Diffuusio 2 Solujen viestintä Kuljetusmekanismit solukalvon läpi Diffuusio 3 Passiivinen kuljetus Pitoisuusgradientin suuntaan ilman energiaa Kuljetettavalla aineella sähkövaraus, sähkökemiallinen potentiaali Sähkökemiallinen potentiaali Potentiaalienergian minimointi EQUILIBRIUM Molecules of dye Diffuusio 1 Membrane Diffuusio 4 Diffusion of one solute WATER Diffusion of two solutes 1
Diffuusio 5 Avustetut kuljetusmekanismit 1 Facilitated diffusion Diffuusio 6 Kalvokuljetus Biologiset kalvot läpäisemättömiä polaarisille aineille tarvitaan proteiineja kuljettamiseen kalvon läpi Vesi (polaarinen) läpäisee kalvon suuri pitoisuus (55.5 M) Veden nopeaan vaihtoon tarvitaan integraalisen kalvoproteiinin muodostama vesikanava eli akvaporiini Kaasut läpäisevät kalvot (O 2, N 2, CO 2 ) EQUILIBRIUM Passiiviset kuljettajat Akvaporiinit Polaaristen aineiden kuljettajat transporttereita, vähentävät aktivaatioenergiaa Avustettua kuljetusta (facilitated diffusion) Munuaisen tubulussoluissa, absorboivat vettä takaisin virtsanmuodostuksen aikana Kasvisoluisjen vakuolin kalvolla säätelevät vakuolin vesimäärää, ylläpitävät solujen mekaanista rakennetta Virtausnopeus akvaporiinin läpi 5x10 8 molekyyliä/s (vrt. suurin entsyymireaktio-nopeus 1x 10 7 substraattimolekyyliä/s 2
Glukoosikuljettajat 1 Kuljetustapahtuma ryhmät Punasolujen energiametabolia GluT1 kiihdyttää glukoosin siirtoa punasoluihin 50 000 x GluT1 integraaliproteiini, 12 hydrofobista aluetta, α-kierteitä muod. Kanavan K 1 -arvo glukoosille 1.5 mm K 1 -arvo galaktoosille 30 mm Uniportti Kuljetetaan yhtä ainetta Symportti Kahden tai useamman aineen samanaikainen kuljetus samaan suuntaan Antiportti Kahden tai useamman aineen kuljettaminen vastakkaisiin suuntiin Glukoosikuljettajat 2 Solutyypeittäin Maksassa GluT2 K 1 -arvo D-glukoosille 66 mm Glukoosin sisäänotto maksasoluihin tehokasta Glukoosin luovutus maksasoluista verenkiertoon glykolyysissä GluT:n avulla Aktiivinen kuljetus Glukoosikuljettajat 3 Aktiivinen kuljetus GluT4 lihaksen ja rasvakudoksen glukoosin kuljettaja Insuliini stimuloi GluT4 Aterian jälkeen glukoosin otto lihaksiin ja rasvasoluihin kiihtyy Insuliini saa aikaan vesikkeleihin varastoituneen GluT4 siirtymisen solukalvolle Vaatii energiaa Aine siirretään konsentraatiogradienttia vastaan Kuljettajaproteiinit tarvitsevat ulkopuolisen energialähteen Energia ATP:ltä Kuljettaja-ATPaaseja 3
OUTSIDE OF Aktiiviset kuljetusmekanismit Oligosaccharides Na + /K + ATPaasi 2 Esim. mahan limakalvo pumppaa H + gradientti 1: 1 000 000 (10 6 ) ph solussa 7, ulkopuolella 1-2 INSIDE OF Binding site for ATP Na + /K + ATPaasi ATPaasit pumppaavat ioneja niiden konsentraatiogradienttia vastaan kuluu energiaa Na-K-ATPaasi 3 INSIDE OF ATP phosphorylates α subunits out 3 Na + ATPaasi solukalvo ATP in 2 K + ADP + P Pump open to outside, ready to start second half of cycle A conformational change following phosphorylation expels 3 Na + to outside Na-K-ATPaasi 1 Initial state: pump open to inside OUTSIDE OF Na-K-ATPaasi 3 3 Na + are taken from inside 5. Dephosphorylation triggers conformational change 4. Two K + accepted from outside 4
