita, jotka ovat solun sisäpuolella kytköksissä G-proteiiniin. Reseptoreilla on seitsemän solukalvon läpäisevää domeenia, jonka alueelle niiden ligandit (signaalimolekyylit) kiinnittyvät. G-proteiinikytkentäiset reseptorit ovat yleisin solun pinnalla sijaitsevien reseptoreiden perhe eukaryooteilla. Erityisen yleisiä ne ovat eläimillä. Ne ovat tärkeitä soluviestinnän välikappaleita. 40 50 % lääkeaineista vaikuttaa G- proteiinikytkentäisiin reseptoreihin. 23
Ligandin sitoutuminen G-proteiinikytkentäiseen reseptoriin saa aikaan muutoksen reseptorin proteiinirakenteessa. Rakenteen muutos mahdollistaa G-proteiiniksi kutsutun solunsisäisen signaalimolekyylin aktivoitumisen. G-proteiinit ovat ehkäpä tärkeimpiä signaalinvälitykseen osallistuvia molekyylejä. Niiden toimintahäiriöt liittyvät mm. diabetekseen, joihinkin syövän muotoihin sekä moniin muihin sairauksiin. Alfred Gilman ja Martin Rodbell saivat 1994 Nobelin lääketieteen palkinnon G-proteiinien keksimisestä ja tutkimisesta. Monet aistimiseen liittyvät tapahtumat hoituvat G-proteiinikytkentäisten reseptorien välityksellä. Esimerkiksi valoherkkä silmän rodopsiini on G- proteiinikytkentäinen. Myös hajuaistimuksen tuottumiseen tarvitaan G- proteiinikytkentäisiä reseptoreja. Tuoksumolekyylin sitoutuminen reseptoriin käynnistää signaalitien, joka johtaa G-proteiinin aktivoitumiseen ja signaalin johtumiseen aivoihin. Reseptorit voivat itse olla entsyymejä tai ne voivat suoraan aktivoida entsyymejä. Entsyymejä aktivoivien (tai entsyymeinä toimivien) reseptoreiden rakenteessa on ligandia sitovan solun ulkopuolisen osan lisäksi katalyyttinen tai entsyymiä sitova solunsisäinen osa. Entsyymireseptorien ligandina toimii usein kasvutekijä. Ligandi vaikuttaa tyypillisesti jo hyvin pienenä konsentraationa. Ligandi voi saada aikaan nopean vasteen vaikkapa vaikuttamalla solun tukirangan proteiinien järjestäytymiseen. Vaste geenitoiminnassa on usein hidas, sillä viestinvälitysketju reseptorilta tumaan on monivaiheinen. 24
Kehon ulkopuoliset aineet voivat sitoutua solun pintareseptoreihin: 25