Solukalvon tehtävät Solukalvo Jokaista solua ympäröi solukalvo eli plasmamembraani eli plasmalemma 1. rajaa solun yksilöksi 2. säätelee soluun tulevien ja sieltä poistuvien aineiden määrää 3. ylläpitää solun homeostaasia 4. välittää solunulkoisia (ekstrasellulaarisia) viestejä solunsisäisiin (intrasellulaarisiin) toimintoihin Solukalvo on aktiivinen, valikoiva ja energiaa käyttävä Solunsisäiset kalvot Solukalvon kerrokset 1. jakavat solun sisällön soluorganelleiksi 2. toimivat aktiivisesti 3. ylläpitävät kullekin organellille ominaista homeostaasia 4. ympäröivät mm. tumaa, mitokondrioita, kloroplasteja, lysosomeja, peroksisomeja, endoplasmakalvostoa sekä Golgin laitteen rakkuloita ja levyjä solukalvon paksuus on 0,01 µm Elektronimikroskoopilla solukalvossa erottuu kolme kerrosta 2 nm 3,5 nm 2 nm elektronitiheä, osmiofiilinen kerros Solukalvon kerrostuminen Dawson-Danielli-malli Lipoproteiini asettuu veden pinnalle siten, että hydrofobinen pää on ulospäin Sandwich-mallissa hydrofobiset osat ovat vastakkain, fosfolipidikerros Protein Hydrophilic zone Hydrophobic zone Hydrophilic zone Esitettiin v. 1935, laajasti hyväksyttiin aina vuoteen 1970 saakka sandwich-malli fosfolipidikaksoiskerros kahden proteiinikerroksen välissä perifeeriset proteiinit uivat pinnalla 1
Nestemäinen mosaiikkimalli Kalvoproteiinit ajelehtivat Phospolipid bilayer Nykyisin hyväksytty, yksinkertaistettu malli Proteiinit hajaantuneet ja uponneina nestemäisessä tilassa olevaan fosfolipidikaksoiskerrokseen Integraaliproteiinit lävistävät solukalvon Mouse cell Membrane proteins Human cell 1. Membrane proteins labelled with fluorscent antibodies 2. Hybrid cell produced by virus-induced fusion 3. Proteins begin to mix in a few minutes 4. Proteins completely mixed after 40 minutes Lipidipitoisuuksia solussa Lipidi (%) Plasmamembraani Maksasolu Punasolu Myeliini Mitokondrion kotelo ER Fosfolipidit juoksevia Kolesteroli jäykistää Kolesteroli 17 23 22 3 6 Fosfolipidit 54 60 42 78 67 Glykolipidit 7 3 28 - - Muut 22 13 8 21 27 Solukalvon proteiinit entsyymejä pumppuja reseptoreita kytkeytyneenä soluväliaineeseen antigeenejä Solukalvon epäsymmetria glykolipidejä vain ulkopinnalla fosfolipidit jak. epäsymmetrisesti proteiinien hiilihydraattiosat aina ulospäin - solujen tunnistus - antigeenit - alkionkehitys 2
Fosfolipidit Sfingomyeliini PHOSPHOLIPIDS Phosohatidylcholine (shown) Phosphatidylethanolamine Phosphatidylserine Phosphatidylthreonine Phosphatidylinositol Phosphatidylglycerol Diphosphatidylglycerol (cadiolipin) Sphingomyelin (a sphingolipid) Glykolipidit Sterolit Glycolipids Cerebrosides (galctocerebroside shown) Gangliosides STEROLS Cholesterol (shown) Campesterol Sitosterol Stigmasterol Eläinsolun solukalvon rakenne (yksityiskohtainen) Fibers of te Carbohydrate extracellular matrix(ecm) Glycoprotein Filaments of cytoskeleton Cholesterol Peripheripal protein Integral protein Glycolipid EXTRA- ULAR FLUID Aineiden kulkeutuminen solukalvon läpi läpäisevyys eli permeabiliteetti rasvaliukoiset läpäisevät helposti vesiliukoiset molekyylit tarvitsevat kuljetusmekanism in: 1. kantajaproteiinit siirtävät sokereita ja aminohappoja gradientin suuntaan (ei tarvitse energiaa) 2. ionipumput esim. Na + /K + ATPaasi 3