Aktiivinen kuljetusmekanismi ATPaasityypit 3 V-tyyppi Vakuolityypin ATPaasit Protonipumppuja Happamoittavat eläinsolujen endosomeja, lysosomeja, Golgin laitetta ja eritysrakkuloita Ei reversiibeliä fosforylaatiota Inhibiittoreita: bafilomysiini A, konkanamysiini A Periferaalinen kalvoproteiini ja 7 alayksikköä sekä inegraalinen kalvoproteiini + 3 alayks. (= protonikanava) Na/K-pumpun toiminta konsentraatiogradienttia vastaan ATPaasityypit 1 Neljä tyyppiä Rakenne Toimintamekanismi Sijainti erilaisia Protonipumppu 1 EXTRAULAR FLUID CYTOPLASM ATPaasityypit 2 Protonipumppu 2 P-tyyppi Katioininkuljettajia Fosforyloituvia Inhiboituvat vanadaatilla tai ouabaiinilla Na + K + -ATPaasi (Na+/K+ antiportteri) Ca 2+ -ATPaasi Mahalaukun seinämän parietaalisolujen H + ja K + antiportteri Diffusion of H + Sucrose 5
ATPaasityypit 4 Ionikanavat F-tyyppi Bakteerien solukalvoilla Eukaryosyyttien mitokondrioissa Kloroplasteissa Käänteisessä roolissa protonipumppuina Kalvon lävistävä protonikanava eli F 0 -osa ja F 1 -osa (sis. ATPsyntaasin) Siirtää lääkeaineita ulos soluista (multidrug transporter) Aktivoiduttuaan lisää syöpäkudoksen vastustuskykyä samanaikaisesti useille lääkeaineille solukalvoissa kaliumkanavia ja kloridikanavia Eivät ole kyllästettävissä Virtaus jopa 10 8 ionia/s Kanava sulkeutuu tai avautuu vasteena solutapahtumaan (10-3 s) jos molemmat (Cl- ja K- kanavat kiinni: V = 0 mv jos K-kanava auki ja Clkanava kiinni: V = -58 mv jos molemmat kanavat auki: V = 0 mv Nernstin kaava: E(mV) = 58 log(c out /C in ) Kuljetusmekanismit, yhteenveto Depolarisaatio ja ionikanavat Lipofiiliset aineet, esim. melatoniini Toiminta hermoimpulssin aikana ennen depolarisaatiota kanavat kiinni, jännite solun sisällä negat. V=-70 mv Na-kanava aukeaa hieman Na + virtaa sisään depolarisaatio Na-kanava sulkeutuu ja K-kanava avautuu K + virtaa ulos depolarisaatio jatkuu potentiaali lepotasolle 70 mv Na- ja K-kanavat kiinni Diffusion through lipid bilayer Facilitated diffusion BIOLOGIAN LAITOS, SEPPO Passive SAARELA, transport 2007 Active transport Ionoforit Ioneja kalvon läpi kuljettavia orgaanisia yhdisteitä Myrkkyjä tai antibiootteja Valinomysiini kuljettaa K + -ioneja gradientin suuntaan Monensiini (Na + /H + -vaihtaja) Gramisidiini muodostaa kalvoon ionikanavan ioneille, toimii myös matalissa Ta:ssa OUTSIDE INSIDE 1. Resting state Sodium channel Potassium channel PLASMA MEMBRANE Kanavan sytoplasman puoleisella pinnalla vesionkalo, K:lla säilyy vesivaippa. Vesi korvautuu onkalossa pp-ketjulla. 6
Aktiopotentiaali 5 Activation gate OUTSIDE INSIDE Kanava auki muutaman ms 2. Depolarizing phase Kanavan ympärillä posit. varautuneita polypeptidiketjujen jaksoja, reagoivat kalvopot. muutoksiin Region of depolarization Aktiopotentiaali 6 OUTSIDE Inactivated Na + channels Movement of action potential INSIDE Inactivation gate 3. Repolarizing phase Sytoplasman puoleinen proteiinidomeeni toimii inaktivaatiporttina Ionikanavat 2 OUTSIDE INSIDE monet myrkyt sitoutuvat hermon toiminnan kannalta tärkeisiin proteiineihin, kuten: tetrodotoksiini (eristetty japanilaisesta fugukalasta, pallokala Spheroides rubripes) salpaa Na-kanavan Saksitosiini siimaeläimen (Gonyaulax) tuottama myrkky estää Nakanavan toiminnan Dendrotoksiini, mustan mamban myrkky salpaa K-kanavaan vaikuttava myrkky Bungarotoksiini, cobtoksiini käärmemyrkkyjä 4. Undershoot 7