Diffuusio 1 Ionikanavat Diffusion of one solute Molecules of dye Membrane WATER Diffuusio 2 Diffuusio 3 EQUILIBRIUM Diffuusio 4 Diffuusio 5 Diffusion of two solutes 4
out 3 Na + ATPaasi Diffuusio 6 Aktiiviset kuljetusmekanismit 1 EQUILIBRIUM Facilitated diffusion Aktiiviset kuljetusmekanismit 2 Na + /K + ATPaasi OF Oligosaccharides ATPaasit pumppaavat ioneja niiden konsentraatiogradienttia vastaan kuluu energiaa solukalvo OF Binding site for ATP ATP in 2 K + ADP + P Na-K-ATPaasi 1 Initial state: pump open to inside 3 Na + are taken from inside OF Na + /K + ATPaasi 2 Esim. mahan limakalvo pumppaa H + gradientti 1: 1 000 000 (10 6 ) ph solussa 7, ulkopuolella 1-2 5
Na-K-ATPaasi 3 Na-K-ATPaasi 3 OF ATP phosphorylates α subunits 5. Dephosphorylation triggers conformational change Pump open to outside, ready to start second half of cycle A conformational change following phosphorylation expels 3 Na + to outside 4. Two K + accepted from outside Aktiivinen kuljetusmekanismi Kuljetusmekanismit, yhteenveto Lipofiiliset aineet, esim. melatoniini Na/K-pumpun toiminta konsentraatiogradienttia vastaan Diffusion through lipid bilayer Facilitated diffusion Passive transport Active transport Protonipumppu 1 Protonipumppu 2 EXTRAULAR FLUID Diffusion of H + CYTOPLASM Sucrose 6
Ionikanavat Depolarisaatio ja ionikanavat solukalvoissa kaliumkanavia ja kloridikanavia jos molemmat kiinni: V = 0 mv jos K-kanava auki ja Cl-kanava kiinni: V = -58 mv jos molemmat kanavat auki: V = 0 mv Nernstin kaava: E(mV) = 58 log(c out /C in ) 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 Potassium channel Activation gate PLASMA MEMBRANE 1. Resting state Sodium channel 2. Depolarizing phase 3. Repolarizing phase Inactivation gate 4. Undershoot 7
Aktiopotentiaali 5 Aktiopotentiaali 6 Region of depolarization Inactivated Na + channels Movement of action potential Ionikanavat 2 Patch clamp -tekniikka 1 monet myrkyt sitoutuvat hermon toiminnan kannalta tärkeisiin proteiineihin, kuten: tetrodotoksiini (eristetty japanilaisesta fugukalasta) salpaa Nakanavan yksittäisen ionikanavan toimintaa voidaan tutkia patch clamp tekniikalla, jossa solukalvo imetään mikropipetin sisään Membrane Ion channel Glass pipette Patch clamp -tekniikka 2 Patch clamp -tekniikka 3 8
Miten hermosolut kommunikoivat toistensa kanssa? Miten hermosolut... aktiopotentiaalin kulku aksonia pitkin myelinisoitu hermo sähköinen synapsi Ca-kanava presynaptisella puolella ligandi= molekyyli, joka spesifisesti sitoutuu toiseen molekyyliin neurotransmitteri voi tuottaa ekskitatorisen (Nakanava + neurotransmitteri) tai inhibitorisen (Clkanava + neurotransmtteri) vaikutuksen postsynaptiseen neuroniin yleisin inhibitorinen neurotransmitteri γ aminovoihappo (GABA) neurotransmitterin vapautuminen on riippuvainen ainakin neljästä proteiinista GABA-erginen neuroni GABA or glycine Cl - Dendrites of postsynaptic neuron Synaptic terminals of presynaptic neurons GABA or glycine Action potential Presynaptic cell Ca 2+ GABA or gylicine receptor 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 9