Ionikanavan toiminnan tutkiminen Patch clamp -tekniikka 3 yksittäisen ionikanavan toimintaa voidaan tutkia patch clamp tekniikalla solukalvo imetään mikropipetin sisään Peter Agre ja Roderick MacKinnon (amer.) v. 2003 kemian Nobel vesikanavien (Agre) ja ionikanavien (MacKinnon) tutkimuksista Patch clamp -tekniikka 1 Miten hermosolut kommunikoivat toistensa kanssa? Membrane Ion channel Glass pipette aktiopotentiaalin kulku aksonia pitkin myelinisoitu hermo sähköinen synapsi Ca-kanava presynaptisella puolella ligandi= molekyyli, joka spesifisesti sitoutuu toiseen molekyyliin neurotransmitteri voi tuottaa ekskitatorisen (Na-kanava + neurotransmitteri) tai inhibitorisen (Clkanava + neurotransmtteri) vaikutuksen postsynaptiseen neuroniin Patch clamp -tekniikka 2 Miten hermosolut... yleisin inhibitorinen neurotransmitteri γ aminovoihappo (GABA) neurotransmitterin vapautuminen on riippuvainen ainakin neljästä proteiinista 8
GABA-erginen neuroni Sisäeriterauhanen GABA or glycine Cl - ENDOCRINE GLAND Endocrine cells release hormones into bloodstream GABA or glycine Action potential Presynaptic cell GABA or gylicine receptor Ca 2+ Dendrites of postsynaptic neuron Synaptic terminals of presynaptic neurons Hormoni vapautuu verenkiertoon Hormone travels through circulation Myelin sheath Axon Axon of hillock postsynaptic neuron Cell body of postsynaptic neuron Terminal branches of presynaptic neurons Cell body of postsynaptic cell Synaptic terminals of presynaptic neurons Hormonin vaikutus kohdesoluun Hormones act on target cells 9
Avoeritteinen rauhanen EXOCRINE ORGAN Exocrine organ release products into ducts Erite vapautuu tiehyeseen Adrenal gland Hormonien vaikutuskohteet Medulla Epinephrine transport via the circulatory system Kidney Glycogen stores Glucose Dilates bood vessels Erite kulkeutuu tiehyttä myöten kohteeseen Transport o exported products through duct system Reseptorit 1 Epinephrine Binding site Epinephrine receptor Cell Epinephrine binds to receptor and the receptor es activated Activated receptor Parakriininen rauhanen PARACRINE GLAND Paracrine cells release signals to nearby target cells Agonisti Binding site Isoproterenol Epinephrine receptor Cell Isoproterenol binds to receptor and imitates the action of epinephrine Activated receptor 10
Antagonisteja Kalvoreseptori 1 Epinephrine antagonists (alprenolol and propanolol) alfa-helix in the membrane Signal-molecule binding site Plasma membrane Alprenolol and propanolol bind to the epinephrine receptor but not activate the receptor Alpreneolol Binding site Epinephrine receptor Cell Propanolol Tyrosine kinase region of protein Tyrosine-kinase receptor proteins (inactive monomers) Inactive proteins Blokattu reseptori Reseptorin aktivoituminen Epinephrine Signal molecules Activated proteins The bound molecules prevent epinephrine from binding Cellular response Cellular response Activated tyrosine-kinase receptor (phosphorylated dimer) Neuraalinen viestintä Ionikanava 1 NEURAL TRANSMISSION Neurons release neurotransmitters to adjacent neurons Signal molecule (ligand) Ions Plasma membrane Ion-channel protein CYTOSOL 11
Ionikanava avautuu Toisiolähetti camp 1 Hormone Extracellular space Activated adenylate cyclase Change in ion concentration triggers cellular responses Cytosol samp phosphodisterase Kanava sulkeutuu ja ligandi dissosioituu Ligand dissociates; channel closes Toisiolähetti camp 2 Extracellular space Epinephrine Epinephrine receptor Plasma membrane Activated adenylate cyclase Cytosol Active glycogen Inactive protein synthase kinase Active protein kinase Inactive glycogen synthase Ligand-gated channel G-proteiini Integrin Signal molecules Bridging protein Cytoskeleton Receptor region Enzyme region ECF G protein coupled receptor G protein Kaskadin loppupäässä lopputuotteena on glukoosi Inactive phosphorylase kinase Active phosphorylase kinase Inactive glycogen phosphorylase Active glycogen phosphorylase Glycogen Glucose phosphate Glucose 12
Radioaktiivisen ligandin kiinnittyminen reseptoriin camp vaihe 2 GTP binds to Galfa A receptor interacts with a ligand + Receptor Radioactive ligand G protein inactive adenylate cyclase Syklinen AMP camp vaihe 3 Cyclic AMP Adenine Galfa-GTP dissociates from G βγ and binds to anenylate cyclase, activating synthesis of camp Phosphate Sugar slow GTPase acivity of Galfa hydolyzes GTP to GDP ATP Active adenylate cyclase camp camp vaihe 1 camp vaihe 4 Hormone Energia GTP:ltä Receptor Galfa-GTP dissociates from G βγ and binds to adenylate cyclase, activating synthesis of camp G protein Adenylate cyclase Galfa-GDP dissociates from adenylate cyclase and returns to G βγ 13
Ca:n sitoutuminen kalmodu-liiniin Vapaat radikaalit Ca 2+ - calmodulin kinase A:B kovalenttinen sidos A + :B - A: - B + A B ionit ionit radikaalit Ca 2+ Calmodulin Ca 2+ -calmodulin C + C: - C Phosphorylation of other proteins Autophosphorylation Activated Fully active Carboniumion Carbanion Vapaa radikaali -elektrofiilinen -reaktiivinen Typpioksidia syntyy solussa Muita kuin reseptorivälitteisiä signaaleja arginiini NOS (NO-synteesi) NO NO tumorit + bakteerit (seinämä) NOS (makrofagit) Typpioksidi (NO) epätavallinen signaalimolekyyli (signaalimol. yleensä amiineja MW ~100 tai proteiineja MW ~10 000) vain kaksi atomia N (14) + O (16) MW 30 kaasu kemiaalisilta ominaisuuksiltaan vapaa radikaali inhibiittori N-methyl-arginiini NOS bacteriocide makrofageissa NO välttämätön, jotta niiden tehtävä tappajasoluina toteutuu 14
Typpioksidin muut vaikutukset Viagra 1 1. Verisuonissa vasodilataatio (laajeneminen) NO vapautuu endoteelisoluista diffundoituu ympäröivään sileään lihakseen relaksaatio ylimäärä voi aiheuttaa septistä shokkia, hoitona NOSinhibiittoria 2. Neuronit tuottavat NO:ia aivoissa aivojen ulkopuolella Viagra Hesarin kuukausiliite lokakuu 1998 (Jorma Palo) engl. kemistiryhmä kehitti lääkettä rintakipuihin glyseryylinitraatti eli nitroglyseriini (Nitro) koodinimi: UK-92480 kemiallinen yhdiste: sildenafiilisitraatti ei tehonnut, potilaat eivät palauttaneet Vaikutusmekanismi: nitroglyseriini NO vasodilataatio Typpioksidi... Viagra 2 3. Ruoansulatus-kanava NO välittää relaksaatiota välttämätön normaalin peristaltiikan toiminnan kannalta 4. Penis pelviksen alueen neuronit tuottavat NO:ia erektio 5. Aivoissa NO toimii neurotransmitterina kuljettaa viestejä eri suuntiin kuin tavall. transmitterit UK-92480 laajensi verisuonia mutta ei sepelvaltimoissa vaan siittimen hermopäätteistä ja endoteelisoluista vapautui NO GMP erektio fosfodiesteraasientsyymi hajoittaa GMP Tavoitteena oli että: sildenafiilisitraatti inhiboi fosfodiesteraasia ja GMP tehosi 4000x fosfodiesteraasin tyyppi 5:een kuin tyyppi 3:een Typpioksidi... Viagra 3 6. Solukuolemat välittää aivoissa epätavallisia solukuolemia neurodegenera-tiiviset sairaudet (esim. Huntingtonin tauti) typpioksidin life time n. 5 s NO voimakkaan tutkimuksen kohteena: neurobiologit, fysiologit, kemistit, biokemistit, biologit tyyppi 5 peniksessä ja tyyppi 3 sepelvaltimoissa Viagraa valmistetaan Irlannissa Ringaskidde (pieni kalastajakylä) kemistit engl. Kentistä (Nicholas Terret ym.) 1991 15